LED植物組培陣列的設(shè)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(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

近年來，LED被廣泛應(yīng)用在植物光源領(lǐng)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(yīng)用中通常將多個不同光質(zhì)的LED組成陣列來達(dá)到所需的發(fā)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(jīng)過合理的陣列設(shè)計才能實現(xiàn)在照射范圍內(nèi)各光質(zhì)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(xué)模型的建立和理論分析

1.1 光學(xué)模型的建立

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

當(dāng)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(fā)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(biāo)系中表示，設(shè)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(dá)為[2]：

式中：x、y、z分別表示光照區(qū)域的三維立體坐標(biāo)；m是LED的特性參數(shù)，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(fā)光面積，m2；x0、y0、z0表示點光源坐標(biāo)。

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(dāng)2個峰值逐漸遠(yuǎn)離最大平坦距離時，中心將出現(xiàn)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(shù)、異排布的單色LED陣列的光輻照度分析

將不同LED陣列參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為LED與探測面之間的距離z=200 mm，參數(shù)m取值81，LED的個數(shù)n=16，并對3種典型的LED陣列(方形陣列、三角形陣列及環(huán)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(jù)斯派羅法則，并把已知參數(shù)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(nèi)的輻射照度非常均勻，隨著距離的變化，總輻射照度值相應(yīng)的下降，但在-75～75 mm 范圍內(nèi)的中心光輻照度高于75%。

1.3.2 三角形陣列 設(shè)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(jié)果(圖4)可知，三角形陣列所產(chǎn)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(huán)形陣列 設(shè)內(nèi)環(huán)半徑為r1，外環(huán)半徑為r2?？傒椛湔斩菶可表示為：

通過計算可得r1=29.8 mm，r2=66.3 mm。由輻照結(jié)果(圖5)可知，環(huán)形陣列產(chǎn)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(nèi)，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(shè)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(shù)照明中得到廣泛的應(yīng)用；環(huán)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(nèi)，有良好的集光效果，因此在機器視覺中得到廣泛的應(yīng)用[3]；與三角形陣列和環(huán)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(guī)律分布不同光質(zhì)LED燈珠的優(yōu)勢，從而更適合應(yīng)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(diào)[4]的多層架。采用模塊化陣列式設(shè)計理念，將若干個單元模塊排列組合形成平面模塊，進而達(dá)到快速安裝維護以及拓展的目的。該方法可突破傳統(tǒng)的點、線光源技術(shù)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(zhì)的搭配更靈活。不同光質(zhì)的LED獨立驅(qū)動，驅(qū)動方式可按需選擇，可用定光強驅(qū)動模塊驅(qū)動，或者使用具有調(diào)光功能的驅(qū)動模塊對光質(zhì)比進行調(diào)整，以滿足植物不同生長時期的光照需求。

2.2 LED光質(zhì)及功率選擇

紅光、藍(lán)光是植物正常生長發(fā)育、完成生活史的必需光質(zhì)，目前大多設(shè)計都是紅光和藍(lán)光的搭配。為保證植物生長發(fā)育與其產(chǎn)量、品質(zhì)，有時需要在紅藍(lán)組合光的基礎(chǔ)上補加一些特殊光質(zhì)成分，可稱之為有益光質(zhì)，包括紅藍(lán)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(lán)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(lán)光+紅光(RGB)的光處理，與冷白光熒光燈和紅藍(lán)光LED復(fù)合光處理相比，RGB處理的生菜干鮮質(zhì)量、葉面積及干物質(zhì)積累都是最優(yōu)的，且外觀品質(zhì)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(tài)建成和光合作用的影響，結(jié)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(lán)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(rèn)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(shè)施蔬菜的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)十分重要。紫外光的利用與調(diào)節(jié)對保障植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)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(huán)境內(nèi)補充UV輻射的技術(shù)，能減少化學(xué)方法導(dǎo)致的蔬菜徒長，對于改善蔬菜品質(zhì)有良好的效果，是生產(chǎn)綠色有機食品的重要保證。但高劑量的 UV-B輻射也會引發(fā)植物光合作用的一些負(fù)面響應(yīng)，抑制植物的生長發(fā)育。為保證紫外光的調(diào)控效果，可采用短期小劑量應(yīng)用以及間歇式反復(fù)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(fā)育，但生物學(xué)效應(yīng)較小[9]。目前，植物光源一般都是紅藍(lán)光組合光源，缺乏紫外光譜組成。本設(shè)計加入綠光LED及紫外LED，可為植物提供更科學(xué)、更全面的光環(huán)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(xué)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(yōu)勢不明顯。從目前大功率LED的技術(shù)水平來看，1 W光效比較高，節(jié)能優(yōu)勢明顯。因此本設(shè)計采用1 W的窄帶LED，紅光與藍(lán)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(zhì)LED的輻照度模擬分析

在植物的自然生長過程中，紅藍(lán)光質(zhì)比例一般在4 ∶1～9 ∶1之間[10]，因此在確定紅藍(lán)燈珠數(shù)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(xiàn)。燈珠間距的設(shè)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(xué)模擬軟件TracePro分別對不同光質(zhì)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(lán)光各自在探測面的輻照度分析模擬結(jié)果見圖7至圖10。

由圖7至圖10可以看出，紅、藍(lán)、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(diào)控和殺菌消毒，只是按需開啟，所以并不影響達(dá)到預(yù)期目的。紅光LED在-80～80 mm范圍內(nèi)大體上可達(dá)到最大輻照度的80%及以上。藍(lán)光和綠光LED在-60～60 mm范圍內(nèi)整體上也均能達(dá)到最高光照的70%以上。本設(shè)計燈珠間距受其他因素(如基板尺寸)影響未達(dá)到理論最大平坦化條件，但仍在很大程度上使各種光質(zhì)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(tài)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(shè)計可實現(xiàn)快速安裝、更換和拓展LED燈珠的目的，使用方便。

3 結(jié)論

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

[1]黃啟祿，吳逢鐵，范丹丹. 均勻照明的發(fā)光二極管陣列仿真與對比分析[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，33(1)：13-16.

[2]王 洪，張奇輝，王海宏，等. 近場照度均勻的LED陣列設(shè)計[J]. 光學(xué)與光電技術(shù)，2009，7(5)：78-83.

[3]李征明，于 輝，紀(jì)建偉. 用于溫室植物補光的LED組合光源的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，27(3)：454-459.

[4]牛萍娟，唐曉新，張文彬，等. 植物生長用LED光源模組設(shè)計[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，34(3)：47-51.

[5]何 蔚，楊振超，蔡 華，等. 光質(zhì)調(diào)控蔬菜作物生長和形態(tài)研究進展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2016，18(2)：9-18.

[6]Kim H H，Wheeler R M，Sager J C，et al. Light-emitting diodes as an illumination source for plants：a review of research at Kennedy Space Center[J]. Habitation，2005，10(2)：71-78.

[7]Johkan M，Shoji K，Goto F，et al. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis inLactucasativa[J]. Environmental and Experimental Botany，2012，75(75)：128-133.

[8]鄭曉蕾，丸尾達(dá)，朱月林. 植物工廠條件下光質(zhì)對散葉萵苣生長和燒邊發(fā)生的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(6)：270-272.

[9]劉文科，楊其長. 紫外光在植物工廠中的分布特征及應(yīng)用前景[J]. 科技導(dǎo)報，2014，32(10)：29-31.

[10]李加利，劉繼展，李萍萍. 溫室光環(huán)境及其在立柱栽培中的應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(1)：383-386.

[11]朱 舟，應(yīng)盛盛，胡洪鈞，等. LED植物光源陣列光照分布及均勻性研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，27(8)：1489-1493.