多光谱集成一体化勘察器材结构设计及模组功能

　　一、电路单元

　　基于半导体固态发光器件应用的电路结构与布局,半导体固态发光器件包括激光二极管(LD)和发光二极管(LED),该单元模块包括LD恒流驱动电路、LED恒流驱动电路。图1为电路单元方块图。

　　1.LD原理及应用

　　LD发光方式是受激辐射发光,当LD注入电流超过阈值就进入受激辐射发出激光。 LD具有体积小、效率高、光色纯、方向性强等优点,但对温度敏感。 其光谱窄且不连续,图2是日亚公司的一款大功率蓝色LD光谱曲线图,显示光谱带宽小于3nm,入d为中心波长,单片功率输出高于4W,能量密度高,光致荧光效应明显。 但大功率LD技术要求高,附属冷却散热结构较复杂。

　　2.LED原理及应用
       LED发光机理是电场中芯片电子因能级跃迁以光能的形式释放能量,芯片材料和涂层决定LED的发光颜色。图3为美国Luminus公司生产的一款WRGB彩色灯板, 功率达40瓦,内部封装四颗芯片,分别发出白色、红色、绿色、蓝色光, 光谱曲线见图4。 LED成本低,型号规格和光谱波段丰富,可根据功率、波段等指标进行选型。

　　彩色LED光谱宽存在背景光干扰,需要增设窄带滤光片压缩光谱。图5为Osram公司一款绿光LED的光谱曲线和窄带滤光镜的带通曲线图表,入p为输出的窄带绿光,入a和入b为滤光镜截止的光谱。

　　紫外LED光谱集中在长波紫外区,可见光干扰小,荧光效应明显,单颗功率3W,采用4片紫外LED串联即可达到充足功率;850nm红外LED可见光辐射极少,单片功率3W,采用3片串联即可满足需求。 绿色、红色、黄色波段为窄带光, 需在相应的反光杯前粘附绿、红、黄色窄带滤光片。

　　3.LD和LED选型

　　结合大功率LD和LED的性能特点,设计了多光谱集成一体化勘查设备,实现紫外检验、荧光检验、分色检验、红外检验、暗视场检验。

　　光源设置七个波段,分别是蓝色LD(455nm)、紫外LED(365nm)绿色LED(520nm)、黄色LED(585nm)、红色LED(640nm)、红外LED(850nm)白光暗视场照明。蓝色LD功率4.5瓦,电流3.5A。

　　蓝色LD光谱窄,不需添加滤光镜片,LD发光为点状光束,需增加扩束透镜,均匀化激光光斑。 其它波段根据波长选择相应型号LED。

　　4.电路结构及布局

　　LD和LED恒流供电单元通过波段开关切换光谱波段。

　　LED灯芯电路板采用高导热率铜基覆铜板制作,电路板双面布线,大功率贴片LED焊接在金属电路板上以分散产生的高热量。 电路板表面焊接紫外、红外、绿色、黄色、红色LED,结构布局见图6。电路板下面是暗视场结构,由70颗白色侧发光LED焊接在电路板下表面组成环状发光条,发光功率约3瓦,在电路板底面3mm的狭缝空间以掠入射照亮痕迹,形成暗视场效果,暗视场结构见图7。

　　二、散热组件原理及结构

　　器材采用紧凑型设计,散热空间小,光源发热元件密集,容易造成热量聚集超温。 为此设计高效散热结构,采用真空热管进行热量传导。

　　1.散热原理

　　真空热管是一种具有快速均温特性的中空封闭管体,由液态工质、 管芯和铜质管壳组成。 管壳内壁用铜粉高温烧结形成毛细管芯,注入液态工质抽真空,利用管内液态工质的汽化-液化相变循环实现快速传导热量,真空热管导热效率比金属铜高数百倍,其工作原理见图8。

　　2.散热结构

　　“外壳-反光罩-电路板”组成封闭的空腔,在空腔内布置真空热管和散热翅片,将金属电路板上聚集的热量快速传导至翅片上。 内置风扇和外壳通气孔在“风扇一》散热翅片一散热气孔”之间形成强制对流的散热通道,解决狭小空间散热难题,散热结构见图9。

　　3.LD冷却与散热LD是对温度高度敏感的器件,采用半导体制冷片(简称TEC)对LD进行强制冷却,确保其长时间可靠运行。TEC利用半导体的帕尔效应,通电时两个面之间进行热量转换,一面发热另一面制冷,冷面对LD进行冷却降温,依据LD耗散功率选择制冷量约15瓦的TEC。

　　三、图像采集模组融合及功能集成设计

　　整机集成数码图像采集单元, 实现光源及图像采集模组一体化结构融合。图像采集模组既可与光源组合,也可以分离使用。

　　1.图像采集模组控制

　　图像采集模组结合物联网通讯技术应用,内置蓝牙与Wi-Fi模块,实现图像无线传输与控制。 在智能手机上安装控制APP,图像采集模组通过蓝牙、Wi-Fi与智能手机建立链接,通过APP界面控制采集模组拍照,器材整体照片见图10。 在勘查高楼高处等危险环境现场时,勘查人员选择安全位置将器材放于痕迹上方近距离遥控取证,可以避开潜在的安全风险,无线操控距离达4米。

　　2.结构与融合

　　图像采集模组通过卡扣与光源进行快速连接形成一体化结构,光源主体外壳采用碳纤维成型,整机结构剖面见图11。 光源内部反光罩为扁环状,内反射面涂高反光材料,可反射97%的光线,反射面为漫反射型,可匀化反光罩内光线。 反光罩其它部位喷涂黑色消光材料,减少进入镜头的杂光。 反光罩的结构形状让LED向上照射反光面时能避开直射镜头,反光罩内LED光束被匀光反射至底部的痕迹部位。

作者：朱双全、朱慧杰

编辑：广汉