CN108006599A - 基于led或ld的高功率多波长光源转换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法，采用多波长LED或LD光源，特征是在旋转平台上固定有光源支架，光源安装卡槽中安装有LED或LD，每个光源安装卡槽中安装的LED或LD的波长不同，所有的LED或LD共同构成多波长LED或LD光源；LED或LD的阴极与光源控制芯片连接；LED或LD的阳极与光源控制系统连接；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或LD的光束出射口上设有光源的耦合准直系统。本发明能够实现高功率光源的多波长选择和入射方向定位，适合应用于光学照明及光探测激发光源等领域；控制方法简单可行，容易操作。

Description

基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及LED或LD光源的多波长转换照明探测和光学成像领域，主要通过高功率单色性光源的多波长结构设计方便的实现不同波长LED或LD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，该结构主要应用在遗传学和微弱信号检测领域（荧光检测和拉曼检测）。本发明还涉及这种装置的控制方法。

背景技术

近年来，LED或LD等高单色性的光源已经广泛应用于科研和生产的各个方面，如荧光光谱测量、荧光显微镜、遗传学照明探测等，其中激发光源作为检测设备中的关键核心，直接影响着各种检测手段的测试精度和应用范围。传统的激发光源或照明设备，如高压汞灯和氙灯，存在着寿命短、体积大、成本高等缺点，同时，这些设备在提供仪器的高单色性能光源时需要用到滤波片或者单色仪，单色光源的功率小，能量少，难以满足高精度探测设备的基本需求。

相比于传统的发光光源，LED或LD光源电光转化效率高、单色性能好，绿色环保，寿命长，光束稳定，由于这些特点，LED及LD光源可以方便的进行光束整形、波长组合及集成开发等，使LED及LD光源实际应用起来方便快捷，目前已应用在诸多领域中，如机器视觉、显微照明、紫外固化及光化学领域。虽然LED或LD光源具有极好的单色性，但LED或LD光源系统难以实现多个波长的光源输出，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或LD光源出射光功率损失较大，通过光源驱动控制各自的LED，不能实现不同波长LED在特定方向上发光，因此难以满足科研检测中需要的单色性好且多波长激发的仪器使用。

发明内容

为实现LED或LD光源在不同环境下的应用，本发明的目的是提供一种基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，该装置能够实现高功率光源的多波长选择和入射方向定位，能够应用于光学照明及光探测激发光源等领域。本发明通过多个不同波长的高单色性能的LED或LD高效地组合起来，实现特定的指向输出，在与驱动电源和控制程序连接后，该光源结构可以实现不同波长光源的选择发光、指向定位和发光状态调节，可应用于包括光遗传学、荧光探测和其它生物光子学等广泛领域。本发明还提供这种装置的控制方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，采用多种波长LED或LD光源，其特征在于，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或LD，每个光源安装卡槽（也称为：光源安装孔）中安装的LED或LD的波长不同，所有的LED或LD共同构成多波长LED或LD光源；所有的LED或LD的阴极与光源控制芯片连接；所有的LED或LD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或LD的光束出射口上设有光源的耦合准直系统。

本发明有以下优化方案：

所述的光源支架主要用于固定发光LED或LD光源，光源支架为圆形或正方形或多边形形状，其周围光源安装卡槽（光源安装孔）的数量决定LED或LD可安装的波长个数，支架的孔越多，光源个数越多，该光源结构可选择的波长数越多。

所述的光源支架的顶端设有光源盖板，该光源盖板主要保护光源内部的光学元件。盖板上安装光源控制芯片，芯片与所有的多波长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。光源控制系统包括电流控制调节、光源波长选择开关调节、光源脉冲触发端口，实现光源系统中各不同波长LED或LD的独立发光、脉冲发光、发光强弱的调节。

所述的光源控制系统中设置有软件，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。

所述的光源支架的外面设有外罩（也称为：外壳）；整个多波长光源转换结构采用封闭形式，具有独立的外壳，其外观设计可采用采用圆柱体、正立方体或长方体等不同形式，根据光源的实际应用环境可实现定制。

光源外壳光束出射口配有螺纹结构，配有独立的光束耦合准直装置，该准直装置可实现光源光束的准直和汇聚功能，以增加光源在不同环境下的应用领域。

换言之，本发明的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其组成部分主要包括驱动电源、软件控制系统、LED或LD光源、旋转平台、光源支架及准直耦合装置等，其各结构主要作用分别为：

驱动电源：主要作为LED或LD光源的电源，提供光源的超大电流供电，使光源产生不同亮度的光，同时控制光源发光状态，包括脉冲发光和连续发光。

控制系统，主要控制光源的旋转平台，实现不同波长LED或LD光源在特定方向上的精确指向。

LED或LD光源，作为发光的主要器件，其光源至少包括两种甚至多种发光波段，根据光源使用环境及波长需要选择不同波段的多种LED或LD，理论上光源发光光谱范围可从紫外波段到红外波段。

光源支架，主要用于固定发光LED或LD光源，光源支架为圆形或正方形或多边形形状，其周围光源安装孔的数量决定LED或LD可安装的波长个数，支架的孔越多，光源个数越多，该光源结构可选择的波长数越多。

旋转平台，控制光源的发光方向，旋转平台与光源安装支架相对位置固定，结合控制系统，能够精确定位不同波长光源的转向，使得光源能够在360度方向内顺时针或逆时针方向旋转，从而实现精确控制LED或LD的发光方向。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是：上述基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置的控制方法，其特征在于，步骤如下：

该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.首先使得平台旋转置零；

b.设置平台旋转方向，可选择顺时针或者逆时针;

c.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。

d.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，快速的实现不同波长的光源方向定位。

e.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。

f.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，手动的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。

本发明能够实现高功率光源的多波长选择和入射方向定位，适合应用于光学照明及光探测激发光源等领域。本发明通过多个不同波长的高单色性能的LED或LD高效地组合起来，实现特定的指向输出，在与驱动电源和控制程序连接后，该光源结构可以实现不同波长光源的选择发光、指向定位和发光状态调节，可应用于包括光遗传学、荧光探测和其它生物光子学等广泛领域。本发明的控制方法简单可行，容易操作。

附图说明

图1 为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法旋转平台装置；

图2 为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法光源安装支架及其安装示意图；

图3 为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法的LED或LD控制图；

图4-1、图4-2为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法的设计安装示意图；

图5 为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法整体构造示意图；

图6为基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置及其控制方法的软件控制示意图。

具体实施方式

实施例1，基于LED或LD的高功率多波长光源转换结构，参照附图，对一种基于LED或LD的高功率多波长光源转换结构的设计及安装进行具体说明。本发明具体实施按照图1、图2、图3、图4-1、图4-2、图5所示的结构进行安装和调试。

第一，调试多波长光源转换旋转平台1，如图1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进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2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2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3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，光源脉冲触发端口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4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。

一种基于LED或LD的高功率多波长光源转换结构如图5所示，通过以上光源结构的安装方式，本发明提出了一种多波长光源结构设计，该设计既可以实现多波长光源的波长选择，又可以实现光源在同一方向上光源波长的准确转换。解决了目前激发光源和照明光源存在的单色性能和高功率性能及光束入射方向相互矛盾的主要问题，该多波长光源转换系统可广泛应用在荧光检测、LED照明、显微镜照明等领域。

Claims (8)

1.一种基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，采用多波长LED或LD光源，其特征在于，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或LD，每个光源安装卡槽中安装的LED或LD的波长不同，所有的LED或LD共同构成多波长LED或LD光源；所有的LED或LD的阴极与光源控制芯片连接；所有的LED或LD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或LD的光束出射口上设有光源的耦合准直系统。

2.根据权利要求1所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其特征在于，所述的光源支架为圆形或正方形或多边形。

3.根据权利要求1所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其特征在于，所述的光源支架的顶端设有光源盖板，该光源盖板上安装光源控制芯片。

4.根据权利要求1所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其特征在于，所述的光源控制系统中设置有软件，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。

5.根据权利要求1所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其特征在于，所述的光源支架的外面设有外罩；整个多波长光源转换结构采用封闭形式，具有独立的外罩，其外观设计采用圆柱体、正立方体或长方体。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置，其特征在于，所述外罩的光束出射口配有螺纹结构，配有独立的光束耦合准直装置。

7.权利要求1所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置的控制方法，该软件设置包括三部分，分别为旋转平台驱动控制、光源波长选择控制及光源控制；其特征在于，控制步骤如下：

a.首先使得平台旋转置零；

b.设置平台旋转方向，选择顺时针或者逆时针;

c.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实现角度的相对旋转；

d.光源波长选择，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，快速的实现不同波长的光源方向定位；

e.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；

f.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。

8.根据权利要求7所述的基于LED或LD的高功率多波长光源转换装置的控制方法，其特征在于，步骤c中所述的平台旋转可实现角度的相对旋转；平台需要旋转的度数，应用在光源波长连续改变的仪器中；

步骤d中所述的光源波长选择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，快速的实现不同波长的光源方向定位；

步骤e中所述的光源控制，是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；

步骤f中所述的该控制软件具有可调整性是指：根据光源在不同环境下的使用，手动的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。