專利名稱：用于頂棚間照明的光學設備、照明設備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于頂棚間照明的光學設備、對應照明設備和照明系統(tǒng)，并且更具體地涉及在植物的預定目標區(qū)中提供豎直和水平均勻照明分布的頂棚間照明。
背景技術(shù)：
為了增加溫室中的作物產(chǎn)量，除了自然太陽光之外還應用補充同化光。具體而言，應用具有電功率600-1000W的高強度放電燈(HID燈)(比如S0N-T)。因此，溫室中的光水平增加，從而造成當與僅用太陽光工作的溫室相比時每平方米溫室面積產(chǎn)生的作物產(chǎn)量更高。然而，比如番茄或者黃瓜這樣的植物生長至數(shù)米高。在這種情況下，與光源最近的上方葉子吸收大部分的入射光。以這種方式形成的陰影區(qū)導致下方葉子對于光合作用的使用效
率更低并且因此造成更少產(chǎn)出。為了進一步增加每平方米溫室面積的作物產(chǎn)量，附加同化光源照射陰影區(qū)中的植物。這一照明概念稱為頂棚間照明。典型地通過照射如下豎直區(qū)中的植物來實現(xiàn)高效頂棚間照明，該區(qū)開始于植物的生長葉子的最低部分并且停止于植物的頂部以下近似O. 5m。到達這一豎直區(qū)以外的植物部分的光或者朝著地板或天花板損失或者到達植物的已經(jīng)由定位于植物上方的照明體充分照射的部分。典型地，通過在成行植物(比如番茄或者黃瓜)之間布置HID燈而與植物行的預定距離通常在40cm與I. Om之間、與鄰近燈的距離通常為I. 9m來提供頂棚間照明。這些幾何條件與這些燈的朗伯(Iambertian)光分布組合在植物表面上造成強可變水平和豎直輻射。另外，通過在成行植物之間布置燈，頂棚間照明阻隔了溫室的工人必須可達的工作區(qū)。已知可縮回HID燈系統(tǒng)，在這些燈系統(tǒng)中暫時縮回燈以清空工作區(qū)便于工人到達。隨后必須重新定位燈以提供頂棚間照明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是克服如上文討論的現(xiàn)有技術(shù)的問題并且提供一種用于溫室中的植物的頂棚間照明的可替換的和改進的光學設備、照明設備和系統(tǒng)。本發(fā)明的又一目的是當在角度之下照射預定義目標區(qū)時在目標區(qū)中提供豎直和水平的均勻照明分布。本發(fā)明提供一種關(guān)于豎直和水平方向產(chǎn)生不對稱照射圖案、用于植物的頂棚間照明的光學設備、照明設備和照明系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，這一和其它目的由一種用于頂棚間照明的光學設備實現(xiàn)，該光學設備包括光輸入?yún)^(qū)，用于從光源接收光；第一表面，具有第一貝賽爾曲線；以及第二表面，具有第二貝塞爾曲線。第一和第二貝塞爾曲線被相互獨立選擇，并且布置成使得光學設備關(guān)于它的中心軸旋轉(zhuǎn)不對稱。在朝著中心軸的方向上反射在第一表面中反射的接收光，并且在背離中心軸的方向上反射在第二表面中反射的接收光，由此在預定義區(qū)域中提供豎直和水平的均勻照明分布，該區(qū)域是在角度之下照射的。因此，提供一種用于提供光的準直和不對稱分布的光學設備，該光學設備是有利的并且布置成這樣在兩個意義上創(chuàng)建光的不對稱強度分布。首先，布置光學設備使得射出光學設備的光的豎直和水平分布的寬度顯著不同?？梢赃x擇豎直強度分布為窄，而又同時可以選擇水平強度為寬，這有利于在期望和指定區(qū)(預定義區(qū)域(稱為目標區(qū)))內(nèi)提供用于植物的頂棚間照明。具體而言，目標區(qū)由植物的總寬度和高度的在從地面的指定最小距離開始的子部分定義。其次并且同時，豎直強度分布不對稱(例如可以向下比向上引導更多光)。因此，有利地實現(xiàn)當在角度之下照射時的預定義目標區(qū)中的水平均勻照射分布。這在提供必須滿足用于植物照明的均勻性標準的照明時有利。根據(jù)光學設備的一個實施例，第一和第二表面借助全內(nèi)反射(TIR)來反射光。因此，有利地提供緊湊光學設備。根據(jù)光學設備的一個實施例，光學設備包括布置在光輸入?yún)^(qū)的光學兀件。光學兀件是錐形截頂透鏡，透鏡的基部在光輸入?yún)^(qū)。透鏡的截頂為凹形。由此，布置光學元件使得準直進入光學兀件并且沿著朝著光輸出表面的方向行進的光，而同時在朝著光學兀件側(cè)部的方向上行進的光被引向第一和第二表面。由此隨著經(jīng)由光輸入?yún)^(qū)進入的光被準直成以更·高效地朝著光學設備的光輸出面分布，光學設備的效率增加了。這保證沒有光在透鏡之后撞擊第一和第二表面。由此，原本會在豎直方向上展開的光到達目標區(qū)。根據(jù)光學設備的一個實施例，它包括布置于光輸入?yún)^(qū)的光學元件，該光學元件被布置成通過布置成包括不對稱自由形式成形部分、移位的圓柱形部分、橢圓形部分或者傾斜橢圓形部分之一來以不對稱方式對接收光重定向。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于植物的頂棚間照明的照明設備，該照明設備包括至少一個光源，布置于基板上；以及根據(jù)本發(fā)明的光學設備。光學設備被布置成從至少一個光源接收光。預定區(qū)域是植物的預定目標區(qū)。由此，提供在植物的目標區(qū)中的豎直和水平均勻照射分布。由于光在如上文針對光學設備描述的兩個意義上的不對稱強度分布，可以選擇第一和第二表面使得目標區(qū)即使在角度之下被照射時仍然接收均勻照射。根據(jù)照明設備的一個實施例，用于青春期植物的預定目標區(qū)的高度被選擇成覆蓋植物高度的100%。對于全生長植物，預定目標區(qū)的高度被選擇成覆蓋植物高度的10% -50%這一范圍，這有利于提供作物的高產(chǎn)量。根據(jù)照明設備的一個實施例，基板被布置成鏡面反射。這提供反射回的回收光朝著植物的高效重定向。根據(jù)照明設備的一個實施例，基板包括金屬反射層。這提供光學效率的增加。金屬層可以是如Al、Ag等任何適當金屬。根據(jù)照明設備的一個實施例，基板具有平坦、拋物線、圓錐形狀、組合的平坦與平坦傾斜壁、組合的平坦與拋物線壁以及組合的平坦與貝塞爾形壁之一的形狀。向基板提供適當成形增加光學效率，這是有利的。根據(jù)照明設備的一個實施例，光源為發(fā)光二極管。照明設備有利地用來將發(fā)光二極管發(fā)射的光局限于稱為目標區(qū)的窄區(qū)。為了提供適用于植物的頂棚間照明的光，優(yōu)選地使用中等功率或者高功率LED。根據(jù)照明設備的一個實施例，在設備中利用多個光源。光源被布置成發(fā)射紅色與藍色光的組合或者紅色與白色光的組合。取決于植物類型，到達植物的光學功率的5% -20%應當為藍色。具體而言，以多種顏色在到達植物時徹底混合這樣的方式在照明設備中分布光源。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于植物的頂棚間照明的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個根據(jù)本發(fā)明的照明設備；用于相對于植物的預定目標區(qū)將照明設備布置于預定高度&和預定水平距離Cltl的裝置，使得照明設備被布置成提供用于照射植物的預定目標區(qū)的均勻和有向光束圖案。根據(jù)系統(tǒng)的一個實施例，在全生長植物的高度的10-50%以及青春期植物的高度的100%的范圍內(nèi)選擇預定目標區(qū)的高度。
根據(jù)系統(tǒng)的一個實施例，在I. 0-3. Om這一范圍內(nèi)選擇水平距離(Itl，這是有利的，因為這提供用于溫室工作人員的充分工作區(qū)域。根據(jù)系統(tǒng)的一個實施例，可移動地布置系統(tǒng)使得它能夠被上提和下放。注意本發(fā)明涉及在權(quán)利要求書中記載的特征的所有可能組合。


現(xiàn)在將參照示出了本發(fā)明實施例的附圖更詳細描述本發(fā)明的這一和其它方面。圖I是根據(jù)本發(fā)明的光學設備的一個實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D。圖2a)是根據(jù)本發(fā)明的照明設備的一個實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D，以及圖2b)是圖2a)中所示照明設備的實施例的示意性橫截面俯視圖。圖3a)是根據(jù)本發(fā)明的照明設備的一個實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D，以及圖3b)是根據(jù)本發(fā)明的照明設備的一個實施例的示意性橫截面俯視圖。圖4a)至圖4c)是圖示了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式現(xiàn)在下文將參照附圖更全面描述根據(jù)本發(fā)明的實施例，在附圖中示出了本發(fā)明的某些實施例。然而本發(fā)明可以用許多不同形式來實施而不應解釋為限于這里闡述的實施例；相反，通過例子提供這些實施例，使得本公開內(nèi)容將透徹而完整并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全傳達本發(fā)明的范圍。相似標記全篇指代相似元件。在下文描述中，將光學效率定義為到達植物的光量相對于用來照射植物的目標區(qū)的光源發(fā)射的光量。目標區(qū)的寬度(即，水平延伸)是溫室中的一行植物的任何典型寬度，即，它可以范圍在5m與70m之間。另外，發(fā)光二極管(LED)代表下文指代的任何光源。然而任何其它適當光源在本發(fā)明的范圍內(nèi)也適用。 均勻在本申請中根據(jù)下文定義。在目標區(qū)內(nèi)，可以針對豎直橫截面以及針對水平橫截面發(fā)現(xiàn)最小照度Eniin和最大照度E_。均勻照度對應于針對兩個橫截面而言比值(Eniin/已_) 1^:豎直，11:水平)應當至少為O. 7。圖I示出了具有光輸入?yún)^(qū)109和光輸出區(qū)111的光學設備100。光學設備100沿著光軸ο. a.居中。光學設備100具有從光輸入?yún)^(qū)109向光輸出區(qū)111延伸的第一表面120。另外，第一表面100具有由第一貝塞爾曲線定義的形狀。光學設備100具有從光輸入?yún)^(qū)109向光輸出區(qū)111延伸的第二表面110。第二表面110由第二貝塞爾曲線定義。相互獨立選擇第一和第二貝塞爾曲線。第一表面120和第二表面110是有理二次貝塞爾曲線描述的表面。這意味著每個曲線由起點Po、終點P2以及未落在Ptl與P1之間的直接連接上的控制點P1描述。對于光學設備100，P0定義起始半徑而P2定義結(jié)束半徑。點P1定義曲率。另外，運用的有理貝塞爾曲線利用落在O與I之間的兩個權(quán)值參數(shù)。這樣，向可能的曲率給予更多自由度。布置第一表面120和第二表面110使得光學設備100關(guān)于它的中心軸旋轉(zhuǎn)不對稱。光輸入?yún)^(qū)109被布置成從優(yōu)選地與光輸入?yún)^(qū)相鄰布置的光源接收光。參照圖I中的光束B,選擇第一表面120的貝塞爾曲線使得在朝著中心軸的方向上反射在第一表面120中反射的接收光(光束B)。另外，選擇第二表面110的貝塞爾曲線曲線使得在背離中心軸的方向上反射在第二表面110中反射的接收光(見光束A)。圖2a)和圖2b)示出了具有小光源(例如發(fā)光二極管(LED) 101)的照明設備200，該LED裝配于基板103上并且與光學設備100’的光輸入?yún)^(qū)109相鄰定位。LED 101朝著光輸入?yún)^(qū)109發(fā)射發(fā)散光，并且在光學設備100’中接收的光這里由布置于光學設備中的光學元件準直。光學元件是布置于光輸入?yún)^(qū)109的準直器102。準直器102被布置為錐形截頂透鏡，該透鏡具有其基部在光輸入?yún)^(qū)109或者代之以充當光輸入?yún)^(qū)109。透鏡的截頂為凹形。在錐的一側(cè)上射出準直器102的光的第一部分在第一表面120上入射(與圖I中的光束B相比)并且在朝著中心軸的方向上通過全內(nèi)反射來反射、然后從光輸出區(qū)111提取出。同時，在錐的一側(cè)上射出準直器102的光的第二部分在第二表面110上入射(與圖I中的光束A相比)并且在背離中心軸的方向上通過全內(nèi)反射來反射、然后從光輸出區(qū)111提取出?；旧涎刂O備的光軸在向前方向上并且因此朝向光輸出區(qū)111 (光學設備的出射面)行進的光由準直器102準直。朝向第一表面110和第二表面120射出的光未被準直。因而概括而言，準直器102在向前方向上減少角度擴展，該方向不會被第一和第二表面120、110反射并且不會以別的方式被準直而同時不會側(cè)向影響角度擴展。第一光束和第二光束具有不同光強度分布(與圖I中的A和B相比)，并且從光輸出區(qū)111提取出的光的總光強分布是光的第一和第二部分(并且此外還有離開光學設備100’而未在第一和第二表面中反射的任何光)的疊加。輸出的光是例如適合于覆蓋預定目標區(qū)的均勻和有向光束圖案。在豎直方向上生成的強度分布(lm/sr)顯然不同于水平方向。此外，該布置還提供豎直強度分布，該分布取決于為光學設備選擇的定向，本身在比朝著目標的更高部分將更多的光引向目標區(qū)的更低部分或者反之亦然的意義上是不對稱的。在光學元件的替代實施例中，光學元件被布置成以不對稱方式對來自光源的光重定向。這可以通過在準直器的截頂節(jié)段中布置非球面形透鏡(未示出)來完成。在光學設備200的實施例中通過向基板涂覆鏡面反射材料或者反射層(例如金屬層)來制造基板103。這樣，當應用照明設備作為植物的頂棚間照明時，例如借助反向散射原本損失的光被基板反射并且被回收而且重新引向植物表面。計算表明，通過使用具有85%反射的鋁(Al)層，對于如下文參照圖4a)_圖4c)描述的系統(tǒng)可實現(xiàn)9、0%的光學效率。另外，基板的形狀有利地被布置成增加光學效率。圖3a)圖示了具有基板的照明設備300，該基板具有略微準直的拋物線形狀104。計算表明，通過使用這樣的略微準直的基板104，對于如如下文參照圖4a)-圖4c)描述的系統(tǒng)可實現(xiàn)90%以上的光學效率。另外,如圖3b中描繪的另一照明設備400具有如下的基板，該基板具有布置成朝著目標區(qū)反射光的平坦基部105與平坦傾斜壁106?；宓钠渌赡苄螤钍清F形、組合的平坦與拋物線壁、和組合的平坦與貝塞爾曲線形壁(未示出)。根據(jù)本發(fā)明的一個或者多個照明設備可以布置于照明體(未示出)中?？梢岳霉庠吹牟煌伾?，這在提供植物的頂棚間照明時是優(yōu)選的。通常利用紅色和藍色LED或者白色和紅色。照明設備在水平方向上展開光，從而在植物上徹底混合分布于照明體中的藍 色和紅色或者白色和紅色LED發(fā)射的光。通常，在植物上的輻射的5% -20%應當是藍色。在溫室中提供植物的受控培育或者保護。現(xiàn)在參照圖4a),在溫室中傳統(tǒng)上有利用的兩種主要照射源(太陽和頂部照射60 (典型是天花板裝配的HID燈))。另外，為了說明本發(fā)明概念，圖示了根據(jù)本發(fā)明的用于頂棚間照明的系統(tǒng)的一個實施例的一般原理，并且在圖4a至圖4c)中圖示了在溫室中的照明設備(或者如上文說明的照明體)的可能位置。系統(tǒng)通常包括多個照明設備或者照明體600，這些設備或者照明體布置于由預定高度Iltl定義的位置以照射通常布置成成行適用培育床20中的植物50的目標區(qū)。這里包括多個照明設備的一個照明體600可見，每個照明設備布置有適用顏色的一個LED (通常這樣地實現(xiàn)藍色與紅色或者白色和紅色在植物表面上的混合)。預定高度h由來自照明設備的光的方向確定。在圖4a)中，照明體600向下近似28度分布光，這使照明設備比目標區(qū)定位更高(由更低高度限制h2和更高高度限制Ii1支配)。這里選擇照射的角度為向下28度，然而照射的所選角度通?；诰唧w植物種類和植物的生長期。通常在全生長(full grown)植物的高度的10-50%這一范圍內(nèi)以及按照青春期植物的高度的100%選擇目標區(qū)的高度(即Ii1-Ii2)。在第一,清況下,預定高度是Iitl > hp照明設備布置于與目標區(qū)相距水平距離Cltl處，該距離被選擇成使得照明體600位于溫室工作人員的工作區(qū)WA以外。由于照明體600中的照明設備的不對稱形狀，光被有效引向從地面以上高度h開始而在高度h2結(jié)束的目標區(qū)。因此這里在近似28度向下的豎直角度下輻射植物的目標區(qū)。在圖4b)中示出了另一例子，其中在近似45度向上的豎直角度下輻射目標區(qū)。豎直角度大于或者等于O度(O度意味著輻射的方向平行于目標區(qū)法線，如圖4c所示)ο在番茄植物的情況中，Ii1是I. 5-2. 9m這一級而h2近似為I. 0m。因而目標區(qū)在豎直方向上具有O. 5-1. Om的尺寸。在這些境況之下，運用無反射基板并且如圖4中所示定位的照明設備的系統(tǒng)可以達到約70%的光目標效率。如先前描述的那樣，可以通過運用反射基板來顯著增加光目標效率，該反射基板可以可選地成形。在照明設備與目標區(qū)之間的典型間距為O. 5m-l. 5m(水平方向)。用于裝配照明設備的典型高度約為2. 0m，然而對于如上文解釋的來自照明設備/照明體的輻射的各種豎直角度，照明設備的其它位置是可適用的。為了避免光在植物的其它部分中損失，在豎直方向上需要強準直。取上述用于系統(tǒng)的給定參數(shù)，典型目標區(qū)對應于從照明設備/照明體在豎直方向上近似20度的光束寬度。上文已經(jīng)描述如在所附權(quán)利要求書中限定的根據(jù)本發(fā)明的光學設備、照明設備和系統(tǒng)的實施例。這些實施例應視為非限制示例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的那樣，許多修改和替代實施例在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。應注意，出于本申請的目的并且具體關(guān)于所附權(quán)利要求書，詞“包括”未排除其它元件或者步驟， 詞“一個/ 一種”未排除多個/多種，這本身對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于頂棚間照明的光學設備(100)，包括 光輸入?yún)^(qū)(109)，用于從光源接收光； 第一表面(120)，具有第一貝賽爾曲線；以及 第二表面(110)，具有第二貝塞爾曲線， 所述第一和第二貝塞爾曲線被相互獨立選擇，并且布置成使得所述光學設備關(guān)于它的中心軸旋轉(zhuǎn)不對稱， 其中在朝著所述中心軸的方向上反射在所述第一表面中反射的接收光，并且在背離所述中心軸的方向上反射在所述第二表面中反射的接收光，由此在預定義區(qū)域中提供豎直和水平的均勻照明分布，所述區(qū)域是在角度下照射的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學設備，其中所述第一和第二表面借助全內(nèi)反射TIR來反射光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的光學設備，還包括布置于所述光輸入?yún)^(qū)的光學元件，其中所述光學元件是布置成其基部在所述光輸入?yún)^(qū)的錐形截頂透鏡，其中所述透鏡的截頂為凹形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的光學設備，還包括布置在所述光輸入?yún)^(qū)的光學元件，其中所述光學元件被布置成通過布置成包括不對稱自由形式成形部分、移位的圓柱形部分、橢圓形部分或者傾斜橢圓形部分之一，以不對稱方式對所述接收光重定向。
5.一種用于植物的頂棚間照明的照明設備，包括 至少一個光源，布置于基板上；以及 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的光學設備，所述光學設備被布置成從所述至少一個光源接收光，其中所述預定義區(qū)域是所述植物的預定目標區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的照明設備，其中用于青春期植物的所述預定目標區(qū)的高度被選擇成覆蓋所述植物高度的100%，其中對于全生長植物，所述預定目標區(qū)的高度被選擇成覆蓋所述植物高度的10% -50%這一范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或者6所述的照明設備，其中所述基板被布置成鏡面反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明設備，其中所述基板包括金屬反射層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或者8所述的照明設備，其中所述基板具有平坦、拋物線、圓錐形狀、組合的平坦與平坦傾斜壁、組合的平坦與拋物線壁、以及組合的平坦與貝塞爾形壁之一的形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中的任一權(quán)利要求所述的照明設備，其中所述光源為發(fā)光二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中的任一權(quán)利要求所述的照明設備，其中在所述設備中利用多個光源，其中所述光源被布置成發(fā)射紅色與藍色光的組合或者紅色與白色光的組合。
12.一種用于植物的頂棚間照明的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個根據(jù)權(quán)利要求5至11中的任一權(quán)利要求所述的照明設備； 用于相對于所述植物的預定目標區(qū)將所述照明設備布置于預定高度&和預定水平距離d0的裝置； 其中所述照明設備被布置成提供用于照射所述植物的預定目標區(qū)的均勻和有向光束圖案。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中在全生長植物的高度的10-50%以及青春期植物的高度的100 %的范圍內(nèi)，選擇所述預定目標區(qū)的高度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或者13所述的系統(tǒng)，其中在I.0-3. Om的范圍內(nèi)選擇所述水平距離d0
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中的任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中可移動地布置所述系統(tǒng)使得它能夠被上提和下放。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于頂棚間照明的光學設備(100)，該光學設備包括光輸入?yún)^(qū)(109)，用于接收光；第一表面(120)，具有第一貝賽爾曲線；以及第二表面(110)，具有第二貝塞爾曲線。第一和第二貝塞爾曲線被相互獨立選擇，并且布置成使得光學設備關(guān)于它的中心軸旋轉(zhuǎn)不對稱。在朝著中心軸的方向上反射在第一表面中反射的接收光，并且在背離中心軸的方向上反射在第二表面中反射的接收光，由此在預定義區(qū)域中提供豎直和水平均勻照明分布，該區(qū)域是在角度之下照射的。因此，可以選擇豎直強度分布為窄，而又同時可以選擇水平強度為寬，這有利于在期望的植物的目標區(qū)中提供頂棚間照明。同時，豎直強度分布不對稱，這有利于滿足用于植物照明的均勻性標準。
文檔編號F21V7/00GK102792093SQ201180011963
公開日2012年11月21日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者C·塔納斯, L·C·卡斯珀 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司