12通道可调LED光源的制作

步骤1：所需部件 - 底板，电源，控制器和LED组件

底板：该装置安装在木质底座上，大约600mm×200mm×20mm。此外，使用180mm X 60mm X 20mm的应力消除木块来对准光纤。

5V 60W电源通过带有700mA保险丝的熔断IEC插头连接到主电源，主电路开关采用额定电流至少为1A 240V的小型拨动开关。

主电路板采用标准酚醛覆铜板，0.1英寸间距。在原型中，该板尺寸约为130mm×100mm。原型上安装了一个约100mm×100mm的可选第二块板，但这只适用于额外的电路，例如光谱仪的信号处理逻辑等，基本单元不需要。

主要LED组件构成12个3W星形LED，每个LED具有不同的波长。这些将在下面关于LED组件的章节中详细讨论。

LED安装在两个铝质散热片上，原型为85mm x 50mm x 35mm深。

A Raspberry Pi Zero W用于控制设备。它配有一个插头，插入主电路板上匹配的40针插座。

步骤2：所需部件：LED

12个LED具有以下中心波长。它们是3W星形LED，带有20mm散热基座。

390nm

410nm

440nm

460nm

500nm

520nm

560nm

580nm

590nm

630nm

660nm

780nm

560nm以外的所有产品均来自FutureEden。 560nm单元来自eBay，因为FutureEden没有覆盖此波长的设备。请注意，此装置将从中国发货，因此请留出时间。

使用Akasa热敏胶带将LED连接到散热器。切割20mm正方形，然后简单地将一侧固定在LED上，另一侧固定在散热器上，确保按照制造商的说明将磁带的哪一侧连接到LED散热器。

步骤3：所需部件：LED控制电路

每个LED通道均由Raspberry Pi上的GPIO引脚控制。 PWM用于控制LED强度。功率MOSFET（Infineon IPD060N03LG）通过2W功率电阻驱动每个LED，以限制LED电流。

每个器件的R4值和测量电流如下所示。电阻值发生变化，因为较短波长LED上的电压降高于较长波长LED的电压降。 R4是2W电阻。它会在运行期间变得非常温暖，所以一定要将电阻器安装在控制器板之外，保持引线足够长，使电阻器体与电路板的距离至少保持5mm。

英飞凌器件是在eBay上便宜地提供，也由Mouser等供应商提供。它们的额定电压为30V 50A，这是一个巨大的优势，但它们便宜且易于使用，是DPAK设备，因此易于手工焊接。如果要替换器件，请务必选择具有适当电流余量和门限阈值的器件，使其在2-2.5V时器件完全导通，因为这与Pi GPIO提供的逻辑电平（最大3.3V）相匹配引脚。这些器件的栅极/源极电容为1700pf，任何更换都应具有大致相似的电容。

MOSFET上的缓冲网络（10nF电容和10欧姆1/4W电阻）用于控制上升和下降时间。如果没有这些元件和330欧姆栅极电阻，就会有输出振铃和过冲的迹象，这可能导致不必要的电磁干扰（EMI）。

R4，2W功率电阻的电阻值表

385nm 2.2欧姆560mA

415nm 2.7欧姆520mA

440nm 2.7欧姆550mA

460nm 2.7欧姆540mA

500nm 2.7欧姆590mA

525nm 3.3欧姆545mA

560nm 3.3欧姆550mA

590nm 3.9欧姆570mA

610nm 3.3欧姆630mA

630nm 3.9欧姆610mA

660nm 3.9欧姆630mA

780nm 5.6欧姆500mA

步骤4：所需部件：光纤和组合器

LED通过3mm连接到光学组合器塑料纤维。这可从许多供应商处获得，但较便宜的产品可能在短波长处具有过度衰减。我在eBay上购买了一些纤维，这种纤维非常出色，但是在亚马逊上有一些更便宜的纤维，在420nm左右时有明显的衰减。我从eBay购买的光纤来自这个来源。 10米应该足够。假设12 X 300mm长度，您只需要4米就可以耦合LED，但构建此单元时，其中一个选项是将各个波长耦合到3mm输出光纤，这样就可以为此选项提供额外的功能。

https://www.ebay.co.uk/itm/Fibre-Optic-Cable-0-25 -。..

输出光纤是柔韧的6mm光纤，外壳坚固的塑料外护套。它可以从这里获得。在大多数情况下，1米长度可能就足够了。

https://www.starscape.co.uk/optical-fibre.php

光学组合器是一个锥形塑料光导，由一块15 x 15mm的正方形制成切割至约73毫米并打磨，使导轨的输出端为6毫米x 6毫米。

同样，请注意某些等级的丙烯酸在短波长下会有过度衰减。不幸的是，很难确定你会得到什么，但是来自这个来源的棒工作得很好

https://www.ebay.co.uk/itm/SQUARE-CLEAR-ACRYLIC-RO 。. 。

然而，来自此光源的光棒衰减过大，对390nm紫外光几乎完全不透明。

https://www.ebay.co.uk/itm/Acrylic-Clear -Solid-Squ 。..

步骤5：所需零件：3d打印零件

有些部分是3D打印的。它们是

LED光纤适配器

光纤安装板

（可选）光纤输出适配器（用于个别输出）。这只是光纤安装板的重新印刷。

光耦合器安装板

除光纤适配器外，所有部件均采用标准PLA印刷。我推荐PETG，因为PLA软化太多了; LED变得非常温暖。

这些部件的所有STL都包含在项目的附件中。请参阅为包含所有项目资产的zip文件配置Raspberry Pi的步骤。

打印100％填充LED的光纤适配器。其他可以用20％的填充物打印。

在Creality Ender 3和Biqu Magician上使用标准的0.4mm喷嘴以60mm/sec的速度打印所有部件的层高度为0.15mm。任何低成本的3D打印机都可以完成这项工作。

这些部件都应垂直打印，并且孔朝上 - 这样可以获得最佳精度。你可以跳过他们的支持;它会使主耦合器安装板在后缘看起来有点粗糙，但这只是化妆品;一点点砂纸就可以整理一下。

重要事项：打印光纤安装板（以及单个光纤输出适配器的可选第二份副本），放大1.05，即5％。这可确保光纤孔具有足够的间隙。

步骤6：组装主控制器板

控制器板由标准铜条板（有时称为veroboard）制成。我没有包括详细的布局，因为我最终得到的电路板设计有些不整洁，因为必须添加我最初没有计划的缓冲网络等组件。上面部分显示的电路板顶部有电源电阻和Raspberry Pi的插座。我为Pi使用了一个直角头，所以它与主板成直角，但如果你使用普通的直头，那么它将简单地与板平行。它会占用更多的空间，因此可以做出相应的计划。

Veropins被用来将电线连接到电路板上。为了切割轨道，小型麻花钻头很有用。对于Pi插座，使用锋利的工艺刀切割轨道，因为两组插座引脚之间没有备用孔。

注意双排1mm铜线。这是为LED提供近7安培电流的低阻抗路径，LED全功率消耗。这些电线连接到功率MOSFET的源极端，然后接地。

该电路板上只有一根小的5V线为Pi供电。这是因为5V主电源进入LED的阳极，这些阳极通过原型中第二块板上的标准PC IDE磁盘电缆连接。但是，您不需要这样做，只需将它们直接连接到第一块板上的插座即可。在这种情况下，您将沿阳极侧运行一组重复的铜线，以处理+ 5V侧的电流。在原型中，这些导线位于第二块板上。

步骤7：功率MOSFET

MOSFET安装在铜板的一面。它们是DPAK器件，因此必须将标签直接焊接到电路板上。要做到这一点，请在烙铁上使用适当大的尖端，然后轻轻地将接头轻轻打上。将铜轨安装在您要连接设备的位置。将其放在板上并再次加热标签。焊料会熔化，设备将被连接。尝试并合理地快速完成此操作，以免设备过热;它会忍受几秒钟的热量，所以不要惊慌。焊接片（漏极）焊接后，您可以将栅极和源极引线焊接到电路板上。不要忘记首先切断轨道和源极导线，这样它们就不会短路到排水管接头！您无法从图片中看到，但切口位于设备主体的引线下方。

鹰眼读者只会注意到11个MOSFET。这是因为当我得到560nm LED时，后来增加了第12个。由于宽度不适合电路板，所以放在其他地方。

步骤8：LED和散热器

这是LED和散热片的特写图片。在我切换到使用IDE电缆将LED连接到控制器之前，控制器板布线来自原型的早期版本。

如前所述，LED使用Akasa热敏胶带的正方形连接。这样做的好处是，如果LED发生故障，可以使用锋利的刀片轻松地将其移除。

只要散热片足够大，就没有什么可以阻止你安装所有的LED在一个散热片上。在所示的散热器上，在全功率下，散热器温度达到50摄氏度，因此这些散热器可能略小于最佳散热器。事后看，在每个散热器上放置三个较长波长的LED可能也是一个好主意，而不是将所有六个较短波长的发射器放在一个上，而将较长波长的发射器放在另一个上。这是因为，对于给定的正向电流，短波长发射器由于其较高的正向压降而消耗更多的功率，因此变得更暖。

您当然可以添加风扇冷却。如果您打算完全封装LED组件，这将是明智之举。

步骤9：LED接线

LED通过标准40针IDE电缆连接到控制器板。并非所有电缆对都被使用，允许扩展空间。

上面的接线图显示了IDE连接器接线以及Raspberry Pi本身的接线。

LED表示通过它们的颜色（UV =紫外线，V =紫色，RB =宝蓝色，B =蓝色，C =青色，G =绿色，YG =黄绿色，Y =黄色，A =琥珀色，R =鲜红色，DR =深红色，IR =红外线，即按波长上升。

注意：不要忘记确保电缆插座的+ 5V连接侧有2 x 1mm厚的并联电线沿着条板向下提供高电流路径。类似地，接地的MOSFET的源极连接应具有类似的导线，以提供接地的高电流路径。

步骤10：测试控制器板

如果不将Raspberry Pi插入电路板，您可以通过夹子引线将GPIO引脚连接到+ 5V电源轨来测试LED驱动器是否正常工作。适当的LED应该点亮。

当Pi插入时，切勿将GPIO引脚连接到+ 5V。您将损坏器件，它在3.3V内部运行。

一次您确信电源驱动器和LED工作正常，您可以继续下一步，即配置Raspberry Pi。

不要直视光纤末端LED以全功率运行。它们非常明亮。

步骤11：光纤耦合LED

每个LED通过3mm光纤耦合。 3d打印光纤适配器紧贴LED组件并引导光纤。应变消除块安装在LED散热器前方约65mm处。

这提供了足够的空间让您的手指进入并将光纤适配器推到LED上然后安装光纤。

在应变消除块上钻4mm孔，与LED一致

每根光纤的长度约为250毫米，但由于每根光纤采用不同的路径，因此实际的固定长度会有所不同。实现这一目标的最简单方法是切割300毫米的光纤长度。然后你必须拉直光纤，否则将无法管理。它就像3毫米厚的有机玻璃棒，比你想象的要硬得多。

为了拉直光纤，我使用了一个300毫米长（约）4毫米外径的黄铜棒。杆的内径足以使纤维平滑地滑入杆中。确保杆的两端都是光滑的，因此在将光纤滑入和滑出杆时不要划伤光纤。

将光纤推入杆中，使其一端齐平，并且一根长度伸出另一根，或者如果杆比光纤长，则完全插入。然后将棒浸入装有沸水的深锅中约15秒钟。如有必要，拆下杆并重新定位光纤，使另一端与杆端齐平，然后以相同方式加热。

你现在应该拥有完美直的光纤。通过推动另一根光纤来移除，直到你可以抓住并移除拉直的光纤。

当您拉直所有十二根光纤时，再切割十二根约70毫米长的光纤。这些将用于引导光纤穿过耦合板。然后，当结构完成时，它们将用于填充单个光纤耦合器，因此它们不会浪费。

以相同方式拉直这些切割件。然后将它们安装到耦合器板上。您可以在上面的照片中看到它们应该如何显示。交错布局是为了最小化纤维占据的面积（最小球形填充密度）。这样可确保光纤组合器尽可能高效地工作。

将每根全长切割纤维和一端的沙子打平，最多可加工800，然后再加入1500目砂纸。然后用金属或塑料抛光剂进行抛光 - 这里有一个带抛光垫的小型旋转工具。

现在取出一根切割纤维并将全长纤维滑入耦合器板。然后通过应变消除装置将其装回，使抛光端通过LED光纤耦合器接触LED镜头前端。重复每根纤维。将短纤维留在孔中可以确保每根长纤维都能很容易地进入正确的位置。

注意：不要太用力按紫外线和紫外线LED它们是与其他LED一样，用软聚合物材料封装，这些LED是环氧树脂封装的。镜头变形很容易，导致键合线断裂。相信我，我很难学到这一点。因此，在将光纤安装到这两个LED时要保持温和。

将光纤穿过耦合器的顺序并没有多大关系，但尝试对光纤进行分层以使它们不会相互交叉。在我的设计中，底部的六个LED路由到左侧三个LED的最低三个孔，然后是右侧三个LED的下三个孔等等。

当您将所有光纤穿过耦合器，将其放置在基板上并钻两个安装孔，然后将其拧紧。

然后，使用一对非常锋利的对角切割器，尽可能靠近耦合器面切割每根光纤。然后拉出每个部件，对切割端进行打磨和抛光并更换，然后再移动到下一根纤维上。

如果光纤不完全与耦合器表面齐平，请不要担心。最好是让它们略微凹陷而不是突出，但毫米或两个差别并不重要。

步骤12：配置Raspberry Pi

Raspberry Pi配置过程记录在附带的rtf文档中，该文档是zip文件附件的一部分。除了PC上的备用USB端口以外，您不需要任何额外的硬件来配置Pi，使用合适的USB电缆和SD读卡器来创建MicroSD卡映像。你还需要一张MicroSD卡; 8G足够大。

配置Pi并将其插入主控制器板后，它应该作为WiFi接入点。当您将PC连接到此AP并浏览到http：//raspberrypi.local或http://172.24.1.1时，您应该看到上面的页面。只需滑动滑块即可设置您希望看到的光的强度和波长。

请注意，最小强度为2;这是Pi PWM库的一个特点。

第二张图显示了模拟CFL灯光谱的单元，其发射大约在420nm，490nm和590nm（紫色，绿松石和琥珀色）对应于典型的三个荧光粉涂层灯。

步骤13：光纤组合器

光纤光束组合器由15 x 15mm方形丙烯酸棒制成。请注意，某些丙烯酸塑料在420nm及以下的光谱中具有过度吸收;在开始之前检查一下，将紫外线LED通过杆发光并确认它不会过度衰减光束（使用一张白纸，这样你就可以看到纸张中光学增白剂发出的蓝光）。

您可以打印3D打印夹具，将杆打磨或用合适的塑料板构建自己的夹具。将杆切成约73mm并对两端进行打磨和抛光。然后使用双面胶带将夹具固定到杆的两个相对侧。用40号砂纸打磨，直到你在夹具线的0.5mm左右，然后逐渐增加到80，160，400，800，1500，3000，5000，最后用7000粒砂纸得到锥形抛光表面。然后取下夹具并重新定位以打磨另外两侧。您现在应该有一个适合安装在光纤组合板中的锥形金字塔。窄端是6mm x 6mm，以匹配光纤起飞。

注意：在我的情况下，我没有完全打磨到6mm x 6mm，因此合成器从安装板伸出一点点。这并不重要，因为6mm光纤是一种压配合，如果被推得足够远，它将与合成器的窄端对接。

从6mm光纤上剥去大约1英寸的外护套，注意不要损坏纤维本身。然后，如果光纤的外护套不是足够贴合到耦合器板中，只需将一条胶带缠绕在它上面即可。然后它应该能够被组合金字塔推入并紧贴床。将整个组件安装到基板上，与光纤输出一致。

请注意，组合时确实会损失一些光线。您可以从上面的光学迹线中看到原因，因为将光线集中也会导致光束角度增加，并且在此过程中会损失一些光线。要获得单波长的最大强度，请使用可选的光纤耦合器板直接拾取LED或LED到3mm光纤。

步骤14：单个光纤输出耦合器板

这只是主要纤维指南的第二次印刷。再次，记住以105％的比例打印，以便通过孔清除纤维。您只需将此板向下拧入主光纤导向器，拧下组合器组件并用此板更换。不要忘记以正确的方式安装，孔只朝一个方向排列！。

现在把你切下的12根纤维放入盘子的孔中。要拾取一个或多个波长，只需移除一块光纤并将更长的长度放入孔中。如果您愿意，可以同时拾取所有12个波长。

第15步：更强大！更多波长！

如果您愿意，Pi可以驱动更多频道。然而，其他波长的LED的可用性可能是一个挑战。您可以廉价地获得365nm UV LED，但柔性光纤6mm电缆即使在390nm处也开始强烈吸收。然而，我确实发现单根光纤可以使用该波长，因此如果您需要，可以添加或更换LED以使您的紫外波长更短。

另一种可能性是通过加倍LED来增加亮度。例如，您可以设计和打印5 X 5光纤耦合器（或4 X 6），每个通道有2个LED。请注意，您需要更大的电源，因为您将绘制近20安培。每个LED都需要自己的降压电阻;不要直接并联LED。 MOSFET具有足够的容量来驱动每个通道两个甚至几个LED。

你不能真正使用更高功率的LED，因为它们不会像3W LED这样的小区域发光你不能有效地纤维耦合它们。查看“光学扩展量守恒”以了解其原因。

通过合成器的光损失非常高。不幸的是，这是物理定律的结果。在减小光束半径时，我们也增加了它的发散角，因此一些光逃逸，因为光导和光纤仅具有大约45度的接收角。请注意，单个光纤输出的功率输出明显高于组合波长耦合器。