<p>第 39 卷 第 10 期2018 年 10 月發(fā) 光 學(xué) 報(bào)CHINESE JOUNAL OF LUMINESCENCEVol. 39 No. 10Oct ， 2018文 章 編號(hào) : 1000-7032( 2018) 10-1466-12收 稿 日期 : 2018-03-12; 修訂日期 : 2018-05-10基金項(xiàng)目 : 廣東省科技計(jì)劃 ( 2017B010114001， 201704030140， 2015B010127004) ; 廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng) ( 2015B010134001) ; 廣州市科技計(jì)劃 ( 201604040004， 201604016010) ; 廣東省揚(yáng)帆計(jì)劃 ( 2015YT02C093) ; 中山市科技計(jì)劃 ( 2016A1009， 2017C1011) 資助 項(xiàng)目Supported by Guangdong Science and Technology Project( 2017B010114001， 201704030140， 2015B010127004) ; Guangdong Ap-plied Science and Technology esearch and Development Project( 2015B010134001) ; Key Projects of Guangzhou Science andTechnology Program( 201604040004， 201604016010) ; Guangdong Yangfan Plans to Introduce Special Team of Innovation andEntrepreneurship( 2015YT02C093) ; Science and Technology Plan of Zhong Shan( 2016A1009， 2017C1011)高 均 勻度 LED 植物光源的設(shè)計(jì)靳 肖 林1， 文 尚 勝2*， 馬 丙 戌1， 付 萌1， 蔡 明 興1， 左 欣1， 康 麗 娟3*( 1 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 廣 東 廣州 510640;2 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 廣東 廣州 510640; 3 華南師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院 ， 廣東 廣州 510641)摘 要 : 針對(duì)現(xiàn)有植物燈均勻度差的問(wèn)題 ， 通 過(guò) 在 ( 紅 ) 、G( 綠 ) 、B( 藍(lán) ) 三色 LED 芯片上加裝導(dǎo)光管和光纖透鏡 ， 實(shí)現(xiàn)了高均勻度的出光效果 ， 通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)光管和光纖的尺寸獲得了達(dá) 90%的混色 、光譜以及光量子通量密度 ( PPFD)的均勻性 。進(jìn)一步對(duì)光源的熱學(xué)性能進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)光纖透鏡的增加有利于減少光源正面的熱量 ， 并且基于光量子學(xué)照明參數(shù)對(duì)該燈的均勻度進(jìn)行評(píng)價(jià) ， 并進(jìn)一步提出有效光能利用率來(lái)更加科學(xué)的表征光源性能 。結(jié)果表明 ， 混色均勻性與 PPFD 均勻性可達(dá) 90%， 有效光能利用率可達(dá)到 43%。進(jìn)一步將該燈用于鮮切玫瑰花保鮮 ， 并通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ( PWM) 實(shí)現(xiàn)了光譜的動(dòng)態(tài)可調(diào) ， 通過(guò)對(duì)玫瑰花鮮重日失重率以及抗氧化物質(zhì)如黃酮素等物質(zhì)含量變化的測(cè)量 ， 探究鮮切玫瑰花保鮮的最佳光照條件 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ， 最有利于鮮切玫瑰保鮮的光質(zhì)條件和光照周期為 +G、6 h/24 h。關(guān) 鍵 詞 : 植物光源 ; 現(xiàn)代農(nóng)業(yè) ; LED; 光學(xué)設(shè)計(jì) ; 玫瑰花保鮮中圖分類號(hào) : O432; O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A DOI: 103788/fgxb201839101466Design of High Uniformity LED Plant LampJIN Xiao-lin1， WEN Shang-sheng2*， MA Bing-xu1， FU Meng1， CAI Ming-xing1， ZUO Xin1， KANG Li-juan3*( 1 School of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;2 State Key Laboratory of Luminescence Materials and Devices， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3 School of Fine Arts， South China Normal University， Guangzhou 510641， China)* Corresponding Authors， E-mail: shshwen scut edu cn; 12558995 qq comAbstract: Aiming at the problem of poor uniformity of the existing plant lights， a high uniformitylight was designed by installing light pipes and fiber lenses on ( red) ， G( green) ， and B( blue)three-color LED chips By adjusting the size of the light pipe and the optical fiber， the uniformity ofspectra， color mixing and photosynthetic photon flux density( PPFD) reached 90% The thermalproperties character of the light source were measured further It was found that the increase of thefiber lens favored and reduced the heat at the front of the light source， and the uniformity of thelamp was evaluated based on the light quantum illumination parameters Besides， effective light en-ergy utilization was proposed to characterize light source performance more scientifically The resultsshow that the color uniformity and PPFD uniformity can reach 90%， and the effective light energyutilization can reach 43% The lamp is further used for freshness preservation of fresh cut roses，pulse width modulation technology( PWM) is used to achieve dynamic adjustment of the spectrum，the weight loss rate of rose fresh weight and the content change of antioxidant substances such as第 10 期 靳 肖林 ， 等 : 高均勻度 LED 植物光源的設(shè)計(jì) 1467flavone and other substances were investigated to explore the best light conditions for fresh-cut rosesThe experimental results show that the light conditions and light duration that are most conducive tofreshness preservation of fresh-cut roses are + G and 6 h/24 hKey words: plant light source; modern agriculture; LED; optical design; freshness preservation1 引 言人口的急劇增加與耕地面積的日益減少為植物工廠的興起提供了條件 。植物工廠是利用高科技打造的現(xiàn)代 農(nóng) 業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng) 1， 通過(guò) 控制環(huán)境如溫度 、濕 度 、光照 、無(wú)機(jī)物與有機(jī)物的配比來(lái)為植物生長(zhǎng)提供必要的條件 ， 從而達(dá)到縮短植物生長(zhǎng)周期 、提高生產(chǎn)效率的目的 ， 是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向 。光照環(huán)境是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素之一 ， 可以直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和化學(xué)物質(zhì)積累 2-4， 近 年 來(lái) ， 熒光粉在 LED 植物照明材料及器件上的應(yīng)用是一個(gè)研究熱點(diǎn) 5-7， 張 運(yùn)杰 8探 究 了硫化物體系 、鎵酸鹽體系幾種紅色熒光材料在植物照明 LED 上的應(yīng)用 ， 發(fā)現(xiàn)材料的發(fā)光譜與植物光合作用光譜相匹配 ， 表明熒光材料在 LED 照明領(lǐng)域有巨大潛能 ; 此外 ， 光照在植物保鮮方面應(yīng)用也越加廣泛 9， 這使得植物照明成為研究熱點(diǎn)之一 ， 相 應(yīng) 地 ， 開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的植物照明光源顯得尤為重要 。LED 作為最近幾年興起的第三代照明光源 ，在植物照明上具有三大優(yōu)勢(shì) 。第一 ， 植物進(jìn)行光合作用吸收的光主要是波長(zhǎng)為 610 720 nm 的紅橙光以及波長(zhǎng)為 400 510 nm 的藍(lán)紫光 ， LED 可以發(fā)出植物所需要的單色光光譜 10-12。在 植 物保鮮方面 ， 劉然然 13實(shí) 驗(yàn) 證明 ， 綠光可以很好地保護(hù)植物葉綠素和維生素 C 不被破壞 ， 保持植物的感官品質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)成分 ， 有效減緩植物衰老 。閻瑞香 14的 研 究表明 ， 白光和綠光可以有效保持蘆薈外觀特質(zhì) ， 防止蔬菜的褪綠黃化 。第二 ， LED光譜具有可調(diào)性 ， 可以根據(jù)不同植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光的需求 ， 調(diào)節(jié) LED 的光質(zhì)比 ， 獲得復(fù)合光譜 15， 實(shí) 現(xiàn) 精準(zhǔn)給光 。第三 ， LED 體積小 ， 節(jié)能 ， 光電轉(zhuǎn)化效率高 ， 可以緊湊排列 ， 提高空間利用率 。但是現(xiàn)有的 LED 植物照明燈有一定的缺陷 ，如燈具中一般將紅藍(lán)燈珠進(jìn)行陣列排布 ， 但沒(méi)有進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì) ， 由于光線沒(méi)有足夠的距離進(jìn)行耦合 ， 低光照均勻性會(huì)導(dǎo)致近距離受照面出現(xiàn)紅藍(lán)光斑 ， 導(dǎo)致同一批次的植物的生長(zhǎng)光環(huán)境不一 ， 影響植物的均衡成長(zhǎng) 。針對(duì)這一缺陷 ， 本文提出了一種新的燈具設(shè)計(jì)方案 ， 在 LED 芯片上方加入導(dǎo)光管與光纖透鏡的組合結(jié)構(gòu) ， 通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長(zhǎng)度以及光纖透鏡的直徑獲得最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu) ， 研究過(guò)程中使用 SPIC-200 光譜彩色照度計(jì)對(duì)光源進(jìn)行表征 ， 通過(guò)對(duì)光譜 、光量子通量密度和色度參量的測(cè)試 ， 計(jì)算出混光 、混色以及光譜均勻度 ， 從提高均勻性為出發(fā)點(diǎn)找出最佳光學(xué)結(jié)構(gòu) 。進(jìn)一步 ， 為了更加有效科學(xué)地表征植物光源的照明效果 ， 引入有效光能利用率這一新的評(píng)價(jià)指標(biāo) ，其核心思想是將用于植物生長(zhǎng)的光能與光源發(fā)出的總的光能的比來(lái)表示燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)從能源利用的角度來(lái)講是否合理 。最后研究所得的光源被進(jìn)一步應(yīng)用于玫瑰花的保鮮中 ， 進(jìn)一步驗(yàn)證燈具的先進(jìn)性并為進(jìn)一步的實(shí)地研究提供科學(xué)的參考依據(jù) 。目前的保鮮實(shí)驗(yàn)只是關(guān)注單色綠光或紅藍(lán)光對(duì)果蔬保鮮的影響 ， 少有將光質(zhì)可調(diào)的照明燈應(yīng)用到植物保鮮領(lǐng)域 。本文通過(guò)脈沖寬度調(diào)光技術(shù) ( PWM 調(diào)光技術(shù) ) 調(diào)節(jié)燈具的發(fā)光光譜 ， 研究不同的光譜 、光質(zhì)比對(duì)于玫瑰花保鮮的影響 。本文從光源的光 、電 、熱性能入手對(duì)科學(xué)的植物照明燈具進(jìn)行了全面科學(xué)的研究 ， 并進(jìn)一步對(duì)于植物光源的評(píng)價(jià)指標(biāo)提出創(chuàng)新性的評(píng)價(jià)理念和指標(biāo) ，并在最后針對(duì)光源對(duì)玫瑰花保鮮的問(wèn)題從應(yīng)用的層面做了進(jìn)一步研究 。2 燈 具 設(shè)計(jì)21 整 燈 模型介紹如圖 1 所示 ， 燈具由散熱片 、GB 三色 COBLED 芯片 、導(dǎo)光管 、玻璃光纖透鏡構(gòu)成 。最終得到實(shí)際燈具及其照明效果如圖 2( a) 所示 ， 而市面上常見(jiàn)的借鑒了射燈結(jié)構(gòu)的植物照明燈的照明效果如圖 2( b) 所示 ， 相比之下本研究提出的光源設(shè)計(jì)方案大幅度提高了光源的均勻度 。在電源驅(qū)動(dòng)方面 ， 使用 MPS3003S 可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源 ， 結(jié)合1468 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷脈 沖 寬 度 調(diào) 制 技 術(shù) ( Pulse-width modulation，PWM) 16-18， 實(shí) 現(xiàn) 光譜可控 ; 此外 ， 實(shí)驗(yàn)測(cè)量了燈具工作時(shí)的溫度 ， 從熱學(xué)角度評(píng)價(jià)燈具的散熱性能 。圖 1 整 燈 模型Fig1 Whole lamp model（a）（b）圖 2 植 物 燈對(duì)比圖 。( a) 實(shí)驗(yàn)所用燈具 ; ( b) 傳統(tǒng) LED植物照明燈 。Fig2 Comparison of plant lamps ( a) Plant light used inexperiments ( b) Traditional LED plant light22 燈 具 設(shè)計(jì)分析多色 LED 可以不使用混光元件直接混合 ， 但當(dāng)混光距離過(guò)短時(shí) ， 會(huì)出現(xiàn)不同顏色的亮斑和暗斑 ， 如圖 3( a) 所示 ; 通常會(huì)在燈具結(jié)構(gòu)中加入毛玻璃和擴(kuò)散板等傳統(tǒng)混光元件來(lái)增強(qiáng)混光效果 ，使光線充分混合均勻出射 ， 但這類光學(xué)器件會(huì)使光束發(fā)散 ， 如圖 3( b) ， 不利于光能被植物充分吸收利用 。為解決這一問(wèn)題 ， 本研究提出使用導(dǎo)光管與光纖透鏡 ， 導(dǎo)光管和透鏡可以在改善植物燈混光效果的同時(shí)約束光出射角 ， 光線從 cob 芯片射出后 ， 經(jīng)過(guò)導(dǎo)光管和光纖透鏡的反射和透射 ， 可以小角度地準(zhǔn)直出射 ， 如圖 3( c) 所示 。（a） （b） （c）圖 3 多色 LED 的混光模型圖 。( a) 直接混光 ; ( b) 使用傳統(tǒng)的混合元件 ; ( c) 使用導(dǎo)光管與光纖透鏡 。Fig 3 Mixed light model of multi-color LED ( a) Mixing di-rectly ( b) Using conventional mixing elements ( c)Using light pipes and fiber optics3 研 究 參數(shù)植 物 對(duì)光線感知能力強(qiáng) ， 在不同的光質(zhì)與光強(qiáng)下植物的生理活動(dòng)大不相同 ， 這就要求植物照明燈應(yīng)具有高的照度均勻度與混色均勻度 ， 以此為依據(jù) ， 本實(shí)驗(yàn)主要探究燈具均勻度 。目前評(píng)價(jià)燈具照明效果多用基于人眼視見(jiàn)函數(shù)的光度學(xué)量 ， 如光通量 Pv與 光 照度 Ev， 但 因 為人的眼睛和植物對(duì)光的敏感度在不同波長(zhǎng)處達(dá)到峰值 ， 所以光度學(xué)參數(shù) Pv、Ev等不再適用于評(píng)價(jià) 植 物照明燈 ， 應(yīng)使用更加符合植物照明的光量子學(xué)參數(shù) 19-20來(lái) 表 征植物燈 。光量子學(xué)中與光度學(xué)中的照度相對(duì)應(yīng) 、用來(lái)表征植物燈照明效果的參數(shù)是光量子通量密度 ( Photosyntheticphoton flux density， PPFD) ， 即受照面單位時(shí)間內(nèi)單位面積所接收到的光子數(shù)目 ， 單位是 mol·m1·s1。在 植 物學(xué)領(lǐng)域 ， 光合有效輻照 度EPA可 表 示為 :EPA=700400Ee( ) d， ( 1)其中 Ee( ) 表示光譜輻照度 ， 表 示 波長(zhǎng) 。根據(jù)光子理論 ， 光子能量公式為 :Ephoton=hc， ( 2)公式 ( 1) 和 ( 2) 結(jié)合可以得到照度與 PPFD 之間的換算公式 ， 且因?yàn)楣庾訑?shù)量級(jí)過(guò)大 ， 所以采用摩爾單位計(jì)數(shù) ， 可得光量子通量密度計(jì)算公式 :K =700400Ee( ) dnAhc， ( 3)其中 ， K 代 表 PPFD， h 表示普朗克常量 ， c 表示光速 ， nA表示阿伏伽德羅常數(shù) 。31 光 譜 差異性分析時(shí) ， 光譜差異性定義為樣品點(diǎn)的 GB 三色光譜的差異 ， 用 SSGSB來(lái) 表 示 ， 我們用公式( 4) 計(jì)算 SSGSB:SSGSB=1NNi =1 ( S Si)2+ ( SG SGi)2+ ( SB SBi)2槡( i = 1， 2， 3) ， ( 4)其中 SSGSB表 示 光譜均方差 ， N 表示樣品點(diǎn)數(shù)目 ， Si、SGi、SBi分 別 表示樣品點(diǎn)紅綠藍(lán)三色光譜值 ， S、SG、SB分別表示樣品點(diǎn)的紅綠藍(lán) 三 色的絕對(duì)光譜值 ， S、SG、SB越大表示光譜差異性越大 。第 10 期 靳 肖林 ， 等 : 高均勻度 LED 植物光源的設(shè)計(jì) 1469由 于 公式 ( 4) 計(jì)算所得均方差較小 ， 難以比較 ， 通常我們用公式 ( 5) 來(lái)對(duì)光譜均方差進(jìn)行歸一化處理 ， 用公式 ( 5) 表示光譜均勻性 :U =11 + k·GB 100%， ( 5)其中 k 是 一個(gè)常數(shù) 。在本實(shí)驗(yàn)中 ， k 的值設(shè)置為使光譜均勻度最大值等于 90%。32 混色均勻性植物對(duì)不同的光譜反應(yīng)靈敏且響應(yīng)差異性大 ， 本實(shí)驗(yàn)使用 GB 三色光源進(jìn)行三色混光 ， 混色均勻性直接體現(xiàn)了光譜分布的均勻性 ， 是本實(shí)驗(yàn)的重要測(cè)量參數(shù)之一 。我們將混色均勻度定義為 CIE1976 色坐標(biāo)的差異 ， 用 uv 表示色坐標(biāo)差異性 ， 使用公式 ( 6) 來(lái)計(jì)算色坐標(biāo)差異 :uv =1NNi =1 ( ui uavg)2+ ( vi vavg)2槡 ，( 6)其中 ui、vi是 CIE 1976 色 彩 系統(tǒng)中測(cè)量點(diǎn)的色坐標(biāo) ， N 是受照面上的采樣點(diǎn)數(shù) 。采樣點(diǎn)的均方差值越小 ， 顏色坐標(biāo)差異越小 ， 即混色均勻性越高 。公式 ( 6) 計(jì)算的均方差值通常較小 ， 因此我們使用公式 ( 7) 對(duì) uv 進(jìn)行歸一化處理 ， 用 Ucolor表示混色均勻度 :Ucolor=11 + k·uv 100% ， ( 7)其中 k 是 一個(gè)常數(shù) 。在本實(shí)驗(yàn)中 ， k 的值設(shè)置為使混色均勻度最大值等于 90%。33 PPFD 均勻度光照強(qiáng)度直接影響著植物光合作用與呼吸作用 ， 為了使同一批植株均衡生長(zhǎng) ， 植物燈必須實(shí)現(xiàn)均勻給光 。為了衡量受照面光的強(qiáng)弱分布 ， 探究植物燈能否實(shí)現(xiàn)均勻給光 ， 我們測(cè)量了受照面上的 PPFD 并使用公式 ( 8) 計(jì)算其均勻性 :K =1NNi =1 ( Ki Karg槡 ， ( 8)其中 K 表 示受照面的光量子通量密度均方差 ，均方差越小表示光強(qiáng)分布越均勻 ， 和混色均勻度類似 ， 我們同樣對(duì) K 進(jìn)行歸一化處理 ， 使用 來(lái)表示 PPFD 均勻度 : =11 + k·K 100%， ( 9)其中 k 是 一個(gè)常數(shù) 。在本實(shí)驗(yàn)中 ， k 的值設(shè)置為使PPFD 均勻度最大值等于 90%。34 有效光能利用率對(duì)于大多數(shù)植物的光合作用 21， 如 圖 4( a)曲 線所示 ， A 點(diǎn)被定義為光補(bǔ)償點(diǎn) ， B 點(diǎn)被定義為光飽和點(diǎn) ， 只有植物所接收光照的 PPFD 大于 A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 PPFD 時(shí) ， 植物才能進(jìn)行有效的光合作用 ， 當(dāng)光照 PPFD 達(dá)到 B 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 PPFD 值時(shí) ， 植物光合作用才能達(dá)到最大速率 。表 1 給出了一些植物光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 PPFD 值 。表 1 植物光飽和點(diǎn)與光補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)應(yīng) PPFDTab1 PPFD of light saturation point and light compensation point植 物 種類光補(bǔ)償點(diǎn) /( mol·m2·s1)光 飽 和點(diǎn) /( mol·m2·s1)植 物 種類光補(bǔ)償點(diǎn) /( mol·m2·s1)光 飽 和點(diǎn) /( mol·m2·s1)西 紅 柿 531 1 985 多肉景天科 55 617黃 瓜 51 1 421 多肉番杏科 58 719茄子 50 1 400 多肉百合科 50 523生菜 596 1 320 人參 49 506草莓 43 320 碗 蓮 55 657葡萄 55 484 食 蟲(chóng)草 50 526月季 52 550 室 內(nèi)觀葉植物 44 376蘭科 60 620 非 洲堇 45 470從 表 1 中 可以看出 ， 大多數(shù)植物光補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 PPFD 值為 50 mol·m2·s1左 右 ， 本 次實(shí)驗(yàn)中將有效光能利用率定義為 。 計(jì)算方法如圖 4( b) 所示 ， 測(cè)量受照面 PPFD 最大值 ， 當(dāng)PPFD 下降到最大值的 5% 時(shí) ， 標(biāo)記做圓 ， 測(cè)得圓半徑為 b， 在 受 照面畫出 K =50 mol·m2·s1時(shí) 對(duì) 應(yīng)的圓 ， 測(cè)得圓半徑為 a， 用 公 式 ( 10) 來(lái)計(jì)算 :1470 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷 =2a2b ( 10)A B CK/(滋mol·m2·s)RaRb（a）（b）Pn/(滋mol·m2 ·s1)圖 4 ( a) 植物光合速率曲線 ; ( b) 有效光能利用率說(shuō)明 圖 。Fig4 ( a) Plant photosynthetic rate curve ( b) Descriptionof effective light energy utilization rate4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析實(shí) 驗(yàn) 使用的光源為臺(tái)灣晶元公司生產(chǎn)的 cobGB LED， 其中封裝有 9 個(gè)芯片 ， 由紅 、綠 、藍(lán) 3 ×3 矩陣構(gòu)成 ， 且紅綠藍(lán)芯片可以獨(dú)立控制 ， 以達(dá)到光質(zhì)比可調(diào)的目的 ， 方便研究不同光譜組成對(duì)植物生長(zhǎng)的影響 。實(shí)驗(yàn)初用三路電流分別驅(qū)動(dòng) B、G、B 3 種顏色芯片 ， 使單色芯片在一定距離的光接收面上可以產(chǎn)生相同 PPDF， 記錄不同顏色的驅(qū)動(dòng)電流和電壓如表 2 所示 。表 2 芯片對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓Tab2 Driving current and voltage of three chips參 數(shù) G B驅(qū) 動(dòng) 電流 /A 034 022 035驅(qū) 動(dòng) 電壓 /V 77 99 96在之 后的每次測(cè)量中 ， 保持各芯片對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流和電壓不變 。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用具有圓形橫截面的導(dǎo)光管和光纖透鏡 ， 其中導(dǎo)光管的長(zhǎng)度為 35 55 cm 不等 ， 透鏡的直徑為 19 cm 和 27 cm。我們組合不同導(dǎo)光管與光纖透鏡 ， 采用 37點(diǎn)采樣法 22大 照 度值的 5% 時(shí)畫出最大圓 ， 當(dāng)K =50 mol·m2·s1時(shí) 畫 出最小圓 ， 以大圓半徑和小圓半徑的平均值為中間圓的半徑 ， 如圖5( a) 所示 ; 使用如圖 5( b) 所示的 SPIC-200 光譜彩色照度計(jì)測(cè)量受照面的照度和光譜 ， 根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)計(jì)算出每一組的混光均勻性與混色均勻性 ， 分析不同光學(xué)結(jié)構(gòu)和光傳輸距離對(duì)植物燈均勻性以及有效光能利用率的影響 ， 根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可找到出光效果最好的光學(xué)結(jié)構(gòu) 。（a） （b）圖 5 ( a) 37 點(diǎn)采樣法示意圖 ; ( b) 光譜 照度計(jì) 。Fig 5 ( a) Schematic diagram of the 37-point samplingmethod ( b) Spectral illuminance meter在 測(cè) 得最佳光學(xué)結(jié)構(gòu)后 ， 以最佳光學(xué)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) ， 調(diào)節(jié)光質(zhì)比為 + G + B、G + B、 + G、G， 光譜圖如下文圖 12 所示 ， 以自然光照射為對(duì)照組 ， 設(shè)置光照周期分別為 6， 9， 12 h， 通過(guò)測(cè)定在不同光處理下玫瑰花采后日失重率以及抗氧化物質(zhì)的含量變化 ， 探究最適合玫瑰花保鮮的光條件 。41 配光曲線測(cè)量LED 芯片的長(zhǎng)度為 2 9 cm， 所以我們以 29cm 作為測(cè)量區(qū)域的直徑 ， 調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長(zhǎng)度依次為35， 4 0， 4 5， 5 0， 5 5 cm， 與不同直徑的光纖透鏡組合 ， 每隔 5°測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的照度 ， 如圖 6 所示 。通過(guò)對(duì)測(cè)得的照度進(jìn)行歸一化來(lái)獲得光強(qiáng)分布曲線 ， 結(jié)果如圖 7 所示 。圖 6 配光曲線測(cè)量示意圖Fig 6 Schematic diagram of test method for light distribu-tion curve measurement第 10 期 靳 肖林 ， 等 : 高均勻度 LED 植物光源的設(shè)計(jì) 14711.00.8mission angle/(°)Normalizedintensity0.60.40.20 8 3.5 cm4.0 cm4.5 cm5.0 cm5.5 cm（a）1.00.8mission angle/(°)Normalizedintensity0.60.40.20 8 3.5 cm4.0 cm4.5 cm5.0 cm5.5 cm（b）圖 7 ( a) 27 cm 透 鏡 對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布曲線 ; ( b) 1 9 cm透鏡對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布曲線 。Fig7 ( a) Light intensity distribution curve correspondingto 27 cm fiber lens ( b) Light intensity distributioncurve corresponding to 19 cm fiber lens圖 7 顯 示 ， 使 用 D =2 7 cm 光纖透鏡 ， 燈的光發(fā)射角度較小 ， 照明表面上的斑點(diǎn)更小更收斂 。而D =19 cm 光纖透鏡的燈光發(fā)射角度較大 ， 光能較均勻地分布在光接收面 。此外 ， 隨著導(dǎo)光管長(zhǎng)度的增加 ， 發(fā)射角度減小 ， 發(fā)光能量分布趨于致密 。42 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光譜 、混色 、PPFD 均勻度的影響調(diào)節(jié)導(dǎo)光管長(zhǎng)度與透鏡的直徑 ， 在一定距離的受照面上用照度計(jì)測(cè)出樣品點(diǎn)的光譜值 、色坐標(biāo)與 PPFD， 利用公式 ( 4) 、( 6) 、( 8) 算出各個(gè)參數(shù)的均方差 ， 并用公式 ( 5) 、( 7) 、( 9) 進(jìn)行歸一化處理 ， 得到表 3、表 4、表 5。表 3 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光譜均勻度Tab3 Spectral uniformity corresponding to different opticalstructures導(dǎo) 光 管長(zhǎng)度 /cm直徑 19 cm透鏡 /%直徑 27 cm 透鏡 /%35 8672 864140 8704 863345 8808 859350 8925 859055 9000 8642表 4 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的混色均勻度Tab 4 Color uniformity corresponding to different opticalstructures導(dǎo)光 管長(zhǎng)度 /cm直徑 19 cm 透鏡 /%直徑 27 cm 透鏡 /%35 8623 859640 8117 893445 8072 900050 6935 883755 8610 8700表 5 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的 PPFD 均 勻 度Tab 5 PPFD uniformity corresponding to different opticalstructures導(dǎo)光管長(zhǎng)度 /cm直徑 19 cm 透鏡 /%直徑 27 cm 透鏡 /%35 8786 864240 8725 860445 8794 861050 8927 863555 9000 8700為了更直觀地比較光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)燈具性能的影響 ， 將 表 3、4、5 繪 制成折線圖 ， 得到圖 8。Length of lightpipe/cm903.5Spectraluniformity/%9189888786854.0 4.5 5.0 5.51.9 cm cmLength of lightpipe/cm93.5oloruniformity/%84.0 4.5 5.0 5.51.9 cm cm889Length of lightpipe/cm903.5PPFDuniformity/%8987864.0 4.5 5.0 5.51.9 cm cm888591（a） （b） （c）圖 8 ( a) 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光譜 均 勻度 ; ( b) 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的混色均勻度 ; ( c) 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的 PPFD 均勻 度 。Fig8 ( a) Spectral uniformity for different optical structures ( b) Color uniformity for different optical structures ( c) PPFDuniformity for different optical structures1472 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷421 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光譜差異性的影響分 析 圖 8( a) 可知 ， 隨著導(dǎo)光管長(zhǎng)度由 35 cm增加到 55 cm， 透鏡直徑為 19 cm 的燈具光譜均勻度快速上升并在導(dǎo)光管長(zhǎng)度為 5 5 cm 時(shí)達(dá)到最大值 90%; 而透鏡直徑為 2 7 cm 的燈具光譜均勻度在 85 9% 86 42% 緩慢變化 ， 且最小均勻度與最大均勻度差異僅 0 52%。綜合比較分析 ， 在不同的導(dǎo)光管長(zhǎng)度下 ， 直徑為 1 9 cm 的透鏡光譜均勻度皆大于直徑為 27 cm 的透鏡 ， 這與測(cè)量配光曲線所得數(shù)據(jù)相符 ， 從另一方面說(shuō)明了使用小直徑透鏡與較長(zhǎng)導(dǎo)光管會(huì)使受照面上的光能更均勻分布 。422 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)混色均勻性的影響分析圖 8( b) 可知 ， 具有 D =27 cm 透鏡的燈具混色均勻度在 85 89% 和 90 00% 之間呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì) ， 隨著光管長(zhǎng)度從 3 5 cm 增加到 4 5 cm略有增加 ， 之后隨著光管長(zhǎng)度從 4 5 cm 增加到55 cm 略微下降 ; 具有 D =19 cm 透鏡的燈具混色均勻度在導(dǎo)光管長(zhǎng)度從 3 5 cm 增加到 5 0 cm時(shí)呈現(xiàn)出不利的趨勢(shì) ， 當(dāng)導(dǎo)光管長(zhǎng)度為 5 0 cm時(shí) ， 達(dá)到最小值 6935%， 但之后隨著導(dǎo)光管增長(zhǎng)快速增加至 8700%。綜合比較分析 ， 在不同的導(dǎo)光管長(zhǎng)度下 ， 直徑為 27 cm 的透鏡混色均勻度皆大于直徑為 19 cm 的透鏡 ， 所以直徑較大的光纖透鏡有利于提高顏色均勻度 。423 光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì) PPFD 均勻性的影響分析圖 8( c) 可知 ， 具有 D =19 cm 光纖透鏡的燈具和具有 D =2 7 cm 光纖透鏡的燈具 PPFD均勻性呈現(xiàn)相同的趨勢(shì) ， 均勻度隨著導(dǎo)光管長(zhǎng)度從 35 cm 增加到 4 0 cm 下降 ， 然后隨著導(dǎo)光管長(zhǎng)度從 40 cm 增加到 5 5 cm 而上升 ， 在 5 5 cm處達(dá)到最大值 。綜合比較分析 ， 在不同的導(dǎo)光管長(zhǎng)度下 ， 直徑為 19 cm 的透鏡混光均勻度皆大于直徑為 27 cm 的透鏡 ， 所以小直徑光纖透鏡有利于提高 PPFD 均勻性 。43 光接收距離對(duì)混色均勻度 、PPFD 均勻度的影響根據(jù) 4 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ， 當(dāng)導(dǎo)管長(zhǎng)度為 5 5cm、透鏡直徑為 1 9 cm 時(shí) ， 該燈的 PPFD 均勻度和光譜均勻度同時(shí)達(dá)到最大值 90%， 顏色均勻度也達(dá)到 87 00%， 接近 90%?；谶@個(gè)最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù) ， 改變光接收面和發(fā)光表面之間的距離 ， 探究光接收距離對(duì)混色 、PPFD 均勻度的影響 ， 得到圖 9。886 16Accept distance/cmColoruniformity/%8 10 12 1492848076726864Color unifomity（a）6 16Accept distance/cmPPFDuniformity/%8 10 12 14928480767268PPFD unifomity（b）88圖 9 ( a) 光接收距離對(duì)混色均勻度的影響 ; ( b) 光接 收距離對(duì) PPFD 均勻度的影響 。Fig9 ( a) Effect of light receiving distance on color uni-formity ( b) Effect of light receiving distance onPPFD uniformity由 圖 9 分 析可知 ， 混色均勻度與 PPFD 均勻度隨光接收距離變化而改變的趨勢(shì)一致 ， 隨著光接收距離從 6 cm 增加到 8 cm， 顏色混合均勻性和PPFD 均勻性略有下降 。當(dāng)光接收距離從 10 cm 變?yōu)?16 cm 時(shí) ， 混色均勻性和 PPFD 均勻性均快速增加到 90%。分析可得 ， 較長(zhǎng)的光接收距離有助于提高受照面的光照均勻性 。44 有效光能利用率植物的最大有效光能利用率取決于植物類型和外部光環(huán)境 ， 由于燈具在受照面上形成的光斑總是中心光強(qiáng)最大 ， 邊緣光強(qiáng)最小 ， 在從中心到邊緣光強(qiáng)減弱到一定值后 ， 光能就不能再被植物有效吸收 ， 造成光能浪費(fèi) 。基于 4 2 分析的有利于植物照明的最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)和一定的光接收距離 ， 改變驅(qū)動(dòng)電流 ， 探究有效光能利用率如何變化 。電流從 0 20 A 增加 ， I/I0是 電流 增量與初始電流的比值 。如圖 10 所示 ， 隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加 ， 有效光能不斷增加 ， 但增加速度從 I/I0=2 后 開(kāi) 始下降 ， 在 I/I0= 3 時(shí) 達(dá) 到最大值 43%。第 10 期 靳 肖林 ， 等 : 高均勻度 LED 植物光源的設(shè)計(jì) 147348402.5I/I0Effecitivelightenergyratio/%0-0.5 . 1.0 1.5 2.0 3.0 3.54436322824201612圖 10 I/I0對(duì)光能利用率的影響Fig10 Effect of I/I0on the utilization of light energy45 PWM 調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)本 實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)的 PWM 調(diào)光模塊由 STM32 單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn) ， 3 個(gè)端口向外部電路輸出 3 個(gè)不同占空比的方波 ， 分別驅(qū)動(dòng) GB LED。如圖 11( a) 所示 ， 左邊部分是 STM32， 其功能是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓 ; 中間部分是 I2110 芯片和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 。圖 11( b) 顯示了每個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)電路 。PWM 調(diào)光產(chǎn)生的方波輸入到圖 11( b) 中的I2110 芯片 ， I2110 放大電壓并提高驅(qū)動(dòng)能力 ，IF540n 是一款用于將電壓轉(zhuǎn)換為電流的場(chǎng)效應(yīng)（a）C1=104inputIR2110C2GndIRF540n910111213147654321HOHNSOLINVSSVBVSVCCVDDCOMLOLEDVCC（b）PWM圖 11 ( a) PWM 調(diào) 光 裝置圖 ; ( b) LED 驅(qū)動(dòng) 電路圖 。Fig 11 ( a) PWM dimming device diagram ( b) LED driv-er circuit diagram晶 體 管 。通過(guò)改變輸出電流的占空比 ， 從而產(chǎn)生不同的光譜成分 ， 利用積分球測(cè)得燈的光譜如圖 12 所示 。480380 5800.00000.05310.12630.189</p>