基于多光質燈珠的LED植物燈光照均勻性優化設計方法

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打造的現代農業可持續發展的生產系統[1]，通過控制光照、溫度、濕度等環境要素為植物提供最適宜的生長環境。光環境作為植物生長發育的基本因素，主要包括了光質(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的建成[2,3]。其中，光質對植物的生長發育、物質代謝均有調控作用[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。植物對光質的需求是分階段的，在萌發階段需要紅外光和熱量；在營養生長階段需要較多的藍光，重點進行光形態建成。

植物可以吸收利用光譜中的多種光質，生長時吸收的光譜范圍大約在390～780 nm之間，此區域也稱為光合作用有效能量區域。由于植物具有特定的光譜響應曲線，一般在紅光區和藍光區存在吸收峰。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具有高效的發光效率以及更靈活可行的光譜控制。現代植物工廠的光照分布一般多為頂光照系統，將LED光源置于培養容器上方30～50 cm處。通過選用適宜功率和發光角度的LED燈珠進行陣列設計，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系。然而，上述文獻均未將二次光學設計與LED陣列設計結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分布均勻性與光照強度均勻性，光質分布不均勻會導致有效光照區域內的部分植物吸收的光質比不同，即出現光斑現象。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，對其進行結構改進，再將二次光學設計與LED陣列設計相結合，設計了一種紅、藍、暖白三種光質的四芯片LED燈珠(Red, Blue, Warm White, Warm White，RBWW)作為光源，能夠實現光質對稱以及提高燈珠光分布均勻性。

1 多光質LED燈珠設計

紅光(620～660 nm)是植物正常生長的必需光質，生物需求量居于其他光質之首，通過葉綠素參與光合作用過程，能夠調控光敏色素對光形態建成，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[11]，通過植物體內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合成有促進作用，有利于植物合成抗氧化物質。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，其強弱以及與紅光間的比例對作物株高、節間長等形態建成具有重要作用。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節適應植物的生長發育。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。遠紅光作為特殊光質，對藥用植物以及花卉的栽培具有重要意義。

前面工作中已設計的LED燈珠[10]由四種光質的芯片組成，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的需求。但遠紅光作為特殊光質，對光合作用影響不大。此外，燈珠的四種光質各不相同，實際工作中在光照面上會產生光質分布不均勻的現象。

本文設計的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，并調整芯片位置，使紅藍芯片在X方向兩側，暖白兩芯片在Y方向兩側。在保證植物所需生長光質的前提下通過改變燈珠結構及排布方式提高光質分布的均勻性。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燈珠結構改進圖Fig.2 Structure improvement drawing of LED lamp bead

2 LED光質分布均勻性設計

多芯片集成LED燈珠在未加封膠前，輸出光在照射面的光質分布大致均勻，加封膠后，由于封膠的幾何形狀，改變了各發光芯片的輸出光路，導致照射面的混光不均，即產生光斑問題，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分布均勻性，需要對封膠后的LED燈珠進行二次光學設計。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。

雖然二次光學設計后的LED光質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]整燈采用長條形結構，燈珠橫向對稱分布，由于上述的問題，雖然整體光質均勻性較好，但還是存在不均勻的現象，如圖5所示。

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

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

本文設計的LED燈為長條形結構，采用RBWW燈珠作為光源，將燈珠旋轉一定角度，沿著燈珠的對角線方向放置在PCB電路板上，使燈珠軸向對稱，以軸向為X方向，縱向為Y方向，其結構如圖6(b)所示，此排布方式在Y方向能夠實現光質的對稱分布。

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方向左側為紅光芯片，右側為藍光芯片，因此，還是會出現光質偏差現象，此方向上光分布不均問題可通過LED燈珠的陣列設計進行改善，本文選取適當的LED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方向上的光質分布均勻性。

LED燈珠連接時各光質芯片以6個串聯為一組，各組之間并聯。LED燈珠芯片發光角為169°，經過封膠、透鏡的二次光學設計，最終的半光強角度約90°，經過陣列設計確定各燈珠間距5.1 cm，封裝后的LED植物燈如圖8所示。此封裝結構既能實現Y方向的光質對稱，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整燈結構示意圖Fig.8 LED whole lamp structure

為了探究RBWW燈珠陣列的各光質分布特性，通過Tracepro軟件對RBWW燈珠陣列的紅、藍、暖白光照分布進行仿真。設置LED燈珠各光質的光譜參數以及封膠、透鏡等燈具的相關光學參數，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了基本對稱，說明了RBWW燈珠結構在Y方向上能夠實現光質的對稱分布。

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，每種光質的驅動電流均為1.8 A，由于RBWW燈珠兩側均是暖白光芯片且為保證光質對稱，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方向對應，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，在Y方向偏向上側；而圖10(b)中RBWW燈珠在X方向偏向左側，在Y方向基本無偏移。對比發現，在Y方向上RBWW燈珠的紅光實現了光質對稱分布，而RBWF燈珠的紅光分布發生了偏移，這說明在Y方向上RBWW燈珠的紅光光質分布比RBWF燈珠的紅光光質分布更好。

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，在Y方向偏向下側；圖11(b)中RBWW燈珠的藍光PPFD分布在X方向偏向左側，在Y方向基本無偏移。對比發現，在Y方向上，RBWW燈珠的藍光實現了光質對稱分布，而RBWF燈珠的藍光分布發生了偏移，這說明在Y方向上RBWW燈珠的藍光光質分布比RBWF燈珠的藍光光質分布更好。

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，在Y方向偏向上側；圖12(b)中RBWW燈珠在X方向與Y方向基本無偏移。對比發現，RBWW燈珠的暖白光光質在X、Y方向上均實現了光質對稱，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分布比RBWF燈珠的暖白光光質分布更好。

通過兩燈珠的各光質PPFD分布對比，可以看出RBWW燈珠的光質分布優于RBWF燈珠的光質分布，且RBWW燈珠各光質分布在Y方向基本一致，均實現了光質對稱。

由于RBWW燈珠結構位于兩側的暖白光芯片在X方向上實現了光質對稱分布，而紅光PPFD光分布會偏左側一些，藍光PPFD分布會偏右側一些。可以按照圖7所示的方法解決，通過對LED整燈的排布設計，將相鄰燈珠的藍、紅芯片光線偏移部分進行疊加，最終實現X方向上光質分布的高均勻性。綜上所述， RBWW燈珠植物燈在X方向能實現光質分布高均勻性，在Y方向實現光質的對稱分布，在有效光照區域內植物受到的光質比基本相同。

3 種植區域光照強度均勻性分析

光源在指定方向上單位立體角內所發射的光通量稱之為發光強度，單位是坎德拉(cd)。可以用光通量dΦ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域的形狀。其發光強度函數表達近似滿足Lambertian余弦定律[13]：

I=I0·cosmφ

(6)

(7)

本文設計的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時各光質光照均勻度

表2 Y=40 cm時各光質光照均勻度

表3 Y=48 cm時各光質光照均勻度

從表1～表3中可以看出，三種光質在同一高度下、相同種植區域內光照均勻度大致相同，說明光質的不同基本不影響光照強度的均勻性。從光照均勻度的數據變化來看，在同一Y坐標下，隨著X方向的距離降低，種植區域面積隨之減少，光照均勻度呈現出不斷增長的趨勢，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，因此越到中心區域，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 結語

本文在基于RBWF燈珠的基礎上進行改進，設計了由紅、藍、暖白光芯片組成(RBWW) 的四芯片LED燈珠。將其旋轉一定角度置于PCB電路板上，使之沿對角線對稱，經過二次光學設計，得到了適宜的出光角度，輸出光更加柔和，結合LED陣列設計，改善了光質的分布，最終LED的半光強角為90°。比起RBWF燈珠，光斑現象更少，光質分布更加均勻，能夠實現Y方向上的光質對稱，提高X方向上的光質分布均勻性。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光質均勻性方面，通過進行實驗驗證以及設置RBWF燈珠對照組進行對比，證實了紅、藍、暖白光三種光質在Y方向實現了對稱分布，X方向上整體光質均勻性提高，驗證了RBWW燈珠結構是優于RBWF燈珠的。此外，針對本文設計的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。