采用高温固相法合成了La2MgTiO6∶Mn4+、La2MgTiO6∶Pr3+、La2MgTiO6∶Pr3+,Mn4+单掺杂和双掺杂荧光粉, 并通过X射线衍射、扫描电镜、荧光光谱等测试方法对荧光粉的物相结构、形貌和发光特性进行了表征及分析。结果表明: 成功合成了La2MgTiO6∶Mn4+、La2MgTiO6∶Pr3+、La2MgTiO6∶Pr3+,Mn4+荧光粉且均为纯相; 样品的粒径为1~2 μm; La2MgTiO6∶Mn4+在650~750 nm的红光发射是来自Mn4+的2E1→4A2跃迁, La2MgTiO6∶Pr3+在红光区域600~660 nm具有强烈的发射, 归属为Pr3+的3P0→3H6和3P0→3F2跃迁。当Mn4+与Pr3+共同掺杂于La2MgTiO6时, 来自Mn4+、Pr3+不同波段的红光发射使荧光粉的发射光谱与植物光敏色素Pr与Pfr吸收光谱的重叠程度大幅增加, 表明Mn4+、Pr3+共掺有效拓宽了La2MgTiO6荧光粉的红光发射区域, 更符合植物照明的需求, 在LED植物照明领域具有更明显的潜在应用价值。

为了得到可应用于植物照明且具有红蓝光谱的有机发光二极管(OLED),采用两种典型的载流子传输材料,N,N'-二(1-萘基)-N,N'-二苯基-(1,1'-联苯)-4,4'-二胺(NPB)和1,3,5-三(1-苯基-1 H-苯并[d]咪唑-2-基)苯基(TPBi)以界面接触或掺杂的方式形成深蓝光激基复合物,并将其与红色磷光材料Ir(DMP-IQ)₂(acac)结合,制备得到符合植物光合作用光谱需求的OLED器件。通过改变器件结构中深蓝光激基复合物和红光发光层之间的间隔层厚度,可调节电致光谱中的蓝/红光强度比例。在以掺杂的方式形成激基复合物的结构基础上,将主体材料(mCP)掺入NPB∶TPBi膜中构成三元体系,减少膜中由载流子堆积引起的激子淬灭,在NPB∶TPBi∶mCP掺杂比例为1∶1∶3的实验条件下得到2.8 V的开启电压,4528 cd/m ²的亮度,3.09 cd/A的电流效率和6.96%的外量子效率。

利用高温熔融法成功合成了NaY₂F₇∶Eu透明微晶玻璃。X射线衍射、透射电子显微镜和选区电子衍射表明NaY₂F₇纳米晶成功形成并且均匀分散在玻璃基质中，其粒径大小在31~38 nm之间。在340 nm波长激发下，样品表现出Eu²⁺的蓝光宽带发射，峰值位于425 nm处，表明Eu³⁺在空气中成功地还原为Eu²⁺。在393 nm波长激发下，样品具有很强的红光发射，发射光谱中观察到Eu³⁺来自577、589、612、650、701 nm处的发射峰。通过改变激发波长（340~400 nm），NaY₂F₇∶Eu透明微晶玻璃的发射光颜色可以从蓝光调节到红光区域。在380 nm激发下，GC660样品在413 K时的发射光积分强度是在313 K时的75.1%。研究结果表明，NaY₂F₇∶Eu²⁺/Eu³⁺在植物照明领域具有潜在的应用。

LED具有效率高、 体积小、 功耗低、 寿命长等优点, 并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性, 在植物照明领域崭露头角。 植物照明用LED分为两大类, 一类是单色光LED, 另一类是白光LED, 其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。 植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现, 即荧光粉转换型白光LED, 但是光谱集中于可见光偏蓝, 对植物进行光合作用的效率不明显。 植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的, 基于植物光合作用吸收光谱的特殊性, 将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准, 其平均显色指数Ra, 特殊显色指数R9(饱和红光), R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。 为设计出植物进行生长发育所需要的、 性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED, 选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料, 选用(Sr, Ca)AlSiN3为红色颜色转换材料, 并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉, 并进行了光谱性能分析。 通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、 红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数, 在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN3和YAGG荧光粉组合, 实现了白光LED的光学仿真模型, 研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。 用蓝光LED芯片、 (Sr, Ca)AlSiN3以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。 通过将Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备, 获得了Ra=91.2, R9=96.1, R12=78.9, 光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。

针对现有植物光源系统架构难以提供优质的照明环境,提出空间照明均匀度理论。采用多光源模块的植物光源系统实现植物生长空间内的高空间照度均匀度以及色度均匀度,多光源模块由倒置光源、直下式光源以及在生长空间的中部光源组成。通过多光源模块的立体化混光方式达到设计的目的,根据Taguchi理论简化实验过程并结合变异数分析深入优化关键因子,从而找到植物光源系统的最优解。进一步优化LED灯珠的形状和间距,最终获得水平面和竖直面的照度均匀度分别为91.35%和89.71%,混色均匀度分别为87.67%和88.54%的立体化植物光源系统。对植物生长进行模拟和实物测试,实验结果表明植物光源系统能够在整个植物生长空间提供高质量的照明效果。

目前植物工厂培养架所使用的LED光源模块光学结构简单, 照度均匀度和混色均匀度难以保证, 导致农作物的品质参差不齐。为了提高种植物品质, 需要优化植物光源的照明效果, 设计高均匀度的植物光源。本文针对这一问题提出并研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案。将LED灯珠安置在种植面同侧, 并结合曲面反射顶面对LED发出的光线进行进一步均匀分配, 在植物培养架有限的种植空间内增加光线耦合距离和耦合程度, 提高了培养架植物光源的均匀度。经过多次结构优化后, 最终获得了一个照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%的高均匀度植物照明培养架。然后基于优化得出的植物光源, 研究植物生长过程对照明效果的影响后表明植物在生长过程中均可获得良好的照明环境。最后研究了不同形状和不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度和光能利用率的影响。

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。

基于光谱的光量子学照明系统评价方法，能使现代农业发光二极管（LED）植物照明系统具有可重复性，具有实用意义。基于光量子理论，采用高出光效率、高均匀度的自由曲面底板设计方法，并使用脉冲宽度调制驱动方法，设计了一款应用自由曲面底板的红蓝光LED植物照明用灯具，并对其参数进行测量。将仿真结果与实验结果进行对比详细分析了传统照明设计方法在LED植物照明中的意义。实验结果表明，所设计的灯具光量子通量密度均匀度约为80%，灯具最高温度约为50 ℃。由于没有使用扩散板等二次配光手段，灯具出光效率可视为100%，比使用扩散板的情况提高了34.5%以上，大大减少了植物照明的能耗。扩散板的引入会降低所设计灯具的光量子通量密度均匀度，而对混光均匀度影响不大。因此，在植物照明使用的红蓝光LED组合中，使用自由曲面底板的一次配光方法比使用扩散板的二次配光方法更为简便有效，更符合植物照明的设计需求。

基于温室植物光学作用和光形态调节原理,设计了两种用于植物照明的发光二极管(LED)阵列。通过推导阵列的辐射照度叠加公式并根据叠加公式对阵列进行仿真优化。两种阵列均采用红蓝LED相结合的方式排列,其中阵列1红光和蓝光LED的数量比是1∶1,阵列2红光和蓝光LED的数量比是4∶1。通过光学模拟软件Tracepro对照射平面进行辐射照度均匀性分析,经过优化后的阵列2在照射平面上辐射照度均匀性优于阵列1,并且阵列2的LED间距较大,更有利于整个LED阵列的散热。该结果为LED植物照明灯的阵列设计提供参考。