李菲 馬慧瑩 劉喜強 王巖

摘要：相比于傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）具有光譜帶寬窄、能量集中、體積小、成本低等諸多獨特的優(yōu)勢[1-3]，但LED光源系統(tǒng)難以實現(xiàn)多個波長的光源輸出。目前市場上存在的LED多通道光源，較多的也只是4個LED光源，同時LED光源出射光功率損失較大，通過光源驅(qū)動控制各自的LED，無法實現(xiàn)不同波長LED在特定方向上的發(fā)光，這難以滿足科研工作中單色性好且多波長激發(fā)光源的需求[4-6]，這限制了LED光源系統(tǒng)的應(yīng)用。為了拓展LED光源系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)LED光源在多種檢測儀器的應(yīng)用，本文設(shè)計了基于LED高功率多波長光源轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，主要通過高功率單色性光源的多波長結(jié)構(gòu)設(shè)計方便實現(xiàn)不同波長LED光源的發(fā)光照明及光源的精確指向，實現(xiàn)光源兼顧高單色性和高功率，并且波長可變的基本要求，在滿足最大激發(fā)光強的條件下，使得儀器能夠?qū)崿F(xiàn)多波長的光源轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：LED;多波長;轉(zhuǎn)換

一、設(shè)計思路與工作過程

本裝置設(shè)計圖如圖1所示。采用多種波長LED光源，在旋轉(zhuǎn)平臺上固定有光源支架，該光源支架的光源安裝卡槽中安裝有所述的LED，每個光源安裝卡槽（也稱為：光源安裝孔）中安裝的LED的波長不同，所有的LED共同構(gòu)成多波長LED光源;所有的LED的陰極與光源控制芯片連接;所有的LED的陽極與光源控制系統(tǒng)連接;該光源控制系統(tǒng)包括：電流控制開關(guān)，光源發(fā)光選擇開關(guān)、光源脈沖觸發(fā)端口和旋轉(zhuǎn)平臺的驅(qū)動控制電路;在LED的光束出射口上設(shè)有光源的耦合準直系統(tǒng)。下面將詳述該裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程。

該裝置中，軟件設(shè)置主要包括三部分，分別為旋轉(zhuǎn)平臺驅(qū)動控制、光源波長選擇控制及光源控制。

a.首先通過旋轉(zhuǎn)平臺驅(qū)動控制使得平臺旋轉(zhuǎn)到所需角度：首先使得平臺旋轉(zhuǎn)置零，設(shè)置平臺旋轉(zhuǎn)方向，可選擇順時針或者逆時針，在絕對旋轉(zhuǎn)角度輸入命令中輸入所需角度，然后按確定鍵，即可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺的特定方向旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)平臺驅(qū)動控制還可以實現(xiàn)角度的相對旋轉(zhuǎn)，即相對于現(xiàn)有的平臺角度，平臺需要旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，主要應(yīng)用在光源波長連續(xù)改變的儀器中。

b.光源波長選擇主要是軟件設(shè)置的快捷鍵，該不同波長選擇鍵與旋轉(zhuǎn)平臺角度固定，當選擇不同的波長時，旋轉(zhuǎn)平臺就會旋轉(zhuǎn)到與波長相對應(yīng)的平臺角度，快速地實現(xiàn)不同波長的光源方向定位。

c.最后進行光源控制，包括光源的電流控制、脈沖觸發(fā)端口開關(guān)及光源發(fā)光選擇。通過滑動光源電流開關(guān)的按鈕進行光源亮度調(diào)節(jié);在需要對光源進行外部觸發(fā)調(diào)節(jié)時打開脈沖觸發(fā)端口開關(guān);然后對光源發(fā)光選擇進行控制，按下所需要波長的光源開關(guān)，即可實現(xiàn)不同發(fā)光波長光源的發(fā)光。

d.該控制軟件具有可調(diào)整性，可根據(jù)光源在不同環(huán)境下的使用，手動對光源波長選擇下的按鍵進行重新調(diào)節(jié)和設(shè)置，尤其是當選擇不同的光源波長時，需要對波長選擇快捷鍵進行重新設(shè)置時使用。

二、操作步驟與設(shè)計原理

第一，調(diào)試多波長光源轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)平臺1，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)平臺1主要作用是將固定在平臺面上的光源支架3及其光源4進行不同方位的精確旋轉(zhuǎn)，提供光源（LED或LD）的方向指向，通過計算機控制程序或軟件2對旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)角度進行精確控制，不僅可以實現(xiàn)順時針和逆時針方向的旋轉(zhuǎn)，又可實現(xiàn)360度角度內(nèi)任意方向的精確定位。旋轉(zhuǎn)平臺上具有不同尺寸螺孔，用于固定光源支架3，使得光源4不同波長發(fā)光光源與旋轉(zhuǎn)平臺位置固定，從而實現(xiàn)通過旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)控制光源波長的精確指向。

第二，不同波長光源4與光源支架3的安裝示意圖，如圖3所示。其中光源支架3為多邊形、圓形或者任意面形設(shè)計，多邊形每個面安裝一個光源4，或者不同波長光源平均分布在圓形邊上，為了美觀及其對稱性，光源支架3可根據(jù)實際需要采用不同的多邊形，如三邊形、四邊形、五邊形等，需要的不同波長LED或LD光源數(shù)量越多，多邊形邊數(shù)越多。多邊形每個邊都設(shè)有光源安裝卡槽5，光源卡槽的形狀根據(jù)LED或LD的型號選擇而不同。不同波長的光源3安裝在多邊形的每個邊的光源卡槽5內(nèi)，從而形成一個具有多種波長的光源。圖13展示的為六個波長的光源轉(zhuǎn)換裝置，在每個邊上安裝不同波長的光源，（波長選擇根據(jù)實際需要裝配），從而實現(xiàn)了六個波長的光源設(shè)計。

第三，多波長光源的控制系統(tǒng)，如圖4所示。所示的多波長光源頂端（即多邊形支架頂端）為光源蓋板6，光源蓋板6主要保護光源內(nèi)部的光學元件。蓋板6上安裝光源控制芯片7，芯片7與所有的多波長LED或LD陰極連接，形成光源的共陰極結(jié)構(gòu)，光源的陽極則與光源控制系統(tǒng)連接在一起，光源控制主要包括：電流控制開關(guān)8，光源發(fā)光選擇開關(guān)9，光源脈沖觸發(fā)端口10，其中，電流控制開關(guān)8主要調(diào)節(jié)光源的發(fā)光強弱，光源的強度調(diào)節(jié)既可以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)光信號的強弱，也可以實現(xiàn)脈沖信號的發(fā)光強弱。光源發(fā)光選擇開關(guān)9主要實現(xiàn)控制不同LED或LD的同時發(fā)光或者單個發(fā)光，光源脈沖觸發(fā)端10主要針對在LED 或LD的脈沖調(diào)節(jié)時，可以通過外界信號對光源的發(fā)光進行脈沖調(diào)制。總之，多波長光源控制系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)不同LED或LD的同時發(fā)光或者單個發(fā)光，也可以調(diào)節(jié)發(fā)光光源的電流強度，控制光源的發(fā)光強弱，同時通過脈沖觸發(fā)端口，對發(fā)光LED或LD進行脈沖調(diào)制，實現(xiàn)了光源的波長選擇發(fā)光、脈沖調(diào)節(jié)、光源的發(fā)光強度調(diào)節(jié)的基本功能。

第四，多波長光源安裝結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示。系統(tǒng)的主要部件包括：旋轉(zhuǎn)平臺1及控制程序2、光源支架3，不同波長光源4，光源安裝卡槽5，光源控制系統(tǒng)，耦合準直系統(tǒng)11及外罩12等。其中，旋轉(zhuǎn)平臺1位于多波長光源最底端，與計算機旋轉(zhuǎn)控制程序2相連接，該結(jié)構(gòu)完成整個光源的定向指向功能，光源支架3固定在旋轉(zhuǎn)平臺1上，與旋轉(zhuǎn)平臺相對位置固定，通過在光源支架不同位置安裝所需要的不同波長LED或LD等光源3，在光源的波長與旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)向角確定后，可實現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn)角度下的發(fā)光波長的精確控制。在光源支架3上安裝光源的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含光源支架上的蓋板6、芯片7及調(diào)節(jié)旋鈕（電流控制調(diào)節(jié)8、波長選擇開關(guān)9、脈沖觸發(fā)端口10），該結(jié)構(gòu)主要完成光源的發(fā)光強度調(diào)節(jié)、波長選擇及脈沖調(diào)節(jié)功能。光源主體結(jié)構(gòu)放置在外罩12中，外罩12有一個出光孔，使得所需要的波長的光源出射，在外罩12上有安裝卡槽，能夠連接耦合準直裝置11，由于光源發(fā)光為發(fā)散光，當發(fā)散光經(jīng)過耦合準直裝置11時，使得光源發(fā)出的光束變?yōu)槠叫芯鶆?，光束角度被壓縮，從而實現(xiàn)光源對所需區(qū)域進行均勻照明。耦合裝置11根據(jù)實際的光源運用場景進行選擇安裝。

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