一种旋转镜植物补光灯的制作方法

本发明涉及农业的植物补光灯领域，特别涉及一种旋转镜植物补光灯。

背景技术：

1、农业补光技术自上世纪60年代起在荷兰等国家兴起，在光照不足的冬春季、阴雨天气和夜间，对温室中的农作物进行人工光补光可以有效促进植物生长，提升产量，提升经济效益。现代农业常见的植物补光灯有农用高压钠灯、金卤灯以及led补光灯，其中农用高压钠灯有发光效率高、单光源功率大、设备成本低的优势，适合在空间开阔的温室大棚补光。led补光灯有光谱可控、近距离补光不灼伤植物的优势，适合在种植空间紧凑的垂直农场作为主要照明光源，或在温室大棚中用于番茄等高大植物的株间补光。

2、农业补光的光照强度需要超过植物的光合作用补偿点，植物才能积累有机物，达到促进生长的目的。在一定范围内，人工光补光的光照强度和植物的生长速度成正比。但是，农业补光除了前期需要投入较高的补光设备成本之外，在日常运行过程中能耗成本也很高。以农用高压钠灯为例，正常运行一年的电费成本就接近甚至超过了补光灯前期投入的设备成本。同等补光需求下，led补光灯的前期设备成本投入比农用高压钠灯高5倍左右，能耗水平差别不大。因此现阶段农业补光还是以农用高压钠灯的方案为主。因为农业补光会显著提高农业生产成本，实际生产中只能在种植较高价值的农作物的温室内进行补光，高成本限制了农业补光的应用范围。

3、光合作用由光反应和暗反应这两个相互依赖反应产物的反应阶段组成，短暂进行的光反应所吸收的光能就需要长时间的暗反应来生成有机物。光反应的速度至少比暗反应快一个数量级，因此植物在连续的光照条件下，大部分光能都不得到利用，转变成荧光和热量散失了，这是光合作用效率低的最主要原因。如果为植物提供脉冲光补光照明，同样的光能输入总量下，植物在脉冲光照条件下进行光合作用的光能利用率比连续光照下更高。

4、现有温室大棚普遍使用的植物补光灯，以连续光的方式补光，存在光能利用率低、单位面积铺设光源功率大、能耗成本高的问题。

5、为实现脉冲光补光照明，多年来，很多科研团队探索利用led脉冲光作为植物补光灯，比如cn110856316，cn106538257等专利公开的技术方案。led脉冲光种植虽然实现了增加植物光能利用率及降低能耗成本的目标，但是存在驱动电路更复杂、设备成本更高的问题，抵消了节省能耗的优势。另外，相同补光面积和植物生长效果的前提下，脉冲光照明的led补光灯和连续照明的led的额定功率相同，只是以较低的平均功率，以明暗交替发光的方式发出脉冲光。led光源的额定功率和价格成正比，因此脉冲光led补光灯也不能降低led光源的成本。

6、实现脉冲光补光照明的方式除了让光源直接发出脉冲光照明植物，还可以让连续发光的光源通过机械运动扫描式照明的方式让植物获得脉冲光照明。

7、专利cn 102318522公开的技术方案是光源固定在小车上，小车往返行走于种植架上方的导轨，随着小车的移动，固定光源照射的范围也随着移动，在不同种植区域之间扫描式照明。不足是只能实现低频的脉冲光照明，提高光能利用率的效果不明显。

8、日本专利jpa 2016077264，公开了一种激光扫描技术用于植物补光照明的方案。该方案的不足是：只适用点状激光光源，激光设备成本过高。

9、本技术人在2019年提交的cn 201911209799.4专利，公开了一种植物补光灯方案，人工光源发出的大角度光经过聚光灯罩汇聚成近平行光束，近平行光束经过运动的多面转镜/振镜反射转变成扫描光束对植物进行扫描式照明，植物获得脉冲光照明。这个方案的缺陷是不能将人工光源发出的大角度光同时转变成多束扫描光束。

技术实现思路

1、基于现有技术的上述缺陷，本发明拟提供一种新型植物补光灯，能将连续发光的人工光源发出的大角度光转变成多束扫描光束，让植物获得脉冲光照明，提高光合作用的光能利用率，节省补光能耗。

2、为解决以上技术问题，本发明提供一种旋转镜植物补光灯，包括：光源、驱动电机和多光束旋转镜；光源设置于多光束旋转镜的多个焦点附近，驱动电机连接多光束旋转镜；工作时，驱动电机驱动多光束旋转镜旋转，光源发出的光经过多光束旋转镜的反射和/或折射后形成多个转动的光束对被照物进行扫描式照明，被照物是导光装置或光合自养生物。

3、本发明实现了将连续发光的人工光源发出的大角度光转变成多束扫描光束对被照物进行扫描式照明，被照物获得脉冲光照明。

4、与申请号cn201911209799.4的对比方案相比，本发明的功能差别在于：1.同时形成多束扫描光束，2.形成扫描光束前无需转变成近平行光束的装置，3.能实现更大的扫描式照明角度，4.工作时，运动的光学表面相对光源的角度不变。

5、相比专利cn 102318522的技术方案，本发明能轻松实现扫描式频率100hz以上，运动部件是驱动电机和多光束旋转镜，相比整个小车都是运动部件的方案能耗更低。

6、相比日本专利jpa 2016077264的技术方案，本发明适合农用高压钠灯、led灯等常见农用补光光源，光源成本更低，光谱更适合植物生长所需。

7、经检索，在农业补光照明领域，暂无其他与本发明相近的技术方案。在航海技术领域，灯塔的光学原理及机械式闪光警笛灯和本发明光学结构类似，但技术领域不相同，解决的技术问题不相同，被照物不相同，不作为抵触技术方案。

8、光源可以是气体放电光源、白炽灯或led等光源。根据光源类型不同给光源供电的是镇流器、电子镇流器、恒流驱动电路或脉冲驱动电路。

9、驱动电机可以是交流电机、直流电机、有刷电机、无刷电机、中空电机、外转子电机等，驱动电机的转子可以直接连接多光束旋转镜的边缘或旋转轴，也可以是间接连接方式，电机的转子通过联轴器、磁力联轴器或齿轮皮带等传动装置、变速装置连接多光束旋转镜。

10、多光束旋转镜可以将光源的光转变成多个光束。多光束旋转镜是由多个聚光装置以焦点朝向光源方向、围绕旋转轴排列的方式组成。光源发出的光经过多光束旋转镜，被多个聚光装置分别汇聚成多个光束，沿者各自的光轴对外照射。多光束旋转镜旋转时，多个光束同时转动，实现对被照物的扫描式照明。

11、导光装置是指把光经过反射、折射、散射、全反射等方式传导给光合自养生物进行照明的光学装置。导光装置可以是导光板，入光口朝向多光束旋转镜，出光面靠近光合自养生物。也可以是光导管、组合反射镜等装置。光合自养生物包括微藻、光合细菌、有光合色素的原生动物、植物等。

12、优选的，光源是更适合农业补光照明使用的光源类型，比如农用高压钠灯、金卤灯或led光源。

13、这些光源类型已经经过长期实践获得良好的农业补光效果，本发明的多光束旋转镜可以将这类大角度发光的光源转变成多束扫描光束。

14、优选的，多个聚光透镜的排列方式可以是位于光源同一侧，多个焦点朝向光源或光源周围，或指向光源虚像方向，多个聚光透镜围绕旋转轴排列成碟形、环形、碗形，多个聚光透镜延旋转轴径向排列成一圈或多圈。聚光透镜的排列方式还可以是环绕光源，多个焦点朝向光源所在旋转轴，多个聚光透镜围绕旋转轴排列成管形或桶形，多个聚光透镜延旋转轴轴向排列成一圈或多圈。

15、聚光装置可以是聚光透镜、聚光面镜、混合聚光装置，聚光装置以折射和/或反射的方式实现聚光。聚光透镜包括凸透镜、凸柱面透镜、菲涅尔透镜、微透镜阵列。其中，凸透镜包括凸非球面镜、凸自由曲面透镜等类型，菲涅尔透镜等效于凸透镜、凸柱面透镜。聚光面镜包括球面镜、非球面镜，其中，非球面镜包括抛物面镜、自由曲面反射镜等类型。混合聚光装置由聚光透镜和聚光面镜共同组成。由聚光透镜组成的多光束旋转镜，也可以起到灯罩的功能，保护光源。

16、聚光透镜的材料可以是k9玻璃、超白玻璃、石英玻璃、亚力克等透光材料。聚光透镜组成的多光束旋转镜的加工方式可以是整体模具成型、热弯焊接，或用注塑等方法加工。聚光透镜内外壁有增透膜增加透光率，内壁还可以有红外线反射膜，将气体放电光源的红外线反射回光源进一步增大发光效率。

17、优选的，所述多光束旋转镜由多个凸透镜和/或凸柱面透镜组合形成碟形、管形或桶形，多个凸透镜和/或凸柱面透镜围绕旋转轴线排列成一圈或多圈。

18、优选的，所述多光束旋转镜是由等效于多个凸透镜和/或凸柱面透镜的阵列菲涅尔透镜组成，阵列菲涅尔透镜外形是碟形、管形或桶形，阵列菲涅尔透镜围绕旋转轴线排列成一圈或多圈。

19、阵列菲涅尔透镜设计的多光束旋转镜，能大幅度降低多光束旋转镜所需制作材料，降低重量和驱动电机功率，也降低多光束旋转镜的体积。

20、优选的，阵列菲涅尔透镜的锯齿形凸面朝向光源。

21、外露的阵列菲涅尔透镜的锯齿形凸面比较脆弱，容易沾染灰尘，并且难以清洗，将锯齿形凸面朝向光源，处于内侧，平滑面朝外侧，这样内侧相对外界环境封闭，不容易触摸到，外侧平滑，不容易沉积灰尘，容易清洁。并且锯齿形凸面朝向光源方向，光的介质内内反射损耗低，杂散光较少。

22、优选的，阵列菲涅尔透镜的锯齿形凸面背向光源朝外。

23、优选的，所述多光束旋转镜由多个聚光面镜组合形成棱锥面形、涡轮风扇形或风轮形，多个聚光面镜围绕旋转轴线排列成一圈或多圈。

24、聚光面镜的方案，光源发出的光，最少只需要经过一次反射，就能获得多束扫描光束，现有的材料水平，反射损耗明显低于聚光透镜的透射损耗，因此光能损耗更低。

25、优选的，所述聚光面镜为抛物面镜，所述光源发出的光经过旋转的多个抛物面镜反射形成多个转动的光束对被照物进行扫描式照明。

26、聚光面镜的材料可以是一体的含铝材料在反射面抛光形成聚光面镜。也可以是金属、复合材料的反射镜基底加上反射面组成，反射面可以是含铝、含银材质抛光形成镜面，或在反射镜基底贴合介质膜等高反射率材料。

27、优选的，还应设置相对光源位置固定的反射曲面和/或透镜，设置于所述多光束旋转镜的前光路和/或后光路，其作用是改变所述多光束旋转镜的前光路和/或后光路的光强分布。

28、处于多光束旋转镜前光路的反射曲面和/或透镜将光源发出的超出多光束旋转镜范围的角度的光照通过反射和/或折射的方式汇聚到多光束旋转镜范围内，减少光源的光照浪费于不需要照明的角度和范围。还可以控制光源在多光束旋转镜范围内的不同照射角度的光强分布，实现被照物所在照射平面更均匀照明。处于多光束旋转镜后光路的反射曲面和/或透镜可以修正多光束旋转镜产生的多个扫描光束的照射角度，改变不同照射角度的光强分布，改变扫描式照明范围，形成多个照明区。处于多光束旋转镜后光路的透镜兼有灯罩的功能。

29、反射曲面可以是反光灯罩、反光杯、透镜内的全反射曲面等，透镜可以是led聚光透镜、准直透镜、列阵微透镜和菲涅尔透镜等类型透镜。

30、对于多角度发光的气体放电光源，比如农用高压钠灯，反射曲面可以设置于光源背向被照物一侧，以将光源的光反射到同一侧发处，以收窄光源发光角度。也可以设置于光源长轴方向的两端,将光源向长轴方向照射的光反射从光源径向射出。反射曲面的形状可以是半圆管形、碟形、碗形或其他现有技术反光罩形状。也可以是将光源置于焦点处的抛物面反射镜、反光杯或反光杯加聚光透镜的组合，将光源的光汇聚到一侧发出。对于led这种发光角度一般在180度范围内的光源，反射曲面和/或透镜可以设置于光源的前方，以收窄led光源的发光角度，改变光强分布，透镜内可以包含全反射曲面或阵列微透镜。

31、优选的，所述多光束旋转镜有位于边缘或旋转轴的连接端，所述驱动电机的转子和所述多光束旋转镜的连接端连接并驱动所述多光束旋转镜进行旋转，所述驱动电机的定子安装于灯座或支架上。

32、连接端是设置于多光束旋转镜的边缘、外周或者旋转轴处，便于和电机连接的结构或装置。支架用于固定相对静止的多个部件或作为安装支架。

33、优选的，所述多光束旋转镜有位于边缘或旋转轴的连接端，所述驱动电机是中空电机，中空电机的转子和所述多光束旋转镜的连接端连接并驱动所述多光束旋转镜进行旋转，中空电机的中间通孔作为通光孔或光源接线孔。

34、作为光源接线孔的中间通孔在装配完成后可以进行封闭，以实现对光源和多光束旋转镜内侧实现防尘、防潮作用。

35、优选的，所述多光束旋转镜和所述光源都处于同一透光罩内。透光罩使得光源和多光束旋转镜不外露，起到保护和防尘效果，更便于清洁。

36、透光罩至少部分由透明材质组成，以让扫描光束射出对外进行照明，在非扫描光束射出的区域，可以由非透明材质组成。透光罩的透明材质可以是玻璃、超白玻璃、石英、光学玻璃、亚力克等材质。

37、优选的，多光束旋转镜和所述光源都处于同一密封透光罩内，密封透光罩内气压低于大气压或充入平均分子量低于28的气体。

38、密封透光罩内进行抽气创造低气压或真空环境，或充气充入分子量低于空气的气体，能降低多光束旋转镜工作时的空气阻力。密封透光罩还可以设置有气体阀门，以实现抽真空或充气操作。

39、优选的，光源启动稳定发光前，驱动电机提前启动带动多光束旋转镜旋转。

40、优选的，光源关闭熄灭后，驱动电机持续工启动作一段时间再停止。

41、优选的，组成多光束旋转镜的聚光装置数量大于3。

42、优选的，在一个垂直旋转轴的截面上，组成多光束旋转镜的聚光装置数量低于30。

43、优选的，在一个垂直旋转轴的截面上，组成多光束旋转镜的聚光装置数量低于16。

44、优选的，多光束旋转镜的旋转速度大于1000转/min。

45、优选的，多光束旋转镜的旋转速度大于1800转/min。

46、多光束旋转镜发出的光束正在照亮的区域为光区，多个光束之间的区域无光照或弱光照，为暗区，光区和暗区都有多个。多光束旋转镜旋转时，光束跟随转动，光区和暗区交替变换，光区和暗区都在扫描式照明范围内。同一点的被照物，每秒钟内，处在光区、获得扫描式照明的次数为脉冲光频率。单位时间内，同一点的被照物，处于光区的时间占单位时间的比值为占空比。

47、优选的，多光束旋转镜的扫描照射范围内，同一点的被照物所获得扫描式照明的脉冲频率大于100hz。

48、优选的，多光束旋转镜的扫描照射范围内，同一点的被照物所获得扫描式照明的脉冲频率大于300hz。

49、优选的，多光束旋转镜的扫描照射范围内，同一点的被照物所获得扫描式照明的占空比小于25%。

50、现有的其他领域的类似光学应用方案，比如灯塔和警笛灯，发出的脉冲光频率较低，以方便人眼识别。本发明的一种旋转镜植物补光灯目的是为了增加光合作用的光能利用率，需要达到的脉冲频率大于100hz，超过人眼对频闪的24hz感受范围。

51、根据不同应用需求，还可以有灯头、接线装置、散热装置和开关等本技术领域内常用的配套装置和技术手段。