UV-NIR全光谱可调LED光源系统研制

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基于LED的光谱可调光源在多光谱成像、定标、生物照明、检测与太阳光模拟器等领域发挥着重要的作用,具有较大的应用前景。但现有的光谱可调光源系统多在可见光波段分布,极少包含紫外和红外波段,光输出方式单一,且缺乏配套的远程控制光谱拟合软件,有极大局限性。本文针对现有系统所存在的不足,以紫外一近红外(UV—NIR)一系列LED组合光源研发了 UV—NIR全光谱可调LED光源系统,具体工作内容及创新点包括:1.搭建了覆盖240nm至840nm波段的UV-NIR全光谱可调LED光源系统,其中当前光谱可调节波段为360nm-840nm。系统包括硬件电路设计部分与软件部分。设计了 24路恒流源硬件电路,采用3片恒流源电路板层叠式设计方式,每一片恒流源电路板包含8个电流输出通道,每一路电流均可在0~1A范围内独立程控可调,采用16位高精度低噪DAC7734芯片,实现65535级精细电流调节,并针对该独立线性可调恒流源电路发热量大的问题优化了散热设计,用于提供功率输出的MOS管采用共用散热器方式,增加2个轴流风机在散热器两端以对流方式安装,进一步增强散热效果,压制MOS管的温度,减少MOS管温漂,增强电流输出的稳定性,每一个恒流通道输出电流驱动一组LED,各组LED之间互不干扰。2.开发基于STM32、Linux的嵌入式软件以及基于Delphi的桌面端可视化软件。24路恒流源为独立设计方式,针对该恒流源开发基于STM32的嵌入式软件,预留基于串口协议的自定义协议,使得24路恒流源可脱离于本系统,作为独立的电源仪器,应用于其他大型仪器设计,拓展性更强。基于三星Exynos 4412芯片平台开发嵌入式Linux的ARM服务器软件,一方面可驱动24路独立可调恒流源、继电器和光谱仪等硬件,另一方面可对接远程桌面端可视化软件,将光谱仪采集到的数据经初步处理后,传送至远程PC再次处理。基于Delphi开发的可视化软件与嵌入式Linux下的ARM服务器软件对接,一方面将控制24路恒流源、继电器及光谱仪的命令传送至ARM服务器软件,另一方面,可实时显示24路恒流源所回传采集到的各电流通道的实时电流值,并将处理过后的光谱数据作可视化处理。该可视化软件可触发光谱拟合程序,并自动导入每一通道LED的电流值,与提出的一种光谱调节方法配合,使得拟合输出光谱更逼近于目标光谱。多软件系统协调配合,使得可远程控制的光谱可调光源仪器得以实现,便于科研人员开展光谱拟合实验,。3.系统支持双重光输出模式,采用双端输入双端输出的光纤束,光纤束的两个输入端接收光源的出射光,光纤束一端输出连接光谱仪,用于光谱仪实时测量光谱,而光纤束另一端输出接积分球时,可作为标准亮度源,接准直透镜时可作为标准照度源,可灵活切换。4.通过QT快速开发的一款基于串口的恒流源测试软件,对24路恒流源的软硬件系统进行测试,拟合得到24路LED的数字量与输出电流值之间的线性关系,并将其程序化至光谱可调光源系统的桌面端可视化软件,使得程控恒流源更为精确。采用21种不同波长的LED对光谱可调光源系统进行测试,得到每一种LED在60mA下的光谱分布,并对其归一化后,由软件针对已有的LED对360nm至780nm波段的目标光谱进行拟合,得到相应通道的LED电流值并驱动,实时光谱数据由光谱仪采集至桌面端可视化软件,一整套软硬件系统的功能得以验证。
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