用于暗生长箱的植物照明装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于暗生长箱的植物照明装置和方法。本发明专利技术还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，本发明专利技术涉及一种具有半导体光发射方案的照明装置及适用于温室和/或暗生长箱环境中植物栽培的装置。认为本发明专利技术的最佳模式为具有LED的照明装置，其在暗生长箱中产生与光合作用有效辐射(PAR)光谱类似的发射光谱。本发明专利技术的方法及配置允许对植物(310、311)栽培中所用光的发射光谱进行更精确光谱调谐。因此，本发明专利技术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(尤其在暗生长箱，诸如地下室中)方面的进一步改良。

Plant lighting devices and methods used in dark growth boxes

The invention relates to a plant lighting device and method for dark growth boxes. The invention also relates to an improved method for producing artificial light for plant cultivation. More specifically, the present invention relates to a lighting device with a semiconductor optical emission scheme and a plant suitable for plant cultivation in a greenhouse and / or a dark growth box environment. It is considered that the best mode of the invention is an illumination device with LED, which produces a similar emission spectrum of the effective radiation (PAR) spectrum in the dark growth box. The method and configuration of the invention allow for more precise spectral tuning of the emission spectra of light used in plant (310, 311) cultivation. Therefore, the invention realizes the unexpected improvement in the control of the formation of light form of plant growth and further improvement in plant production, especially in the dark growth box, such as the basement.

【技术实现步骤摘要】
用于暗生长箱的植物照明装置和方法本申请是国际申请日2012年2月8日、国际申请号PCT/FI2012/050119于2013年9月10日进入中国国家阶段、申请号201280012637.1、专利技术名称“用于暗生长箱的植物照明装置和方法”的申请的分案申请。
本专利技术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，本专利技术涉及一种具有适用于温室环境中植物栽培的半导体光发射方案的照明装置。
技术介绍
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：6H2O+6CO2(+光子能)→C6H12O6+6O2。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。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)。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。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、茎伸长、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。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。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波长的辐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。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WO2010/053341A1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(诸如茎高度)。此处引用该文献作为参考。发光二极管(LED)日渐普及。LED所用的特有新结构为量子点，即，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WO2009/048425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。现有技术有大量缺点。现有技术荧光管、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。此外，现有技术荧光管、LED及磷光体配置作为植物的主光源极差，在暗生长腔室(诸如建筑的地下室等)中产生较差品质收获物。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)。十分明显地，需要对抗全球发展中国家的饥饿以及减少发达国家中食物及植物生产的环境影响的更复杂的植物栽培技术。
技术实现思路
所研究的本专利技术涉及一种有效实现量子受限半导体照明装置的系统及方法，所述量子受限半导体照明装置以比之前更佳的精度解决植物的光形态形成需求。在本专利技术的一个方面中，量子受限以量子点的形式实现(即，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实施本专利技术。根据本专利技术的一个方面，量子点-发光二极管以不同尺寸的量子点为特征。在量子点中，尺寸与发射能量负相关，即，较小量子点发射较高能量。在本专利技术的一个方面中，量子点的尺寸分布经选择以致其产生聚集体发射光谱，所述聚集体发射光谱对用本专利技术的所述量子点-发光二极管发射的人造光栽培的植物具有有利的光形态形成效应。本专利技术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使用LED和/或量子点来促进植物生长的新方式。本专利技术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和/或量子点装置。本专利技术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和/或量子点装置的用于温室栽培和/或暗生长箱栽培的照明器具。本专利技术的第三目的为获得一种LED和/或量子点装置，其提供在300nm至800nm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)。本专利技术的第四目的为提供一种基于LED和/或量子点的温室和/或暗生长箱栽培照明器具，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％。本专利技术的第五目的为提供一种技术方案，其与由温室栽培或暗生长箱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(即，PPF相对于所用功率瓦特数)，且因此为温室和/或生长箱栽培过程及其中所用的人工照明提供能量有效光源。本专利技术的第六目的为提供一种单一光发射源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种照明系统，其包含：在其中限定暗腔室的外壳；以及园艺照明器具，所述园艺照明器具包含：至少一个第一发光二极管(LED)和/或量子点，所述第一发光二极管(LED)和/或量子点具有a)包括660nm波长处的峰波长的第一光谱特性，和b)具有450nm波长处的峰波长的第二光谱特性，其中所述第一光谱特性的强度高于所述第二光谱特性的强度。

【技术特征摘要】
2011.03.17 EP 11158698.8;2011.03.29 US 61/468,8561.一种照明系统，其包含：在其中限定暗腔室的外壳；以及园艺照明器具，所述园艺照明器具包含：至少一个第一发光二极管(LED)和/或量子点，所述第一发光二极管(LED)和/或量子点具有a)包括660nm波长处的峰波长的第一光谱特性，和b)具有450nm波长处的峰波长的第二光谱特性，其中所述第一光谱特性的强度高于所述第二光谱特性的强度。2.权利要求1的照明系统，其中来自于所述第一LED和/或量子点的在500-600nm波长处的至少一部分或全部光发射被减少至低于400-500nm谱带中的强度且低于600-700nm谱带中的强度。3.权利要求1的照明系统，其中所述第一LED和/或量子点的第一光谱特性和第二光谱特性的发射强度是可调节的。4.权利要求1的照明系统，其中每瓦特所述园艺照明器具的光合作用光子通量(PPF)值为0.35μmols-1m-2以上。5.权利要求1的照明系统，其中所述第一光谱特性和第二光谱特性各自的强度以及所述第一光谱特性和第二光谱特性各自的峰波长受到量子点的尺寸、数目及种类的控制。6.权利要求1的照明系统，其中所述至少一个LED和/或至少一个量子点的尺寸被构造成在远红外光700-800nm谱带中发射。7.一种用于植物栽培的照明装置，其包含：权利要求1中限定的园艺照明器具，其中所述照明装置包含不同尺寸的多个量子点。8.权利要求7的照明装置，其中至少一个发光二极管(LED)和/或所述多个量子点的尺寸分布被构造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，所述聚集体发射光谱提供较低强度的黄绿光500-600nm谱带且包含在远红外光700-800nm谱带中的较高强度光谱特征。9.权利要求7的照明装置，其中至少一个量子点的尺寸经选择以致所述至少一个量子点在对植物具有实...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔斯·艾卡拉，伊尔卡·基维马基，
申请(专利权)人：瓦洛亚公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI