用于人工照射的光谱优化的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于在光合作用的环境中，优化由照射系统发射光的光谱的方 法，例如，使用布置在温室中、步入式测试箱中和生长室等中的照射系统。该发明也涉及相 应的照射系统、照射系统和计算机程序产品的使用。
[0002] 发明背景
[0003] 例如，在温室中的人工照明和补充照明通常涉及刺激植物生长的照射系统的使 用，照射系统包括几个高功率光源。可以包括具有不同光谱并且提供对生长刺激的不同的 影响的不同类型的光源，诸如基于金属卤化物（MH)的光源或基于含高压钠（HPS)的高强度 放电（HID)的光源。使用基于金属卤化物的照明通常促进更矮的、茂密的生长；而相对而 言，基于高压钠的照明通常趋向于产生较高的、伸展的植物。
[0004] 近来，在提高发光二极管（LED)的亮度方面已经取得了很大的进步。因此，LED已 变得足够明亮和便宜，从而还用于温室环境中的人工照明服务，此外，还提供具有可调节颜 色（光谱）的发射光的可能性。通过混合不同颜色的LED，可产生任何数量的颜色。可调节 颜色的照明系统通常包括一些主要的颜色，例如，三原色的红、黄、蓝。所产生的光的颜色由 所使用的LED以及混合比例确定。通过使用LED，降低能量消耗是可能的，这是与当前环境 趋势的路线一致的要求。此外，使用基于LED的照射系统最小化光源所产生的热量的量，这 特别适合于期望温度控制的环境。
[0005] 基于LED的照射系统的例子已在W02008118080中公开，其包括通信耦合到处理器 的光传感器，其中处理器实现用于通过调整由LED发出的光来调节和改善植物生长和属性 的控制算法。
[0006] W02008118080展示了关于在温室环境中的人工照明的有前途的方法，然而，仍然 期望的是，进一步优化由照射系统所发出的人工光和/或补充光，以能够改善植物的生长 过程。 发明概要
[0007] 根据本发明的第一方面，上述问题通过植物的人工照射方法是至少部分缓解的， 该方法包括以下步骤：控制照射植物的照射系统，发射光具有给定光子辐射度或辐射通量 的光谱分布；确定从植物反射的光的光谱分布，所反射的光谱分布具有由此产生的辐射通 量或光子辐射度；以及，调整发射光的光谱分布以对于至少一个植物照射的预定准则优化 反射光的光谱分布或产生的辐射通量或光子通量中的至少一个。
[0008] 通过本发明的方法，到达植物的发射光的组成是以这样的方式被调整，即，被植物 反射的光对应于特定植物照射的至少一个预定准则。发射光的优化通常是（但不是必需 的）针对给定的辐射通量或光子通量，即，向植物发出预定的但是通常固定的光的总量。
[0009] 本发明基于到达植物的发射光可以被细分为不同的部分的理解，至少包括被植物 吸收的用于刺激它生长的光、透过植物向下传输到土壤的光和由植物反射的光。本发明利 用由植物反射的光作为植物生长指示，通常通过对被植物吸收的光的总量进行估计。
[0010] 因此，本发明的优点包括考虑植物的现状自适应地调节植物的人工照射的可能 性。具体的是，通过本发明的方法，可能确定精确的可重复生长结果，这是由于相比先前的 生长，通过控制植物的照射以引起同等水平的边缘反射（marginal reflectance)，它允许 由植物所感测的照射条件的精确重复，这在不同的温室或步入式测试箱或生长室中任意安 装，同时考虑所观察到的植物条件，使用并考虑其他光源诸如自然采光，以及考虑照明系统 性能的退化或改变。此外，根据本发明，控制植物的相关的精确加速生长和减缓生长也是可 能的，通过保持每种植物类型的生长速率和植物所感测的生长阶段的不同等级的辐射通量 的记录，并且该记录是由辐射通量等级的特定边缘反射所精确记录的，这关于在不同的温 室或步入式测试箱或生长室中任意安装。这样的可能性允许例如，对于在特定的交付日期 产生特定的生长结果的植物或植物生长的压力减少，从而提供用于刚刚及时的植物生产的 方法。
[0011] 作为基于反射光的量的优化发射光的例子，可能调整给定的辐射或光子通量下的 发射光的光谱分布，以减少产生的辐射通量。根据这个实施例，以减少被植物反射的光为目 的，调整朝向植物的发射光的组成。基于上述的讨论，即，关于朝向植物的发射光和被植物 反射的光、吸收的光和透过植物传输的光，对于给定的发射光的辐射通量，根据本发明假设 减少的反射光的量，是更多的光被植物吸收的结果。因此，通过应用减少反射光的光条件， 更多的光被植物潜在地"使用"用于刺激它的生长。
[0012] 此外，应该注意的是"照射植物"的表述应该被广义的解释，包括直接和/或间接 (例如，使用相邻的对象诸如墙、屋顶或地板）。
[0013] 根据另一个实施例，不仅通过减少反射光的量，而且还通过对于给定的发射光的 辐射通量，最小化产生的辐射通量来达到对发射光的优化。因此，考虑上述讨论，被植物吸 收的光的量是实质上最大化的。
[0014] 在又一个实施例中，发射光的优化可以通过在给定的辐射通量下调整反射光的光 谱来可代替的实现，使得反射光的光谱匹配用于植物的预定光谱分布图。预定光谱分布图 可以对应于植物的"生长制度"，其中生长制度可以基于，例如，植物的不同生长策略，以及 植物的不同的生长阶段和/或条件（在不同的时间点）而形成。
[0015] 优选的是，发射光的给定辐射通量取决于（通过考虑以下因素调整）植物类型、植 物的生长速率和植物生长阶段、植物附近的环境温度、湿度、环境光条件、水分、营养等中的 至少一种。所调节的光谱分布被有利的用于控制由照射系统所发射的光。
[0016] 应该注意的是，相对于所公开的照明系统，发明的构思适合在任何安装中作为集 中在识别反射光的总量的发明，因此，允许对当植物生长到靠近光源时的情况的补偿。
[0017] 根据本发明的第二方面，提供植物的人工照射的用途，照射系统包括第一光源和 第二光源以及被配置为接收植物的反射光的至少一个传感器，其中，第一和第二光源中的 每个被配置为分别发射在第一和第二预定波长的范围内的光，照射系统的用途包括控制第 一和第二光源以分别以第一和第二预定基准等级的辐射通量照射植物，将微小变化引入到 第一和第二基准等级的辐射通量中的至少一个，通过至少一个传感器，确定第一波长范围 的反射光的第一等级和第二波长范围的反射光的第二等级，基于由植物反射的第一波长范 围和第二波长范围的反射光的第一等级和第二等级确定边缘反射，并且调整由第一光源所 发射的光的辐射通量，使得第一波长范围内的总边缘反射与第二波长范围内的总边缘反射 维持预定的关系。
[0018] 就本发明而言，表述"边缘反射"被定义为所测量的反射光强度关于光源所发射的 光的导数。
[0019] 通过本发明的这个方面，可能的是，甚至可以更精确地确定由照射系统所发射的 光和被植物所反射的光之间的关系。发明的方法允许用于常规的植物和常规生长阶段的光 谱的优化。通过将边缘反射重新定义为所导致的光变化相对于所应用的功率变化之间的比 值，关于照射系统的电功率消耗来优化由照射系统发射的光也是可能的。
[0020] 优选的是，为了确定由照射系统发射的光和被植物反射的光之间的关系，微小变 化被引入到第一以及第二基准等级的辐射通量。然而，可代替的并且在本发明的范围内，微 小变化可以只关于第一和第二基准等级的辐射通量中的一个引入。
[0021] 在优选的实施例中，第一波长范围内的总边缘反射等于第二波长范围内的总边缘 反射。然而，取决于所选定的优化方案，第一照明波长的总边缘反射可以被调整为基于预定 尺度矩阵与第二照明波长的总边缘反射相关。关于上述的讨论，尺度矩阵可以对应对植物 的特定生长制度并且取决于植物类型、植物生长条件、植物生长阶段或植物的生理状态中 的至少一个。
[0022] 在可能的实施例中，方法还包括控制由第一和第二光源发射的光的辐射通量，使 得第一波长范围内的总边缘反射对应于第二波长范围内的总边缘反射的步骤。
[0023] 应该注意的是，边缘反射能够从植物的一部分或从选定的植物的许多叶子或冠层 中的所有平均分布、特定分布、热点、低点中测量。测量方法可以随时间和生长阶段而变化。 通过使用结合信号/图像处理的相机，例如，聚焦补偿没有被植物所覆盖的区域，可以排除 土地的影响。
[0024] 根据本发明的第三方面，提供一种用于植物的人工照射的照射系统，该照射系统 包括配置为发射可调整颜色的光的发光装置、被配置为接收来自植物的反射光的传感器， 以及控制单元，该控制单元电耦合到传感器和发光装置，其中控制单元被配置为控制照射 植物的发光装置，发射光具有给定辐射通量的光谱分布，通过传感器和控制单元，确定被植 物所反射的光的光谱分布，反射光的光谱分布具有产生的辐射通量，调整发射光的光谱分 布以关于用于植物的照射的至少一个预定准则优化反射光的光谱分布或所产生的辐射通 量中的至少一个，并且控制发光