LED多波长光源转换装置设计

李菲 马慧莹 刘喜强 王岩

摘要：相比于传统光源，发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）具有光谱带宽窄、能量集中、体积小、成本低等诸多独特的优势[1-3]，但LED光源系统难以实现多个波长的光源输出。目前市场上存在的LED多通道光源，较多的也只是4个LED光源，同时LED光源出射光功率损失较大，通过光源驱动控制各自的LED，无法实现不同波长LED在特定方向上的发光，这难以满足科研工作中单色性好且多波长激发光源的需求[4-6]，这限制了LED光源系统的应用。为了拓展LED光源系统的应用范围，实现LED光源在多种检测仪器的应用，本文设计了基于LED高功率多波长光源转换装置及其控制方法，主要通过高功率单色性光源的多波长结构设计方便实现不同波长LED光源的发光照明及光源的精确指向，实现光源兼顾高单色性和高功率，并且波长可变的基本要求，在满足最大激发光强的条件下，使得仪器能够实现多波长的光源转换。

关键词：LED;多波长;转换

一、设计思路与工作过程

本装置设计图如图1所示。采用多种波长LED光源，在旋转平台上固定有光源支架，该光源支架的光源安装卡槽中安装有所述的LED，每个光源安装卡槽（也称为：光源安装孔）中安装的LED的波长不同，所有的LED共同构成多波长LED光源;所有的LED的阴极与光源控制芯片连接;所有的LED的阳极与光源控制系统连接;该光源控制系统包括：电流控制开关，光源发光选择开关、光源脉冲触发端口和旋转平台的驱动控制电路;在LED的光束出射口上设有光源的耦合准直系统。下面将详述该装置的结构和工作过程。

该装置中，软件设置主要包括三部分，分别为旋转平台驱动控制、光源波长选择控制及光源控制。

a.首先通过旋转平台驱动控制使得平台旋转到所需角度：首先使得平台旋转置零，设置平台旋转方向，可选择顺时针或者逆时针，在绝对旋转角度输入命令中输入所需角度，然后按确定键，即可实现旋转平台的特定方向旋转，该旋转平台驱动控制还可以实现角度的相对旋转，即相对于现有的平台角度，平台需要旋转的度数，主要应用在光源波长连续改变的仪器中。

b.光源波长选择主要是软件设置的快捷键，该不同波长选择键与旋转平台角度固定，当选择不同的波长时，旋转平台就会旋转到与波长相对应的平台角度，快速地实现不同波长的光源方向定位。

c.最后进行光源控制，包括光源的电流控制、脉冲触发端口开关及光源发光选择。通过滑动光源电流开关的按钮进行光源亮度调节;在需要对光源进行外部触发调节时打开脉冲触发端口开关;然后对光源发光选择进行控制，按下所需要波长的光源开关，即可实现不同发光波长光源的发光。

d.该控制软件具有可调整性，可根据光源在不同环境下的使用，手动对光源波长选择下的按键进行重新调节和设置，尤其是当选择不同的光源波长时，需要对波长选择快捷键进行重新设置时使用。

二、操作步骤与设计原理

第一，调试多波长光源转换旋转平台1，如图2所示。旋转平台1主要作用是将固定在平台面上的光源支架3及其光源4進行不同方位的精确旋转，提供光源（LED或LD）的方向指向，通过计算机控制程序或软件2对旋转平台旋转角度进行精确控制，不仅可以实现顺时针和逆时针方向的旋转，又可实现360度角度内任意方向的精确定位。旋转平台上具有不同尺寸螺孔，用于固定光源支架3，使得光源4不同波长发光光源与旋转平台位置固定，从而实现通过旋转平台旋转控制光源波长的精确指向。

第二，不同波长光源4与光源支架3的安装示意图，如图3所示。其中光源支架3为多边形、圆形或者任意面形设计，多边形每个面安装一个光源4，或者不同波长光源平均分布在圆形边上，为了美观及其对称性，光源支架3可根据实际需要采用不同的多边形，如三边形、四边形、五边形等，需要的不同波长LED或LD光源数量越多，多边形边数越多。多边形每个边都设有光源安装卡槽5，光源卡槽的形状根据LED或LD的型号选择而不同。不同波长的光源3安装在多边形的每个边的光源卡槽5内，从而形成一个具有多种波长的光源。图13展示的为六个波长的光源转换装置，在每个边上安装不同波长的光源，（波长选择根据实际需要装配），从而实现了六个波长的光源设计。

第三，多波长光源的控制系统，如图4所示。所示的多波长光源顶端（即多边形支架顶端）为光源盖板6，光源盖板6主要保护光源内部的光学元件。盖板6上安装光源控制芯片7，芯片7与所有的多波长LED或LD阴极连接，形成光源的共阴极结构，光源的阳极则与光源控制系统连接在一起，光源控制主要包括：电流控制开关8，光源发光选择开关9，光源脉冲触发端口10，其中，电流控制开关8主要调节光源的发光强弱，光源的强度调节既可以实现连续发光信号的强弱，也可以实现脉冲信号的发光强弱。光源发光选择开关9主要实现控制不同LED或LD的同时发光或者单个发光，光源脉冲触发端10主要针对在LED 或LD的脉冲调节时，可以通过外界信号对光源的发光进行脉冲调制。总之，多波长光源控制系统，既可以实现不同LED或LD的同时发光或者单个发光，也可以调节发光光源的电流强度，控制光源的发光强弱，同时通过脉冲触发端口，对发光LED或LD进行脉冲调制，实现了光源的波长选择发光、脉冲调节、光源的发光强度调节的基本功能。

第四，多波长光源安装结构示意图，如图5所示。系统的主要部件包括：旋转平台1及控制程序2、光源支架3，不同波长光源4，光源安装卡槽5，光源控制系统，耦合准直系统11及外罩12等。其中，旋转平台1位于多波长光源最底端，与计算机旋转控制程序2相连接，该结构完成整个光源的定向指向功能，光源支架3固定在旋转平台1上，与旋转平台相对位置固定，通过在光源支架不同位置安装所需要的不同波长LED或LD等光源3，在光源的波长与旋转平台转向角确定后，可实现不同旋转角度下的发光波长的精确控制。在光源支架3上安装光源的控制系统，系统包含光源支架上的盖板6、芯片7及调节旋钮（电流控制调节8、波长选择开关9、脉冲触发端口10），该结构主要完成光源的发光强度调节、波长选择及脉冲调节功能。光源主体结构放置在外罩12中，外罩12有一个出光孔，使得所需要的波长的光源出射，在外罩12上有安装卡槽，能够连接耦合准直装置11，由于光源发光为发散光，当发散光经过耦合准直装置11时，使得光源发出的光束变为平行均匀，光束角度被压缩，从而实现光源对所需区域进行均匀照明。耦合装置11根据实际的光源运用场景进行选择安装。

参考文献：

[1]赵俊.基于白光LED阵列光源的可见光通信系统研究[D].暨南大学，2009.

[2]朱孝立，陈军宁.光电编码器LED光源的准直[J].光学精密工程，2009（04）：750-756.

[3]吴淑梅，霍彦明，徐梅.LED光源在照明中的应用[J].光源与照明，2008.

[4]闫伟才.基于室内LED光源的无线通信技术研究[D].太原理工大学，2011.

[5]樊夏辉，刘桂礼，孔全存，等.基于微流控芯片荧光检测的LED光源自适应补偿方法[J].仪表技术与传感器，2019（006）：118-122.

[6]董丽丽，秦歌，陈烊.LED光源光谱对隧道出口段明适应的影响[J].光谱学与光谱分析，2020，v.40（04）：54-60.