步驟1：所需部件 - 底板，電源，控制器和LED組件

底板：該裝置安裝在木質(zhì)底座上，大約600mm×200mm×20mm。此外，使用180mm X 60mm X 20mm的應(yīng)力消除木塊來(lái)對(duì)準(zhǔn)光纖。

5V 60W電源通過(guò)帶有700mA保險(xiǎn)絲的熔斷IEC插頭連接到主電源，主電路開(kāi)關(guān)采用額定電流至少為1A 240V的小型撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。

主電路板采用標(biāo)準(zhǔn)酚醛覆銅板，0.1英寸間距。在原型中，該板尺寸約為130mm×100mm。原型上安裝了一個(gè)約100mm×100mm的可選第二塊板，但這只適用于額外的電路，例如光譜儀的信號(hào)處理邏輯等，基本單元不需要。

主要LED組件構(gòu)成12個(gè)3W星形LED，每個(gè)LED具有不同的波長(zhǎng)。這些將在下面關(guān)于LED組件的章節(jié)中詳細(xì)討論。

LED安裝在兩個(gè)鋁質(zhì)散熱片上，原型為85mm x 50mm x 35mm深。

A Raspberry Pi Zero W用于控制設(shè)備。它配有一個(gè)插頭，插入主電路板上匹配的40針插座。

步驟2：所需部件：LED

12個(gè)LED具有以下中心波長(zhǎng)。它們是3W星形LED，帶有20mm散熱基座。

390nm

410nm

440nm

460nm

500nm

520nm

560nm

580nm

590nm

630nm

660nm

780nm

560nm以外的所有產(chǎn)品均來(lái)自FutureEden。 560nm單元來(lái)自eBay，因?yàn)镕utureEden沒(méi)有覆蓋此波長(zhǎng)的設(shè)備。請(qǐng)注意，此裝置將從中國(guó)發(fā)貨，因此請(qǐng)留出時(shí)間。

使用Akasa熱敏膠帶將LED連接到散熱器。切割20mm正方形，然后簡(jiǎn)單地將一側(cè)固定在LED上，另一側(cè)固定在散熱器上，確保按照制造商的說(shuō)明將磁帶的哪一側(cè)連接到LED散熱器。

步驟3：所需部件：LED控制電路

每個(gè)LED通道均由Raspberry Pi上的GPIO引腳控制。 PWM用于控制LED強(qiáng)度。功率MOSFET（Infineon IPD060N03LG）通過(guò)2W功率電阻驅(qū)動(dòng)每個(gè)LED，以限制LED電流。

每個(gè)器件的R4值和測(cè)量電流如下所示。電阻值發(fā)生變化，因?yàn)檩^短波長(zhǎng)LED上的電壓降高于較長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的電壓降。 R4是2W電阻。它會(huì)在運(yùn)行期間變得非常溫暖，所以一定要將電阻器安裝在控制器板之外，保持引線足夠長(zhǎng)，使電阻器體與電路板的距離至少保持5mm。

英飛凌器件是在eBay上便宜地提供，也由Mouser等供應(yīng)商提供。它們的額定電壓為30V 50A，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，但它們便宜且易于使用，是DPAK設(shè)備，因此易于手工焊接。如果要替換器件，請(qǐng)務(wù)必選擇具有適當(dāng)電流余量和門(mén)限閾值的器件，使其在2-2.5V時(shí)器件完全導(dǎo)通，因?yàn)檫@與Pi GPIO提供的邏輯電平（最大3.3V）相匹配引腳。這些器件的柵極/源極電容為1700pf，任何更換都應(yīng)具有大致相似的電容。

MOSFET上的緩沖網(wǎng)絡(luò)（10nF電容和10歐姆1/4W電阻）用于控制上升和下降時(shí)間。如果沒(méi)有這些元件和330歐姆柵極電阻，就會(huì)有輸出振鈴和過(guò)沖的跡象，這可能導(dǎo)致不必要的電磁干擾（EMI）。

R4，2W功率電阻的電阻值表

385nm 2.2歐姆560mA

415nm 2.7歐姆520mA

440nm 2.7歐姆550mA

460nm 2.7歐姆540mA

500nm 2.7歐姆590mA

525nm 3.3歐姆545mA

560nm 3.3歐姆550mA

590nm 3.9歐姆570mA

610nm 3.3歐姆630mA

630nm 3.9歐姆610mA

660nm 3.9歐姆630mA

780nm 5.6歐姆500mA

步驟4：所需部件：光纖和組合器

LED通過(guò)3mm連接到光學(xué)組合器塑料纖維。這可從許多供應(yīng)商處獲得，但較便宜的產(chǎn)品可能在短波長(zhǎng)處具有過(guò)度衰減。我在eBay上購(gòu)買了一些纖維，這種纖維非常出色，但是在亞馬遜上有一些更便宜的纖維，在420nm左右時(shí)有明顯的衰減。我從eBay購(gòu)買的光纖來(lái)自這個(gè)來(lái)源。 10米應(yīng)該足夠。假設(shè)12 X 300mm長(zhǎng)度，您只需要4米就可以耦合LED，但構(gòu)建此單元時(shí)，其中一個(gè)選項(xiàng)是將各個(gè)波長(zhǎng)耦合到3mm輸出光纖，這樣就可以為此選項(xiàng)提供額外的功能。

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

輸出光纖是柔韌的6mm光纖，外殼堅(jiān)固的塑料外護(hù)套。它可以從這里獲得。在大多數(shù)情況下，1米長(zhǎng)度可能就足夠了。

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

光學(xué)組合器是一個(gè)錐形塑料光導(dǎo)，由一塊15 x 15mm的正方形制成切割至約73毫米并打磨，使導(dǎo)軌的輸出端為6毫米x 6毫米。

同樣，請(qǐng)注意某些等級(jí)的丙烯酸在短波長(zhǎng)下會(huì)有過(guò)度衰減。不幸的是，很難確定你會(huì)得到什么，但是來(lái)自這個(gè)來(lái)源的棒工作得很好

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

然而，來(lái)自此光源的光棒衰減過(guò)大，對(duì)390nm紫外光幾乎完全不透明。

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

步驟5：所需零件：3d打印零件

有些部分是3D打印的。它們是

LED光纖適配器

光纖安裝板

（可選）光纖輸出適配器（用于個(gè)別輸出）。這只是光纖安裝板的重新印刷。

光耦合器安裝板

除光纖適配器外，所有部件均采用標(biāo)準(zhǔn)PLA印刷。我推薦PETG，因?yàn)镻LA軟化太多了; LED變得非常溫暖。

這些部件的所有STL都包含在項(xiàng)目的附件中。請(qǐng)參閱為包含所有項(xiàng)目資產(chǎn)的zip文件配置Raspberry Pi的步驟。

打印100％填充LED的光纖適配器。其他可以用20％的填充物打印。

在Creality Ender 3和Biqu Magician上使用標(biāo)準(zhǔn)的0.4mm噴嘴以60mm/sec的速度打印所有部件的層高度為0.15mm。任何低成本的3D打印機(jī)都可以完成這項(xiàng)工作。

這些部件都應(yīng)垂直打印，并且孔朝上 - 這樣可以獲得最佳精度。你可以跳過(guò)他們的支持;它會(huì)使主耦合器安裝板在后緣看起來(lái)有點(diǎn)粗糙，但這只是化妝品;一點(diǎn)點(diǎn)砂紙就可以整理一下。

重要事項(xiàng)：打印光纖安裝板（以及單個(gè)光纖輸出適配器的可選第二份副本），放大1.05，即5％。這可確保光纖孔具有足夠的間隙。

步驟6：組裝主控制器板

控制器板由標(biāo)準(zhǔn)銅條板（有時(shí)稱為veroboard）制成。我沒(méi)有包括詳細(xì)的布局，因?yàn)槲易罱K得到的電路板設(shè)計(jì)有些不整潔，因?yàn)楸仨毺砑游易畛鯖](méi)有計(jì)劃的緩沖網(wǎng)絡(luò)等組件。上面部分顯示的電路板頂部有電源電阻和Raspberry Pi的插座。我為Pi使用了一個(gè)直角頭，所以它與主板成直角，但如果你使用普通的直頭，那么它將簡(jiǎn)單地與板平行。它會(huì)占用更多的空間，因此可以做出相應(yīng)的計(jì)劃。

Veropins被用來(lái)將電線連接到電路板上。為了切割軌道，小型麻花鉆頭很有用。對(duì)于Pi插座，使用鋒利的工藝刀切割軌道，因?yàn)閮山M插座引腳之間沒(méi)有備用孔。

注意雙排1mm銅線。這是為L(zhǎng)ED提供近7安培電流的低阻抗路徑，LED全功率消耗。這些電線連接到功率MOSFET的源極端，然后接地。

該電路板上只有一根小的5V線為Pi供電。這是因?yàn)?V主電源進(jìn)入LED的陽(yáng)極，這些陽(yáng)極通過(guò)原型中第二塊板上的標(biāo)準(zhǔn)PC IDE磁盤(pán)電纜連接。但是，您不需要這樣做，只需將它們直接連接到第一塊板上的插座即可。在這種情況下，您將沿陽(yáng)極側(cè)運(yùn)行一組重復(fù)的銅線，以處理+ 5V側(cè)的電流。在原型中，這些導(dǎo)線位于第二塊板上。

步驟7：功率MOSFET

MOSFET安裝在銅板的一面。它們是DPAK器件，因此必須將標(biāo)簽直接焊接到電路板上。要做到這一點(diǎn)，請(qǐng)?jiān)诶予F上使用適當(dāng)大的尖端，然后輕輕地將接頭輕輕打上。將銅軌安裝在您要連接設(shè)備的位置。將其放在板上并再次加熱標(biāo)簽。焊料會(huì)熔化，設(shè)備將被連接。嘗試并合理地快速完成此操作，以免設(shè)備過(guò)熱;它會(huì)忍受幾秒鐘的熱量，所以不要驚慌。焊接片（漏極）焊接后，您可以將柵極和源極引線焊接到電路板上。不要忘記首先切斷軌道和源極導(dǎo)線，這樣它們就不會(huì)短路到排水管接頭！您無(wú)法從圖片中看到，但切口位于設(shè)備主體的引線下方。

鷹眼讀者只會(huì)注意到11個(gè)MOSFET。這是因?yàn)楫?dāng)我得到560nm LED時(shí)，后來(lái)增加了第12個(gè)。由于寬度不適合電路板，所以放在其他地方。

步驟8：LED和散熱器

這是LED和散熱片的特寫(xiě)圖片。在我切換到使用IDE電纜將LED連接到控制器之前，控制器板布線來(lái)自原型的早期版本。

如前所述，LED使用Akasa熱敏膠帶的正方形連接。這樣做的好處是，如果LED發(fā)生故障，可以使用鋒利的刀片輕松地將其移除。

只要散熱片足夠大，就沒(méi)有什么可以阻止你安裝所有的LED在一個(gè)散熱片上。在所示的散熱器上，在全功率下，散熱器溫度達(dá)到50攝氏度，因此這些散熱器可能略小于最佳散熱器。事后看，在每個(gè)散熱器上放置三個(gè)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的LED可能也是一個(gè)好主意，而不是將所有六個(gè)較短波長(zhǎng)的發(fā)射器放在一個(gè)上，而將較長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射器放在另一個(gè)上。這是因?yàn)椋瑢?duì)于給定的正向電流，短波長(zhǎng)發(fā)射器由于其較高的正向壓降而消耗更多的功率，因此變得更暖。

您當(dāng)然可以添加風(fēng)扇冷卻。如果您打算完全封裝LED組件，這將是明智之舉。

步驟9：LED接線

LED通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)40針I(yè)DE電纜連接到控制器板。并非所有電纜對(duì)都被使用，允許擴(kuò)展空間。

上面的接線圖顯示了IDE連接器接線以及Raspberry Pi本身的接線。

LED表示通過(guò)它們的顏色（UV =紫外線，V =紫色，RB =寶藍(lán)色，B =藍(lán)色，C =青色，G =綠色，YG =黃綠色，Y =黃色，A =琥珀色，R =鮮紅色，DR =深紅色，IR =紅外線，即按波長(zhǎng)上升。

注意：不要忘記確保電纜插座的+ 5V連接側(cè)有2 x 1mm厚的并聯(lián)電線沿著條板向下提供高電流路徑。類似地，接地的MOSFET的源極連接應(yīng)具有類似的導(dǎo)線，以提供接地的高電流路徑。

步驟10：測(cè)試控制器板

如果不將Raspberry Pi插入電路板，您可以通過(guò)夾子引線將GPIO引腳連接到+ 5V電源軌來(lái)測(cè)試LED驅(qū)動(dòng)器是否正常工作。適當(dāng)?shù)腖ED應(yīng)該點(diǎn)亮。

當(dāng)Pi插入時(shí)，切勿將GPIO引腳連接到+ 5V。您將損壞器件，它在3.3V內(nèi)部運(yùn)行。

一次您確信電源驅(qū)動(dòng)器和LED工作正常，您可以繼續(xù)下一步，即配置Raspberry Pi。

不要直視光纖末端LED以全功率運(yùn)行。它們非常明亮。

步驟11：光纖耦合LED

每個(gè)LED通過(guò)3mm光纖耦合。 3d打印光纖適配器緊貼LED組件并引導(dǎo)光纖。應(yīng)變消除塊安裝在LED散熱器前方約65mm處。

這提供了足夠的空間讓您的手指進(jìn)入并將光纖適配器推到LED上然后安裝光纖。

在應(yīng)變消除塊上鉆4mm孔，與LED一致

每根光纖的長(zhǎng)度約為250毫米，但由于每根光纖采用不同的路徑，因此實(shí)際的固定長(zhǎng)度會(huì)有所不同。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最簡(jiǎn)單方法是切割300毫米的光纖長(zhǎng)度。然后你必須拉直光纖，否則將無(wú)法管理。它就像3毫米厚的有機(jī)玻璃棒，比你想象的要硬得多。

為了拉直光纖，我使用了一個(gè)300毫米長(zhǎng)（約）4毫米外徑的黃銅棒。桿的內(nèi)徑足以使纖維平滑地滑入桿中。確保桿的兩端都是光滑的，因此在將光纖滑入和滑出桿時(shí)不要?jiǎng)潅饫w。

將光纖推入桿中，使其一端齊平，并且一根長(zhǎng)度伸出另一根，或者如果桿比光纖長(zhǎng)，則完全插入。然后將棒浸入裝有沸水的深鍋中約15秒鐘。如有必要，拆下桿并重新定位光纖，使另一端與桿端齊平，然后以相同方式加熱。

你現(xiàn)在應(yīng)該擁有完美直的光纖。通過(guò)推動(dòng)另一根光纖來(lái)移除，直到你可以抓住并移除拉直的光纖。

當(dāng)您拉直所有十二根光纖時(shí)，再切割十二根約70毫米長(zhǎng)的光纖。這些將用于引導(dǎo)光纖穿過(guò)耦合板。然后，當(dāng)結(jié)構(gòu)完成時(shí)，它們將用于填充單個(gè)光纖耦合器，因此它們不會(huì)浪費(fèi)。

以相同方式拉直這些切割件。然后將它們安裝到耦合器板上。您可以在上面的照片中看到它們應(yīng)該如何顯示。交錯(cuò)布局是為了最小化纖維占據(jù)的面積（最小球形填充密度）。這樣可確保光纖組合器盡可能高效地工作。

將每根全長(zhǎng)切割纖維和一端的沙子打平，最多可加工800，然后再加入1500目砂紙。然后用金屬或塑料拋光劑進(jìn)行拋光 - 這里有一個(gè)帶拋光墊的小型旋轉(zhuǎn)工具。

現(xiàn)在取出一根切割纖維并將全長(zhǎng)纖維滑入耦合器板。然后通過(guò)應(yīng)變消除裝置將其裝回，使拋光端通過(guò)LED光纖耦合器接觸LED鏡頭前端。重復(fù)每根纖維。將短纖維留在孔中可以確保每根長(zhǎng)纖維都能很容易地進(jìn)入正確的位置。

注意：不要太用力按紫外線和紫外線LED它們是與其他LED一樣，用軟聚合物材料封裝，這些LED是環(huán)氧樹(shù)脂封裝的。鏡頭變形很容易，導(dǎo)致鍵合線斷裂。相信我，我很難學(xué)到這一點(diǎn)。因此，在將光纖安裝到這兩個(gè)LED時(shí)要保持溫和。

將光纖穿過(guò)耦合器的順序并沒(méi)有多大關(guān)系，但嘗試對(duì)光纖進(jìn)行分層以使它們不會(huì)相互交叉。在我的設(shè)計(jì)中，底部的六個(gè)LED路由到左側(cè)三個(gè)LED的最低三個(gè)孔，然后是右側(cè)三個(gè)LED的下三個(gè)孔等等。

當(dāng)您將所有光纖穿過(guò)耦合器，將其放置在基板上并鉆兩個(gè)安裝孔，然后將其擰緊。

然后，使用一對(duì)非常鋒利的對(duì)角切割器，盡可能靠近耦合器面切割每根光纖。然后拉出每個(gè)部件，對(duì)切割端進(jìn)行打磨和拋光并更換，然后再移動(dòng)到下一根纖維上。

如果光纖不完全與耦合器表面齊平，請(qǐng)不要擔(dān)心。最好是讓它們略微凹陷而不是突出，但毫米或兩個(gè)差別并不重要。

步驟12：配置Raspberry Pi

Raspberry Pi配置過(guò)程記錄在附帶的rtf文檔中，該文檔是zip文件附件的一部分。除了PC上的備用USB端口以外，您不需要任何額外的硬件來(lái)配置Pi，使用合適的USB電纜和SD讀卡器來(lái)創(chuàng)建MicroSD卡映像。你還需要一張MicroSD卡; 8G足夠大。

配置Pi并將其插入主控制器板后，它應(yīng)該作為WiFi接入點(diǎn)。當(dāng)您將PC連接到此AP并瀏覽到http：//raspberrypi.local或http://172.24.1.1時(shí)，您應(yīng)該看到上面的頁(yè)面。只需滑動(dòng)滑塊即可設(shè)置您希望看到的光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)。

請(qǐng)注意，最小強(qiáng)度為2;這是Pi PWM庫(kù)的一個(gè)特點(diǎn)。

第二張圖顯示了模擬CFL燈光譜的單元，其發(fā)射大約在420nm，490nm和590nm（紫色，綠松石和琥珀色）對(duì)應(yīng)于典型的三個(gè)熒光粉涂層燈。

步驟13：光纖組合器

光纖光束組合器由15 x 15mm方形丙烯酸棒制成。請(qǐng)注意，某些丙烯酸塑料在420nm及以下的光譜中具有過(guò)度吸收;在開(kāi)始之前檢查一下，將紫外線LED通過(guò)桿發(fā)光并確認(rèn)它不會(huì)過(guò)度衰減光束（使用一張白紙，這樣你就可以看到紙張中光學(xué)增白劑發(fā)出的藍(lán)光）。

您可以打印3D打印夾具，將桿打磨或用合適的塑料板構(gòu)建自己的夾具。將桿切成約73mm并對(duì)兩端進(jìn)行打磨和拋光。然后使用雙面膠帶將夾具固定到桿的兩個(gè)相對(duì)側(cè)。用40號(hào)砂紙打磨，直到你在夾具線的0.5mm左右，然后逐漸增加到80，160，400，800，1500，3000，5000，最后用7000粒砂紙得到錐形拋光表面。然后取下夾具并重新定位以打磨另外兩側(cè)。您現(xiàn)在應(yīng)該有一個(gè)適合安裝在光纖組合板中的錐形金字塔。窄端是6mm x 6mm，以匹配光纖起飛。

注意：在我的情況下，我沒(méi)有完全打磨到6mm x 6mm，因此合成器從安裝板伸出一點(diǎn)點(diǎn)。這并不重要，因?yàn)?mm光纖是一種壓配合，如果被推得足夠遠(yuǎn)，它將與合成器的窄端對(duì)接。

從6mm光纖上剝?nèi)ゴ蠹s1英寸的外護(hù)套，注意不要損壞纖維本身。然后，如果光纖的外護(hù)套不是足夠貼合到耦合器板中，只需將一條膠帶纏繞在它上面即可。然后它應(yīng)該能夠被組合金字塔推入并緊貼床。將整個(gè)組件安裝到基板上，與光纖輸出一致。

請(qǐng)注意，組合時(shí)確實(shí)會(huì)損失一些光線。您可以從上面的光學(xué)跡線中看到原因，因?yàn)閷⒐饩€集中也會(huì)導(dǎo)致光束角度增加，并且在此過(guò)程中會(huì)損失一些光線。要獲得單波長(zhǎng)的最大強(qiáng)度，請(qǐng)使用可選的光纖耦合器板直接拾取LED或LED到3mm光纖。

步驟14：?jiǎn)蝹€(gè)光纖輸出耦合器板

這只是主要纖維指南的第二次印刷。再次，記住以105％的比例打印，以便通過(guò)孔清除纖維。您只需將此板向下擰入主光纖導(dǎo)向器，擰下組合器組件并用此板更換。不要忘記以正確的方式安裝，孔只朝一個(gè)方向排列！。

現(xiàn)在把你切下的12根纖維放入盤(pán)子的孔中。要拾取一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)，只需移除一塊光纖并將更長(zhǎng)的長(zhǎng)度放入孔中。如果您愿意，可以同時(shí)拾取所有12個(gè)波長(zhǎng)。

第15步：更強(qiáng)大！更多波長(zhǎng)！

如果您愿意，Pi可以驅(qū)動(dòng)更多頻道。然而，其他波長(zhǎng)的LED的可用性可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。您可以廉價(jià)地獲得365nm UV LED，但柔性光纖6mm電纜即使在390nm處也開(kāi)始強(qiáng)烈吸收。然而，我確實(shí)發(fā)現(xiàn)單根光纖可以使用該波長(zhǎng)，因此如果您需要，可以添加或更換LED以使您的紫外波長(zhǎng)更短。

另一種可能性是通過(guò)加倍LED來(lái)增加亮度。例如，您可以設(shè)計(jì)和打印5 X 5光纖耦合器（或4 X 6），每個(gè)通道有2個(gè)LED。請(qǐng)注意，您需要更大的電源，因?yàn)槟鷮⒗L制近20安培。每個(gè)LED都需要自己的降壓電阻;不要直接并聯(lián)LED。 MOSFET具有足夠的容量來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)通道兩個(gè)甚至幾個(gè)LED。

你不能真正使用更高功率的LED，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)像3W LED這樣的小區(qū)域發(fā)光你不能有效地纖維耦合它們。查看“光學(xué)擴(kuò)展量守恒”以了解其原因。

通過(guò)合成器的光損失非常高。不幸的是，這是物理定律的結(jié)果。在減小光束半徑時(shí)，我們也增加了它的發(fā)散角，因此一些光逃逸，因?yàn)楣鈱?dǎo)和光纖僅具有大約45度的接收角。請(qǐng)注意，單個(gè)光纖輸出的功率輸出明顯高于組合波長(zhǎng)耦合器。