仪用LED光源均匀性及稳定性研究

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1、第26卷，第l期光谱实验室Vo1．26，NO．12009年1月ChineseJoulnaltJlSpectroscopyLaboratoryJanuary，2009仪用LED光源均匀性及稳定性研究刘兴华陈长缨“于志刚“王康模“暨南大学“重大工程灾难与控制”教育部重点实验室广州市黄埔大道西601号510632)6(暨南大学光电工程系广州市黄埔大道西601号510632)摘要研究了采用发光二极管(LED)作为光谱仪器光源所涉及的相关技术。LED的发光光谱具有一定的带宽，用滤光片滤波得到带宽少于1Onto的窄带光源，并根据LED在不同波段的的光强设定相应的脉冲驱动电流，在一定波长范围内实现平

2、坦的光强输出；除了通过精密恒流源提供电流驱动LED稳定发光外，采用双光路的方法可以进一步减少光原稳定性对检测系统的影响。关键词光学测量，LED光源．均匀性，稳定性，双光路。中图分类号：TN2l2文献标识码：A文章编号：1004—8138(2009)01—0039—041前言发光二极管(IED)正成为光谱分析中有广泛应用前景的发射光源。它是一种注入式电致发光器件，直接将电能转换为光能，可以辐射出范围包括紫外、可见光和近红外区域的光。I．ED相对于卤钨灯有长寿命、高亮度、低功耗和便于电子调制等优点。IED已经出现在许多新型的分析仪器中，如气体检测仪，色度计等。一个发光二极管所发出的光的中心

3、波长和带宽是确定的，带宽一般为4O一6onm。可将多个相邻波长的I．ED组合得到在确定范围内连续波长的光源。但由于I．ED的发光光谱决定于PN结材料的能带结构，商业化的近红外LED覆盖的波长数目有限，仅靠LED很难做出光强平坦的单色光输出。为此可以将I．ED仅作为稳定的光源使用，通过窄带滤光片进行滤波，形成单色的近红外光，根据光谱分析的需要选择不同波段的滤光片，再设计合适的I．ED阵列驱动电路，根据经过滤光片滤光后的光强大JJ,iN节相应的驱动电流，可以得到在一定波长范围内光强平坦的光源n]。光谱仪对光源的另一个要求是必须有高的稳定性，在此基础上的光谱分析才有可行性。现在大多的光谱仪都

4、是靠优化电源电路来提高光源的稳定性【2]。本文除了用高精度的电源来驱动I．ED稳定发光外，采用了双光路的方法，即把同一个I．ED光源发出的光，用半透半反射镜分出两路光，一路经过样品吸收，一路不经样品吸收，两路光分别被两个性能相同的探测器接收，通过差分比较两个探测器的检测信号，可以减少由于光源波动等干扰带来的影响，进一步提高光电检测的性能。2阵列LED光源平坦输出的实现实验装置如图1所示，由程控恒流源提供六路精准电流驱动LED，每路的电流值可以根据需要设定，用单片机控制电路开关快速切换，驱动各路LED依次发光。每个I．ED后面部对应一片窄①联系人：手机：(o)13570361581；E—

5、nmil：107065400@q‘【．corn作者简介：刘兴华(1983一)．男．广东省阳江市人．硕士研究生，从事光谱分析及其它仪器制造方面的研究和应用工作。II殳稿日期：2008—07一O1；接受日期：2008—07一l9光谱实验室第26卷带滤光片，该滤光片根据需要选择不同的透过波长。相对于卤钨灯的转盘式滤光片型光谱仪，I．ED光源滤光片型仪器的优点是没有可移动部件，可以提高仪器的稳定性，使仪器更紧凑，便于携带。LED发出的光经过样品池后被探测器接收，转变成电信号，再经过AD转换等后继电路分析处理。V光电探1阵列LED光综删试电路在本实验中，I．ED光源和滤光片等器件都固定在光学平台

6、上，并且保持相对位置的一致性，这样可以减少位移、振动等带来的误差，提高测量结果的精确性。为了评估LED光谱特性和实验的可行性，在光电检测上采用北京卓立汉光仪器有限公司提供的SBP300光栅光谱仪。该仪器采用光伏型硅光og-极管，波长的有效响应范围是300-110nm。仪器的分辨率和重复性均为0．Inm，最小步距为0．005nm。调整恒流源输出，使LED在20mA恒定电流下工，作。用光栅光谱仪扫描IED光谱，扫描间距为0．1nm，用仪器配套的DSC100数据采集系统采集数据，得到的毛1500光谱如图2所示。兰该I．ED的中心波长为940nm，半峰值带宽为50060nm，范围在915至95

7、5nm之间，因为I．ED光谱比较9501050宽，覆盖的波长数目有限，光谱分辨率较差，而且其光强850ll1心波长Ⅷ平坦性不好，其光谱具有对称性。图2单个LED发光光谱图在测试光路加上滤光片，可以得到单色性好的光。本实验采用的滤光片规格为5×5×lmm，小规格的滤光片有利于系统设计得更加小型化。用光栅光谱仪扫描采集光谱，I．ED光经透过中心波长在910nm的滤光片后的光谱如图3所示。光强最大值在909．2nm处，半峰值带宽为8．5nm，具有很窄