在植物照明领域，由于培养系统受照面随植物的生长不断变化,植物照明系统的设计需考虑在整个生长周期以及植物生长过程中所占空间的照明情况和效果，使其提供整个生长空间的高照明均匀度。但是粗放的传统植物照明解决方案结构简单，并且只针对某一具体参考平面进行优化，无法达到高空间照明均匀度的效果。为解决这一问题，以整个植物培养架的照明空间为研究对象，以空间照明理论为依据，以最近提出的倒置型光源以及传统顶部阵列光源设计方案为参考提出了一种双光源模块的LED植物照明系统。在顶底两面同时设置光源，通过两部分光源的互补混光实现了高空间照度均匀度及混色均匀度。应用Taguchi实验简化实验过程，变异数分析精细优化关键结构参数，更深入研究了光源配光曲线对植物照明系统性能的影响。多次优化后，最终获得水平面和竖直面照度均匀度分别为93.48%和88.54%，混色均匀度分别为90%和87.13%，种植面光能利用率为41.63%的最优设计方案。

传统植物照明设计只优化某一参考面的均匀度,导致植物生长空间内的光环境不均一。为了解决该问题,对空间照明均匀度评价体系进行了研究。首先,提出了三种潜在的立体化高空间照明均匀度植物光源设计方案,并借助TracePro光学仿真软件研究了结构参数对照明效果的影响。进一步利用Taguchi方法优化实验过程,并结合ANOVA分析,获得了最佳方案的最优结构参数。然后,基于所得最优解,对植物生长过程中的照明效果进行了测试。最后,介绍了立体化光源系统相对传统阵列式LED光源的技术优势。实验结果表明:最优结构可提供一个均匀照明空间,该空间内的水平面照明均匀度和垂直面照明均匀度分别为92.00%和83.12%,并且两个空间参考平面上的红蓝光混色均匀度分别达到94.19%和90.70%。该植物光源系统可为植物提供其生长过程中所需的均匀空间照明环境。

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。

基于现有的LED植物光源在植物培育中光照不均匀的问题, 对目前的植物工厂中使用较为广泛的红、蓝LED阵列型光源进行优化设计。通过对比四种不同的LED阵列排布方式, 采用9点法进行PPFD值的测量和光谱的测量, 进一步观察平面上光量子通量密度的均匀性和光谱分布的均匀性, 进而寻求效果较好的LED阵列排布方式。结果表明: 红蓝LED芯片交差分布和阵列行列交错分布的排列方式有利于提高光源阵列光谱的均一性。

为了提高LED植物光源的有效利用率, 基于Taguchi的实验方法对LED植物红蓝光源阵列进行设计和优化。用MATLAB软件编程进行仿真模拟, 通过ANOVA方法分析得出对植物光源照射距离为10 cm处的红蓝光的光子数比值(R/B)分布均匀度影响最大的因子, 并对试验最优结果采用TracePro光学软件进行试验验证, 从而获得本次试验最佳的参数组合。结果表明: 曲率半径为50 mm的凹形曲面底板的圆心加点排布方式, 圆心为LED蓝光芯片, 圆环上为LED红光芯片, 芯片数量分别为6个LED红光芯片和1个LED蓝光芯片, 芯片距离为10 mm的最优化组合是本次试验的最优组合。通过ANOVA方法分析得出, LED红蓝芯片之间的间距对植物光源的R/B的均匀分布影响最大, 占有35.17%的比例, LED红蓝芯片的排布方式也不可忽略, 因为其占有了28.05%的影响比例。