[发明专利]一种光谱柔性可调的LED光源系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种光谱柔性可调的LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)光源系统，属于光生物学技术仪器领域，专用于植物光生物学、动物(人体)光生物学、微生物光生物学以及生物光信号传导机制的科学研究。

二、技术背景

光谱参数，包括波长、光密度(Photon Flux Density)、光周期和工作频率，对生物的生长发育产生关键作用。长期研究结果已经清楚地表明光谱影响生物的生长、控制生物的发育转变。但是迄今为止，在相关的科学实验中，由于无法通过现有的实验仪器和手段获得光谱柔性可调的光源，研究者仍不能精细地调控和设定实验过程所需要的光谱参数，这制约着光生物学的精确定量研究和深入开展。

在目前的光生物学科研实验中，白炽灯、荧光灯和金属卤素灯等传统照明光源被普遍采用，但传统光源的波长和光密度分布是固定的，且波长范围很宽，实验研究所需的特定波长的光谱只能采用滤光器衰减后得到，常用的滤光器包括多层醋酸盐胶片滤光片和彩色塑料制品等。这种方法存在如下缺陷：(1)所获波长的光密度和光周期不能精确定量调控；(2)无法精量调制多种特定波长的光谱组合，只能获得某一波长光谱；(3)无法动态调制多波长、不同光密度、不同工作频率和不同光周期组合的光谱参数。

与传统照明光源相比，LED因其具有波宽窄(半宽为10-15nm)、波长类型丰富、可选择性和可调控性好的特点，十分适合用于光生物学研究领域。Jao RC等(Applied-Engineering-in-Agriculture，2003)报导了2种波长组合的LED光源；Folta KM等(BMC Plant Biology，2005)报导了3种波长组合的LED光源。采用上述2种光源，只能获得2种或3种组合光谱，仍不能满足光生物学的研究对多光谱和多辐射能参数组合的各种需求。

光生物学研究对多光谱动态柔性可调的实验用光源有迫切的需求，这种光源在揭示光谱的生物效应、光信号传导机制、以及生物体内不同光感受系统之间相互作用等方面的研究中能发挥重要作用。基于这一技术背景和科研需求，发明了“一种光谱柔性可调的LED光源系统”。采用该光源，能够对近紫外、紫、紫蓝、蓝、绿、黄绿、黄、橙、亮红、深红、远红和近红外等实施任意波长的精确组合调制，能够对各种波长的光密度、光周期、工作频率实施定量调制，得到实验研究所需的各种调制光谱，以满足光生物学的科研需求。

三、发明内容

(一)技术问题

本发明的目的在于为光生物学研究提供一种光谱柔性可调的LED光源，解决传统光源不能提供多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数等方面的问题，能够依据光生物学的研究实验需求，对光谱参数实施柔性调制，定量精确地获取不同波长、不同光密度、不同光周期、不同工作频率的多光谱参数组合的光源。

(二)技术方案

1、一种光谱柔性可调的LED光源系统，包括系统硬件、光谱柔性组合与调控方法、以及系统软件；系统硬件主要由LED与LED阵列、LED恒流驱动电路和控制器3个部分组成，LED以活动插拔的方式与LED阵列基板连接，形成单元模块，由若干个单元模块构建成LED阵列，LED阵列与LED恒流驱动电路连接，并安排在同一块电路板上，LED恒流驱动电路通过数据线和电源线与控制器连接，控制器与电源连接；光谱柔性组合与调控方法包括波长组合、光密度调控、光周期调控、工作频率调控的多参数组合调控；依据光谱柔性组合与调控方法编写系统软件，并与系统硬件融合；其特征在于：

1)系统硬件

1.1)LED与LED阵列LED以活动插拔的方式与LED阵列基板连接，形成单元模块，由若干个单元模块构建成LED阵列；LED阵列与LED恒流驱动电路连接；在阵列基板上，不同波长和不同数量的LED能够被任意组合，形成符合要求的光源，具有相应的光密度和复合波长；

1.2)LED恒流驱动电路LED恒流驱动电路安排在LED阵列基板上，由驱动芯片、可调电阻和串行数据接口JP1相互连接构成，驱动芯片的引脚分别与LED阵列基板单元的同名串联支路连接，并保持输出通道的恒流特性和驱动电流的一致性，最高输出电流值由可调电阻调整确定；

1.3)控制器控制器用于控制LED恒流驱动电路，主要由单片机电路、I/O接口驱动电路、按键电路、显示接口电路和数据存储电路组成；单片机中写有软件程序，用于调控并设定LED的驱动电流、工作频率和脉冲宽度，以满足对光谱柔性调整的需求；单片机电路通过I/O接口驱动电路和串行数据接口JPI连接LED恒流驱动电路，按键电路、显示接口电路和数据存储电路均与单片机连接；