专利名称：用于顶棚间照明的光学设备、照明设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于顶棚间照明的光学设备、对应照明设备和照明系统，并且更具体地涉及在植物的预定目标区中提供竖直和水平均匀照明分布的顶棚间照明。
背景技术：
为了增加温室中的作物产量，除了自然太阳光之外还应用补充同化光。具体而言，应用具有电功率600-1000W的高强度放电灯(HID灯)(比如S0N-T)。因此，温室中的光水平增加，从而造成当与仅用太阳光工作的温室相比时每平方米温室面积产生的作物产量更高。然而，比如番茄或者黄瓜这样的植物生长至数米高。在这种情况下，与光源最近的上方叶子吸收大部分的入射光。以这种方式形成的阴影区导致下方叶子对于光合作用的使用效
率更低并且因此造成更少产出。为了进一步增加每平方米温室面积的作物产量，附加同化光源照射阴影区中的植物。这一照明概念称为顶棚间照明。典型地通过照射如下竖直区中的植物来实现高效顶棚间照明，该区开始于植物的生长叶子的最低部分并且停止于植物的顶部以下近似O. 5m。到达这一竖直区以外的植物部分的光或者朝着地板或天花板损失或者到达植物的已经由定位于植物上方的照明体充分照射的部分。典型地，通过在成行植物(比如番茄或者黄瓜)之间布置HID灯而与植物行的预定距离通常在40cm与I. Om之间、与邻近灯的距离通常为I. 9m来提供顶棚间照明。这些几何条件与这些灯的朗伯(Iambertian)光分布组合在植物表面上造成强可变水平和竖直辐射。另外，通过在成行植物之间布置灯，顶棚间照明阻隔了温室的工人必须可达的工作区。已知可缩回HID灯系统，在这些灯系统中暂时缩回灯以清空工作区便于工人到达。随后必须重新定位灯以提供顶棚间照明。
发明内容
本发明的一个目的是克服如上文讨论的现有技术的问题并且提供一种用于温室中的植物的顶棚间照明的可替换的和改进的光学设备、照明设备和系统。本发明的又一目的是当在角度之下照射预定义目标区时在目标区中提供竖直和水平的均匀照明分布。本发明提供一种关于竖直和水平方向产生不对称照射图案、用于植物的顶棚间照明的光学设备、照明设备和照明系统。根据本发明的第一方面，这一和其它目的由一种用于顶棚间照明的光学设备实现，该光学设备包括光输入区，用于从光源接收光；第一表面，具有第一贝赛尔曲线；以及第二表面，具有第二贝塞尔曲线。第一和第二贝塞尔曲线被相互独立选择，并且布置成使得光学设备关于它的中心轴旋转不对称。在朝着中心轴的方向上反射在第一表面中反射的接收光，并且在背离中心轴的方向上反射在第二表面中反射的接收光，由此在预定义区域中提供竖直和水平的均匀照明分布，该区域是在角度之下照射的。因此，提供一种用于提供光的准直和不对称分布的光学设备，该光学设备是有利的并且布置成这样在两个意义上创建光的不对称强度分布。首先，布置光学设备使得射出光学设备的光的竖直和水平分布的宽度显著不同。可以选择竖直强度分布为窄，而又同时可以选择水平强度为宽，这有利于在期望和指定区(预定义区域(称为目标区))内提供用于植物的顶棚间照明。具体而言，目标区由植物的总宽度和高度的在从地面的指定最小距离开始的子部分定义。其次并且同时，竖直强度分布不对称(例如可以向下比向上引导更多光)。因此，有利地实现当在角度之下照射时的预定义目标区中的水平均匀照射分布。这在提供必须满足用于植物照明的均匀性标准的照明时有利。根据光学设备的一个实施例，第一和第二表面借助全内反射(TIR)来反射光。因此，有利地提供紧凑光学设备。根据光学设备的一个实施例，光学设备包括布置在光输入区的光学兀件。光学兀件是锥形截顶透镜，透镜的基部在光输入区。透镜的截顶为凹形。由此，布置光学元件使得准直进入光学兀件并且沿着朝着光输出表面的方向行进的光，而同时在朝着光学兀件侧部的方向上行进的光被引向第一和第二表面。由此随着经由光输入区进入的光被准直成以更·高效地朝着光学设备的光输出面分布，光学设备的效率增加了。这保证没有光在透镜之后撞击第一和第二表面。由此，原本会在竖直方向上展开的光到达目标区。根据光学设备的一个实施例，它包括布置于光输入区的光学元件，该光学元件被布置成通过布置成包括不对称自由形式成形部分、移位的圆柱形部分、椭圆形部分或者倾斜椭圆形部分之一来以不对称方式对接收光重定向。根据本发明的第二方面，提供一种用于植物的顶棚间照明的照明设备，该照明设备包括至少一个光源，布置于基板上；以及根据本发明的光学设备。光学设备被布置成从至少一个光源接收光。预定区域是植物的预定目标区。由此，提供在植物的目标区中的竖直和水平均勻照射分布。由于光在如上文针对光学设备描述的两个意义上的不对称强度分布，可以选择第一和第二表面使得目标区即使在角度之下被照射时仍然接收均匀照射。根据照明设备的一个实施例，用于青春期植物的预定目标区的高度被选择成覆盖植物高度的100%。对于全生长植物，预定目标区的高度被选择成覆盖植物高度的10% -50%这一范围，这有利于提供作物的高产量。根据照明设备的一个实施例，基板被布置成镜面反射。这提供反射回的回收光朝着植物的高效重定向。根据照明设备的一个实施例，基板包括金属反射层。这提供光学效率的增加。金属层可以是如Al、Ag等任何适当金属。根据照明设备的一个实施例，基板具有平坦、抛物线、圆锥形状、组合的平坦与平坦倾斜壁、组合的平坦与抛物线壁以及组合的平坦与贝塞尔形壁之一的形状。向基板提供适当成形增加光学效率，这是有利的。根据照明设备的一个实施例，光源为发光二极管。照明设备有利地用来将发光二极管发射的光局限于称为目标区的窄区。为了提供适用于植物的顶棚间照明的光，优选地使用中等功率或者高功率LED。根据照明设备的一个实施例，在设备中利用多个光源。光源被布置成发射红色与蓝色光的组合或者红色与白色光的组合。取决于植物类型，到达植物的光学功率的5% -20%应当为蓝色。具体而言，以多种颜色在到达植物时彻底混合这样的方式在照明设备中分布光源。根据本发明的第三方面，提供一种用于植物的顶棚间照明的系统。该系统包括多个根据本发明的照明设备；用于相对于植物的预定目标区将照明设备布置于预定高度&和预定水平距离Cltl的装置，使得照明设备被布置成提供用于照射植物的预定目标区的均匀和有向光束图案。根据系统的一个实施例，在全生长植物的高度的10-50%以及青春期植物的高度的100%的范围内选择预定目标区的高度。
根据系统的一个实施例，在I. 0-3. Om这一范围内选择水平距离(Itl，这是有利的，因为这提供用于温室工作人员的充分工作区域。根据系统的一个实施例，可移动地布置系统使得它能够被上提和下放。注意本发明涉及在权利要求书中记载的特征的所有可能组合。
现在将参照示出了本发明实施例的附图更详细描述本发明的这一和其它方面。图I是根据本发明的光学设备的一个实施例的示意性横截面侧视图。图2a)是根据本发明的照明设备的一个实施例的示意性横截面侧视图，以及图2b)是图2a)中所示照明设备的实施例的示意性横截面俯视图。图3a)是根据本发明的照明设备的一个实施例的示意性横截面侧视图，以及图3b)是根据本发明的照明设备的一个实施例的示意性横截面俯视图。图4a)至图4c)是图示了根据本发明的照明系统的实施例的示意性横截面侧视图。
具体实施例方式现在下文将参照附图更全面描述根据本发明的实施例，在附图中示出了本发明的某些实施例。然而本发明可以用许多不同形式来实施而不应解释为限于这里阐述的实施例；相反，通过例子提供这些实施例，使得本公开内容将透彻而完整并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。相似标记全篇指代相似元件。在下文描述中，将光学效率定义为到达植物的光量相对于用来照射植物的目标区的光源发射的光量。目标区的宽度(即，水平延伸)是温室中的一行植物的任何典型宽度，即，它可以范围在5m与70m之间。另外，发光二极管(LED)代表下文指代的任何光源。然而任何其它适当光源在本发明的范围内也适用。 均匀在本申请中根据下文定义。在目标区内，可以针对竖直横截面以及针对水平横截面发现最小照度Eniin和最大照度E_。均匀照度对应于针对两个横截面而言比值(Eniin/已_) 1^:竖直，11:水平)应当至少为O. 7。图I示出了具有光输入区109和光输出区111的光学设备100。光学设备100沿着光轴ο. a.居中。光学设备100具有从光输入区109向光输出区111延伸的第一表面120。另外，第一表面100具有由第一贝塞尔曲线定义的形状。光学设备100具有从光输入区109向光输出区111延伸的第二表面110。第二表面110由第二贝塞尔曲线定义。相互独立选择第一和第二贝塞尔曲线。第一表面120和第二表面110是有理二次贝塞尔曲线描述的表面。这意味着每个曲线由起点Po、终点P2以及未落在Ptl与P1之间的直接连接上的控制点P1描述。对于光学设备100，P0定义起始半径而P2定义结束半径。点P1定义曲率。另外，运用的有理贝塞尔曲线利用落在O与I之间的两个权值参数。这样，向可能的曲率给予更多自由度。布置第一表面120和第二表面110使得光学设备100关于它的中心轴旋转不对称。光输入区109被布置成从优选地与光输入区相邻布置的光源接收光。参照图I中的光束B,选择第一表面120的贝塞尔曲线使得在朝着中心轴的方向上反射在第一表面120中反射的接收光(光束B)。另外，选择第二表面110的贝塞尔曲线曲线使得在背离中心轴的方向上反射在第二表面110中反射的接收光(见光束A)。图2a)和图2b)示出了具有小光源(例如发光二极管(LED) 101)的照明设备200，该LED装配于基板103上并且与光学设备100’的光输入区109相邻定位。LED 101朝着光输入区109发射发散光，并且在光学设备100’中接收的光这里由布置于光学设备中的光学元件准直。光学元件是布置于光输入区109的准直器102。准直器102被布置为锥形截顶透镜，该透镜具有其基部在光输入区109或者代之以充当光输入区109。透镜的截顶为凹形。在锥的一侧上射出准直器102的光的第一部分在第一表面120上入射(与图I中的光束B相比)并且在朝着中心轴的方向上通过全内反射来反射、然后从光输出区111提取出。同时，在锥的一侧上射出准直器102的光的第二部分在第二表面110上入射(与图I中的光束A相比)并且在背离中心轴的方向上通过全内反射来反射、然后从光输出区111提取出。基本上沿着设备的光轴在向前方向上并且因此朝向光输出区111 (光学设备的出射面)行进的光由准直器102准直。朝向第一表面110和第二表面120射出的光未被准直。因而概括而言，准直器102在向前方向上减少角度扩展，该方向不会被第一和第二表面120、110反射并且不会以别的方式被准直而同时不会侧向影响角度扩展。第一光束和第二光束具有不同光强度分布(与图I中的A和B相比)，并且从光输出区111提取出的光的总光强分布是光的第一和第二部分(并且此外还有离开光学设备100’而未在第一和第二表面中反射的任何光)的叠加。输出的光是例如适合于覆盖预定目标区的均匀和有向光束图案。在竖直方向上生成的强度分布(lm/sr)显然不同于水平方向。此外，该布置还提供竖直强度分布，该分布取决于为光学设备选择的定向，本身在比朝着目标的更高部分将更多的光引向目标区的更低部分或者反之亦然的意义上是不对称的。在光学元件的替代实施例中，光学元件被布置成以不对称方式对来自光源的光重定向。这可以通过在准直器的截顶节段中布置非球面形透镜(未示出)来完成。在光学设备200的实施例中通过向基板涂覆镜面反射材料或者反射层(例如金属层)来制造基板103。这样，当应用照明设备作为植物的顶棚间照明时，例如借助反向散射原本损失的光被基板反射并且被回收而且重新引向植物表面。计算表明，通过使用具有85%反射的铝(Al)层，对于如下文参照图4a)_图4c)描述的系统可实现9、0%的光学效率。另外，基板的形状有利地被布置成增加光学效率。图3a)图示了具有基板的照明设备300，该基板具有略微准直的抛物线形状104。计算表明，通过使用这样的略微准直的基板104，对于如如下文参照图4a)-图4c)描述的系统可实现90%以上的光学效率。另外,如图3b中描绘的另一照明设备400具有如下的基板，该基板具有布置成朝着目标区反射光的平坦基部105与平坦倾斜壁106。基板的其它可能形状是锥形、组合的平坦与抛物线壁、和组合的平坦与贝塞尔曲线形壁(未示出)。根据本发明的一个或者多个照明设备可以布置于照明体(未示出)中。可以利用光源的不同颜色，这在提供植物的顶棚间照明时是优选的。通常利用红色和蓝色LED或者白色和红色。照明设备在水平方向上展开光，从而在植物上彻底混合分布于照明体中的蓝 色和红色或者白色和红色LED发射的光。通常，在植物上的辐射的5% -20%应当是蓝色。在温室中提供植物的受控培育或者保护。现在参照图4a),在温室中传统上有利用的两种主要照射源(太阳和顶部照射60 (典型是天花板装配的HID灯))。另外，为了说明本发明概念，图示了根据本发明的用于顶棚间照明的系统的一个实施例的一般原理，并且在图4a至图4c)中图示了在温室中的照明设备(或者如上文说明的照明体)的可能位置。系统通常包括多个照明设备或者照明体600，这些设备或者照明体布置于由预定高度Iltl定义的位置以照射通常布置成成行适用培育床20中的植物50的目标区。这里包括多个照明设备的一个照明体600可见，每个照明设备布置有适用颜色的一个LED (通常这样地实现蓝色与红色或者白色和红色在植物表面上的混合)。预定高度h由来自照明设备的光的方向确定。在图4a)中，照明体600向下近似28度分布光，这使照明设备比目标区定位更高(由更低高度限制h2和更高高度限制Ii1支配)。这里选择照射的角度为向下28度，然而照射的所选角度通常基于具体植物种类和植物的生长期。通常在全生长(full grown)植物的高度的10-50%这一范围内以及按照青春期植物的高度的100%选择目标区的高度(即Ii1-Ii2)。在第一,清况下,预定高度是Iitl > hp照明设备布置于与目标区相距水平距离Cltl处，该距离被选择成使得照明体600位于温室工作人员的工作区WA以外。由于照明体600中的照明设备的不对称形状，光被有效引向从地面以上高度h开始而在高度h2结束的目标区。因此这里在近似28度向下的竖直角度下辐射植物的目标区。在图4b)中示出了另一例子，其中在近似45度向上的竖直角度下辐射目标区。竖直角度大于或者等于O度(O度意味着辐射的方向平行于目标区法线，如图4c所示)ο在番茄植物的情况中，Ii1是I. 5-2. 9m这一级而h2近似为I. 0m。因而目标区在竖直方向上具有O. 5-1. Om的尺寸。在这些境况之下，运用无反射基板并且如图4中所示定位的照明设备的系统可以达到约70%的光目标效率。如先前描述的那样，可以通过运用反射基板来显著增加光目标效率，该反射基板可以可选地成形。在照明设备与目标区之间的典型间距为O. 5m-l. 5m(水平方向)。用于装配照明设备的典型高度约为2. 0m，然而对于如上文解释的来自照明设备/照明体的辐射的各种竖直角度，照明设备的其它位置是可适用的。为了避免光在植物的其它部分中损失，在竖直方向上需要强准直。取上述用于系统的给定参数，典型目标区对应于从照明设备/照明体在竖直方向上近似20度的光束宽度。上文已经描述如在所附权利要求书中限定的根据本发明的光学设备、照明设备和系统的实施例。这些实施例应视为非限制示例。如本领域技术人员理解的那样，许多修改和替代实施例在本发明的范围内是可能的。应注意，出于本申请的目的并且具体关于所附权利要求书，词“包括”未排除其它元件或者步骤， 词“一个/ 一种”未排除多个/多种，这本身对本领域技术人员而言是显而易见的。
权利要求
1.一种用于顶棚间照明的光学设备(100)，包括 光输入区(109)，用于从光源接收光； 第一表面(120)，具有第一贝赛尔曲线；以及 第二表面(110)，具有第二贝塞尔曲线， 所述第一和第二贝塞尔曲线被相互独立选择，并且布置成使得所述光学设备关于它的中心轴旋转不对称， 其中在朝着所述中心轴的方向上反射在所述第一表面中反射的接收光，并且在背离所述中心轴的方向上反射在所述第二表面中反射的接收光，由此在预定义区域中提供竖直和水平的均匀照明分布，所述区域是在角度下照射的。
2.根据权利要求I所述的光学设备，其中所述第一和第二表面借助全内反射TIR来反射光。
3.根据权利要求I或者2所述的光学设备，还包括布置于所述光输入区的光学元件，其中所述光学元件是布置成其基部在所述光输入区的锥形截顶透镜，其中所述透镜的截顶为凹形。
4.根据权利要求I或者2所述的光学设备，还包括布置在所述光输入区的光学元件，其中所述光学元件被布置成通过布置成包括不对称自由形式成形部分、移位的圆柱形部分、椭圆形部分或者倾斜椭圆形部分之一，以不对称方式对所述接收光重定向。
5.一种用于植物的顶棚间照明的照明设备，包括 至少一个光源，布置于基板上；以及 根据任一前述权利要求所述的光学设备，所述光学设备被布置成从所述至少一个光源接收光，其中所述预定义区域是所述植物的预定目标区。
6.根据权利要求5所述的照明设备，其中用于青春期植物的所述预定目标区的高度被选择成覆盖所述植物高度的100%，其中对于全生长植物，所述预定目标区的高度被选择成覆盖所述植物高度的10% -50%这一范围。
7.根据权利要求5或者6所述的照明设备，其中所述基板被布置成镜面反射。
8.根据权利要求7所述的照明设备，其中所述基板包括金属反射层。
9.根据权利要求7或者8所述的照明设备，其中所述基板具有平坦、抛物线、圆锥形状、组合的平坦与平坦倾斜壁、组合的平坦与抛物线壁、以及组合的平坦与贝塞尔形壁之一的形状。
10.根据权利要求5至9中的任一权利要求所述的照明设备，其中所述光源为发光二极管。
11.根据权利要求5至10中的任一权利要求所述的照明设备，其中在所述设备中利用多个光源，其中所述光源被布置成发射红色与蓝色光的组合或者红色与白色光的组合。
12.一种用于植物的顶棚间照明的系统，所述系统包括 多个根据权利要求5至11中的任一权利要求所述的照明设备； 用于相对于所述植物的预定目标区将所述照明设备布置于预定高度&和预定水平距离d0的装置； 其中所述照明设备被布置成提供用于照射所述植物的预定目标区的均匀和有向光束图案。
13.根据权利要求12所述的系统，其中在全生长植物的高度的10-50%以及青春期植物的高度的100 %的范围内，选择所述预定目标区的高度。
14.根据权利要求12或者13所述的系统，其中在I.0-3. Om的范围内选择所述水平距离d0
15.根据权利要求12至14中的任一权利要求所述的系统，其中可移动地布置所述系统使得它能够被上提和下放。
全文摘要
本发明涉及一种用于顶棚间照明的光学设备(100)，该光学设备包括光输入区(109)，用于接收光；第一表面(120)，具有第一贝赛尔曲线；以及第二表面(110)，具有第二贝塞尔曲线。第一和第二贝塞尔曲线被相互独立选择，并且布置成使得光学设备关于它的中心轴旋转不对称。在朝着中心轴的方向上反射在第一表面中反射的接收光，并且在背离中心轴的方向上反射在第二表面中反射的接收光，由此在预定义区域中提供竖直和水平均匀照明分布，该区域是在角度之下照射的。因此，可以选择竖直强度分布为窄，而又同时可以选择水平强度为宽，这有利于在期望的植物的目标区中提供顶棚间照明。同时，竖直强度分布不对称，这有利于满足用于植物照明的均匀性标准。
文档编号F21V7/00GK102792093SQ201180011963
公开日2012年11月21日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年3月2日
发明者C·塔纳斯, L·C·卡斯珀 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司