增强温室光线的方法与装置制造方法【专利摘要】本发明涉及一种具有半导体光发射方案的照明装置，所述半导体光发射方案具有波长上转换特征且适用于温室环境中植物栽培。认为本发明的最佳模式为具有至少一个蓝色LED（101）及波长上转换二元合金量子点（110、120、130、140、150、160）的照明装置，所述量子点由胶体法制备，被配置成与蓝色LED一起产生与光合作用有效辐射（PAR）光谱类似的发射光谱。本发明的方法及配置允许对植物栽培中所用光的发射光谱进行更精确光谱调谐。因此，本发明实现在植物生长的光形态形成控制方面的出乎意外的改良及植物（310、311）生产方面的进一步改良。本发明对于已具有旧版LED系统的温室尤其有利。这些LED系统通常可以通过添加本发明的量子点阵列以获得本发明的照明方案就可进行升级。【专利说明】增强温室光线的方法与装置【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种产生供植物栽培用的人造光的改良方法。更具体而言，本发明涉及一种具有半导体光发射方案的照明装置，所述半导体光发射方案具有波长上转换特征且适用于温室环境中植物栽培。【
背景技术：
】[0002]仅约50%到达地面的辐射为光合作用有效辐射(PAR)。PAR被解释为包含介于电磁波谱300nm与800nm之间的波长范围。光合作用以及光周期性、向光性及光形态形成是与辐射与植物之间相互作用有关的四个代表性过程。以下表达式示出光合作用的简化的化学方程式:[0003]6H20+6C02(+光子能)-*C6H1206+602。[0004]图1A中示出了最常见光合及光形态形成感光器(诸如叶绿素a(chlorophylla)、叶绿素b(chlorophyllb)及β胡萝卜素(betacarotene)以及植物色素(phytochrome)的两种可互相转换的形式(Pfr及Pr))的典型吸收光谱。[0005]与光合作用相反，光形态形成反应可以极低的光量达成。不同类型的光合及光形态形成感光器可分为至少三组已知光系统:光合、植物色素及隐花色素(cryptochrome)或蓝/UV-A(紫外线A)。[0006]在光合光系统中,存在的色素为叶绿素及类胡萝卜素(carotenoid)。叶绿素位于处于植物叶叶肉细胞中的叶绿体的类囊体中。辐射的数量或能量为最显著方面，因为这些色素的活性与光采集紧密相关。叶绿素的两个最主要的吸收峰分别位于625nm至675nm及425nm至475nm的红区及蓝区中。另外，也存在近UV区(300nm至400nm)及远红外区(700nm至800nm)处的其他局部峰。类胡萝卜素(诸如叶黄素(xanthophyll)及胡萝卜素)位于植物细胞上的有色体质体细胞器中且主要在蓝区中吸收。[0007]植物色素光系统包括植物色素的两种可互相转换的形式Pr及Pfr，其分别在660nm下红光及730nm下远红外光中具有其敏感峰。由植物色素介导的光形态形成反应通常与经由红光(R)/远红外光(FR)比率(R/FR)感测光品质有关。植物色素的重要性可通过其所涉及的不同生理性反应(诸如展叶、相邻感知(neighbourperception)、避荫、莖伸长、种子发芽及开花诱导)来评估。尽管避荫反应通常由植物色素经感测R/FR比率来控制，然而蓝光及PAR水平也与相关适应性形态反应有关。[0008]蓝光及UV-A(紫外线A)敏感性感光器可见于隐花色素光系统。吸收蓝光的色素包括隐花色素及向光素(Phototropin)两者。它们涉及数种不同任务，诸如监测光的品质、数量、方向及周期性。蓝光及UV-A敏感性感光器的不同群组介导重要形态学反应，诸如内源性节律、器官定向、茎伸长及气孔开放、发芽、展叶、根生长及向光性。向光素调节色素含量以及光合器官及细胞器的定位以便优化光采集及光抑制。如同曝露于连续远红外辐射一样，蓝光也经由隐花色素感光器的介导而促进开花。此外，蓝光敏感性感光器(例如黄素(flavin)及类胡萝卜素)也对近紫外线辐射敏感，其中在约370nm下可发现局部敏感峰。[0009]隐花色素不仅为所有植物物种所共有。隐花色素介导多种光反应，包括导致开花植物(诸如拟南芥(Arabidopsis))中的昼夜节律。尽管低于300nm波长的福射可对分子的化学键及DNA结构高度有害，然而植物也吸收该区域内的辐射。PAR区域内的辐射品质可能对降低UV辐射的破坏作用较为重要。这些感光器被研究最多且因此已相当熟知它们在控制光合作用及生长方面的作用。然而，有证据表明存在其他感光器，其活性可能在介导植物的重要生理性反应方面具有重要作用。另外，并不充分了解感受器的某些群组之间的相互作用以及相互依赖性。[0010]许多植物可借助于温室栽培利用人造光在与其天然生境不同的地理位置中生长。从Zukauskas等人的W02010/053341A1中已知发光二极管(LED)可与磷光体转换一起使用以满足植物的一些光形态形成需要。磷光体转换运作以致存在发射短波长的诸如LED的光，其接近于吸收及再发射较长波长的辐射的磷光体组分。由此，可调谐照明装置的聚集体发射光谱，以致向植物提供的光子允许植物以特定方式生长，例如满足某些形态学目的(诸如莖高度)。此处引用该文献作为参考。[0011]发光二极管(LED)日渐普及。LED所用的特有新结构为量子点，S卩，激子受限于全部三个空间维度的半导体。在论述包含量子点的多量子阱结构(MQW)的W02009/048425中已建议使用量子点以舍弃磷光体。根据该公布，MQW结构可用来制造基于氮化物的无磷光体红光及白光LED。此处也引用该文献作为参考。[0012]现有技术有大量缺点。现有技术LED及磷光体配置不允许对发射光谱进行足够高的解析调谐。现有技术MQW及量子点照明装置主要关注于替代对园艺家鲜有帮助的不利结构特征(诸如磷)。[0013]十分明显地，需要不仅仅替代不期望的技术特征(B卩，还增强栽培生产力)的更复杂的植物照明技术。【
发明内容】[0014]所研究的本发明涉及一种用量子点有效上转换LED发射来产生供植物栽培用的最佳化光谱的系统及方法。[0015]本发明的另一目的为提供一种用量子点有效上转换LED发射来产生用于温室环境中的植物栽培的最佳化光谱的系统及方法，在温室环境中需要用本发明的人造光补充过滤的日光。[0016]在本发明的一个方面中，量子受限以量子点的形式实现(B卩，受限于全部三个空间维度中)或实际上以多个量子点的形式实现。除使用量子点之外，量子线(2-D空间受限)及量子阱(1-D空间受限)在一些实施方式中可用于例如通过替代来自所述实施方式的一个或多个量子点来实施本发明。[0017]根据本发明的一个方面，至少一个常规LED被配置成照明不同尺寸的量子点。在量子点中，尺寸与发射能量负相关，即，较小量子点发射较闻能量。量子点被配置成吸收由LED发射的光子，且随后再发射较长波长的光子。在本发明的一个方面中，量子点的尺寸分布经选择以致其与LED—起产生聚集体发射光谱，所述聚集体发射光谱对用所述LED及量子点组合发射的人造光培养的植物产生有利的光形态形成效应。[0018]本发明的目的为消除与现有技术有关的至少一部分问题且提供一种以组合形式使用LED及作为所述LED的上转换器的量子点来促进植物生长的新方式。[0019]本发明的第一目的为提供一种光合作用过程充分响应的基于单一光发射源的LED及量子点装置。[0020]本发明的第二目的为提供一种基于光合作用光子通量(PPF)优化的LED及量子点装置的用于温室栽培的照明器具。[0021]本发明的第三目的为获得一种LED及量子点装置，其提供300nm至SOOnm波长范围内的至少两个发射峰且所述发射峰中至少一个具有至少50nm以上的半高宽(FWHM)。[0022]本发明的第四目的为提供一种基于LED及量子点的温室栽培照明器具，其中两种发射频率(300nm至500nm及600nm至800nm)的发射强度比在10，000小时操作期间减少小于20%ο[0023]本发明的第五目的为提供一种技术方案，其与由温室栽培中通常所用的常规高压钠灯或LED灯所获得的每瓦特PPF值相比提供更好的每瓦特PPF值(B卩，PPF相对于所用功率瓦特数)，且因此为温室栽培过程及其中所用的人工照明提供能量有效光源。[0024]本发明的第六目的为提供一种单一光发射源，其中在300nm至500nm频率的发射由半导体LED芯片产生，并且在600nm至800nm频率的发射使用上转换量子点芯片产生。本发明人已发现例如黄瓜及莴苣植物在用包括远红外光(700nm至800nm)的本发明园艺光照明时达到更大的长度和/或质量。[0025]本发明的第七目的为提供一种单一光发射源，其中在300nm至500nm频率的发射由半导体LED芯片产生，并且在600nm至800nm频率的发射使用量子点芯片产生，所述单一光发射源部分由电流驱动以供光发射用或完全作为所述LED芯片的波长上转换器进行操作。通过使用邻近LED芯片发射源的一个或多个波长上转换量子点来获得用于产生600nm至800nm辐射的波长上转换。[0026]在该申请中，“上转换(up-conversion)”被解释为使入射吸收光的波长变为更长波长的发射光。[0027]本发明的第八目的为提供半导体LED芯片福射的400nm至500nm、600nm至800nm或两种频率范围的部分或完全波长上转换，所述芯片在300nm至500nm范围的发射范围下发射。波长上转换通过使用有机、无机或两种类型材料组合的量子点来实现。[0028]本发明的第九目的为使用供上转换用的纳米尺寸粒子材料来提供波长上转换。[0029]本发明的第十目的为使用供上转换用的分子样材料来提供波长上转换。[0030]本发明的第十一目的为使用聚合材料来提供波长上转换，其中上转换材料以共价方式键合至聚合物基质以提供波长上转换。[0031]本发明的第十二目的为提供一种基于LED及量子点的照明器具，其中光谱带500nm至600nm受抑制。在该受抑制谱带中，几乎无发射或完全无发射，或在任何情况下其发射比相邻谱带400nm至500nm、600nm至700nm中任一个的发射少。该抑制可根据本发明通过在谱带400nm至500nm中无任何或仅少量初级发射且通过确保任何上转换均引起使波长偏移超出600nm的波长偏移来达成。通常已知绿色植物无法利用绿光(500nm至600nm)辐射以及相邻谱带中的辐射，因为该辐射仅从植物反射而不被吸收用于光合转换。[0032]本发明的第十三目的为提供一种基于LED及量子点的照明器具，其通过提供所需远红外光使植物的合成代谢生长最大化，而其使从植物栽培观点来看为浪费能量的辐射绿光最小化。在本发明一个方面中，该目的通过蓝色LED光发射体与波长上转换量子点装置一起来实现，所述波长上转换量子点装置将一部分发射的蓝光(300nm至500nm)上转换为宽的红光光谱分量(600nm至800nm)，所述宽的红光光谱分量具有远红外光分量，但省去和/或最小化绿光分量(500nm至600nm)。[0033]本发明提供适用于温室栽培的LED及量子点及相关照明器具。根据本发明，LED及量子点均具有特定发射频率模式，即，其具有至少两种光谱特性；一种特性为发射峰具有至少50nm以上的半高宽且具有在600nm至700nm范围内的峰波长，且第二光谱特性具有低于500nm范围的峰波长。LED及量子点的发射峰与植物光合作用响应光谱充分匹配，且因此尤其适用于高效率的人工照明。[0034]以针对所述受影响的光形态形成变量使发射光谱最优化的LED及量子点尺寸分布来实现本发明的某些或所有前述优点，所述受影响的光形态形成变量可为以下生物参数中的任一个:植物在不同时间点或采收成熟时的重量、叶数、根质量、茎高度、化学组成(诸如维生素、矿物质、和/或营养成分含量和/或浓度)。[0035]包含LED的用于植物栽培的照明装置为根据本发明且其特征在于所述照明装置包含不同尺寸的多个量子点，所述多个量子点被配置成将LED光上转换为更长波长。[0036]用于植物栽培的照明方法为根据本发明且包含用至少一个LED照明植物及量子点的步骤且其特征在于:[0037]-光由不同尺寸的多个量子点所吸收，[0038]-光由不同尺寸的多个量子点在比所吸收的辐射长的波长下发射。[0039]用于植物栽培的照明方法为根据本发明且包含以下步骤:[0040]-用至少一个LED照明至少一个植物及不同尺寸的多个量子点，[0041]-光由所述不同尺寸的多个量子点所吸收，[0042]-光由所述不同尺寸的多个量子点在比所吸收的辐射长的波长下发射。[0043]温室和/或生长箱照明装置为根据本发明且其特征在于所述照明装置包含至少一个量子点及至少一个LED。[0044]园艺照明器具为根据本发明且包含至少一个量子点及至少一个LED，所述LED具有以下特性:[0045]a)包括在600nm至700nm波长范围内的峰且被配置成显示出至少50nm以上的半高宽的第一光谱特性；[0046]b)具有最大50nm半高宽且被配置成显不出在440nm至500nm范围内的峰波长的第二光谱特性，及[0047]c)在600nm至800nm频率的全部或一部分发射是利用至少一个量子点对LED芯片辐射功率进行全部或部分波长上转换来产生的。[0048]园艺照明器具为根据本发明且包含至少一个LED及至少一个量子点，所述量子点被配置成上转换来自所述LED的发射辐射，所述LED具有以下特性:[0049]a)包括在600nm至700nm波长范围内的峰且被配置成显示出至少50nm以上的半高宽的第一光谱特性；[0050]b)具有最大50nm半高宽且被配置成显不出在440nm至500nm范围内的峰波长的第二光谱特性，及[0051]c)在500nm至600nm波长的至少一部分或全部发射被配置成最小化和/或省去和/或减少至低于400nm至500nm谱带中的强度且低于600nm至700nm谱带中的强度。[0052]前五段中任一段的照明装置或照明器具的用途为根据本发明，为至少一个植物提供光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。类似地，前五段的增强植物生长的方法为根据本发明，其中至少一个照明装置或照明器具向至少一个植物发射光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。[0053]一种园艺光的发光部件，其包含:[0054]-发光二极管(LED)半导体芯片；及[0055]-直接邻近所述LED芯片沉积的光波长上转换量子点；[0056]所述部件能够发射两个特征性光发射峰，且[0057]在500nm至600nm波长的至少一部分或全部发射被配置成最小化和/或省去和/或减少至低于400nm至500nm谱带中的强度且低于600nm至700nm谱带中的强度。[0058]前述段落的发光部件的用途为根据本发明，为至少一个植物提供光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。类似地，增强植物生长的方法为根据本发明，其中至少一个前述段落的发光部件向至少一个植物发射光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。[0059]本发明的基于LED发射体及量子点上转换器的实施允许对发射光谱进行极精细的光谱调谐，且因此允许在依赖人造光的植物栽培方面获得极佳能量效率及改良的光形态形成控制。该优势在使用仅用于上转换的极精细分布量子点时甚至更显著，因为由其提供的光谱调谐优于常规LED。另外，收获物的品质被本发明的照明装置显著改良且由此带来与暗生长箱或环境光极有限的箱中的栽培有关的多种优势:首先，植物可更接近于消费场所生长，例如在大城市的住宅地下室中，从而消除运输成本。其次，植物可在传统上不可能发生农业生产的地形中生长，例如夏季热沙漠条件。第三，由于植物的品质被改良，故个体植物之间的一致性也被改良，这使收获更容易。这是因为存在较少的不合格个体且基于机器视觉的收获设备可在植物具有一致品质、尺寸及颜色时较好地将其识别。第四，植物的性质可以以受控方式改变，因为几乎所有的生长参数均在控制之中，这在栽培花及观赏植物时尤其有利。第五，植物的每日恒定光子剂量有助于营养成分的施用，因为营养成分剂量可维持全年相同。第六，在极热及阳光充足地形中，植物可在反射日光的暗的不透明生长箱中生长。本发明的人工照明中所耗用能量与空气调节或冷却日光下植物所消耗的能量相比少得多。[0060]应注意暗腔室被解释为具有零或较低水平的日光和/或环境光且无发射光子的本发明人造光源的光受限空间，但所述腔室可为任何尺寸，显微级微小、花盆尺寸、IOm2住宅/商业地下室、运输货柜、足球场尺寸(例如足球运动场的地下室)和/或20层摩天楼(其中充足蔬菜生长在一层或多层供整个城市用)。[0061]此外且参照前述产生优势的实施方式，认为本发明的最佳模式为具有蓝色LED及上转换二元合金量子点的照明装置，所述量子点通过胶体法制备以产生量子点尺寸分布，产生与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似的发射光谱但所述发射光谱省去黄绿光(500nm至600nm)或在黄绿光(500nm至600nm)中提供极低强度且包含远红外光700nm至800nm谱带中的高强度光谱特征。【专利附图】【附图说明】[0062]在下文中，将根据随附图参照示例性实施方式更详细地描述本发明。[0063]图1A示出绿色植物中最常见光合作用及光形态形成感光器的相对吸收光谱。[0064]图1B以方块图的形式示出本发明照明装置的实施方式10。[0065]图2以流程图的形式示出根据本发明的照明方法的实施方式20。[0066]图3以方块图的形式示出本发明照明装置用途的实施方式30及31。[0067]图4示出根据本发明的具有第一单一光发射源LED及量子点装置的发射峰的实施方式40。[0068]图5示出根据本发明的具有第二单一光发射源LED及量子点装置的发射峰的实施方式50。[0069]图6示出根据本发明的具有第三单一光发射源LED及量子点装置的发射峰的实施方式60。[0070]图7示出根据本发明的具有第四单一光发射源LED及量子点装置的发射峰的实施方式70。[0071]图8示出根据本发明的具有已经发现使植物生物质最大化的光谱的实施方式80。[0072]一些实施方式被描述在从属权利要求中。【具体实施方式】[0073]图1示出包含不同尺寸的多个量子点110、120、130、140、150及160的照明装置100。量子点的尺寸分布包含在2nm至200nm范围内的不同尺寸的量子点，即，量子点110典型地具有200nm的直径且量子点160具有约2nm的直径。照明装置典型地也包含LEDlOl，其优选为蓝色或具有一些其他较短波长。[0074]随着LEDlOl发光，一些发射的光子被量子点110、120、130、140、150及160所吸收。随着光子被吸收，量子点110、120、130、140、150及160中的电子被激发至较高能态。随后，这些电子通过发射能量等于较高能态与较低能态之间差值的一个或多个光子而从所述较高能态弛豫至较低能态。[0075]在一些实施方式中，量子点150、160被配置成透射在25011111至40011111范围内的—/蓝光或被完全移除，量子点140及130被配置成透射400nm至600nm绿光和/或黄光或被完全移除，且量子点120被配置成透射600nm至700nm红光，且量子点110被配置成透射在700nm至800nm谱带中的远红外光。[0076]在一些实施方式中，改变特定尺寸的量子点110、120、130、140、150及160的相对发射强度及数目以产生与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似和/或相同的与LEDlOl发射光谱合并的聚集体发射光谱。甚至更优选地，所述类似于PAR的发射光谱省去黄绿光(500nm至600nm)或在黄绿光(500nm至600nm)中提供极低强度且包含在远红外光700nm至800nm谱带中的高强度光谱特征。[0077]在一些实施方式中，量子点110、120、130、140、150及160中的全部或一些典型地由以下合金中的任一种制成:硒化镉、硫化镉、砷化铟、磷化铟和/或硫硒化镉。[0078]应注意，在更详细描述的实施方式中，选择至少一个所述量子点110、120、130、140、150和/或160的尺寸以致所述量子点于在植物中具有特定光形态形成效应的谱带中产生光子发射。在本发明的一些实施方式中，所述受影响的光形态形成变量可为以下生物参数中的任一个:植物在不同时间点或采收成熟时的重量、叶数、根质量、茎高度、化学组成(诸如维生素、矿物质、和/或营养成分含量和/或浓度)。[0079]在一些实施方式中，至少一个所述量子点110、120、130、140、150和/或160通过胶体合成法产生。在胶体合成法中，胶状半导体纳米晶体从溶解于溶液中的前体化合物合成，更像传统化学方法。胶体量子点的合成典型地基于由前体、有机表面活性剂及溶剂组成的三组分系统。将反应介质加热至足够高温，且前体以化学方式转化成单体。一旦单体达到足够高的过饱和水平，纳米晶体生长即以成核过程开始。在一些实施方式中，生长过程期间的温度为决定纳米晶体生长的最佳条件的关键因素之一。温度典型地足够高至允许原子在合成过程期间重排及退火，同时足够低至促进晶体生长。在一些实施方式中，纳米晶体生长期间受到控制的另一关键因素为单体浓度。[0080]纳米晶体的生长过程可以两种不同方式发生，其可描述为“聚焦(focusing)”及“散焦(defocusing)”。在高单体浓度下，临界尺寸(纳米晶体既不生长也不缩减的尺寸)相对较小，引起几乎所有粒子的生长。在该方式中，较小粒子比大粒子生长更快，因为较大晶体与小晶体相比需要更多原子来生长，并且这引起尺寸分布的“聚焦”以得到几乎单分散的粒子。尺寸聚焦典型地在保持单体浓度使得存在的平均纳米晶体尺寸始终略大于临界尺寸时最优。当单体浓度在生长期间降低时，临界尺寸变得大于所存在的平均尺寸，且分布因奥氏熟化(Ostwaldripening)而“散焦”。[0081]存在产生许多不同半导体的胶体法。本发明的典型的点由二元合金制成，诸如硒化镉、硫化镉、砷化铟及磷化铟。不过，在本发明的一些实施方式中，点也可由三元合金制成，诸如硫硒化镉。这些量子点在量子点体积内可含有低至100至100，000个原子，具有10至50个原子的直径。这相当于约2纳米至10纳米。[0082]根据本发明利用不同的胶体合成法或其他方法来产生量子点的不同群体，且随后将所述群体与一个或多个LED组合，得到提供优选用于植物栽培的所需总发射光谱的尺寸分布。[0083]另外也应注意，实施方式10可易于与实施方式20、30、31、40、50、60、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0084]图2示出本发明的照明装置例如在温室环境中的操作。在阶段200中，光发射从LED导向至少一个植物及至少一个量子点。[0085]在阶段210中，量子点吸收光子，所述光子典型地为已由LED发射且具有250nm至400nm范围内的波长的光子。在阶段220中，该光子将量子点中的电子激发至较高能态。[0086]在阶段230及240中，随着电子弛豫至较低能态，其发射波长由激发态与弛豫态之间能差决定的光子。这些发射的光子与未吸收的LED光子一起直接在植物处终结，且产生从照明装置透射的发射光谱。[0087]在一些实施方式中，250nm至400nm范围内的UV/蓝光、400nm至600nm范围内的绿光和/或黄光、600nm至700nm红光和/或在700nm至800nm谱带中的远红外光由本发明方法中的至少一个LED及至少一个不同尺寸的量子点发射。在本发明的一些实施方式中，典型地，较大量子点发射较长波长的红光且较小量子点及LED发射较短波长的蓝光。因此，在优选的波长上转换实施方式中，至少一个LED透射在250nm至400nm范围内的UV/蓝光，且主要存在吸收全部或部分所述250nm至400nm波长光子且发射在400nm至600nm范围中的光、红光600nm至700nm和/或在700nm至800nm谱带中的远红外光的与LED相关联的较大量子点。[0088]另外也应注意，实施方式20可易于与实施方式10、30、31、40、50、60、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0089]图3示出本发明人工温室照明装置及方法的不同使用布置实施方式30及31。在一个实施方式30中，植物311被栽培在具有透明壁301的温室地面上。具有LED及多个量子点的照明装置322位于由其所发射的光子可以以最大发射通量到达尽可能多的植物311的位置。在一些实施方式中，照明装置的发射光谱350经调节以补充自然光光谱(B卩，透射穿过壁301的日光)。在一些实施方式中，根据本发明，照明装置322可包含被配置成透射那些被温室壁滤过和/或减弱的波长的LED及量子点。[0090]在实施方式31中，待栽培的植物被堆叠于温室300的生长箱360中。在一些实施方式中，各生长箱均具有照明装置321。即使植物被堆叠于透明生长箱中，与实施方式30中相比也存在日光的较大减少和/或减弱，因为一些光子需要透射穿过一个以上透明壁。因此，具有至少一个LED及量子点的照明装置321典型地补充如上多次透射的自然光光谱，或在不透明箱的情况下向植物310提供全部光辐射。在一些实施方式中，同时存在生长箱专用照明装置及由一个或多个生长箱360中的一种以上植物共享的至少一个照明装置320。[0091]在一些实施方式中，至少一个LED及量子点被配置成产生在与透射光谱340合并时与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似的发射光谱。甚至更优选地，光谱340与PAR光谱类似但省去黄绿光(500nm至600nm)或在黄绿光(500nm至600nm)中提供极低强度且包含在远红外光700nm至800nm谱带中的高强度光谱特征。在一些实施方式中,选择照明装置中至少一个LED和/或量子点以致其发射光子光谱中某一谱带的光子，所述谱带在植物中具有特定光形态形成效应。所述受影响的光形态形成变量可为以下生物参数中的任一个:植物310、311在不同时间点或采收成熟时的重量、叶数、根质量、茎高度、化学组成(诸如维生素、矿物质、和/或营养成分含量和/或浓度)。[0092]实施方式30、31也适合于在任何程度的不透明或透明生长箱360的情况下实施。[0093]另外也应注意，实施方式30及31可易于彼此和/或与实施方式10、20、40、50、60、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0094]在图4中，半导体LED芯片发射频率在457nm波长下到达最高点，其中发射峰半高宽(FWHM)为25nm。在该情形中，波长上转换通过使用两种量子点上转换材料来完成。这两种波长上转换材料在660nm及604nm下具有单独的发射峰。图4示出在651nm波长下到达最高点且发射峰FWHM为IOlnm的来自这两种波长上转换材料的合并的发射峰。在该情形中，约40%(从峰强度计算得到)半导体LED芯片发射被两种单独的上转换量子点材料上转换为65Inm发射。[0095]应注意光谱40可与常规LED—起使用及实施。根据本发明，光谱40可通过组合形式的至少一个量子点及至少一个LED来实施。光谱40尤其适合用于在暗生长腔室或具有低水平环境光的腔室中照明至少一个植物。[0096]另外也应注意，实施方式40可易于与实施方式10、20、30、31、50、60、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0097]在图5中，半导体LED芯片发射频率在470nm波长下到达最高点，其中发射峰半高宽(FWHM)为30nm。在该情形中，波长上转换通过使用两种量子点上转换材料来完成。这两种波长上转换材料在660nm及604nm下具有单独的发射峰。图5示出在660nm波长下到达最高点且发射峰FWHM为105nm的来自这两种波长上转换材料的合并的发射峰。在该情形中，约60%(从峰强度计算得到)半导体LED芯片发射被两种单独的量子点“上转换”材料上转换为660nm发射。[0098]应注意光谱50可与常规LED—起使用及实施。根据本发明，光谱50也可通过组合形式的至少一个量子点及至少一个LED来实施。光谱50尤其适合用于在暗生长腔室或具有低水平环境光的腔室中照明至少一个植物。[0099]另外也应注意，实施方式50可易于与实施方式10、20、30、31、40、60、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0100]在图6中，半导体LED芯片发射频率在452nm波长下到达最高点，其中发射峰半高宽(FWHM)为25nm(图6中未示出)。在该情形中，波长上转换通过使用一种上转换量子点材料来完成。图6示出在658nm波长下到达最高点且发射峰FWHM为80nm的来自该上转换材料的发射峰。在该情形中，约100%(从峰强度计算得到)半导体LED芯片发射被量子点上转换材料上转换为658nm发射。这可从图6注意到，因为无452nm发射离开LED及量子点装置。[0101]应注意光谱60可与常规LED—起使用及实施。根据本发明，光谱60也可通过组合形式的至少一个量子点及至少一个LED来实施。光谱60尤其适合用于在暗生长腔室或具有低水平环境光的腔室中照明至少一个植物。[0102]另外也应注意，实施方式60可易于与实施方式10、20、30、31、40、50、70和/或80中的任一个置换和/或组合。[0103]在图7中，半导体LED芯片发射频率在452nm波长处到达最高点，其中发射峰半高宽(FWHM)为25nm。在该情形中，波长上转换通过使用一种上转换量子点材料来完成。图7示出在602nm波长下到达最高点且发射峰FWHM为78nm的来自该上转换材料的发射峰。在该情形中，约95%(从峰强度计算得到)半导体LED芯片发射被波长上转换量子点材料上转换为602nm发射。[0104]应注意光谱70可与常规LED—起使用及实施。根据本发明，光谱70也可通过组合形式的至少一个量子点及至少一个LED来实施。光谱70尤其适合用于在暗生长腔室或具有低水平环境光的腔室中照明至少一个植物。[0105]另外也应注意，实施方式70可易于与实施方式10、20、30、31、40、50、60和/或80中的任一个置换和/或组合。[0106]图8示出使植物中生物质产生最大化的最佳化光谱80。最佳化光谱优选用本申请中所述的本发明照明装置来产生。光谱80在生长箱栽培中具有特殊优势，其中所述生长箱为暗箱，g卩，具有零或低水平日光和/或环境光。根据本发明，产生光谱80的本发明照明装置可被置于所述箱中且使生物质产生最大化。本发明人已通过实验发现光谱80的生物质最大化特征。[0107]另外也应注意，实施方式80可易于与实施方式10、20、30、31、40、50、60和/或70中的任一个置换和/或组合。[0108]所用LED及上转换量子点材料及尺寸应以从LED及量子点装置获得所需发射光谱的方式进行选择。[0109]概括而言，通过调谐LED波长、LED光谱及强度、量子点种类和/或量子点尺寸分布，有可能从LED及量子点装置调谐所需发射光谱，且通过调谐量子点数目，有可能调谐组合的LED及量子点装置的所需上转换量子点芯片发射数量/量。[0110]本发明还涉及一种促进植物生长的照明器具，其包含至少一个上转换量子点，所述量子点具有包括在600nm至700nm波长范围内的峰的光谱特性。[0111]通过使用该方法，光源可被设计成在与现有技术相比时达到优异的PPF及每瓦特PPF效率及性能及极低功率消耗及极长操作寿命。[0112]在一些实施方式中，在300nm至500nm频率的发射由半导体LED芯片产生且在400nm至800nm频率的发射是利用LED芯片辐射功率的完全或部分波长上转换来产生的。部分波长上转换可被选择成在5%至95%、优选35%至65%的半导体LED芯片辐射范围内。在一些实施方式中，产生400nm至800nm辐射的波长上转换通过使用邻近LED发射源的一种或多种量子点上转换材料来达成。[0113]在本申请中，上文中的“可调节(adjustable)”峰波长被解释为可在于工厂装配照明器具期间调节的峰波长和/或如在用于现场峰波长调节的照明器具中的可调度盘中也“可调节”。此外，在装置制造过程期间调节LED和/或量子点的峰波长也根据本发明，且“可调节”应解释为也包括在LED和/或量子点制造过程期间作出的调节。可调节峰波长的所有前述实施方式或任何其他可调节光源或LED和/或量子点变量均在本专利申请的范畴内。[0114]在本发明的一个特殊示例性实施方式中，具有6.6nm平均粒子尺寸及约+/-0.5nm粒子尺寸分布的CdSe-ZnS(核-壳)量子点纳米粒子与双组分硅氧烷密封剂树脂一起混合。混合比率为硅氧烷树脂中含0.2重量％纳米粒子。含有纳米粒子的树脂被作为密封剂分配至塑胶引线芯片载体(PLCC)中，组成PLCC腔室中的InGaN发光二极管。发光二极管经测定在450nm波长范围下具有电致发光发射。[0115]将具有含纳米粒子的密封剂材料的含有InGaN的PLCC包装连接至正向电压为3.2V且电流为350mA的DC电压电源。装置光学发射光谱被表征为引起两个发射峰，一个在450nm波长范围下且第二个在660nm波长范围下。观察到660nm波长范围发射峰的半高宽超过约60nm。450nm与660nm峰的强度比为0.5:1。前述实验已由申请人:进行。[0116]根据本发明，在一个灯具中包括具有不同发射峰的LED及量子点，且控制这些LED及量子点以便提供所需光谱发射以获得确定的生长结果或生理反应。以该方式，照明系统将允许对照明强度及光谱进行多样化控制。最终，其他非生物参数(诸如CO2浓度、温度、昼光可用性及湿度)的控制可与照明一起整合在同一控制系统内，优化作物生产力且全面管理温室。[0117]上文已参照前述实施方式解释本发明且已示出数种商业及工业优势。本发明的方法及配置允许对植物栽培中所用光的发射光谱进行更精确光谱调谐。因此，本发明实现在植物生长的光形态形成控制方面的出乎意外的改良及在植物生产方面的进一步改良。本发明也显著改良依赖人造光的植物栽培的能量效率。另外，收获物的品质被本发明的照明装置显著改良且由此带来与暗生长箱或环境光极有限的箱中的栽培有关的多种优势:首先，植物可更接近于消费场所生长，例如在大城市的住宅地下室中，从而消除运输成本。其次，植物可在传统上不可能发生农业生产的地形中生长，例如夏季热沙漠条件。第三，由于植物的品质被改良，故个体植物之间的一致性也被改良，这使收获更容易。这是因为存在较少的不合格个体且基于机器视觉的收获设备可在植物具有一致品质、尺寸及颜色时较好地将其识别。第四，植物的性质可以以受控方式改变，因为几乎所有的生长参数均在控制之中，这在栽培花及观赏植物时尤其有利。第五，植物的每日恒定光子剂量有助于营养成分的施用，因为营养成分剂量可维持全年相同。第六，在极热及阳光充足地形中，植物可在反射日光的不透明生长箱中生长。根据本发明的植物人工照明中所耗用能量与空气调节或冷却日光下植物所消耗的能量相比少得多。本发明对于已具有旧版LED系统的温室尤其有利。这些LED系统通常通过添加本发明的量子点阵列以获得本发明的照明方案就可进行升级。[0118]上文已参照前述实施方式解释本发明。然而，本发明显然不仅局限于这些实施方式，而且包含在本发明构思及专利权利要求的精神及范畴内的所有可能实施方式。[0119]参考文献[0120]W02010/053341A1,“用于满足植物的光形态形成需要的磷光体转换发光二极管(Phosphorconversionlight-emittingdiodeformeetingphotomorphogeneticneedsofplants)”，Zukauskas等人，2010。[0121]W02009/048425A1，“制造基于氮化物的无磷光体红光及白光LED(FabricationofPhosphorfreeredandwhitenitride-basedLEDs)，，，Soh等人，2009。【权利要求】1.一种用于植物栽培的照明装置，其包含至少一个LED(101)，其特征在于所述照明装置(100)包含不同尺寸的多个量子点(110、120、130、140、150、160)，所述多个量子点被配置成将LED光上转换为较长波长。2.权利要求1的照明装置，其特征在于所述至少一个LED(101)，及所述多个量子(110、120、130、140、150、160)点的尺寸分布被配置成产生与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似的聚集体发射光谱，除了所述发射光谱被配置成省去黄绿光(500-600)nm或提供极低强度的黄绿光(500-600)nm且包含在远红外光700nm至800nm谱带中的高强度光谱特征。3.权利要求1的照明装置，其特征在于至少一个所述量子点(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使所述量子点被配置成吸收光子且发射光子至在植物(310、311)中具有特定光形态形成效应的光子光谱中的谱带。4.权利要求4的照明装置，其特征在于所述实现的光形态形成变量为以下生物参数中的任一个:植物(310、311)在不同时间点或采收成熟时的重量、叶数、根质量、茎高度、化学组成(诸如维生素、矿物质和/或营养成分含量和/或浓度)。5.权利要求1的照明装置，其特征在于所述量子点(110、120、130、140、150、160)中至少一个由以下合金中的任一种制成:硒化镉、硫化镉、砷化铟、磷化铟和/或硫硒化镉。6.权利要求1的照明装置，其特征在于量子点(110、120、130、140、150、160)的所述尺寸分布包含在Inm至20nm范围内的不同尺寸的量子点。7.权利要求1的照明装置，其特征在于至少一个所述量子点(110、120、130、140、150、160)通过胶体合成法产生。8.权利要求1的照明装置，其特征在于至少一个量子点(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使其在红光或远红外光600nm至800nm谱带中发射。9.一种用于植物栽培的照明方法，其包含以下步骤:用至少一个LED(101)照明至少一个植物(310、311)及不同尺寸的多个量子点(110、120、130、140、150、160),光由所述不同尺寸的多个量子点(110、120、130、140、150、160)吸收，光由所述不同尺寸的多个量子点(110、120、130、140、150、160)在比吸收辐射长的波长下发射。10.权利要求9的照明方法，其特征在于所述多个量子点(110、120、130、140、150、160)的尺寸分布及所述至少一个LED(101)产生与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似的聚集体发射光谱，除了所述发射光谱省去黄绿光(500-600)nm或提供极低强度的黄绿光(500-600)nm且包含在红光及远红外光600nm至800nm谱带中的高强度光谱特征。11.权利要求9的照明方法，其特征在于至少一个所述量子点(110、120、130、140、150、160)的尺寸经选择以致产生对植物(310、311)具有特定光形态形成效应的光子光谱中的具有预先设定的相对强度的谱带或多种谱带的光子发射。12.权利要求11的照明方法，其特征在于所述实现的的光形态形成变量为以下生物参数中的任一个:植物(310、311)在不同时间点或采收成熟时的重量、叶数、根质量、茎高度、化学组成(诸如维生素、矿物质和/或营养成分含量和/或浓度)。13.权利要求9的照明方法，其特征在于所述量子点(110、120、130、140、150、160)中至少一个由以下合金中的任一种制成:硒化镉、硫化镉、砷化铟、磷化铟和/或硫硒化镉。14.权利要求9的照明方法，其特征在于所述量子点(110、120、130、140、150、160)中至少一个为核-壳量子点且由以下合金中的任一种制成:硒化镉、硫化镉、砷化铟、磷化铟和/或硫硒化镉。15.权利要求9的照明方法，其特征在于量子点(110、120、130、140、150、160)的所述尺寸分布包含在Inm至20nm范围内的不同尺寸的量子点。16.权利要求9的照明方法，其特征在于至少一个所述量子点(110、120、130、140、150、160)通过胶体合成法产生。17.权利要求9的照明方法，其特征在于至少一个量子点(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使所述量子点在红光及远红外光600nm至SOOnm谱带中发射。18.一种温室照明装置，其特征在于所述照明装置包含至少一个量子点(110、120、130、140、150、160)及至少一个LED(101)。19.一种园艺照明器具，其包含至少一个量子点及至少一个LED，所述LED具有以下特性:a)包括在600nm至700nm波长范围内的峰且被配置成显示出至少50nm以上的半高宽的第一光谱特性；b)具有最大50nm半高宽且被配置成显示出在440nm至500nm范围内的峰波长的第二光谱特性，及c)在600nm至800nm频率的全部或一部分发射是利用所述至少一个量子点对LED芯片辐射功率进行全部或部分波长上转换来产生的。20.一种园艺照明器具，其包含至少一个LED及至少一个量子点，所述量子点被配置成对来自所述LED的发射辐射进行上转换，所述LED具有以下特性:a)包括在600nm至700nm波长范围内的峰且被配置成显示出至少50nm以上的半高宽的第一光谱特性；b)具有最大50nm半高宽且被配置成显示出在440nm至500nm范围内的峰波长的第二光谱特性，及c)在500nm至600nm波长的至少一部分或全部发射被配置成最小化和/或省去和/或减少至低于400nm至500nm谱带中的强度且低于600nm至700nm谱带中的强度。21.权利要求19的照明器具，其中在500nm至600nm波长的至少一部分或全部发射被配置成最小化和/或省去和/或减少至低于400nm至500nm谱带中的强度且低于600nm至7OOnm谱带中的强度。22.权利要求19、20和/或21的照明器具，其中所述量子点具有以下光谱特性:在500nm至800nm波长范围内具有可自由调节的峰且被配置成显示至少30nm的半高宽。23.权利要求19、20、21和/或22的照明器具，其中所述LED和/或量子点的第一光谱特性、第二光谱特性及任选的第三光谱特性的发射强度被配置成可调节。24.权利要求19至23任一项的照明器具，其包含第二LED和/或量子点，所述第二LED和/或量子点具有至少一个最大50nm半高宽及在400nm至500nm范围内的峰波长的光谱特性并任选具有第二光谱特性及被配置成在450nm至800nm范围内具有可自由调节的峰波长的第三光谱特性。25.权利要求19至24任一项的照明器具，其中每瓦特所述器具的PPF值为0.35以上。26.权利要求19至25任一项的照明器具，其中光谱发射特性、强度、峰波长及半高宽受到量子点的尺寸、数目及种类的控制。27.权利要求19至26任一项的照明器具，其中a)第一量子点具有包含在600nm至700nm波长范围内的峰波长且被配置成至少显示至少50nm的半高宽的第一光谱特性；b)第一LED还具有包含在440nm至500nm波长范围内的峰的第二光谱特性；及c)第一量子点任选具有在500nm至800nm范围的范围内的可自由调节峰波长且被配置成显示出至少30nm半高宽的第三光谱特性；d)所述第一光谱特性、第二光谱特性及任选的第三光谱特性的发射强度可以任何比率调节。28.权利要求27的照明器具，其包含第二LED和/或量子点，所述第二LED和/或量子点具有至少一个最大50nm半高宽及在400nm至500nm范围内的峰波长的光谱特性并任选具有第二光谱特性及在450nm至800nm范围内具有可自由调节的峰波长的第三光谱特性。29.一种园艺光的发光部件，其包含:-发光二极管(LED)半导体芯片；及-直接邻近量子点芯片沉积的光波长上转换量子点；所述部件能够发射两个特征性光发射峰`，且在500nm至600nm波长的至少一部分或全部发射被配置成最小化和/或省去和/或减少至低于400nm至500nm谱带中的强度且低于600nm至700nm谱带中的强度。30.权利要求29的发光部件，其中所述光波长上转换量子点被直接沉积在LED芯片的表面上或与其他光学材料间隔开。31.权利要求29或30任一项的发光部件，其中所述发光二极管(LED)半导体芯片具有在440nm至500nm范围内的峰发射。32.权利要求29至31任一项的发光部件，其中所述波长上转换量子点被配置成将一部分由量子点半导体芯片发射的光发射能量转换为600nm至700nm的高波长。33.权利要求29至32任一项的发光部件，其中所述两个特征性光发射峰分别在440nm至500nm及600nm至700nm。34.权利要求29至33任一项的发光部件，其中所述两个特征性光发射峰中一个省去至少50nm半高宽的光谱特性并且另一个省去最大50nm半高宽的光谱特性，且两者在不同波长范围。35.权利要求1、19和/或20的照明装置或照明器具在为至少一个植物提供光中的用途，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。36.权利要求29的发光部件在为至少一个植物提供光中的用途，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。37.一种增强植物生长的方法，其中至少一个权利要求1、19和/或20的照明装置或照明器具向至少一个植物发射光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。38.一种增强植物生长的方法，其中至少一个权利要求29的发光部件向至少一个植物发射光，其中所述至少一个植物在环境光中或在以所述照明装置或照明器具作为唯一光源的暗腔室中。39.权利要求1、19、20和/或29任一项的发光装置、发光器具和/或发光部件，其中所述发光装置、发光器具和/或发光部件被遮光腔室包围，所述遮光腔室可以任选被盖子封闭。【文档编号】H01L33/06GK103503173SQ201280012688【公开日】2014年1月8日申请日期:2012年2月8日优先权日:2011年3月17日【发明者】拉尔斯·艾卡拉,伊尔卡·基维马基申请人:瓦洛亚公司