LED植物組培陣列的設計與均勻性研究

鄧一凡， 徐曉輝， 蘇彥莽， 宋 濤， 王利偉， 方 正

(河北工業大學電子信息工程學院，天津 300401)

近年來，LED被廣泛應用在植物光源領域，但由于單個LED的功率較小且光譜單一，難以滿足植物對光照的需求，在實際應用中通常將多個不同光質的LED組成陣列來達到所需的發光強度和光譜搭配。LED的輸出光照度近似呈朗伯(Lambertian)分布，在整個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，因此必須經過合理的陣列設計才能實現在照射范圍內各光質比例的均勻性，從而在最大程度上確保植物能夠得到均勻的光照，減少因光源帶來的誤差和影響。

1 單色光LED光學模型的建立和理論分析

1.1 光學模型的建立

LED發光區域通常小于1 mm2，因此在進行光學分析時可把LED看作點光源。此外，在建立模型中，假設陣列中每個LED都有相同的光波長、光通量和光照度分布。

當一個點光源照射到與光軸垂直方向的平面上時，如圖1所示，其中S為點光源，θ為發光角度，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。在笛卡爾坐標系中表示，設探測面與光源的距離為z，則面上任一點光的輻射照度可表達為[2]：

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

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。將2個高斯分布的能量相疊加，當2個峰值逐漸遠離最大平坦距離時，中心將出現波谷，意味著光照度開始不均勻。斯派羅極值σL滿足如下條件：

式中：σL表示斯派羅極值；x表示峰值。

1.3 同個數、異排布的單色LED陣列的光輻照度分析

將不同LED陣列參數統一設定為LED與探測面之間的距離z=200 mm，參數m取值81，LED的個數n=16，并對3種典型的LED陣列(方形陣列、三角形陣列及環形陣列，圖2)進行分析。

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

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

1.3.2 三角形陣列 設三角形陣列中每個正三角形的邊為s。由{(N×M)-0.25[2M+(-1)M-1]}個LED疊加的總輻射照度E為：

式中：N±=N+[(-1)j±1]/2，通過計算可得s=38 mm。由模擬結果(圖4)可知，三角形陣列所產生的輻射照度分布圖具有不對稱性，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LED間距變小，意味著所需的面板面積減小。

1.3.3 環形陣列 設內環半徑為r1，外環半徑為r2。總輻射照度E可表示為：

通過計算可得r1=29.8 mm，r2=66.3 mm。由輻照結果(圖5)可知，環形陣列產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，但中心有較強的光分布，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計與光輻照度分析

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，因此燈具成品也有不同的用途。比如方形陣列在手術照明中得到廣泛的應用；環形陣列平坦，輻射照度分布范圍較小，但其能量集中分布在一個圓形范圍內，有良好的集光效果，因此在機器視覺中得到廣泛的應用[3]；與三角形陣列和環形陣列相比，方形陣列具有便于拼接拓展的特點，且具有易按照一定規律分布不同光質LED燈珠的優勢，從而更適合應用于植物的照明。

植物組培架一般為長約1 200 mm、寬約500 mm、層高 300～450 mm且層高可調[4]的多層架。采用模塊化陣列式設計理念，將若干個單元模塊排列組合形成平面模塊，進而達到快速安裝維護以及拓展的目的。該方法可突破傳統的點、線光源技術缺陷，與燈管式組培燈相比，能為植物提供更加均勻的光照，且光質的搭配更靈活。不同光質的LED獨立驅動，驅動方式可按需選擇，可用定光強驅動模塊驅動，或者使用具有調光功能的驅動模塊對光質比進行調整，以滿足植物不同生長時期的光照需求。

2.2 LED光質及功率選擇

紅光、藍光是植物正常生長發育、完成生活史的必需光質，目前大多設計都是紅光和藍光的搭配。為保證植物生長發育與其產量、品質，有時需要在紅藍組合光的基礎上補加一些特殊光質成分，可稱之為有益光質，包括紅藍光以外的其他可見光、紫外光(ultraviolet，簡稱UV)等[5]。

研究表明，在紅藍LED組合光中加入綠光能夠促進植物生長。Kim等在光通量密度(PPFD)為150 μmol/(m2·s)、光周期為18 h的條件下，對生菜進行綠光+藍光+紅光(RGB)的光處理，與冷白光熒光燈和紅藍光LED復合光處理相比，RGB處理的生菜干鮮質量、葉面積及干物質積累都是最優的，且外觀品質得到了提高，與自然光條件下的植物葉片相似[6]。Johkan等報道了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及其光照度對生菜形態建成和光合作用的影響，結果表明，高光照度綠光LED能促進植物生長，尤其是短波長綠光對植物生長的促進效果最佳[7]。綠光比紅藍光的透射比更高，能夠更好地穿透葉片，進而促進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Kim等認為，24%～50%的綠光促進植物生長，但綠光超過50%時會抑制某些植物的生長[6]。

適宜的UV輻射對設施蔬菜的優質高效生產十分重要。紫外光的利用與調節對保障植物的優質高產非常重要，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光源在植物組培環境內補充UV輻射的技術，能減少化學方法導致的蔬菜徒長，對于改善蔬菜品質有良好的效果，是生產綠色有機食品的重要保證。但高劑量的 UV-B輻射也會引發植物光合作用的一些負面響應，抑制植物的生長發育。為保證紫外光的調控效果，可采用短期小劑量應用以及間歇式反復照射、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發育，但生物學效應較小[9]。目前，植物光源一般都是紅藍光組合光源，缺乏紫外光譜組成。本設計加入綠光LED及紫外LED，可為植物提供更科學、更全面的光環境。

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，并且存在散熱問題，與單只1 W的LED相比，在同等光通量條件下價格優勢不明顯。從目前大功率LED的技術水平來看，1 W光效比較高，節能優勢明顯。因此本設計采用1 W的窄帶LED，紅光與藍光的中心波長分別為660、450 nm，紫外LED(UV-B)的中心波長為300 nm，綠光LED的中心波長為520.7 nm。

2.3 LED陣列排布方案及各光質LED的輻照度模擬分析

在植物的自然生長過程中，紅藍光質比例一般在4 ∶1～9 ∶1之間[10]，因此在確定紅藍燈珠數量時不僅要滿足植物生長所需的最大光照度，而且要確保該比例的實現。燈珠間距的設計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方便在培育架上的安裝部署。另外，要考慮散熱問題。綜合考慮以上因素，進行如圖6所示的排布搭配，混合陣列為邊長為16 cm的正方形。

同樣用光學模擬軟件TracePro分別對不同光質的LED進行光照度模擬分析。LED植物生長燈在使用時通常距離植物20～30 cm[11]，此次模擬過程中的探測面位于距LED陣列20 cm處，得到紅光和藍光各自在探測面的輻照度分析模擬結果見圖7至圖10。

由圖7至圖10可以看出，紅、藍、綠LED陣列都有良好的均勻性，紫外光均勻性稍差，但其主要作用是調控和殺菌消毒，只是按需開啟，所以并不影響達到預期目的。紅光LED在-80～80 mm范圍內大體上可達到最大輻照度的80%及以上。藍光和綠光LED在-60～60 mm范圍內整體上也均能達到最高光照的70%以上。本設計燈珠間距受其他因素(如基板尺寸)影響未達到理論最大平坦化條件，但仍在很大程度上使各種光質均勻照射且提供充足的光照度，同時不存在散熱問題。混合陣列能形成與植物光合作用和形態建成基本吻合的光譜吸收峰值，減少因光源帶來的誤差和影響。此外，模塊化的設計可實現快速安裝、更換和拓展LED燈珠的目的，使用方便。

3 結論

要設計一款可靠的LED植物生長燈，不僅要考慮光質的選擇、燈具的形狀尺寸問題，還需要考慮如何使不同光質在照明區域內實現均勻性照射。本研究使用同等數量的LED燈珠進行3種典型平面陣列的設計并分別進行均勻性仿真研究，經綜合分析，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對植物的影響后，設計一種植物組培LED混合陣列。輻照度仿真結果顯示，不同光質在一定范圍內都有很高的均勻性及輻照度，可為組培植物提供科學可靠的光環境，且模塊化的設計可以實現快速安裝、更換和拓展的目的，適合植物組培。

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