高均匀度LED植物光源的设计.pdf

p第 39 卷 第 10 期2018 年 10 月发 光 学 报CHINESE JOUＲNAL OF LUMINESCENCEVol. 39 No. 10Oct． ， 2018文 章 编号 1000-7032 2018 10-1466-12收 稿 日期 2018-03-12; 修订日期 2018-05-10基金项目 广东省科技计划 2017B010114001， 201704030140， 2015B010127004 ; 广东省应用型科技研发专项 2015B010134001 ; 广州市科技计划 201604040004， 201604016010 ; 广东省扬帆计划 2015YT02C093 ; 中山市科技计划 2016A1009， 2017C1011 资助 项目Supported by Guangdong Science and Technology Project 2017B010114001， 201704030140， 2015B010127004 ; Guangdong Ap-plied Science and Technology Ｒesearch and Development Project 2015B010134001 ; Key Projects of Guangzhou Science andTechnology Program 201604040004， 201604016010 ; Guangdong Yangfan Plans to Introduce Special Team of Innovation andEntrepreneurship 2015YT02C093 ; Science and Technology Plan of Zhong Shan 2016A1009， 2017C1011高 均 匀度 LED 植物光源的设计靳 肖 林1， 文 尚 胜2*， 马 丙 戌1， 付 萌1， 蔡 明 兴1， 左 欣1， 康 丽 娟3* 1． 华南理工大学 材料科学与工程学院 ， 广 东 广州 510640;2． 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室 ， 广东 广州 510640; 3． 华南师范大学 美术学院 ， 广东 广州 510641摘 要 针对现有植物灯均匀度差的问题 ， 通 过 在 Ｒ 红 、G 绿 、B 蓝 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 ， 通过调节导光管和光纤的尺寸获得了达 90的混色 、光谱以及光量子通量密度 PPFD的均匀性 。进一步对光源的热学性能进行表征发现光纤透镜的增加有利于减少光源正面的热量 ， 并且基于光量子学照明参数对该灯的均匀度进行评价 ， 并进一步提出有效光能利用率来更加科学的表征光源性能 。结果表明 ， 混色均匀性与 PPFD 均匀性可达 90， 有效光能利用率可达到 43。进一步将该灯用于鲜切玫瑰花保鲜 ， 并通过脉冲宽度调制技术 PWM 实现了光谱的动态可调 ， 通过对玫瑰花鲜重日失重率以及抗氧化物质如黄酮素等物质含量变化的测量 ， 探究鲜切玫瑰花保鲜的最佳光照条件 。实验结果表明 ， 最有利于鲜切玫瑰保鲜的光质条件和光照周期为Ｒ G、6 h/24 h。关 键 词 植物光源 ; 现代农业 ; LED; 光学设计 ; 玫瑰花保鲜中图分类号 O432; O439 文献标识码 A DOI 10．3788/fgxb20183910．1466Design of High Uniity LED Plant LampJIN Xiao-lin1， WEN Shang-sheng2*， MA Bing-xu1， FU Meng1， CAI Ming-xing1， ZUO Xin1， KANG Li-juan3* 1． School of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;2． State Key Laboratory of Luminescence Materials and Devices， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3． School of Fine Arts， South China Normal University， Guangzhou 510641， China* Corresponding Authors， E-mail shshwen scut． edu． cn; 12558995 qq． comAbstract Aiming at the problem of poor uniity of the existing plant lights， a high uniitylight was designed by installing light pipes and fiber lenses on Ｒ red ， G green ， and B bluethree-color LED chips． By adjusting the size of the light pipe and the optical fiber， the uniity ofspectra， color mixing and photosynthetic photon flux density PPFD reached 90． The thermalproperties character of the light source were measured further． It was found that the increase of thefiber lens favored and reduced the heat at the front of the light source， and the uniity of thelamp was uated based on the light quantum illumination parameters． Besides， effective light en-ergy utilization was proposed to characterize light source perance more scientifically． The resultsshow that the color uniity and PPFD uniity can reach 90， and the effective light energyutilization can reach 43． The lamp is further used for freshness preservation of fresh cut roses，pulse width modulation technology PWM is used to achieve dynamic adjustment of the spectrum，the weight loss rate of rose fresh weight and the content change of antioxidant substances such as第 10 期 靳 肖林 ， 等 高均匀度 LED 植物光源的设计 1467flavone and other substances were investigated to explore the best light conditions for fresh-cut roses．The experimental results show that the light conditions and light duration that are most conducive tofreshness preservation of fresh-cut roses are Ｒ G and 6 h/24 h．Key words plant light source; modern agriculture; LED; optical design; freshness preservation1 引 言人口的急剧增加与耕地面积的日益减少为植物工厂的兴起提供了条件 。植物工厂是利用高科技打造的现代 农 业可持续发展的生产系统［ 1］， 通过 控制环境如温度 、湿 度 、光照 、无机物与有机物的配比来为植物生长提供必要的条件 ， 从而达到缩短植物生长周期 、提高生产效率的目的 ， 是未来农业发展的方向 。光照环境是植物生长的关键要素之一 ， 可以直接影响植物生长发育过程和化学物质积累［ 2-4］， 近 年 来 ， 荧光粉在 LED 植物照明材料及器件上的应用是一个研究热点［ 5-7］， 张 运杰［ 8］探 究 了硫化物体系 、镓酸盐体系几种红色荧光材料在植物照明 LED 上的应用 ， 发现材料的发光谱与植物光合作用光谱相匹配 ， 表明荧光材料在 LED 照明领域有巨大潜能 ; 此外 ， 光照在植物保鲜方面应用也越加广泛［ 9］， 这使得植物照明成为研究热点之一 ， 相 应 地 ， 开发性能优良的植物照明光源显得尤为重要 。LED 作为最近几年兴起的第三代照明光源 ，在植物照明上具有三大优势 。第一 ， 植物进行光合作用吸收的光主要是波长为 610 ～720 nm 的红橙光以及波长为 400 ～510 nm 的蓝紫光 ， LED 可以发出植物所需要的单色光光谱［ 10-12］。在 植 物保鲜方面 ， 刘然然［ 13］实 验 证明 ， 绿光可以很好地保护植物叶绿素和维生素 C 不被破坏 ， 保持植物的感官品质与营养成分 ， 有效减缓植物衰老 。阎瑞香［ 14］的 研 究表明 ， 白光和绿光可以有效保持芦荟外观特质 ， 防止蔬菜的褪绿黄化 。第二 ， LED光谱具有可调性 ， 可以根据不同植物在不同生长阶段对光的需求 ， 调节 LED 的光质比 ， 获得复合光谱［ 15］， 实 现 精准给光 。第三 ， LED 体积小 ， 节能 ， 光电转化效率高 ， 可以紧凑排列 ， 提高空间利用率 。但是现有的 LED 植物照明灯有一定的缺陷 ，如灯具中一般将红蓝灯珠进行阵列排布 ， 但没有进行二次光学设计 ， 由于光线没有足够的距离进行耦合 ， 低光照均匀性会导致近距离受照面出现红蓝光斑 ， 导致同一批次的植物的生长光环境不一 ， 影响植物的均衡成长 。针对这一缺陷 ， 本文提出了一种新的灯具设计方案 ， 在 LED 芯片上方加入导光管与光纤透镜的组合结构 ， 通过调节导光管长度以及光纤透镜的直径获得最佳的光学结构 ， 研究过程中使用 SPIC-200 光谱彩色照度计对光源进行表征 ， 通过对光谱 、光量子通量密度和色度参量的测试 ， 计算出混光 、混色以及光谱均匀度 ， 从提高均匀性为出发点找出最佳光学结构 。进一步 ， 为了更加有效科学地表征植物光源的照明效果 ， 引入有效光能利用率这一新的评价指标 ，其核心思想是将用于植物生长的光能与光源发出的总的光能的比来表示灯具的光学设计从能源利用的角度来讲是否合理 。最后研究所得的光源被进一步应用于玫瑰花的保鲜中 ， 进一步验证灯具的先进性并为进一步的实地研究提供科学的参考依据 。目前的保鲜实验只是关注单色绿光或红蓝光对果蔬保鲜的影响 ， 少有将光质可调的照明灯应用到植物保鲜领域 。本文通过脉冲宽度调光技术 PWM 调光技术 调节灯具的发光光谱 ， 研究不同的光谱 、光质比对于玫瑰花保鲜的影响 。本文从光源的光 、电 、热性能入手对科学的植物照明灯具进行了全面科学的研究 ， 并进一步对于植物光源的评价指标提出创新性的评价理念和指标 ，并在最后针对光源对玫瑰花保鲜的问题从应用的层面做了进一步研究 。2 灯 具 设计2．1 整 灯 模型介绍如图 1 所示 ， 灯具由散热片 、ＲGB 三色 COBLED 芯片 、导光管 、玻璃光纤透镜构成 。最终得到实际灯具及其照明效果如图 2 a 所示 ， 而市面上常见的借鉴了射灯结构的植物照明灯的照明效果如图 2 b 所示 ， 相比之下本研究提出的光源设计方案大幅度提高了光源的均匀度 。在电源驱动方面 ， 使用 MPS3003S 可调式直流稳压电源 ， 结合1468 发 光 学 报 第 39 卷脉 冲 宽 度 调 制 技 术 Pulse-width modulation，PWM［ 16-18］， 实 现 光谱可控 ; 此外 ， 实验测量了灯具工作时的温度 ， 从热学角度评价灯具的散热性能 。图 1 整 灯 模型Fig．1 Whole lamp model（a）（b）图 2 植 物 灯对比图 。 a 实验所用灯具 ; b 传统 LED植物照明灯 。Fig．2 Comparison of plant lamps． a Plant light used inexperiments． b Traditional LED plant light．2．2 灯 具 设计分析多色 LED 可以不使用混光元件直接混合 ， 但当混光距离过短时 ， 会出现不同颜色的亮斑和暗斑 ， 如图 3 a 所示 ; 通常会在灯具结构中加入毛玻璃和扩散板等传统混光元件来增强混光效果 ，使光线充分混合均匀出射 ， 但这类光学器件会使光束发散 ， 如图 3 b ， 不利于光能被植物充分吸收利用 。为解决这一问题 ， 本研究提出使用导光管与光纤透镜 ， 导光管和透镜可以在改善植物灯混光效果的同时约束光出射角 ， 光线从 cob 芯片射出后 ， 经过导光管和光纤透镜的反射和透射 ， 可以小角度地准直出射 ， 如图 3 c 所示 。（a） （b） （c）图 3 多色 LED 的混光模型图 。 a 直接混光 ; b 使用传统的混合元件 ; c 使用导光管与光纤透镜 。Fig． 3 Mixed light model of multi-color LED． a Mixing di-rectly． b Using conventional mixing elements． cUsing light pipes and fiber optics．3 研 究 参数植 物 对光线感知能力强 ， 在不同的光质与光强下植物的生理活动大不相同 ， 这就要求植物照明灯应具有高的照度均匀度与混色均匀度 ， 以此为依据 ， 本实验主要探究灯具均匀度 。目前评价灯具照明效果多用基于人眼视见函数的光度学量 ， 如光通量 Pv与 光 照度 Ev， 但 因 为人的眼睛和植物对光的敏感度在不同波长处达到峰值 ， 所以光度学参数 Pv、Ev等不再适用于评价 植 物照明灯 ， 应使用更加符合植物照明的光量子学参数［ 19-20］来 表 征植物灯 。光量子学中与光度学中的照度相对应 、用来表征植物灯照明效果的参数是光量子通量密度 Photosyntheticphoton flux density， PPFD ， 即受照面单位时间内单位面积所接收到的光子数目 ， 单位是 μmolm－1s－1。在 植 物学领域 ， 光合有效辐照 度EPＲA可 表 示为 EPＲA∫700400Ee λ dλ， 1其中 Ee λ 表示光谱辐照度 ， λ 表 示 波长 。根据光子理论 ， 光子能量公式为 Ephotonhcλ， 2公式 1 和 2 结合可以得到照度与 PPFD 之间的换算公式 ， 且因为光子数量级过大 ， 所以采用摩尔单位计数 ， 可得光量子通量密度计算公式 K ∫700400Ee λ λdλnAhc， 3其中 ， K 代 表 PPFD， h 表示普朗克常量 ， c 表示光速 ， nA表示阿伏伽德罗常数 。3．1 光 谱 差异性分析时 ， 光谱差异性定义为样品点的 ＲGB 三色光谱的差异 ， 用 ΔSＲSGSB来 表 示 ， 我们用公式 4 计算 ΔSＲSGSBΔSＲSGSB1NΣNi 1［ SＲ－ SＲi2 SG－ SGi2 SB－ SBi2槡］ i 1， 2， 3 ， 4其中 ΔSＲSGSB表 示 光谱均方差 ， N 表示样品点数目 ， SＲi、SGi、SBi分 别 表示样品点红绿蓝三色光谱值 ， SＲ、SG、SB分别表示样品点的红绿蓝 三 色的绝对光谱值 ， SＲ、SG、SB越大表示光谱差异性越大 。第 10 期 靳 肖林 ， 等 高均匀度 LED 植物光源的设计 1469由 于 公式 4 计算所得均方差较小 ， 难以比较 ， 通常我们用公式 5 来对光谱均方差进行归一化处理 ， 用公式 5 表示光谱均匀性 U 11 kΔλＲλGλB［ 100］， 5其中 k 是 一个常数 。在本实验中 ， k 的值设置为使光谱均匀度最大值等于 90。3．2 混色均匀性植物对不同的光谱反应灵敏且响应差异性大 ， 本实验使用 ＲGB 三色光源进行三色混光 ， 混色均匀性直接体现了光谱分布的均匀性 ， 是本实验的重要测量参数之一 。我们将混色均匀度定义为 CIE1976 色坐标的差异 ， 用 Δuv 表示色坐标差异性 ， 使用公式 6 来计算色坐标差异 Δuv 1NΣNi 1［ ui－ uavg2 vi－ vavg2槡］ ， 6其中 ui、vi是 CIE 1976 色 彩 系统中测量点的色坐标 ， N 是受照面上的采样点数 。采样点的均方差值越小 ， 颜色坐标差异越小 ， 即混色均匀性越高 。公式 6 计算的均方差值通常较小 ， 因此我们使用公式 7 对 Δuv 进行归一化处理 ， 用 Ucolor表示混色均匀度 Ucolor11 kΔuv［ 100］ ， 7其中 k 是 一个常数 。在本实验中 ， k 的值设置为使混色均匀度最大值等于 90。3．3 PPFD 均匀度光照强度直接影响着植物光合作用与呼吸作用 ， 为了使同一批植株均衡生长 ， 植物灯必须实现均匀给光 。为了衡量受照面光的强弱分布 ， 探究植物灯能否实现均匀给光 ， 我们测量了受照面上的 PPFD 并使用公式 8 计算其均匀性 ΔK 1NΣNi 1［ Ki－ Karg槡］ ， 8其中 ΔK 表 示受照面的光量子通量密度均方差 ，均方差越小表示光强分布越均匀 ， 和混色均匀度类似 ， 我们同样对 ΔK 进行归一化处理 ， 使用 α 来表示 PPFD 均匀度 α 11 kΔK［ 100］， 9其中 k 是 一个常数 。在本实验中 ， k 的值设置为使PPFD 均匀度最大值等于 90。3．4 有效光能利用率对于大多数植物的光合作用［ 21］， 如 图 4 a曲 线所示 ， A 点被定义为光补偿点 ， B 点被定义为光饱和点 ， 只有植物所接收光照的 PPFD 大于 A点对应的 PPFD 时 ， 植物才能进行有效的光合作用 ， 当光照 PPFD 达到 B 点对应的 PPFD 值时 ， 植物光合作用才能达到最大速率 。表 1 给出了一些植物光补偿点与光饱和点对应的 PPFD 值 。表 1 植物光饱和点与光补偿点对应 PPFDTab．1 PPFD of light saturation point and light compensation point植 物 种类光补偿点 / μmolm－2s－1光 饱 和点 / μmolm－2s－1植 物 种类光补偿点 / μmolm－2s－1光 饱 和点 / μmolm－2s－1西 红 柿 53．1 1 985 多肉景天科 55 617黄 瓜 51 1 421 多肉番杏科 58 719茄子 50 1 400 多肉百合科 50 523生菜 59．6 1 320 人参 49 506草莓 43 320 碗 莲 55 657葡萄 55 484 食 虫草 50 526月季 52 550 室 内观叶植物 44 376兰科 60 620 非 洲堇 45 470从 表 1 中 可以看出 ， 大多数植物光补偿点对应的 PPFD 值为 50 μmolm－2s－1左 右 ， 本 次实验中将有效光能利用率定义为 η。η 计算方法如图 4 b 所示 ， 测量受照面 PPFD 最大值 ， 当PPFD 下降到最大值的 5 时 ， 标记做圆 ， 测得圆半径为 Ｒb， 在 受 照面画出 K 50 μmolm－2s－1时 对 应的圆 ， 测得圆半径为 Ｒa， η 用 公 式 10 来计算 1470 发 光 学 报 第 39 卷η πＲ2aπＲ2b． 10A B CK/滋molm－2s－１RaRb（a）（b）Pn/滋molm－2 s－1图 4 a 植物光合速率曲线 ; b 有效光能利用率说明 图 。Fig．4 a Plant photosynthetic rate curve． b Descriptionof effective light energy utilization rate．4 实验设计和分析实 验 使用的光源为台湾晶元公司生产的 cobＲGB LED， 其中封装有 9 个芯片 ， 由红 、绿 、蓝 3 3 矩阵构成 ， 且红绿蓝芯片可以独立控制 ， 以达到光质比可调的目的 ， 方便研究不同光谱组成对植物生长的影响 。实验初用三路电流分别驱动 B、G、B 3 种颜色芯片 ， 使单色芯片在一定距离的光接收面上可以产生相同 PPDF， 记录不同颜色的驱动电流和电压如表 2 所示 。表 2 芯片对应的驱动电流和电压Tab．2 Driving current and voltage of three chips参 数 Ｒ G B驱 动 电流 /A 0．34 0．22 0．35驱 动 电压 /V 7．7 9．9 9．6在之 后的每次测量中 ， 保持各芯片对应的驱动电流和电压不变 。我们在实验中使用具有圆形横截面的导光管和光纤透镜 ， 其中导光管的长度为 3．5 ～5．5 cm 不等 ， 透镜的直径为 1．9 cm 和 2．7 cm。我们组合不同导光管与光纤透镜 ， 采用 37点采样法［ 22］大 照 度值的 5 时画出最大圆 ， 当K 50 μmolm－2s－1时 画 出最小圆 ， 以大圆半径和小圆半径的平均值为中间圆的半径 ， 如图5 a 所示 ; 使用如图 5 b 所示的 SPIC-200 光谱彩色照度计测量受照面的照度和光谱 ， 根据测量所得数据计算出每一组的混光均匀性与混色均匀性 ， 分析不同光学结构和光传输距离对植物灯均匀性以及有效光能利用率的影响 ， 根据数据对比可找到出光效果最好的光学结构 。（a） （b）图 5 a 37 点采样法示意图 ; b 光谱 照度计 。Fig． 5 a Schematic diagram of the 37-point sampling． b Spectral illuminance meter．在 测 得最佳光学结构后 ， 以最佳光学结构为基础 ， 调节光质比为 Ｒ G B、G B、Ｒ G、G， 光谱图如下文图 12 所示 ， 以自然光照射为对照组 ， 设置光照周期分别为 6， 9， 12 h， 通过测定在不同光处理下玫瑰花采后日失重率以及抗氧化物质的含量变化 ， 探究最适合玫瑰花保鲜的光条件 。4．1 配光曲线测量LED 芯片的长度为 2． 9 cm， 所以我们以 29cm 作为测量区域的直径 ， 调节导光管长度依次为3．5， 4． 0， 4． 5， 5． 0， 5． 5 cm， 与不同直径的光纤透镜组合 ， 每隔 5测量一个点的照度 ， 如图 6 所示 。通过对测得的照度进行归一化来获得光强分布曲线 ， 结果如图 7 所示 。图 6 配光曲线测量示意图Fig． 6 Schematic diagram of test for light distribu-tion curve measurement第 10 期 靳 肖林 ， 等 高均匀度 LED 植物光源的设计 14711.00.8２０Ｅmission angle/Normalizedintensity0.60.40.20０ ４０ ６０ 8０ １００ １２０ １４０ １６０ １８０3.5 cm4.0 cm4.5 cm5.0 cm5.5 cm（a）1.00.8２０Ｅmission angle/Normalizedintensity0.60.40.20０ ４０ ６０ 8０ １００ １２０ １４０ １６０ １８０3.5 cm4.0 cm4.5 cm5.0 cm5.5 cm（b）图 7 a 2．7 cm 透 镜 对应的光强分布曲线 ; b 1． 9 cm透镜对应的光强分布曲线 。Fig．7 a Light intensity distribution curve correspondingto 2．7 cm fiber lens． b Light intensity distributioncurve corresponding to 1．9 cm fiber lens．图 7 显 示 ， 使 用 D 2． 7 cm 光纤透镜 ， 灯的光发射角度较小 ， 照明表面上的斑点更小更收敛 。而D 1．9 cm 光纤透镜的灯光发射角度较大 ， 光能较均匀地分布在光接收面 。此外 ， 随着导光管长度的增加 ， 发射角度减小 ， 发光能量分布趋于致密 。4．2 光学结构对光谱 、混色 、PPFD 均匀度的影响调节导光管长度与透镜的直径 ， 在一定距离的受照面上用照度计测出样品点的光谱值 、色坐标与 PPFD， 利用公式 4 、 6 、 8 算出各个参数的均方差 ， 并用公式 5 、 7 、 9 进行归一化处理 ， 得到表 3、表 4、表 5。表 3 不同光学结构对应的光谱均匀度Tab．3 Spectral uniity corresponding to different opticalstructures导 光 管长度 /cm直径 1．9 cm透镜 /直径 2．7 cm 透镜 /3．5 86．72 86．414．0 87．04 86．334．5 88．08 85．935．0 89．25 85．905．5 90．00 86．42表 4 不同光学结构对应的混色均匀度Tab． 4 Color uniity corresponding to different opticalstructures导光 管长度 /cm直径 1．9 cm 透镜 /直径 2．7 cm 透镜 /3．5 86．23 85．964．0 81．17 89．344．5 80．72 90．005．0 69．35 88．375．5 86．10 87．00表 5 不同光学结构对应的 PPFD 均 匀 度Tab． 5 PPFD uniity corresponding to different opticalstructures导光管长度 /cm直径 1．9 cm 透镜 /直径 2．7 cm 透镜 /3．5 87．86 86．424．0 87．25 86．044．5 87．94 86．105．0 89．27 86．355．5 90．00 87．00为了更直观地比较光学结构对灯具性能的影响 ， 将 表 3、4、5 绘 制成折线图 ， 得到图 8。Length of lightpipe/cm903.5Spectraluniity/9189888786854.0 4.5 5.0 5.51.9 cm２．７ cmLength of lightpipe/cm9２3.5Ｃoloruniity/１００8８７２６４4.0 4.5 5.0 5.51.9 cm２．７ cm６０６８8０７６8４9６Length of lightpipe/cm903.5PPFDuniity/8987864.0 4.5 5.0 5.51.9 cm２．７ cm888591（a） （b） （c）图 8 a 不同光学结构对应的光谱 均 匀度 ; b 不同光学结构对应的混色均匀度 ; c 不同光学结构对应的 PPFD 均匀 度 。Fig．8 a Spectral uniity for different optical structures． b Color uniity for different optical structures． c PPFDuniity for different optical structures．1472 发 光 学 报 第 39 卷4．2．1 光学结构对光谱差异性的影响分 析 图 8 a 可知 ， 随着导光管长度由 3．5 cm增加到 5．5 cm， 透镜直径为 1．9 cm 的灯具光谱均匀度快速上升并在导光管长度为 5． 5 cm 时达到最大值 90; 而透镜直径为 2． 7 cm 的灯具光谱均匀度在 85． 9 ～ 86． 42 缓慢变化 ， 且最小均匀度与最大均匀度差异仅 0． 52。综合比较分析 ， 在不同的导光管长度下 ， 直径为 1． 9 cm 的透镜光谱均匀度皆大于直径为 2．7 cm 的透镜 ， 这与测量配光曲线所得数据相符 ， 从另一方面说明了使用小直径透镜与较长导光管会使受照面上的光能更均匀分布 。4．2．2 光学结构对混色均匀性的影响分析图 8 b 可知 ， 具有 D 2．7 cm 透镜的灯具混色均匀度在 85． 89 和 90． 00 之间呈现稳定趋势 ， 随着光管长度从 3． 5 cm 增加到 4． 5 cm略有增加 ， 之后随着光管长度从 4． 5 cm 增加到5．5 cm 略微下降 ; 具有 D 1．9 cm 透镜的灯具混色均匀度在导光管长度从 3． 5 cm 增加到 5． 0 cm时呈现出不利的趋势 ， 当导光管长度为 5． 0 cm时 ， 达到最小值 69．35， 但之后随着导光管增长快速增加至 87．00。综合比较分析 ， 在不同的导光管长度下 ， 直径为 2．7 cm 的透镜混色均匀度皆大于直径为 1．9 cm 的透镜 ， 所以直径较大的光纤透镜有利于提高颜色均匀度 。4．2．3 光学结构对 PPFD 均匀性的影响分析图 8 c 可知 ， 具有 D 1．9 cm 光纤透镜的灯具和具有 D 2． 7 cm 光纤透镜的灯具 PPFD均匀性呈现相同的趋势 ， 均匀度随着导光管长度从 3．5 cm 增加到 4． 0 cm 下降 ， 然后随着导光管长度从 4．0 cm 增加到 5． 5 cm 而上升 ， 在 5． 5 cm处达到最大值 。综合比较分析 ， 在不同的导光管长度下 ， 直径为 1．9 cm 的透镜混光均匀度皆大于直径为 2．7 cm 的透镜 ， 所以小直径光纤透镜有利于提高 PPFD 均匀性 。4．3 光接收距离对混色均匀度 、PPFD 均匀度的影响根据 4． 2 实验结果分析 ， 当导管长度为 5． 5cm、透镜直径为 1． 9 cm 时 ， 该灯的 PPFD 均匀度和光谱均匀度同时达到最大值 90， 颜色均匀度也达到 87． 00， 接近 90。基于这个最佳的光学结构参数 ， 改变光接收面和发光表面之间的距离 ， 探究光接收距离对混色 、PPFD 均匀度的影响 ， 得到图 9。886 16Accept distance/cmColoruniity/8 10 12 1492848076726864Color unifomity（a）6 16Accept distance/cmPPFDuniity/8 10 12 14928480767268PPFD unifomity（b）88图 9 a 光接收距离对混色均匀度的影响 ; b 光接 收距离对 PPFD 均匀度的影响 。Fig．9 a Effect of light receiving distance on color uni-ity． b Effect of light receiving distance onPPFD uniity．由 图 9 分 析可知 ， 混色均匀度与 PPFD 均匀度随光接收距离变化而改变的趋势一致 ， 随着光接收距离从 6 cm 增加到 8 cm， 颜色混合均匀性和PPFD 均匀性略有下降 。当光接收距离从 10 cm 变为 16 cm 时 ， 混色均匀性和 PPFD 均匀性均快速增加到 90。分析可得 ， 较长的光接收距离有助于提高受照面的光照均匀性 。4．4 有效光能利用率植物的最大有效光能利用率取决于植物类型和外部光环境 ， 由于灯具在受照面上形成的光斑总是中心光强最大 ， 边缘光强最小 ， 在从中心到边缘光强减弱到一定值后 ， 光能就不能再被植物有效吸收 ， 造成光能浪费 。基于 4． 2 分析的有利于植物照明的最佳的光学结构和一定的光接收距离 ， 改变驱动电流 ， 探究有效光能利用率如何变化 。电流从 0． 20 A 增加 ， ΔI/I0是 电流 增量与初始电流的比值 。如图 10 所示 ， 随着驱动电流的增加 ， 有效光能不断增加 ， 但增加速度从 ΔI/I02 后 开 始下降 ， 在 ΔI/I0 3 时 达 到最大值 43。第 10 期 靳 肖林 ， 等 高均匀度 LED 植物光源的设计 147348402.5I/I0Effecitivelightenergyratio/0-0.5 ０.５ 1.0 1.5 2.0 3.0 3.54436322824201612图 10 ΔI/I0对光能利用率的影响Fig．10 Effect of ΔI/I0on the utilization of light energy4．5 PWM 调制模块的设计本 实 验设计的 PWM 调光模块由 STM32 单片机芯片实现 ， 3 个端口向外部电路输出 3 个不同占空比的方波 ， 分别驱动 ＲGB LED。如图 11 a 所示 ， 左边部分是 STM32， 其功能是产生驱动电压 ; 中间部分是 IＲ2110 芯片和场效应晶体管 。图 11 b 显示了每个 LED 的驱动电路 。PWM 调光产生的方波输入到图 11 b 中的IＲ2110 芯片 ， IＲ2110 放大电压并提高驱动能力 ，IＲF540n 是一款用于将电压转换为电流的场效应（a）C1104IR2110C2＝１０４GndIRF540n６910111213147654321HOHNSOLINVSSVBVSVCCVDDCOMLOLEDVCC（b）PWM图 11 a PWM 调 光 装置图 ; b LED 驱动 电路图 。Fig． 11 a PWM dimming device diagram． b LED driv-er circuit diagram．晶 体 管 。通过改变输出电流的占空比 ， 从而产生不同的光谱成分 ， 利用积分球测得灯的光谱如图 12 所示 。480380 5800.00000.05310.12630.189/p