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的應力消除木塊來對準光纖。

5V 60W電源通過帶有700mA保險絲的熔斷IEC插頭連接到主電源，主電路開關采用額定電流至少為1A 240V的小型撥動開關。

主電路板采用標準酚醛覆銅板，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，例如光譜儀的信號處理邏輯等，基本單元不需要。

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

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

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

步驟2：所需部件：LED

12個LED具有以下中心波長。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)品均來自FutureEden。 560nm單元來自eBay，因為FutureEden沒有覆蓋此波長的設備。請注意，此裝置將從中國發(fā)貨，因此請留出時間。

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LED通道均由Raspberry Pi上的GPIO引腳控制。 PWM用于控制LED強度。功率MOSFET（Infineon IPD060N03LG）通過2W功率電阻驅(qū)動每個LED，以限制LED電流。

每個器件的R4值和測量電流如下所示。電阻值發(fā)生變化，因為較短波長LED上的電壓降高于較長波長LED的電壓降。 R4是2W電阻。它會在運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，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等供應商提供。它們的額定電壓為30V 50A，這是一個巨大的優(yōu)勢，但它們便宜且易于使用，是DPAK設備，因此易于手工焊接。如果要替換器件，請務必選擇具有適當電流余量和門限閾值的器件，使其在2-2.5V時器件完全導通，因為這與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，任何更換都應具有大致相似的電容。

MOSFET上的緩沖網(wǎng)絡（10nF電容和10歐姆1/4W電阻）用于控制上升和下降時間。如果沒有這些元件和330歐姆柵極電阻，就會有輸出振鈴和過沖的跡象，這可能導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3mm連接到光學組合器塑料纖維。這可從許多供應商處獲得，但較便宜的產(chǎn)品可能在短波長處具有過度衰減。我在eBay上購買了一些纖維，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左右時有明顯的衰減。我從eBay購買的光纖來自這個來源。 10米應該足夠。假設12 X 300mm長度，您只需要4米就可以耦合LED，但構(gòu)建此單元時，其中一個選項是將各個波長耦合到3mm輸出光纖，這樣就可以為此選項提供額外的功能。

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

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

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

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

同樣，請注意某些等級的丙烯酸在短波長下會有過度衰減。不幸的是，很難確定你會得到什么，但是來自這個來源的棒工作得很好

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

然而，來自此光源的光棒衰減過大，對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，所有部件均采用標準PLA印刷。我推薦PETG，因為PLA軟化太多了; LED變得非常溫暖。

這些部件的所有STL都包含在項目的附件中。請參閱為包含所有項目資產(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上使用標準的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打印機都可以完成這項工作。

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

重要事項：打印光纖安裝板（以及單個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

控制器板由標準銅條板（有時稱為veroboard）制成。我沒有包括詳細的布局，因為我最終得到的電路板設計有些不整潔，因為必須添加我最初沒有計劃的緩沖網(wǎng)絡等組件。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，那么它將簡單地與板平行。它會占用更多的空間，因此可以做出相應的計劃。

Veropins被用來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。對于Pi插座，使用鋒利的工藝刀切割軌道，因為兩組插座引腳之間沒有備用孔。

注意雙排1mm銅線。這是為LED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。這是因為5V主電源進入LED的陽極，這些陽極通過原型中第二塊板上的標準PC IDE磁盤電纜連接。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，您將沿陽極側(cè)運行一組重復的銅線，以處理+ 5V側(cè)的電流。在原型中，這些導線位于第二塊板上。

步驟7：功率MOSFET

MOSFET安裝在銅板的一面。它們是DPAK器件，因此必須將標簽直接焊接到電路板上。要做到這一點，請在烙鐵上使用適當大的尖端，然后輕輕地將接頭輕輕打上。將銅軌安裝在您要連接設備的位置。將其放在板上并再次加熱標簽。焊料會熔化，設備將被連接。嘗試并合理地快速完成此操作，以免設備過熱;它會忍受幾秒鐘的熱量，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線，這樣它們就不會短路到排水管接頭！您無法從圖片中看到，但切口位于設備主體的引線下方。

鷹眼讀者只會注意到11個MOSFET。這是因為當我得到560nm LED時，后來增加了第12個。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，就沒有什么可以阻止你安裝所有的LED在一個散熱片上。在所示的散熱器上，在全功率下，散熱器溫度達到50攝氏度，因此這些散熱器可能略小于最佳散熱器。事后看，在每個散熱器上放置三個較長波長的LED可能也是一個好主意，而不是將所有六個較短波長的發(fā)射器放在一個上，而將較長波長的發(fā)射器放在另一個上。這是因為，對于給定的正向電流，短波長發(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。

您當然可以添加風扇冷卻。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通過標準40針I(yè)DE電纜連接到控制器板。并非所有電纜對都被使用，允許擴展空間。

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表示通過它們的顏色（UV =紫外線，V =紫色，RB =寶藍色，B =藍色，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的源極連接應具有類似的導線，以提供接地的高電流路徑。

步驟10：測試控制器板

如果不將Raspberry Pi插入電路板，您可以通過夾子引線將GPIO引腳連接到+ 5V電源軌來測試LED驅(qū)動器是否正常工作。適當?shù)腖ED應該點亮。

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

一次您確信電源驅(qū)動器和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以全功率運行。它們非常明亮。

步驟11：光纖耦合LED

每個LED通過3mm光纖耦合。 3d打印光纖適配器緊貼LED組件并引導光纖。應變消除塊安裝在LED散熱器前方約65mm處。

這提供了足夠的空間讓您的手指進入并將光纖適配器推到LED上然后安裝光纖。

在應變消除塊上鉆4mm孔，與LED一致

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

為了拉直光纖，我使用了一個300毫米長（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不要劃傷光纖。

將光纖推入桿中，使其一端齊平，并且一根長度伸出另一根，或者如果桿比光纖長，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)在應該擁有完美直的光纖。通過推動另一根光纖來移除，直到你可以抓住并移除拉直的光纖。

當您拉直所有十二根光纖時，再切割十二根約70毫米長的光纖。這些將用于引導光纖穿過耦合板。然后，當結(jié)構(gòu)完成時，它們將用于填充單個光纖耦合器，因此它們不會浪費。

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該如何顯示。交錯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行拋光 - 這里有一個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纖維滑入耦合器板。然后通過應變消除裝置將其裝回，使拋光端通過LED光纖耦合器接觸LED鏡頭前端。重復每根纖維。將短纖維留在孔中可以確保每根長纖維都能很容易地進入正確的位置。

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)氧樹脂封裝的。鏡頭變形很容易，導致鍵合線斷裂。相信我，我很難學到這一點。因此，在將光纖安裝到這兩個LED時要保持溫和。

將光纖穿過耦合器的順序并沒有多大關系，但嘗試對光纖進行分層以使它們不會相互交叉。在我的設計中，底部的六個LED路由到左側(cè)三個LED的最低三個孔，然后是右側(cè)三個LED的下三個孔等等。

當您將所有光纖穿過耦合器，將其放置在基板上并鉆兩個安裝孔，然后將其擰緊。

然后，使用一對非常鋒利的對角切割器，盡可能靠近耦合器面切割每根光纖。然后拉出每個部件，對切割端進行打磨和拋光并更換，然后再移動到下一根纖維上。

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

步驟12：配置Raspberry Pi

Raspberry Pi配置過程記錄在附帶的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配置Pi，使用合適的USB電纜和SD讀卡器來創(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，它應該作為WiFi接入點。當您將PC連接到此AP并瀏覽到http：//raspberrypi.local或http://172.24.1.1時，您應該看到上面的頁面。只需滑動滑塊即可設置您希望看到的光的強度和波長。

請注意，最小強度為2;這是Pi PWM庫的一個特點。

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）對應于典型的三個熒光粉涂層燈。

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。請注意，某些丙烯酸塑料在420nm及以下的光譜中具有過度吸收;在開始之前檢查一下，將紫外線LED通過桿發(fā)光并確認它不會過度衰減光束（使用一張白紙，這樣你就可以看到紙張中光學增白劑發(fā)出的藍光）。

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并對兩端進行打磨和拋光。然后使用雙面膠帶將夾具固定到桿的兩個相對側(cè)。用40號砂紙打磨，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)在應該有一個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，我沒有完全打磨到6mm x 6mm，因此合成器從安裝板伸出一點點。這并不重要，因為6mm光纖是一種壓配合，如果被推得足夠遠，它將與合成器的窄端對接。

從6mm光纖上剝?nèi)ゴ蠹s1英寸的外護套，注意不要損壞纖維本身。然后，如果光纖的外護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。然后它應該能夠被組合金字塔推入并緊貼床。將整個組件安裝到基板上，與光纖輸出一致。

請注意，組合時確實會損失一些光線。您可以從上面的光學跡線中看到原因，因為將光線集中也會導致光束角度增加，并且在此過程中會損失一些光線。要獲得單波長的最大強度，請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：單個光纖輸出耦合器板

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，以便通過孔清除纖維。您只需將此板向下擰入主光纖導向器，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，孔只朝一個方向排列！。

現(xiàn)在把你切下的12根纖維放入盤子的孔中。要拾取一個或多個波長，只需移除一塊光纖并將更長的長度放入孔中。如果您愿意，可以同時拾取所有12個波長。

第15步：更強大！更多波長！

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

另一種可能性是通過加倍LED來增加亮度。例如，您可以設計和打印5 X 5光纖耦合器（或4 X 6），每個通道有2個LED。請注意，您需要更大的電源，因為您將繪制近20安培。每個LED都需要自己的降壓電阻;不要直接并聯(lián)LED。 MOSFET具有足夠的容量來驅(qū)動每個通道兩個甚至幾個LED。

你不能真正使用更高功率的LED，因為它們不會像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“光學擴展量守恒”以了解其原因。

通過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，我們也增加了它的發(fā)散角，因此一些光逃逸，因為光導和光纖僅具有大約45度的接收角。請注意，單個光纖輸出的功率輸出明顯高于組合波長耦合器。