鄧一凡， 徐曉輝， 蘇彥莽， 宋 濤， 王利偉， 方 正

(河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

近年來(lái)，LED被廣泛應(yīng)用在植物光源領(lǐng)域，但由于單個(gè)LED的功率較小且光譜單一，難以滿(mǎn)足植物對(duì)光照的需求，在實(shí)際應(yīng)用中通常將多個(gè)不同光質(zhì)的LED組成陣列來(lái)達(dá)到所需的發(fā)光強(qiáng)度和光譜搭配。LED的輸出光照度近似呈朗伯(Lambertian)分布，在整個(gè)照明空間上的光照分布是不均勻的[1]。由于LED具有高指向性，因此必須經(jīng)過(guò)合理的陣列設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)在照射范圍內(nèi)各光質(zhì)比例的均勻性，從而在最大程度上確保植物能夠得到均勻的光照，減少因光源帶來(lái)的誤差和影響。

1 單色光LED光學(xué)模型的建立和理論分析

1.1 光學(xué)模型的建立

LED發(fā)光區(qū)域通常小于1 mm2，因此在進(jìn)行光學(xué)分析時(shí)可把LED看作點(diǎn)光源。此外，在建立模型中，假設(shè)陣列中每個(gè)LED都有相同的光波長(zhǎng)、光通量和光照度分布。

當(dāng)一個(gè)點(diǎn)光源照射到與光軸垂直方向的平面上時(shí)，如圖1所示，其中S為點(diǎn)光源，θ為發(fā)光角度，N代表投射平面的法向，ds與dscosθ分別為單位投射面積及其余弦值。在笛卡爾坐標(biāo)系中表示，設(shè)探測(cè)面與光源的距離為z，則面上任一點(diǎn)光的輻射照度可表達(dá)為[2]：

式中：x、y、z分別表示光照區(qū)域的三維立體坐標(biāo)；m是LED的特性參數(shù)，理想朗伯體的m值為1；LLED是法線(xiàn)上的輻射亮度，W/(m2·sr)；ALED是LED芯片的發(fā)光面積，m2；x0、y0、z0表示點(diǎn)光源坐標(biāo)。

1.2 斯派羅法則

常用于確定最大平坦條件的斯派羅法則也適用于照明均勻性的檢測(cè)。將2個(gè)高斯分布的能量相疊加，當(dāng)2個(gè)峰值逐漸遠(yuǎn)離最大平坦距離時(shí)，中心將出現(xiàn)波谷，意味著光照度開(kāi)始不均勻。斯派羅極值σL滿(mǎn)足如下條件：

式中：σL表示斯派羅極值；x表示峰值。

1.3 同個(gè)數(shù)、異排布的單色LED陣列的光輻照度分析

將不同LED陣列參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為L(zhǎng)ED與探測(cè)面之間的距離z=200 mm，參數(shù)m取值81，LED的個(gè)數(shù)n=16，并對(duì)3種典型的LED陣列(方形陣列、三角形陣列及環(huán)形陣列，圖2)進(jìn)行分析。

1.3.1 方形陣列 假定相鄰LED之間的距離為d，則由N×M個(gè)LED組成的方形陣列的光輻射照度E為：

根據(jù)斯派羅法則，并把已知參數(shù)代入上式，通過(guò)Matlab編程計(jì)算可得d=44 mm。由圖3可知，-50～50 mm范圍內(nèi)的輻射照度非常均勻，隨著距離的變化，總輻射照度值相應(yīng)的下降，但在-75～75 mm 范圍內(nèi)的中心光輻照度高于75%。

1.3.2 三角形陣列 設(shè)三角形陣列中每個(gè)正三角形的邊為s。由{(N×M)-0.25[2M+(-1)M-1]}個(gè)LED疊加的總輻射照度E為：

式中：N±=N+[(-1)j±1]/2，通過(guò)計(jì)算可得s=38 mm。由模擬結(jié)果(圖4)可知，三角形陣列所產(chǎn)生的輻射照度分布圖具有不對(duì)稱(chēng)性，但仍有大約130 mm寬度在中心輻射照度值的80%以上，且與方形陣列相比，2個(gè)LED間距變小，意味著所需的面板面積減小。

1.3.3 環(huán)形陣列 設(shè)內(nèi)環(huán)半徑為r1，外環(huán)半徑為r2?？傒椛湔斩菶可表示為：

通過(guò)計(jì)算可得r1=29.8 mm，r2=66.3 mm。由輻照結(jié)果(圖5)可知，環(huán)形陣列產(chǎn)生的均勻輻射照度分布范圍較小，主要集中在-30～30 mm的范圍內(nèi)，但中心有較強(qiáng)的光分布，輻射照度值大，有一定的聚光效果。

2 LED植物組培平面陣列的設(shè)計(jì)與光輻照度分析

2.1 LED組培陣列排布方式選擇

3種排布方式有不同的光輻照度特點(diǎn)，因此燈具成品也有不同的用途。比如方形陣列在手術(shù)照明中得到廣泛的應(yīng)用；環(huán)形陣列平坦，輻射照度分布范圍較小，但其能量集中分布在一個(gè)圓形范圍內(nèi)，有良好的集光效果，因此在機(jī)器視覺(jué)中得到廣泛的應(yīng)用[3]；與三角形陣列和環(huán)形陣列相比，方形陣列具有便于拼接拓展的特點(diǎn)，且具有易按照一定規(guī)律分布不同光質(zhì)LED燈珠的優(yōu)勢(shì)，從而更適合應(yīng)用于植物的照明。

植物組培架一般為長(zhǎng)約1 200 mm、寬約500 mm、層高 300～450 mm且層高可調(diào)[4]的多層架。采用模塊化陣列式設(shè)計(jì)理念，將若干個(gè)單元模塊排列組合形成平面模塊，進(jìn)而達(dá)到快速安裝維護(hù)以及拓展的目的。該方法可突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線(xiàn)光源技術(shù)缺陷，與燈管式組培燈相比，能為植物提供更加均勻的光照，且光質(zhì)的搭配更靈活。不同光質(zhì)的LED獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式可按需選擇，可用定光強(qiáng)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，或者使用具有調(diào)光功能的驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)光質(zhì)比進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足植物不同生長(zhǎng)時(shí)期的光照需求。

2.2 LED光質(zhì)及功率選擇

紅光、藍(lán)光是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育、完成生活史的必需光質(zhì)，目前大多設(shè)計(jì)都是紅光和藍(lán)光的搭配。為保證植物生長(zhǎng)發(fā)育與其產(chǎn)量、品質(zhì)，有時(shí)需要在紅藍(lán)組合光的基礎(chǔ)上補(bǔ)加一些特殊光質(zhì)成分，可稱(chēng)之為有益光質(zhì)，包括紅藍(lán)光以外的其他可見(jiàn)光、紫外光(ultraviolet，簡(jiǎn)稱(chēng)UV)等[5]。

研究表明，在紅藍(lán)LED組合光中加入綠光能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)。Kim等在光通量密度(PPFD)為150 μmol/(m2·s)、光周期為18 h的條件下，對(duì)生菜進(jìn)行綠光+藍(lán)光+紅光(RGB)的光處理，與冷白光熒光燈和紅藍(lán)光LED復(fù)合光處理相比，RGB處理的生菜干鮮質(zhì)量、葉面積及干物質(zhì)積累都是最優(yōu)的，且外觀品質(zhì)得到了提高，與自然光條件下的植物葉片相似[6]。Johkan等報(bào)道了3種LED綠光(510、524、532 nm)在100、200、300 μmol/(m2·s)光照度下生菜的栽培效果以及綠光波長(zhǎng)及其光照度對(duì)生菜形態(tài)建成和光合作用的影響，結(jié)果表明，高光照度綠光LED能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，尤其是短波長(zhǎng)綠光對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最佳[7]。綠光比紅藍(lán)光的透射比更高，能夠更好地穿透葉片，進(jìn)而促進(jìn)冠層底端的葉片維持光合作用活力，提高冠層整體的光合性能。但同時(shí)Kim等認(rèn)為，24%～50%的綠光促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但綠光超過(guò)50%時(shí)會(huì)抑制某些植物的生長(zhǎng)[6]。

適宜的UV輻射對(duì)設(shè)施蔬菜的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)十分重要。紫外光的利用與調(diào)節(jié)對(duì)保障植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)非常重要，不僅有利于植物的趨光性，還可以殺菌消毒，減少病害傳播[8]。人工控制UV光源在植物組培環(huán)境內(nèi)補(bǔ)充UV輻射的技術(shù)，能減少化學(xué)方法導(dǎo)致的蔬菜徒長(zhǎng)，對(duì)于改善蔬菜品質(zhì)有良好的效果，是生產(chǎn)綠色有機(jī)食品的重要保證。但高劑量的 UV-B輻射也會(huì)引發(fā)植物光合作用的一些負(fù)面響應(yīng)，抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育。為保證紫外光的調(diào)控效果，可采用短期小劑量應(yīng)用以及間歇式反復(fù)照射、采前短期照射等方法減少使用劑量。UV-A也可影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，但生物學(xué)效應(yīng)較小[9]。目前，植物光源一般都是紅藍(lán)光組合光源，缺乏紫外光譜組成。本設(shè)計(jì)加入綠光LED及紫外LED，可為植物提供更科學(xué)、更全面的光環(huán)境。

光源的選擇可直接影響LED燈具的性能、成本及工作壽命。一些廠(chǎng)家使用10 W以上的LED模組制成LED燈具，這種燈具存在散熱困難、易眩光、光學(xué)配光難等缺陷；也有的燈具采用3～5 W的LED模組，這種模組的光效較低，并且存在散熱問(wèn)題，與單只1 W的LED相比，在同等光通量條件下價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯。從目前大功率LED的技術(shù)水平來(lái)看，1 W光效比較高，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。因此本設(shè)計(jì)采用1 W的窄帶LED，紅光與藍(lán)光的中心波長(zhǎng)分別為660、450 nm，紫外LED(UV-B)的中心波長(zhǎng)為300 nm，綠光LED的中心波長(zhǎng)為520.7 nm。

2.3 LED陣列排布方案及各光質(zhì)LED的輻照度模擬分析

在植物的自然生長(zhǎng)過(guò)程中，紅藍(lán)光質(zhì)比例一般在4 ∶1～9 ∶1之間[10]，因此在確定紅藍(lán)燈珠數(shù)量時(shí)不僅要滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)所需的最大光照度，而且要確保該比例的實(shí)現(xiàn)。燈珠間距的設(shè)計(jì)要考慮光照平坦化程度及基板面積2方面影響因素，以保證均勻照明的同時(shí)方便在培育架上的安裝部署。另外，要考慮散熱問(wèn)題。綜合考慮以上因素，進(jìn)行如圖6所示的排布搭配，混合陣列為邊長(zhǎng)為16 cm的正方形。

同樣用光學(xué)模擬軟件TracePro分別對(duì)不同光質(zhì)的LED進(jìn)行光照度模擬分析。LED植物生長(zhǎng)燈在使用時(shí)通常距離植物20～30 cm[11]，此次模擬過(guò)程中的探測(cè)面位于距LED陣列20 cm處，得到紅光和藍(lán)光各自在探測(cè)面的輻照度分析模擬結(jié)果見(jiàn)圖7至圖10。

由圖7至圖10可以看出，紅、藍(lán)、綠LED陣列都有良好的均勻性，紫外光均勻性稍差，但其主要作用是調(diào)控和殺菌消毒，只是按需開(kāi)啟，所以并不影響達(dá)到預(yù)期目的。紅光LED在-80～80 mm范圍內(nèi)大體上可達(dá)到最大輻照度的80%及以上。藍(lán)光和綠光LED在-60～60 mm范圍內(nèi)整體上也均能達(dá)到最高光照的70%以上。本設(shè)計(jì)燈珠間距受其他因素(如基板尺寸)影響未達(dá)到理論最大平坦化條件，但仍在很大程度上使各種光質(zhì)均勻照射且提供充足的光照度，同時(shí)不存在散熱問(wèn)題?；旌详嚵心苄纬膳c植物光合作用和形態(tài)建成基本吻合的光譜吸收峰值，減少因光源帶來(lái)的誤差和影響。此外，模塊化的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)快速安裝、更換和拓展LED燈珠的目的，使用方便。

3 結(jié)論

要設(shè)計(jì)一款可靠的LED植物生長(zhǎng)燈，不僅要考慮光質(zhì)的選擇、燈具的形狀尺寸問(wèn)題，還需要考慮如何使不同光質(zhì)在照明區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻性照射。本研究使用同等數(shù)量的LED燈珠進(jìn)行3種典型平面陣列的設(shè)計(jì)并分別進(jìn)行均勻性仿真研究，經(jīng)綜合分析，確定方形陣列是最適合植物照明的排布方式。本研究在探討有益光質(zhì)對(duì)植物的影響后，設(shè)計(jì)一種植物組培LED混合陣列。輻照度仿真結(jié)果顯示，不同光質(zhì)在一定范圍內(nèi)都有很高的均勻性及輻照度，可為組培植物提供科學(xué)可靠的光環(huán)境，且模塊化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速安裝、更換和拓展的目的，適合植物組培。

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