针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状, 提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式, 将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上, 并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用, 提高光线耦合程度, 从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标, 利用Taguchi方法设计并进行实验, 研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响, 再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后, 最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响, 最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明, 遮挡问题几乎可以忽略不计。

现有的植物工厂采用“上光下植”的种植模式, 培养架的照度均匀度以及混色均匀度不高, 导致不同位置的植物生长情况良莠不齐, 严重影响工厂生产效益。为解决这一问题, 提出一种高照明均匀度植物光源及植物培养架设计方案, 将光源“倒置”于种植平面两侧的三棱柱凸台, 利用棱柱斜面初次分配光线并提高其分布均匀性, 进一步通过培养架顶部反射增加混光距离, 提高光线耦合程度, 从而提高混色均匀度和照度均匀度。借助TracePro软件对提出的光学结构进行仿真分析, 利用Taguchi方法设计并进行实验, 最终利用ANOVA理论分析出各因子对品质的影响程度并进一步优化结果, 获得照度均匀度为94.30%、混色均匀度为90%的最优设计方案。最后通过测量种植面和植物体表面照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会对光线有遮挡, 结果表明该植物照明系统可以保持植物在生长过程中种植面和植物体顶部及侧面都具有良好的照明效果, 遮挡问题几乎可以忽略不计, 并保证植物生长过程中良好的照明效果。

针对现有植物灯均匀度差的问题, 通过在R(红)、G(绿)、B(蓝)三色LED芯片上加装导光管和光纤透镜, 实现了高均匀度的出光效果, 通过调节导光管和光纤的尺寸获得了达90%的混色、光谱以及光量子通量密度(PPFD)的均匀性。进一步对光源的热学性能进行表征发现光纤透镜的增加有利于减少光源正面的热量, 并且基于光量子学照明参数对该灯的均匀度进行评价, 并进一步提出有效光能利用率来更加科学的表征光源性能。结果表明, 混色均匀性与PPFD均匀性可达90%, 有效光能利用率可达到43%。进一步将该灯用于鲜切玫瑰花保鲜, 并通过脉冲宽度调制技术(PWM)实现了光谱的动态可调, 通过对玫瑰花鲜重日失重率以及抗氧化物质如黄酮素等物质含量变化的测量, 探究鲜切玫瑰花保鲜的最佳光照条件。实验结果表明, 最有利于鲜切玫瑰保鲜的光质条件和光照周期为R+G、6 h/24 h。

针对目前植物照明灯具混光混色均匀度差、难以满足植物工厂高效生产作物产品的问题提出了一种高均匀度的植物面光源的设计方案。利用一种棱锥状的光学元件将LED发出的光线划分为透射、反射和直射3部分，增加了光线的耦合程度，进而提高了出光面上的混光和混色均匀度。进一步采用照度均匀度代替光量子通量密度的均匀度并且联同混色均匀度作为考察指标，利用Taguchi方法设计并进行实验，研究不同因子对光源均匀度的影响，得出实验结果后进行优化，最终获得了一个照度均匀度为92.13%、混色均匀度为89.72%的植物照明面光源。