余弦修正片对光照传感器进光量的影响

张昕昱,宁效龙,郑佳楠，张放心,李 明,李海宝，刘 文

(1.中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学微电子学院， 安徽 合肥 230026；3.安徽昂科丰光电科技有限公司，安徽 合肥 230026)

引言

自20世纪50年代开始，人们就试图使用人工光源种植植物。近年来随着LED技术日趋成熟，以LED植物工厂和LED补光温室为代表的都市农业快速发展[1]，人工光源植物照明技术进入了一个新阶段。植物工厂技术被誉为实施农业发展的高级形态，在日本、美国、荷兰等已逐步推广。我国在该领域发展迅速，据不完全统计，我国植物工厂每年增长规模为30～40家，目前已建植物工厂达120多家，有望成为世界上植物工厂保有量最多的国家。

植物叶绿素的吸收光谱有两个主吸收峰，分别位于蓝光波段和红光波段[2,3]，对应的光合效率最高[4]。目前植物工厂中广泛使用峰值波长450 nm的蓝光LED、峰值波长660 nm的红光LED作为植物照明光源[5]。在LED植物照明的实际应用中，不仅需测量照射到植物表面的总光量子通量密度，还需测量不同光质光量子通量密度及其比例(光质比)，光质比(R/Fr、R/B)对植物生长、发育、生理特性有重要影响[6-9]。

PAR(Photosynthetically Active Radiation)光量子传感器是目前常用于植物生长光环境测量的传感器。1972年，Mc Cree[10,11]发现植物的光合作用、色素形成、光周期现象等主要受400～700 nm波段光的影响，并将该波段光定义为光合有效辐射(PAR)，PAR传感器即测量单位时间内该波段光通量。Rabinowitch[12]研究发现光合作用生成的分子数近似与光合有效辐射吸收的光子数相关，与光子能量无关，所以目前普遍采用光合有效光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)来表征测量结果。但这种传感器的缺陷是无法在测量环境光中PPFD的同时测量出红光/蓝光(R/B)、红光/远红光(R/Fr)的比例，即无法测量光质比这一关键数据。

为满足植物工厂中对PPFD及光质比的探测需求，项目组设计了一款多通道光量子传感器[13,14]，该传感器利用特定波长的滤光片和硅光电池探测植物工厂光环境中的红光光量子通量密度、蓝光光量子通量密度及PPFD。为了避免光线直射造成的菲涅尔反射效应，传感器顶部需加装余弦修正片，通过使入射光线发生折射和散射使其尽可能正入射到滤波片表面。通过应用3D打印技术，制作不同材质的余弦修正片，并通过传感器定标测试得出不同材质余弦修正片下传感器红光/蓝光通道的响应特性并计算出其对传感器进光量的影响，并最终得到一种最适合应用于多通道光量子传感器的余弦修正片材料。同时，还利用3D打印技术设计辅助余弦修正片使用的滤光片专用防串光套，从而解决滤光片边缘漏光问题。

1 余弦修正片设计

项目组所设计的多通道光量子传感器主要由带通滤波片、硅光电二极管、调理电路、余弦修正片[15]等结构构成(图1)。

1—微处理器；2—陶瓷外壳；3—滤波片I；4—余弦修正片； 5—滤波片II；6—基座；7—调理电路PCB板；8—底座； 9—数据线；10—硅光电二极管 图1 多通道光量子传感器结构示意图Fig.1 Structure diagram of the multi-channel quantum sensor

入射光经余弦修正片修正后到达滤波片，滤波片将其带宽范围内的光透射，并将其余光全反射，透射光到达硅光电二极管，经光电转化产生短路电流，电流经过电流-电压(I-V)转换电路转化为电压值，再通过A/D转换器转化为数字信号，并通过数据线传输。

余弦修正片即余弦散射器，是位于传感器顶部的进光部位的乳白色圆片，一般采用聚四氟乙烯材料制成，也有采用其他透明塑料材质并在其中参入一定量的散射剂制成。正常情况下，当入射光照射到探测器表面时会发生菲涅尔反射效应，导致光线入射角不同时引起表面反射的不同，使相同照度不同方向的入射光产生不同的响应电流。余弦修正片作为光进入传感器内部的窗口，其作用是改善入射光的余弦特性，减小余弦响应误差，使从传感器表面2π立体角内任何方向入射的光线都能通过并到达感应元件的表面[1]。

余弦修正片可以使入射辐射与探测器表面接收到的辐射间满足：

(1)

式中，I为入射辐射量，I0为探测器表面接收到的辐射量，θ为入射光线与法线的夹角。

余弦修正片在修正光线的同时也会无法避免的损耗一部分光，导致硅光电池的进光量减少，从而影响传感器的测量灵敏度。为权衡菲涅尔反射效应导致的测量误差和进光量减少对传感器灵敏度的影响，不同传感器需选用合适材质的余弦修正片。对于项目组设计的多通道光量子传感器，由于采用使用多块硅光电池的多通道设计，为避免体积过大，选用4 mm×4 mm小型硅光电池，其采光灵敏度相对较低，需采用较高透射率的材料。

为能够与传感器尺寸及封装方式匹配，需制作特定规格的半球型余弦修正片，批量生产时需要开模，价格高昂，在量产规格及尺寸未确定的研发阶段采用开模方式成本高、风险大。3D打印技术的成熟为我们提供了另一种选择，通过3D打印可以快速制作与传感器相匹配的余弦修正片样品，同时可以实现对其厚度、材质、规格的随意修改。

我们首先通过SolidWorks设计出半球型余弦修正片的结构图(图2)，之后使用3D打印分别制作了3种不同材质的余弦修正片模型。三种材质分别是聚四氟乙烯、透明光敏树脂及白色尼龙(图3)。

图2 使用SolidWorks建立余弦修正片模型Fig.2 Cosine correction plate model constructed by SolidWorks

图3 通过3D打印制作的不同材质的余弦修正片Fig.3 The cosine correction with different material made by 3D printing

2 结果对比

为测量三种材质余弦修正片的透光率及其修正性能，需分别将其安装于传感器上进行标定。标定时，将待标定传感器和标准传感器置于相同光环境下，并通过改变环境光通量求出拟合曲线。下面以红光、蓝光通道为例介绍标定过程。定标光源采用台湾光宏1 W、660 nm(±20 nm)大功率红光LED构成的红光阵列标定红光通道，采用1 W、450 nm(±15 nm)大功率蓝光LED构成的蓝光阵列标定蓝光通道，其发散角均为140°，单颗光源呈朗伯分布，这两种光源光谱与待标定传感器红蓝通道透过谱很好地吻合。

为了剔除传感器差异造成的影响，定标分三次完成，每次将一种材质的余弦修正片放置在该多通道光量子传感器上进行定标。选取KIPP & ZONEN生产的PQS-1型传感器作为标准传感器为待标定传感器定标[16]，该传感器环境适应能力强且稳定性好，灵敏度达4～10。标定在标准暗室中进行，在蓝光关闭条件下，逐步调节红光LED电压至额定电压，使PQS-1传感器读数依次达到目标值PPFDR，同时依次记录待标定传感器读数VR，并将数据进行线性拟合。之后在红光关闭条件下，逐步调节蓝光LED电压至额定电压，使PQS-1传感器读数依次达到目标值PPFDB，同时依次记录待标定传感器读数VB，并将数据进行线性拟合(图4)。

在三种材质的余弦修正片下，决定系数R2均大于0.98，证明传感器内硅光电池线性响应度均优良。分析传感器在红光LED下红光通道的响应系数和蓝光LED下蓝光通道的响应系数(表1)可得，透明光敏树脂下红光/蓝光通道的响应系数远大于使用聚四氟乙烯和白色尼龙的情况，即在相同的半球结构时，对于红光通道，透明光敏树脂材料透光率分别比聚四氟乙烯和白色尼龙材料高89.3%和85.2%，对于蓝光通道，透光率分别高87.1%和83.2%。

表1 不同材质余弦修正片下传感器红/蓝通道的响应系数Table 1 The response coefficient of the red/blue channel of the sensor under cosine correction with different material

图4 不同材质余弦修正片下传感器红光/蓝光通道标定拟合曲线Fig.4 The calibrated fitting curve of the red / blue channel of the sensor under cosine correction with different material

3 解决通道串光问题

由于滤波片本身具有一定厚度，当入射光角度较大时，部分光线将从其侧壁进入硅光电池，滤波片对该部分光无法起到波长选择效果，造成因通道间串光引起的误差，即当只有红光照射时传感器蓝光通道中也会有部分红光通过蓝色滤波片侧壁进入硅光电池，继而产生感应电压。上述误差随进光量增长而增长，无法通过数据处理剔除，余弦修正片通过折射和散射使入射光与滤波片的入射角度减小，减少侧壁进光量，从而减小该误差。但实际测试时发现通道间的串光引起的误差仍然较大，即当在红光下定标时，蓝光通道的响应曲线的斜率大于0，反之亦然。为彻底解决该误差，利用3D打印能够打印微小结构件的特征，设计了一种能够将滤波片镶嵌在其中的防串光套(图5)，将滤光片侧壁完全覆盖。在使用透明光敏树脂材质余弦修正片的条件下，依次对同一传感器在无防串光套和有防串光套情况下进行定标(图6)。

图5 利用3D打印制作的防串光套Fig.5 Serial light proof sleeve made of 3D printing

图6 无防串光套和有防串光套时传感器红/蓝通道的响应系数曲线Fig.6 The response coefficient curve of the red / blue channel of the sensor having and not having serial light proof sleeve

红光LED下，传感器蓝光通道响应系数其理论值应该为0，但实际测试中，在无防串光套情况下该值为0.3546，在有防串光套情况下该值降至0.0491，接近于0。蓝光LED下，传感器红光通道响应系数其理论值应该为0，但实际测试中，在无防串光套情况下该值为0.4916，在有防串光套情况下该值降至0.0695，接近于0(表2)。结果表明，防串光套有效阻止了因滤光片侧壁漏光而引起的通道串光误差。

表2 无防串光套和无防串光套时传感器红蓝通道 的响应系数Table 2 The response coefficient of the red / blue channel of the sensor having and not having serial light proof sleeve

4 总结

本文介绍了一种能够同时测量环境PPFD及光质比的多通道光量子传感器，同时利用3D打印技术设计并制作出材质分别为聚四氟乙烯、透明光敏树脂、白色尼龙的余弦修正片。通过实际使用上述余弦修正片标定相同传感器，得到在不同材质余弦修正片下的传感器红/蓝通道响应系数曲线，对于红光通道，透明光敏树脂材料透光率分别比聚四氟乙烯和白色尼龙材料高89.3%和85.2%，对于蓝光通道，透光率分别高87.1%和83.2%，该材质最适合用于上述传感器的余弦修正片。

同时，实际标定中发现在使用余弦修正片的情况下仍存在滤光片侧壁漏光导致的通道间串光误差，该误差随进光量增大而增大，无法通过数据处理消除。通过3D打印方法设计并制作一种可将滤光片进行镶嵌的防串光套，并通过实验发现在有防串光套情况下红光通道该误差系数从0.3546降至0.0491，蓝光通道该误差系数从0.4916降至0.0695，结果证明该防串光套有效阻止了因滤光片侧壁漏光而引起的通道串光误差。

在传感器之类的精密仪器研发过程中，往往因为一些精细复杂零件无法加工导致项目推进缓慢，而3D打印技术提供了新思路，任何复杂形状的设计可以通过3D打印机来实现，且加工精度可达0.01 mm，最薄壁厚可达0.8 mm，且可打印涵盖塑料、尼龙、树脂、金属等一系列材料。我们利用该技术实现了不同材料单个样品制作，解决了在传感器研发过程中遇到的材料瓶颈。