溶洞中抑制藻类生长的类日光光源设计

孙 文 良， 于 慧 媛， 吴 江， 吕 凝， 曹 冠 英，杨 轶， 党 春 岳， 邹 念 育

( 1.大连工业大学 信息科学与工程学院， 辽宁 大连 116034；2.深圳市千百辉照明工程有限公司， 广东 深圳 518057 )

0 引 言

藻类是一种地球上最早出现且广泛分布的植物。由于人工照明在溶洞中的应用，导致在有些溶洞的表层，发现了很多藻类生物[1-2]。而这些藻类在生长发育过程中会分泌钙质，使石钟乳迎着光线向上弯曲生长，损坏溶洞景观[3-4]。

本研究利用光谱叠加原理得到基于白光LED的拟合日光光谱的最优组合方案，结合易于藻类生长的光谱，去掉对应波长，得到抑制藻类生长的类日光方案；利用TracePro软件进行仿真模拟得出光源的色温、色坐标及显色指数，使得混合出来的光即能满足照明需求又能达到类日光特性的色度学参数。

1 光谱设计

1.1 白光LED的光学仿真

通过白光的连续波长，补偿单色LED的各种单一波长来模拟出人眼舒适的日光，所以对于补偿单色光的白光LED的设计是必不可少的一部分[5]。图1即为所选白光的光谱。

图1 白光光谱

1.2 类日光最佳拟合方案

利用图1的典型白光光谱，结合前期建立的104种单色LED数据库[6]，采用最小二乘法优化得拟合日光光谱在380～780 nm可见光范围内的最优组合，得到31种单色LED加白光LED的最佳拟合方案[7]。

1.3 抑制藻类生长的光谱设计

适宜藻类生长的光谱如图2所示[9]，可知适宜藻类生长的波长集中在400～500 nm(蓝色)和600～700 nm(红色)之间。所以要抑制藻类生长，采用减法原则，在类日光最佳拟合参数中去掉所选的相应波长，得到除白光外12种单色光，参数如表1所示。

图2 适宜藻类生长光谱

表1 抑制藻类生长方案及参数

结合图1和表1，得到抑制藻类生长的光谱。图3分别给出三个光谱的对比，曲线1为设计的抑制藻类生长光谱，曲线2为日光光谱，曲线3为白光LED光谱。通过计算得到，抑制藻类生长光谱中适宜藻类生长的光谱波段(400～500和600～700 nm)占总光谱的比例为36.89%；日光光谱中适宜藻类生长的光谱波段占总光谱的比例为54.54%；白光LED光谱中适宜藻类生长的光谱波段占总光谱的比例为47.41%。因此，相比日光及白光LED，设计的抑制藻类生长光谱对藻类生长有一定的抑制作用。

图3 三种光谱对比图

2 光学设计

运用光学设计软件TracePro对抑制藻类生长的光谱及最佳组合方案得到的13种波长的灯珠进行设计。

2.1 灯珠排列方式

针对表1，白光与其余12种单色光共需23颗灯珠，为了简化光源设计的操作性，本次设计用1 mm×1 mm×0.1 mm的几何体代表灯珠，采用圆周排列的方式进行排列，如图4所示，第一圈是半径为2 mm的4种表1中对应序号波长的光源，第二圈为半径为4 mm的8种表1对应序号波长的光源。为了使12颗光源均匀分布在中心白光光源四周，第一圈每种波长的光源间隔90°，第二圈每种波长光源的间隔为45°。

图4 灯珠排列位置

2.2 色度学参数

由图5可以看出，色温5 988 K在等温线上，色坐标为(0.322 3，0.331 7)，接近等能白点E(0.333 3，0.333 3)。光学仿真结果显色指数为83.5。以上色度学参数均优于白光LED。

图5 拟合藻类生长的白光色坐标图

3 结 论

针对目前溶洞中藻类生长问题，结合人眼最舒适的日光光源，设计了抑制藻类生长的类日光光谱，利用TracePro软件对白光光谱采点得到单色白光色温6 012 K，色坐标(0.320 2，0.355 1)，显色指数70.5。通过适宜藻类生长的光谱结合类日光光源，运用减法原则，得出的仿真结果为，色温5 988 K，色坐标为(0.322 3，0.331 7)，显色指数为83.5。本次设计针对溶洞照明中的功能性照明，研究得出的抑制藻类生长的类日光光源色度学参数相较于白光的色度学参数好，不仅满足舒适性照明的需求，对溶洞旅游资源也起到了一定的保护作用。