高照明均勻度倒置型LED植物光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜昕宇， 文尚勝,2*， 馬丙戌， 盧允樂， 蔡明興

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

1 引 言

目前，人們對(duì)土地資源大規(guī)模開發(fā)，造成土地資源緊缺。只依靠傳統(tǒng)種植技術(shù)越來(lái)越難滿足人們對(duì)農(nóng)作物的需求[1]。為了滿足日益擴(kuò)大的對(duì)于糧食和作物的需求，植物工廠應(yīng)運(yùn)而生并逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)渠道。植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年工廠化生產(chǎn)的系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，大幅度提高產(chǎn)量，是通過智能控制系統(tǒng)精確控制作物生長(zhǎng)過程中的環(huán)境溫度、濕度、光照條件(光強(qiáng)，光譜，光質(zhì))、二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng)液種類和濃度等條件，使設(shè)施內(nèi)植物生長(zhǎng)不受或很少受外界自然條件制約的生產(chǎn)方式[2]。在所有受控條件中，作為光合作用的必要因素，光是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵，起到調(diào)控植物生長(zhǎng)和代謝的作用，所以提高光源對(duì)植物照明的性能尤為重要[3]。 植物對(duì)藍(lán)紫光(400～510 nm)、紅橙光(610～720 nm)反應(yīng)最為敏感，其中可吸收的波長(zhǎng)主要集中在藍(lán)紫光段(波峰為 450 nm)和紅橙光段(波峰為 660 nm)[4]，因此傳統(tǒng)植物照明主光源多采用紅藍(lán)光光源。隨著LED技術(shù)逐漸完善，其節(jié)能環(huán)保、色純度高、可自動(dòng)控制等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，逐漸替代傳統(tǒng)熒光燈成為植物照明的主流光源。但由于LED為點(diǎn)光源，因此在植物工廠培養(yǎng)架光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要充分考慮其合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，以求獲得較均勻照度分布和光譜分布。然而，目前的植物照明光學(xué)系統(tǒng)依舊多采用粗放的陣列型LED光學(xué)設(shè)計(jì)方式[5]，并且空間上為光源位于種植面上方的“上光下植”種植模式，由于植物工廠單位植株的種植空間有限，這種光學(xué)系統(tǒng)由于混光距離短難以在有限的空間內(nèi)獲得較高的照度和光譜均勻度，致使受照植株表面出現(xiàn)局部過亮或者過暗以及光譜分布不均勻的問題。這將導(dǎo)致植株生長(zhǎng)狀態(tài)差異較大，同一批次出產(chǎn)作物品質(zhì)參差不齊，并對(duì)整體種植系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)控帶來(lái)困難。

為了解決上述問題，我們采用光源和種植平面在同側(cè)的“倒置”光源的光學(xué)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)將紅、藍(lán)LED陣列光源安裝在植物種植面上三棱柱的側(cè)面，借助棱柱面實(shí)現(xiàn)對(duì)光源初射光線的調(diào)整，并把頂面設(shè)計(jì)成反射面，通過反射在有限的空間內(nèi)增大混光距離，將光線耦合程度最大化，獲得均勻的照明效果。研究過程借助TracePro光學(xué)模擬軟件對(duì)所提出光學(xué)模型模擬仿真其照明效果，并以光量子通量密度均勻性衡量照度分布情況，以混色均勻度代替光譜均勻度衡量光譜分布情況。進(jìn)一步利用Taguchi方法設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程。Taguchi方法是一種聚焦于最小化過程變異或使產(chǎn)品、過程對(duì)環(huán)境變異最不敏感的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可設(shè)計(jì)出環(huán)境多變條件下能夠穩(wěn)定和優(yōu)化操作的高效方法。該方法由日本田口玄一提出，在設(shè)計(jì)含有多變量多水平的實(shí)驗(yàn)中，通過結(jié)合正交表、計(jì)算方差值等，能有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率[6-7]。并可結(jié)合變異數(shù)分析(Analysis of variance，ANOVA)進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到最優(yōu)光學(xué)設(shè)計(jì)方案。

2 基于光量子學(xué)的植物光源理論分析

2.1 照度與光量子通量密度的關(guān)系

普通室內(nèi)照明常采用照度和照度均勻度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。照度是光度學(xué)量，光度學(xué)量是一個(gè)經(jīng)過人眼視覺響應(yīng)函數(shù)修正的參數(shù)，用來(lái)表示人眼對(duì)光的響應(yīng)[8]；而光量子通量密度(Photosynthetic photon flux density，PPFD)則用來(lái)描述植物對(duì)光的響應(yīng)，光量子通量密度即單位時(shí)間單位面積所通過的光子數(shù)，單位為μmol·s-1·m-2。與光通量對(duì)應(yīng)的則是光量子通量(PPF)，光量子通量表示單位時(shí)間光源發(fā)射的光子數(shù)目，用來(lái)衡量植物照明領(lǐng)域的照明效果，單位為μmol·s-1。

光量子通量密度(PPFD)KPPFD的計(jì)算公式是將單位面積內(nèi)的Φe,λ(波長(zhǎng)λ下的輻射通量)對(duì)波長(zhǎng)λ在可見光波段求積分再除以該波長(zhǎng)單個(gè)光子所對(duì)應(yīng)的能量，即

(1)

其中Ee,λ由Φe,λ除以面積得到，nA為阿伏伽德羅常數(shù)6.02×1023，h為普朗克常量，c為光速,λ為波長(zhǎng)?？梢姽夥秶鷥?nèi)，光學(xué)量和輻射量有如下關(guān)系：

(2)

式中ΦV為光的視覺通量，V(λ)為白晝視覺光效率，km為常數(shù)，CIE體系給出其值為683 lm·W-1。結(jié)合公式(1)、(2)，可得到PPFD與照度EV(lx)之間存在如下關(guān)系：

(3)

進(jìn)一步采用差分離散求和，并用歸一化光譜分布曲線Nλ代替Φe,λ，可得：

(4)

在目標(biāo)平面上某一點(diǎn)P處產(chǎn)生的KPPFD值為：

(5)

將PPFD在目標(biāo)平面上的均勻度記為α，表示為：

(6)

因采用的LED為紅藍(lán)兩色燈珠，其光譜范圍可經(jīng)儀器測(cè)得，進(jìn)一步可準(zhǔn)確計(jì)算出EV和PPFD之間的關(guān)系系數(shù)k值，PPFD在目標(biāo)平面的均勻度為：

(7)

其中k被記為krb,為常量，由公式(7)看出，PPFD可以由照度值代替。PPFD難以測(cè)量而照度便于測(cè)量，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，下文將采用九點(diǎn)取樣法測(cè)量照度值來(lái)代替PPFD。

2.2 混色均勻度

在格拉茲曼定律中，可以知道人眼對(duì)于顏色相同的光，即使光譜組成成分不同，響應(yīng)也相同。而植物對(duì)于不同的光更加敏感，用不同光譜組成的光源照射植物，植物生長(zhǎng)狀況也不同。根據(jù)色度學(xué)原理與光度-色度轉(zhuǎn)化關(guān)系，混色均勻度能夠代表植物光源光譜分布的均勻程度，因此在接受面即植物種植點(diǎn)的混色均勻度也是影響植物生長(zhǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵因素?；焐珕栴}中，我們常采用色度學(xué)CIE1976體系，色坐標(biāo)以(u，v)表示，混色均勻度定義為樣本點(diǎn)色坐標(biāo)(u，v)的差異，用各個(gè)樣本點(diǎn)色坐標(biāo)的均方根值來(lái)表示。均方根值越小，則說(shuō)明色坐標(biāo)差異越小，混色均勻度越高?；焐鶆蚨鹊挠?jì)算公式如下[9-12]：

(8)

(9)

其中M為樣本點(diǎn)的數(shù)目，k1對(duì)應(yīng)Δu′v′rms取最小、Ucolor為90%時(shí)計(jì)算出來(lái)的數(shù)值。

3 植物光源理論分析

3.1 植物培養(yǎng)架模型介紹

植物培養(yǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，三棱柱的側(cè)面貼附紅藍(lán)相間的LED，三棱柱的兩側(cè)為種植位面,借助棱柱面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源出射光線的調(diào)整，并且棱柱面的坡度可以調(diào)整光線的出射角度，從而有效地減少植物長(zhǎng)高后對(duì)光線的遮擋。培養(yǎng)

圖1 植物培養(yǎng)架結(jié)構(gòu)

架每層頂部為漫反射板，用來(lái)增加光線傳播路徑從而增強(qiáng)光線耦合程度，以提高混光混色的均勻度。

3.2 理論分析

如圖1和圖2所示，本實(shí)驗(yàn)中所涉及的參量主要有種植面的寬度L、頂部反射板到種植面的高度H、放置LED的三棱柱的高度d和寬度D(D為固定值50 mm)的比值h及相鄰兩LED的間距l(xiāng)，對(duì)單個(gè)朗伯型LED光源進(jìn)行分析，光線主要分為直射和反射兩部分，由于反射光占大部分，在這里主要討論反射部分。

圖2 植物培養(yǎng)架局部平面圖及涉及參數(shù)

Fig.2 Local section and parameters involved of the plant growing shelf

對(duì)于反射部分，由祝振敏等[13-14]的研究得出，入射至高漫反射面的光源可看作次朗伯光源，光線照射至漫反射板上任一點(diǎn)P，P點(diǎn)的照度為：

(10)

向發(fā)光強(qiáng)度If成正比，照射至種植位點(diǎn)的光強(qiáng)為

(11)

其中ω為次朗伯光源出射光線與法線夾角。由公式(10)、(11)可以看出，植物架結(jié)構(gòu)參數(shù)H(頂部反射板到種植面的高度)、h(三棱柱的高度d和寬度D的比值)和L(種植面的寬度)都對(duì)種植位點(diǎn)照度有影響。而由色度光度關(guān)系可知，對(duì)色坐標(biāo)也會(huì)產(chǎn)生影響[7]，進(jìn)一步地影響照度均勻度及混色均勻度。紅藍(lán)LED在三棱柱上的排列方式和相鄰LED的距離會(huì)影響不同色光的耦合程度，直接導(dǎo)致混色均勻度的變化，而LED的間距變化會(huì)通過影響照度的疊加程度進(jìn)一步影響發(fā)光強(qiáng)度。因此，我們把H、h、L、LED的間距以及LED的排列方式作為變量進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定5個(gè)影響因子：種植面的寬度L、頂部反射平面鏡到種植面的高度H、放置LED的三棱柱高寬比h、相鄰兩LED的間距l(xiāng)、錐形臺(tái)上LED排列方式S，每個(gè)影響因子取5個(gè)水平，其中S因子取4個(gè)水平。如果采取單一變量法，則需設(shè)置55組實(shí)驗(yàn)。這里我們利用Taguchi方法，通過正交表和計(jì)算方差值，在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)組數(shù)，選取L25(56)正交矩陣，即分為25組實(shí)驗(yàn)，所選定的水平及因子，如表1所示。其中X1、X2、X3、X4如圖3所示。

表1 植物培養(yǎng)架影響因子及其控制標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)過程借助TracePro軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)的規(guī)定[15]，并與植物生長(zhǎng)對(duì)光源的要求相結(jié)合，在模擬過程中，設(shè)置紅光LED的波長(zhǎng)為640 nm,藍(lán)光LED的波長(zhǎng)為460 nm。由于藍(lán)光的明視函數(shù)值小于紅光，為了使模擬更符合實(shí)際，設(shè)置藍(lán)光 LED 芯片為45 lm/W，紅光 LED 芯片為90 lm/W。功率均分別設(shè)定為 2 W 和 1 W，每個(gè)芯片發(fā)出10 000條光線。S/N值是數(shù)量化品質(zhì)特性的方法，依據(jù)品質(zhì)特性的需求，存在望大特性和望小特性，望大特性即品質(zhì)特性越大越好，望小特性為越小越好[16]。本實(shí)驗(yàn)中的照度即為望大特性，S/N值的公式為[17]：

圖3 排列方式S示意圖

(12)

其中yi表示第i個(gè)品質(zhì)特性，n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。將影響因子及水平帶入L25(56)正交矩陣，由于排列方式只有4種，所以只用進(jìn)行20組實(shí)驗(yàn)。利用TracePro模擬仿真并計(jì)算，采用九點(diǎn)取樣法測(cè)出照度及色度，計(jì)算出種植面照度均勻度以及混色均勻度(k=16.96)，來(lái)表示光源的PPFD的均勻度和光譜的均勻度，并根據(jù)公式(12)計(jì)算出照度的S/N值及色度均勻度的S/N值，如表2所示。

表2 采用L25(56)正交表實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的照度和色度均勻度及其S/N值

Tab.2 Illumination uniformity and color-mixed uniformity and theirS/Nby using L25(56) Orthogonal table experimental design

序號(hào)ABCDE照度均勻度/%混色均勻度/%照度均勻度的 S/N混色均勻度的 S/N11111189.41585.44339.02838.63421222283.45090.00038.42839.08531333379.70378.32338.02937.87841444480.52680.79138.11838.14751555562123480.65086.93538.13238.78472234582345180.56854.53638.12334.73492451279.09680.03837.96338.893102512376.56141.54537.68032.370113135275.17167.97737.52136.647123241378.13242.29537.85632.526133352473.35584.69137.30838.5571434135

表2(續(xù))

為了獲得最優(yōu)解，將各因子的S/N值進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)并繪制如圖4所示的各影響因子S/N的統(tǒng)計(jì)圖，并根據(jù)望大特性選取各因子中S/N值最大的水準(zhǔn)組合，形成初步最優(yōu)解。

圖4 各因素水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的S/N值。(a)照度均勻度的S/N值；(b)混色均勻度的S/N值。

為了得到高照度均勻度和混色均勻度，需要根據(jù)圖4進(jìn)一步分析。其中影響因子A、C、D照度均勻度的S/N值與混色均勻度的S/N值同時(shí)在A1、C1、D1取得最高，而對(duì)于影響因子B而言，B2對(duì)應(yīng)著照度均勻度最大，B3對(duì)應(yīng)著混色均勻度最大，但B2、B3在照度均勻度上的差異很小而在混色均勻度上的差異很大，因此選擇B3；對(duì)于影響因子E而言，E1與E2在照度均勻度上的差距不大，而E2的混色均勻度要遠(yuǎn)好于E1，所以選擇E2。綜上所述，可初步認(rèn)定A1B3C1D1E2的組合為最優(yōu)解，建模仿真后可得到圖5，其中A1B3C1D1E2結(jié)構(gòu)的照度均勻度為89.78%，混色均勻度為89.16%。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)：種植面的寬度L=100 mm，頂部反射平面鏡到種植面的高度H=400 mm，放置LED的三棱柱高寬比h=0.25，相鄰兩LED的間距l(xiāng)=10 mm，錐形臺(tái)上LED排列方式S為X2。

4.2 變異數(shù)分析

變異數(shù)分析(Analysis of variance，ANOVA)法是用來(lái)評(píng)估實(shí)驗(yàn)誤差并以百分?jǐn)?shù)的方式協(xié)助判斷各影響因子對(duì)品質(zhì)特性的貢獻(xiàn)度的方法[6]。只有當(dāng)因子效應(yīng)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)誤差時(shí)，該影響因子才是重要的。只有“重要性”達(dá)到一定程度，才能被用在預(yù)測(cè)的公式中，其他不太重要的因子效應(yīng)當(dāng)作偶然事件來(lái)處理。“重要性”的強(qiáng)弱程度通過參量ρ[18-19]來(lái)表示：

(13)

其中SSd和S′Sd表示方差和，SSe為錯(cuò)誤方差和(由于實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，可近似認(rèn)為SSe為0)。SSd由S/N的方差和表示為[5]：

(14)

圖5A1B3C1D1E2結(jié)構(gòu)吸收面所對(duì)應(yīng)的照度、色度、全彩混色分布圖。(a)照度分布圖；(b)色度分布圖；(c)全彩混色圖。

Fig.5 Illumination map， chromaticity map and the final color-mixed map of the absorption surface of theA1B3C1D1E2 optical structure. (a) Illumination map of the absorption surface. (b) Chromaticity map of the absorption surface. (c) The final color-mixed map of the absorption surface.

表3 各因子對(duì)照度均勻度和混色均勻度的貢獻(xiàn)率

Tab.3 Contribution of different factors to illumination uniformity and mixed-color uniformity

影響因子對(duì)照度均勻度的貢獻(xiàn)率/%對(duì)混色均勻度的貢獻(xiàn)率/%A61.5038.15B26.308.01C9.644.00D1.7911.96E0.7637.86

由表3可看出，對(duì)照度均勻度、混色均勻度貢獻(xiàn)大的影響因子為A、E。先保持B、C、D、E的值為B3C1D1E2不變，對(duì)A因子進(jìn)行細(xì)分取10個(gè)水準(zhǔn)，利用TracePro模擬仿真，測(cè)量計(jì)算照度均勻度及混色均勻度(k=19.32)，如圖6所示。

圖6 均勻度隨A因子的變化曲線

從圖中得出A因子在等于90 mm時(shí)混色均勻度和照度均勻度均達(dá)到最大值,所以我們?nèi)=90 mm、B=400 mm、C=0.25、D=10 mm，然后繼續(xù)細(xì)分E因子。將左右兩邊LED的排列位置繼續(xù)細(xì)分，分別取兩邊LED的中心對(duì)稱、錯(cuò)開1，2，3，4，5，6，7，8，9 mm 10個(gè)水準(zhǔn),依次命名為水準(zhǔn)1到水準(zhǔn)10。利用TracePro建模,采用九點(diǎn)取樣法計(jì)算種植面的照度均勻度和混色均勻度(k=19.32)，并且繪制圖形如圖7所示。

圖7 均勻度隨E因子的變化曲線

從圖中可得因子E在水準(zhǔn)1時(shí)照度均勻度和混色均勻度均取得最大值，因此該植物培養(yǎng)架的最優(yōu)解為種植面的寬度L=90 mm、頂部反射平面鏡到種植面的高度H=400 mm、放置LED的錐形臺(tái)的寬高比h=0.25、相鄰兩LED的間距l(xiāng)=10 mm、錐形臺(tái)上LED排列方式S為X2，得到照度均勻度為94.30%、混色均勻度為90.00%的模型，經(jīng)過TracePro模擬仿真后如圖8所示。

然后更換最優(yōu)解燈珠型號(hào)，研究采用不同配光曲線的燈具是否會(huì)對(duì)均勻度有影響。燈具的配光曲線如圖9所示，左圖為最優(yōu)解的燈具的配光曲線，中間和右圖為更換燈具后的配光曲線。經(jīng)過仿真得到照度圖如圖10所示，計(jì)算得到照度均勻度分別為94.80%(圖(a)左)、95.21%(圖(a)右)，混色均勻度分別為89.87%(圖(b)左)、89.97%(圖(b)右)。因?yàn)楦鼡Q的光源有更大的出射角度，分光更加均勻，經(jīng)過光線耦合后均勻度會(huì)更高，但是變化幅度不大?；究梢哉J(rèn)為光源的配光分布不會(huì)對(duì)培養(yǎng)架均勻度產(chǎn)生較大影響。

圖8 植物培養(yǎng)架最終優(yōu)化結(jié)果的照度、色度、全彩圖。(a)植物培養(yǎng)架最終優(yōu)化結(jié)果的照度圖；(b)植物培養(yǎng)架最終優(yōu)化結(jié)果的色度圖；(c)植物培養(yǎng)架最終優(yōu)化結(jié)果的全彩圖。

Fig.8 Illumination map, chromaticity map, and the final mixed-color map of the final optimization result of plant growing shelf.(a) Illumination map of the final optimization result of plant growing shelf. (b) Chromaticity map of the final optimization result of plant growing shelf. (c) The full color map of the final optimization result of plant growing shelf.

圖9 配光曲線圖

圖10 植物培養(yǎng)架照度圖和全彩圖

4.3 遮擋檢測(cè)

要想保證植物在各個(gè)生長(zhǎng)階段都能健康成長(zhǎng)，就要求植物培養(yǎng)架在不同高度的水平面上照度均勻度和混色均與度都很好。所以需利用得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)研究在植物生長(zhǎng)過程中植物體表面照度和色度的分布情況，檢測(cè)是否存在植物遮擋光源的問題。如圖11所示，我們用倒三棱柱模擬植物，先將倒三棱柱放置在培養(yǎng)架的中間，逐漸增大倒三棱柱的高度來(lái)模擬植物的生長(zhǎng)過程，再用TracePro對(duì)設(shè)計(jì)的培養(yǎng)架進(jìn)行模擬測(cè)試，由于光源距離種植面有一定的高度，在育苗階段并不存在遮擋問題。隨著植物的長(zhǎng)高，僅僅測(cè)量種植面的均勻度已經(jīng)不能體現(xiàn)培養(yǎng)架的照明情況，應(yīng)當(dāng)測(cè)量植物表面的受照情況。所以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試植物高度在20～200 mm時(shí)種植面和倒三棱柱頂面(代表植物體正上方的受照情況)及側(cè)面(代表植物體側(cè)面葉片的受照情況)的均勻度(k=19.32)，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。由圖中的數(shù)據(jù)可以看出，在0～120 mm的高度范圍內(nèi)，培養(yǎng)架種植面及植物頂面和側(cè)面的照度均勻度和混色均勻度均維持在85%以上，雖然隨著植物長(zhǎng)高，培養(yǎng)架的均勻度略有下降，但仍有較高均勻度，基本可以忽略植物遮擋光源問題。然后測(cè)量倒三棱柱放置在不同位置時(shí)種植面和倒三棱柱頂面及側(cè)面的均勻度。由于培養(yǎng)架左右對(duì)稱，并且考慮到模型移動(dòng)太多會(huì)導(dǎo)致倒三棱柱在高度增加過程中其邊緣觸碰到培養(yǎng)架側(cè)壁，所以實(shí)驗(yàn)只將倒三棱柱左移10 mm和20 mm，結(jié)果如表4、5所示。從表中可以看到左移對(duì)于較矮的模型基本沒有影響，當(dāng)模型變高后因?yàn)槟Ｐ偷倪吘壐淤N近培養(yǎng)架側(cè)壁，對(duì)光的遮擋更多，均勻度會(huì)下降，但是幅度不大，仍然具有很高的均勻度。在實(shí)際應(yīng)用中，植物如果種植在偏離中心的位置可能會(huì)導(dǎo)致相鄰種植面植物發(fā)生交疊，影響植物生長(zhǎng)，所以將植物種植在種植面中心可以獲得更均勻的光照，并且更加美觀。綜上所述，該培養(yǎng)架在育苗和培養(yǎng)幼苗方面有很好的效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖11 模擬植物生長(zhǎng)模型

圖12 植物不同高度時(shí)的照度均勻度及混色均勻度。(a)照度均勻度；(b)混色均勻度。

Fig.12 Illumination uniformity and color uniformity at different heights of plants. (a) Illuminance uniformity. (b) Color mixing uniformity.

表4 左移10 mm后植物不同高度時(shí)的照度均勻度及混色均勻度

表5 左移20 mm后植物不同高度時(shí)的照度均勻度及混色均勻度

5 結(jié) 論

針對(duì)植物工廠“上光下植”粗放的光學(xué)結(jié)構(gòu)均勻度差的問題，提出了一種光源和種植平面同側(cè)的“倒置”光源的光學(xué)設(shè)計(jì)方案。光源安裝于種植區(qū)兩側(cè)的三棱柱凸臺(tái)的傾斜面，利用傾斜角度可以對(duì)光源發(fā)出的光線進(jìn)行初次分配以提高光線分布均勻性，并通過頂面的反射增加混光距離，提高光線耦合程度。采用混色均勻度和照度均勻度代替PPFD均勻度作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，本文研究了種植面的寬度L、頂部反射平面鏡到種植面的高度H、放置LED的三棱柱高寬比h及相鄰兩LED的間距l(xiāng)、錐形臺(tái)上LED排列方式S對(duì)均勻度的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，針對(duì)所選指標(biāo)利用Taguchi方法進(jìn)行了20組實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程。通過數(shù)據(jù)計(jì)算找出最優(yōu)解，并進(jìn)行ANOVA分析，計(jì)算出L、H、h、l、S5個(gè)變量中貢獻(xiàn)度最大的兩個(gè)影響因子L與S進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，最終得出當(dāng)L=90 mm、H=400 mm、h=0.25、l=10 mm、錐形臺(tái)上LED排列方式S為紅藍(lán)相間對(duì)稱分布時(shí)，照度和混色均勻度綜合考慮最佳，得到照度均勻度為94.30%、混色均勻度為90%的模型。最后，本文使用不同高度、寬度的三棱柱對(duì)植物的生長(zhǎng)過程進(jìn)行模擬，對(duì)植物是否會(huì)對(duì)光源造成遮擋進(jìn)行檢測(cè)，得出的結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)的培養(yǎng)架基本可以忽略植物生長(zhǎng)對(duì)光源的影響，能在植物的生長(zhǎng)過程中提供均勻的光照，使植物的生長(zhǎng)質(zhì)量得到保證，具有很大的應(yīng)用前景。