基于鹵鎢燈和LED的復(fù)合光源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隋成華，杜春年，徐丹陽(yáng)

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

基于鹵鎢燈和LED的復(fù)合光源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隋成華，杜春年，徐丹陽(yáng)

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

在光譜檢測(cè)技術(shù)中所采用的光譜范圍通常在紫外-可見(jiàn)光波段，同時(shí)要求該光源能夠輸出連續(xù)、穩(wěn)定且光強(qiáng)較強(qiáng)的光，一般的單一光源很難滿足這個(gè)要求.通常鹵鎢燈在可見(jiàn)光波段能很好的滿足光譜檢測(cè)分析，但在紫外波段無(wú)法滿足要求.鑒于此，紫外LED燈可以彌補(bǔ)鹵鎢燈在紫外波段光強(qiáng)較弱的缺陷.為了實(shí)現(xiàn)紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源的設(shè)計(jì)，采用恒壓輸出驅(qū)動(dòng)不同功率紫外LED燈，實(shí)現(xiàn)光譜光強(qiáng)的均勻性，最終設(shè)計(jì)成功一款小型紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源.

鹵鎢燈；LED；復(fù)合光源；光譜測(cè)量

光譜檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)分析光譜來(lái)了解被測(cè)樣品的成分及結(jié)構(gòu)等特性，其特點(diǎn)為檢測(cè)快速、靈敏、無(wú)損和高精度等[1-4].隨著光譜學(xué)的不斷發(fā)展，該檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊，如材料、化工、天文、環(huán)境、航天、航空和資源探測(cè)等[5-8].光源是光譜檢測(cè)裝置中的重要組成部分，寬光譜光源可以大大擴(kuò)展光譜檢測(cè)技術(shù)在很多測(cè)量方面的應(yīng)用.鹵鎢燈是一種較為理想的在450～940 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有連續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)光光譜的光源，但是由于它在可見(jiàn)光和近紅外波段光強(qiáng)較強(qiáng)而在紫外波段光強(qiáng)較弱的發(fā)光特性，限制了其使用.為此，我們采用紫外LED來(lái)彌補(bǔ)鹵鎢燈在紫外波段的缺陷，構(gòu)建一款小體積紫外LED燈和鹵鎢燈相復(fù)合的光源，這樣就得到了跨越紫外和近紅外的寬光譜光源.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

復(fù)合光源的系統(tǒng)構(gòu)成由電源模塊、LED電源驅(qū)動(dòng)模塊、光學(xué)系統(tǒng)、光強(qiáng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及外部結(jié)構(gòu)等構(gòu)成.電源模塊為鹵鎢燈及LED電源驅(qū)動(dòng)模塊供電，LED電源驅(qū)動(dòng)模塊輸出恒壓電源來(lái)保證多顆不同功率LED燈的正常工作，光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鹵鎢燈與LED燈發(fā)出的光譜復(fù)合，得到紫外-近紅外的寬光源光譜.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system structure

2 鹵鎢燈和LED復(fù)合光源設(shè)計(jì)

2.1 恒壓驅(qū)動(dòng)模塊

LED電源驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)當(dāng)具備高效、可控、簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn)[9].LED的供電方法一般有兩種：恒流供電和恒壓供電.理想的LED供電方式為恒流供電，其輸出恒定電流，LED的負(fù)載數(shù)量受其輸出的最大電流及電壓值限制；恒壓供電其輸出電壓穩(wěn)定且電流隨負(fù)載數(shù)量多少而變化，可配置限流電阻滿足多個(gè)串聯(lián)LED燈工作.由于復(fù)合光源的設(shè)計(jì)采用了多顆不同功率的LED燈，因此采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式，并配以限流電阻保障其正常工作.

LED恒壓驅(qū)動(dòng)電路的主體芯片采用LT1763，其特點(diǎn)為低噪聲及低壓差穩(wěn)壓(300 mV壓差).LED恒壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示.輸入電壓UIN=+6 V，輸出電壓UOUT=+4.2 V.電路中電容C1和C2起到濾波作用，通過(guò)調(diào)整電阻R3和R4的阻值可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào).R7，R8，R9和R10起到了限流作用，選擇合適的阻值可以使四顆LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻，D1為電源指示燈當(dāng)有電源接入時(shí)D1發(fā)光.

圖2 LED恒壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 Circuit schematic of LED constant voltage drive

2.2 光路設(shè)計(jì)

鹵鎢燈是可見(jiàn)-近紅外波段的理想光源，其內(nèi)充有鹵族元素或鹵化物，其發(fā)出的連續(xù)光譜波段范圍為450～940 nm，如圖3所示.它的特點(diǎn)是小體積、高發(fā)光效率、色溫穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命.為彌補(bǔ)鹵鎢燈在紫外波段光譜的缺失，采用四顆紫外LED燈發(fā)射紫外光譜[11-12].型號(hào)分別為XL3028UBC/365(中心波長(zhǎng)為365 nm，半波寬28 nm)，XL3014UVC/385(中心波長(zhǎng)為385 nm，半波寬28 nm)，XL3014UVC/415(中心波長(zhǎng)為415 nm，半波寬28 nm)，XL3528UBC/480(中心波長(zhǎng)為480 nm，半波寬28 nm).紫外LED燈的發(fā)光光譜如圖4所示.

圖3 鹵鎢燈光譜圖Fig.3 The spectrum of halogen lamp

圖4 4顆紫外LED燈光譜圖Fig.4 The spectrum of 4 UV LEDs

根據(jù)選取好的的鹵鎢燈和LED，同時(shí)為了考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊排布及光斑均勻性要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這里將四顆LED燈放置為“┳”型，從左至右三顆LED燈的型號(hào)分別為XL3028UBC/365，XL3014UVC/385，XL3014UVC/415，下方的為XL3528UBC/480，功率分別為0.6，1.0，0.6，1.0 W.由于LED燈及鹵鎢燈的尺寸相對(duì)于焦距來(lái)說(shuō)非常小，因此可看作是點(diǎn)光源，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax進(jìn)行仿真，其中聚焦透鏡的焦距為20 mm，孔徑光闌為12 mm，接收面即光纖截面.調(diào)整光源與透鏡之間的距離，使其到接收面的耦合效率最高，整個(gè)光路模擬圖如圖5所示，不同顏色的光線分別代表了不同光源發(fā)出的光.圖6為復(fù)合光源光強(qiáng)分布模擬圖，5個(gè)光斑之間能緊湊依靠.其縱軸所標(biāo)的顏色代表平面上各點(diǎn)的光強(qiáng)，單位為mW/cm2.

圖5 光路示意圖Fig.5 The schematic diagram of optical path

圖6 復(fù)合光源光強(qiáng)分布模擬圖Fig.6 Simulation of light intensity distribution of compound light source

2.3 系統(tǒng)調(diào)試及組裝

對(duì)電路板進(jìn)行安裝調(diào)試，使其能夠穩(wěn)定輸出+4.2 V電壓，130 mA電流.將電路板、鹵鎢燈、紫外LED燈和聚焦透鏡等器件安裝到光源的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，最終得到體積為100 mm×60 mm×34.5 mm的紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源，外形如圖7所示.使用海洋公司生產(chǎn)的USB4000對(duì)其進(jìn)行光譜測(cè)量，得到的光譜圖如圖8所示，與圖4中的鹵鎢燈光譜相比，該光譜圖中350～450 nm波段的光強(qiáng)得到明顯的增強(qiáng).

圖7 光源整體圖Fig.7 The machine diagram of light source

圖8 復(fù)合光源光譜圖Fig.8 The spectrum of compound light source

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別用鹵鎢燈和設(shè)計(jì)的紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源對(duì)同一樣品豆油進(jìn)行光譜透過(guò)率檢測(cè)，其實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示.光源發(fā)出的光由光纖導(dǎo)出，經(jīng)聚焦透鏡將發(fā)散光聚焦透過(guò)樣品槽，再由光纖導(dǎo)入到光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)量分析.

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The configuration diagram of experimental instrument

分別用鹵鎢燈和改進(jìn)的紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源作為光源測(cè)得的透過(guò)率曲線如圖10，11所示.圖10是用鹵鎢燈作為光源測(cè)得的相對(duì)透過(guò)率數(shù)據(jù)，根據(jù)相對(duì)透過(guò)率的表達(dá)式T=S/R,式中：T為相對(duì)透過(guò)率；S為信號(hào)光光強(qiáng)；R為參考光光強(qiáng).由于鎢燈在400 nm以下參考光強(qiáng)非常弱，近似為零.信號(hào)光光強(qiáng)S所反映的是噪光，導(dǎo)致了相對(duì)透過(guò)率不確定，在光譜測(cè)量中所得到的是一個(gè)不正確的，或者說(shuō)是雜亂無(wú)章的噪光，把樣品原有的吸收峰給掩蓋了，正如圖10中320～400 nm所表現(xiàn)的情況.而經(jīng)過(guò)我們改進(jìn)的紫外-可見(jiàn)-近紅外復(fù)合光源所獲得的樣品相對(duì)透過(guò)率光譜圖(圖11)，把樣品在320～400 nm波段所具有的特征吸收峰清晰準(zhǔn)確的顯示了出來(lái).因此說(shuō)明設(shè)計(jì)的復(fù)合光源可以很好的測(cè)量出樣品在紫外波段的透過(guò)率信息，拓寬了該光源的測(cè)量光譜范圍.

圖10 鹵鎢燈光源檢測(cè)樣品光譜圖Fig.10 The spectrum of the sample by using halogen lamp

圖11 復(fù)合光源檢測(cè)樣品光譜圖Fig.11 The spectrum of the sample by using compound light source

4 結(jié) 論

結(jié)合鹵鎢燈光譜的發(fā)光特性，設(shè)計(jì)了鹵鎢燈和LED的復(fù)合光源，采用紫外LED來(lái)彌補(bǔ)鹵鎢燈在紫外波段光強(qiáng)較弱的問(wèn)題，最終得到的紫外-可見(jiàn)光-近紅外復(fù)合光源輸出波長(zhǎng)范圍350～900 nm，工作電壓+6 V，工作電流130 mA，體積100 mm×60 mm×34.5 mm.經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，該復(fù)合光源在紫外波段光強(qiáng)較單一鹵鎢燈有了顯著增強(qiáng).在使用該復(fù)合光源測(cè)量油料等樣品時(shí)，樣品在紫外波段的透過(guò)率特征光譜信息清晰的被反映出來(lái)，這一復(fù)合光源的開(kāi)發(fā)為生化光譜檢測(cè)裝置的小型化與便攜型的研制提供了一種較好的光源.

[1] 徐丹陽(yáng)，童建平，隋成華，等.光柵光譜儀中的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(6)：690-694.

[2] 程成，吳永久.常用光纖材料基底中CdSe，CdS和CdTe量子點(diǎn)的光譜吸收截面和散射截面[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(1)：110-115.

[3] 莊盼，郭淑琴，王韌，等.基于光纖中非線性效應(yīng)的全光邏輯“與門(mén)”和“異或門(mén)”研究口[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(3)：338-341.

[4] 施介華，周雅芳.光譜法研究氯霉素與環(huán)糊精的包和作用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2012，40(4)：392-395.

[5] 林中，范世福.光譜儀器學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[6] GARAI K, MURALIDHAR M, MAITI S. Fiber-optic fluorescence correlation spectrometer [J].Appl opt,2006,45(28):7583-7542.

[7] 郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[8] 遲澤英，陳文建.應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.

[9] 溫浩禮，易波.LED光電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008(1)：108-111.

[10] LEE K S, THOMPSON K P, ROLLAND J P. Broadband astigmatism-corrected Czerny-Turner spectrometer[J]. Opt express,2010,18(22):23378-23384.

[11] 潘建根，沈海平，馮華君.光譜校正積分光度法測(cè)量藍(lán)光LED光通量[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006(5)：923-936.

[12] 鮑超.超高亮度LED測(cè)量問(wèn)題[J].液晶與顯示，2003(4)：244-250.

(責(zé)任編輯：劉 巖)

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

隋成華(1956—)，男，山東海陽(yáng)人，教授，博士，主要從事新型光電信息處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，E-mail: suich@zjut.edu.cn.

TP212.1

A

1006-4303(2017)03-0351-04