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能夠提供園藝光的照明設備和照射園藝的方法.pdf

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能夠 提供 園藝 照明設備 照射 方法
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摘要
申請專利號:

CN201380036809.3

申請日:

20130708

公開號:

CN104427857B

公開日:

20180424

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A01G7/04 主分類號: A01G7/04
申請人: 飛利浦燈具控股公司
發明人: L.C.卡斯珀,C.塔納塞,R.A.M.希克梅特,C.C.S.尼科勒,E.M.范埃奇特
地址: 荷蘭埃因霍溫
優先權: 61/670173
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 代理人: 初媛媛;景軍平
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380036809.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明提供一種具有發光二極管(10)的照明設備(100),所述發光二極管被配置成生成具有選自400?475nm的范圍的波長的光(11),其中所述照明設備(100)包括至少兩個光發射部件(100a、100b)。第一光發射部件(100a)包括發光二極管(10)的第一子組(10a),并且被配置成提供具有基本上在400?475nm的范圍內的第一光譜光分布的第一光(111a)。第二光發射部件(100b)包括發光二極管(10)的第二子組(10b)并且包括被配置成將至少部分的從多個發光二極管(10)的第二子組(10b)生成的光(11)轉換成第二光(111b)的光轉換元件(20),第二光具有基本上在625?800nm的范圍內的第二光譜光分布。多個發光二極管(10)的第一子組(10a)和多個發光二極管(10)的第二子組(10b)是可獨立地控制的。

權利要求書

1.一種能夠提供具有光譜光分布的園藝光(111)的照明設備(100),所述光譜光分布至少具有選自400-475nm的范圍的第一波長處的和選自625-800nm的范圍的第二波長處的光強度,所述照明設備(100)包括被配置成生成具有選自所述400-475nm的范圍的波長的LED光(11)的多個發光二極管(LED)(10),其中所述多個發光二極管(10)被配置成陣列(30),其中所述照明設備包括至少兩個光生成部件,其中:-第一光生成部件(100a)包括所述多個發光二極管(10)的第一子組(10a),其中所述第一光生成部件(100a)被配置成提供具有第一光譜光分布的第一光(111a),所述第一光譜光分布至少具有所述第一波長處的光強度,-第二光生成部件(100b)包括所述多個發光二極管(100)的第二子組(10b),其中在所述多個發光二極管(100)的所述第二子組(10b)的每個LED的光學路徑下游配置有能夠抽出和縮回的光轉換元件(20),所述光轉換元件(20)被配置成將至少部分的所述LED光(11)轉換成具有所述第二波長的被轉換的光(21),其中所述第二光生成部件(100b)被配置成提供包括至少部分的所述被轉換的光(21)的第二光(111b),并且所述第二光(111b)具有第二光譜光分布,所述第二光譜光分布至少具有所述第二波長處的光強度,-所述第一光(111a)和所述第二光(111b)的所述第一波長范圍和所述第二波長范圍中的光譜光分布是不同的,并且;-所述多個發光二極管(10)的兩個或更多個子組(10a、10b)是可獨立地控制的。2.根據權利要求1所述的照明設備(100),其中所述第二光生成部件(100b)被配置成提供具有第二光譜光分布的第二光(111b),該第二光譜光分布至少具有選自625-675nm的范圍的紅波長處的和選自675-750nm的范圍、大于所述紅波長的遠紅波長處的光強度。3.根據權利要求1或2所述的照明設備,其中所述光轉換元件(20)包括被配置成將至少部分的所述LED光(11)轉換成具有所述第二波長的所述被轉換的光(21)的有機染料。4.根據權利要求1或2所述的照明設備(100),其中所述光轉換元件(20)通過箔片(200)提供。5.根據權利要求1或2所述的照明設備(100),其中在所述多個發光二極管(100)的所述第一子組(10a)的每個LED的光學路徑下游配置有光透射元件(120),所述光透射元件(120)被配置成透射至少部分的所述LED光(11)。6.根據權利要求1或2所述的照明設備(100),-其中所述第一光譜光分布基本上在400-475nm的范圍內以及所述第二光譜光分布基本上在625-800nm的范圍內。7.根據權利要求1或2所述的照明設備(100),其中所述第一光生成部件(100a)和所述第二光生成部件(100b)具有伸長的形狀并且被平行地布置。8.根據權利要求1或2所述的照明設備(100),包括多個第一光生成部件(100a)和多個第二光生成部件(100b)。9.根據權利要求8所述的照明設備(100),其中第一光生成部件(100a)和第二光生成部件(100b)被配置成第一光生成部件和第二光生成部件交替的2D陣列。10.根據權利要求9所述的照明設備(100),其中以相應地相鄰的第一、第二光生成部件之間的5-30cm范圍內的節距(p)來布置所述多個第一或第二光生成部件。11.根據權利要求1所述的照明設備(100),包括第三光生成部件(100c),其包括所述多個發光二極管(100)的第三子組(10c),所述第三光生成部件(100c)被配置成提供具有不同于所述第一光譜光分布和所述第二光譜光分布的光譜光分布的第三光(111c),其中所述多個發光二極管(10)的三個或更多的子組(10a、10b、10c)是可獨立地控制的。12.根據前述權利要求1、9、10和11中的任一項所述的照明設備(100),其中所述多個發光二極管(100)被布置在多個光腔室(70)中。13.一種照射作物(1)的方法,包括利用來自根據前述權利要求中的任一項所述的照明設備的園藝光(111)來照射至少部分的所述作物(1)。14.根據權利要求13所述的方法,包括根據以下的一個或多個來改變所述園藝光(111)的光譜強度分布:(a)所述作物(1)的被處理的部分,(b)一天中的時間,(c)除所述園藝光(111)之外的其他光的光強度和光分布,(d)作物(1)的種類,(e)所述作物(1)的生長階段,(f)果實(2)的階段,(g)收獲的時間,(h)自收獲起的時間,和(i)在園藝布置中的位置。

說明書

技術領域

本發明涉及能夠提供園藝光的照明設備,以及涉及用于給(園藝)作物提供園藝光的方法。

背景技術

園藝照明在本領域中是已知的。例如,US2010031562描述了一種在溫室養殖中使用用來對溫室中的作物進行照明的照明設施,其包括多個提供在將被照明的作物上方的諸如燈的光源和多個用于光源的調光設備,其特征在于調光設備具備控制構件,該控制構件用于根據預定的圖案(pattern)周期性地、自動地改變與調光設備配合的光源的光強度。US2010031562旨在分別提供用于溫室養殖的方法和照明設施。特別地,光源被分成多個組,照明設施被設計成使得在使用時每組的功率按照預定的圖案改變,同時不同組的圖案相對彼此而相移,使得聯合組所消耗的電功率的變化小于各自組的功率變化的總和,更特別地使得聯合組所消耗的電功率的變化小于單個的組的功率變化,還更特別地使得聯合組所消耗的電功率以可能的最小程度改變,或者至少實際上沒有變化。特別而言,所有圖案都是相同的,而只是相對彼此發生了相移。

發明內容

植物使用光合作用的過程以將光、CO2和H2O轉化成碳水化合物(糖)。這些糖被用來為新陳代謝過程提供燃料。過剩的糖用于生物量形成。該生物量形成包括莖的伸長、葉面的擴大、開花、果實形成等等。負責光合作用的感光器是葉綠素。除了光合作用,光周期現象、向光性和光形態建成也是與輻射和植物之間的相互作用有關的代表性的過程:

- 光周期現象是指植物所具備的感受和測量(例如誘發開花)輻射的周期性的能力,

- 向光性是指植物朝向以及背向輻射的生長運動,以及

- 光形態建成是指響應于輻射的質量和數量的形狀中的改變。

葉綠素的兩個重要的吸收峰值a和b分別位于紅色和藍色區域內,特別是來自于625-675nm和來自于425-475nm。此外,還有位于近UV(300-400nm)處和遠紅(far red)區域(700-800nm)內的其他局域化的峰值。主要的光合作用活動似乎發生在波長范圍400-700nm內。該范圍內的輻射被稱為光合有效輻射(PAR)。

植物中其他的光敏過程包括光敏色素。光敏色素活動操縱不同的響應,例如展葉、知鄰(neighbor perception)、避蔭、莖的伸長、種子萌芽以及開花誘發等。光敏色素光系統包括兩種形式的光敏色素,Pr和Pfr,它們分別在660nm處的紅色中和730nm處的遠紅色中具有它們的敏感度峰值。

在園藝中,以每單位面積每秒的光子數量測量光合光子通量密度(PPFD)(單位是μmol/sec/m2;一摩爾(mol)對應6·1023個光子)。在實踐中,當尤其對番茄施加例如中間照明(inter-lighting)(見下文)時,所使用的紅色PPFD可為200μmol/sec/m2并且藍色:紅色的比值可典型地為約1:7(紅色和藍色的范圍分別為625-675nm和400-475nm)。尤其地,光合光子通量密度可包含約10%的藍色和90%的紅色。PPFD可以從光電二極管確定或者利用光電倍增器來直接地測量。

植物生長不僅依賴于光的量,還依賴于光譜組成、時長以及光入射到植物上的時機。依照這些方面的參數值的組合被稱為用于種植植物的“光食譜”。

LED在園藝照明中可以發揮諸如以下方面的多種作用:

1. 補充照明:為了增加(例如番茄)的產量或者在例如作物價格可能較高的秋、冬和春季時節擴大作物生產,使用補充自然日光的照明。

2. 光周期照明:對于許多植物而言每日的光照時長很重要。在24小時的周期內明暗時間段的比值影響許多植物的綻放響應。借助補充照明來操控該比值能夠調節綻放的時間。

3. 在植物工廠內的無日光栽培。

4. 組織培養。

為了在秋、冬和春季期間在溫室中(或全年在多層生長中)提供補充照明,一般而言使用高功率的氣體放電燈,氣體放電燈必須被安裝在植物上方相對高的位置處以充分地確保跨植物的均勻光分布。目前,在溫室中,使用從600W上至1000W(例如,高功率HID)范圍的不同類型的高功率燈來為植物提供補充光。一個缺陷是從植物上方的位置,到達植物的較低部分處的光的量相當有限。同時,植物的較低部分往往是最需要補充光的。當使用安裝在植物上方的固態照明時,同樣的窘境持續。然而,LED照明(尤其是固態照明)具有超越基于放電的照明的一些優點。

因此,本發明的一個方面是提供用于園藝應用的替代性的照明設備和/或用于園藝應用的替代性的照明方法,其優選地、進一步地至少部分減輕上述缺陷中的一個或多個。

建議將燈設置在植物之間。尤其當使用LED時這是一種可能性,因為LED可以以例如這樣的方式分布,即它們提供在植物之間的相當均勻的照射而不會使與LED接觸的植物葉子灼傷。這種補充照明的方法被稱為中間照明。然而,如下文所描述的,LED照明在具體的實施例中也可被用來非均勻地照射作物或作物的部分;例如處理(address)作物的不同部分,可能期望光的不同光譜光分布。

為了使果實重量、外觀和物理的強度(physical strength)得以發育,作物對各種過程使用光譜的各種部分。特別地,光譜的藍色和紅色區域內的光子(分別具有尤其在440-470nm之間和660nm左右的波長)被植物吸收和有效率地使用用于光合作用,而且也用于其他的發育過程。因此,為了使每單位量的發射的光子的產量最大化,光源的光譜組成可以(但不一定)被限制于導致最佳結果的具體光譜區域。因而,由于光譜發射范圍窄,LED非常適合用于園藝應用且非常有效率。

聚焦各種植物的具體的需求,變得顯而易見的是各種植物可以獲益于唯一的光譜光組成。舉例而言,在某些生長階段的某些植物可能需要5%的藍光和95%的紅光的量,而其他植物和/或其他生長階段則可能需要10%的藍光和90%的紅光用于最好的生長和發育(亦見上文)。此外,當光譜延展到遠紅時,即超過675nm,例如在675-800nm的范圍內,比如約750nm,一些植物可能更有效率地發育。因此,每一種作物需要一種具體的光譜光分布(并且因而是LED選擇/組合),導致了海量的不同的LED類型和數量。對于用于園藝照明的適合的光源,其意味著人需要廣泛的產品范圍用以涵蓋作物的具體需求而同時在能量使用方面是高效率的,具有低的產品成本(不過度設計),或是人需要靈活的并且在LED模塊生產成本和植物種植者的購置成本方面還實惠的產品。

因此,為了克服上述問題中的一個或多個,這里我們提出一種通過僅使用與一個或多個光轉換元件(尤其基于有機磷光體的)組合(例如以覆蓋層(cover)的方式)的藍LED來制造專用于具體的作物需求的LED模塊的簡單方式,以提供恰當的顏色。基本上,本發明的實施例僅包含一個具有藍LED的LED產品, 在該藍LED上放置不同的光轉換元件,比如覆蓋層。有機磷光體(覆蓋層)的優點在于藍光到紅以及到深紅光的有效率的轉換,使得LED模塊相比于使用直接的轉換更加有效率。這個概念可在中間照明中應用并且還可應用于其他類型的照明,例如頂部照明,包括多層照明(見下文)。因此,本發明不限于中間照明應用。

因此,在本發明的第一方面,提供了一種能夠提供具有光譜光分布的園藝光的照明設備(“設備”),所述光譜光分布至少具有選自400-475nm的范圍的第一波長處的和選自625-800nm的范圍,尤其至少625-675nm的第二波長處的光強度,所述照明設備包括多個發光二極管(LED),其被配置成生成具有選自所述400-475nm的范圍,尤其420-475nm的波長的LED光,其中所述多個發光二極管被配置成陣列,其中所述照明設備包括至少兩個光生成部件,其中:

- 第一光生成部件包括多個發光二極管的第一子組,其中第一光生成部件被配置成提供具有第一光譜光分布的第一光,所述第一光譜光分布至少具有所述第一波長處的光強度,

- 第二光生成部件包括多個發光二極管的第二子組,其中在多個發光二極管的第二子組的每個LED的光學路徑下游配置有光轉換元件,光轉換元件被配置成將至少部分的LED光轉換成具有第二波長的被轉換的光,其中第二光生成部件被配置成提供包括至少部分的所述被轉換的光的第二光,并且所述第二光具有第二光譜光分布,所述第二光譜光分布至少具有所述第二波長處的光強度,

- 第一光和第二光的在第一波長范圍和第二波長范圍內的光譜光分布是不同的,并且;

- 多個發光二極管的兩個或兩個以上子組是可獨立地控制的。

在另一方面,本發明提供了一種照射作物的方法,其包括利用來自如本文所定義的照明設備的園藝光來照射作物的至少一部分。

該(顏色可調整的)設備和該(顏色可調整的)照射方法的優點在于以一種相對容易的方式,可以利用最適合種類或作物、其階段和/或相應的作物部分的光需求的光來照射不同種類的作物、而且處在不同發育階段的作物、以及甚至作物的不同部分。然而,其他選擇方案也是有利地可能的。尤其地,所述設備可允許以及所述方法可包括根據以下的一個或多個來改變所述園藝光的光譜強度分布:(a)作物的被處理的部分,(b)一天中的時間,(c)除園藝光之外的其他光的光強度和光分布,(d)作物的種類,(e)作物的生長階段,(f)(作物的)果實的階段,(g)收獲的時間,(h)自收獲起的時間,和(i)園藝布置中的位置(包含多個作物)。因此,實際上提供了適合于園藝照明、并且可在適當的時間處理適當的作物部分處的適當的感光器的顏色可調整的設備和方法。

“能夠提供具有光譜光分布的園藝光,所述光譜光分布至少具有選自400-475nm的范圍的第一波長處和選自625-800nm的范圍的第二波長處的光強度”的說法并不暗示當照明設備被接通時該照明設備的光總是包括兩個區域內的強度。照明設備可暫時性地提供具有僅其中一個光譜范圍內的強度的光,比如藍光或(遠)紅光。進一步地,由于設備包括兩個光生成部件這一事實,因此十分可行的是一個部件(主要)給出藍光,而另一部件可(主要)給出(遠)紅光。進一步地,照明設備還可被配置成提供不僅具有在400-475nm和625-800nm的范圍內的強度還具有其他波長范圍內的強度的園藝光。進一步地,除了園藝光,即,尤其適合于幫助作物和/或其可選的果實生長或成熟等并且尤其被配置成直接地照射作物的至少一部分的光,照明設備還可可選地提供其他類型的光,比如尤其適合協助溫室中的工作人員的光。

在實施例中,所述照明設備可包括多個發光二極管,其被配置成生成具有選自400-475nm的范圍(比如420-475nm)的波長的光,其中照明設備包括至少兩個光生成部件,其中:

- 第一光生成部件包括多個發光二極管的第一子組,其中第一光生成部件被配置成提供具有基本上在400-475nm的范圍內(比如420-475nm)的第一光譜光分布的第一光,

- 第二光生成部件包括多個發光二極管的第二子組和光轉換元件,所述光轉換元件被配置成將至少部分的從多個發光二極管的第二子組生成的光轉換成具有基本上在625-800nm的范圍內(比如625-675nm)的第二光譜光分布的第二光,第二光生成部件被配置成提供第二光,

- 其中多個發光二極管的第一子組和多個發光二極管的第二子組是可獨立地控制的。

“第一光和第二光的第一波長范圍中的和第二波長范圍中的光譜光分布是不同的”的說法可例如暗示第一光由具有所述第一波長范圍中的強度的光構成以及第二光由具有所述第二波長范圍中的強度的光構成。然而,它還可暗示第一光和第二光中的一個或多個還包括其他波長的光,甚至是分別在第二波長范圍內和在第一波長范圍內。盡管多個發光二極管的兩個或更多的子組是可獨立地控制的,光的光譜光分布仍然可以被調整,因為第一光和第二光的光譜光分布是不同的。但是總體而言,所述第一光可基本上由所述第一波長范圍中的光構成。基于光子計數,所述第一光可包括至少90%的其在第一波長范圍內的強度。基于光子計數,所述第二光可包括至少50%,尤其至少70%,甚至更尤其至少90%的其在第二波長范圍內的強度。總體而言,基于光子計數,所述第二光將包括不多于30%,尤其不多于15%,甚至更尤其不多于10%(比如最多5%)的其在第一波長范圍內的強度。例如,所述第一光可基本上由在400-475nm的第一波長范圍內的光構成,而所述第二光可包括一些在第一波長范圍內的光,例如只是總體光子強度的10%,并且90%的強度在第二波長范圍內。如上文所指示的,這可包括所述第一光由具有在所述第一波長范圍內的強度的光構成以及所述第二光由具有在所述第二波長范圍內的強度的光構成的情況。

照明設備可包括尤其被配置成陣列的多個發光二極管。該陣列尤其是2D陣列(即,LED按照行被布置,彼此相鄰)。所述照明設備可跨越(span)例如0.5-400m2的面積,比如2-400m2。每m2的LED數量(LED密度)例如可大約為1-400,比如4-100,盡管可能存在具有更多或甚至具有更少LED(每平方米)的照明設備。注意,照明設備上的LED分布可以是規則的或者可以在陣列的不同區域內變化。總體而言,LED將以規則的圖案被布置,盡管可能不排除其他的圖案。設備包括至少兩個LED;一個LED與第一光生成部件在功能上相關聯,以及一個LED與第二光生成部件在功能上相關聯。然而,設備可包括兩個以上的LED,例如至少4個LED,比如至少16個LED。設備可包括n x m個LED,其中n至少是4,以及m至少是4,例如至少10。如上文所指示的,多個LED包括至少兩個LED子組(每一個子組至少1),其分別被用于至少兩個光生成部件。這兩個或更多的子組是例如通過控制單元可獨立地控制的。這樣,兩個或更多的子組的接通-關斷狀態以及可選地強度可被獨立地控制。LED可被布置在(導電)線柵上。

在實施例中,第一子組包括多個發光二極管。替代性地或者附加地,第二子組包括多個發光二極管。尤其地,第一子組可包括多個發光二極管,并且第二子組可包括多個發光二極管。光生成部件可包括一個或多個LED。

LED尤其是固態LED,但可選地也可以是有機LED。還可以應用固態和有機LED的組合。術語“LED”也可涉及多個LED管芯。因此,在單個的LED的位置處,可布置多個LED管芯,例如兩個或更多的LED管芯的LED封裝。LED尤其被設計成生成第一波長范圍內的(LED)光。

基于LED的固態照明的出現為在園藝中的應用提供了機會。使用LED的主要優點源自控制光的光譜組成以緊密地匹配植物感光器的敏感度的可能性。與比如改進的熱量控制和分布LED的自由的附加的益處一起,這提供了更優化的生產并且使得能夠影響植物的形態和組成。它還為減小能量消耗(和相關聯的成本)帶來了希望。

固態LED容易被集成在數字控制系統中,便于例如“日累積光(daily light integral)”照明和日出及日落模擬等照明程序。LED比當前的燈操作起來更安全,因為它們不帶有玻璃罩且不含汞。

LED能夠讓一個人將光更靠近目標分布,這可以導致穿過屋頂并且進入溫室的地面的更少的損失。此外,可以實現作物中更佳的光分布。對于比如番茄的高掛線(high-wire)作物,無疑是這種情形。

第一光生成部件被配置成提供具有第一光譜光分布的第一光,該第一光譜光分布至少具有所述第一波長處的光強度。第二光生成部件可被配置成提供具有第二光譜光分布的第二光,該第二光譜光分布至少具有選自625-675nm的范圍的紅波長處的和/或選自675-750nm的范圍、大于紅波長的遠紅波長處的光強度。尤其地,兩個波長范圍都可被表現出并且可以是園藝光(尤其是第二光)的部分。

如上文所指示的,照明設備包括兩個或更多的光生成部件。這里,術語“光生成部件”尤其是指照明設備的具備(給作物)提供光的功能的部件。至少存在兩個不同的光生成部件,其大體上彼此相鄰。至少一個光生成部件提供第一光,并且至少另一個光生成部件提供第二光。

在實施例中,第一光生成部件和第二光生成部件具有伸長的形狀并且被平行地布置。例如,可存在兩個或更多的伸長的光生成部件。這樣,可提供其中條帶(strip)可提供具有不同的光譜光分布的光的照明設備。

照明設備(還)可包括多個第一光生成部件和單個的第二光生成部件。替代性地,照明設備包括單個的第一光生成部件和多個第二光生成部件。尤其地,照明設備包括多個第一光生成部件和多個第二光生成部件。

這些多個第一光生成部件和第二光生成部件可平行地布置(作為相鄰地布置的伸長的光生成部件),但是也可以棋盤的方式布置。因此,在實施例中,第一光生成部件和第二光生成部件被配置成第一光生成部件和第二光生成部件交替的2D陣列(例如伸長的平行布置的光生成部件或棋盤布置)。尤其后者的優點在于可用“高”空間分辨率照射作物或者園藝布置(見下文)的專用部分。利用大致相同的分辨率,顏色可以被選擇并且在恰當的位置處被施用(dosed)。因此,照明設備可包含“顏色像素”,它們可以被開啟或關閉,以此可以根據以下的一個或多個改變園藝光的光譜強度分布:(a)作物的被處理的部分,(b)一天中的時間,(c)除園藝光之外的其他光的光強度和光分布,(d)作物的種類,(e)作物的生長階段,(f)(作物的)果實的階段,(g)收獲的時間,(h)自收獲起的時間,和(i)園藝布置中的位置(包含多個作物)。

不僅可以提供至少兩種光,而且可提供三種或更多種的光(亦見上文)。因此,照明設備可例如還包括第三光生成部件,其包括多個發光二極管的第三子組,第三光生成部件被配置成提供具有不同于第一光譜光分布和第二光譜光分布的光譜光分布的第三光,其中多個發光二極管的三個或更多的子組是可獨立地控制的。同樣地,設備可包括第四光生成部件、第五光生成部件等。每個附加的光生成部件可提供其自己類型的光,取決于所包括的發光材料(見下文)。尤其地,第一光生成部件(亦見上文)被配置成提供至少具有在第一波長范圍中的的光強度的光。第二光生成部件可被配置成提供具有第二光譜光分布的光,該第二光譜光分布至少具有在625-675nm的范圍內的強度,并且第三光生成部件可被配置成提供具有第三光譜光分布的光,該第三光譜光分布至少具有選自675-750nm的范圍、大于紅波長的遠紅波長處的強度。然而,可選的第三或另外的光生成部件還可被配置成提供具有其他波長(例如來自PAR)的光。

尤其在棋盤布置的情況下,光生成部件可具有光從其被發射的表面,該表面具有例如4-900cm2范圍內、尤其是4-400cm2的面積。例如,可選擇在10 x 10至30 x 30 cm2的范圍內的尺寸。

提供相同類型的光的光生成部件(尤其是相應的光從其被發射的表面)可具有節距(pitch),即,兩個最接近的鄰近的同一類型的光生成部件之間的相互距離(尤其假定是規則的布置)。在具體的實施例中,多個光生成部件按照給定的節距被布置并且以距(多個)作物的平均距離被布置,其中距離對節距的比值至少是0.2,尤其至少0.25,例如至少0.3。通過調整節距和/或從光生成部件到作物的距離,可提供最佳的照明。似乎在該比值之下,照明可能不及期望的均勻,并且在該比值之上,照明則足夠均勻。照明設備和/或作物可以這樣的方式布置,即,距離對節距的比值要求在作物生命期的大部分期間被滿足。在具體的實施例中,多個光生成部件具有在5-30cm的范圍內的節距,甚至更尤其是5-25cm,例如20cm。這樣,由(多個)作物接收到的光可基本上均勻地分布。本領域技術人員將能夠理解的是,居于距離對節距的比值之后,還需要考慮光生成部件的光學光分布屬性以確定照明設備相對于植物的合適的位置,以便在植物處獲得均勻的光分布,諸如例如LED的光發射角度、光混合腔室(見下文)的光漫射/散射屬性、包含轉換材料的箔片(foil)(見后文)的光學屬性等。

如上文所指示的,第二光生成部件包括多個發光二極管的第二子組,其中在多個發光二極管的第二子組的每個LED的光學路徑下游配置有光轉換元件。光轉換元件被配置成將至少部分的LED光轉換成具有第二波長的被轉換的光。該被轉換的光至少部分地被包含在第二光中。因此,第二光生成部件被配置成提供包括至少部分的所述被轉換的光的第二光。這樣,第二光可具有第二光譜光分布,該第二光譜光分布至少具有所述第二波長處的光強度。這樣,第二光的光譜光分布可不同于第一光的光譜光分布。因而,由于第二光包含至少部分的所述被轉換的光這一事實,第二光提供具有至少在第二波長范圍內的光譜光分布的光。

光轉換元件包括發光材料或者將第一光至少部分地轉換成第二光的轉換材料。一般而言,轉換材料將不被應用于所述第一光生成部件,而只應用于第二光生成部件,并且可選地應用另外的轉換材料、另外的光生成部件。該光轉換元件被布置在多個LED的第二子組的光學路徑的下游。

術語光學路徑 “上游”和“下游”涉及項目或特征相對于來自光生成構件(這里尤其是第一光源)的光的傳播的布置,其中相對于來自光生成構件的光束內的第一位置,更靠近光生成構件的光束中的第二位置是“上游”,并且更遠離光生成構件的光束內的第三位置是“下游”。

第二光生成部件可包括一個以上的LED,這些LED中的每個相對于同一光轉換元件被布置在光學路徑的上游。然而,當存在多個第二光生成部件時,每個第二光生成部件可包括一個或更多的LED。同樣地,這也可適用于可選的另外的光生成部件。

光轉換元件轉換至少部分的LED光。發光材料可以是無機發光材料,但可尤其地包括有機發光材料。可選地,光轉換元件可包括有機和無機材料二者。術語“發光材料”或“轉換材料”還可涉及(多種)這樣的材料。進一步地,可選地,使用另外的發光材料來協助向具有第二波長的光的轉換。例如,部分的LED光可被轉換成具有中間波長的光,該中間波長的光至少部分地通過(無機)有機發光材料被進一步轉換成具有第二波長的光。尤其地,光轉換元件包括有機染料,其被配置成將至少部分的LED光轉換成具有第二波長的被轉換的光。在下文中列出了一系列染料,其中紅色染料中的一個或多個可被用于光轉換元件或者被用作光轉換元件,并且其中其他的染料可選地可被應用于(多個)第一光生成部件或(多個)第二光生成部件,或者可存在于可選的另外的光生成部件的(多個)光轉換元件中。

存在這樣的有機發光材料或染料幾乎不限制的分類。相關示例有二萘嵌苯(例如已知的來自德國路德維希港的BASF公司的商品名為Lumogen的染料:Lumogen F240橙、Lumogen F300紅、Lumogen F305紅、Lumogen F083黃、Lumogen F170黃、Lumogen F850綠)、來自印度孟買的Neelikon食品染料&化工(Neelikon Food Dyes & Chemical)有限公司的黃172、以及可從許多交易商獲得的諸如香豆素(例如香豆素6、香豆素7,香豆素30、香豆素153、堿性黃51)、萘二甲酰亞胺(napthalimides)(例如溶劑黃11、溶劑黃116)、弗盧羅7GA、吡啶(例如吡啶1)、吡咯亞甲基(pyrromethenes)(例如吡咯亞甲基546、吡咯亞甲基567)、熒光素鈉、羅丹明(rhodamine)(例如羅丹明110、羅丹明B、羅丹明6G、羅丹明3B、羅丹明101、磺基羅丹明101、磺基羅丹明640、堿性紫11、堿性紅2)、花菁(例如酞菁、DCM)、芪(例如Bis-MSB、DPS)的染料。

特別關注的可被應用的有機材料例如包括類似于諸如用于綠色發光的BASF Lumogen 83、 用于黃色發光的BASF Lumogen F170、用于橙色發光的BASF Lumogen F240、以及用于紅色發光的BASF Lumogen F300或F305之類的二萘嵌苯結構,還包括Lumogen F 紅305或Lumogen F 藍650。

可選地,染料包括磷光性染料,其具有例如數小時的長的衰減時間,可被應用于沒有(足夠)日光期間的照明。

注意,光轉換元件可具有光透射屬性,并且在實施例中可被配置成在不轉換的情況下還透射部分的LED光。

(多種)染料可被包含在光轉換元件板或光轉換元件箔片中。箔片可能尤其受到關注。染料可被包含在箔片中或可被提供在箔片上。還可將染料夾在箔片之間。例如,(多種)染料可被印制在箔片上。通過在箔片上印制圖案,當該圖案與多個發光二極管的兩個(或更多)子組對準時,通過驅動多個發光二極管的兩個(或更多)子組,其允許不同類型的光的生成。因此,在實施例中,光轉換元件被包含在箔片中。因而,箔片可包括所述光轉換元件。

依據這樣的實施例,似乎在多個發光二極管的第一子組的每個(至少一個)LED的光學路徑下游也可存在層。該層可尤其被配置成透射基本上所有的來自相應的(多個)LED的光。因此,在多個發光二極管的第一子組的每個LED的光學路徑下游可配置光透射元件,其中光透射元件被配置成透射至少部分的LED光。如上文所指示的,光透射元件也可被包含在箔片中。因而,箔片可包括用于第一光生成部件的(多個)光透射元件和用于第二光生成部件的(多個)光轉換元件。因此,可以使用單個的箔片,其包括(多個)光轉換元件和(多個)光透射元件二者。正如從上文可以清楚的,當多個第一和第二光生成部件在布置(例如,圖案)中可用時,光轉換元件和光透射元件可被布置在相應的布置(例如圖案)中。該布置可包括平行的圖案(作為伸長的光生成部件),而且還可包括棋盤圖案。代替術語“棋”,也可以應用術語“棋盤格”。

光生成部件的(多個)光透射元件和/或(多個)光轉換元件可被視作分別提供第一、第二光的(多個)元件,并且因而可以被視作設備的(多個)光發射部件。因此,第一和第二光生成部件,或至少它們的光發射部件可被配置成1D或2D的所述部件的交替式布置。

注意,光透射部件也可被配置成轉換部分的LED光。然而,如上文所指示的,光透射部件至少透射至少部分的LED光,并且大體上將透射該光的大部分。在具體的實施例中,光透射元件不包含染料或者至少不包含以上指示的染料中的一種。

尤其地,LED可被配置在光腔室中,即帶有反射性的壁(所述室壁可以是漫射性的和/或鏡面反射性的)的腔體中。尤其在光轉換元件布置在LED光學路徑下游的情況下,這種腔室可能是有用的,以重定向在光轉換元件處被反射或折射的LED光(以及用來回收由轉換元件發射的光而使其返回到腔室中)。因此,在實施例中,多個發光二極管被配置在多個光腔室中。然而,一個腔室可包括多個LED。因此,“在多個發光二極管的第一子組的每個LED的光學路徑下游配置有光透射元件”的說法可指一個或多個LED和單個的光透射元件的組合或者指多個LED和多個輻射狀耦合的光透射元件。在后一個實施例中,仍可有多于一個的LED被輻射狀耦合到同一光透射元件。

如上文所指示的,本發明還提供照射作物的方法,其包括利用來自根據前述權利要求中的任一項所述的照明設備的園藝光來照射至少部分的作物。尤其地,該方法可包括根據以下的一個或多個來改變園藝光的光譜強度分布:(a)作物的被處理的部分,(b)一天中的時間,(c)除園藝光之外的其他光的光強度和光分布,(d)作物的種類,(e)作物的生長階段,(f)果實的階段,(g)收獲的時間,(h)自收獲起的時間,和(i)園藝布置中的位置(包括多個作物)。

術語“園藝”涉及用于人類使用的(集約的)植物栽培并且在其活動方面十分多樣化,其中包括食用類植物(水果、蔬菜、菌類、藥膳)和非食用類作物(花、樹木和灌木、草坪草、蛇麻草、葡萄藤、醫用藥草)。術語“作物”在本文中用來指示被種植或已經被種植的園藝植物。用于食物、衣裝等的大規模種植的同種植物可被稱為作物。作物是長成后將作為例如食物、牲畜飼料、燃料而被收獲的或用于任何其他的經濟用途的非動物類物種或品種。術語“作物”還可涉及多個作物。園藝作物可尤其指食物類作物(番茄、胡椒、黃瓜和生菜)以及指(潛在地)孕育這樣的作物的植物,例如番茄植物、胡椒植物、黃瓜植物等。園藝在本文中可大體上涉及例如食物類作物和非食物類作物植物。作物植物的示例有水稻、小麥、大麥、燕麥、鷹嘴豆、豌豆、豇豆、扁豆、綠豆、黑豆、黃豆、菜豆、蛾豆、亞麻籽、芝麻、黧豆(khesari)、大麻、辣椒、茄子、番茄、黃瓜、秋葵、花生、馬鈴薯、玉米、珍珠粟、黑麥、苜蓿、蘿卜、卷心菜、生菜、胡椒、向日葵、甜菜、蓖麻、紅三葉草、白三葉草、紅花、菠菜、洋蔥、大蒜、大頭菜、西葫蘆、香瓜、西瓜、黃瓜、南瓜、洋麻、油棕、胡蘿卜、椰子、木瓜、甘蔗、咖啡、可可、茶葉、蘋果、梨、桃、櫻桃、葡萄、杏、草莓、菠蘿、香蕉、腰果、朝天椒、木薯、芋頭、橡膠、高粱、棉花、黑小麥、木豆和煙草。尤其受關注的有番茄、黃瓜、胡椒、生菜、西瓜、木瓜、蘋果、梨、桃、櫻桃、葡萄和草莓。然而,不排除其他的種類。

園藝尤其在溫室中應用。本發明尤其涉及設備和/或方法在溫室中的應用。設備可布置在植物之間,或被布置在將成為的植物之間,這被指示為“中間照明”。比如番茄植物的在掛線上(on wires)上的園藝種植可以是可利用本設備和方法被處理的中間照明的具體的領域。設備還可布置在植物上方或將成為的植物的上方。尤其當園藝是在彼此重合(over each other)的層中執行的時候,人工照明是必要的。分層種植被指示為“多層生長”。所述設備和/或方法同樣可被應用在多層生長中。

本發明提供一種用來刺激植物生長和/或發育的新的方式的人工照明,被指示為園藝照明的技術。特別地,存在其中使用人工照明的兩個主要的園藝環境。第一,除了日光之外,溫室使用頂部照明和蓬內部照明增加作物產量。第二,在多層系統中,作物主要在無日光條件下生長,并且因而嚴重地依靠人工照明。在本發明公開中,我們考慮用于溫室中的比如番茄、黃瓜和甜椒(紅椒)的高掛線作物以及用于植物工廠中的多層生長的優化的基于LED的補充照明設備或者發光體。

本文中的術語“基本上”(例如在“基本上所有的發射”中或在“基本上由……構成”中)將被本領域技術人員理解。術語“基本上”還可包括采用“整個地”、“完全地”、“所有”等的實施例。因此,在這些實施例中,形容詞“基本上”也可被移除。在適用的情況下,術語“基本上”還可涉及90%或更高,例如95%或更高,尤其99%或更高,甚至更尤其99.5%或更高,包括100%。術語“包括”還包括其中該術語“包括”意指“由……構成”的實施例。

此外,本說明書中和權利要求中的術語“第一”、“第二”、“第三”等等被用于區分相似的元件,并且不一定用于描述有順序的或者按照時間排序的次序。將能夠被理解的是,這樣使用的術語在適當的條件下是可以互換的,并且本文所描述的本發明的實施例能夠以不同于本文所描述或圖示的順序的順序操作。

本文中的設備是在操作期間被描述的設備其中之一。如對本領域技術人員將是清楚的,本發明不限于操作的方法或操作中的設備。

應當注意的是,上面提到的實施例圖示本發明而非限制本發明,并且本領域技術人員將能夠在不脫離所附權利要求范圍的情況下設計出許多替代性的實施例。在權利要求中,任何放置在括號之間的附圖標記不應被解釋為對權利要求的限制。動詞“包括”及其連詞的使用不排除存在權利要求所敘述的那些之外的元件或步驟。位于元件前面的冠詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本發明可借助于包括若干獨特的元件的硬件以及借助于可適當地編程的計算機來實施。在列舉了若干構件的設備權利要求中,這些構件中的若干個可通過一個并且同一硬件項目被體現。某些措施被記載于相互不同的從屬權利要求中的單純事實不指示這些措施的組合不能被有利地使用。

本發明進一步適用于包括在說明書中描述的和/或在附圖中示出的表征特征中的一個或多個的設備。本發明進一步涉及包括在說明書中描述的和/或在附圖中示出的表征特征中的一個或多個的方法或者過程。

本專利中討論的各個方面可以組合起來以便提供附加的優點。而且,特征中的一些可以構成一個或多個分案申請的基礎。

附圖說明

現將參考示意性附圖僅通過示例的方式來描述本發明的實施例,在附圖中,對應的附圖標記指示對應的部件,并且其中:

圖1a-1c示意性地繪出一些設備和變型;

圖2a-2d 示意性地繪出一些另外的設備和變型;圖2e-2f 示意性地繪出一種具體的設備;以及圖2g-2h 示意性地繪出也可以被應用的一種構造。

圖3 示意性地繪出中間照明的一些方面。

這些附圖不一定按比例繪制。

圖4繪出綠色植物中的一些常見感光器的相對吸收光譜。

具體實施方式

圖1a和1b示意性地繪出能夠提供園藝光111(見圖1b)的照明設備100(“設備100”)的實施例。該設備在圖1b中示意性地繪出,而圖1a可以被看作是該設備的頂視圖的變型。

尤其地,該園藝光111具有光譜光分布,該光譜光分布至少具有選自400-475nm的范圍(例如440-470nm或425-475nm)的第一波長處的光強度和選自625-800nm的范圍的第二波長處的光強度,所述波長取決于例如植物的種類或生長齡期等。

照明設備100包括多個發光二極管(LED)10,其被配置成生成具有選自所述400-475nm的范圍的波長的LED光11。

多個發光二極管10被配置成陣列30(尤其是2D陣列,即n x m的陣列,其中例如n至少是4,以及m至少是4)。照明設備100包括至少兩個光生成部件。第一光生成部件100a包括多個發光二極管10的第一子組10a。尤其地,第一光生成部件100a被配置成生成具有第一光譜光分布的第一光111a,該第一光譜光分布至少具有所述第一波長處的光強度。第二光生成部件100b包括多個發光二極管的第二子組10b。在多個發光二極管10的第二子組10b的每個LED的光學路徑下游配置有光轉換元件20。光轉換元件20被配置成將至少部分的LED光11b轉換成具有第二波長的被轉換的光21。因此,第二光生成部件100b被配置成提供或發射第二光111b,其包括至少部分的所述發射光21或甚至基本上由所述發射光21構成。第二光111b具有第二光譜光分布,該第二光譜光分布至少具有所述第二波長處的光強度。第一光111a和/或第二光111b被視作是園藝光111。

多個發光二極管10的兩個或更多的子組10a、10b是能夠獨立地控制的。為此,可應用控制單元50,其可以是照明設備100的部分或可以是遠程控制單元(如示意性地繪出的)。

附圖標記11a和11b分別是指(多個)LED的第一子組和(多個)LED的第二子組的LED光。附圖標記25是指發光材料或轉換材料,比如適于由例如第二子組的LED所生成的藍光激發而生成例如紅光的有機染料。附圖標記120是指透射覆蓋層(尤其不包括發光材料)。附圖標記70是指(光)腔室。注意,在該示例中,第一和第二光生成部件二者都包括(多個)這樣的腔室。因此,用附圖標記70a、70b來指示相應的腔室,其中前者與配置在第一子組的(多個)LED的光學路徑下游的所述透射元件聯系,而后者與配置在第二子組的(多個)LED的光學路徑下游的所述光轉換元件聯系。

圖1c示意性地繪出具有第三光生成部件100c的實施例,其也包括光轉換元件20,但卻不同于第二光生成部件的光轉換元件。因此,用附圖標記20b來指示第二光生成部件的光轉換元件,并且用附圖標記20c來指示第三光生成部件的光轉換元件。由第三LED子組生成的光用附圖標記11c指示。該光11c至少部分地被光轉換元件20c轉換成第三光111c。同樣地,可存在另外的光生成部件。

圖2a示意性地繪出具有多個第一光生成部件和多個第二光生成部件的設備100的實施例的側視圖。為了區分不同的第一光生成部件或區分不同的第二光生成部件,應用了指示標號(1)、(2)、(3)……。注意,可應用伸長的光生成元件,參見圖2b,或者可以應用一種棋盤布置,參見圖2c。透射覆蓋層120的、或轉換元件20的、或在此示例中也是第一光生成部件100a和第二光生成部件100b的節距分別用附圖標記P指示。在棋盤或其他規則的光生成部件的2D布置的情況下,可存在兩個方向上的節距,用Px和Py來指示(見圖2c)。例如,節距P可處于5-30cm的范圍內。

圖2a-2c示出多個腔室。然而,可能存在比存在的(多個)(第一)光生成部件和(多個)(第二)光生成部件更少的腔室。這在圖2d中示出。

設備100還可含有具有藍LED和優選地在其上的不同區域沉積了有機磷光體的覆蓋層光學箔片(cover optical foil)的LED模塊。通過在覆蓋層上沉積不同的有機磷光體,由該LED模塊生成的藍光被轉換成對植物是必要的波長光。

圖2e-2f 示意性地繪出的實施例中示出了通過將有機磷光體轉換箔片定位成分離元件來實現這種照明設備。在這種情況下,可以通過調節流過操作地耦合至透射元件120或光轉換元件20的LED的電流來調整設備100的總光譜光分布;透射元件發射例如帶藍色的光,并且光轉換元件發射例如帶紅色的光。利用此方式,調整植物栽培所需要的具體的顏色和光譜特性是可能的。在此配置中,紅色轉換區可優選地展示出全轉換(藍色泄露少于10%,尤其少于1%)。然而,其也可以是伴有藍光漏過的局部藍色轉換。這種實施例的示意圖在圖2e-2f中示出(分別是正視圖和側視圖)。

用于實現相同效果的另一個實施例可包括將包含光轉換元件20的箔片200定位成使得其可以相對于多個發光二極管被抽出和縮回。在這種情況下,可以通過調節被該箔片覆蓋的多個發光二極管的LED面積或數量來調整光譜光分布。此配置還可以在反射模式中實現,其中光轉換元件被放置于反射器和面對反射器的LED之間。反射器可以加入對來自設備的光分布輸出的均勻化。這里,示出可縮回的箔片,其具有被配置成運送該箔片以在期望的位置處獲得園藝光的期望光分布的縮回機制300。這種實施例的示意圖在圖2g-2h中示出(分別是正視圖和側視圖)。注意,第一光生成部件可變成第二光生成部件,并且反之亦然,這取決于該(可縮回)箔片的位置。

圖3示意性地繪出具有例如番茄生長的園藝應用。用附圖標記1指示作物或植物。附圖標記2指示番茄。不同行的植物之間的距離用附圖標記L1指示,并且可以例如在1-2m的范圍內,比如1.5m。用附圖標記H指示的總高度可例如在2-4m的范圍內,比如約3m。用于照明的相關部分具有高度H1并且在0.5-1m的范圍內,并且在地面上方大約高度為H2,該高度H2可在0.5-1.5m的范圍內,尤其約1m。照明設備200可尤其對在所述高度H1之上的作物進行處理,如圖中右側所圖示的。在左側,圖示了次優選的實施例,其中照明設備200相對大(高)。照明設備200和作物1之間的距離用附圖標記d指示并且可例如在10-50m的范圍內。

圖4繪出綠色植物中的一些常見感光器的相對吸收光譜,其中1表示葉綠素(chl)a,2表示β-胡蘿卜素,3表示光敏色素(Pr),4表示葉綠素(chl)b,以及5表示光敏色素(Pfr)。在X軸上,波長被表示,以及在Y軸上,那些感光器(以任意的單位)的吸收被表示。

因此,在實施例中,以在園藝應用中促進作物的生長和發育為目標,提出具有以下屬性的發光設備:

(i)所述設備由大量的緊湊型發光設備構成,這些緊湊型發光設備發射在400-475nm之間(尤其是440nm或470nm)的波長范圍中的輻射。

(ii)發光設備可以被放置于大量的小的分離的容積(混合腔室)中或放置于一個大的容積中。

(iii)借助于用波長轉換元件覆蓋一部分所述發光設備,整體的發射光的光譜可以被調整成隨時間變化地與被輻照的植物的照明需求相匹配。

(iv)波長從初始地帶藍色的顏色被轉換成光譜的紅色部分,即630nm以及更長,接近660nm。

(v)通過將波長轉換過程從發光設備中分離出來,相比于并有不同的直接地進行顏色轉換的發光設備的設備,增加了總的輻照設備的能量效率。

LED可被配置成發射在窄的波長光譜范圍內的輻射。在實施例中,如本文中建議的(用于中間照明的)光模塊還可使用具有450nm(藍)、660nm(紅)和730nm(遠紅)處的發射峰值的LED的組合。藍光似乎支配葉子的形成,而紅和遠紅似乎促使莖生長和開花(開花還強烈地依賴于照明的時機;開花可以由適當的照明時機誘發)。

本發明可以在園藝中應用,以提供溫室(園藝市場的主要部分)中的補充照射以及用于植物工廠中的多層照明。

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