溶洞中抑制藻類生長的類日光光源設計

孫 文 良， 于 慧 媛， 吳 江， 呂 凝， 曹 冠 英，楊 軼， 黨 春 岳， 鄒 念 育

( 1.大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 遼寧 大連 116034；2.深圳市千百輝照明工程有限公司， 廣東 深圳 518057 )

0 引 言

藻類是一種地球上最早出現(xiàn)且廣泛分布的植物。由于人工照明在溶洞中的應用，導致在有些溶洞的表層，發(fā)現(xiàn)了很多藻類生物[1-2]。而這些藻類在生長發(fā)育過程中會分泌鈣質(zhì)，使石鐘乳迎著光線向上彎曲生長，損壞溶洞景觀[3-4]。

本研究利用光譜疊加原理得到基于白光LED的擬合日光光譜的最優(yōu)組合方案，結合易于藻類生長的光譜，去掉對應波長，得到抑制藻類生長的類日光方案；利用TracePro軟件進行仿真模擬得出光源的色溫、色坐標及顯色指數(shù)，使得混合出來的光即能滿足照明需求又能達到類日光特性的色度學參數(shù)。

1 光譜設計

1.1 白光LED的光學仿真

通過白光的連續(xù)波長，補償單色LED的各種單一波長來模擬出人眼舒適的日光，所以對于補償單色光的白光LED的設計是必不可少的一部分[5]。圖1即為所選白光的光譜。

圖1 白光光譜

1.2 類日光最佳擬合方案

利用圖1的典型白光光譜，結合前期建立的104種單色LED數(shù)據(jù)庫[6]，采用最小二乘法優(yōu)化得擬合日光光譜在380～780 nm可見光范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，得到31種單色LED加白光LED的最佳擬合方案[7]。

1.3 抑制藻類生長的光譜設計

適宜藻類生長的光譜如圖2所示[9]，可知適宜藻類生長的波長集中在400～500 nm(藍色)和600～700 nm(紅色)之間。所以要抑制藻類生長，采用減法原則，在類日光最佳擬合參數(shù)中去掉所選的相應波長，得到除白光外12種單色光，參數(shù)如表1所示。

圖2 適宜藻類生長光譜

表1 抑制藻類生長方案及參數(shù)

結合圖1和表1，得到抑制藻類生長的光譜。圖3分別給出三個光譜的對比，曲線1為設計的抑制藻類生長光譜，曲線2為日光光譜，曲線3為白光LED光譜。通過計算得到，抑制藻類生長光譜中適宜藻類生長的光譜波段(400～500和600～700 nm)占總光譜的比例為36.89%；日光光譜中適宜藻類生長的光譜波段占總光譜的比例為54.54%；白光LED光譜中適宜藻類生長的光譜波段占總光譜的比例為47.41%。因此，相比日光及白光LED，設計的抑制藻類生長光譜對藻類生長有一定的抑制作用。

圖3 三種光譜對比圖

2 光學設計

運用光學設計軟件TracePro對抑制藻類生長的光譜及最佳組合方案得到的13種波長的燈珠進行設計。

2.1 燈珠排列方式

針對表1，白光與其余12種單色光共需23顆燈珠，為了簡化光源設計的操作性，本次設計用1 mm×1 mm×0.1 mm的幾何體代表燈珠，采用圓周排列的方式進行排列，如圖4所示，第一圈是半徑為2 mm的4種表1中對應序號波長的光源，第二圈為半徑為4 mm的8種表1對應序號波長的光源。為了使12顆光源均勻分布在中心白光光源四周，第一圈每種波長的光源間隔90°，第二圈每種波長光源的間隔為45°。

圖4 燈珠排列位置

2.2 色度學參數(shù)

由圖5可以看出，色溫5 988 K在等溫線上，色坐標為(0.322 3，0.331 7)，接近等能白點E(0.333 3，0.333 3)。光學仿真結果顯色指數(shù)為83.5。以上色度學參數(shù)均優(yōu)于白光LED。

圖5 擬合藻類生長的白光色坐標圖

3 結 論

針對目前溶洞中藻類生長問題，結合人眼最舒適的日光光源，設計了抑制藻類生長的類日光光譜，利用TracePro軟件對白光光譜采點得到單色白光色溫6 012 K，色坐標(0.320 2，0.355 1)，顯色指數(shù)70.5。通過適宜藻類生長的光譜結合類日光光源，運用減法原則，得出的仿真結果為，色溫5 988 K，色坐標為(0.322 3，0.331 7)，顯色指數(shù)為83.5。本次設計針對溶洞照明中的功能性照明，研究得出的抑制藻類生長的類日光光源色度學參數(shù)相較于白光的色度學參數(shù)好，不僅滿足舒適性照明的需求，對溶洞旅游資源也起到了一定的保護作用。