CN100587326C - 红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法及其模块 - Google Patents

Abstract

一种红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法，首先对单颗LED进行选择，红光LED选择半值角7°、直径5mm、波长637nm的超高亮度圆灯，蓝光LED选择半值角7°、直径5mm、波长459nm的超高亮度圆灯。再以行、列均为8颗LED、且红光LED和蓝光LED一一间隔均匀排列，每颗LED周围必为另一色光的LED，相邻两颗LED的间距≤2.5mm，并且将上述排列方式的64颗LED组成8×8方阵安装在电路板上制成发光二极管组合模块，并以此模块作为一个单元模块，可按需进行纵向和/或横向拼装拓展，且不改变红蓝光光量子通量之比R/B分布的均匀性，适于应用在温室作植物光合作用的补充光源和植物工厂的照明光源，具有安装、更换、拼装拓展方便与R/B比值均匀分布的优点。

Description

红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法及其模块

技术领域

本发明涉及一种红光发光二极管和蓝光发光二极管组合成红蓝光比例均匀的排列方法及其模块。

背景技术

由于发光波长正好与植物光合作用的光谱范围相匹配，红、蓝光发光二极管(LED)可用于植物的照明、补光和形态调节。与传统人工光源相比，红、蓝光发光二极管具有能耗低、寿命长、冷光型等众多优点，作为植物工厂和温室的新型人工光源已日趋成熟。科学研究表明，适当的红光与蓝光光量子通量之比R/B是被照植物形态健全的保证。作为植物生产用的人工光源，要求包含适度的光形态形成的红、蓝光光谱平衡。植物被照射面上的照度达到一定强度，并使红蓝光比例分布均匀，是生产高品质植物的必要条件。经对26种草本植物、7种木本植物、8种大田作物和20种人工气象室作物的光合作用曲线分析，其R/B的比值综合平均为1.84。众所周知，植物一般在光照2000勒克斯(lx)以下没有净光合作用。所以即使是超高亮度的LED，单颗的光照仍不足以供给其正下方10cm处的植株正常生长发育。此外，单颗LED存在着照明区域有限的缺点。因此，需要多颗红、蓝光LED组合成在照明参考平面上具有一定的光照强度、合理且均匀分布的R/B的模块，同时要求模块拼装拓展方便。

然而，如何设计理想的LED组合模块未见专门的资料报道。但在一些涉及植物生长的装置中运用了LED模块。经专利检索，CN2438321公告了台湾方炜先生设计的“以发光二极管为光源的植物栽培装置”专利技术，其所用模块上红、蓝光LED的分布是每行强光型红光LED三颗，共三行计九颗；蓝光LED每行二颗，共两行计四颗；一行红、一行蓝间隔排列。显然，这样排列的LED模块由于LED颗数较少致使光照强度有限，适合用于植物组培；其次，该模块拼装拓展时会破坏单一模块时R/B的分布。CN1322806公告了华南师范大学的“光照射植物生长的装置”专利技术，其模块中发光二极管为每行6颗共8行的不对称排列，拼接、拓展不便。CN1246913专利还公告了日本CCS股份有限公司红、绿、蓝三单色各自成行一一间隔、每行13颗LED排列的组合模块。方式很多，不一而足，按各自的侧重面不同而设计，可见在LED组合模块领域，尚缺乏专业的针对模块本身的优化设计。

近年，台湾同业界采用每8颗红光LED为一行、每8颗蓝光LED为另一行，一一间隔各自四行，共8行8列的8×8方阵LED组合模块，以下称方案一。这一现有技术，使照明区域内的照度比上述前两项专利有明显提高，但R/B分布的均匀性仍不甚理想。可取的是8×8方阵，工整、对称，其一组为八位元，与电脑资料上常用的位元组单位匹配，有利于工程上的自动化控制设计；工整与对称的方阵模块还有利于快速安装、更换和拼装，且拼装后R/B分布保持不变。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种保持g×8方阵、依然工整和对称、每组为有利于电脑自动控制设计的八位元、安装和更换及拼装快速，且拼装扩展后R/B比值分布的均匀化程度不变，在其正下方10cm处照明参考平面上照明区域内照度达到一定强度且R/B具有更均匀分布的LED组合方法及其模块。

上述目的可通过如下措施实现：

本红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法是采取如下两项措施：

(1)单颗发光二极管的选择：选择半值角7°、直径5mm、波长637nm、带宽12nm、在标准工作电流10mA下发光强度为23.5坎德拉(cd)的超高亮度红光LED圆灯，选择半值角7°、直径5mm、波长459nm、带宽16nm、在标准工作电流20mA下发光强度为6cd的超高亮度蓝光LED圆灯；

(2)组合方式的设定：行和列均为8颗按前述要求选择的LED，且红、蓝光LED一一间隔均匀排列，每一个LED周围必是另一色光的LED，相邻两颗LED的间距小于或等于单颗LED圆灯的半径。

本红蓝光比例均匀的发光二极管组合模块，由红光发光二极管1、蓝光发光二极管3、电路板2及连接线组成，以8×8颗红、蓝光LED圆灯为一个模块单元，红、蓝光发光二极管圆灯各为32颗，每行、每列均为8颗LED，且红、蓝光发光二极管一一间隔呈矩阵排列，除四周边的行列以外，每颗发光二极管周围为四颗异色发光二极管，相邻两发光二极管的间距小于或等于单颗发光二极管的半径。

上述目的还可通过如下措施完善：

本红蓝光比例均匀的发光二极管组合模块以每两列为一组，将蓝光LED串联连接后接入限流电阻R1，将红光LED串联连接后接入限流电阻R2，R1＝360～2.4k欧姆，R2＝510～3.3k欧姆，再由一个直流稳压电源为各串联的红光LED和各串联的蓝光LED提供工作电压。

本发明的有益效果是保留8×8方阵工整、对称的特点，有利于电脑自动控制的设计，安装、更换及拼装快速，拼装扩展后R/B比值分布的均匀化程度不受影响，并且在照明区域内具有更均匀分布的R/B比值。

附图说明

图1为本发明红、蓝光LED在一个组合模块单元中的组合方式示意图。

图2为本发明四个组合模块单元拼装拓展方式示意图。

图3和图4分别为相邻两LED间距为零和2.5mm时一个组合模块单元正下方10cm处照明区域内的红光、蓝光、两色混合光的照度等高线分布图，其中(a)、(b)和(c)为现有技术中方案一的红光、蓝光、两色混合光的照度等高线分布图；(d)、(e)和(f)为本发明的红光、蓝光、两色混合光的照度等高线分布图。

图5为一个组合模块单元正下方10cm处照明区域内的红蓝光光量子通量比例分布图，其中(a)和(b)为现有技术方案一中相邻两LED间距为零时的横向、纵向分布图；(c)和(d)、(e)和(f)分别为本发明中相邻两LED间距为零和2.5mm时的横向、纵向分布图。

图6为本发明一个组合模块单元的电路结构图。

具体实施方式

本发明下面结合实施例并参照附图予以详述：图1是行、列均为8颗LED、且红、蓝光LED一一间隔均匀分布的一个模块单元的结构示意图。红光发光二极管1和蓝光发光二极管3安装在电路板2上，电路板背面为连接电路，电路的结构如图6所示。因红光LED与蓝光LED的驱动电流不同，故以每两列为一组，将蓝光LED串联连接后接入限流电阻R1，将红光LED串联连接后接入限流电阻R2，R1＝360～2.4k欧姆，R2＝510～3.3k欧姆，再由一个直流稳压电源为各串联的红光LED和各串联的蓝光LED提供工作电压。调节R1至1.2k欧姆、R2至3.3k欧姆，使红、蓝光LED分别工作在标准电流10mA和20mA。选择半值角7°直径5mm、波长637nm、带宽12nm、在标准工作电流10mA下发光强度为23.5cd的超高亮度红光LED圆灯32颗，再选择半值角7°、直径5mm、波长459nm、带宽16nm、在标准工作电流20mA下发光强度为6cd的超高亮度蓝光LED圆灯32颗，组合成图1所示的一个模块单元。选择红、蓝光LED的半值角均为7°、直径均为5mm，其目的是使光照的指向性高、光照强度能满足植物光合作用的所需。为便于理解和证实本发明中红蓝光比例分布的均匀性，下面用计算及代入相应数据制得的对比图进行说明。

由于红、蓝光LED是冷光源，可近距离照明植株，以红、蓝光LED组合模块单元正下方10cm处作为照明参考平面。LED的直径为5mm，LED与照明参考平面的垂直间距为10cm，因此每一个LED均可视为一个点光源。照明参考平面上每一点的光照强度可根据点光源之倒平方法则计算得到，具体计算步骤如下：

首先，应用LED光强角度测试仪测量LED的发光强度I与偏离LED正法向角度θ间的依赖关系，对所得数据进行统计回归，得到红、蓝光LED的相对强度一角度回归式为

式中exp(.)为指数函数。测量数据与上述回归关系式的相关程度为r²＝0.9999。

其次，LED组合模块单元在照明参考平面内的照明区域为S＝(7L+8.12)²cm²。当相邻两LED的间距L分别为0和2.5mm时，光照区域面积S大约为70cm²和99cm²。所以，照明计算区域分别取为9cm×9cm和10cm×10cm的正方形，并且将照明计算区域分割为100×100的观察点点阵。

第三，红、蓝光LED组合模块单元中每一个LED在照明参考平面上均有一个几何投影，照明参考平面上任一观察点与这64个几何投影中心的距离

(单元为cm)可求得。照明参考平面上的这一观察点与LED组合模块单元中每一个LED的连线和竖直方向所成角度的余弦由直角三角形关系可知为

进而确定每一个LED相对于这一观察点的视角。

第四，若该角度大于或等于13.2°，相应的LED对此观察点的照度贡献自然为零；若该角度小于13.2°，可依相对强度一角度回归式和点光源之倒平方法则计算相应的红、蓝光LED对照明参考平面上这一观察点的照度贡献分别为 $E_j=\frac{23500I}{{(1+d_j^2/100)}^{3/2}}1x$ 和 $E_j=\frac{600I}{{(1+d_j^2/100)}^{3/2}}1x.$

然后，分别对所有的红、蓝光LED对这一观察点的照度贡献求和累计，得到这一观察点上的红光照度E_R和蓝光照度E_B。红光照度和蓝光照度之和即为该观察点上的两色混合光照度。

最后，依据红、蓝光LED的照度与光量子数之间的单位转换关系，计算这一观察点上的红光与蓝光的光量子通量之比R/B＝0.48E_R/E_B。

对所有100×100个观察点进行相同的操作，就可得到LED组合模块单元在照明参考平面上照明区域内的红光照度、蓝光照度、两色混合光照度和R/B分布图，如图3、图4和图5所示。图3中每个子图的范围为9cm×9cm；图4中每个子图的范围为10cm×10cm。图3中的(a)和(b)表明现有技术方案一中的红、蓝光照明区域有一偏移，从红、蓝光各自的照明区域中心往外，照度依次递减。图3中的(c)、(d)、(e)和(f)表明光照强度自中心位置向外呈逐渐减弱的规律，反映了在两色混合光照度分布不变的前提下，本发明中红、蓝光照度自强而弱的位置是同步的。图3中的(a)、(b)和(c)、(d)的对比，可说明本发明矫正了现有技术方案一中的红、蓝光照度同步变化的位置偏移。图4中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)除说明本发明矫正了现有技术方案一中的红、蓝光照度同步变化的位置偏移外，还表明相邻两LED的间距增大将导致照度下降，照明中心区域内照度的均匀化程度有所改善，但两色混合光2000lx的照度要求相邻两LED的间距不能超过2.5mm。对比图3和图4中各个相应的子图，可以发现相邻两LED间距的增大虽然导致照度下降，但除提高照明中心区域内照度的均匀化程度外，还扩大了照明面积。

图5中的(a)和(b)为现有技术方案一在相邻两LED间距为零时的R/B横向、纵向分布图；(c)和(d)为本发明在相邻两LED间距为零时的R/B横向、纵向分布图；(e)和(f)为本发明在相邻两LED间距为2.5mm时的R/B横向、纵向分布图。图5反映了方案一的R/B在横向基本呈舌形分布，在纵向总体自左向右逐步增长；而本发明中R/B在横向和纵向的分布规律一致，相邻两LED间距的适当增大在没有明显恶化R/B分布均匀化程度的前提下扩大了照明面积；对比后说明本发明中R/B分布的均匀化程度较现有技术方案一有明显改善，且比值中等，适宜调控。

运用照度计和光合作用测定仪的光量子通量测试头对红、蓝光LED组合模块单元正下方10cm处照明区域内多点的红光照度、红光光量子通量、蓝光照度和蓝光光量子通量的测量，发现实验测量值和理论计算值符合较好，基本一致。

综上所述：本发明由于红、蓝光照度变化位置的同步性，使得在照明参考平面上照明区域内R/B分布更均匀；适当增大相邻两LED的间距虽然导致照度下降，但提高了照明中心区域内照度的均匀化程度，还扩大了照明面积。应注意的是两色混合光2000lx的照度要求相邻两LED的间距不能超过单颗LED圆灯的半径。需要说明的是：本发明LED组合模块单元在照明参考平面上的照度和R/B并非固定不变的，可以通过调节红光和/或蓝光LED的工作电流加以调控其照度和R/B，以适应不同种类植物的栽培。

Claims (2)

1、一种红蓝光比例均匀的发光二极管组合方法，其特征是采取如下两项措施：

(1)单颗发光二极管的选择：选择半值角7°、直径5mm、波长637nm、带宽12nm、在标准工作电流10mA下发光强度为23.5坎德拉的超高亮度红光发光二极管圆灯，选择半值角7°、直径5mm、波长459nm、带宽16nm、在标准工作电流20mA下发光强度为6坎德拉的超高亮度蓝光发光二极管圆灯；

(2)组合方式的设定：行和列均为8颗按前述要求选择的发光二极管，且红、蓝光发光二极管一一间隔均匀排列，每一颗发光二极管周围必是另一色光的发光二极管，相邻两颗发光二极管的间距小于或等于单颗发光二极管圆灯的半径。

2、一种红蓝光比例均匀的发光二极管组合模块，由红光发光二极管1、蓝光发光二极管3、电路板2及连接线组成，红、蓝光发光二极管一一间隔呈矩阵排列，除四周边的行列以外，每颗发光二极管周围为四颗异色发光二极管，相邻两发光二极管的间距小于或等于单颗发光二极管的半径，其特征是以8×8颗红、蓝光发光二极管圆灯为一个模块单元，红、蓝光发光二极管圆灯各为32颗，每行、每列均为8颗发光二极管，红光发光二极管为半值角7°、直径5mm、波长637nm、带宽12nm、在标准工作电流10mA下发光强度为23.5坎德拉的超高亮度圆灯，蓝光发光二极管为半值角7°、直径5mm、波长459nm、带宽16nm、在标准工作电流20mA下发光强度为6坎德拉的超高亮度圆灯，以每两列为一组，将蓝光发光二极管串联连接后接入限流电阻R1，将红光发光二极管串联连接后接入限流电阻R2，R1＝360～2.4k欧姆，R2＝510～3.3k欧姆，再用一个直流稳压电源为各串联的红光发光二极管和各串联的蓝光发光二极管提供工作电压。

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