基于多光質(zhì)燈珠的LED植物燈光照均勻性優(yōu)化設(shè)計方法

吳仁杰，季 清，程 敏，韓 天

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215000)

引言

植物工廠是利用科學技術(shù)打造的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng)[1]，通過控制光照、溫度、濕度等環(huán)境要素為植物提供最適宜的生長環(huán)境。光環(huán)境作為植物生長發(fā)育的基本因素，主要包括了光質(zhì)(光譜組成)、光照強度(光量)等要素，不僅提供了植物生長所需的能量，還控制著植物光形態(tài)的建成[2,3]。其中，光質(zhì)對植物的生長發(fā)育、物質(zhì)代謝均有調(diào)控作用[4]。光照強度影響著植物的光合作用，如光照強度達到光飽和點時，將造成光飽和現(xiàn)象，光合效率就會降低，影響植物的正常生長。

對植物而言，光質(zhì)需求與分布特征具有時空差異，植物的品種與種類也具有差異。植物對光質(zhì)的需求是分階段的，在萌發(fā)階段需要紅外光和熱量；在營養(yǎng)生長階段需要較多的藍光，重點進行光形態(tài)建成。

植物可以吸收利用光譜中的多種光質(zhì)，生長時吸收的光譜范圍大約在390～780 nm之間，此區(qū)域也稱為光合作用有效能量區(qū)域。由于植物具有特定的光譜響應曲線，一般在紅光區(qū)和藍光區(qū)存在吸收峰。進行光合作用時，光合色素主要由葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素組成[5]，它們對光譜的吸收特性如圖1所示。

圖1 光合色素吸收光譜Fig.1 Photosynthetic pigment absorption spectrum

LED(lighting emitting diode)作為新一代照明光源[6]，具有應用于植物照明的潛力。LED具有高效的發(fā)光效率以及更靈活可行的光譜控制。現(xiàn)代植物工廠的光照分布一般多為頂光照系統(tǒng)，將LED光源置于培養(yǎng)容器上方30～50 cm處。通過選用適宜功率和發(fā)光角度的LED燈珠進行陣列設(shè)計，獲得垂直方向適宜的光照分布與均勻性。

許多研究者對植物工廠中LED光照分布進行了相關(guān)研究。靳肖林等[7]通過在RGB三色LED芯片上加裝導光管和光纖透鏡，實現(xiàn)了高均勻度的出光效果。林孝騰等[8]基于遺傳算法對隨機分布全光譜LED陣列進行優(yōu)化，對比了三角陣列與矩形陣列的光照均勻度。Moreno等[9]對LED陣列建立數(shù)學模型，得到了不同LED陣列下的光照分布情況，研究了不同LED陣列的光照均勻度隨面積變化的關(guān)系。然而，上述文獻均未將二次光學設(shè)計與LED陣列設(shè)計結(jié)合以改善光照分布均勻性。

光照分布均勻性對植物生長非常重要。光照分布均勻性分為光質(zhì)分布均勻性與光照強度均勻性，光質(zhì)分布不均勻會導致有效光照區(qū)域內(nèi)的部分植物吸收的光質(zhì)比不同，即出現(xiàn)光斑現(xiàn)象。如果光照強度不均勻，有些植物會比其他植物吸收更多的光，會造成生長不均勻，導致一些植物遮蔽其他的植物。

為了解決光分布不均勻的問題，本文基于紅、藍、暖白、遠紅四芯片集成LED燈珠，對其進行結(jié)構(gòu)改進，再將二次光學設(shè)計與LED陣列設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計了一種紅、藍、暖白三種光質(zhì)的四芯片LED燈珠(Red, Blue, Warm White, Warm White，RBWW)作為光源，能夠?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)對稱以及提高燈珠光分布均勻性。

1 多光質(zhì)LED燈珠設(shè)計

紅光(620～660 nm)是植物正常生長的必需光質(zhì)，生物需求量居于其他光質(zhì)之首，通過葉綠素參與光合作用過程，能夠調(diào)控光敏色素對光形態(tài)建成，影響植物細胞的分裂[10]，還能促進碳水化合物合成。藍光(430～480 nm) 是植物生長不可或缺的另一光質(zhì)[11]，通過植物體內(nèi)的葉黃素與類胡蘿卜素吸收，再傳遞給葉綠素進行光合作用，能夠抑制植物莖伸長，促進植物葉綠素合成，對植物氮同化和蛋白質(zhì)合成有促進作用，有利于植物合成抗氧化物質(zhì)。此外，還能夠促進植物開放氣孔，影響植物的向光性。遠紅光(720～760 nm)作為特殊光質(zhì)，其強弱以及與紅光間的比例對作物株高、節(jié)間長等形態(tài)建成具有重要作用。可以通過對紅光/遠紅光比值的控制有效地誘導植物開花，對花卉具有重要作用[12]。綠光與紅藍光可以和諧調(diào)節(jié)適應植物的生長發(fā)育。黃光、橙光、綠光、紫光都是重要的光合有效輻射，但植物需求量較小。

由圖1可知，植物主要吸收紅光和藍光兩個區(qū)域進行光合作用，而綠光、黃橙光等對光合作用的需求量沒有紅光和藍光大。因此，紅、藍芯片是植物燈珠必需的芯片。此外，暖白光(400～800 nm)是復合光，能夠提供植物綠光、黃橙光等吸收量較少但又必不可少的光質(zhì)。遠紅光作為特殊光質(zhì)，對藥用植物以及花卉的栽培具有重要意義。

前面工作中已設(shè)計的LED燈珠[10]由四種光質(zhì)的芯片組成，分別為紅、藍、暖白、遠紅(Red, Blue, Warm White, Far Red, RBWF)，如圖2(a)所示，可適用于不同植物在不同生長階段對光質(zhì)的需求。但遠紅光作為特殊光質(zhì)，對光合作用影響不大。此外，燈珠的四種光質(zhì)各不相同，實際工作中在光照面上會產(chǎn)生光質(zhì)分布不均勻的現(xiàn)象。

本文設(shè)計的LED燈珠采用紅、藍、暖白、暖白(Red, Blue, Warm White, Warm White)，即RBWW四芯片集成，如圖2(b)所示，將遠紅光芯片換成暖白光芯片，并調(diào)整芯片位置，使紅藍芯片在X方向兩側(cè)，暖白兩芯片在Y方向兩側(cè)。在保證植物所需生長光質(zhì)的前提下通過改變燈珠結(jié)構(gòu)及排布方式提高光質(zhì)分布的均勻性。每種芯片有2個引腳，整個燈珠有8個引腳，分別連接電源陽極與陰極，每個芯片獨立調(diào)控光通量。此外，燈珠的紅光波長范圍在550～700 nm，藍光波長范圍在430～500 nm，暖白光波長范圍在400～800 nm。

圖2 LED燈珠結(jié)構(gòu)改進圖Fig.2 Structure improvement drawing of LED lamp bead

2 LED光質(zhì)分布均勻性設(shè)計

多芯片集成LED燈珠在未加封膠前，輸出光在照射面的光質(zhì)分布大致均勻，加封膠后，由于封膠的幾何形狀，改變了各發(fā)光芯片的輸出光路，導致照射面的混光不均，即產(chǎn)生光斑問題，以CREE5050燈珠為例，如圖3所示，圖(a)為CREE5050燈珠實物圖，圖(b)為LED芯片光路示意圖。

圖3 CREE5050燈珠實物圖與LED芯片光路示意圖Fig.3 Physical drawing of CREE5050 lamp beads and schematic diagram of LED chip light path

為了提高光照面的光質(zhì)分布均勻性，需要對封膠后的LED燈珠進行二次光學設(shè)計。單曲面透鏡一般為球面或平面，但只適用于大角度配光的場合，且有時并不能形成想要的配光。針對LED植物燈使用場合，本文采用90°半光強角的TIR雙曲面透鏡，為了更好的聚光，選取珠面為透鏡表面，同時，透鏡表面加工成磨砂面，能夠使輸出光線更加柔和均勻。

雖然二次光學設(shè)計后的LED光質(zhì)分布均勻性有所提升，但仍然存在不均勻的問題，究其原因，是因為各發(fā)光芯片的位置均不在透鏡中央軸線上，造成每一塊芯片的出光路線不同，如圖4所示。

圖4 LED芯片在TIR透鏡中的光路圖Fig.4 Light path diagram of LED chip in TIR lens

RBWF[11]整燈采用長條形結(jié)構(gòu)，燈珠橫向?qū)ΨQ分布，由于上述的問題，雖然整體光質(zhì)均勻性較好，但還是存在不均勻的現(xiàn)象，如圖5所示。

由圖5可知，光照面上四種光質(zhì)的光分布相較于理想中的位置出現(xiàn)了角度偏移，在實際中若是四種光質(zhì)進行疊加，則每株植物受到的光質(zhì)比將會不同。這是因為紅、暖白光芯片在一側(cè)，藍、遠紅光芯片在另一側(cè)，如圖6(a)所示，不僅使得光照面X方向上光質(zhì)分布出現(xiàn)了偏差，Y方向上的光質(zhì)分布也會發(fā)生偏差。

圖5 不同光質(zhì)的偏差輪廓示意圖Fig.5 Schematic diagram of deviation profile of different light qualities

本文設(shè)計的LED燈為長條形結(jié)構(gòu)，采用RBWW燈珠作為光源，將燈珠旋轉(zhuǎn)一定角度，沿著燈珠的對角線方向放置在PCB電路板上，使燈珠軸向?qū)ΨQ，以軸向為X方向，縱向為Y方向，其結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，此排布方式在Y方向能夠?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)的對稱分布。

圖6 PCB電路板上的LED燈珠排布示意圖Fig.6 Schematic diagram of LED bulb arrangement on PCB circuit board

對單個RBWW燈珠，在X方向左側(cè)為紅光芯片，右側(cè)為藍光芯片，因此，還是會出現(xiàn)光質(zhì)偏差現(xiàn)象，此方向上光分布不均問題可通過LED燈珠的陣列設(shè)計進行改善，本文選取適當?shù)腖ED燈珠間距，將相鄰兩燈珠的藍、紅芯片的光線偏移部分進行疊加，如圖7所示。此方法可以提高X方向上的光質(zhì)分布均勻性。

LED燈珠連接時各光質(zhì)芯片以6個串聯(lián)為一組，各組之間并聯(lián)。LED燈珠芯片發(fā)光角為169°，經(jīng)過封膠、透鏡的二次光學設(shè)計，最終的半光強角度約90°，經(jīng)過陣列設(shè)計確定各燈珠間距5.1 cm，封裝后的LED植物燈如圖8所示。此封裝結(jié)構(gòu)既能實現(xiàn)Y方向的光質(zhì)對稱，又能提高X方向的混光均勻效果。

圖7 兩燈珠下的紅、藍輸出光混光效果示意圖Fig.7 Schematic diagram of the mixing effect of red and blue output light under two lamp beads

圖8 總封裝的LED整燈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 LED whole lamp structure

為了探究RBWW燈珠陣列的各光質(zhì)分布特性，通過Tracepro軟件對RBWW燈珠陣列的紅、藍、暖白光照分布進行仿真。設(shè)置LED燈珠各光質(zhì)的光譜參數(shù)以及封膠、透鏡等燈具的相關(guān)光學參數(shù)，取照射平面100 cm×100 cm，光源距照射面50 cm，X、Y方向與圖6(b)中的坐標軸對應，燈具中心對應照射面中心，紅、藍、暖白光的輸入光通量分別為120 lm、48 lm、260 lm，得到如圖9所示光照分布圖。

圖9 LED各光質(zhì)分布仿真Fig.9 Simulation of LED light quality distribution

由圖9可知，紅、藍光照分布在X方向上距中心均有偏差，而Y方向上基本對稱。暖白光光照分布在水平與垂直方向均實現(xiàn)了基本對稱，說明了RBWW燈珠結(jié)構(gòu)在Y方向上能夠?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)的對稱分布。

分別對RBWF燈珠植物燈與RBWW燈珠植物燈進行各光質(zhì)分布測量，圖10～圖12給出了兩種燈珠的紅、藍、暖白光合光子通量密度分布圖。其中，每種光質(zhì)的驅(qū)動電流均為1.8 A，由于RBWW燈珠兩側(cè)均是暖白光芯片且為保證光質(zhì)對稱，RBWW燈珠的兩路暖白光芯片分別通0.9 A恒定電流，RBWF燈珠的暖白光芯片通1.8 A恒定電流。光源距照射面50 cm，取照射面積120 cm×60 cm。圖10～圖12中X、Y與圖6中的X、Y方向?qū)?，照射面中心對應植物燈裝置中心。測量時兩個方向上每隔4 cm為一測試點，測量每秒輻射到植物表面的光子流量即光合光子通量密度PPFD，單位為μmol·m-2·s-1，測試儀器為植物光照分析儀OHSP350P。

圖10 紅光LED光合光子通量密度分布Fig.10 Red LED photosynthetic photon flux density distribution

從圖10(a)中可以看出，RBWF燈珠的紅光PPFD分布在X方向偏向右側(cè)，在Y方向偏向上側(cè)；而圖10(b)中RBWW燈珠在X方向偏向左側(cè)，在Y方向基本無偏移。對比發(fā)現(xiàn)，在Y方向上RBWW燈珠的紅光實現(xiàn)了光質(zhì)對稱分布，而RBWF燈珠的紅光分布發(fā)生了偏移，這說明在Y方向上RBWW燈珠的紅光光質(zhì)分布比RBWF燈珠的紅光光質(zhì)分布更好。

圖11 藍光LED光合光子通量密度分布Fig.11 Blue LED photosynthetic photon flux density distribution

圖11(a)中RBWF燈珠的藍光PPFD分布在X方向也偏向右側(cè)，在Y方向偏向下側(cè)；圖11(b)中RBWW燈珠的藍光PPFD分布在X方向偏向左側(cè)，在Y方向基本無偏移。對比發(fā)現(xiàn)，在Y方向上，RBWW燈珠的藍光實現(xiàn)了光質(zhì)對稱分布，而RBWF燈珠的藍光分布發(fā)生了偏移，這說明在Y方向上RBWW燈珠的藍光光質(zhì)分布比RBWF燈珠的藍光光質(zhì)分布更好。

圖12 暖白光LED光合光子通量密度分布圖Fig.12 Warm white photosynthetic photon flux density distribution

圖12(a)中RBWF燈珠的暖白光PPFD分布在X方向偏向左側(cè)，在Y方向偏向上側(cè)；圖12(b)中RBWW燈珠在X方向與Y方向基本無偏移。對比發(fā)現(xiàn)，RBWW燈珠的暖白光光質(zhì)在X、Y方向上均實現(xiàn)了光質(zhì)對稱，而RBWF燈珠的暖白光分布在X、Y方向上均有偏移，這說明RBWW燈珠在X、Y方向上的暖白光光質(zhì)分布比RBWF燈珠的暖白光光質(zhì)分布更好。

通過兩燈珠的各光質(zhì)PPFD分布對比，可以看出RBWW燈珠的光質(zhì)分布優(yōu)于RBWF燈珠的光質(zhì)分布，且RBWW燈珠各光質(zhì)分布在Y方向基本一致，均實現(xiàn)了光質(zhì)對稱。

由于RBWW燈珠結(jié)構(gòu)位于兩側(cè)的暖白光芯片在X方向上實現(xiàn)了光質(zhì)對稱分布，而紅光PPFD光分布會偏左側(cè)一些，藍光PPFD分布會偏右側(cè)一些?？梢园凑請D7所示的方法解決，通過對LED整燈的排布設(shè)計，將相鄰燈珠的藍、紅芯片光線偏移部分進行疊加，最終實現(xiàn)X方向上光質(zhì)分布的高均勻性。綜上所述， RBWW燈珠植物燈在X方向能實現(xiàn)光質(zhì)分布高均勻性，在Y方向?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)的對稱分布，在有效光照區(qū)域內(nèi)植物受到的光質(zhì)比基本相同。

3 種植區(qū)域光照強度均勻性分析

光源在指定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量稱之為發(fā)光強度，單位是坎德拉(cd)?？梢杂霉馔縟Φ與單位立體角dΩ進行表示，如式(1)：

(1)

由單位立體角dΩ的定義，設(shè)單位立體角dΩ照射的面元為dS，面元dS距光源點距離為r，面元dS的法線方向與r方向的夾角即兩個平面間的夾角為θ，如圖13所示，得到式(2)：

(2)

將式(2)代入式(1)可得：

(3)

由受光體的外表面單位面積所接收到光源點發(fā)出的光通量的大小稱之為光照強度，單位是勒克斯(lx)，定義被照射面元大小為dS，接收到的光通量為dΦ，則光照強度為

(4)

將式(3)代入式(4)可得：

(5)

理想情況下，LED光源是Lambertian光源。實際上，這主要取決于封裝材料和半導體區(qū)域的形狀。其發(fā)光強度函數(shù)表達近似滿足Lambertian余弦定律[13]：

I=I0·cosmφ

(6)

(7)

本文設(shè)計的LED半光強角為90°，代入式(7)得m=1.99。圖14為單個LED光照模型示意圖，將光照區(qū)域離散化成一個個點，可知LED光源(x，y，z)在(m1，n1，0)坐標處的光照強度為：

(8)

圖14 單個LED光照模型示意圖Fig.14 Schematic diagram of single LED lighting model

由于光線是可以線性疊加的，因此，多顆LED光照模型即是單顆LED光照模型的疊加，多顆LED光照模型在(m1，n1，0)處的光照強度為：

E(m1,n1,0)=

(9)

則受光面的總光照強度為：

(10)

(11)

(12)

4 實驗分析

針對RBWW燈珠的光照強度均勻性，采用光質(zhì)分布實驗中的條形LED植物燈，光源距離受光面50 cm且水平布置。取σ為光照均勻度，測試了在單條形LED植物燈下，不同種植面積對光照均勻度的影響，如表1～表3所示。

表1 Y=32 cm時各光質(zhì)光照均勻度

表2 Y=40 cm時各光質(zhì)光照均勻度

表3 Y=48 cm時各光質(zhì)光照均勻度

從表1～表3中可以看出，三種光質(zhì)在同一高度下、相同種植區(qū)域內(nèi)光照均勻度大致相同，說明光質(zhì)的不同基本不影響光照強度的均勻性。從光照均勻度的數(shù)據(jù)變化來看，在同一Y坐標下，隨著X方向的距離降低，種植區(qū)域面積隨之減少，光照均勻度呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，且增長趨勢由快到慢，這是因為LED的輸出光大部分都集中在半光強角內(nèi)，因此越到中心區(qū)域，光照均勻度增長趨勢變化越慢。此外，在同一X坐標下，隨著Y方向的距離降低，光照均勻度不斷增加。

5 結(jié)語

本文在基于RBWF燈珠的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了由紅、藍、暖白光芯片組成(RBWW) 的四芯片LED燈珠。將其旋轉(zhuǎn)一定角度置于PCB電路板上，使之沿對角線對稱，經(jīng)過二次光學設(shè)計，得到了適宜的出光角度，輸出光更加柔和，結(jié)合LED陣列設(shè)計，改善了光質(zhì)的分布，最終LED的半光強角為90°。比起RBWF燈珠，光斑現(xiàn)象更少，光質(zhì)分布更加均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)Y方向上的光質(zhì)對稱，提高X方向上的光質(zhì)分布均勻性。接著建立了LED的光照模型并闡述了LED光照強度均勻性的評價標準。在LED光質(zhì)均勻性方面，通過進行實驗驗證以及設(shè)置RBWF燈珠對照組進行對比，證實了紅、藍、暖白光三種光質(zhì)在Y方向?qū)崿F(xiàn)了對稱分布，X方向上整體光質(zhì)均勻性提高，驗證了RBWW燈珠結(jié)構(gòu)是優(yōu)于RBWF燈珠的。此外，針對本文設(shè)計的LED植物燈裝置進行了光照均勻性的分析，對以后LED植物燈光照強度均勻性的改進提供了參考。