基于卤钨灯和LED的复合光源设计与实现

隋成华，杜春年，徐丹阳

(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

基于卤钨灯和LED的复合光源设计与实现

隋成华，杜春年，徐丹阳

(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

在光谱检测技术中所采用的光谱范围通常在紫外-可见光波段，同时要求该光源能够输出连续、稳定且光强较强的光，一般的单一光源很难满足这个要求.通常卤钨灯在可见光波段能很好的满足光谱检测分析，但在紫外波段无法满足要求.鉴于此，紫外LED灯可以弥补卤钨灯在紫外波段光强较弱的缺陷.为了实现紫外-可见光-近红外复合光源的设计，采用恒压输出驱动不同功率紫外LED灯，实现光谱光强的均匀性，最终设计成功一款小型紫外-可见光-近红外复合光源.

卤钨灯；LED；复合光源；光谱测量

光谱检测技术是通过分析光谱来了解被测样品的成分及结构等特性，其特点为检测快速、灵敏、无损和高精度等[1-4].随着光谱学的不断发展，该检测技术运用领域也越来越广阔，如材料、化工、天文、环境、航天、航空和资源探测等[5-8].光源是光谱检测装置中的重要组成部分，宽光谱光源可以大大扩展光谱检测技术在很多测量方面的应用.卤钨灯是一种较为理想的在450～940 nm波长范围内具有连续、稳定的发光光谱的光源，但是由于它在可见光和近红外波段光强较强而在紫外波段光强较弱的发光特性，限制了其使用.为此，我们采用紫外LED来弥补卤钨灯在紫外波段的缺陷，构建一款小体积紫外LED灯和卤钨灯相复合的光源，这样就得到了跨越紫外和近红外的宽光谱光源.

1 系统构成

复合光源的系统构成由电源模块、LED电源驱动模块、光学系统、光强调节结构及外部结构等构成.电源模块为卤钨灯及LED电源驱动模块供电，LED电源驱动模块输出恒压电源来保证多颗不同功率LED灯的正常工作，光学系统实现卤钨灯与LED灯发出的光谱复合，得到紫外-近红外的宽光源光谱.系统结构图如图1所示.

图1 系统结构框图Fig.1 Diagram of system structure

2 卤钨灯和LED复合光源设计

2.1 恒压驱动模块

LED电源驱动模块应当具备高效、可控、简单实用等特点[9].LED的供电方法一般有两种：恒流供电和恒压供电.理想的LED供电方式为恒流供电，其输出恒定电流，LED的负载数量受其输出的最大电流及电压值限制；恒压供电其输出电压稳定且电流随负载数量多少而变化，可配置限流电阻满足多个串联LED灯工作.由于复合光源的设计采用了多颗不同功率的LED灯，因此采用恒压驱动方式，并配以限流电阻保障其正常工作.

LED恒压驱动电路的主体芯片采用LT1763，其特点为低噪声及低压差稳压(300 mV压差).LED恒压驱动电路原理图如图2所示.输入电压UIN=+6 V，输出电压UOUT=+4.2 V.电路中电容C1和C2起到滤波作用，通过调整电阻R3和R4的阻值可以实现输出电压可调.R7，R8，R9和R10起到了限流作用，选择合适的阻值可以使四颗LED的发光强度均匀，D1为电源指示灯当有电源接入时D1发光.

图2 LED恒压驱动电路原理图Fig.2 Circuit schematic of LED constant voltage drive

2.2 光路设计

卤钨灯是可见-近红外波段的理想光源，其内充有卤族元素或卤化物，其发出的连续光谱波段范围为450～940 nm，如图3所示.它的特点是小体积、高发光效率、色温稳定、长寿命.为弥补卤钨灯在紫外波段光谱的缺失，采用四颗紫外LED灯发射紫外光谱[11-12].型号分别为XL3028UBC/365(中心波长为365 nm，半波宽28 nm)，XL3014UVC/385(中心波长为385 nm，半波宽28 nm)，XL3014UVC/415(中心波长为415 nm，半波宽28 nm)，XL3528UBC/480(中心波长为480 nm，半波宽28 nm).紫外LED灯的发光光谱如图4所示.

图3 卤钨灯光谱图Fig.3 The spectrum of halogen lamp

图4 4颗紫外LED灯光谱图Fig.4 The spectrum of 4 UV LEDs

根据选取好的的卤钨灯和LED，同时为了考虑系统结构的紧凑排布及光斑均匀性要求，经过试验，这里将四颗LED灯放置为“┳”型，从左至右三颗LED灯的型号分别为XL3028UBC/365，XL3014UVC/385，XL3014UVC/415，下方的为XL3528UBC/480，功率分别为0.6，1.0，0.6，1.0 W.由于LED灯及卤钨灯的尺寸相对于焦距来说非常小，因此可看作是点光源，通过光学设计软件Zemax进行仿真，其中聚焦透镜的焦距为20 mm，孔径光阑为12 mm，接收面即光纤截面.调整光源与透镜之间的距离，使其到接收面的耦合效率最高，整个光路模拟图如图5所示，不同颜色的光线分别代表了不同光源发出的光.图6为复合光源光强分布模拟图，5个光斑之间能紧凑依靠.其纵轴所标的颜色代表平面上各点的光强，单位为mW/cm2.

图5 光路示意图Fig.5 The schematic diagram of optical path

图6 复合光源光强分布模拟图Fig.6 Simulation of light intensity distribution of compound light source

2.3 系统调试及组装

对电路板进行安装调试，使其能够稳定输出+4.2 V电压，130 mA电流.将电路板、卤钨灯、紫外LED灯和聚焦透镜等器件安装到光源的机械结构中，最终得到体积为100 mm×60 mm×34.5 mm的紫外-可见光-近红外复合光源，外形如图7所示.使用海洋公司生产的USB4000对其进行光谱测量，得到的光谱图如图8所示，与图4中的卤钨灯光谱相比，该光谱图中350～450 nm波段的光强得到明显的增强.

图7 光源整体图Fig.7 The machine diagram of light source

图8 复合光源光谱图Fig.8 The spectrum of compound light source

3 实验结果与讨论

分别用卤钨灯和设计的紫外-可见光-近红外复合光源对同一样品豆油进行光谱透过率检测，其实验装置结构示意图如图9所示.光源发出的光由光纤导出，经聚焦透镜将发散光聚焦透过样品槽，再由光纤导入到光谱仪进行光谱测量分析.

图9 实验装置结构示意图Fig.9 The configuration diagram of experimental instrument

分别用卤钨灯和改进的紫外-可见光-近红外复合光源作为光源测得的透过率曲线如图10，11所示.图10是用卤钨灯作为光源测得的相对透过率数据，根据相对透过率的表达式T=S/R,式中：T为相对透过率；S为信号光光强；R为参考光光强.由于钨灯在400 nm以下参考光强非常弱，近似为零.信号光光强S所反映的是噪光，导致了相对透过率不确定，在光谱测量中所得到的是一个不正确的，或者说是杂乱无章的噪光，把样品原有的吸收峰给掩盖了，正如图10中320～400 nm所表现的情况.而经过我们改进的紫外-可见-近红外复合光源所获得的样品相对透过率光谱图(图11)，把样品在320～400 nm波段所具有的特征吸收峰清晰准确的显示了出来.因此说明设计的复合光源可以很好的测量出样品在紫外波段的透过率信息，拓宽了该光源的测量光谱范围.

图10 卤钨灯光源检测样品光谱图Fig.10 The spectrum of the sample by using halogen lamp

图11 复合光源检测样品光谱图Fig.11 The spectrum of the sample by using compound light source

4 结 论

结合卤钨灯光谱的发光特性，设计了卤钨灯和LED的复合光源，采用紫外LED来弥补卤钨灯在紫外波段光强较弱的问题，最终得到的紫外-可见光-近红外复合光源输出波长范围350～900 nm，工作电压+6 V，工作电流130 mA，体积100 mm×60 mm×34.5 mm.经过实际测量，该复合光源在紫外波段光强较单一卤钨灯有了显著增强.在使用该复合光源测量油料等样品时，样品在紫外波段的透过率特征光谱信息清晰的被反映出来，这一复合光源的开发为生化光谱检测装置的小型化与便携型的研制提供了一种较好的光源.

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(责任编辑：刘 岩)

Design and implementation of compound light sourceauthor_info_translatebased on halogen lamp and LEDs

SUI Chenghua, DU Chunnian, XU Danyang

(College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

The spectral range used in the spectrum detection technology is usually in the ultraviolet-visible light band and the light source can be used to output a continuous, stable and strong light intensity. However, common light sources are hard to meet this requirement. Usually the halogen lamp can be very good to meet the spectral detection analysis in the visible light band, but in the ultraviolet band it can’t meet the requirements. Therefore, the ultraviolet LEDs are used to make up the defect of the intensity of the halogen lamp in the ultraviolet band. In order to realize the design of the ultraviolet-visible-near infrared light source, constant voltage output is used to drive different power ultraviolet LEDs to achieve the uniformity of spectrum intensity. Ultimately, a small ultraviolet-visible-near infrared composite light source is designed successfully.

halogen lamp; LED; compound light source; spectrum measurement

2016-09-26

隋成华(1956—)，男，山东海阳人，教授，博士，主要从事新型光电信息处理系统的开发及应用，E-mail: suich@zjut.edu.cn.

TP212.1

A

1006-4303(2017)03-0351-04