园艺照明装置的制作方法

本发明涉及一种适用于刺激植物生长的led照明装置，还涉及包括一个或多个led照明装置的园艺照明设备或灯具。

背景技术

对提高农作物生产率存在不断增长的需求，特别是在受控生长条件下(如建筑物内)种植农作物。通常，在这些条件下种植农作物需要人工照明或电能照明来以植物灯或生长灯的形式代替或补充自然日光。已经证明的是，led生长灯在园艺应用中特别有用，因为它们可提供明亮的、具有成本效益的持久的照明，并可发出已被证明可有效地促进各种植物的光合作用过程的各种波长的光。

植物生物学家和园艺学家的研究已经确定，植物作物通常在其生长周期的不同阶段受益于不同波长的光。某些光谱已被确定为特别有益，这些光谱已在其发射光谱中定义了峰或分布，并给出了具体的名称，例如：

f1光谱-通用、高效；

f3光谱-最适合贯穿开花发芽；

x5光谱-最适合植物的人类可视化；

f6光谱-最适合营养生长；

f7光谱-最适合幼苗。

这些仅作为示例给出的光谱通常包含各种量的蓝光和红光以及其他频率。理想的频率已被充分记录，例如[“plantproductivityinresponsetoledlighting”bygioiad.massaet.al.,hort,science2008,vol43(7)pp1951–1956]和其中引用的参考文献。这些公开文献旨在构成本发明的组成部分，并且通过引用并入本文。

由于在植物发育的各个阶段所需的最佳光频率不同，这对于种植者来说会出现问题。例如，幼苗最好在产生f1光谱的光下生长，而产生f6光谱的光最适于营养生长。为了满足这些要求，有必要在植物生长时更换植物上方或周围的灯具，或者移动植物使其处于发出用于特定生长阶段的最佳发射光谱的灯具下。这两种选择都是费时又费力的。可选地，可以选择发出折衷的发射光谱的灯具，然后在整个生长周期中使用该灯具。

市场上已有几种生长灯，但就能够以最小的能量输入来适应整个生长周期所需的最佳光谱发射而言，它们的性能是次优的。本发明的一个目的是克服或至少减轻上述缺点。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种根据权利要求1所述的照明装置。例如，提供了一种照明装置，其适于促进植物生长，所述照明装置包括：

(i)第一组led，其包括多个led，适于产生峰在450nm至460nm之间(蓝色光，royalbluelight)的第一发射光谱；

(ii)第二组led，其包括多个led，适于产生峰在630nm至670nm之间(深红色光，crimsonlight)的第二发射光谱；

(iii)第三组led，其包括多个led，适于产生峰在720nm至740nm之间(远红色光，cherryredlight)的第三发射光谱；

(iv)第四组led，其包括多个led，适于产生白光；

其中，由每组led产生的光输出强度可独立于其他组调节。

这种布置首次提供了生长光，而不是在覆盖从发芽到收割的植物生长的所有阶段所需的全部发射光谱范围内产生光合作用有效辐射(par)。在照明装置本身或远程提供控制电路，以根据需要实现所需的发射光谱。

优选地，照明装置还包括适于测量植物生长密度的传感器阵列。根据由该传感器阵列收集的数据提供的信息，能够选择针对特定植物生长阶段的最佳发光光谱，并且如果需要，允许自动在发生发射光谱间切换。

优选地，由第四组led发射的白光具有4000k至7000k之间的色温，更优选地，具有5000k至6000k之间的色温。

各组led的数量的比率或相对比例是本发明的重要特征，因为该比率可影响照明装置的整体效率。照明装置中每组led的led数量的优选比率如下：

第1组：6+/-3

第2组：10+/-5

第3组：4+/-2

第4组：16+/-8。

更优选地，装置中每组led的led数量的比率如下：

第1组：6+/-1

第2组：10+/-2

第3组：4+/-1

第4组：16+/-6。

在特别优选的实施例中，装置中每组led的led数量的比率如下：

第1组：6

第2组：10

第3组：4

第4组：16。

在另一特别优选的实施例中，装置中每组led的led数量的比率如下：

第1组：6

第2组：8

第3组：4

第4组：10。

优选地，照明装置没有发射光谱的峰在500nm-600nm(绿色光)之间的led。

优选地，照明装置还包括调光/控制电路，该调光/控制电路适于使操作者控制由该装置发射的光的发射光谱，每组彩色和白色led的光输出可独立于其他组控制。

根据本发明的另一实施例，提供了一种照明装置，其适于促进植物生长，所述照明装置包括：

(i)第一组led，其包括多个led，适于产生峰在450nm至460nm之间(蓝色光，royalbluelight)的第一发射光谱；

(ii)第二组led，其包括多个led，适于产生峰在630nm至670nm之间(深红色光，crimsonlight)的第二发射光谱；

(iii)第三组led，其包括多个led，适于产生峰在720nm至740nm之间(远红色光，cherryredlight)的第三发射光谱；

(iv)第四组led，其包括多个led，适于产生白光；

由每组led产生的光输出的强度可独立于其他组调节；

其中该照明装置还包括壳体，该壳体包括主体和散热器，led安装为与该散热器热接触，并且该散热器与主体良好地热接触，使得来自散热器的热量通过主体消散。

本发明的该实施例可以包含上文和这里描述的所有其他特征。此外，这里描述的各种概念可以彼此独立地使用或者以任何合适的组合使用，并且不是互相排斥的。

根据本发明的又一实施例，提供了一种照明装置，其适于促进植物生长，所述照明装置包括：

(i)第一组led，其包括多个led，适于产生峰在450nm至460nm之间(蓝色光，royalbluelight)的第一发射光谱；

(ii)第二组led，其包括多个led，适于产生峰在630nm至670nm之间(深红色光，crimsonlight)的第二发射光谱；

(iii)第三组led，其包括多个led，适于产生峰在720nm至740nm之间(远红色光，cherryredlight)的第三发射光谱；

(iv)第四组led，其包括多个led，适于产生白光；

由每组led产生的光输出的强度可独立于其他组调节；

其中该照明装置还包括透镜阵列，每个透镜包括呈盲凹形式的光进入区段和光发射区段，该光发射区段的外表面大致为半球形，并且至少是内部的一部分，光进入区段的光接收表面包括高密度的小凸面。

根据本发明的另一方面，提供了一种灯具，其适于促进植物生长，所述灯具包括：

壳体；

根据本发明的一个方面的一个或多个照明装置；

电源；

驱动器；

连接至控制模块的连接件。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明第一方面的包括三个照明装置的灯具的侧视图、平面图和透视图；

图2示出了图1中所示的灯具的分解视图；

图3示出了展示可能的接线布置的另一个分解视图；

图4示出了处于组装状态的灯具的主体和盖体的横截面视图；

图5以分解的形式示出了图4中所示的部件；

图6a、图6b和图6c示出了散热器上的一系列照明装置的可能布置；

图6d作为列表总结示出了选项b1、选项b2和选项b3中使用的不同颜色的led及其关键参数的示例；

图7a和图7b示出了用于串联和并联连接各个led组的两个不同接线布置对每个led的瓦特输出的影响，图7b中的布置是对图7a中所示的布置的改进；

图8、图9和图10示出了分别安装在合适框架上的一个照明装置、三个照明装置和六个照明装置；

图11a至11c示出了来自透镜阵列的一个典型透镜的侧视图、横截面视图和透视图。

具体实施方式

现在仅通过示例描述本发明。这些并不是将本发明付诸实践的唯一方式，但它们是申请人目前已知的最佳方式。

参照图1，其示出了组装的灯具30，该灯具30的壳体包括主体14、散热器顶部或齿盘7以及两个端盖12。在散热器顶部7的外表面上安装三个led模块5，每个led模块5都由透镜阵列2覆盖。在图2和图3中所示的分解图中更详细地示出了该结构布置。优选地，壳体由具有良好导热性的挤压材料形成，例如金属(例如铝)或导热塑料。由于铝的强度和高导热性，铝是优选的结构材料，以便将热量导离安装在壳体外部的led模块。为清楚起见，下面的表1列出了图1至图5中所示的部件列表。

表格1

电源驱动器13和控制驱动器16与各种其他电连接件和电子部件一起位于壳体内。通过围绕透镜阵列2的周边定位的垫片3、沿着壳体14的每个长边侧边缘的防水密封件17以及端盖或盖体12内的端部密封件使壳体不透水。

图4和图5分别以组装视图和分解视图示出了灯具的横截面视图。这些图示出了由散热器7封闭并由两个防水密封件17密封的壳体主体14。位于散热器7的顶部并且与其直接热接触的是led模块5中的led阵列，该led模块5由透镜阵列2封闭以产生led阵列，led模块又通过垫片3密封到散热器。重要的是，散热器7与位于壳体14内侧上的向内指向的肩部或凸缘24良好地热接触。如果需要，可以通过使用合适的导热界面来改善这种热接触。举例来说，合适的导热界面包括导热油脂、导热垫、石墨箔或导热丙烯酸膜。在这种布置中，由led阵列产生的热量通过对流传递到散热器7中然后导离散热器，部分地通过散热器7的下侧上的一系列翅片25a、25b和25c等传递。热量也通过传导进入壳体14的主体而从散热器消散。应注意的是，位于壳体14中的座体中并与散热器7中的槽接合的防水密封件17的布置和位置不会干扰来自led，经由散热器7、凸缘或肩部24和壳体14的热传导。将防水密封件17定位于散热器7与壳体14之间的其他布置也是可能的，这些布置允许在散热器7与壳体7之间传导热量。以这种方式，来自led的热量可以通过传导、对流和辐射消散，以便将led的运行温度保持在期望的温度范围内。

覆盖每个led模块的透镜阵列2通常由诸如聚碳酸酯的塑料材料形成，并且有利地是多面透镜，该多面透镜包括以矩阵阵列保持的多个大致半球形的大致中空的单独透镜。单个led容纳在每个透镜的中空内部或光进入区段内，并且每个透镜的中空表面的内部包括多个大致凸起的折射面，如图11所示。图11a示出了如图11c所示的透镜阵列中的其中一个透镜的放大侧视图。图11b示出了沿图11a中的线a-a的放大横截面视图。结合起来，这些图示出了每个独立的透镜由两个弯曲表面104和105形成。外弯曲光发射表面或区段104通常或大致为半球形的，但是它通常小于完整的半球，如图11b所示。透镜105的内表面或光接收表面的一部分也是弯曲的，遵循与外表面104的曲线类似的曲线。该内表面105具有许多重要特征。首先，它的表面的弯曲部分包含大量密集分布的凸面106。这些面导致来自led并照射在这些面上的光发生折射，并且这种折射导致比其他情况更加均匀的光扩散。内表面105的外边缘108大致是平面的并且形成空间107以在光进入区段中容纳led光引擎。任何照射表面108的光将倾向于通过完全的内反射被反射回透镜的内部。

透镜表面104和105的曲率以及凸面106的曲率、数量和尺寸使得透镜具有受控的光束角。使用这种透镜布置，可以将由每个led产生的光聚焦成具有大约55度，优选地在45度和70度之间的光束角的光束。根据哪个led被点亮，该光束角使光聚焦到在该特定光下生长的一组植物上，并且还导致来自阵列中的不同颜色的led的光重叠，从而提供具有混合波长的非常均匀的光谱照射的区域。

使用具有内部凸面的中空的大致为半球形的透镜(其中led容纳在半球内)的一个优点是从led侧发射的光通过全内反射被反射回透镜。在更加向前的方向上从led发射的光可以遭受折射、全内反射或者可以直接穿过透镜的前部，这取决于它照射透镜的内半球面内部的确切位置。这导致到达照明装置下方的植物冠层的光的分布非常均匀。

这种类型的透镜的一个重要特征是在半球形壳的内光接收面上的高密度的小凸面。led光引擎很小，因此穿过区域107的半球形壳的内径也很小，通常为7mm至15mm的数量级。通常地，在这种透镜的内半球形表面105上存在至少50个凸面，优选地，存在多于100个面106，甚至更优选地，存在多于150个面。

总之，透镜阵列中的每个透镜都包括呈盲凹形式的光进入区段和光发射区段，该光发射区段的外表面大致为半球形，并且至少是内部的一部分，光进入区段的光接收表面包括高密度的小凸面。

然而，应该理解的是，本申请可以使用材料专家所选择的任何合适的透镜阵列。透镜阵列既可以保护led免受损坏，也可以将来自每个led的光聚焦到所需的光束角，该光束角是由灯具将用于的应用，以及由园艺专家所决定的。典型的光束角度是55度，但是可以使用更小或更大的光束角，这取决于要点亮的植物的面积和被定位的灯具与植物的距离。

应当理解的是，虽然图1至图3中所示的示例示出了线性阵列中的三个led模块，但是可以使用任何合适数量的led模块，并且这些led模块不一定以线性方式布置。例如，图6c示出了线性阵列中的四个led模块。主体的长度x可以根据需要而变化，但是典型的长度可以是1070mm或42英寸的数量级。还设想了更长或更短的壳体。

本发明的一个重要特征是每个模块中存在的独立的led的数量和颜色。led模块连同使led能够发出具有所需光谱的光的必要电源和控制电路形成了根据本发明的照明装置。其中，许多照明装置布置在同一壳体中，它们可以共享电源和控制部件以节省成本和空间。

图6仅示出了led阵列中led的许多可能布置中的三种，并且图6d中的表格详述了完整灯具中每种颜色的led的总数。更多信息在图7中给出，图7显示了在模块中的四种颜色led接线的两种可能方式。在每个示例中，模块中共有18个蓝色led、30个深红色led、12个远红色led和48个白色led。图7a和7b示出了串联接线的相同颜色的led和并联接线的相同颜色的led组在的led瓦特输出方面优点。通过增加串联接线的led数量，可以将输出增加多达40％。

每个led模块都有四种精心挑选的不同颜色的led，即蓝色(royalblue)，发射峰为450nm至460nm(第1组)；深红色(crimson)，发射峰为650nm至670nm(第2组)，远红色(cherryred)，发射峰为720nm至740nm(第3组)和白色(white)，色温为大约6000k(第4组)。白光很重要，因为它不仅包括对植物有用的其他波长，而且还允许种植者以更自然的光线观察植物，以评估植物的健康状况。

每组led的数量，尤其是每组中的数量之间的比率，是本发明的重要特征。一些优选的量显示在图6d的表格中。例如，在选项b1和选项b2中，总共存在3个led模块，每个模块中有36个独立的led，使得在整个灯具中总共有108个独立的led。在该示例中，存在18个第1组的led(蓝色)，30个第2组的led(深红色)，12个第3组的led(远红色)和48个第4组的led(白色)。这是特别有利的每组led的数量或比率，以便基于最小的能量输入实现期望的发射光谱以覆盖各种植物的所有生长阶段。

在选项b3的情况下，总共存在4个led模块，每个模块中有28个独立的led，使得在整个灯具中总共有112个独立的led。在该示例中，存在24个第1组的led(蓝色)，32个第2组的led(深红色)，16个第3组的led(远红)和40个第4组的led(白色)。这也是特别有利的每组led的数量或比率，以便基于最小的能量输入实现期望的发射光谱以覆盖各种植物的所有生长阶段。

应当理解的是，每种颜色组的独立的led的数量或比率不必与这两个实施例中给出的数量或比率完全相同，以实现优异的植物生长结果。照明装置中每组led的led数量的优选比率如下：

第1组：6+/-3

第2组：10+/-5

第3组：4+/-2

第4组：16+/-8。

照明装置中每组led的led数量的另一优选比率为：

第1组：6+/-1

第2组：10+/-2

第3组：4+/-1

第4组：16+/-6。

在使用中，许多这些灯具可以以基本平行的相应的端部对准方式并排安装，以在一个模块化照明单元中提供一组灯具。这种类型的布置在图9和图10中示出，其中还示出了如何将电力电缆40和电力电缆50分割成所需数量的电源以为各个照明装置供电。分线连接器42和分线连接器52可以分别容纳和隐藏在端部壳体44和端部壳体46以及端部壳体54和端部壳体56内。类似地，信号电缆41和信号电缆51可以使用连接器43和连接器53以类似的方式组合，连接器43和连接器53也可以分别容纳在壳体45和壳体47以及壳体55和壳体57中。

因此，本设计允许灵活的模块化照明系统，其中任何合适数量的灯具或照明装置都可以使用适当设计的端部连接器和盖体或壳体并排安装。这些端部连接器用于将所需数量的照明单元附接在固定阵列中，容纳每个照明单元之间所需的连接电缆，提供从每个模块到电源和控制电路的独立连接，并提供悬挂点或安装点48、49和58、59，以将照明模块安装在植物上方或植物周围。

有利地，阵列中的各个灯具可以根据需要相对于其他灯具成角度。常见配置使得模块每侧上的最外侧的照明单元成略微向内的角度，使得发射的光保持为限定光图案以照射期望数量的植物，其中这些植物生长在限定的行中。

然后将多个这些模块化照明单元安装在待照射的植物上方或周围。这些照明单元可以根据需要使用dmx分线器串联或并联接线，以将照明单元连接回主控制面板。专属的dmx控制器可用于控制各个led，以便为植物发育的各个阶段的最佳的植物生长选择所期望的光谱。控制来自特定颜色的led组的光输出以产生必要的光谱发射所必需的部件和电路本身是已知的，并且控制系统将由本领域技术人员设计。例如，一种颜色的所有led可以以相同的照度水平运行，或者以全功率的百分比运行，并且根据需要关闭其他led以产生所需的光谱。

使用上述的照明装置，种植者可以设置由多种场景组成的一系列生长条件。以下是典型的设置说明。

设置说明

1.设置第一序列和所需的天数。

2.设置第一序列的场景条件。用户可以为每个序列设置最多3个场景。所有3个场景的时间总和是24小时。

3.按“保存”按钮。

4.设置第二序列并重复上述步骤1到3。

5.最多可以设置12个序列。

示例：

1.设置第一序列为30天

2.选择场景8，从00:00开始直到24:00

3.保存上述条件

4.设置第二序列为另外的40天

5.选择场景3，从00:00开始直到12:00

6.保存上述条件

7.灯光将在场景8中每天运行24小时，然后在30天后自动切换到场景3，在40天中每天开启12小时，关闭12小时。

根据本发明的灯具的另一个重要特征是将一个或多个传感器阵列结合到灯具中或与灯具相关联。定制设计的微传感阵列是已知的，例如由[gooeelimitedofunitedstates360centralave，suite950，st.petersburgflorida，33701(www.gooee.com)]所提供的那些。因此，设计用于捕捉环境数据和人类活动以及具有监控led芯片性能的能力的定制设计的传感器(asic)本身是已知的。面朝下方，这些传感器可以检测运动、方向、脚步、环境光水平和温度。面朝上方，这些传感器能够监控光输出、色温、色质和运行温度。现在的这些asic是非常小的，大约5mm×5mm，并且可以容易地容纳在灯具中的任何合适位置，例如图1中的项目60。为清楚起见，这种传感器的接线未在后续附图中示出。

面向前方的传感器阵列可以包括低分辨率单色互补金属氧化物半导体(cmos)装置。这种类型的传感器用作低分辨率相机，并且通常具有使用32×32像素阵列的大约60度的视角。有利地，该视角对应于照明阵列中的led的光束角。因此，在这种照明装置下生长的任何植物将不可避免地落入安装在灯具前部的cmos装置的视角内。应该注意的是，这些传感器通常是单色的，因此仅以灰度输出。

目前，cmos装置的典型应用是通过计算该cmos装置的视角中的运动和方向来用作为运动检测器，以及作为日光传感器提供测量环境照明的能力。然而，在本发明中，cmos装置以新的、创造性的方式用于测量植物密度。植物密度可以被测量为与周围像素有着显著的不同像素数量。也就是说，植物的叶子将具有与植物周围的背景颜色不同的颜色密度。随着植物生长，与背景不同的像素数量将增加，从而给出植物密度的测量。使用白光进行这些密度测量往往可以得到最准确的结果。然而，基于不同农作物的一些实验可能需要使用led阵列中的不同led颜色，以确定哪种led颜色或led颜色组合在植物叶子和传感器背景之间为该特定农作物提供了在传感器上的最高的对比度，因此而提供了最准确的结果。

可以设想的是，在使用特定光谱的每个植物照射周期结束时，在该周期中使用的led将被关闭，并且白色led将被打开足够长的时间以供cmos装置获取读数。像素值将存储在数据存储装置中，并与先前捕捉的数据进行比较。当像素密度达到预定水平时，或者当与植物相关的像素增加预定的百分比时，则这将指示光谱应该改变为在植物生长周期中所需的下一个光谱。这可以实现为对操作员的警报或通过控制软件的自动切换布置来完成。

通过将许多这些照明装置结合在策略性地放置在生长区域周围的传感器阵列中，可以将生长条件的变化考虑在内。例如，可以将这种类型的传感器结合到装置每侧中的其中一个照明装置中，如图10所示。以这种方式，可以为每批植物实现独立的生长控制。这首次提供了相当于户外的室内精细农作。

传感器阵列还能够测量日光贡献。取决于生长环境，日光可能存在也可能不存在。对于存在日光的情况，如果需要的话，传感器将提供足够的数据来控制和管理人工照明。取决于传感器放置，它可以识别直射阳光(高日光贡献)或漫射阳光(低日光贡献)，这将识别园艺照明设备所需的人工照明的补充量。

传感器阵列的另一用途是测量照明装置下方的植物的温度。需要一个独立的传感器来用于检测植物密度，但这些传感器的尺寸也很小，约为5mm×5mm。植物冠层的温度很重要，因为如果植物变得太热，它们的生长将受到抑制，可能发生脱色或枯萎，甚至植物可能死亡。如果植物的温度达到高于容许阈值，则可以向操作员发送警报，以采取必要的补救措施。例如，led可以进一步移动以远离植物，在减小的输出下运行，或者甚至完全关闭。同样，这可以通过向操作员发出警报或通过控制软件自动完成。其他措施可能是适当的，这取决于正在生长的农作物类型。

来自这些传感器的数据可以使用一种或多种已知协议来进行无线传输，例如低功耗蓝牙网状网络(meshbluetoothlowenergy，mble)、蓝牙网状网络(bluetoothmesh)、无线局域网(wlan)或无线个域网(zigbee)。也可以使用信标技术(beacontechnology)。

使用另一个传感器阵列，这次直接面向led光源，以作为照明设备的固定或远程传感器。rgb阵列能够跟踪照明设备的性能，使用机器学习算法将rgb传感器数据与现实世界的光度量(如流明维持率和色温)相关联。这种传感器最好放置在植物冠层层级，它可以是有线或无线的。设想了一种由单独产品组成的无线版本，该单独产品将构成整个照明和控制系统的一部分。优选地，有线版本需要照明设备中的电缆连接点(未示出)。具有这些传感器布置的园艺灯被认为是独特的。

在冠层层级安装传感器阵列的好处是：

1)可以测量落在冠层上的可用光。算法能够将rgb值与园艺灯的可用par输出相关联。这可用于识别照明设备是否正确放置以获得最大效益。

2)可以测量照明设备性能的降低并采取措施来适应这种情况。例如，照明设备可以稍微移动以靠近植物。作为可选方案，如果在园艺灯在工作寿命期间预计光输出减少10％，那么它可以从一开始就以低于全输出10％的水平运行。这样就可以随着时间的推移增加照明设备的输出，以便以慎重和从容的方式考虑到随着时间的延长而降低的性能。