基于鹵鎢燈和LED的復合光源設計與實現

隋成華，杜春年，徐丹陽

(浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023)

基于鹵鎢燈和LED的復合光源設計與實現

隋成華，杜春年，徐丹陽

(浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023)

在光譜檢測技術中所采用的光譜范圍通常在紫外-可見光波段，同時要求該光源能夠輸出連續、穩定且光強較強的光，一般的單一光源很難滿足這個要求.通常鹵鎢燈在可見光波段能很好的滿足光譜檢測分析，但在紫外波段無法滿足要求.鑒于此，紫外LED燈可以彌補鹵鎢燈在紫外波段光強較弱的缺陷.為了實現紫外-可見光-近紅外復合光源的設計，采用恒壓輸出驅動不同功率紫外LED燈，實現光譜光強的均勻性，最終設計成功一款小型紫外-可見光-近紅外復合光源.

鹵鎢燈；LED；復合光源；光譜測量

光譜檢測技術是通過分析光譜來了解被測樣品的成分及結構等特性，其特點為檢測快速、靈敏、無損和高精度等[1-4].隨著光譜學的不斷發展，該檢測技術運用領域也越來越廣闊，如材料、化工、天文、環境、航天、航空和資源探測等[5-8].光源是光譜檢測裝置中的重要組成部分，寬光譜光源可以大大擴展光譜檢測技術在很多測量方面的應用.鹵鎢燈是一種較為理想的在450～940 nm波長范圍內具有連續、穩定的發光光譜的光源，但是由于它在可見光和近紅外波段光強較強而在紫外波段光強較弱的發光特性，限制了其使用.為此，我們采用紫外LED來彌補鹵鎢燈在紫外波段的缺陷，構建一款小體積紫外LED燈和鹵鎢燈相復合的光源，這樣就得到了跨越紫外和近紅外的寬光譜光源.

1 系統構成

復合光源的系統構成由電源模塊、LED電源驅動模塊、光學系統、光強調節結構及外部結構等構成.電源模塊為鹵鎢燈及LED電源驅動模塊供電，LED電源驅動模塊輸出恒壓電源來保證多顆不同功率LED燈的正常工作，光學系統實現鹵鎢燈與LED燈發出的光譜復合，得到紫外-近紅外的寬光源光譜.系統結構圖如圖1所示.

圖1 系統結構框圖Fig.1 Diagram of system structure

2 鹵鎢燈和LED復合光源設計

2.1 恒壓驅動模塊

LED電源驅動模塊應當具備高效、可控、簡單實用等特點[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的負載數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定且電流隨負載數量多少而變化，可配置限流電阻滿足多個串聯LED燈工作.由于復合光源的設計采用了多顆不同功率的LED燈，因此采用恒壓驅動方式，并配以限流電阻保障其正常工作.

LED恒壓驅動電路的主體芯片采用LT1763，其特點為低噪聲及低壓差穩壓(300 mV壓差).LED恒壓驅動電路原理圖如圖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，通過調整電阻R3和R4的阻值可以實現輸出電壓可調.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的發光強度均勻，D1為電源指示燈當有電源接入時D1發光.

圖2 LED恒壓驅動電路原理圖Fig.2 Circuit schematic of LED constant voltage drive

2.2 光路設計

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

根據選取好的的鹵鎢燈和LED，同時為了考慮系統結構的緊湊排布及光斑均勻性要求，經過試驗，這里將四顆LED燈放置為“┳”型，從左至右三顆LED燈的型號分別為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于焦距來說非常小，因此可看作是點光源，通過光學設計軟件Zemax進行仿真，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出的光.圖6為復合光源光強分布模擬圖，5個光斑之間能緊湊依靠.其縱軸所標的顏色代表平面上各點的光強，單位為mW/cm2.

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

圖6 復合光源光強分布模擬圖Fig.6 Simulation of light intensity distribution of compound light source

2.3 系統調試及組裝

對電路板進行安裝調試，使其能夠穩定輸出+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械結構中，最終得到體積為100 mm×60 mm×34.5 mm的紫外-可見光-近紅外復合光源，外形如圖7所示.使用海洋公司生產的USB4000對其進行光譜測量，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波段的光強得到明顯的增強.

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

圖8 復合光源光譜圖Fig.8 The spectrum of compound light source

3 實驗結果與討論

分別用鹵鎢燈和設計的紫外-可見光-近紅外復合光源對同一樣品豆油進行光譜透過率檢測，其實驗裝置結構示意圖如圖9所示.光源發出的光由光纖導出，經聚焦透鏡將發散光聚焦透過樣品槽，再由光纖導入到光譜儀進行光譜測量分析.

圖9 實驗裝置結構示意圖Fig.9 The configuration diagram of experimental instrument

分別用鹵鎢燈和改進的紫外-可見光-近紅外復合光源作為光源測得的透過率曲線如圖10，11所示.圖10是用鹵鎢燈作為光源測得的相對透過率數據，根據相對透過率的表達式T=S/R,式中：T為相對透過率；S為信號光光強；R為參考光光強.由于鎢燈在400 nm以下參考光強非常弱，近似為零.信號光光強S所反映的是噪光，導致了相對透過率不確定，在光譜測量中所得到的是一個不正確的，或者說是雜亂無章的噪光，把樣品原有的吸收峰給掩蓋了，正如圖10中320～400 nm所表現的情況.而經過我們改進的紫外-可見-近紅外復合光源所獲得的樣品相對透過率光譜圖(圖11)，把樣品在320～400 nm波段所具有的特征吸收峰清晰準確的顯示了出來.因此說明設計的復合光源可以很好的測量出樣品在紫外波段的透過率信息，拓寬了該光源的測量光譜范圍.

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

圖11 復合光源檢測樣品光譜圖Fig.11 The spectrum of the sample by using compound light source

4 結 論

結合鹵鎢燈光譜的發光特性，設計了鹵鎢燈和LED的復合光源，采用紫外LED來彌補鹵鎢燈在紫外波段光強較弱的問題，最終得到的紫外-可見光-近紅外復合光源輸出波長范圍350～900 nm，工作電壓+6 V，工作電流130 mA，體積100 mm×60 mm×34.5 mm.經過實際測量，該復合光源在紫外波段光強較單一鹵鎢燈有了顯著增強.在使用該復合光源測量油料等樣品時，樣品在紫外波段的透過率特征光譜信息清晰的被反映出來，這一復合光源的開發為生化光譜檢測裝置的小型化與便攜型的研制提供了一種較好的光源.

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(責任編輯：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，山東海陽人，教授，博士，主要從事新型光電信息處理系統的開發及應用，E-mail: suich@zjut.edu.cn.

TP212.1

A

1006-4303(2017)03-0351-04