基于LED光源的多光譜誘蟲燈研究

金星

摘要：以LED（發光二極管）作為發光源，將PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）板材通過熱成型工藝加工成導光筒，將LED點光源轉換成360°面光源，制作出導光式多光譜誘蟲燈。該誘蟲燈具有光色可變、節能環保、使用壽命長的特點。同時，利用LightTools等光學仿真軟件建立了基于LED光源的導光筒模型，并對導光筒表面照度和均勻度仿真，獲得了導光筒三維網點的最佳參數。

關鍵詞：LED（發光二極管）；多光譜；誘蟲燈；導光板；趨光性；光學仿真

中圖分類號： S475+.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0476-03

利用害蟲對光和色的趨性來誘殺害蟲是一種較為理想的無公害防治方法[1]。昆蟲具有趨光和趨色特性。昆蟲對光的感應多偏于波長為253～700 nm的短波光，即相當于光譜中的紫外光至紅外光內線部分的區域，也就是說它們不僅能識別色彩光，還能看到人眼不能視覺到的短波光[2]。農業上常利用昆蟲的趨光特性，選用能避天敵習性而對植食性害蟲有極強誘殺力的光源、波長、波段來誘殺害蟲，或者誘集害蟲用于害蟲的蟲情測報[3]。誘蟲燈的種類很多，目前使用較多的有日光燈、黑光燈、高壓汞燈、節能燈、雙光燈、頻振燈等[4]，這些誘蟲燈多采用單一波長的光源制作成發光體，存在光色單一、誘集害蟲的種類少、耗電量較大、發光效率和電光轉換率較低等缺陷。本研究以LED （light-emitting diode，發光二極管）作為發光源，用光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）通過熱成型工藝加工成圓筒狀導光板（以下簡稱“導光筒”），將LED點光源轉換成360°面光源設計誘蟲燈。該誘蟲燈節能環保，可以根據田間需求調節發光顏色、發光強度、發光時間；不僅可以在誘蟲燈上安裝高壓電網殺滅害蟲，還可以在誘蟲燈上覆蓋黏蟲膠誘捕害蟲。

1 總體設計

1.1 設計原理

本誘蟲燈以LED作為發光源，發光源由多個LED發光單元排列而成。根據RGB三基色疊加原理，由R-LED（紅光LED）、G-LED（綠光LED）、B-LED（藍光LED）按“品”字形排列組成一個多光譜LED發光單元，通過PWM（脈沖寬度調制）方式對每個基色的發光灰度進行控制，RGB三基色就可以合成1 600萬種顏色（全彩色）。由于LED發出的是散射光，為每個發光單元加裝反光膜和聚光透鏡以增強光源指向性和改變光源發散角度。發光單元發出的光采用頂部入光的方式耦合進入導光筒，當光射到導光筒內表面的散射網點時，向各個方向發生反射，經過反光膜反射和擴散膜散射后，在導光筒的出光面形成亮度均勻、色度穩定的二次面光源[5]。所以，可通過對LED灰度級別的控制實現對誘蟲燈發光色調的控制，從而利用昆蟲的趨光、趨色特性對害蟲進行誘捕。

1.2 總體設計

本誘蟲燈主要由LED光源、導光筒、擴散膜、反光膜、驅動電路和框架等構成。

導光筒用光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）通過熱成型工藝加工而成（幾何尺寸為內徑90 mm、外徑100 mm、高210 mm、壁厚5 mm）。導光筒外表面是發光區域，發光區域分布著起導光作用的三維網點結構（圖1）。將LED光源安裝在導光筒頂部，LED光源發出的光線由頂部入光的方式進入導光筒內部，在導光筒內表面安裝有保護面板和反光膜，內表面不發光；導光筒的外表面是出光面，安裝有保護面板和擴散膜，可以發出亮度均勻的光源誘蟲（圖2）。在框架內安裝LED光源和驅動電路，通過導線與外部電源連接，框架對內部器件起保護和固定作用。

LED光源可以看作是具有自身光譜曲線和光型曲線的點光源，它的發光強度在三維空間內是不同的[6]。LED發出的光線其光強在沿導光筒高度方向和垂直于導光筒高度方向都是不同的，因此，通過調整網點的半徑能夠達到導光筒外表面均勻出光的目的。利用具有光學精度的交互式三維實體建模軟件LightTools，輔助進行導光筒的光學設計。

首先，在LightTools中建立LED發光單元的光學模型，設定R-LED、G-LED、B-LED這3種LED光譜的波長、光通量、發光角度、功率和LED的排列方式和數量，并進行仿真分析，將仿真結果與預期要求進行對比并不斷調試，直到得到滿意的效果。然后，在LightTools中建立導光筒模型，導光筒材料選用PMMA，尺寸為內徑90 mm×外徑100 mm×高210 mm×壁厚5 mm。本設計采用具有極高反射率的三維散射網點，網點形狀為圓形，網點采用只改變網點大小不改變網點距離的設計思想，設計原則是靠近光源部分的網點尺寸要小一些、稀疏一些，遠離光源的地方網點尺寸大一些、密一些[7]。將導光筒外表面劃分為若干網格，對每個網格中網點的大小、數量、密度進行反復調整，從而設計出整個導光筒的三維散射網點。把LED光源發出的光從頂部耦合進入導光筒，采用1×105條光線進行光線模擬，并對每個網格進行MC（Monte Carlo，蒙特卡洛）光線追跡，獲得導光筒的出射光照度分布圖形和參數。為了避免導光筒的內表面和底部漏光，在導光筒的內表面和底部加了1層反光膜，大大提高了光的利用率。最后，采用曲線擬合法對每個網格的的光照參數進行優化，得到導光筒的三維網點參數（網點半徑0.05～1.00 mm漸變，沿導光筒軸向的相鄰2個網點間距0.55 mm，網點深度 0.5 mm）。

2 關鍵部件設計

2.1 LED光源

本誘蟲燈的核心部分是LED光源。LED光源選用SMD_5050RGB_LED全彩LED，型號TJ-S50RGBYZ-A02，將1個R-LED 管芯、 1個G-LED 管芯 、1 個B-LED 管芯以“品”字形分布封裝在一起組成1個多光譜發光燈珠，以4個多光譜發光燈珠作為1個發光單元，采用硅樹脂封裝，具有導熱好、封裝面不易受外力損傷的優點，適合長時間戶外工作。該LED發光單元在額定電流20 mA時的電氣和光學參數如表1所示。為了增強光源指向性和改變光源發散角度，為每個發光單元加裝反光膜和聚光透鏡，將R、G、B這3種光線進行疊加處理配光。endprint

2.2 導光筒

導光筒的設計是本誘蟲燈的關鍵技術之一，其作用是將LED點光源轉換成360°面光源，射出光的均勻性和亮度是其最重要的評測指標。導光筒的網點排布、形狀及材料決定了導光板的表面照度、均勻性及出光效率[8]。采用透光性良好的光學級的PMMA（poly methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲脂）板材料（厚度5 mm，透光率92%～93%，折射率1.482～1.521）通過熱成型工藝加工成導光筒。試驗表明，散射網點的形狀對光散射影響不大，而網點的排布規律則很大程度上影響著輸出光的均勻度和亮度[8]。使用基于CAD軟件的BLdots導光板網點布點軟件對整個導光筒的散射網點進行設計，通過不斷調整和優化，得到網點分布圖如圖3所示。

采用 Tracepro 軟件進行導光筒表面照度和均勻度仿真。在Tracepro 軟件中打開導光筒網點分布圖，將導光筒材料屬性設置為“PMMA”；為了將導光筒內表面和底面的漏光反射回導光筒內部，設置導光筒內表面和底面屬性為“mirror（鏡面）”；在導光筒入光面沿圓周等距設置LED發光單元模型，在出光面（外表面）建立觀察視窗，利用“照度分析”選項中的“剖面曲線”進行照度分析，采用 9 點測量法對導光筒均勻度進行測量，仿真所得的照度和均勻度均優于商用導光板的要求。

最后，為實現導光筒的制作，用BLdots軟件生成導光筒三維網點的數字圖紙，并將數字圖紙導入CAD軟件，激光雕刻機接收CAD軟件導出圖紙數據，進行導光筒三維網點的雕刻。

3 試驗方法與結果

茶葉含有豐富的蛋白質、氨基酸、糖類、維生素、磷、鉀、鈣等多種有機物和無機物，這些成分的特有比例構成了茶的特定品質和品味，一旦茶樹遭受蟲害，這些成分的比例就會遭到破壞，影響茶葉的品質[9]。常見的茶樹害蟲主要有茶小地老虎、茶尺蠖、茶灰地老虎等趨嫩性害蟲，以及茶黑刺粉虱、茶小綠葉蟬、茶蚜等刺吸式害蟲，這些害蟲會直接嚼食茶樹芽葉，降低茶葉的嫩度；刺吸芽葉內糖類、氨基酸等營養成分，破壞茶葉內各種成分的比例，進而影響整個茶葉的品質。相關研究表明，這些害蟲具有趨色性和趨光性，因此，可以利用這些害蟲對光和色的趨性對其進行誘殺。

3.1 試驗方法

試驗在貴州省遵義市湄潭縣境內某茶場進行，該茶場面積467 hm2以上，地勢平坦。為避免外界光源對誘蟲效果的影響，場地的選擇需遠離外界光源。主要試驗器材：基于LED光源的廣譜誘蟲燈（額定功率200 mW×15=3 000 mW=3 W，電網電壓2 500 V，以下簡稱“廣譜誘蟲燈”）1臺，購買市場上比較普及、殺蟲效果較好的某品牌頻振式殺蟲燈（額定功率35 W，電網電壓2 300 V，以下簡稱“頻振殺蟲燈”）1臺。2燈距離為200 m，燈的底座距離地面高度1 m。試驗時間為每天19：00接通2臺殺蟲燈電源，次日07：00斷開2臺殺蟲燈電源并進行殺蟲量統計，連續進行4次。第1次，調整廣譜誘蟲燈發出黃色光（波長577～597 nm），統計其殺蟲量；第2次，調整廣譜誘蟲燈發出藍色光（波長435～450 nm），統計其殺蟲量；第3次，調整廣譜誘蟲燈發出白色光（波長 390～760 nm），統計其殺蟲量；第4次，調整廣譜誘蟲燈間隔30 min交替發出黃色光（波長577～597 nm）、藍色光（波長435～450 nm）和白色光（波長390～760 nm），統計其殺蟲量。

3.2 試驗結果

如表2所示，從4次試驗結果看出頻振殺蟲燈的殺蟲量比較均衡，沒有太大變化，平均為280頭左右。廣譜誘蟲燈在發出白色光時殺蟲量僅為199頭，遠不及頻振殺蟲燈；在發出藍色光和交替發光的情況下，殺蟲量均超過頻振殺蟲燈；廣譜誘蟲燈殺蟲量平均值只比頻振殺蟲燈的殺蟲量平均值略低。

試驗結果表明，廣譜誘蟲燈的殺蟲量比頻振殺蟲燈的殺蟲量還有一定的差距，但是，廣譜誘蟲燈僅3 W的功耗比頻振殺蟲燈35 W的功耗低得多；LED燈具壽命普遍超過10萬h，遠超頻振殺蟲燈設計壽命5年（43 800 h），因此，廣譜誘蟲燈殺蟲效果好，節能效果顯著，壽命長，使用成本低廉，性價比高。

4 討論

本研究根據害蟲的趨色、趨光特性設計基于LED光源的廣譜誘蟲燈，能按田間需要發出不同顏色、不同強度的光誘殺害蟲。下一步將研究利用LED作為發光源，通過控制LED的亮滅，尋找LED最佳誘蟲閃光頻率，進一步提高誘蟲效率。隨著我國 “無公害食品行動計劃”的深入進行，開展對農林作物病蟲害的物理防治技術研究，具有很強的現實意義和非常廣泛的應用前景。

參考文獻：

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