CN106211459A - 一种高效大波段生物刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效大波段生物刺激装置，其电磁波辐射波长介于265‑800nm之间，通过向生物发射特定特征峰值波长的电磁波以促进或抑制生物的生长发育，且其提供的电磁波的半波峰宽度极窄，从而以最少的能量实现对生物最大的刺激效果，实现大幅度节能。并进一步地以占空比调整驱动电流的形式独立调控各波段的辐射强度，以在对生物实现按时间、按需求给光的同时，进一步降低能耗。本发明可应用于植物培养、动物养殖及医疗等领域，具有极高的经济性和实用性。

Description

一种高效大波段生物刺激装置

技术领域

本发明涉及LED灯具领域，尤其涉及一种高效大波段生物刺激装置。

背景技术

光作为生态因子，其对生物所产生的影响日益被人们所接受与重视。以植物为例，光不仅作为一种能源控制着植物的光合作用，还作为一种触发信号影响着植物生长发育的所有方面，从种子发芽到脱黄化作用到对营养形态学(茎的生长和叶的伸展)、二十四小时节律的开始、基因表达、向地性和向光性等。以动物为例，光对动物的内分泌的调节作用极为显著，当日与夜的比例发生大的变化时，动物体内的激素控制就会受到干扰，引起不适。比如禽类，一般认为禽类有两个光感受器：其一是视网膜感受器—眼睛；其二是下丘脑感受器，光线刺激经视神经到达下丘脑。另外，光线也可以作用于松果体及下丘脑。下丘脑接受刺激后分泌促性腺释放激素，该激素通过垂体门脉系统到达垂体前叶，引起卵泡的发育和排卵。发育的卵泡产生雌激素，促使母鸡输卵管发育并维持其机能，使母鸡鸡冠变红、趾骨开张等第二性征显现。雌激素还能促进钙的代谢，有利于蛋壳形成。排卵激素则引起母鸡排卵。以微生物为例，有的微生物是必须要有光照的，比如光合细菌，如果没有光照则生长缓慢或者不生长，而有的微生物是对光敏感型的，也就是光照能抑制。

但生物对光的需求并不是简单的来者不拒，以植物为例，不同种类的植物对于光谱各个谱段的需求不一致，同一植物在不同的时间段对光的需求也不一致，在传统的供光过程中，除一部分光被吸收促进植物的生长，更多的无用光谱被反射，而造成浪费，更有甚者对植物的生长造成反效果。于是，人们研究各种光源以期望对植物按需给光，以获得能影响生物生长发育的光源，但仍旧不可避免存在一些缺陷：

1、目前的光源的研究及使用多局限于可见光(400nm-760nm)区域，而忽略了除可见光波段外的电磁辐射对生物的影响，实际应用中可选择性小；

2、如图1所示，普遍采用诸多不同波长的LED芯片去拟合目标光谱，可以看出用于拟合目标光谱的波长间具有重叠的波段，重叠波段越多效能的浪费就越多，而为了使拟合曲线更贴近目标光谱，光源中LED芯片的数量及规格必然进一步增加，从而增加制造成本并使效能进一步降低。并且，所述的目标光谱曲线也只是相对优化的一个较为适合生物生长的光谱，而事实上生物对电磁辐射的需求也存在最大吸收峰，拟合光谱的方式实质上相近于在一定区间内以遍撒网的方式覆盖生物对电磁辐射的最大吸收峰，其效能比起盲目照明有了很大的提高，但还是不可避免地存在较大的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高效大波段生物刺激装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效大波段生物刺激装置，包括驱动电路及LED光源，其特征在于：所述LED光源为激光光源，其发射出的电磁波谱包括两个或两个以上介于200nm-1000nm间的特征峰值波长，所述特征峰值波长的半波宽小于或等于15nm。

优选地，所述特征峰值波长包括：λ1＝800nm、λ2＝730nm、λ3＝660nm、λ4＝658nm、λ5＝640nm、λ6＝638nm、λ7＝590nm、λ8＝560nm、λ9＝535nm、λ10＝530nm、λ11＝520nm、λ12＝510nm、λ13＝505nm、λ14＝476nm、λ15＝468nm、λ16＝460nm、λ17＝450nm、λ18＝440nm、λ19＝425nm、λ20＝395nm、λ21＝385nm、λ22＝375nm、λ23＝365nm、λ24＝315nm、λ25＝300nm、λ26＝280nm、λ27＝275nm、λ28＝265nm。

优选地，所述激光光源发出的电磁波波长为730nm及660nm,用于控制草莓花期和提高座果率。

优选地，所述激光光源发出的电磁波波长为660nm及450nm,用于改善叶菜的质量以及产量。

优选地，所述驱动电路包括PWM模块，通过PWM模块改变脉冲频率以调整所述激光光源的驱动电流，脉冲频率为0-200KHz，激光光源的辐射强度在0-100％范围内可调，从而实现所述特征峰值波长的选择性输出。

优选地，在所述PWM模块作用下，所述LED光源只发出波长为540nm的单一特征波长，用于促进白羽鸡的生长。

优选地，在所述PWM模块作用下，所述LED光源只发出波长为590nm的单一特征波长，用于驱逐蛾类昆虫。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、摒弃低效能的光谱拟合方式，寻找265-800nm波段之间的28个对生物影响最大的特定峰值波长对生物施加影响，且所产生的特征波长的半波宽狭窄(小于或等于15nm),从而将能量集中在宽度狭窄的特定峰值波长中释放，减少了芯片组的数量，并且在使用能耗上大幅度节能；

2、涵盖了265-800nm的电磁辐射波段，波段范围大，应用范围广，可应用于杀菌消毒、禽类养殖及植物生长等；

3、使用占空比调整驱动电流的方式，根据植物不同时段的不同需求对各特征峰值波长的LED芯片进行独立的控制，进一步降低了能耗，实现高效能。

附图说明

图1为以不同波长的光拟合目标光谱的示意图；

图2为28个特征波长及对生物的影响；

图3为控制草莓花期和提高座果率为目的的全电磁波控制装置的发射光谱图；

图4为其它的LED植物生长灯与本实施例所采用全电磁波控制装置的能耗对比；

图5为其它的LED植物生长灯与本实施例所采用全电磁波控制装置对草莓花期和座果率的影响对比；

图6为以叶菜为培养对象的全电磁波控制装置的发射光谱图；

图7为以白羽肉鸡为培养对象的全电磁波控制装置的发射光谱图；

图8为白光、红光、蓝光及绿光对白羽肉鸡的料肉比的影响；

图9为以驱离害虫为目的的全电磁波控制装置的发射光谱图；

图10为本发明的摘录的一些应用例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种高效大波段生物刺激装置包括驱动电路及LED光源，所述LED光源为激光光源，其发射出的电磁波谱包括两个或两个以上介于265nm-800nm间的特征峰值波长，所述特征峰值波长的半波宽小于或等于15nm。

本发明所优先采用的确定峰值的波长包括：λ1＝800nm、λ2＝730nm、λ3＝660nm、λ4＝658nm、λ5＝640nm、λ6＝638nm、λ7＝590nm、λ8＝560nm、λ9＝535nm、λ10＝530nm、λ11＝520nm、λ12＝510nm、λ13＝505nm、λ14＝476nm、λ15＝468nm、λ16＝460nm、λ17＝450nm、λ18＝440nm、λ19＝425nm、λ20＝395nm、λ21＝385nm、λ22＝375nm、λ23＝365nm、λ24＝315nm、λ25＝300nm、λ26＝280nm、λ27＝275nm、λ28＝265nm，各特征波长对应的效果如图2所示。

LED激光光源通过所述驱动电路中的PWM模块改变脉冲频率调整驱动电流，脉冲频率为0-200KHz，以使得各波段的辐射强度在0-100％之间独立可调，从而实现在不同的时段，针对不同的生物开启或关闭特征峰值波峰，从而使其适用范围大大提高，并且由于采用了占空比的调整方式，在植物不需要给光或只需要较弱的辐射强度时，减少供电时间，进一步节约了能耗，提升了效能。

实施例1

如图3所示的是以控制草莓花期和提高座果率为目的的全电磁波控制装置的发射光谱图，可以看出，其发射的特征峰值波长为两个，分别为660nm及730nm，其半波宽为15nm。其特征峰值波长660nm及730nm通过四元半导体材料的混杂形成不同的能带，在不同能带中电子跃迁产生辐射而获得。

如图4所示的是采用其它的LED植物生长灯与本实施例所采用全电磁波控制装置的对比表格，在该表格中，其它LED灯均采用多种芯片集成以拟合番茄生长光谱的方式，故而其功率值都较大，功率值最高的达到70W，最少的为15W。如图5所示的是在各种光源下草莓的生长情况，在草莓整个生长周期内的生物量(产量)可能有所不同，但是在最终收获产量时候，本实施例所采用的全电磁波控制装置，其产量和采用拟合曲线的连续光谱的功率为70W的光源所获得的产量近乎相同(差值在5％以内)，而功率值却仅为9W，效能极高。

实施例2

如图6所示的是以叶菜为培养对象的全电磁波控制装置的发射光谱图，可以看出，其发射的特征峰值波长为2个，分别为450nm及660nm，其半波宽为15nm。通过对两个峰值波长的辐射强度和比例的调控，可以改善叶菜的质量以及产量。当蓝红光比为100:0时，特征波长450nm发挥作用，促进蛋白质和有机酸的合成；当蓝红光比为66:34时，刺激根部的生物量积累，提高生菜的酚类含量，在移植后促进叶菜生长；当蓝红光比为34:66时，增加维他命含量及花色素的含量；当蓝红光比为0:100时，特征波长660nm发挥作用，此时光合作用效率最大，叶绿素含量增加，使叶菜叶片增大。

实施例3

如图7所示的是以白羽肉鸡为培养对象的全电磁波控制装置的发射光谱图，通过PWM模块控制其只发射一个特征峰值波长540nm(辐射强度为36molm-2s-1)。如图8所示的是白光、红光、蓝光及绿光(540nm)对白羽肉鸡的料肉比的影响,可以看出，在540nm峰值波长的照射下，白羽鸡的料肉比显著降低。

实施例4

如图9所示的是以驱离蛾类昆虫为目的的全电磁波控制装置的发射光谱图，通过PWM模块控制其只发射一个特征峰值波长，其特征峰值波长590nm可以通过四元半导体材料的混杂形成不同的能带，在不同能带中电子跃迁产生辐射而获得；也可以通过5-10nm直径的纳米荧光粉的转换形成二次电磁辐射，改变其原始的触发波长完成，配合确定频率的脉冲占空比输出(辐射强度为7mol m-2s-1)，达成良好的驱虫效果。

如表格10所示的是本发明的一些应用例，在此不一一列出，组合应用28个特征波长有针对性地利用光对生物的生化作用，对生物的生命现象、生长规律、某些病理过程等进行干预，在获得预期甚至超出预期的干预结果的同时最大程度地降低能耗。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高效大波段生物刺激装置，包括驱动电路及LED光源，其特征在于：所述LED光源为激光光源，其发射出的电磁波谱包括两个或两个以上介于265nm-800nm间的特征峰值波长，所述特征峰值波长的半波宽小于或等于15nm。

2.根据权利要求1所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：所述特征峰值波长包括：λ1＝800nm、λ2＝730nm、λ3＝660nm、λ4＝658nm、λ5＝640nm、λ6＝638nm、λ7＝590nm、λ8＝560nm、λ9＝535nm、λ10＝530nm、λ11＝520nm、λ12＝510nm、λ13＝505nm、λ14＝476nm、λ15＝468nm、λ16＝460nm、λ17＝450nm、λ18＝440nm、λ19＝425nm、λ20＝395nm、λ21＝385nm、λ22＝375nm、λ23＝365nm、λ24＝315nm、λ25＝300nm、λ26＝280nm、λ27＝275nm、λ28＝265nm。

3.根据权利要求1所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：所述激光光源发出的电磁波波长为730nm及660nm,用于控制草莓花期和提高座果率。

4.根据权利要求1所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：所述激光光源发出的电磁波波长为660nm及450nm,用于改善叶菜的质量以及产量。

5.根据权利要求1所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：所述驱动电路包括PWM模块，通过PWM模块改变脉冲频率以调整所述激光光源的驱动电流，脉冲频率为0-200KHz，激光光源的辐射强度在0-100％范围内可调，从而实现所述特征峰值波长的选择性输出。

6.根据权利要求5所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：在所述PWM模块作用下，所述LED光源只发出波长为540nm的单一特征波长，用于促进白羽鸡的生长。

7.根据权利要求5所述的一种高效大波段生物刺激装置，其特征在于：在所述PWM模块作用下，所述LED光源只发出波长为590nm的单一特征波长，用于驱逐蛾类昆虫。