孫 文 良， 于 慧 媛， 吳 江， 呂 凝， 曹 冠 英，楊 軼， 黨 春 岳， 鄒 念 育

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034；2.深圳市千百輝照明工程有限公司， 廣東 深圳 518057 )

0 引 言

藻類是一種地球上最早出現(xiàn)且廣泛分布的植物。由于人工照明在溶洞中的應(yīng)用，導(dǎo)致在有些溶洞的表層，發(fā)現(xiàn)了很多藻類生物[1-2]。而這些藻類在生長發(fā)育過程中會分泌鈣質(zhì)，使石鐘乳迎著光線向上彎曲生長，損壞溶洞景觀[3-4]。

本研究利用光譜疊加原理得到基于白光LED的擬合日光光譜的最優(yōu)組合方案，結(jié)合易于藻類生長的光譜，去掉對應(yīng)波長，得到抑制藻類生長的類日光方案；利用TracePro軟件進(jìn)行仿真模擬得出光源的色溫、色坐標(biāo)及顯色指數(shù)，使得混合出來的光即能滿足照明需求又能達(dá)到類日光特性的色度學(xué)參數(shù)。

1 光譜設(shè)計

1.1 白光LED的光學(xué)仿真

通過白光的連續(xù)波長，補(bǔ)償單色LED的各種單一波長來模擬出人眼舒適的日光，所以對于補(bǔ)償單色光的白光LED的設(shè)計是必不可少的一部分[5]。圖1即為所選白光的光譜。

圖1 白光光譜

1.2 類日光最佳擬合方案

利用圖1的典型白光光譜，結(jié)合前期建立的104種單色LED數(shù)據(jù)庫[6]，采用最小二乘法優(yōu)化得擬合日光光譜在380～780 nm可見光范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，得到31種單色LED加白光LED的最佳擬合方案[7]。

1.3 抑制藻類生長的光譜設(shè)計

適宜藻類生長的光譜如圖2所示[9]，可知適宜藻類生長的波長集中在400～500 nm(藍(lán)色)和600～700 nm(紅色)之間。所以要抑制藻類生長，采用減法原則，在類日光最佳擬合參數(shù)中去掉所選的相應(yīng)波長，得到除白光外12種單色光，參數(shù)如表1所示。

圖2 適宜藻類生長光譜

表1 抑制藻類生長方案及參數(shù)

結(jié)合圖1和表1，得到抑制藻類生長的光譜。圖3分別給出三個光譜的對比，曲線1為設(shè)計的抑制藻類生長光譜，曲線2為日光光譜，曲線3為白光LED光譜。通過計算得到，抑制藻類生長光譜中適宜藻類生長的光譜波段(400～500和600～700 nm)占總光譜的比例為36.89%；日光光譜中適宜藻類生長的光譜波段占總光譜的比例為54.54%；白光LED光譜中適宜藻類生長的光譜波段占總光譜的比例為47.41%。因此，相比日光及白光LED，設(shè)計的抑制藻類生長光譜對藻類生長有一定的抑制作用。

圖3 三種光譜對比圖

2 光學(xué)設(shè)計

運用光學(xué)設(shè)計軟件TracePro對抑制藻類生長的光譜及最佳組合方案得到的13種波長的燈珠進(jìn)行設(shè)計。

2.1 燈珠排列方式

針對表1，白光與其余12種單色光共需23顆燈珠，為了簡化光源設(shè)計的操作性，本次設(shè)計用1 mm×1 mm×0.1 mm的幾何體代表燈珠，采用圓周排列的方式進(jìn)行排列，如圖4所示，第一圈是半徑為2 mm的4種表1中對應(yīng)序號波長的光源，第二圈為半徑為4 mm的8種表1對應(yīng)序號波長的光源。為了使12顆光源均勻分布在中心白光光源四周，第一圈每種波長的光源間隔90°，第二圈每種波長光源的間隔為45°。

圖4 燈珠排列位置

2.2 色度學(xué)參數(shù)

由圖5可以看出，色溫5 988 K在等溫線上，色坐標(biāo)為(0.322 3，0.331 7)，接近等能白點E(0.333 3，0.333 3)。光學(xué)仿真結(jié)果顯色指數(shù)為83.5。以上色度學(xué)參數(shù)均優(yōu)于白光LED。

圖5 擬合藻類生長的白光色坐標(biāo)圖

3 結(jié) 論

針對目前溶洞中藻類生長問題，結(jié)合人眼最舒適的日光光源，設(shè)計了抑制藻類生長的類日光光譜，利用TracePro軟件對白光光譜采點得到單色白光色溫6 012 K，色坐標(biāo)(0.320 2，0.355 1)，顯色指數(shù)70.5。通過適宜藻類生長的光譜結(jié)合類日光光源，運用減法原則，得出的仿真結(jié)果為，色溫5 988 K，色坐標(biāo)為(0.322 3，0.331 7)，顯色指數(shù)為83.5。本次設(shè)計針對溶洞照明中的功能性照明，研究得出的抑制藻類生長的類日光光源色度學(xué)參數(shù)相較于白光的色度學(xué)參數(shù)好，不僅滿足舒適性照明的需求，對溶洞旅游資源也起到了一定的保護(hù)作用。