余弦修正片對光照傳感器進光量的影響

張昕昱,寧效龍,鄭佳楠，張放心,李 明,李海寶，劉 文

(1.中國科學技術大學物理學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學微電子學院， 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50年代開始，人們就試圖使用人工光源種植植物。近年來隨著LED技術日趨成熟，以LED植物工廠和LED補光溫室為代表的都市農業快速發展[1]，人工光源植物照明技術進入了一個新階段。植物工廠技術被譽為實施農業發展的高級形態，在日本、美國、荷蘭等已逐步推廣。我國在該領域發展迅速，據不完全統計，我國植物工廠每年增長規模為30～40家，目前已建植物工廠達120多家，有望成為世界上植物工廠保有量最多的國家。

植物葉綠素的吸收光譜有兩個主吸收峰，分別位于藍光波段和紅光波段[2,3]，對應的光合效率最高[4]。目前植物工廠中廣泛使用峰值波長450 nm的藍光LED、峰值波長660 nm的紅光LED作為植物照明光源[5]。在LED植物照明的實際應用中，不僅需測量照射到植物表面的總光量子通量密度，還需測量不同光質光量子通量密度及其比例(光質比)，光質比(R/Fr、R/B)對植物生長、發育、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光環境測量的傳感器。1972年，Mc Cree[10,11]發現植物的光合作用、色素形成、光周期現象等主要受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傳感器即測量單位時間內該波段光通量。Rabinowitch[12]研究發現光合作用生成的分子數近似與光合有效輻射吸收的光子數相關，與光子能量無關，所以目前普遍采用光合有效光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)來表征測量結果。但這種傳感器的缺陷是無法在測量環境光中PPFD的同時測量出紅光/藍光(R/B)、紅光/遠紅光(R/Fr)的比例，即無法測量光質比這一關鍵數據。

為滿足植物工廠中對PPFD及光質比的探測需求，項目組設計了一款多通道光量子傳感器[13,14]，該傳感器利用特定波長的濾光片和硅光電池探測植物工廠光環境中的紅光光量子通量密度、藍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，傳感器頂部需加裝余弦修正片，通過使入射光線發生折射和散射使其盡可能正入射到濾波片表面。通過應用3D打印技術，制作不同材質的余弦修正片，并通過傳感器定標測試得出不同材質余弦修正片下傳感器紅光/藍光通道的響應特性并計算出其對傳感器進光量的影響，并最終得到一種最適合應用于多通道光量子傳感器的余弦修正片材料。同時，還利用3D打印技術設計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題。

1 余弦修正片設計

項目組所設計的多通道光量子傳感器主要由帶通濾波片、硅光電二極管、調理電路、余弦修正片[15]等結構構成(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—調理電路PCB板；8—底座； 9—數據線；10—硅光電二極管 圖1 多通道光量子傳感器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the multi-channel quantum sensor

入射光經余弦修正片修正后到達濾波片，濾波片將其帶寬范圍內的光透射，并將其余光全反射，透射光到達硅光電二極管，經光電轉化產生短路電流，電流經過電流-電壓(I-V)轉換電路轉化為電壓值，再通過A/D轉換器轉化為數字信號，并通過數據線傳輸。

余弦修正片即余弦散射器，是位于傳感器頂部的進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并在其中參入一定量的散射劑制成。正常情況下，當入射光照射到探測器表面時會發生菲涅爾反射效應，導致光線入射角不同時引起表面反射的不同，使相同照度不同方向的入射光產生不同的響應電流。余弦修正片作為光進入傳感器內部的窗口，其作用是改善入射光的余弦特性，減小余弦響應誤差，使從傳感器表面2π立體角內任何方向入射的光線都能通過并到達感應元件的表面[1]。

余弦修正片可以使入射輻射與探測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也會無法避免的損耗一部分光，導致硅光電池的進光量減少，從而影響傳感器的測量靈敏度。為權衡菲涅爾反射效應導致的測量誤差和進光量減少對傳感器靈敏度的影響，不同傳感器需選用合適材質的余弦修正片。對于項目組設計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計，為避免體積過大，選用4 mm×4 mm小型硅光電池，其采光靈敏度相對較低，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，需制作特定規格的半球型余弦修正片，批量生產時需要開模，價格高昂，在量產規格及尺寸未確定的研發階段采用開模方式成本高、風險大。3D打印技術的成熟為我們提供了另一種選擇，通過3D打印可以快速制作與傳感器相匹配的余弦修正片樣品，同時可以實現對其厚度、材質、規格的隨意修改。

我們首先通過SolidWorks設計出半球型余弦修正片的結構圖(圖2)，之后使用3D打印分別制作了3種不同材質的余弦修正片模型。三種材質分別是聚四氟乙烯、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3D打印制作的不同材質的余弦修正片Fig.3 The cosine correction with different material made by 3D printing

2 結果對比

為測量三種材質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行標定。標定時，將待標定傳感器和標準傳感器置于相同光環境下，并通過改變環境光通量求出擬合曲線。下面以紅光、藍光通道為例介紹標定過程。定標光源采用臺灣光宏1 W、660 nm(±20 nm)大功率紅光LED構成的紅光陣列標定紅光通道，采用1 W、450 nm(±15 nm)大功率藍光LED構成的藍光陣列標定藍光通道，其發散角均為140°，單顆光源呈朗伯分布，這兩種光源光譜與待標定傳感器紅藍通道透過譜很好地吻合。

為了剔除傳感器差異造成的影響，定標分三次完成，每次將一種材質的余弦修正片放置在該多通道光量子傳感器上進行定標。選取KIPP & ZONEN生產的PQS-1型傳感器作為標準傳感器為待標定傳感器定標[16]，該傳感器環境適應能力強且穩定性好，靈敏度達4～10。標定在標準暗室中進行，在藍光關閉條件下，逐步調節紅光LED電壓至額定電壓，使PQS-1傳感器讀數依次達到目標值PPFDR，同時依次記錄待標定傳感器讀數VR，并將數據進行線性擬合。之后在紅光關閉條件下，逐步調節藍光LED電壓至額定電壓，使PQS-1傳感器讀數依次達到目標值PPFDB，同時依次記錄待標定傳感器讀數VB，并將數據進行線性擬合(圖4)。

在三種材質的余弦修正片下，決定系數R2均大于0.98，證明傳感器內硅光電池線性響應度均優良。分析傳感器在紅光LED下紅光通道的響應系數和藍光LED下藍光通道的響應系數(表1)可得，透明光敏樹脂下紅光/藍光通道的響應系數遠大于使用聚四氟乙烯和白色尼龍的情況，即在相同的半球結構時，對于紅光通道，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%，對于藍光通道，透光率分別高87.1%和83.2%。

表1 不同材質余弦修正片下傳感器紅/藍通道的響應系數Table 1 The response coefficient of the red/blue channel of the sensor under cosine correction with different material

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

3 解決通道串光問題

由于濾波片本身具有一定厚度，當入射光角度較大時，部分光線將從其側壁進入硅光電池，濾波片對該部分光無法起到波長選擇效果，造成因通道間串光引起的誤差，即當只有紅光照射時傳感器藍光通道中也會有部分紅光通過藍色濾波片側壁進入硅光電池，繼而產生感應電壓。上述誤差隨進光量增長而增長，無法通過數據處理剔除，余弦修正片通過折射和散射使入射光與濾波片的入射角度減小，減少側壁進光量，從而減小該誤差。但實際測試時發現通道間的串光引起的誤差仍然較大，即當在紅光下定標時，藍光通道的響應曲線的斜率大于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構件的特征，設計了一種能夠將濾波片鑲嵌在其中的防串光套(圖5)，將濾光片側壁完全覆蓋。在使用透明光敏樹脂材質余弦修正片的條件下，依次對同一傳感器在無防串光套和有防串光套情況下進行定標(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 無防串光套和有防串光套時傳感器紅/藍通道的響應系數曲線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，傳感器藍光通道響應系數其理論值應該為0，但實際測試中，在無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。藍光LED下，傳感器紅光通道響應系數其理論值應該為0，但實際測試中，在無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)。結果表明，防串光套有效阻止了因濾光片側壁漏光而引起的通道串光誤差。

表2 無防串光套和無防串光套時傳感器紅藍通道 的響應系數Table 2 The response coefficient of the red / blue channel of the sensor having and not having serial light proof sleeve

4 總結

本文介紹了一種能夠同時測量環境PPFD及光質比的多通道光量子傳感器，同時利用3D打印技術設計并制作出材質分別為聚四氟乙烯、透明光敏樹脂、白色尼龍的余弦修正片。通過實際使用上述余弦修正片標定相同傳感器，得到在不同材質余弦修正片下的傳感器紅/藍通道響應系數曲線，對于紅光通道，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%，對于藍光通道，透光率分別高87.1%和83.2%，該材質最適合用于上述傳感器的余弦修正片。

同時，實際標定中發現在使用余弦修正片的情況下仍存在濾光片側壁漏光導致的通道間串光誤差，該誤差隨進光量增大而增大，無法通過數據處理消除。通過3D打印方法設計并制作一種可將濾光片進行鑲嵌的防串光套，并通過實驗發現在有防串光套情況下紅光通道該誤差系數從0.3546降至0.0491，藍光通道該誤差系數從0.4916降至0.0695，結果證明該防串光套有效阻止了因濾光片側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過程中，往往因為一些精細復雜零件無法加工導致項目推進緩慢，而3D打印技術提供了新思路，任何復雜形狀的設計可以通過3D打印機來實現，且加工精度可達0.01 mm，最薄壁厚可達0.8 mm，且可打印涵蓋塑料、尼龍、樹脂、金屬等一系列材料。我們利用該技術實現了不同材料單個樣品制作，解決了在傳感器研發過程中遇到的材料瓶頸。