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为了解决未来人口的粮食问题,植物工厂应运而生。而光照作为植物生长发育的重要因素,开发高效、无污染并且适宜植物生长的光源则成为重中之重。随着发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的迅速发展,LED以其节能、环保、冷光源并且光谱可调逐渐成为植物工厂的主流光源。由于近些年红色荧光粉种类增多和稳定性不断提高,不同于传统将红蓝光LED芯片组合实现红蓝光的方式,本文提出一种新型红蓝光的实现方式:将红色荧光粉混合硅胶涂覆在蓝光LED芯片上,即荧光粉转化LED(phosphor converted LED,pc-LEDs),即可在单颗芯片实现植物所需红蓝光。(一)为了得到理想的植物照明效果pc-LEDs器件,本文分别采用传统荧光粉点胶技术、自适应涂层技术实现红蓝光,并对器件进行结温测试、脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation,PWM)调光测试、以及老化性能测试,结果显示:传统球形涂层结温为90℃,而自适应涂层结构结温在80℃左右;PWM调光下器件红蓝光量子数比基本不变;而随着时间的推移,红蓝光量子比从5.3衰减,在2000h后稳定于5.0。当粉胶比大于1:13时,传统球形荧光粉结构在空间红蓝光子比分布上呈现不均匀性,中心红蓝光子比偏小,边缘偏大;自适应涂层结构在-60~60°内呈现出比较高的均匀性,但由于杯碗的反射作用以及杯碗粘附的荧光粉,边缘区域呈现出不均匀性。为了改善传统球形结构的空间红蓝光子比分布均匀性,采用改进的双冠型荧光粉涂层技术,在一定程度上提高了中心红蓝光子比,但效果不明显,边缘红蓝光子比依旧很高。(二)为了得到空间红蓝光子比分布均匀的荧光粉层结构,本文采用蒙特卡洛思想借助matlab模拟该LED的光子传输过程:包括LED发光模型、吸收和散射模型、随机步长和随机波长的获得算法、荧光粉层离散化处理和出界判断算法。通过仿真和实验对比确立仿真各项参数,其中散射系数为2.0mm-1,吸收系数为1.0mm-1,并在仿真模型上验证了球形结构的缺陷。本文提出一种类似正态分布的新型红色荧光粉层结构,对于小角度前向散射机制的蓝光光子进行全反射和增加光程处理,对于边缘区域光子进行减少光程处理。将这种新型结构同与传统球形结构置于红蓝光子比为6.0区间对比,通过模拟确定该结构最大厚度为2.2mm以及该结构σ2值为0.25。相比于传统球形结构,该结构下不同角度对应红蓝光子比方差从0.445减少到0.0429,下降了90%。该结构下空间红蓝光分布具有非常高的均匀性。(三)为了验证pc-LEDs用于植物照明的可行性,本文采用自制不同红蓝光子比的pc-LEDs灯具照射豌豆苗,各组光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density,PPFD)均为70μmol·m-2·s-1。收获后,测量结果表明:当红蓝光子比为9.3时,豌豆苗的干重和茎长都达到最大值;红蓝光子比为7.2时,叶绿素的含量最高。