LED植物组培阵列的设计与均匀性研究

邓一凡， 徐晓辉， 苏彦莽， 宋 涛， 王利伟， 方 正

(河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401)

近年来，LED被广泛应用在植物光源领域，但由于单个LED的功率较小且光谱单一，难以满足植物对光照的需求，在实际应用中通常将多个不同光质的LED组成阵列来达到所需的发光强度和光谱搭配。LED的输出光照度近似呈朗伯(Lambertian)分布，在整个照明空间上的光照分布是不均匀的[1]。由于LED具有高指向性，因此必须经过合理的阵列设计才能实现在照射范围内各光质比例的均匀性，从而在最大程度上确保植物能够得到均匀的光照，减少因光源带来的误差和影响。

1 单色光LED光学模型的建立和理论分析

1.1 光学模型的建立

LED发光区域通常小于1 mm2，因此在进行光学分析时可把LED看作点光源。此外，在建立模型中，假设阵列中每个LED都有相同的光波长、光通量和光照度分布。

当一个点光源照射到与光轴垂直方向的平面上时，如图1所示，其中S为点光源，θ为发光角度，N代表投射平面的法向，ds与dscosθ分别为单位投射面积及其余弦值。在笛卡尔坐标系中表示，设探测面与光源的距离为z，则面上任一点光的辐射照度可表达为[2]：

式中：x、y、z分别表示光照区域的三维立体坐标；m是LED的特性参数，理想朗伯体的m值为1；LLED是法线上的辐射亮度，W/(m2·sr)；ALED是LED芯片的发光面积，m2；x0、y0、z0表示点光源坐标。

1.2 斯派罗法则

常用于确定最大平坦条件的斯派罗法则也适用于照明均匀性的检测。将2个高斯分布的能量相叠加，当2个峰值逐渐远离最大平坦距离时，中心将出现波谷，意味着光照度开始不均匀。斯派罗极值σL满足如下条件：

式中：σL表示斯派罗极值；x表示峰值。

1.3 同个数、异排布的单色LED阵列的光辐照度分析

将不同LED阵列参数统一设定为LED与探测面之间的距离z=200 mm，参数m取值81，LED的个数n=16，并对3种典型的LED阵列(方形阵列、三角形阵列及环形阵列，图2)进行分析。

1.3.1 方形阵列 假定相邻LED之间的距离为d，则由N×M个LED组成的方形阵列的光辐射照度E为：

根据斯派罗法则，并把已知参数代入上式，通过Matlab编程计算可得d=44 mm。由图3可知，-50～50 mm范围内的辐射照度非常均匀，随着距离的变化，总辐射照度值相应的下降，但在-75～75 mm 范围内的中心光辐照度高于75%。

1.3.2 三角形阵列 设三角形阵列中每个正三角形的边为s。由{(N×M)-0.25[2M+(-1)M-1]}个LED叠加的总辐射照度E为：

式中：N±=N+[(-1)j±1]/2，通过计算可得s=38 mm。由模拟结果(图4)可知，三角形阵列所产生的辐射照度分布图具有不对称性，但仍有大约130 mm宽度在中心辐射照度值的80%以上，且与方形阵列相比，2个LED间距变小，意味着所需的面板面积减小。

1.3.3 环形阵列 设内环半径为r1，外环半径为r2。总辐射照度E可表示为：

通过计算可得r1=29.8 mm，r2=66.3 mm。由辐照结果(图5)可知，环形阵列产生的均匀辐射照度分布范围较小，主要集中在-30～30 mm的范围内，但中心有较强的光分布，辐射照度值大，有一定的聚光效果。

2 LED植物组培平面阵列的设计与光辐照度分析

2.1 LED组培阵列排布方式选择

3种排布方式有不同的光辐照度特点，因此灯具成品也有不同的用途。比如方形阵列在手术照明中得到广泛的应用；环形阵列平坦，辐射照度分布范围较小，但其能量集中分布在一个圆形范围内，有良好的集光效果，因此在机器视觉中得到广泛的应用[3]；与三角形阵列和环形阵列相比，方形阵列具有便于拼接拓展的特点，且具有易按照一定规律分布不同光质LED灯珠的优势，从而更适合应用于植物的照明。

植物组培架一般为长约1 200 mm、宽约500 mm、层高 300～450 mm且层高可调[4]的多层架。采用模块化阵列式设计理念，将若干个单元模块排列组合形成平面模块，进而达到快速安装维护以及拓展的目的。该方法可突破传统的点、线光源技术缺陷，与灯管式组培灯相比，能为植物提供更加均匀的光照，且光质的搭配更灵活。不同光质的LED独立驱动，驱动方式可按需选择，可用定光强驱动模块驱动，或者使用具有调光功能的驱动模块对光质比进行调整，以满足植物不同生长时期的光照需求。

2.2 LED光质及功率选择

红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史的必需光质，目前大多设计都是红光和蓝光的搭配。为保证植物生长发育与其产量、品质，有时需要在红蓝组合光的基础上补加一些特殊光质成分，可称之为有益光质，包括红蓝光以外的其他可见光、紫外光(ultraviolet，简称UV)等[5]。

研究表明，在红蓝LED组合光中加入绿光能够促进植物生长。Kim等在光通量密度(PPFD)为150 μmol/(m2·s)、光周期为18 h的条件下，对生菜进行绿光+蓝光+红光(RGB)的光处理，与冷白光荧光灯和红蓝光LED复合光处理相比，RGB处理的生菜干鲜质量、叶面积及干物质积累都是最优的，且外观品质得到了提高，与自然光条件下的植物叶片相似[6]。Johkan等报道了3种LED绿光(510、524、532 nm)在100、200、300 μmol/(m2·s)光照度下生菜的栽培效果以及绿光波长及其光照度对生菜形态建成和光合作用的影响，结果表明，高光照度绿光LED能促进植物生长，尤其是短波长绿光对植物生长的促进效果最佳[7]。绿光比红蓝光的透射比更高，能够更好地穿透叶片，进而促进冠层底端的叶片维持光合作用活力，提高冠层整体的光合性能。但同时Kim等认为，24%～50%的绿光促进植物生长，但绿光超过50%时会抑制某些植物的生长[6]。

适宜的UV辐射对设施蔬菜的优质高效生产十分重要。紫外光的利用与调节对保障植物的优质高产非常重要，不仅有利于植物的趋光性，还可以杀菌消毒，减少病害传播[8]。人工控制UV光源在植物组培环境内补充UV辐射的技术，能减少化学方法导致的蔬菜徒长，对于改善蔬菜品质有良好的效果，是生产绿色有机食品的重要保证。但高剂量的 UV-B辐射也会引发植物光合作用的一些负面响应，抑制植物的生长发育。为保证紫外光的调控效果，可采用短期小剂量应用以及间歇式反复照射、采前短期照射等方法减少使用剂量。UV-A也可影响植物的生长发育，但生物学效应较小[9]。目前，植物光源一般都是红蓝光组合光源，缺乏紫外光谱组成。本设计加入绿光LED及紫外LED，可为植物提供更科学、更全面的光环境。

光源的选择可直接影响LED灯具的性能、成本及工作寿命。一些厂家使用10 W以上的LED模组制成LED灯具，这种灯具存在散热困难、易眩光、光学配光难等缺陷；也有的灯具采用3～5 W的LED模组，这种模组的光效较低，并且存在散热问题，与单只1 W的LED相比，在同等光通量条件下价格优势不明显。从目前大功率LED的技术水平来看，1 W光效比较高，节能优势明显。因此本设计采用1 W的窄带LED，红光与蓝光的中心波长分别为660、450 nm，紫外LED(UV-B)的中心波长为300 nm，绿光LED的中心波长为520.7 nm。

2.3 LED阵列排布方案及各光质LED的辐照度模拟分析

在植物的自然生长过程中，红蓝光质比例一般在4 ∶1～9 ∶1之间[10]，因此在确定红蓝灯珠数量时不仅要满足植物生长所需的最大光照度，而且要确保该比例的实现。灯珠间距的设计要考虑光照平坦化程度及基板面积2方面影响因素，以保证均匀照明的同时方便在培育架上的安装部署。另外，要考虑散热问题。综合考虑以上因素，进行如图6所示的排布搭配，混合阵列为边长为16 cm的正方形。

同样用光学模拟软件TracePro分别对不同光质的LED进行光照度模拟分析。LED植物生长灯在使用时通常距离植物20～30 cm[11]，此次模拟过程中的探测面位于距LED阵列20 cm处，得到红光和蓝光各自在探测面的辐照度分析模拟结果见图7至图10。

由图7至图10可以看出，红、蓝、绿LED阵列都有良好的均匀性，紫外光均匀性稍差，但其主要作用是调控和杀菌消毒，只是按需开启，所以并不影响达到预期目的。红光LED在-80～80 mm范围内大体上可达到最大辐照度的80%及以上。蓝光和绿光LED在-60～60 mm范围内整体上也均能达到最高光照的70%以上。本设计灯珠间距受其他因素(如基板尺寸)影响未达到理论最大平坦化条件，但仍在很大程度上使各种光质均匀照射且提供充足的光照度，同时不存在散热问题。混合阵列能形成与植物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值，减少因光源带来的误差和影响。此外，模块化的设计可实现快速安装、更换和拓展LED灯珠的目的，使用方便。

3 结论

要设计一款可靠的LED植物生长灯，不仅要考虑光质的选择、灯具的形状尺寸问题，还需要考虑如何使不同光质在照明区域内实现均匀性照射。本研究使用同等数量的LED灯珠进行3种典型平面阵列的设计并分别进行均匀性仿真研究，经综合分析，确定方形阵列是最适合植物照明的排布方式。本研究在探讨有益光质对植物的影响后，设计一种植物组培LED混合阵列。辐照度仿真结果显示，不同光质在一定范围内都有很高的均匀性及辐照度，可为组培植物提供科学可靠的光环境，且模块化的设计可以实现快速安装、更换和拓展的目的，适合植物组培。

[1]黄启禄，吴逢铁，范丹丹. 均匀照明的发光二极管阵列仿真与对比分析[J]. 华侨大学学报(自然科学版)，2012，33(1)：13-16.

[2]王 洪，张奇辉，王海宏，等. 近场照度均匀的LED阵列设计[J]. 光学与光电技术，2009，7(5)：78-83.

[3]李征明，于 辉，纪建伟. 用于温室植物补光的LED组合光源的设计与优化[J]. 浙江农业学报，2015，27(3)：454-459.

[4]牛萍娟，唐晓新，张文彬，等. 植物生长用LED光源模组设计[J]. 天津工业大学学报，2015，34(3)：47-51.

[5]何 蔚，杨振超，蔡 华，等. 光质调控蔬菜作物生长和形态研究进展[J]. 中国农业科技导报，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]郑晓蕾，丸尾達，朱月林. 植物工厂条件下光质对散叶莴苣生长和烧边发生的影响[J]. 江苏农业科学，2011，39(6)：270-272.

[9]刘文科，杨其长. 紫外光在植物工厂中的分布特征及应用前景[J]. 科技导报，2014，32(10)：29-31.

[10]李加利，刘继展，李萍萍. 温室光环境及其在立柱栽培中的应用[J]. 江苏农业科学，2013，41(1)：383-386.

[11]朱 舟，应盛盛，胡洪钧，等. LED植物光源阵列光照分布及均匀性研究[J]. 浙江农业学报，2015，27(8)：1489-1493.