园艺led照明器材的制作方法

专利名称：园艺led照明器材的制作方法
技术领域：
本发明涉及将LED应用于园艺照明应用中。特別地，本发明涉及促进植物生长的照明器材(lighting fixture)，其包括至少ー个发光二极管(LED)，该发光二极管具有包括在600至700nm波长范围内的峰的光谱特性。本发明还涉及新颖的发光部件，其特别适用于促进植物生长且包括发光化合物半导体芯片。
背景技术：
在地球上，太阳是主要的可见(即光)和不可见电磁辐射源，并是维持生命存在的主要因素。到达地球的净日平均太阳能约为观ズ10"23(即^5EBtu)。该值是2007年估算的世界全年一次能量消耗479PBtu的5500倍。对于地球表面可測量到的太阳辐射的光谱分布具有约300nm和IOOOnm之间的宽波带范围。但是到达地表的辐射中仅50%是光合成有效辐射(PAR)。根据CIE (Commission Internationale de L' Eclairage 国际发光照明委员会)推荐量，PAR包括电磁谱的 400nm和700nm之间的波长范围。光化学定律通常表达为植物收获辐射。辐射的双重性质使其在空间传播时表现为电磁波并且在与物质相互作用时表现为粒子(即辐射能的光子或量子)。感光体是主要存在于植物的叶子上的活性元素，其负责光子捕获以及用于将光子能量转换为化学能。由于光合作用的光化学性质，所以表示每单位时间的O2演化量或CO2固定量的光合作用率与叶子表面上毎秒落在每单位面积的光子数量相关。因此，PAR的推荐量基于量子系统且利用光子的摩尔(mol)数或微摩尔(ymol)数表达。用于报告和量化PAR瞬时测量的推荐术语是光合光量子通量密度(PPFD)，且其通常以ym0les/m2/s表示。这定义了每単位时间落在每单位面积表面上的光子摩尔数。术语光合光子通量(PPF)也常常用于表达相同的量。存在于诸如植物的生命有机体中的感光体利用捕获的辐射能来介导重要生物学过程。这种介导(mediation)或相互作用可以按各种方式发生。光合作用 (photosynthesis)以及光周期现象(photoperiodism)、向光性(phototropism)和光形态发生作用(photomorphogenesis)是涉及辐射和植物之间的相互作用的四个代表性过程。 下述表达式示出光合作用的简化化学方程式6H20+6C02 (+ 光子能)—C6H1206+602如上述方程式所示，诸如糖葡萄糖(C6H12O6)的碳水化合物以及氧气(O2)是光合作用过程的主要产物。它们利用光子能从ニ氧化碳(CO2)和水(H2O)中合成并转换为化学能， 光子能通过使用诸如叶绿素的专门的感光体收集。通过光合作用，辐射能也被用作化学能的主要来源，其对于植物的生长发育是重要的。当然，方程式的输入-输出反应物平衡还依赖于辐射能的数量(即光子的数量)和质量(即光子的能量)以及由此产生的植物的生物体(biomass)的数量和质量。“光周期现象”是指植物必须感知并测量辐射的周期性的能力，向光性是指植物朝向或远离辐射的
5生长运动，且光形态发生作用是指响应于辐射质量和数量的形态改变。图1中示出最常见的光合作用以及诸如叶绿素a、叶绿素b和β胡萝卜素的光形态发生感光体以及光敏素(phytochrome)的两种可互变形式(Pfr和Pr)的典型吸收光谱。与光合作用不同，光形态发生响应可在非常低的光量(light quantity)下实现。 光合作用感光体和光形态发生感光体的不同类型可划分到至少三个公知的光合体系中光合作用、光敏素和蓝光受体(Cryptochrome)或蓝/UV-A (紫外线A)。在光合作用光合体系中，存在的色素是叶绿素和类胡萝卜素。叶绿素位于植物的叶肉細胞中的叶绿体的类囊体中。辐射的量或能量是最重要的方面，因为这些色素的活性与光收获(light harvest)紧密相关。叶绿素的两个最重要的吸收峰分別处于从625nm至 675nm的红光范围以及从425至475nm的蓝光范围内。此外，在近紫外(300_400nm)和远红外范围(700-800nm)内也存在其他局部峰。诸如叶黄素的类胡萝卜素以及胡萝卜素位于植物细胞上的有色体色素細胞器(chromoplast plastid organelles)中并主要吸收蓝光范围。光敏素光合体系包括光敏素的两种可互变形式ft·和Pfr，它们分别在红光范围内的660nm处以及远红外范围内的730nm处具有敏感峰。通过光敏素介导的光形态发生响应通常通过红光(R)与远红外(FR)的比率(R/FR)而与光质(light quality)的感知有关。光敏素的重要性可由其涉及的不同生理反应(例如叶扩展、邻近感知能力、避荫(shade avoidance)、茎伸展、种子发芽以及开花诱导)来评估。虽然避荫响应通常由光敏素通过R/ FR比率的感知来控制，但蓝光和PAR水平也涉及相关的适应形态响应。在蓝光受体光合体系中发现蓝光和UV-A(紫外线A)敏感感光体。蓝光吸收色素包括蓝光受体和向光素(Phototropin)。它们分别涉及不同的任务，例如监测光的质量、 数量、方向和周期性。蓝光和UV-A敏感感光体的不同组介导重要的形态学响应，例如内源节律、器官取向(organ orientation)、茎伸展以及气孔开启、发芽、叶扩展、根生长和向光性。向光素调节色素含量以及光合作用器官以及細胞器的定位，以便优化光收获和光抑制。 如同暴露于远红外辐射一祥，蓝光也通过蓝光受体感光体的介导促进开花。而且，蓝光敏感感光体(例如黄素和类胡萝卜素)也对近紫外辐射敏感，其中可在370nm附近发现局部敏感峰。蓝光受体不仅为所有植物种所共有。蓝光受体介导各种光响应，包括诸如拟南芥 (Arabidopsis)的开花植物中的昼夜节律的推移。虽然低于300nm波长的辐射对分子和DNA 结构的化学键非常有害，但植物也在该范围内吸收辐射。PAR范围内的辐射质量对降低UV 辐射的破坏作用很重要。这些感光体被深入研究，它们在控制光合作用和生长方面的作用众所周知。但是，有证据表明存在其他感光体，其活性在介导植物中的重要的生理反应方面发挥着重要作用。此外，感光体的某些组之间的相互作用以及相互依赖的性质还不为公众所知。光合作用也许是ー种世界上最古老、最常见且最重要的生化过程。特别是冬季时的北方国家一般采用惯例是利用人造光源来取代或补偿日光的低利用率，用以生产蔬菜和观赏性农作物。人造电气照明的时代开始于托马斯 爱迪生在1879年研制出的爱迪生灯泡，在现代通称为白炽灯。由于其热特性，所以白炽的特征在于大量的远红外辐射，其可达到总PAR 的约60%。虽然已经进行超过ー个世纪的发展，但由可见光谱范围内消耗的电能(输入)和发射的光能(输出)之间的转换效率定义的白炽灯的电效率仍然很低。通常约为10%。 白炽灯光源的寿命性能也很低，通常的寿命不大于1000小吋。这种灯在植物生长应用中的使用是受限的。观赏植物的生长是可仍然采用白炽灯的ー种应用。使用白炽灯并利用整夜暴露于低光子注量率(photon fluence rates)，可对长日照响应物种实现花芽发育(floral initiation)。发射的大量远红外辐射用于控制光敏素介导过程中的光形态发生响应。荧光灯比白炽灯更广泛用于植物生长应用。较之白炽灯，荧光灯的电光能量转换更有效。管状荧光灯可到达通常约20%至30%的电效率值，其中大于90%的发射光子在 PAR范围内且通常的寿命约为10000小吋。但是，特别设计的长寿命荧光灯可达30000小时的寿命。除优良的能量效率和寿命之外，植物生长中采用荧光灯的另ー优点是蓝光辐射的发射量。取决于灯的相关色温(CCT)，可达到在PAR范围内总光子发射的10%以上。为此， 荧光灯广泛用于封闭的生长室和腔中以完全取代自然光辐射。发射的蓝光辐射对于通过感光体的蓝光受体族的介导而实现大多数农作物植物的平衡的形态是必要的。金属卤化物灯属于高強度放电灯ー类。可见光辐射的发射基于发光效应。在制造过程中包括金属卤化物使得在某种程度上优化发射的辐射的光谱质量。金属卤化物灯可用于植物生长中，从而完全代替日光或在较低可利用时段内进行适当补偿。每ー个灯的高 PAR输出、约20%的相对高的蓝光辐射百分比以及约25%的电效率使金属卤化物灯成为整年农作物种植的ー种选择。金属卤化物灯的工作时间通常为5，000至6，000小吋。高压钠 (HPS)灯已经成为用于温室中的整年农作物生产的优选光源。主要原因在于高辐射发射、低成本、长寿命、高PAR发射以及高电效率。这些因素已经使得使用高压钠灯作为在北纬冬季期间以成本有效方式辅助蔬菜生长的补充光源。但是，HPS灯的光谱质量对于促进光合作用和光形态发生作用来说并不是最优的， 因此导致叶子和茎的过度生长。这归因于与诸如叶绿素a、叶绿素b和β胡萝卜素的重要的光合色素的吸收峰相关的不平衡的光谱发射。与其他光源相比，低R/FR比率和低蓝光发射对于在HPS照明下的大多数农作物生长来说致使过度的茎生长。高压钠灯的电效率通常在30%和40%范围内，这使得其成为当代植物生长中使用的最能量效率的光源。输入能量的约40%转换成PAR区域中的光子且几乎25%至30%转换成远红外和红外光。高压钠灯的操作时间在约10000至M000小时的范围内。在北纬度地区的日光低可利用性和用户对于整年都具有低成本的优质园艺产品的需求导致对新的照明和生物技术的需要。而且如果每天的可利用的日光达到20至M小时，则可显著提高全球的产量。因此，需要可降低农作物的生产成本、提高产量和质量的解决方案。照明只是其中可被优化的ー个方面。但是不可低估其重要性。电价的升高以及降低CO2排放的需求是有效利用能源的其他原因。对于温室中的整年农作物生产来说，对于某些农作物，电成本可以达到占间接成本的约30%。虽然一般用于植物生长的现有光源具有约40%的电效率，但整体系统效率可能显著降低(即包括驱动器、反射器和光学器件中的损耗)。辐射的光谱质量对农作物的健康生长至关重要。在没有其他滤光器的低效和受限应用的情况下，常规光源在其应用过程中不能进行光谱控制。而且辐射量的控制也受到限制，减少诸如脉冲操作的多用途照明方式的可能性。
因此，因为上述方面相关的原因，开始将发光二极管以及相关的固态照明(SSL) 作为潜在可行且有前途的用于园艺照明中的工具。LED的内量子效率是通过注入进有源区中的每个电子产生的光子的百分比的度量。实际上，最好的AlInGaP红光和AlInGaN绿光和蓝光HB-LED可具有大于50%的内量子效率，但将所有产生的光从半导体器件以及照明器材中提取出来仍是挑战。在园艺照明中，基于LED的光源较之常规光源的主要实际优点在于发射的辐射的方向性以及完全可控性。LED不一定需要反射器，因为它们天生就是半各向同性 (halfisotropic)的发射体。将LED作为定向发射体可避免与光学器件有关的多数损失。 而且，较之常规宽波段光源，彩色LED的狭窄的光谱带宽特性是另一重要优点。利用LED作为光合作用辐射源的主要优点由选择最接近地与所选择的感光体的吸收峰匹配的峰值波长发射的可能性引起。事实上，这种可能性带来其他优点。植物的生理反应的介导中的感光体对辐射能的有效利用是其中ー个优点。另ー优点是通过完全控制辐射强度而对响应的可控性。上述优点还会进ー步延伸到灯具(Iuminaire)级别。发明人了解具有蓝光LED和红光LED的灯具。当前的彩色AlhGaN LED的辐射光谱可获得从UV至可见光谱的绿光区域。那些器件可在蓝光和UV-A区域中发射，这正是蓝光受体和类胡萝卜素的吸收峰所在的区域。叶绿素a和光敏素的红色同质异构形式(Pr)在660nm附近具有强吸收峰。AlGaAs LED在相同的区域发射，但部分地由于低市场需求以及制造技术陈旧，所以它们与磷化物或氮化物基LED相比是昂贵的器件。AlGaAs LED还可用于控制光敏素的远红外形式(Pfr)， 其在730nm处具有明显的吸收峰。AlInGaP LED基于完善的材料技术并具有相对高的光学和电学性能。通常， AlInGaP红光LED的特征光谱发射区覆盖640nm附近的区域，叶绿素b在该区域中具有吸收峰。因此，AlInGaP LED还可用于提升光合作用。新型商用高高度LED不适于温室种植，因为它们主要的发射峰处于500nm至600nm 的绿光波长范围，因此不能响应光合作用过程。但根据技术原理，光合作用响应的LED光可利用组合诸如AlInGaP和AlInGaN的不同类型的半导体LED来构造以用于红光和蓝光。还存在与単独的彩色LED的組合有关的许多问题。因此，不同类型的半导体器件将以不同速度老化，且为此红光至蓝光的比率将随时间变化，进ー步导致植物生长过程的异常情況。第二个主要因素是单独的单个彩色LED具有相对狭窄的光复范围，通常小于 25nm，这在不使用大量不同颜色和単独的LED的情况下不足以提供良好的光合作用效率， 因此导致实施的高成本。从EP 2056364A1和US 2009/0231832可知，从具有诸如磷光体的波长转换材料的 LED可以产生増加的颜色数量，从而再发射不同颜色的光。根据US 2009/0231832所述，不同颜色的复制阳光(implicating sunlight)可用于治疗机能降低(expression)或季节性疾病。将上述文献作为參考并入本文中。即使将这些光用于园艺照明，它们依然存在许多缺点，例如因为阳光的光谱不适宜植物生长这ー简单原因。US 2009/0231832的灯旨在复制阳光，包括许多多余的波长，而这些波长不能有效用于植物生长。例如500-600nm(绿光)波带的光不能为植物所用，因为緑色植物反射这些波长。这导致在园艺应用中浪费能量。而且，现有技术的光还忽略了非常适用于植物生长的基本波长范围。例如，这些光不能达到700nm-800nm的远红外范围，而该范围对植物种植很重要。

发明内容
本发明的目的是消除与现有技术有关的至少一部分问题，并利用LED提供ー种促进植物生长的新方式。本发明的第一目的是提供一种基于单个发光源的LED器件，光合作用过程对该 LED器件响应良好。本发明的第二目的是提供一种基于光合光子通量(PPF)优化LED的用于温室种植的照明器材。本发明的第三目的是实现ー种LED器件，其在300至SOOnm的波长范围内具有至少两个发射峰且至少一个发射峰具有至少50nm或更大的半高宽(FWHM)。本发明的第四目的是提供一种基于LED的温室种植照明器材，其中在10000小时的操作期间，300-500nm和600-800nm的两个发射频率的強度比降低小于20%。本发明的第五目的是提供一种技术方案，其与通常用于温室种植中的常规高压钠灯达到的效果相比具有更好的每瓦特PPF值(即PPF对所用功率瓦特数)，且因此提供ー种用于温室种植过程的能量效率的光源以及其中使用的人造照明。本发明的第六目的是提供ー种单个发光源，其中在300-500nm的频率下的发射由半导体LED芯片产生，且在600-800nm频率下的发射通过使用LED芯片辐射功率的部分波长上转换产生。发明人已经发现例如在利用包括远红外光(700-800nm)的本发明的园艺光进行照射吋，黄瓜和莴苣(lettuce)植物可达到更长的长度和/或更大的质量。本发明的第七目的是提供ー种单个发光源，其中在300-500nm的频率下的发射由半导体LED芯片产生，且在600-800nm频率下的发射通过使用LED芯片辐射功率的部分波长上转换产生。产生600-800nm辐射的波长上转换通过采用ー种或多种邻接LED发射源的波长上转换材料实现。在本申请中，“上转换(up-conversin) ”解释为将入射的吸收光的波长改变为更长波长的发射光。本发明的第八目的是提供400-500nm、600-800nm或上述两个频率范围的半导体 LED芯片辐射的部分或全波长上转换，该芯片具有300-500nm范围发射范围的发射。通过使用有机、无机或两种类型材料的组合实现波长上转换。本发明的第九目的是利用用于上转换的纳米级颗粒材料提供波长上转换。本发明的第十目的是利用用于上转换的分子类(molecular like)材料提供波长上转换。本发明的第十一目的是利用聚合物材料提供波长上转换，其中上转换材料与聚合物基质共价结合以提供波长上转换。本发明的第十二目的是提供一种基于LED的照明器材，其中抑制500-600nm的光谱带。在这种抑制波带中几乎不会或根本不会具有发射，或在任何情况下与相邻的 400-500歷、600-700歷光谱带相比具有很少发射。根据本发明，可通过在400-500nm波带中不具有任何发射或仅具有少量一次发射(primary emission)，并通过确保任何上转换均导致将波长偏移至超过600nm的波长偏移来实现上述抑制效果。众所周知，緑色植物不能利用绿光(500-600nm)辐射以及邻近波带的辐射，因为这种辐射仅仅从植物反射而不是被吸收用于光合转换。本发明的第十三目的是提供一种基于LED的照明器材，其能通过提供所需远红外光使植物的合成代谢生长最大化，而又能使从植物种植观点是能量浪费辐射的绿光最小化。在本发明的ー个方面中通过具有波长上转换装置的蓝光LED实现上述目的，该上转换装置将部分发射的蓝光(300-500)nm上转换成宽红光谱分量(600-800nm)，该宽红光谱分量具有远红外分量，而消除和/或最小化绿光分量(500-600nm)。本发明提供适用于温室种植的发光二极管以及相关照明器材。根据本发明，发光 ニ极管具有特定发射频率模式，即其具有至少两种光谱特性，一个发射峰具有至少50nm或更大的半高宽并具有600至700nm范围内的峰值波长，且第二光谱特性具有低于500nm范围的峰值波长。LED的发射峰与植物光合作用响应光谱良好匹配且因此特别适用于高效人造照明。适于促进植物生长的发光部件包括发光化合物半导体芯片，以及光波长上转换磷光体，该光波长上转换磷光体直接邻接LED芯片沉积。这种部件能发射两个特征发光峰。更具体来说，根据本发明的照明器材的特征在于权利要求1和/或2的特征部分中的陈述。根据本发明，ー种用于促进植物生长的照明器材包括至少ー个发光二极管(LED)， 该发光二极管包括a)第一光谱特性，其包括600至700nm的波长范围内的峰，且布置为展示至少 50nm或更大的半高宽；以及b)第二光谱特性，其具有最大值50nm的半高宽，且布置为展示在440至500nm范围内的峰值波长。根据本发明的园艺照明器材包括至少ー个发光二极管(LED)，该发光二极管包括a)第一光谱特性，其包括在600至700nm的波长范围内的峰，且布置为展示至少 50nm或更大的半高宽；b)第二光谱特性，其具有最大值50nm的半高宽，且布置为展示在440至500nm范围内的峰值波长，以及c)利用LED芯片辐射功率的全部或部分波长上转换产生在600-800nm频率的全部或部分发射。根据本发明的园艺照明器材包括至少ー个发光二极管(LED)，该发光二极管包括a)第一光谱特性，其包括在600至700nm的波长范围内的峰，且布置为展示至少 50nm或更大的半高宽；b)第二光谱特性，其具有最大值50nm的半高宽，且布置为展示在440至500nm范围内的峰值波长，以及c)将在500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于在400-500nm波带中的强度以及低于在600-700nm波带中的强度。根据本发明的用于促进植物生长的照明器材包括发光UV LED，该发光UV LED可选地具有外部发射特性，所述LED布置为展示a)具有在350至550nm范围内的峰值波长的第一磷光光谱特性；b)具有在600至SOOnm范围内的峰值波长的第二可选磷光光谱特性；c)具有在350和SOOnm之间自由地可调整的峰值波长的第三可选磷光光谱特性；d)第一、可选的第二和可选的第三光谱特性的磷光发射强度以任意比例可调整。发光部件的特征在于权利要求16和/或17的特征部分中的陈述。根据本发明的用于促进植物生长的发光部件包括发光化合物半导体芯片；以及光波长上转换磷光体，其直接邻接LED芯片沉积；所述部件能发射两个特征发光峰。根据本发明的园艺照明的发光部件包括发光化合物半导体芯片；以及光波长上转换磷光体，其直接邻接LED芯片沉积；所述部件能发射两个特征发光峰，且利用LED芯片辐射功率的全部或部分波长上转换产生在600-800nm频率的全部或部分发射。根据本发明的园艺照明的发光部件包括发光化合物半导体芯片；以及光波长上转换磷光体，其直接邻接LED芯片沉积；所述部件能发射两个特征发光峰，且将在500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于在400-500nm波带中的强度以及低于在600-700nm波带中的强度。本发明的最佳模式被认为包括380-850nm波长范围内的多个LED，且该多个LED布置为具有这样的发射光谱，该发射光谱布置为与要通过所述LED的照明而被种植的植物的光合作用响应一致。最佳模式以通过磷光体对蓝光LED的发射进行波长上转换为特征。


图1示出绿色植物中最常见的光合作用和光形态发生作用感光体的相对吸收光谱；图2示出根据本发明的第一单个发光源LED器件的发射峰；图3示出根据本发明的第二单个发光源LED器件的发射峰；图4示出根据本发明的第三单个发光源LED器件的发射峰；图5示出根据本发明的第四单个发光源LED器件的发射峰；以及图6a至6c是示出根据本发明优选实施例的改进的LED器件的制造方法各个工艺步骤的示意图。
具体实施例方式如上所述，本发明通常涉及单个发光源LED器件，其具有用作温室种植光源的最优的性质。具体而言，该方法构造的光源具有最优的性质且可灵活用于与植物种植中的光合作用频率匹配。通过利用上述方法，与现有技术相比，光源可被设计为达到优良的PPF以及每瓦特PPF效率和性能并具有非常低的功耗和非常长的工作寿命。特别地，单个发光源LED器件在300-800nm的波长范围内提供至少两个发射峰且发射峰中的至少一个具有至少50nm或更大的半高宽(FWHM)。选择发射峰以及相对强度以与植物的光合作用频率匹配。而且优化对于光源的所需PPF量，从而满足植物的要求。通过半导体LED芯片产生300-500nm频率的发射，且利用LED芯片辐射功率的全部或部分波长上转换(up-conversion)产生400-800nm频率的发射。可选择部分波长上转换使得处于半导体LED芯片辐射的5-95%，优选35-65%的范围内。产生400-800nm辐射的波长上转换可通过利用邻接LED发射源的一种或多种上转换材料实现。通过使用有机、无机或上述类型的组合的材料实现波长上转换。这些材料可以是特殊的(纳米级或其他尺寸的颗粒)、分子的或聚合物材料。而且，上述材料可具有导致发射源的波长上转换的结构布置。根据一个特定实施例，用于促进植物生长的照明器材包括UVLED，其可选地具有外部发光发射特性。LED通常展示a)具有在350至550nm的范围内的峰值波长的第一磷光光谱特性；b)具有在600至SOOnm的范围内的峰值波长的第二可选磷光光谱特性；以及c)具有在350和SOOnm之间的自由可调整的峰值波长的第三可选磷光光谱特性。在本申请中，上述“可调整”峰值波长解释为在工厂中组装照明器材的过程中可调整峰值波长，和/或也可对用于现场峰值波长调整的照明器材中的可调标度盘“可调整”。此外，也可根据本发明在LED的制造过程中调整LED的峰值波长，且“可调整”应被解释为还包括在LED的制造过程中可进行调整。可调整峰值波长的所有上述实施例或任意其他可调整光源或可变LED都落入本专利申请的范围内。优选地，第一、可选的第二以及可选的第三光谱特性的磷光发射强度按任意比例
可调整。图2至5示出单个发光源LED器件的发射峰的一些实例。在图2中，半导体LED芯片发射频率在457nm的波长处产生具有25nm的发射峰半高宽(FWHM)的峰。在这种情况下，波长上转换可采用两种上转换材料实现。上述两种波长上转换材料在660nm和604nm处具有单独的发射峰。图2示出这两种波长上转换材料在651nm处产生的具有IOlnm的发射峰半高宽的组合发射峰。在这种情况下，大约40% (由峰值强度计算得出)的半导体LED芯片的发射通过两种单独的上转换材料被上转换至651nm的发射。在图3中，半导体LED芯片发射频率在470nm处产生具有30nm的发射峰半高宽(FffHM)的峰。在这种情况下，波长上转换可采用两种上转换材料实现。上述两种波长上转换材料在660nm和604nm处具有单独的发射峰。图2示出这两种波长上转换材料在660nm波长处产生的具有105nm的发射峰FWHM的组合发射峰。在这种情况下，大约60% (由峰值强度计算得出)的半导体LED芯片的发射通过两种单独的“上转换”材料被上转换至660nm的发射。在图4中，半导体LED芯片发射频率在452nm处产生具有25nm发射峰半高宽
12(FffHM)的峰(未在图中示出)。在这种情况下，波长上转换可采用一种上转换材料实现。图3示出该波长上转换材料在658nm波长处产生的具有SOnm的发射峰FWHM的发射峰。在这种情况下，大约100% (由峰值强度计算得出)的半导体LED芯片的发射通过该上转换材料被上转换至658nm的发射。这可以从图4中看出，其中LED器件不存在452nm的发射。在图5中，半导体LED芯片发射频率在452nm处产生具有25nm的发射峰半高宽(FffHM)的峰。在这种情况下，波长上转换可采用一种上转换材料实现。图5示出该波长上转换材料在602nm波长处产生的具有78nm的发射峰FWHM的发射峰。在这种情况下，大约95% (由峰值强度计算得出)的半导体LED芯片的发射通过该波长上转换材料被上转换至602nm的发射。对于上述光谱来说，装置可如下文详细说明而构造。半导体LED芯片发射频率应以适于激发装置中使用的磷光体分子的方式选择。来自LED芯片的发射可在400nm和470nm之间。所使用的一种或多种磷光体分子应以实现来自LED的所需发射光谱的方式选择。以下将说明利用LED器件中的两种磷光体材料(波长上转换材料)实现所需光谱的过程(参考图6a至6c)。以预定比例混合磷光体A和磷光体B，从而实现来自LED器件的所需磷光体发射光谱(见图6a)。磷光体的比例例如可以是99 1(A B)至1 99。将上述磷光体A+B的混合物以预定浓度混合入材料C(例如是聚合物)中，从而形成“密封材料”。材料C中的磷光体的浓度例如可以是99 1(磷光体混合物材料C)至1 99。随后将上述材料C+磷光体(A和B)的混合物直接邻接LED芯片沉积(图6b和6c)。这里用“邻接”来指将其直接沉积在LED芯片的表面上或用其他光学材料被间隔开。材料C中的磷光体混合物的浓度确定半导体LED芯片发射频率的波长上转换量，即最终的LED器件发射中存在多少“原始”LED芯片发射频率以及LED器件中有多少被转换成磷光体发射。取决于磷光体的浓度，密封材料(其中混合有磷光体)的厚度通常在下述范围变化0. 1 μ m至20mm,特别是1 μ m至10mm，优选5 μ m至10mm，例如约10 μ m至5mm。磷光体通常的浓度(由密封材料的总重量计算得出)约为0. 1至20%，优选约1至 10%。波长上转换可以是100%，这意味着从LED器件仅观察到磷光体发射，或波长上转换可以小于100%，这意味着LED芯片发射的一些从LED器件中发射。总之，通过调整磷光体比例A B，能够调整来自LED器件的所需磷光体发射光谱，且通过调整材料C中磷光体的浓度，能够调整用于LED器件的所需LED芯片发射量/总量。LED芯片顶部上的材料C (具有某一磷光体浓度)的量(物理厚度)还影响LED器件传输的LED芯片发射的量。在LED芯片顶部上的材料C层越厚，则传输越低。材料C例如可以是可混入磷光体的溶剂、无机或有机聚合物、硅聚合物、硅氧烷聚合物或其他聚合物。材料C可具有需要在与磷光体一起使用之前混入的一种或多种成分。材料C可以是热固或UV固化材料。磷光体和溶剂材料C (固态或液态)的混合物可以是半透明或透明的，优选为透明的，从而允许从LED发出的光穿过。在一个实施例中，例如特别优选由铕-铈共掺杂的Ba_xSr_#nS_3磷光体和/或铈掺杂的镧系硫氧化物产生远红外辐射(700-800nm)。这些磷光体和硫化物类型在650-700nm波长区具有极大发射峰且还展示宽的半高宽(50-200nm)，且因此也能在更高波长，即700nm以上的波长范围产生光发射。除此之外或作为替代地使用磷光体或其他类似材料，也能借助至少一种布置在LED附近的半导体量子点等实现波长上转换。实例基于具有与图3中所示相同的输出光谱的单LED器件构造LED照明器材以用于比较实验的目的。照明器材由60个单独的LED单元构成，它们具有69W的功耗，该功耗包括AC/DC恒流驱动器的功耗。比较装置是具有420W的总功耗的商用HPS(高压钠)灯温室照明器材以及商用LED温室LED器材。商用LED器材基于具有24W总功耗的单独的蓝光和红光LED器件。利用以下PPF测量过程和布置相对于上述商用LED器件测试根据本发明的LED照明器材。通过测量300nm至800nm的照明器材光谱以及385nm至715nm的波带下的绝对辐照度值来计算PAR辐照度GOOnm和700nm之间的辐照度值)和PPF值。在一定距离下借助ILT700A分光辐射谱仪测量每个灯的光谱。在某些距离下借助精密日射强度计测量绝对辐照度值，且随后用于计算在这些距离下的绝对光谱。这些绝对光谱用于计算PAR和PPF的计算。通过积分400nm至700nm的绝对光谱来计算PAR辐照度(W/m2)。通过首先将每个光谱“通道”的辐照度值从W/m2变换为微爱因斯坦(microeinsteins)且随后在所需波长带上积分该光谱来计算PPF值。上述两种商用温室灯器材和根据本发明的LED器材的比较结果示于下表中。该结果还相对于商用HPS照明器材而被标准化。
类型
HPS 对照的种植LED本发明LED
权利要求
1.ー种包括至少ー个发光二极管(LED)的园艺照明器材，具有a)第一光谱特性，所述第一光谱特性包括在600至700nm的波长范围内的峰，且布置为展示至少50nm或更大的半高宽；b)第二光谱特性，所述第二光谱特性具有最大值50nm的半高宽，且布置为展示在440 至500nm的范围内的峰值波长，以及c)利用LED芯片辐射功率的全部或部分波长上转换产生在600-800nm频率的全部或部分发射。
2.ー种包括至少ー个发光二极管(LED)的园艺照明器材，具有a)第一光谱特性，所述第一光谱特性包括在600至700nm的波长范围内的峰，且布置为展示至少50nm或更大的半高宽；b)第二光谱特性，所述第二光谱特性具有最大值50nm的半高宽，且布置为展示在440 至500nm的范围内的峰值波长，以及c)把500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于400-500nm波带中的强度以及低于600-700nm波带中的強度。
3.根据权利要求1所述的照明器材，其中把500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于400-500nm波带中的强度以及低于 600-700nm波带中的强度。
4.根据权利要求1、2和/或3所述的照明器材，其中所述LED具有在500至SOOnm的波长范围内自由可调整的峰的光谱特性，且布置为展示至少30nm的半高宽。
5.根据权利要求1、2、3和/或4所述的照明器材，其中所述LED的第一、第二和可选的第三光谱特性的发射强度布置为可调整的。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的照明器材，包括第二LED，所述第二 LED具有至少ー个光谱特性，所述光谱特性具有最大值50nm的半高宽以及在400至500nm范围内的峰值波长，且所述第二 LED可选地具有第二和第三光谱特性，所述第二和第三光谱特性布置为在450至SOOnm范围内具有自由可调整的峰值波长。
7.根据权利要求6所述的照明器材，其中，存在多个第一和第二类型的LED，所述第一类型的LED与所述第二类型的LED的比例为1比100。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的照明器材，其中所述器材的每瓦特PPF值是 0. 35或更高。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的照明器材，包括第一和第二光谱特性的发射衰减率差异，所述发射衰减率差异在第一 10000小时使用期间总计小于20%，更优选在第一 25000小时使用期间中总计小于20%。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的照明器材，其中通过磷光体材料的选择和浓度来控制光谱发射特性、強度、峰值波长和半高宽。
11.根据权利要求1至10中任何一项所述的照明器材，其中借助LED芯片的蓝光发射特性的类型来控制光谱发射特性、強度、峰值波长和半高宽。
12.根据权利要求4至11中任何一项所述的照明器材，还包括至少ー个电子控制系统， 所述电子控制系统对所述第一和第二 LED独立地切換开启和关闭或可替代地按0-100%的功率独立地调暗。
13.根据权利要求1至12中任何一项所述的照明器材，其中a)所述第一LED ニ极管具有第一磷光光谱特性，所述第一磷光光谱特性包括在600至 700nm的波长范围内的峰值波长，且布置为至少展示至少50nm的半高宽；b)所述第一LED还具有第二发光光谱特性，所述第二发光光谱特性包括在440至 500nm的波长范围内的峰；以及c)所述第一LED可选地具有第三磷光光谱特性，所述第三磷光光谱特性在500nm至 SOOnm的波长范围内具有自由可调整的峰，且布置为展示至少30nm的半高宽；d)所述第一、第二和可选的第三光谱特性的第一发射强度以任意比例可调整。
14.根据权利要求13所述的照明器材，包括第二LED，所述第二 LED具有至少ー个发光光谱特性，所述发光光谱特性具有最大值50nm的半高宽和在400至500nm范围内的峰值波长，且所述第二 LED可选地具有磷光第二和第三光谱特性，所述磷光第二和第三光谱特性具有450至SOOnm范围内自由可调整的峰值波长。
15.根据权利要求1至14中任何一项所述的照明器材，其中LED发射的所述上转换布置为借助以下任何ー种建立至少ー个半导体量子点、磷光体材料和/或硫化物材料。
16.ー种用于促进植物生长的照明器材，所述照明器材包括发光UV LED，所述发光UV LED可选地具有外部发射特性，所述LED布置为展示a)第一磷光光谱特性，所述第一磷光光谱特性具有在350至550nm的范围内的峰值波长；b)第二可选磷光光谱特性，所述第二可选磷光光谱特性具有在600至SOOnm范围内的峰值波长；c)第三可选磷光光谱特性，所述第三可选磷光光谱特性具有在350和SOOnm之间的自由可调整的峰值波长；d)所述第一、可选的第二和可选的第三光谱特性的磷光发射强度以任意比例可调整。
17.—种园艺照明的发光部件，包括发光化合物半导体芯片；以及光波长上转换磷光体，所述光波长上转换磷光体直接邻接LED芯片沉积；所述部件能发射两个特征发光峰，且利用所述LED芯片辐射功率的全部或部分波长上转换产生在600-800nm频率的全部或部分发射。
18.—种园艺照明的发光部件，包括发光化合物半导体芯片；以及光波长上转换磷光体，所述光波长上转换磷光体直接邻接LED芯片沉积；所述部件能发射两个特征发光峰，且把500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于400-500nm波带中的强度以及低于 600-700nm波带中的强度。
19.根据权利要求17所述的发光部件，其中把500-600nm波长的发射的至少一部分或全部布置为被最小化和/或被消除和/或被减少至低于400-500nm波带中的强度以及低于 600-700nm波带中的强度。
20.根据权利要求17、18和/或19所述的发光部件，其中所述光波长上转换磷光体由至少两种磷光体彼此混合而成。
21.根据权利要求17、18、19和/或20所述的发光部件，其中所述光波长上转换磷光体直接沉积在LED芯片的表面上或用其他光学材料间隔开。
22.根据权利要求17至21中任何ー项所述的发光部件，其中所述发光化合物半导体芯片具有440至500nm发射范围内的峰。
23.根据权利要求17至22中任何ー项所述的发光部件，其中波长上转换磷光体被布置为把化合物半导体芯片所发射的部分光发射能量转换成600至700nm的长波长。
24.根据权利要求17至23中任何ー项所述的发光部件，其中所述两个特征发光峰分別处于 440nm-500nm 和 600_700nm。
25.根据权利要求17至M中任何ー项所述的发光部件，其中所述两个特征发光峰消除下述光谱特性一种具有至少50nm的半高宽，并且另ー种具有最大值50nm的半高宽，且这两者处于不同波长范围。
26.根据权利要求17至25中任何ー项所述的发光部件，其中在300-500nm频率的发射被布置为由半导体LED芯片产生，且在400-800nm频率的发射被布置为利用LED芯片辐射功率的光上转换磷光体所提供的全部或部分波长上转换产生。
27.根据权利要求17至沈中任何ー项所述的发光部件，其中部分波长上转换是半导体 LED芯片辐射的5-95%，优选为35-65%。
28.根据权利要求17至27中任何ー项所述的发光部件，其中波长上转换磷光体通过把至少两种磷光体彼此混合并进一歩混合进第三成分而形成，该第三成分选自溶剤、无机或有机聚合物、硅聚合物、硅氧烷聚合物以及其他聚合物的組。
29.根据权利要求17至观中任何ー项所述的发光部件，其中在沉积到LED芯片上或接近于LED芯片沉积吋，ー种或多种磷光体以及ー种或多种溶剂一起形成密封材料。
30.根据权利要求17至四中任何ー项所述的发光部件，其中LED发射的所述上转换被布置为借助如下任何ー种建立至少ー个半导体量子点、磷光体材料和/或硫化物材料。
31.利用权利要求1、2和/或16所述的照明器材为至少ー种植物提供光。
32.利用权利要求17、18和/或19所述的发光部件为至少ー种植物提供光。
33.一种增强植物生长的方法，其中至少ー个根据权利要求1、2和/或16所述的照明器材向至少ー种植物发射光。
34.一种增强植物生长的方法，其中至少ー个根据权利要求17、18和/或19所述的发光部件向至少ー种植物发射光。
全文摘要
一种用于促进植物生长的照明器材以及一种发光部件。该器材包括单个发光源LED器件，该LED器件在300-800nm的波长范围内提供至少两个发射峰，且至少一个发射峰具有至少50nm或更大的半高宽(FWHM)。LED的发射峰与植物的光合作用响应光谱良好匹配且因此特别适于高效率人造照明。
文档编号F21K99/00GK102597602SQ201080038966
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年9月18日
发明者拉尔斯·艾卡拉 申请人:瓦洛亚公司