靳肖林， 文尚勝， 馬丙戌， 付 萌， 蔡明興， 左 欣， 康麗娟

(1. 華南理工大學 材料科學與工程學院， 廣東 廣州 510640；

2. 華南理工大學 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640； 3. 華南師范大學 美術學院， 廣東 廣州 510641)

1 引 言

人口的急劇增加與耕地面積的日益減少為植物工廠的興起提供了條件。植物工廠是利用高科技打造的現(xiàn)代農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產系統(tǒng)[1]，通過控制環(huán)境如溫度、濕度、光照、無機物與有機物的配比來為植物生長提供必要的條件，從而達到縮短植物生長周期、提高生產效率的目的，是未來農業(yè)發(fā)展的方向。光照環(huán)境是植物生長的關鍵要素之一， 可以直接影響植物生長發(fā)育過程和化學物質積累[2-4]，近年來，熒光粉在LED植物照明材料及器件上的應用是一個研究熱點[5-7]，張運杰[8]探究了硫化物體系、鎵酸鹽體系幾種紅色熒光材料在植物照明LED上的應用，發(fā)現(xiàn)材料的發(fā)光光譜與植物光合作用光譜相匹配，表明熒光材料在LED照明領域有巨大潛能；此外，光照在植物保鮮方面應用也越加廣泛[9]，這使得植物照明成為研究熱點之一，相應地，開發(fā)性能優(yōu)良的植物照明光源顯得尤為重要。

LED作為最近幾年興起的第三代照明光源，在植物照明上具有三大優(yōu)勢。第一，植物進行光合作用吸收的光主要是波長為610～720 nm的紅橙光以及波長為400～510 nm的藍紫光，LED可以發(fā)出植物所需要的單色光光譜[10-12]。在植物保鮮方面，劉然然[13]實驗證明，綠光可以很好地保護植物葉綠素和維生素C不被破壞，保持植物的感官品質與營養(yǎng)成分，有效減緩植物衰老。閻瑞香[14]的研究表明，白光和綠光可以有效保持蘆薈外觀特質，防止蔬菜的褪綠黃化。第二，LED光譜具有可調性，可以根據(jù)不同植物在不同生長階段對光的需求，調節(jié)LED的光質比，獲得復合光譜[15]，實現(xiàn)精準給光。第三，LED體積小，節(jié)能，光電轉化效率高，可以緊湊排列，提高空間利用率。

但是現(xiàn)有的LED植物照明燈有一定的缺陷，如燈具中一般將紅藍燈珠進行陣列排布，但沒有進行二次光學設計，由于光線沒有足夠的距離進行耦合，低光照均勻性會導致近距離受照面出現(xiàn)紅藍光斑，導致同一批次的植物的生長光環(huán)境不一，影響植物的均衡成長。針對這一缺陷，本文提出了一種新的燈具設計方案，在LED芯片上方加入導光管與光纖透鏡的組合結構，通過調節(jié)導光管長度以及光纖透鏡的直徑獲得最佳的光學結構，研究過程中使用SPIC-200 光譜彩色照度計對光源進行表征，通過對光譜、光量子通量密度和色度參量的測試，計算出混光、混色以及光譜均勻度，從提高均勻性為出發(fā)點找出最佳光學結構。進一步，為了更加有效科學地表征植物光源的照明效果，引入有效光能利用率這一新的評價指標，其核心思想是將用于植物生長的光能與光源發(fā)出的總的光能的比來表示燈具的光學設計從能源利用的角度來講是否合理。最后研究所得的光源被進一步應用于玫瑰花的保鮮中，進一步驗證燈具的先進性并為進一步的實地研究提供科學的參考依據(jù)。目前的保鮮實驗只是關注單色綠光或紅藍光對果蔬保鮮的影響，少有將光質可調的照明燈應用到植物保鮮領域。本文通過脈沖寬度調光技術(PWM調光技術)調節(jié)燈具的發(fā)光光譜，研究不同的光譜、光質比對于玫瑰花保鮮的影響。本文從光源的光、電、熱性能入手對科學的植物照明燈具進行了全面科學的研究，并進一步對于植物光源的評價指標提出創(chuàng)新性的評價理念和指標，并在最后針對光源對玫瑰花保鮮的問題從應用的層面做了進一步研究。

2 燈具設計

2.1 整燈模型介紹

如圖1所示，燈具由散熱片、RGB三色COB LED芯片、導光管、玻璃光纖透鏡構成。最終得到實際燈具及其照明效果如圖2(a)所示，而市面上常見的借鑒了射燈結構的植物照明燈的照明效果如圖2(b)所示，相比之下本研究提出的光源設計方案大幅度提高了光源的均勻度。在電源驅動方面，使用MPS3003S可調式直流穩(wěn)壓電源，結合脈沖寬度調制技術(Pulse-width modulation，PWM)[16-18]，實現(xiàn)光譜可控；此外，實驗測量了燈具工作時的溫度，從熱學角度評價燈具的散熱性能。

圖1 整燈模型

圖2 植物燈對比圖。(a)實驗所用燈具；(b)傳統(tǒng)LED植物照明燈。

2.2 燈具設計分析

多色LED可以不使用混光元件直接混合，但當混光距離過短時，會出現(xiàn)不同顏色的亮斑和暗斑，如圖3(a)所示；通常會在燈具結構中加入毛玻璃和擴散板等傳統(tǒng)混光元件來增強混光效果，使光線充分混合均勻出射，但這類光學器件會使光束發(fā)散，如圖3(b)，不利于光能被植物充分吸收利用。為解決這一問題，本研究提出使用導光管與光纖透鏡，導光管和透鏡可以在改善植物燈混光效果的同時約束光出射角，光線從cob芯片射出后，經過導光管和光纖透鏡的反射和透射，可以小角度地準直出射，如圖3(c)所示。

圖3 多色LED的混光模型圖。(a)直接混光；(b)使用傳統(tǒng)的混合元件；(c)使用導光管與光纖透鏡。

3 研究參數(shù)

植物對光線感知能力強，在不同的光質與光強下植物的生理活動大不相同，這就要求植物照明燈應具有高的照度均勻度與混色均勻度，以此為依據(jù)，本實驗主要探究燈具均勻度。目前評價燈具照明效果多用基于人眼視見函數(shù)的光度學量，如光通量Pv與光照度Ev，但因為人的眼睛和植物對光的敏感度在不同波長處達到峰值，所以光度學參數(shù)Pv、Ev等不再適用于評價植物照明燈，應使用更加符合植物照明的光量子學參數(shù)[19-20]來表征植物燈。光量子學中與光度學中的照度相對應、用來表征植物燈照明效果的參數(shù)是光量子通量密度(Photosynthetic photon flux density，PPFD)，即受照面單位時間內單位面積所接收到的光子數(shù)目，單位是μmol·m-1·s-1。在植物學領域，光合有效輻照度EPRA可表示為：

(1)

其中Ee(λ) 表示光譜輻照度，λ表示波長。

根據(jù)光子理論，光子能量公式為：

(2)

公式(1)和(2)結合可以得到照度與PPFD之間的換算公式，且因為光子數(shù)量級過大，所以采用摩爾單位計數(shù)，可得光量子通量密度計算公式:

(3)

其中，K代表PPFD，h表示普朗克常量，c表示光速，nA表示阿伏伽德羅常數(shù)。

3.1 光譜差異性

分析時，光譜差異性定義為樣品點的RGB三色光譜的差異，用ΔSRSGSB來表示，我們用公式(4)計算ΔSRSGSB：

ΔSRSGSB=

(i=1,2,3…),

(4)

其中ΔSRSGSB表示光譜均方差，N表示樣品點數(shù)目，SRi、SGi、SBi分別表示樣品點紅綠藍三色光譜值，SR、SG、SB分別表示樣品點的紅綠藍三色的絕對光譜值，SR、SG、SB越大表示光譜差異性越大。

由于公式(4)計算所得均方差較小，難以比較，通常我們用公式(5)來對光譜均方差進行歸一化處理，用公式(5)表示光譜均勻性：

(5)

其中k是一個常數(shù)。 在本實驗中，k的值設置為使光譜均勻度最大值等于90%。

3.2 混色均勻性

植物對不同的光譜反應靈敏且響應差異性大，本實驗使用RGB三色光源進行三色混光，混色均勻性直接體現(xiàn)了光譜分布的均勻性，是本實驗的重要測量參數(shù)之一。我們將混色均勻度定義為CIE1976色坐標的差異，用Δuv表示色坐標差異性，使用公式(6)來計算色坐標差異：

(6)

其中ui、vi是CIE 1976色彩系統(tǒng)中測量點的色坐標，N是受照面上的采樣點數(shù)。 采樣點的均方差值越小，顏色坐標差異越小，即混色均勻性越高。

公式(6)計算的均方差值通常較小，因此我們使用公式(7)對Δuv進行歸一化處理，用Ucolor表示混色均勻度：

(7)

其中k是一個常數(shù)。 在本實驗中，k的值設置為使混色均勻度最大值等于90%。

3.3 PPFD均勻度

光照強度直接影響著植物光合作用與呼吸作用，為了使同一批植株均衡生長，植物燈必須實現(xiàn)均勻給光。為了衡量受照面光的強弱分布，探究植物燈能否實現(xiàn)均勻給光，我們測量了受照面上的PPFD并使用公式(8)計算其均勻性：

(8)

其中ΔK表示受照面的光量子通量密度均方差，均方差越小表示光強分布越均勻，和混色均勻度類似，我們同樣對ΔK進行歸一化處理，使用α來表示PPFD均勻度：

(9)

其中k是一個常數(shù)。 在本實驗中，k的值設置為使PPFD均勻度最大值等于90%。

3.4 有效光能利用率

對于大多數(shù)植物的光合作用[21]，如圖4(a)曲線所示，A點被定義為光補償點，B點被定義為光飽和點，只有植物所接收光照的PPFD大于A點對應的PPFD時，植物才能進行有效的光合作用，當光照PPFD達到B點對應的PPFD值時，植物光合作用才能達到最大速率。表1給出了一些植物光補償點與光飽和點對應的PPFD值。

表1 植物光飽和點與光補償點對應PPFD

從表1中可以看出，大多數(shù)植物光補償點對應的PPFD值為50 μmol·m-2·s-1左右，本次實驗中將有效光能利用率定義為η。η計算方法如圖4(b)所示，測量受照面PPFD最大值，當PPFD下降到最大值的5%時，標記做圓，測得圓半徑為Rb，在受照面畫出K=50 μmol·m-2·s-1時對應的圓，測得圓半徑為Ra，η用公式(10)來計算：

(10)

圖4 (a)植物光合速率曲線; (b)有效光能利用率說明圖。

4 實驗設計和分析

實驗使用的光源為臺灣晶元公司生產的cob RGB LED，其中封裝有9個芯片，由紅、綠、藍3×3矩陣構成，且紅綠藍芯片可以獨立控制，以達到光質比可調的目的，方便研究不同光譜組成對植物生長的影響。實驗初用三路電流分別驅動B、G、B 3種顏色芯片，使單色芯片在一定距離的光接收面上可以產生相同PPDF，記錄不同顏色的驅動電流和電壓如表2所示。

表2 芯片對應的驅動電流和電壓

在之后的每次測量中，保持各芯片對應的驅動電流和電壓不變。我們在實驗中使用具有圓形橫截面的導光管和光纖透鏡，其中導光管的長度為3.5～5.5 cm不等，透鏡的直徑為1.9 cm和2.7 cm。我們組合不同導光管與光纖透鏡，采用37點采樣法[22]大照度值的5%時畫出最大圓，當K=50 μmol·m-2·s-1時畫出最小圓，以大圓半徑和小圓半徑的平均值為中間圓的半徑，如圖5(a)所示；使用如圖5(b)所示的SPIC-200 光譜彩色照度計測量受照面的照度和光譜，根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)計算出每一組的混光均勻性與混色均勻性，分析不同光學結構和光傳輸距離對植物燈均勻性以及有效光能利用率的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)對比可找到出光效果最好的光學結構。

圖5 (a)37點采樣法示意圖；(b)光譜照度計。

在測得最佳光學結構后，以最佳光學結構為基礎，調節(jié)光質比為R+G+B、G+B、R+G、G，光譜圖如下文圖12所示，以自然光照射為對照組，設置光照周期分別為6，9，12 h，通過測定在不同光處理下玫瑰花采后日失重率以及抗氧化物質的含量變化，探究最適合玫瑰花保鮮的光條件。

4.1 配光曲線測量

LED芯片的長度為2.9 cm，所以我們以29 cm作為測量區(qū)域的直徑，調節(jié)導光管長度依次為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 cm，與不同直徑的光纖透鏡組合，每隔5°測量一個點的照度，如圖6所示。通過對測得的照度進行歸一化來獲得光強分布曲線，結果如圖7所示。

圖6 配光曲線測量示意圖

圖7 (a) 2.7 cm透鏡對應的光強分布曲線；(b)1.9 cm透鏡對應的光強分布曲線。

圖7顯示，使用D=2.7 cm光纖透鏡，燈的光發(fā)射角度較小，照明表面上的斑點更小更收斂。而D=1.9 cm光纖透鏡的燈光發(fā)射角度較大，光能較均勻地分布在光接收面。此外，隨著導光管長度的增加，發(fā)射角度減小，發(fā)光能量分布趨于致密。

4.2 光學結構對光譜、混色、PPFD均勻度的影響

調節(jié)導光管長度與透鏡的直徑，在一定距離的受照面上用照度計測出樣品點的光譜值、色坐標與PPFD，利用公式(4)、(6)、(8)算出各個參

數(shù)的均方差，并用公式(5)、(7)、(9)進行歸一化處理，得到表3、表4、表5。

表3 不同光學結構對應的光譜均勻度

表4 不同光學結構對應的混色均勻度

表5 不同光學結構對應的PPFD均勻度

為了更直觀地比較光學結構對燈具性能的影響，將表3、4、5繪制成折線圖，得到圖8。

圖8 (a)不同光學結構對應的光譜均勻度；(b)不同光學結構對應的混色均勻度； (c)不同光學結構對應的PPFD均勻度。

4.2.1 光學結構對光譜差異性的影響

分析圖8(a)可知，隨著導光管長度由3.5 cm增加到5.5 cm，透鏡直徑為1.9 cm的燈具光譜均勻度快速上升并在導光管長度為5.5 cm時達到最大值90%；而透鏡直徑為2.7 cm的燈具光譜均勻度在85.9%～86.42%緩慢變化，且最小均勻度與最大均勻度差異僅0.52%。綜合比較分析，在不同的導光管長度下，直徑為1.9 cm的透鏡光譜均勻度皆大于直徑為2.7 cm的透鏡，這與測量配光曲線所得數(shù)據(jù)相符，從另一方面說明了使用小直徑透鏡與較長導光管會使受照面上的光能更均勻分布。

4.2.2 光學結構對混色均勻性的影響

分析圖8(b)可知，具有D=2.7 cm透鏡的燈具混色均勻度在85.89%和90.00%之間呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，隨著光管長度從3.5 cm增加到4.5 cm略有增加，之后隨著光管長度從4.5 cm增加到5.5 cm略微下降；具有D=1.9 cm透鏡的燈具混色均勻度在導光管長度從3.5 cm增加到5.0 cm時呈現(xiàn)出不利的趨勢，當導光管長度為5.0 cm時，達到最小值69.35%，但之后隨著導光管增長快速增加至87.00%。 綜合比較分析，在不同的導光管長度下，直徑為2.7 cm的透鏡混色均勻度皆大于直徑為1.9 cm的透鏡，所以直徑較大的光纖透鏡有利于提高顏色均勻度。

4.2.3 光學結構對PPFD均勻性的影響

分析圖8(c)可知，具有D=1.9 cm光纖透鏡的燈具和具有D=2.7 cm光纖透鏡的燈具PPFD均勻性呈現(xiàn)相同的趨勢，均勻度隨著導光管長度從3.5 cm增加到4.0 cm下降，然后隨著導光管長度從4.0 cm增加到5.5 cm而上升，在5.5 cm處達到最大值。綜合比較分析，在不同的導光管長度下，直徑為1.9 cm的透鏡混光均勻度皆大于直徑為2.7 cm的透鏡，所以小直徑光纖透鏡有利于提高PPFD均勻性。

4.3 光接收距離對混色均勻度、PPFD均勻度的影響

根據(jù)4.2實驗結果分析，當導管長度為5.5 cm、透鏡直徑為1.9 cm時，該燈的PPFD均勻度和光譜均勻度同時達到最大值90%，顏色均勻度也達到87.00%，接近90%。 基于這個最佳的光學結構參數(shù)，改變光接收面和發(fā)光表面之間的距離，探究光接收距離對混色、PPFD均勻度的影響，得到圖9。

圖9 (a)光接收距離對混色均勻度的影響；(b)光接收距離對PPFD均勻度的影響。

由圖9分析可知，混色均勻度與PPFD均勻度隨光接收距離變化而改變的趨勢一致，隨著光接收距離從6 cm增加到8 cm，顏色混合均勻性和PPFD均勻性略有下降。 當光接收距離從10 cm變?yōu)?6 cm時，混色均勻性和PPFD均勻性均快速增加到90%。 分析可得，較長的光接收距離有助于提高受照面的光照均勻性。

4.4 有效光能利用率

植物的最大有效光能利用率取決于植物類型和外部光環(huán)境，由于燈具在受照面上形成的光斑總是中心光強最大，邊緣光強最小，在從中心到邊緣光強減弱到一定值后，光能就不能再被植物有效吸收，造成光能浪費?；?.2分析的有利于植物照明的最佳的光學結構和一定的光接收距離，改變驅動電流，探究有效光能利用率如何變化。電流從0.20 A增加，ΔI/I0是電流增量與初始電流的比值。如圖10所示，隨著驅動電流的增加，有效光能不斷增加，但增加速度從ΔI/I0=2后開始下降，在ΔI/I0=3時達到最大值43%。

圖10 ΔI/I0對光能利用率的影響

4.5 PWM調制模塊的設計

本實驗設計的PWM調光模塊由STM32單片機芯片實現(xiàn)，3個端口向外部電路輸出3個不同占空比的方波，分別驅動RGB LED。

如圖11(a)所示，左邊部分是STM32，其功能是產生驅動電壓；中間部分是IR2110芯片和場效應晶體管。圖11(b)顯示了每個LED的驅動電路。 PWM調光產生的方波輸入到圖11(b)中的IR2110芯片，IR2110放大電壓并提高驅動能力，IRF540n是一款用于將電壓轉換為電流的場效應晶體管。通過改變輸出電流的占空比，從而產生不同的光譜成分，利用積分球測得燈的光譜如圖12所示。

圖11 (a)PWM調光裝置圖；(b)LED驅動電路圖。

圖12 不同占空比下的光譜圖

4.6 光源熱學分析

燈具在發(fā)光時會產生大量的熱，熱量散發(fā)到空氣中會改變環(huán)境溫度，加速植物蒸騰導致植物缺水從而對植物生理活動造成影響，所以性能良好的植物照明燈對周圍溫度環(huán)境的影響要盡可能降低，這要求我們要在熱學方面對植物燈進行表征。本實驗采用7 cm×7 cm鋁制散熱片，選擇距離發(fā)光表面3 cm的區(qū)域作為測量點。這個距離遠小于植物工廠照明中燈具使用的距離，如果燈運行期間產生的熱量不會引起該區(qū)域溫度的大幅上升，則在實際應用中植物燈對環(huán)境的影響將會更小。在室溫24 ℃下，使用FLIR E30熱像儀拍攝發(fā)光燈具，可以直接得到光源溫度。拍攝圖片如圖13所示。

圖13 (a)具有直徑為1.9 cm透鏡的燈具的熱圖像；(b)具有直徑為2.7 cm透鏡的燈具的熱圖像。

通過比較具有和不具有光學結構的LED芯片的熱測試結果可知，在加入光學結構后，LED發(fā)光面中心溫度下降6～10 ℃，距離透鏡發(fā)光面3 nm處的空氣溫度降低約2 ℃，因此增加光學結構大大改善了LED芯片散熱效果。

5 燈具保鮮效果分析

5.1 玫瑰花保鮮原理

玫瑰花離開母體以后，并不是立即停止一切生命活動的，而是依然進行著呼吸作用和正常的生理代謝，一般認為玫瑰采后的水分代謝、呼吸代謝、糖分變化、蛋白質和氨基酸的變化以及超氧自由基的變化在很大程度上決定其開花與衰老，而抗氧化物質可以抑制過量自由基對機體的過氧化損傷[23-25]，比如類黃酮、多酚等。詹麗娟[26]的研究表明與黑暗環(huán)境對比，植物在合適的光照條件下，和葉綠素分解相關的酶活性被抑制，而抑制氧化作用的黃酮類、多酚類物質含量上升，從而減緩植物離開母體后的衰老速度。

5.2 保鮮實驗設計與分析

在保鮮實驗中使用PWM調光技術調節(jié)燈具光質比為R+G+B、G+B、R+G、G，并以此作為光質不同的4個實驗組，同時設置自然光對照組與紅藍光對照組，在每個組別中再分別設置6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h 3個不同的光照周期。在實驗中，保證實驗室溫度控制在25 ℃，環(huán)境濕度控制在適合鮮花保鮮的空氣濕度即65%，燈具距離鮮切玫瑰為10 cm不變，在該距離下可以保證玫瑰所接收光的PPFD值為60 μmol·m-2·s-1，略高于玫瑰花光飽和點對應的PPFD值(50 μmol·m-2·s-1)。在早上8∶00測量3×5=15組實驗的玫瑰花鮮重，記錄下6天實驗數(shù)據(jù)，計算出每組鮮花的失重率，失重率ηWL計算公式如下：

(11)

其中，m0、mi分別為玫瑰花的初始鮮重與光照i天后的鮮重。

在實驗6天之后，統(tǒng)一測試各組玫瑰花的多酚、類黃酮、花色苷[27-29]的含量。

通過測試實驗組在不同光質不同光照周期下抗氧化物的含量，與自然光對照組對比，得出相比于自然光照射的抗氧化物增長率，如圖14所示。

由表6和圖14分析可知，從光照周期的影響來看，過長的光照周期不利于玫瑰花鮮重保持，光質相同的條件下，12 h/24 h組的失重率明顯高于其他光照時長組，而抗氧化性物質含量卻明顯低于其他實驗組，不利于玫瑰保鮮；從光質的影響來看，R+G在4組實驗組中失重率最低，對玫瑰采后鮮重保持效果最好。有利于類黃酮含量增加的最佳光質和光照時長是R+G(6 h/24 h)；有利于多酚含量增加的最佳光質和光照時長是R+G+B(9 h/24 h)，但與R+G(6 h/24 h)實驗組的多酚含量增長率十分接近；有利于花色苷含量增加的最佳光質和光照時長是R+G(6 h/24 h)。綜合以上因素考慮，R+G(6 h/24 h)是最有利于玫瑰花采后保鮮的光照條件。

表6 玫瑰花鮮重失重率計算結果

圖14 不同光質和不同光照周期對抗氧化物含量的影響

6 結 論

本文從優(yōu)化植物照明光源的光學結構入手，以設計高混光、混色、光量子通量密度的均勻度為目的，通過改變導光管的長度和光纖透鏡的直徑研究了不同參數(shù)下光源的照明效果對于光譜均勻性、混色均勻性、PPFD均勻性的影響以及在不同的接收距離下受照面上的均勻性，進一步對提出的有效光能利用率進行研究。研究結果表明：使用較小直徑的光纖透鏡以及較長的導光管有利于提高混色均勻性和PPFD均勻性，同時，較長的接收距離也有助于提高混色均勻性和PPFD均勻性；當導光管長度為5.5 cm、光纖透鏡直徑為1.9 cm時，混色均勻性和PPFD均勻性達到最大值的90%；隨著驅動電流在一定范圍內增加，可以獲得更高的有效光能利用率，當ΔI/I0為3時，達到最大值43%；此外，加入光纖透鏡這種光學結構可以有效改善燈具散熱效果，減弱燈具發(fā)熱對周圍環(huán)境溫度的影響。電學方面設計使用PWM調光來驅動該燈具，通過調節(jié)占空比Dr∶Dg∶Db獲得了多種紅綠藍光質比的發(fā)光光譜，進一步應用于玫瑰花保鮮的實驗中，以失重率以及多酚、類黃酮、花色苷的含量為指標探究最適合玫瑰花保鮮的光照條件，實驗結果表明光質為R+G、光照周期為6 h/24 h時最有利于玫瑰鮮重保持，同時也最有利于抗氧化物質的積累。