靳肖林， 文尚胜， 马丙戌， 付 萌， 蔡明兴， 左 欣， 康丽娟

(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)

1 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COB LED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

图2 植物灯对比图。(a)实验所用灯具；(b)传统LED植物照明灯。

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。

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。

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(Photosynthetic photon 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μmol·m-1·s-1。在植物学领域，光合有效辐照度EPRA可表示为：

(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：

(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:

(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ΔSRSGSB：

ΔSRSGSB=

(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。

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：

(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：

(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：

(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：

(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：

(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PPFD

从表1中可以看出，大多数植物光补偿点对应的PPFD值为50 μmol·m-2·s-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 μmol·m-2·s-1时对应的圆，测得圆半径为Ra，η用公式(10)来计算：

(10)

图4 (a)植物光合速率曲线; (b)有效光能利用率说明图。

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cob RGB 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

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 μmol·m-2·s-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。

图5 (a)37点采样法示意图；(b)光谱照度计。

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29 cm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

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。

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

表4 不同光学结构对应的混色均匀度

表5 不同光学结构对应的PPFD均匀度

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。

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。

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5.5 cm、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。

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。

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/I0=2后开始下降，在ΔI/I0=3时达到最大值43%。

图10 ΔI/I0对光能利用率的影响

4.5 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。

图11 (a)PWM调光装置图；(b)LED驱动电路图。

图12 不同占空比下的光谱图

4.6 光源热学分析

灯具在发光时会产生大量的热，热量散发到空气中会改变环境温度，加速植物蒸腾导致植物缺水从而对植物生理活动造成影响，所以性能良好的植物照明灯对周围温度环境的影响要尽可能降低，这要求我们要在热学方面对植物灯进行表征。本实验采用7 cm×7 cm铝制散热片，选择距离发光表面3 cm的区域作为测量点。这个距离远小于植物工厂照明中灯具使用的距离，如果灯运行期间产生的热量不会引起该区域温度的大幅上升，则在实际应用中植物灯对环境的影响将会更小。在室温24 ℃下，使用FLIR E30热像仪拍摄发光灯具，可以直接得到光源温度。拍摄图片如图13所示。

图13 (a)具有直径为1.9 cm透镜的灯具的热图像；(b)具有直径为2.7 cm透镜的灯具的热图像。

通过比较具有和不具有光学结构的LED芯片的热测试结果可知，在加入光学结构后，LED发光面中心温度下降6～10 ℃，距离透镜发光面3 nm处的空气温度降低约2 ℃，因此增加光学结构大大改善了LED芯片散热效果。

5 灯具保鲜效果分析

5.1 玫瑰花保鲜原理

玫瑰花离开母体以后，并不是立即停止一切生命活动的，而是依然进行着呼吸作用和正常的生理代谢，一般认为玫瑰采后的水分代谢、呼吸代谢、糖分变化、蛋白质和氨基酸的变化以及超氧自由基的变化在很大程度上决定其开花与衰老，而抗氧化物质可以抑制过量自由基对机体的过氧化损伤[23-25]，比如类黄酮、多酚等。詹丽娟[26]的研究表明与黑暗环境对比，植物在合适的光照条件下，和叶绿素分解相关的酶活性被抑制，而抑制氧化作用的黄酮类、多酚类物质含量上升，从而减缓植物离开母体后的衰老速度。

5.2 保鲜实验设计与分析

在保鲜实验中使用PWM调光技术调节灯具光质比为R+G+B、G+B、R+G、G，并以此作为光质不同的4个实验组，同时设置自然光对照组与红蓝光对照组，在每个组别中再分别设置6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h 3个不同的光照周期。在实验中，保证实验室温度控制在25 ℃，环境湿度控制在适合鲜花保鲜的空气湿度即65%，灯具距离鲜切玫瑰为10 cm不变，在该距离下可以保证玫瑰所接收光的PPFD值为60 μmol·m-2·s-1，略高于玫瑰花光饱和点对应的PPFD值(50 μmol·m-2·s-1)。在早上8∶00测量3×5=15组实验的玫瑰花鲜重，记录下6天实验数据，计算出每组鲜花的失重率，失重率ηWL计算公式如下：

(11)

其中，m0、mi分别为玫瑰花的初始鲜重与光照i天后的鲜重。

在实验6天之后，统一测试各组玫瑰花的多酚、类黄酮、花色苷[27-29]的含量。

通过测试实验组在不同光质不同光照周期下抗氧化物的含量，与自然光对照组对比，得出相比于自然光照射的抗氧化物增长率，如图14所示。

由表6和图14分析可知，从光照周期的影响来看，过长的光照周期不利于玫瑰花鲜重保持，光质相同的条件下，12 h/24 h组的失重率明显高于其他光照时长组，而抗氧化性物质含量却明显低于其他实验组，不利于玫瑰保鲜；从光质的影响来看，R+G在4组实验组中失重率最低，对玫瑰采后鲜重保持效果最好。有利于类黄酮含量增加的最佳光质和光照时长是R+G(6 h/24 h)；有利于多酚含量增加的最佳光质和光照时长是R+G+B(9 h/24 h)，但与R+G(6 h/24 h)实验组的多酚含量增长率十分接近；有利于花色苷含量增加的最佳光质和光照时长是R+G(6 h/24 h)。综合以上因素考虑，R+G(6 h/24 h)是最有利于玫瑰花采后保鲜的光照条件。

表6 玫瑰花鲜重失重率计算结果

图14 不同光质和不同光照周期对抗氧化物含量的影响

6 结 论

本文从优化植物照明光源的光学结构入手，以设计高混光、混色、光量子通量密度的均匀度为目的，通过改变导光管的长度和光纤透镜的直径研究了不同参数下光源的照明效果对于光谱均匀性、混色均匀性、PPFD均匀性的影响以及在不同的接收距离下受照面上的均匀性，进一步对提出的有效光能利用率进行研究。研究结果表明：使用较小直径的光纤透镜以及较长的导光管有利于提高混色均匀性和PPFD均匀性，同时，较长的接收距离也有助于提高混色均匀性和PPFD均匀性；当导光管长度为5.5 cm、光纤透镜直径为1.9 cm时，混色均匀性和PPFD均匀性达到最大值的90%；随着驱动电流在一定范围内增加，可以获得更高的有效光能利用率，当ΔI/I0为3时，达到最大值43%；此外，加入光纤透镜这种光学结构可以有效改善灯具散热效果，减弱灯具发热对周围环境温度的影响。电学方面设计使用PWM调光来驱动该灯具，通过调节占空比Dr∶Dg∶Db获得了多种红绿蓝光质比的发光光谱，进一步应用于玫瑰花保鲜的实验中，以失重率以及多酚、类黄酮、花色苷的含量为指标探究最适合玫瑰花保鲜的光照条件，实验结果表明光质为R+G、光照周期为6 h/24 h时最有利于玫瑰鲜重保持，同时也最有利于抗氧化物质的积累。