余弦修正片對(duì)光照傳感器進(jìn)光量的影響

張昕昱,寧效龍,鄭佳楠，張放心,李 明,李海寶，劉 文

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院， 安徽 合肥 230026；3.安徽昂科豐光電科技有限公司，安徽 合肥 230026)

引言

自20世紀(jì)50年代開始，人們就試圖使用人工光源種植植物。近年來(lái)隨著LED技術(shù)日趨成熟，以LED植物工廠和LED補(bǔ)光溫室為代表的都市農(nóng)業(yè)快速發(fā)展[1]，人工光源植物照明技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段。植物工廠技術(shù)被譽(yù)為實(shí)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)形態(tài)，在日本、美國(guó)、荷蘭等已逐步推廣。我國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)展迅速，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)植物工廠每年增長(zhǎng)規(guī)模為30～40家，目前已建植物工廠達(dá)120多家，有望成為世界上植物工廠保有量最多的國(guó)家。

植物葉綠素的吸收光譜有兩個(gè)主吸收峰，分別位于藍(lán)光波段和紅光波段[2,3]，對(duì)應(yīng)的光合效率最高[4]。目前植物工廠中廣泛使用峰值波長(zhǎng)450 nm的藍(lán)光LED、峰值波長(zhǎng)660 nm的紅光LED作為植物照明光源[5]。在LED植物照明的實(shí)際應(yīng)用中，不僅需測(cè)量照射到植物表面的總光量子通量密度，還需測(cè)量不同光質(zhì)光量子通量密度及其比例(光質(zhì)比)，光質(zhì)比(R/Fr、R/B)對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育、生理特性有重要影響[6-9]。

PAR(Photosynthetically Active Radiation)光量子傳感器是目前常用于植物生長(zhǎng)光環(huán)境測(cè)量的傳感器。1972年，Mc Cree[10,11]發(fā)現(xiàn)植物的光合作用、色素形成、光周期現(xiàn)象等主要受400～700 nm波段光的影響，并將該波段光定義為光合有效輻射(PAR)，PAR傳感器即測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)該波段光通量。Rabinowitch[12]研究發(fā)現(xiàn)光合作用生成的分子數(shù)近似與光合有效輻射吸收的光子數(shù)相關(guān)，與光子能量無(wú)關(guān)，所以目前普遍采用光合有效光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)來(lái)表征測(cè)量結(jié)果。但這種傳感器的缺陷是無(wú)法在測(cè)量環(huán)境光中PPFD的同時(shí)測(cè)量出紅光/藍(lán)光(R/B)、紅光/遠(yuǎn)紅光(R/Fr)的比例，即無(wú)法測(cè)量光質(zhì)比這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

為滿足植物工廠中對(duì)PPFD及光質(zhì)比的探測(cè)需求，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款多通道光量子傳感器[13,14]，該傳感器利用特定波長(zhǎng)的濾光片和硅光電池探測(cè)植物工廠光環(huán)境中的紅光光量子通量密度、藍(lán)光光量子通量密度及PPFD。為了避免光線直射造成的菲涅爾反射效應(yīng)，傳感器頂部需加裝余弦修正片，通過(guò)使入射光線發(fā)生折射和散射使其盡可能正入射到濾波片表面。通過(guò)應(yīng)用3D打印技術(shù)，制作不同材質(zhì)的余弦修正片，并通過(guò)傳感器定標(biāo)測(cè)試得出不同材質(zhì)余弦修正片下傳感器紅光/藍(lán)光通道的響應(yīng)特性并計(jì)算出其對(duì)傳感器進(jìn)光量的影響，并最終得到一種最適合應(yīng)用于多通道光量子傳感器的余弦修正片材料。同時(shí)，還利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)輔助余弦修正片使用的濾光片專用防串光套，從而解決濾光片邊緣漏光問(wèn)題。

1 余弦修正片設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組所設(shè)計(jì)的多通道光量子傳感器主要由帶通濾波片、硅光電二極管、調(diào)理電路、余弦修正片[15]等結(jié)構(gòu)構(gòu)成(圖1)。

1—微處理器；2—陶瓷外殼；3—濾波片I；4—余弦修正片； 5—濾波片II；6—基座；7—調(diào)理電路PCB板；8—底座； 9—數(shù)據(jù)線；10—硅光電二極管 圖1 多通道光量子傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the multi-channel quantum sensor

入射光經(jīng)余弦修正片修正后到達(dá)濾波片，濾波片將其帶寬范圍內(nèi)的光透射，并將其余光全反射，透射光到達(dá)硅光電二極管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生短路電流，電流經(jīng)過(guò)電流-電壓(I-V)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓值，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸。

余弦修正片即余弦散射器，是位于傳感器頂部的進(jìn)光部位的乳白色圓片，一般采用聚四氟乙烯材料制成，也有采用其他透明塑料材質(zhì)并在其中參入一定量的散射劑制成。正常情況下，當(dāng)入射光照射到探測(cè)器表面時(shí)會(huì)發(fā)生菲涅爾反射效應(yīng)，導(dǎo)致光線入射角不同時(shí)引起表面反射的不同，使相同照度不同方向的入射光產(chǎn)生不同的響應(yīng)電流。余弦修正片作為光進(jìn)入傳感器內(nèi)部的窗口，其作用是改善入射光的余弦特性，減小余弦響應(yīng)誤差，使從傳感器表面2π立體角內(nèi)任何方向入射的光線都能通過(guò)并到達(dá)感應(yīng)元件的表面[1]。

余弦修正片可以使入射輻射與探測(cè)器表面接收到的輻射間滿足：

(1)

式中，I為入射輻射量，I0為探測(cè)器表面接收到的輻射量，θ為入射光線與法線的夾角。

余弦修正片在修正光線的同時(shí)也會(huì)無(wú)法避免的損耗一部分光，導(dǎo)致硅光電池的進(jìn)光量減少，從而影響傳感器的測(cè)量靈敏度。為權(quán)衡菲涅爾反射效應(yīng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差和進(jìn)光量減少對(duì)傳感器靈敏度的影響，不同傳感器需選用合適材質(zhì)的余弦修正片。對(duì)于項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的多通道光量子傳感器，由于采用使用多塊硅光電池的多通道設(shè)計(jì)，為避免體積過(guò)大，選用4 mm×4 mm小型硅光電池，其采光靈敏度相對(duì)較低，需采用較高透射率的材料。

為能夠與傳感器尺寸及封裝方式匹配，需制作特定規(guī)格的半球型余弦修正片，批量生產(chǎn)時(shí)需要開模，價(jià)格高昂，在量產(chǎn)規(guī)格及尺寸未確定的研發(fā)階段采用開模方式成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。3D打印技術(shù)的成熟為我們提供了另一種選擇，通過(guò)3D打印可以快速制作與傳感器相匹配的余弦修正片樣品，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其厚度、材質(zhì)、規(guī)格的隨意修改。

我們首先通過(guò)SolidWorks設(shè)計(jì)出半球型余弦修正片的結(jié)構(gòu)圖(圖2)，之后使用3D打印分別制作了3種不同材質(zhì)的余弦修正片模型。三種材質(zhì)分別是聚四氟乙烯、透明光敏樹脂及白色尼龍(圖3)。

圖2 使用SolidWorks建立余弦修正片模型Fig.2 Cosine correction plate model constructed by SolidWorks

圖3 通過(guò)3D打印制作的不同材質(zhì)的余弦修正片F(xiàn)ig.3 The cosine correction with different material made by 3D printing

2 結(jié)果對(duì)比

為測(cè)量三種材質(zhì)余弦修正片的透光率及其修正性能，需分別將其安裝于傳感器上進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，將待標(biāo)定傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器置于相同光環(huán)境下，并通過(guò)改變環(huán)境光通量求出擬合曲線。下面以紅光、藍(lán)光通道為例介紹標(biāo)定過(guò)程。定標(biāo)光源采用臺(tái)灣光宏1 W、660 nm(±20 nm)大功率紅光LED構(gòu)成的紅光陣列標(biāo)定紅光通道，采用1 W、450 nm(±15 nm)大功率藍(lán)光LED構(gòu)成的藍(lán)光陣列標(biāo)定藍(lán)光通道，其發(fā)散角均為140°，單顆光源呈朗伯分布，這兩種光源光譜與待標(biāo)定傳感器紅藍(lán)通道透過(guò)譜很好地吻合。

為了剔除傳感器差異造成的影響，定標(biāo)分三次完成，每次將一種材質(zhì)的余弦修正片放置在該多通道光量子傳感器上進(jìn)行定標(biāo)。選取KIPP & ZONEN生產(chǎn)的PQS-1型傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器為待標(biāo)定傳感器定標(biāo)[16]，該傳感器環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且穩(wěn)定性好，靈敏度達(dá)4～10。標(biāo)定在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行，在藍(lán)光關(guān)閉條件下，逐步調(diào)節(jié)紅光LED電壓至額定電壓，使PQS-1傳感器讀數(shù)依次達(dá)到目標(biāo)值PPFDR，同時(shí)依次記錄待標(biāo)定傳感器讀數(shù)VR，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。之后在紅光關(guān)閉條件下，逐步調(diào)節(jié)藍(lán)光LED電壓至額定電壓，使PQS-1傳感器讀數(shù)依次達(dá)到目標(biāo)值PPFDB，同時(shí)依次記錄待標(biāo)定傳感器讀數(shù)VB，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(圖4)。

在三種材質(zhì)的余弦修正片下，決定系數(shù)R2均大于0.98，證明傳感器內(nèi)硅光電池線性響應(yīng)度均優(yōu)良。分析傳感器在紅光LED下紅光通道的響應(yīng)系數(shù)和藍(lán)光LED下藍(lán)光通道的響應(yīng)系數(shù)(表1)可得，透明光敏樹脂下紅光/藍(lán)光通道的響應(yīng)系數(shù)遠(yuǎn)大于使用聚四氟乙烯和白色尼龍的情況，即在相同的半球結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)于紅光通道，透明光敏樹脂材料透光率分別比聚四氟乙烯和白色尼龍材料高89.3%和85.2%，對(duì)于藍(lán)光通道，透光率分別高87.1%和83.2%。

表1 不同材質(zhì)余弦修正片下傳感器紅/藍(lán)通道的響應(yīng)系數(shù)Table 1 The response coefficient of the red/blue channel of the sensor under cosine correction with different material

圖4 不同材質(zhì)余弦修正片下傳感器紅光/藍(lán)光通道標(biāo)定擬合曲線Fig.4 The calibrated fitting curve of the red / blue channel of the sensor under cosine correction with different material

3 解決通道串光問(wèn)題

由于濾波片本身具有一定厚度，當(dāng)入射光角度較大時(shí)，部分光線將從其側(cè)壁進(jìn)入硅光電池，濾波片對(duì)該部分光無(wú)法起到波長(zhǎng)選擇效果，造成因通道間串光引起的誤差，即當(dāng)只有紅光照射時(shí)傳感器藍(lán)光通道中也會(huì)有部分紅光通過(guò)藍(lán)色濾波片側(cè)壁進(jìn)入硅光電池，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。上述誤差隨進(jìn)光量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)處理剔除，余弦修正片通過(guò)折射和散射使入射光與濾波片的入射角度減小，減少側(cè)壁進(jìn)光量，從而減小該誤差。但實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)通道間的串光引起的誤差仍然較大，即當(dāng)在紅光下定標(biāo)時(shí)，藍(lán)光通道的響應(yīng)曲線的斜率大于0，反之亦然。為徹底解決該誤差，利用3D打印能夠打印微小結(jié)構(gòu)件的特征，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)V波片鑲嵌在其中的防串光套(圖5)，將濾光片側(cè)壁完全覆蓋。在使用透明光敏樹脂材質(zhì)余弦修正片的條件下，依次對(duì)同一傳感器在無(wú)防串光套和有防串光套情況下進(jìn)行定標(biāo)(圖6)。

圖5 利用3D打印制作的防串光套Fig.5 Serial light proof sleeve made of 3D printing

圖6 無(wú)防串光套和有防串光套時(shí)傳感器紅/藍(lán)通道的響應(yīng)系數(shù)曲線Fig.6 The response coefficient curve of the red / blue channel of the sensor having and not having serial light proof sleeve

紅光LED下，傳感器藍(lán)光通道響應(yīng)系數(shù)其理論值應(yīng)該為0，但實(shí)際測(cè)試中，在無(wú)防串光套情況下該值為0.3546，在有防串光套情況下該值降至0.0491，接近于0。藍(lán)光LED下，傳感器紅光通道響應(yīng)系數(shù)其理論值應(yīng)該為0，但實(shí)際測(cè)試中，在無(wú)防串光套情況下該值為0.4916，在有防串光套情況下該值降至0.0695，接近于0(表2)。結(jié)果表明，防串光套有效阻止了因?yàn)V光片側(cè)壁漏光而引起的通道串光誤差。

表2 無(wú)防串光套和無(wú)防串光套時(shí)傳感器紅藍(lán)通道 的響應(yīng)系數(shù)Table 2 The response coefficient of the red / blue channel of the sensor having and not having serial light proof sleeve

4 總結(jié)

本文介紹了一種能夠同時(shí)測(cè)量環(huán)境PPFD及光質(zhì)比的多通道光量子傳感器，同時(shí)利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作出材質(zhì)分別為聚四氟乙烯、透明光敏樹脂、白色尼龍的余弦修正片。通過(guò)實(shí)際使用上述余弦修正片標(biāo)定相同傳感器，得到在不同材質(zhì)余弦修正片下的傳感器紅/藍(lán)通道響應(yīng)系數(shù)曲線，對(duì)于紅光通道，透明光敏樹脂材料透光率分別比聚四氟乙烯和白色尼龍材料高89.3%和85.2%，對(duì)于藍(lán)光通道，透光率分別高87.1%和83.2%，該材質(zhì)最適合用于上述傳感器的余弦修正片。

同時(shí)，實(shí)際標(biāo)定中發(fā)現(xiàn)在使用余弦修正片的情況下仍存在濾光片側(cè)壁漏光導(dǎo)致的通道間串光誤差，該誤差隨進(jìn)光量增大而增大，無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)處理消除。通過(guò)3D打印方法設(shè)計(jì)并制作一種可將濾光片進(jìn)行鑲嵌的防串光套，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在有防串光套情況下紅光通道該誤差系數(shù)從0.3546降至0.0491，藍(lán)光通道該誤差系數(shù)從0.4916降至0.0695，結(jié)果證明該防串光套有效阻止了因?yàn)V光片側(cè)壁漏光而引起的通道串光誤差。

在傳感器之類的精密儀器研發(fā)過(guò)程中，往往因?yàn)橐恍┚?xì)復(fù)雜零件無(wú)法加工導(dǎo)致項(xiàng)目推進(jìn)緩慢，而3D打印技術(shù)提供了新思路，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)可以通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，且加工精度可達(dá)0.01 mm，最薄壁厚可達(dá)0.8 mm，且可打印涵蓋塑料、尼龍、樹脂、金屬等一系列材料。我們利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同材料單個(gè)樣品制作，解決了在傳感器研發(fā)過(guò)程中遇到的材料瓶頸。