基于多光质灯珠的LED植物灯光照均匀性优化设计方法

吴仁杰，季 清，程 敏，韩 天

(苏州大学，江苏 苏州 215000)

引言

植物工厂是利用科学技术打造的现代农业可持续发展的生产系统[1]，通过控制光照、温度、湿度等环境要素为植物提供最适宜的生长环境。光环境作为植物生长发育的基本因素，主要包括了光质(光谱组成)、光照强度(光量)等要素，不仅提供了植物生长所需的能量，还控制着植物光形态的建成[2,3]。其中，光质对植物的生长发育、物质代谢均有调控作用[4]。光照强度影响着植物的光合作用，如光照强度达到光饱和点时，将造成光饱和现象，光合效率就会降低，影响植物的正常生长。

对植物而言，光质需求与分布特征具有时空差异，植物的品种与种类也具有差异。植物对光质的需求是分阶段的，在萌发阶段需要红外光和热量；在营养生长阶段需要较多的蓝光，重点进行光形态建成。

植物可以吸收利用光谱中的多种光质，生长时吸收的光谱范围大约在390～780 nm之间，此区域也称为光合作用有效能量区域。由于植物具有特定的光谱响应曲线，一般在红光区和蓝光区存在吸收峰。进行光合作用时，光合色素主要由叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素组成[5]，它们对光谱的吸收特性如图1所示。

图1 光合色素吸收光谱Fig.1 Photosynthetic pigment absorption spectrum

LED(lighting emitting diode)作为新一代照明光源[6]，具有应用于植物照明的潜力。LED具有高效的发光效率以及更灵活可行的光谱控制。现代植物工厂的光照分布一般多为顶光照系统，将LED光源置于培养容器上方30～50 cm处。通过选用适宜功率和发光角度的LED灯珠进行阵列设计，获得垂直方向适宜的光照分布与均匀性。

许多研究者对植物工厂中LED光照分布进行了相关研究。靳肖林等[7]通过在RGB三色LED芯片上加装导光管和光纤透镜，实现了高均匀度的出光效果。林孝腾等[8]基于遗传算法对随机分布全光谱LED阵列进行优化，对比了三角阵列与矩形阵列的光照均匀度。Moreno等[9]对LED阵列建立数学模型，得到了不同LED阵列下的光照分布情况，研究了不同LED阵列的光照均匀度随面积变化的关系。然而，上述文献均未将二次光学设计与LED阵列设计结合以改善光照分布均匀性。

光照分布均匀性对植物生长非常重要。光照分布均匀性分为光质分布均匀性与光照强度均匀性，光质分布不均匀会导致有效光照区域内的部分植物吸收的光质比不同，即出现光斑现象。如果光照强度不均匀，有些植物会比其他植物吸收更多的光，会造成生长不均匀，导致一些植物遮蔽其他的植物。

为了解决光分布不均匀的问题，本文基于红、蓝、暖白、远红四芯片集成LED灯珠，对其进行结构改进，再将二次光学设计与LED阵列设计相结合，设计了一种红、蓝、暖白三种光质的四芯片LED灯珠(Red, Blue, Warm White, Warm White，RBWW)作为光源，能够实现光质对称以及提高灯珠光分布均匀性。

1 多光质LED灯珠设计

红光(620～660 nm)是植物正常生长的必需光质，生物需求量居于其他光质之首，通过叶绿素参与光合作用过程，能够调控光敏色素对光形态建成，影响植物细胞的分裂[10]，还能促进碳水化合物合成。蓝光(430～480 nm) 是植物生长不可或缺的另一光质[11]，通过植物体内的叶黄素与类胡萝卜素吸收，再传递给叶绿素进行光合作用，能够抑制植物茎伸长，促进植物叶绿素合成，对植物氮同化和蛋白质合成有促进作用，有利于植物合成抗氧化物质。此外，还能够促进植物开放气孔，影响植物的向光性。远红光(720～760 nm)作为特殊光质，其强弱以及与红光间的比例对作物株高、节间长等形态建成具有重要作用。可以通过对红光/远红光比值的控制有效地诱导植物开花，对花卉具有重要作用[12]。绿光与红蓝光可以和谐调节适应植物的生长发育。黄光、橙光、绿光、紫光都是重要的光合有效辐射，但植物需求量较小。

由图1可知，植物主要吸收红光和蓝光两个区域进行光合作用，而绿光、黄橙光等对光合作用的需求量没有红光和蓝光大。因此，红、蓝芯片是植物灯珠必需的芯片。此外，暖白光(400～800 nm)是复合光，能够提供植物绿光、黄橙光等吸收量较少但又必不可少的光质。远红光作为特殊光质，对药用植物以及花卉的栽培具有重要意义。

前面工作中已设计的LED灯珠[10]由四种光质的芯片组成，分别为红、蓝、暖白、远红(Red, Blue, Warm White, Far Red, RBWF)，如图2(a)所示，可适用于不同植物在不同生长阶段对光质的需求。但远红光作为特殊光质，对光合作用影响不大。此外，灯珠的四种光质各不相同，实际工作中在光照面上会产生光质分布不均匀的现象。

本文设计的LED灯珠采用红、蓝、暖白、暖白(Red, Blue, Warm White, Warm White)，即RBWW四芯片集成，如图2(b)所示，将远红光芯片换成暖白光芯片，并调整芯片位置，使红蓝芯片在X方向两侧，暖白两芯片在Y方向两侧。在保证植物所需生长光质的前提下通过改变灯珠结构及排布方式提高光质分布的均匀性。每种芯片有2个引脚，整个灯珠有8个引脚，分别连接电源阳极与阴极，每个芯片独立调控光通量。此外，灯珠的红光波长范围在550～700 nm，蓝光波长范围在430～500 nm，暖白光波长范围在400～800 nm。

图2 LED灯珠结构改进图Fig.2 Structure improvement drawing of LED lamp bead

2 LED光质分布均匀性设计

多芯片集成LED灯珠在未加封胶前，输出光在照射面的光质分布大致均匀，加封胶后，由于封胶的几何形状，改变了各发光芯片的输出光路，导致照射面的混光不均，即产生光斑问题，以CREE5050灯珠为例，如图3所示，图(a)为CREE5050灯珠实物图，图(b)为LED芯片光路示意图。

图3 CREE5050灯珠实物图与LED芯片光路示意图Fig.3 Physical drawing of CREE5050 lamp beads and schematic diagram of LED chip light path

为了提高光照面的光质分布均匀性，需要对封胶后的LED灯珠进行二次光学设计。单曲面透镜一般为球面或平面，但只适用于大角度配光的场合，且有时并不能形成想要的配光。针对LED植物灯使用场合，本文采用90°半光强角的TIR双曲面透镜，为了更好的聚光，选取珠面为透镜表面，同时，透镜表面加工成磨砂面，能够使输出光线更加柔和均匀。

虽然二次光学设计后的LED光质分布均匀性有所提升，但仍然存在不均匀的问题，究其原因，是因为各发光芯片的位置均不在透镜中央轴线上，造成每一块芯片的出光路线不同，如图4所示。

图4 LED芯片在TIR透镜中的光路图Fig.4 Light path diagram of LED chip in TIR lens

RBWF[11]整灯采用长条形结构，灯珠横向对称分布，由于上述的问题，虽然整体光质均匀性较好，但还是存在不均匀的现象，如图5所示。

由图5可知，光照面上四种光质的光分布相较于理想中的位置出现了角度偏移，在实际中若是四种光质进行叠加，则每株植物受到的光质比将会不同。这是因为红、暖白光芯片在一侧，蓝、远红光芯片在另一侧，如图6(a)所示，不仅使得光照面X方向上光质分布出现了偏差，Y方向上的光质分布也会发生偏差。

图5 不同光质的偏差轮廓示意图Fig.5 Schematic diagram of deviation profile of different light qualities

本文设计的LED灯为长条形结构，采用RBWW灯珠作为光源，将灯珠旋转一定角度，沿着灯珠的对角线方向放置在PCB电路板上，使灯珠轴向对称，以轴向为X方向，纵向为Y方向，其结构如图6(b)所示，此排布方式在Y方向能够实现光质的对称分布。

图6 PCB电路板上的LED灯珠排布示意图Fig.6 Schematic diagram of LED bulb arrangement on PCB circuit board

对单个RBWW灯珠，在X方向左侧为红光芯片，右侧为蓝光芯片，因此，还是会出现光质偏差现象，此方向上光分布不均问题可通过LED灯珠的阵列设计进行改善，本文选取适当的LED灯珠间距，将相邻两灯珠的蓝、红芯片的光线偏移部分进行叠加，如图7所示。此方法可以提高X方向上的光质分布均匀性。

LED灯珠连接时各光质芯片以6个串联为一组，各组之间并联。LED灯珠芯片发光角为169°，经过封胶、透镜的二次光学设计，最终的半光强角度约90°，经过阵列设计确定各灯珠间距5.1 cm，封装后的LED植物灯如图8所示。此封装结构既能实现Y方向的光质对称，又能提高X方向的混光均匀效果。

图7 两灯珠下的红、蓝输出光混光效果示意图Fig.7 Schematic diagram of the mixing effect of red and blue output light under two lamp beads

图8 总封装的LED整灯结构示意图Fig.8 LED whole lamp structure

为了探究RBWW灯珠阵列的各光质分布特性，通过Tracepro软件对RBWW灯珠阵列的红、蓝、暖白光照分布进行仿真。设置LED灯珠各光质的光谱参数以及封胶、透镜等灯具的相关光学参数，取照射平面100 cm×100 cm，光源距照射面50 cm，X、Y方向与图6(b)中的坐标轴对应，灯具中心对应照射面中心，红、蓝、暖白光的输入光通量分别为120 lm、48 lm、260 lm，得到如图9所示光照分布图。

图9 LED各光质分布仿真Fig.9 Simulation of LED light quality distribution

由图9可知，红、蓝光照分布在X方向上距中心均有偏差，而Y方向上基本对称。暖白光光照分布在水平与垂直方向均实现了基本对称，说明了RBWW灯珠结构在Y方向上能够实现光质的对称分布。

分别对RBWF灯珠植物灯与RBWW灯珠植物灯进行各光质分布测量，图10～图12给出了两种灯珠的红、蓝、暖白光合光子通量密度分布图。其中，每种光质的驱动电流均为1.8 A，由于RBWW灯珠两侧均是暖白光芯片且为保证光质对称，RBWW灯珠的两路暖白光芯片分别通0.9 A恒定电流，RBWF灯珠的暖白光芯片通1.8 A恒定电流。光源距照射面50 cm，取照射面积120 cm×60 cm。图10～图12中X、Y与图6中的X、Y方向对应，照射面中心对应植物灯装置中心。测量时两个方向上每隔4 cm为一测试点，测量每秒辐射到植物表面的光子流量即光合光子通量密度PPFD，单位为μmol·m-2·s-1，测试仪器为植物光照分析仪OHSP350P。

图10 红光LED光合光子通量密度分布Fig.10 Red LED photosynthetic photon flux density distribution

从图10(a)中可以看出，RBWF灯珠的红光PPFD分布在X方向偏向右侧，在Y方向偏向上侧；而图10(b)中RBWW灯珠在X方向偏向左侧，在Y方向基本无偏移。对比发现，在Y方向上RBWW灯珠的红光实现了光质对称分布，而RBWF灯珠的红光分布发生了偏移，这说明在Y方向上RBWW灯珠的红光光质分布比RBWF灯珠的红光光质分布更好。

图11 蓝光LED光合光子通量密度分布Fig.11 Blue LED photosynthetic photon flux density distribution

图11(a)中RBWF灯珠的蓝光PPFD分布在X方向也偏向右侧，在Y方向偏向下侧；图11(b)中RBWW灯珠的蓝光PPFD分布在X方向偏向左侧，在Y方向基本无偏移。对比发现，在Y方向上，RBWW灯珠的蓝光实现了光质对称分布，而RBWF灯珠的蓝光分布发生了偏移，这说明在Y方向上RBWW灯珠的蓝光光质分布比RBWF灯珠的蓝光光质分布更好。

图12 暖白光LED光合光子通量密度分布图Fig.12 Warm white photosynthetic photon flux density distribution

图12(a)中RBWF灯珠的暖白光PPFD分布在X方向偏向左侧，在Y方向偏向上侧；图12(b)中RBWW灯珠在X方向与Y方向基本无偏移。对比发现，RBWW灯珠的暖白光光质在X、Y方向上均实现了光质对称，而RBWF灯珠的暖白光分布在X、Y方向上均有偏移，这说明RBWW灯珠在X、Y方向上的暖白光光质分布比RBWF灯珠的暖白光光质分布更好。

通过两灯珠的各光质PPFD分布对比，可以看出RBWW灯珠的光质分布优于RBWF灯珠的光质分布，且RBWW灯珠各光质分布在Y方向基本一致，均实现了光质对称。

由于RBWW灯珠结构位于两侧的暖白光芯片在X方向上实现了光质对称分布，而红光PPFD光分布会偏左侧一些，蓝光PPFD分布会偏右侧一些。可以按照图7所示的方法解决，通过对LED整灯的排布设计，将相邻灯珠的蓝、红芯片光线偏移部分进行叠加，最终实现X方向上光质分布的高均匀性。综上所述， RBWW灯珠植物灯在X方向能实现光质分布高均匀性，在Y方向实现光质的对称分布，在有效光照区域内植物受到的光质比基本相同。

3 种植区域光照强度均匀性分析

光源在指定方向上单位立体角内所发射的光通量称之为发光强度，单位是坎德拉(cd)。可以用光通量dΦ与单位立体角dΩ进行表示，如式(1)：

(1)

由单位立体角dΩ的定义，设单位立体角dΩ照射的面元为dS，面元dS距光源点距离为r，面元dS的法线方向与r方向的夹角即两个平面间的夹角为θ，如图13所示，得到式(2)：

(2)

将式(2)代入式(1)可得：

(3)

由受光体的外表面单位面积所接收到光源点发出的光通量的大小称之为光照强度，单位是勒克斯(lx)，定义被照射面元大小为dS，接收到的光通量为dΦ，则光照强度为

(4)

将式(3)代入式(4)可得：

(5)

理想情况下，LED光源是Lambertian光源。实际上，这主要取决于封装材料和半导体区域的形状。其发光强度函数表达近似满足Lambertian余弦定律[13]：

I=I0·cosmφ

(6)

(7)

本文设计的LED半光强角为90°，代入式(7)得m=1.99。图14为单个LED光照模型示意图，将光照区域离散化成一个个点，可知LED光源(x，y，z)在(m1，n1，0)坐标处的光照强度为：

(8)

图14 单个LED光照模型示意图Fig.14 Schematic diagram of single LED lighting model

由于光线是可以线性叠加的，因此，多颗LED光照模型即是单颗LED光照模型的叠加，多颗LED光照模型在(m1，n1，0)处的光照强度为：

E(m1,n1,0)=

(9)

则受光面的总光照强度为：

(10)

(11)

(12)

4 实验分析

针对RBWW灯珠的光照强度均匀性，采用光质分布实验中的条形LED植物灯，光源距离受光面50 cm且水平布置。取σ为光照均匀度，测试了在单条形LED植物灯下，不同种植面积对光照均匀度的影响，如表1～表3所示。

表1 Y=32 cm时各光质光照均匀度

表2 Y=40 cm时各光质光照均匀度

表3 Y=48 cm时各光质光照均匀度

从表1～表3中可以看出，三种光质在同一高度下、相同种植区域内光照均匀度大致相同，说明光质的不同基本不影响光照强度的均匀性。从光照均匀度的数据变化来看，在同一Y坐标下，随着X方向的距离降低，种植区域面积随之减少，光照均匀度呈现出不断增长的趋势，且增长趋势由快到慢，这是因为LED的输出光大部分都集中在半光强角内，因此越到中心区域，光照均匀度增长趋势变化越慢。此外，在同一X坐标下，随着Y方向的距离降低，光照均匀度不断增加。

5 结语

本文在基于RBWF灯珠的基础上进行改进，设计了由红、蓝、暖白光芯片组成(RBWW) 的四芯片LED灯珠。将其旋转一定角度置于PCB电路板上，使之沿对角线对称，经过二次光学设计，得到了适宜的出光角度，输出光更加柔和，结合LED阵列设计，改善了光质的分布，最终LED的半光强角为90°。比起RBWF灯珠，光斑现象更少，光质分布更加均匀，能够实现Y方向上的光质对称，提高X方向上的光质分布均匀性。接着建立了LED的光照模型并阐述了LED光照强度均匀性的评价标准。在LED光质均匀性方面，通过进行实验验证以及设置RBWF灯珠对照组进行对比，证实了红、蓝、暖白光三种光质在Y方向实现了对称分布，X方向上整体光质均匀性提高，验证了RBWW灯珠结构是优于RBWF灯珠的。此外，针对本文设计的LED植物灯装置进行了光照均匀性的分析，对以后LED植物灯光照强度均匀性的改进提供了参考。