基于LED光源的多光譜誘蟲燈研究

金星

摘要：以LED（發(fā)光二極管）作為發(fā)光源，將PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）板材通過熱成型工藝加工成導(dǎo)光筒，將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成360°面光源，制作出導(dǎo)光式多光譜誘蟲燈。該誘蟲燈具有光色可變、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長的特點(diǎn)。同時(shí)，利用LightTools等光學(xué)仿真軟件建立了基于LED光源的導(dǎo)光筒模型，并對導(dǎo)光筒表面照度和均勻度仿真，獲得了導(dǎo)光筒三維網(wǎng)點(diǎn)的最佳參數(shù)。

關(guān)鍵詞：LED（發(fā)光二極管）；多光譜；誘蟲燈；導(dǎo)光板；趨光性；光學(xué)仿真

中圖分類號： S475+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0476-03

利用害蟲對光和色的趨性來誘殺害蟲是一種較為理想的無公害防治方法[1]。昆蟲具有趨光和趨色特性。昆蟲對光的感應(yīng)多偏于波長為253～700 nm的短波光，即相當(dāng)于光譜中的紫外光至紅外光內(nèi)線部分的區(qū)域，也就是說它們不僅能識別色彩光，還能看到人眼不能視覺到的短波光[2]。農(nóng)業(yè)上常利用昆蟲的趨光特性，選用能避天敵習(xí)性而對植食性害蟲有極強(qiáng)誘殺力的光源、波長、波段來誘殺害蟲，或者誘集害蟲用于害蟲的蟲情測報(bào)[3]。誘蟲燈的種類很多，目前使用較多的有日光燈、黑光燈、高壓汞燈、節(jié)能燈、雙光燈、頻振燈等[4]，這些誘蟲燈多采用單一波長的光源制作成發(fā)光體，存在光色單一、誘集害蟲的種類少、耗電量較大、發(fā)光效率和電光轉(zhuǎn)換率較低等缺陷。本研究以LED （light-emitting diode，發(fā)光二極管）作為發(fā)光源，用光學(xué)級PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）通過熱成型工藝加工成圓筒狀導(dǎo)光板（以下簡稱“導(dǎo)光筒”），將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成360°面光源設(shè)計(jì)誘蟲燈。該誘蟲燈節(jié)能環(huán)保，可以根據(jù)田間需求調(diào)節(jié)發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光時(shí)間；不僅可以在誘蟲燈上安裝高壓電網(wǎng)殺滅害蟲，還可以在誘蟲燈上覆蓋黏蟲膠誘捕害蟲。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本誘蟲燈以LED作為發(fā)光源，發(fā)光源由多個(gè)LED發(fā)光單元排列而成。根據(jù)RGB三基色疊加原理，由R-LED（紅光LED）、G-LED（綠光LED）、B-LED（藍(lán)光LED）按“品”字形排列組成一個(gè)多光譜LED發(fā)光單元，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式對每個(gè)基色的發(fā)光灰度進(jìn)行控制，RGB三基色就可以合成1 600萬種顏色（全彩色）。由于LED發(fā)出的是散射光，為每個(gè)發(fā)光單元加裝反光膜和聚光透鏡以增強(qiáng)光源指向性和改變光源發(fā)散角度。發(fā)光單元發(fā)出的光采用頂部入光的方式耦合進(jìn)入導(dǎo)光筒，當(dāng)光射到導(dǎo)光筒內(nèi)表面的散射網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，向各個(gè)方向發(fā)生反射，經(jīng)過反光膜反射和擴(kuò)散膜散射后，在導(dǎo)光筒的出光面形成亮度均勻、色度穩(wěn)定的二次面光源[5]。所以，可通過對LED灰度級別的控制實(shí)現(xiàn)對誘蟲燈發(fā)光色調(diào)的控制，從而利用昆蟲的趨光、趨色特性對害蟲進(jìn)行誘捕。

1.2 總體設(shè)計(jì)

本誘蟲燈主要由LED光源、導(dǎo)光筒、擴(kuò)散膜、反光膜、驅(qū)動電路和框架等構(gòu)成。

導(dǎo)光筒用光學(xué)級PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）通過熱成型工藝加工而成（幾何尺寸為內(nèi)徑90 mm、外徑100 mm、高210 mm、壁厚5 mm）。導(dǎo)光筒外表面是發(fā)光區(qū)域，發(fā)光區(qū)域分布著起導(dǎo)光作用的三維網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（圖1）。將LED光源安裝在導(dǎo)光筒頂部，LED光源發(fā)出的光線由頂部入光的方式進(jìn)入導(dǎo)光筒內(nèi)部，在導(dǎo)光筒內(nèi)表面安裝有保護(hù)面板和反光膜，內(nèi)表面不發(fā)光；導(dǎo)光筒的外表面是出光面，安裝有保護(hù)面板和擴(kuò)散膜，可以發(fā)出亮度均勻的光源誘蟲（圖2）。在框架內(nèi)安裝LED光源和驅(qū)動電路，通過導(dǎo)線與外部電源連接，框架對內(nèi)部器件起保護(hù)和固定作用。

LED光源可以看作是具有自身光譜曲線和光型曲線的點(diǎn)光源，它的發(fā)光強(qiáng)度在三維空間內(nèi)是不同的[6]。LED發(fā)出的光線其光強(qiáng)在沿導(dǎo)光筒高度方向和垂直于導(dǎo)光筒高度方向都是不同的，因此，通過調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)的半徑能夠達(dá)到導(dǎo)光筒外表面均勻出光的目的。利用具有光學(xué)精度的交互式三維實(shí)體建模軟件LightTools，輔助進(jìn)行導(dǎo)光筒的光學(xué)設(shè)計(jì)。

首先，在LightTools中建立LED發(fā)光單元的光學(xué)模型，設(shè)定R-LED、G-LED、B-LED這3種LED光譜的波長、光通量、發(fā)光角度、功率和LED的排列方式和數(shù)量，并進(jìn)行仿真分析，將仿真結(jié)果與預(yù)期要求進(jìn)行對比并不斷調(diào)試，直到得到滿意的效果。然后，在LightTools中建立導(dǎo)光筒模型，導(dǎo)光筒材料選用PMMA，尺寸為內(nèi)徑90 mm×外徑100 mm×高210 mm×壁厚5 mm。本設(shè)計(jì)采用具有極高反射率的三維散射網(wǎng)點(diǎn)，網(wǎng)點(diǎn)形狀為圓形，網(wǎng)點(diǎn)采用只改變網(wǎng)點(diǎn)大小不改變網(wǎng)點(diǎn)距離的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)原則是靠近光源部分的網(wǎng)點(diǎn)尺寸要小一些、稀疏一些，遠(yuǎn)離光源的地方網(wǎng)點(diǎn)尺寸大一些、密一些[7]。將導(dǎo)光筒外表面劃分為若干網(wǎng)格，對每個(gè)網(wǎng)格中網(wǎng)點(diǎn)的大小、數(shù)量、密度進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，從而設(shè)計(jì)出整個(gè)導(dǎo)光筒的三維散射網(wǎng)點(diǎn)。把LED光源發(fā)出的光從頂部耦合進(jìn)入導(dǎo)光筒，采用1×105條光線進(jìn)行光線模擬，并對每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行MC（Monte Carlo，蒙特卡洛）光線追跡，獲得導(dǎo)光筒的出射光照度分布圖形和參數(shù)。為了避免導(dǎo)光筒的內(nèi)表面和底部漏光，在導(dǎo)光筒的內(nèi)表面和底部加了1層反光膜，大大提高了光的利用率。最后，采用曲線擬合法對每個(gè)網(wǎng)格的的光照參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到導(dǎo)光筒的三維網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)（網(wǎng)點(diǎn)半徑0.05～1.00 mm漸變，沿導(dǎo)光筒軸向的相鄰2個(gè)網(wǎng)點(diǎn)間距0.55 mm，網(wǎng)點(diǎn)深度 0.5 mm）。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 LED光源

本誘蟲燈的核心部分是LED光源。LED光源選用SMD_5050RGB_LED全彩LED，型號TJ-S50RGBYZ-A02，將1個(gè)R-LED 管芯、 1個(gè)G-LED 管芯 、1 個(gè)B-LED 管芯以“品”字形分布封裝在一起組成1個(gè)多光譜發(fā)光燈珠，以4個(gè)多光譜發(fā)光燈珠作為1個(gè)發(fā)光單元，采用硅樹脂封裝，具有導(dǎo)熱好、封裝面不易受外力損傷的優(yōu)點(diǎn)，適合長時(shí)間戶外工作。該LED發(fā)光單元在額定電流20 mA時(shí)的電氣和光學(xué)參數(shù)如表1所示。為了增強(qiáng)光源指向性和改變光源發(fā)散角度，為每個(gè)發(fā)光單元加裝反光膜和聚光透鏡，將R、G、B這3種光線進(jìn)行疊加處理配光。endprint

2.2 導(dǎo)光筒

導(dǎo)光筒的設(shè)計(jì)是本誘蟲燈的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用是將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成360°面光源，射出光的均勻性和亮度是其最重要的評測指標(biāo)。導(dǎo)光筒的網(wǎng)點(diǎn)排布、形狀及材料決定了導(dǎo)光板的表面照度、均勻性及出光效率[8]。采用透光性良好的光學(xué)級的PMMA（poly methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲脂）板材料（厚度5 mm，透光率92%～93%，折射率1.482～1.521）通過熱成型工藝加工成導(dǎo)光筒。試驗(yàn)表明，散射網(wǎng)點(diǎn)的形狀對光散射影響不大，而網(wǎng)點(diǎn)的排布規(guī)律則很大程度上影響著輸出光的均勻度和亮度[8]。使用基于CAD軟件的BLdots導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)布點(diǎn)軟件對整個(gè)導(dǎo)光筒的散射網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過不斷調(diào)整和優(yōu)化，得到網(wǎng)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

采用 Tracepro 軟件進(jìn)行導(dǎo)光筒表面照度和均勻度仿真。在Tracepro 軟件中打開導(dǎo)光筒網(wǎng)點(diǎn)分布圖，將導(dǎo)光筒材料屬性設(shè)置為“PMMA”；為了將導(dǎo)光筒內(nèi)表面和底面的漏光反射回導(dǎo)光筒內(nèi)部，設(shè)置導(dǎo)光筒內(nèi)表面和底面屬性為“mirror（鏡面）”；在導(dǎo)光筒入光面沿圓周等距設(shè)置LED發(fā)光單元模型，在出光面（外表面）建立觀察視窗，利用“照度分析”選項(xiàng)中的“剖面曲線”進(jìn)行照度分析，采用 9 點(diǎn)測量法對導(dǎo)光筒均勻度進(jìn)行測量，仿真所得的照度和均勻度均優(yōu)于商用導(dǎo)光板的要求。

最后，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光筒的制作，用BLdots軟件生成導(dǎo)光筒三維網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)字圖紙，并將數(shù)字圖紙導(dǎo)入CAD軟件，激光雕刻機(jī)接收CAD軟件導(dǎo)出圖紙數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)光筒三維網(wǎng)點(diǎn)的雕刻。

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果

茶葉含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類、維生素、磷、鉀、鈣等多種有機(jī)物和無機(jī)物，這些成分的特有比例構(gòu)成了茶的特定品質(zhì)和品味，一旦茶樹遭受蟲害，這些成分的比例就會遭到破壞，影響茶葉的品質(zhì)[9]。常見的茶樹害蟲主要有茶小地老虎、茶尺蠖、茶灰地老虎等趨嫩性害蟲，以及茶黑刺粉虱、茶小綠葉蟬、茶蚜等刺吸式害蟲，這些害蟲會直接嚼食茶樹芽葉，降低茶葉的嫩度；刺吸芽葉內(nèi)糖類、氨基酸等營養(yǎng)成分，破壞茶葉內(nèi)各種成分的比例，進(jìn)而影響整個(gè)茶葉的品質(zhì)。相關(guān)研究表明，這些害蟲具有趨色性和趨光性，因此，可以利用這些害蟲對光和色的趨性對其進(jìn)行誘殺。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在貴州省遵義市湄潭縣境內(nèi)某茶場進(jìn)行，該茶場面積467 hm2以上，地勢平坦。為避免外界光源對誘蟲效果的影響，場地的選擇需遠(yuǎn)離外界光源。主要試驗(yàn)器材：基于LED光源的廣譜誘蟲燈（額定功率200 mW×15=3 000 mW=3 W，電網(wǎng)電壓2 500 V，以下簡稱“廣譜誘蟲燈”）1臺，購買市場上比較普及、殺蟲效果較好的某品牌頻振式殺蟲燈（額定功率35 W，電網(wǎng)電壓2 300 V，以下簡稱“頻振殺蟲燈”）1臺。2燈距離為200 m，燈的底座距離地面高度1 m。試驗(yàn)時(shí)間為每天19：00接通2臺殺蟲燈電源，次日07：00斷開2臺殺蟲燈電源并進(jìn)行殺蟲量統(tǒng)計(jì)，連續(xù)進(jìn)行4次。第1次，調(diào)整廣譜誘蟲燈發(fā)出黃色光（波長577～597 nm），統(tǒng)計(jì)其殺蟲量；第2次，調(diào)整廣譜誘蟲燈發(fā)出藍(lán)色光（波長435～450 nm），統(tǒng)計(jì)其殺蟲量；第3次，調(diào)整廣譜誘蟲燈發(fā)出白色光（波長 390～760 nm），統(tǒng)計(jì)其殺蟲量；第4次，調(diào)整廣譜誘蟲燈間隔30 min交替發(fā)出黃色光（波長577～597 nm）、藍(lán)色光（波長435～450 nm）和白色光（波長390～760 nm），統(tǒng)計(jì)其殺蟲量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，從4次試驗(yàn)結(jié)果看出頻振殺蟲燈的殺蟲量比較均衡，沒有太大變化，平均為280頭左右。廣譜誘蟲燈在發(fā)出白色光時(shí)殺蟲量僅為199頭，遠(yuǎn)不及頻振殺蟲燈；在發(fā)出藍(lán)色光和交替發(fā)光的情況下，殺蟲量均超過頻振殺蟲燈；廣譜誘蟲燈殺蟲量平均值只比頻振殺蟲燈的殺蟲量平均值略低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，廣譜誘蟲燈的殺蟲量比頻振殺蟲燈的殺蟲量還有一定的差距，但是，廣譜誘蟲燈僅3 W的功耗比頻振殺蟲燈35 W的功耗低得多；LED燈具壽命普遍超過10萬h，遠(yuǎn)超頻振殺蟲燈設(shè)計(jì)壽命5年（43 800 h），因此，廣譜誘蟲燈殺蟲效果好，節(jié)能效果顯著，壽命長，使用成本低廉，性價(jià)比高。

4 討論

本研究根據(jù)害蟲的趨色、趨光特性設(shè)計(jì)基于LED光源的廣譜誘蟲燈，能按田間需要發(fā)出不同顏色、不同強(qiáng)度的光誘殺害蟲。下一步將研究利用LED作為發(fā)光源，通過控制LED的亮滅，尋找LED最佳誘蟲閃光頻率，進(jìn)一步提高誘蟲效率。隨著我國 “無公害食品行動計(jì)劃”的深入進(jìn)行，開展對農(nóng)林作物病蟲害的物理防治技術(shù)研究，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和非常廣泛的應(yīng)用前景。

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