基于LED光源的棉花分级室D模拟昼光照明系统研究

设计原理

结合光学结构以及电控设计，采用LED直下式照明方式，即LED阵列分布于光源箱体顶部，向下照射。光源箱整体为框架结构，内部为光学腔体，实现光的传导和混匀，光源箱底部安装有光学扩散板，实现光的进一步匀化处理。光源箱同时具有散热器、可调电源和安装固定附属结构。

技术核心是实现D75标准光谱的拟合，利用特殊设计的LED产生基本光谱，再利用一定的光学结构和材料实现光能的输出，达到标准的基本要求。同时在结构和供电上进行匹配性设计，使得系统整体安全可靠、稳定便捷。见图2、图3。

D75模拟昼光照明系统的设计原理是采用了直下式光路结构（图4）。直下式照明结构自上而下分为三层：顶部的LED灯珠阵列发光单元、光混合腔体结构、光扩散结构。灯珠的阵列形式和规模依据灯箱总功率、LED灯珠功率、数量以及结构相关特性确定。光学结构主要是设计一定的光混合腔体和一定的光匀化措施，使光谱在空间上均匀一致。底层为光扩散板出光口，主要起到匀光作用。

光谱拟合

采用多颗LED芯片配合荧光粉拟合出近D75光谱（图5），获得标准发光体。结合光学结构和相应材料的透过、吸收选择获得目标光谱。光谱质量和分布匹配良好，接近标准光谱曲线，颜色质量标准的允差为±200K颜色相关色温，达到并超出了美国ASTMD1684标准的要求，保证了照明质量。

照度

美国在关于照度和色温的研究中「提出了从“very good”到“very poor”的5级对比分析（图6），这些数据同时配合了美国棉花分级员主观描述的照明条件。满足“very good”的条件要求最小色温接近7500K以及至少1000lx（100英尺烛光）的照度值。尽管随着照度增加伴随着色温的升高。1000lx（100英尺烛光）和7500K是“very good”照明条件的最小值。被称为“very poor”的条件是结合了低色温与低照度，或在任何色温包括非常高的照度（高于4000lx~5000lx）的数据。

（1100±100）Ix、（1600±100）1x三个区间的照度条件，由30名棉检员，使用棉花颜色级样品（盲样），同时配合主观描述，进行了对照试验。试验结果如表1所示。在7500K色温条件下不同照度区间，随机选取棉花检验员的棉花样品（盲样）检测结果如表2所示。根据对照试验的结果并结合棉花检验员的主观描述，可以看出，相比于相对昏暗（750±100）lx的照度条件，在照度适中（1100±100）lx的情况下，棉花检验员的正确率有明显的提高，并且在低正确率情况下的提高幅度较大。同时，在照度适中条件下，据棉花检验员的主观描述，棉花样品的反射率差异会更加明显，棉花检验员的目光感官对棉花反射率的区分会更加容易。

色温和照度的稳定性

当光源的色品与某一温度下完全辐射体的色品相同时，该完全辐射体的绝对温度为此光源的色温。经过对模拟昼光照明系统的200小时连续工作的试验数据记录（图7），色温与照度指标稳定、可靠。

显色指数

显色指数（Ra）是光源显色性的度量，是照明灯具的重要指标，以被测光源下物体的颜色和参照光源下物体

注：表中数据是与棉花颜色级样品实测值比较的正确率。的颜色的相符程度来表示，Ra95以上为超高显色指数，显色指数越高，光源的显色性越好，对物体的色彩还原能力越强。以1965年国际照明委员会（CIE）推荐的一般显色指数为依据显色指数应不低于92。高显指的光源光谱必然是连续光谱，显色指数的评价实质是对照明光源的光谱与标准光谱的匹配度进行评价的问题，两者匹配度越高则显色指数越高，如图5所示。试验中的模拟昼光照明系统与标准光谱的与CIE D，s标准光谱（400nm~700nm）在50nm区间和20nm区间内的匹配度。在50nm波段区间的偏差均小于5%（绝对值），而且在20nm区间内绝大部分匹配度偏差也小于5%（绝对值），匹配度非常好，因此其显色指数与Dy标准光谱的显色指数Ra100非常接近。图8是试验采用的模拟昼光照明系统显色指数各评价区域光谱匹配性（图8左）与显色指数为92.4的参照系统（图8右）的对比图。显而易见，左图中的模拟昼光照明系统的显色指数除R9为97外，均不低于98.Ra达99.0。试验采用的模拟昼光照明系统各评价区域光谱匹配性非常均衡。