CN109140287B - 光照装置及相应方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于园艺应用的诸如箱或柜的装置(10)包括在被光照平面(S)和与被光照平面(S)平行的光照平面(12)之间的光照空间，光照空间具有反射至少部分光的侧壁(141，142)。被照射平面可以由植物培养基(P)的上表面限定。相对于光照平面(12)居中地布置的一组(18)光辐照源例如LED在辐照发射轴(X102)的方向上朝向被光照平面(S)投射光辐照。该组光辐照源(100，102)以朝向被光照平面(S)投射的照度分布发射光辐照，该照度分布是不均匀的并且根据相对于前述辐照发射轴(X102)的角度(θ)而逐渐减小，其中，辐照在侧壁(141，142)上的反射有利于在被光照平面(S)的均匀照度。

Description

光照装置及相应方法
技术领域
本公开内容涉及光照装置。
一个或更多个实施方式可以被用于例如在家庭环境中的园艺应用(蔬菜例如植物的栽培)。对这种可能的应用环境的参考不应该被视为对实施方式的限制。
背景技术
有限尺寸或者通常在提供了光照点的分布的环境下(例如，在家庭环境中的园艺应用)的各种光照装置可以设想使用固态光照(SSL)源诸如LED源。
这些应用共享通用技术光照应用——例如与容易地并且以低成本在例如矩形形状的被照射表面上提供良好光分布的可能性关联的通用技术光照应用——的各个方面。
在园艺应用的情况下(通常利用这个名称指示涉及蔬菜例如植物的生长的应用)，一个额外的复杂因素来源于以下事实：在该环境下，可以使用例如具有不同的发射光谱、分别分组和驱动的不同类型的光辐照源(例如LED)。因此，即使在所使用的每个类型的源的范围内(例如，对于在某个发射场中发射的所有LED源)，也期望能够获得均匀的光分布。
仍然参考园艺应用，可以将光照源(例如LED和与其相关联的光学装置)布置在受控制的环境条件(例如关于光照、颜色分布以及湿度和温度值)下栽培植物的诸如箱或板条箱的容器(“柜”)中。
在这些应用中，期望能够在这个平面上实现在照度方面(也关于颜色)尽可能均匀的分布。照度是表示撞击关于点的表面元件的光通量与元件本身的面积之间的关系的光度量。照度可以通过由源发射的光通量与被光照区域的表面面积之间的关系来获得。
使用一个或更多个分布阵列的光源例如LED——其可以包括不同类型的LED，可以通过针对每个LED使用单个透镜或者通过针对LED的特定组件或LED群组(例如反射器)使用单个光学器件来实现均匀的照度，其中产生对朝向(例如矩形形状的)被照射表面发送的光照束进行成形动作的效果。特定阵列的LED和光学元件可以被再现并且联接至其他类似的结构，并且因此可以照射较大的表面面积。
已知能够提供能够均匀地照射平坦表面的发射分布的透镜，例如用于背光应用，以在显示器(例如在用于电视的屏幕、计算机显示器、智能手机或平板计算机中使用的显示器)上创建均匀的平坦照度场。
诸如US 8382338 B2或US 7348723 B2的文献例示了使用非对称透镜来均匀地照射平面查看器的系统。这些光学系统(透镜)被布置成非常接近被照射的表面，使得背向反射光对侧壁的贡献被忽略。
用于应用诸如以上讨论的园艺应用的箱或柜可以具有不比光照装置的尺寸大很多的尺寸(例如，具有在10和20之间的比例因子)。因此，为了在所述平面上实现尽可能均匀的照度分布，从容器的壁反射到控制平面(布置了培养基的平面)的光是不可忽略的。
在这样的应用环境中，由壁反射的分量不可忽略：在这种环境下，使用具有以上引用的两个专利文献中描述的光学特性的透镜装置，在培养平面上产生的照度分布将决不是平坦且均匀的。
发明内容
一个或更多个实施方式旨在有助于提供与以上概述的各个方面有关的改进的解决方案。
根据一个或更多个实施方式，由于本申请的光照装置而实现了该目的。
一个或更多个实施方式可以涉及制造或设计的相应方法：设计方法的可专利性由文献诸如EP 1112433 B1或EP 1117894 B1证明。
权利要求书形成本文提供的与实施方式有关的技术公开内容的组成部分。
一个或更多个实施方式允许考虑壁的反射贡献，相应地调整透镜的形状(例如通过例如根据被照射的“箱”的尺寸来使透镜非对称)，改善参考平面(培养平面)上的照度的均匀性，还通过与光辐照源(包括透镜)的位置一起作用来改善颜色均匀性。
例如，在一个或更多个实施方式中，可以执行以下步骤：
将与LED相关联的“自由形式”非对称透镜轮廓与被建模的透镜的形状一起应用，以产生照度分布，在设置在距透镜特定距离处的参考平面上(在假设不存在侧壁的情况中)考虑该照度分布时，该照度分布逐渐地(平滑地)减小，并且
将各个光照源布置成阵列例如线性或矩阵。
一个或更多个实施方式可以提供以下优点中的一个或更多个：
由于被照射表面例如矩形上的光分布的充分均匀性而效率更高；
通过使用非对称的透镜轮廓而使控制平面上的照度和颜色更均匀；
抑制了相关成本，例如以下的可能性：i)使用单一类型的成形透镜部件用于阵列中的光照源(例如LED)，ii)制造机械部件和成形透镜的标准联接，以及iii)由于机械部件与成形透镜部件的标准联接而获得防止外部介质侵入的保护(例如IP等级)；
根据单个透镜距具有改善的颜色和照度的均匀性的被光照空间的壁的距离来“定制”透镜的可能性；
根据被照射空间的壁的不同反射特性实现对透镜的进一步定制的可能性，在这种情况下也具有改善颜色和照度的均匀性的可能性；
借助于使阵列中的光照源中的一些未对准以改变光束的输出角度、实现对颜色和照度的均匀性的改善、同时保持相同的透镜元件的解决方案来进一步改善这些特性的可能性。
附图说明
现在将参照附图仅通过非限制性示例来描述一个或更多个实施方式，在附图中：
图1和图2是例示了使用一个或更多个实施方式的可能环境的透视图；
图3示意性地示出了可以在实施方式中使用的光辐照源；
图4是可以在实施方式中使用的透镜的透视图；
图5和图6分别是根据与图5的线VI-VI对应的平面(图6的视图)和与图6的线V-V对应的平面(图5的视图)的图4的透镜的截面图；
图7至图10是光发射特性的说明图，其中图9和图10各自包括分别用a)、b)和c)指示的三个部分；
图11至图13例示了如图4至图6所示的可能的透镜生产标准；
图14至图17包含用于实现实施方式的标准的示例图；
图18至图20示出了在实施方式中组装光辐照源的各种可能性；以及
图21是实施方式的可能变型的示例，包括分别用a)、b)和c)指示的三个部分。
将理解，为了说明的清楚和简化，各个附图中的视图可以不以相同的比例再现。
具体实施方式
以下描述示出了各个具体细节，以便提供对实施方式的各种示例的透彻理解。可以在没有一个或更多个具体细节的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来获得实施方式。在其他情况下，未详细示出或描述已知的结构、材料或操作，使得实施方式的各个方面没有呈现不清楚。
在本说明书的上下文中对“实施方式”的引用指示关于该实施方式描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在本说明书中的各个点处可以出现的句子诸如“在实施方式中”不一定是指完全相同的实施方式。此外，特定配置、结构或特性可以以任何方便的方式在一个或更多个实施方式中组合。
本文中使用的参考仅仅是为了方便而提供的，并且因此不限定实施方式的保护领域或范围。
图1和图2示出了例如可用于园艺应用以促进植物生长的光照装置的可能特性。
在一个或更多个实施方式中，装置10包括能够呈现例如大约500mm(长度L1)乘以400mm(宽度L2)乘以200mm(高度L3)的尺寸的平行六面体空间。此处呈现的定量值当然仅仅是实施方式的非限制性示例。
在一个或更多个实施方式中，这样的空间例如可以被限定为其中可以布置植物培养材料(例如适于种植的土壤)的“柜”或板条箱或培养箱。
如图2所例示的，因此这样的柜可以包括：
上壁(或“天花板”)12，
彼此相对并且平行的第一对(主)侧或壁141，
彼此相对并且平行的第二对(次)侧或壁142，以及
底壁16。
图2中例示的装置可以包括安装在箱(为了简洁起见，根据本说明书的剩余部分中使用的名称)的上壁12上的阵列18(例如线性或矩阵)中的光辐照源(例如LED)，以便将光辐照从顶部朝向底部投射到用S表示的培养平面上，在培养平面中可以存在植物P。
平面S(其处需要尽可能均匀的照度)与箱的底壁16基本上平行地延伸，例如位于距上表面12大约120mm的距离H处：在该情况下，其也仅仅是示例性的值，而不是对实施方式的限制。
在一个或更多个实施方式中，光辐照源的阵列18可以设置在上壁12的中心区域处，以便从中心位置开始从上方照射表面S。
可以给出如下重要方面：侧壁141、142的内表面(为了简单起见，现在将假设这适用于所有的壁)可以呈现出关于光辐照的反射特性，使得从源18发射的辐照的一部分在从侧壁141、142反射之后到达平面S。
例如，壁141、142的光的反射特性可以被合理地假设为朗伯(Lambertian)型，例如假设侧壁141、142(的内表面)具有带有大约80％的反射率的白色；当然这些仅是实施方式的示例性和非限制性的值。
在一个或更多个实施方式中，阵列18的光辐照源可以包括电动的光辐照发生器100，例如固态发生器，诸如LED，各个透镜102可以与之相关联。
如在本说明书的引言部分中已经说明的，在园艺应用中，使用具有不同发射特性的光辐照源的规定是已知的，例如，在电磁光谱的不同区域中例如在红色区域和蓝色区域中发射的光辐照源(参见例如文献诸如WO2017/060800A1)：用于选择和控制这种类型的源的标准在本领域中被认为是已知的，这使得在此详细回忆它们是多余的。
为了本目的，可以假设，下面讨论的照度(和颜色)均匀性目标旨在(也)在给定类型的每组光辐照源(例如，利用某些颜色发射辐照的光辐照源)内实现。
图3示出了包括例如两行或两排光辐照发生器(例如LED)100的光辐照源的阵列18，所述光辐照发生器在一个或更多个实施方式中可以与具有参照图4至图6更好地示出的特性的透镜102相关联。
图3的表示(包括两行或两排的源100、102的阵列18)仅仅是示例性的。实际上，一个或更多个实施方式可以使用光辐照源的仅一个线性阵列。类似地，其他实施方式可以使用包括多于两行或两排的光辐照源的阵列。此外，在一个或更多个实施方式中，可以使用不同构形的阵列。
在一个或更多个实施方式中，在图4至图6中例示的透镜例如透镜102可以表现为“非对称”透镜(从这种意义上说，作为整体其不具有传统透镜的旋转或圆柱对称性)。
在一个或更多个实施方式中，如图4至图6中例示的透镜102可以具有输入表面1021和输出表面1022(光辐照的输入和输出)，其中凹的输入表面1021(例如，具有圆顶形状)被设计成指向相关联的辐照发生器(例如LED)100。
在一个或更多个实施方式中，表面1021可以与发生器100接触，或者可以通过空气空间与发生器100分离(如在此呈现的示例中)。
关于材料的选择，在一个或更多个实施方式中，透镜例如在图4至图6中例示的透镜102可以由塑料材料(例如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯)或玻璃制成。
对作为示例引用的类型的材料(或类似材料)的选择允许将透镜的输入表面1021(面向发生器100)以及输出表面1022(与发生器100相对)两者配置为被描述为具有“自由形式”的二维轮廓的透镜。
如下所述，这些表面可以被优化，以有利于在以特定距离并且垂直于LED的光轴设置在透镜102前方的表面S(图2)上实现均匀的照度分布。
如下面所讨论的，一个或更多个实施方式旨在考虑壁141、142的反射效果，旨在以平面S上的照度分布(和颜色)满足以下的方式产生透镜102：
如果考虑到箱10的理想空间外部的透镜的效果，即可以说，假设不存在侧壁141、142，则平面S上的照度分布(和颜色)不同于均匀分布；
如果考虑到箱10的真实空间中的透镜的效果，也就是说，如果考虑存在具有其反射效果的侧壁141、142，则平面S上的照度分布(和颜色)替代地变成均匀分布。
在如图4至图6中例示的一个或更多个实施方式中，透镜102可以具有在如下相互旋转90°的两个截面平面中具有(明显)不同的截面轮廓的双瓣形状：例如参见图5和图6的截面平面。
这种非对称构形允许在平面S上实现均匀的照度，如在本文中例示的，平面S可以被假设为具有矩形形状。
在一个或更多个实施方式中，透镜102可以具有圆顶形输入表面1021，其中输出表面1022包括由中间凹面1023分开的成对的凸起(凸)部1022a、1022b。
在一个或更多个实施方式中，凹面1023可以在透镜102的中心主轴X102处与输入表面1021对准。
该轴(能够与源100、102沿着其朝向被照射平面S发射光辐照的方向对准)在图4中示出并且可以被看作与图5的VI-VI截面平面和图6的V-V截面平面之间的相交轴对应。
在一个或更多个实施方式中(例如通过对图2和图3的组合观察可以看出)，可以设想透镜102以凭借其最大延伸方向(即两个凸部1022a、1022b的对准方向)与箱10的主侧141对准的方式被安装。
虽然在附图中例示的实施方式中假设侧141比侧142长(L1>L2)，但是一个或更多个实施方式可以设想使用其中(L1<L2)的箱10，以及使用其中两对侧141、142具有相同的长度(L1＝L2)并且平面S的表面是正方形的箱10，因此其中箱10具有带有正方形设计截面的平行六面体形状。
在一个或更多个实施方式中，考虑到壁141、142的反射效果，透镜诸如透镜102允许对由辐照发生器(例如LED)100发射的光辐照的构形逐渐地(平滑地)“成形”，以在平面S上实现均匀分布。
使用多个发生器例如LED 100，其以线性或矩阵阵列布置、每个都设置有如在此示出的透镜102，还使用具有不同峰值的波长(例如，深红色、红色、蓝色和白色)的发生器100，可以在平面S上获得照度和颜色的良好的均匀性。
实际上，从每个发生器100开始的光通量可以被相应的透镜102扩展，使得从每个透镜开始获得的照度(以及因此获得的颜色)分布被叠加在平面S上，从而有利于获得高品质的均匀光照和均匀颜色。
图7和图8中的图例示了可通过透镜102诸如以上示出的透镜获得的光强度分布(图8中的纵坐标的强度—标度)的可能特性。
特别地，图7和图8中的图示出了可利用透镜102获得的光辐照分布的特性(假设参考发生器100诸如LED，在其输出处具有基本上朗伯光辐照分布)，其可以在两个正交平面(L＝0°和L＝90°，在实践中与图5和图6中的截面平面对应)中呈现两个侧峰。
图9和图10中例示了使用这种分布的可能效果。
图9例示了根据设置在距平面S的相同距离处的理想平面S'中的两个正交方向X和Y但是假设从箱如图1和图2中的箱10操作“出”即假设不存在壁141、142的可能照度趋势(以Lux为单位)。
通过查看部分b)和c)的图——分别参考同一附图的部分a)中表示的理想平面S'的X和Y尺寸——可以看出，上述强度分布在方向X、Y中的任一方向上都不均匀。
替代地，图10示出了在还考虑侧壁141、142的反射效果的情况下使用如可以利用透镜102实现的光强度分布在平面S上可实现的效果(为了简单起见，假设参考位于箱10的上壁12的中心处的单个光照分布)。
与图9比较看出，在图10的部分a)中表示的参考平面S上的总体结果在图10的X轴(部分b)的方向以及图10的Y轴(部分c)的方向两者上明显更均匀。
一方面图7和图8之间的比较以及另一方面图9和图10之间的比较(特别是后者)似乎乍一看是违反直觉的：实际上，考虑图7和图8中的图，期望在强度呈现最大值的角度处、在图10的平面S上出现照度峰值。
然而，对于将光强度I(θ)与照度E关联的关系，照度E与源和平面S上的被照射的元件之间的距离(随着角度增大而快速变化的距离)的平方成比例并且然后被投射到元件区域。
如下面更详细示出的，强度(I(θ))(作为相对于轴X102的角度θ的函数)和投射照度E实际上通过以下类型的关系关联：
E＝I(θ).cos(θ)/d2
对于发射光强度I(θ)的照射装置(例如透镜+源)和被光照平面的元件之间沿着相同角度θ的固定高度H，距离d可以表示为：
d＝H/cos(θ)
并且因此，将其代入前一个中：
E＝I(θ).cos(θ)3/H2
因此，在(投射)照度和强度I(θ)I之间，存在根据角度θ非常快速地从1向0变化的比例因子cos(θ)3。
因此，为了在被光照平面S上获得基本均匀的照度，为了补偿这种效果，强度I(θ)至少根据角度快速地增大，并且这可以归因于在图7和图8的图中可观察到的那些类型的侧峰的存在。
图11和随后的附图示出了用于选择透镜诸如透镜102的配置和/或尺寸的可能的可采用标准。
特别地，图11至图13涉及从辐照发生器(例如LED 100—角度qS)开始并且在从透镜102(角度qL)的表面1022输出处的光辐照的发射角度的可能值。上述角度参考已经在上面限定的光轴X102。
特别地，图12和图13中的图分别例示了角度qL(纵坐标标度)相对于输入角度qS(横坐标标度)的关系：
在纵向方向即凸部1022a、1022b的对准方向上——图12中的图，
在横向方向上——图13中的图。
可以观察到，在某种程度上整体特性与例如上面已经引用的专利文献US 7348723B2的图6至图8中所描述的类似。
然而，与前面在该较早的文献中描述的不同，在此处考虑qL总是大于qS的情况下，即使当qS接近光轴(角度≤5°)时：这也适用于纵向方向和横向方向两者。
对图12和图13中的图的观察还指示了该规则不再适用的极限角度值(在纵向方向上等于约75°并且在横向方向上等于约60°)的存在，因为从发生器100发射的光辐照撞击透镜的侧竖直壁(即它不再撞击自由形式的输出表面1022)。
一个或更多个实施方式可以基于对以下事实的认识：例如借助于透镜创建参考表面上的平坦照度场在同时期望以如下方式照射箱的侧壁的情况下不允许实现期望的结果：例如平面S上的植物即使在它们正在生长、位于靠近箱的壁处时也接收合适的照度。
原则上，可以考虑设计能够均匀照射比所期望的参考平面更大的参考平面的透镜。通过以这种方式进行，光照场的最远端处的光辐照的部分实际上可以到达箱的壁。然而，该解决方案不允许实现所期望的结果，由于来自平面S上的侧壁的背向反射光导致该平面上的照度不均匀。
在下面，可以使用可能的标准来限定透镜102的特性，以便当光辐照发生器100和透镜102被设置在设置有例如具有朗伯特性的反射侧壁141、142的箱10内部时，(也)允许获得参考平面的均匀照度。
下文所表达的考虑涉及假设平面S处于相对于光辐照源(阵列18)所位于的上壁的距离H处的图1和图2中例示的箱例如箱10。
以下分析处理涉及(参见图14)箱10可以被理想地细分的两半中之一，假设箱的另一半(图14中未示出)呈现出相对于假设光源被定位(发生器例如LED 100和透镜102)的图14的左侧上的竖直线的镜面对称特性。
通过在箱10内部传播，来自透镜102的光辐照遵循两个不同的路径。
第一路径直接撞击参考平面S的表面元件ET，而第二路径撞击侧壁(图14的右侧的141、142)以背向反射并且撞击参考平面S上的表面元件ET。
为了简单起见，可以假设平面S是完全吸收性的：这个假设是现实的，因为该平面被培养基例如用于植物的土壤覆盖，并且因此可以被认为是具有良好近似的吸收表面。
根据角度θW处的强度分布投射在平面上的照度EW之间的关系可以表示为以下形式：
Figure GDA0003532038060000101
其中，I(θW)是在角度θW处离开透镜102的光的强度，EW是壁的平面上的照度，并且dW是源和壁元件之间的距离。
由光照源照射的具有朗伯特性的壁的亮度可以表示为：
Figure GDA0003532038060000102
其中ρ是壁表面的反射率。
在此处考虑的简化模型中，参考平面的元件ET上的总照度由两个照度分量的总和给出：
Figure GDA0003532038060000111
其中ES是由仅光源并且通过透镜提供的照度，并且
Figure GDA0003532038060000112
是由来自壁元件的背向反射光提供的照度。
项
Figure GDA0003532038060000113
通常是相当复杂的，因为它考虑到如下事实：作为从壁背向反射的单个接收表面元件(ET)上的入射光原则上从壁(位于0和H之间的高度处)的每个小表面元件得到。
因此，来自源的撞击在侧壁上并且然后在同一接收表面元件ET上背向反射的光被添加至所有可能的角度
Figure GDA0003532038060000114
元件ET和
Figure GDA0003532038060000115
之间的距离是
Figure GDA0003532038060000116
考虑到壁的反射率与撞击壁的强度之间的关系，
Figure GDA0003532038060000117
可以表示为以下形式：
Figure GDA0003532038060000118
其中，Aw是面积元素。
结合之前所见的所有式子，由接收表面元件ET收集的总体照度可以表示为：
Figure GDA0003532038060000119
或者
Figure GDA00035320380600001110
其中已经引入的强度的传播因子P(θ，θW)被定义为：
Figure GDA00035320380600001111
这可以被认为是加权因子，该加权因子指示来自源的在角度θW之下的撞击壁的强度有多少有助于在从壁背向反射之后增大参考平面上的元件ET上的照度(由角度θ标识)。
由于角度
Figure GDA0003532038060000121
和距离
Figure GDA0003532038060000122
之间的关系
Figure GDA0003532038060000123
并且为了简单起见，由于只考虑壁表面上的固定位置的事实，可以写出：
Figure GDA0003532038060000124
其中已经引入常数k：
Figure GDA0003532038060000125
因此，总照度可以表示为：
Figure GDA0003532038060000126
其中θW是来自源、朝向壁元件的光所遵循的角度。
尽管存在该简化的描述，但是对总照度的式子的估计仍然是相当复杂的。实际上，期望存在只依赖于一个角度(θ)的表达式。
在这方面，可以观察到，角度θ和θW受到箱10的大小的限制：可以看出，
Figure GDA0003532038060000127
并且
Figure GDA0003532038060000128
得到
Figure GDA0003532038060000129
使得传播因子P(θ，θW)变成仅角度θ的函数：
Figure GDA00035320380600001210
并且
Figure GDA0003532038060000131
当需要参考平面的均匀照度而不考虑壁的存在时，可以推导出光源的强度分布的式子。
这种关系可以从上面看到的针对ES的表达式中容易地推导出来，并将其强加为常数：
Figure GDA0003532038060000132
对I(θ)求解，得到(参见图16中的虚线图)
Figure GDA0003532038060000133
其中使用了以下恒等式：
Figure GDA0003532038060000134
这种特别的强度分布使得可以更好地理解为什么生成它的透镜本身不能用于像此处考虑的情况。
实际上，如果还考虑壁的仅一个元件朝向参考平面S反射光的简单条件，那么参考平面S上的总照度分布可以表示为以下形式：
Figure GDA0003532038060000135
也就是说，以常数项ES(θ)和随着逐渐接近壁而增大的项
Figure GDA0003532038060000136
的形式，项
Figure GDA0003532038060000137
例如在图15中例示为以弧度表示的角度θ的函数(归一化照度)。
该图是根据箱外部的恒定照度使用强度分布在箱10内部可获得的参考平面上的归一化照度(纵坐标标度)的分布的示例图。该图示出，由于光从壁背向反射，因此随着逐渐靠近箱10的边缘，照度分布增大。
相反地，当需要参考平面S上的恒定照度分布(独立于θ)时，相同的关系提出了从透镜102开始的强度分布的可能选择，即：
Figure GDA0003532038060000141
其中ET在参考平面S上保持恒定(即其为相同的、独立于θ)。
图16中的图例示了作为以弧度表示的角度θ的函数并且利用箱10外部(虚线图)和箱10内部(实线图)的恒定照度源可获得的归一化强度的分布中的可能趋势。
通过使用该强度分布估计项ES(θ)，可以获得图17中用虚线表示的图。
该图示出，如果没有考虑箱10(即如果推理时没有考虑侧壁141、142)，则作为以弧度表示的角度θ的函数的在参考平面S上可获得的照度分布(归一化照度)不是平坦的，而是从箱的中心朝向边缘逐渐减小。
另一方面，如果该强度分布被设置在箱10的内部(具有朝向平面S反射光的侧壁141、142)，则参考平面上的照度分布变得基本上平坦，如由图17中的顶部处的实线图所例示的。
该图示出(以纵坐标)在参考平面S中的归一化的照度分布，与当在箱10内部使用该强度分布时获得的归一化照度(实线图)相比，该照度分布可以使用之前在箱外部看到的强度分布(虚线图)从源例如之前考虑的源开始获得。
对前述图的观察和之前进行的分析处理提供了以如下方式制造透镜102的标准：随着光束撞击中心位置(垂直地布置在透镜102的表面下方)与由侧壁限制的外部区域之间的参考表面S，强度分布逐渐增大。这是与允许获得同一区域中的均匀照度场(平坦的)的分布相比较的。
这种变型因子的干预规律可以根据各种参数例如壁的反射率来确定。
然而，将理解，由于以下各个方面，之前提供的处理具有简化的性质：
其仅考虑箱10的单个壁的贡献，而实际上，存在来自箱10的所有壁的贡献；
其仅考虑从某个点向前开始保持固定的单个壁元件的照度贡献，而实际上存在同一壁的所有元件的总和效应；
其仅考虑二维模型，而实际上存在来自每个壁的所有壁元件的照度贡献；
其没有考虑到若干透镜(参见例如图3)的存在以及光在箱10的各个壁上的多次反射的影响。
然而，已经证实，该简化模型还允许获得完全令人满意的结果。
除此之外，通过创建透镜102的表面以最佳地接近所需的理论强度分布，可以获得能够针对整个阵列18提供参考平面S上的良好的均匀度的透镜构形(例如在图4至图6中示出的透镜构形)。
透镜例如上面例示的透镜102具有非对称轮廓(如果考虑参考传统透镜的圆柱对称轮廓)。然而，来自这种透镜的光焦度具有在一个方向(例如在透镜长度的方向上，例如凸面1022a、1022b的纵向对准方向)上具有某种类型的辐照图形(radiation pattern)并且在横向方向(例如，在垂直于上述纵向方向的方向上)上具有不同的辐照图形的一定程度的对称性。
例如，通过检查来自如图7和图8中的图所例示的单个透镜的光强度的分布，可以理解这一事实。
在这些图中，可以看出，纵向方向上的强度分布用虚线表示，而垂直方向上的强度分布用连续曲线表示。
可以看到，通过从中心(0°)朝向具有75°(和60°，分别地)的值的侧峰单调地增大并且然后朝向峰值以上的较高角度值(例如90°)单调地减小的强度分布，可以促进在箱10(具有上面通过示例指示的尺寸)内实现均匀照射的表面。
对于阵列18中的光源(发生器，例如LED 100和透镜102)的可能分布，如之前已经描述的，在一个或更多个实施方式中，发生器100可以通过不同的参数诸如频谱、通量值和辐照图形而彼此不同。
在一个或更多个实施方式中，可以以阵列18中的(伪)随机方式分配具有不同颜色/功率的发生器100。然而，这可能使得更难以在被照射表面(平面S)上实现完全的颜色均匀性：不能排除相同颜色的LED最终被偶然地分组在阵列的一部分。
在一个或更多个实施方式中，可以基于平衡顺序来分配发生器100，以利于获得颜色和通量的均匀性。
举例来说，假设可以使用四种不同类型的LED，标识为LED1、LED2、LED3、LED4，这些LED可以根据类型的规律…、LED3、LED2、LED1、LED4、LED3、LED2、LED1、LED4...等以线性阵列进行分配。
在一个或更多个实施方式中，可以对发生器100和与之相关联的透镜102两者采用均匀分布，如图18中例示的，其中发生器100和透镜102两者均匀间隔。
在图19中例示的一个或更多个实施方式中，可以设想，利用均匀间隔的透镜102，发生器100以不均匀的方式间隔开，使得发生器100中的一个或更多个可以被设置在相对于各个透镜102的偏心位置。
以这种方式，可以在不改变透镜的形状的情况下根据应用和使用的需要来实现颜色和光照方面的均匀性的“调节”动作。
在如图20中例示的一个或更多个实施方式中，可以通过保持透镜102的关于发生器100为中心的安装位置但使用各个源(发生器100—透镜102)的不均匀间隔来实现类似的结果。
考虑因素诸如参照图18至图20所例示的考虑因素适用于线性阵列和包括若干行或排的矩阵阵列两者。
使用多个行或多个排(或者甚至可以是若干个阵列)，可以通过根据某些颜色序列或者利用从一排/阵列向另一排/阵列偏移的相同的颜色序列(例如，对于不同的排使用相同的序列，但是在每一排中使用与相邻排中的颜色LED不同的颜色LED来开始序列)在各个排/阵列中不同地分配源来进一步改善均匀性效果。
一个或更多个实施方式可能会设想使用不同的透镜102，以便能够修改辐照发射强度分布，例如通过将峰值置于不同的值(例如将它们从75°向50°或更小改变)以增大特定空间区域的光照功率。在这种情况下，可以使用一个或更多个阵列来均匀地照射表面S，但是设想存在旨在更强烈地照射某些区域的阵列。
例如，当箱10的侧壁141、142彼此不同例如具有透明或半透明壁(例如玻璃的或树脂玻璃的)以具有比其他壁的反射率更低(甚至低很多)程度的反射率时，可以使用这种类型的解决方案。
在这种情况下，可以使用将光强度集中在这些反射较少的壁(例如玻璃壁)附近的透镜102。
根据与图10的方法基本类似的方法，图21的图是指如下的可能性：至少在一个方向上使用非对称透镜轮廓102，以便例如以如下方式在参考平面S的X方向上具有基本均匀的照度并且在Y轴的方向上具有(较不)均匀的分布：例如图21的部分a)中的上方示出的平面S的部分比下方示出的部分被更强烈地照射，其中可以假设例如存在半透明壁诸如玻璃窗。
一个或更多个实施方式可以提供其中存在发射强度的峰值的角度值的增大(例如从75°至80°或更大)而不是减小(例如从75°至50°)，以便也部分地照射箱10的壁。
例如，可以采用这种类型的解决方案来在更高级的生长阶段将光照集中在植物上。
在一个或更多个实施方式中，透镜102不仅可以具有光学功能而且还可以具有机械功能。
例如，透镜诸如以上例示的透镜102可以具有用于定位密封元件或用于容纳能够与发生器100协作的电气部件(例如电气部件诸如SMD部件)的凹槽(例如包围输入表面1021的凹槽)。这些电气部件可以是诸如电阻器、集成电路等的部件。
以这种方式，也可以使用透镜102的主体作为光照装置(固定装置)的覆盖元件，因为由此可以减少待安装在一起的部件的数目并且还提高了光发射的效率。
在一个或更多个实施方式中，也可以在透镜102上施加(内部或外部)涂层以提高效率(其可以是例如抗反射涂层)或加强表面，使其对于刮伤、用溶剂腐蚀等较不敏感。
在一个或更多个实施方式中，透镜102还可以承担防止外部介质侵入的保护任务(例如，具有一定程度的IP保护)。
根据一个或更多个实施方式的装置(例如10)可以包括：
在被光照平面(例如S)和与被光照平面平行的光照平面(例如12)之间的光照空间，所述光照空间具有反射至少部分光的侧壁(例如141、142)，
一组(例如18)光辐照源(例如100、102)，其相对于光照平面居中地布置并且在(主)辐照发射轴(X102)的方向上朝向被光照平面投射(发射)光辐照，
其中，来自光辐照源的光辐照具有朝向被光照平面(例如S)投射的照度分布，所述照度分布是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴(例如X102)的角度(θ)而逐渐减小，辐照在侧壁(例如141、142)上的反射有利于在被光照平面的均匀照度。
换句话说，在一个或更多个实施方式中，光辐照源的光辐照可以具有朝向平面S投射的照度分布，使得如果不存在侧壁(例如壁141和壁142)，则被光照平面S上将存在具有根据相对于主发射方向的角度θ的减小趋势的不均匀的照度分布。在一个或更多个实施方式中，朝向平面S反射辐照的壁142、143的存在替代地例如为了有利于在被光照平面(标记S)处获得均匀的照度。
在一个或更多个实施方式中，该结果是利用不均匀的并且根据角度(θ)而逐渐增大的强度分布I(θ)可实现的，其可以根据关系如上面通过如下示例讨论的关系或根据类似的关系来表示。
Figure GDA0003532038060000181
以这种方式，在一个或更多个实施方式中，可以对辐照在侧壁(141、142)上的反射的贡献进行补偿，从而有利于在被光照平面(S)的均匀照度E(θ)。
在一个或更多个实施方式中，所述组中的光辐照源可以包括：
光辐照发生器(例如100)，可选地具有LED，以及
透镜(102)(例如参见图11至图13中的qS，qL)，其用于对由光辐照发生器(100)发射的光辐照的强度图形(intensity pattern)进行成形。
在一个或更多个实施方式中，透镜可以包括光轴(例如X102)、面向光辐照发生器的光辐照输入表面(例如1021)和面向被光照平面的光辐照输出表面(例如1022)，其中，离开透镜的输出表面的辐照相对于光轴形成比由进入透镜的输入表面的辐照相对于光轴形成的输入角度(例如qS)大的输出角度(例如qL)。
在一个或更多个实施方式中，透镜可以包括圆顶形光辐照输入表面和包括其间具有凹面(例如1023)的成对的凸部(例如1022a、1022b)的光辐照输出表面，该凹面与圆顶形输入表面对准。
在一个或更多个实施方式中，凸部之间的凹面可以存在中间平面，其中凸部相对于所述中间平面镜面对称。
在一个或更多个实施方式中，透镜可以机械地联接至可选地具有插入的密封件和/或相关联的电气部件的光辐照发生器。
在一个或更多个实施方式中，该组光辐照源可以包括光辐照源的至少一个线性阵列。
在一个或更多个实施方式中，透镜的输出表面的凸部可以相对于光辐照源的所述至少一个线性阵列的延伸方向横向地对准。
一个或更多个实施方式可以包括具有侧壁彼此相对的第一对侧壁(例如141)和第二对侧壁(例如142)的平行六面体光照空间。
在一个或更多个实施方式中，至少一个线性阵列可以与成对的侧壁中的一对侧壁平行地延伸。
在一个或更多个实施方式中，该组光辐照源可以包括等间距的源(例如参见图18)。
在一个或更多个实施方式中，该组光辐照源可以包括通过以下中的至少一个而彼此不同的光辐照源：
发射光谱，
所发射的光通量的值，
光发射图形(emission pattern)，
相对于该组中的相邻光辐照源的间距。
在一个或更多个实施方式中：
侧壁中的至少一个具有比其他侧壁低的光反射率，并且
所述不均匀投射的照度分布可以非对称地减小，其中在具有较低的光反射率的至少一个侧壁处减小为更小(例如参见图21)。
一个或更多个实施方式可以包括用于蔬菜(例如图2中的P)的培养基填料，培养基的表面限定了被光照平面。
根据一个或更多个实施方式的方法可以包括：
在被光照平面和与被光照平面平行的光照平面之间设置光照空间，所述光照空间具有反射至少部分光的侧壁，
相对于光照平面居中地布置一组光辐照源，该组光辐照源在(主)辐照发射轴的方向上朝向被光照平面投射光辐照，
(例如借助于透镜102)将来自光辐照源的光辐照的分布成形为朝向被光照平面投射的照度分布，该照度分布是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴(X102)的角度(θ)而逐渐减小，辐照在侧壁(141、142)上的反射有利于在被光照平面(S)的均匀照度。
在该方法的一个或更多个实施方式中，光辐照源的光辐照可以具有不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴的角度而逐渐增大的强度分布。
在不违背本发明的基本原理的情况下，构造和实施方式的细节可以相对于在本文中仅通过非限制性示例示出的细节进行甚至显著地变化，而不脱离本发明的范围。
保护范围由所附权利要求限定。
附图标记列表
装置 10
被光照平面 S
光照平面 12
侧壁 141、142
一组源 18
辐照发射轴 X102
角度 θ
光辐照发生器 100
透镜 102
输入表面 1021
输出表面 1022
输出角度 qL
输入角度 qS
凸部 1022a、1022b
凹面 1023

Claims (18)

1.一种光照装置(10)，包括：
在被光照平面(S)和与所述被光照平面(S)平行的光照平面(12)之间的光照空间，所述光照空间具有反射至少部分光的侧壁(141，142)，
一组(18)光辐照源(100，102)，其相对于所述光照平面(12)居中地布置并且在辐照发射轴的方向上朝向所述被光照平面(S)投射光辐照，
其中，来自所述光辐照源(100，102)的光辐照具有朝向所述被光照平面(S)投射的照度分布，所述照度分布是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴的角度(θ)而逐渐减小，其中，辐照在所述侧壁(141，142)上的反射有利于在所述被光照平面(S)的均匀照度，
其中，所述组(18)中的所述光辐照源包括：
光辐照发生器(100)，
透镜(102)，其对由所述光辐照发生器(100)发射的光辐照的强度图形进行成形(qS，qL)，
其中，所述透镜包括光轴、面向所述光辐照发生器(100)的光辐照输入表面(1021)和面向所述被光照平面(S)的光辐照输出表面(1022)，其中，离开所述透镜(102)的所述输出表面(1022)的辐照相对于所述光轴形成比由进入所述透镜(102)的所述输入表面(1021)的光辐照相对于所述光轴形成的输入角度(qS)大的输出角度(qL)，以及
其中，所述透镜具有在相互旋转90°的两个截面平面中具有不同的截面轮廓的双瓣形状。
2.根据权利要求1所述的光照装置(10)，其中，来自所述光辐照源(100，102)的光辐照具有强度分布I(θ)，所述强度分布I(θ)是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴的角度(θ)而逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的光照装置(10)，其中，所述光辐照发生器(100)是LED发生器。
4.根据权利要求1所述的光照装置(10)，其中，所述透镜(102)包括圆顶形光辐照输入表面(1021)和包括其间具有凹面(1023)的成对的凸部(1022a，1022b)的光辐照输出表面(1022)，所述凹面(1023)与所述圆顶形输入表面(1021)对准。
5.根据权利要求4所述的光照装置(10)，其中，所述凸部(1022a，1022b)之间的所述凹面(1023)包括中间平面，其中所述凸部(1022a，1022b)相对于所述中间平面镜面对称。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中，所述透镜(102)机械地联接至所述光辐照发生器(100)。
7.根据权利要求6所述的光照装置(10)，其中，在所述透镜(102)与所述光辐照发生器(100)之间具有密封件和/或具有与其相关联的电气部件。
8.根据权利要求4至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中，所述一组(18)光辐照源包括光辐照源(101，102)的至少一个线性阵列。
9.根据权利要求8所述的光照装置(10)，其中，所述透镜的所述输出表面(1022)的所述凸部(1022a，1022b)相对于所述光辐照源(101，102)的所述至少一个线性阵列的延伸方向横向地对准。
10.根据权利要求8所述的光照装置(10)，包括具有侧壁(141，142)彼此相对的第一对侧壁(141)以及第二对侧壁(142)的平行六面体光照空间。
11.根据权利要求10所述的光照装置(10)，其中，所述至少一个线性阵列与成对的侧壁(141，142)中的一对侧壁(142)平行地延伸。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中，所述一组(18)光辐照源包括在其间等距间隔的源(100，102)。
13.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中，所述一组(18)光辐照源包括通过以下中的至少一个而彼此不同的源(100，102)：
发射光谱，
所发射的光通量的值，
光发射图形，
相对于所述组中的相邻光辐照源的间距。
14.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中：
所述侧壁(141，142)中的至少一个具有比其他侧壁低的光反射率，并且
所述不均匀投射的照度分布非对称地减小，其中在具有较低的光反射率的至少一个侧壁处减小为更小。
15.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，包括用于蔬菜(P)的生长培养基的填料，所述生长培养基的表面限定所述被光照平面(S)。
16.根据权利要求1至5中的任一项所述的光照装置(10)，其中，所述一组(18)光辐照源形成位于箱的上壁的中心处的单个光照分布。
17.一种光照方法，包括：
在被光照平面(S)和与所述被光照平面(S)平行的光照平面(12)之间设置光照空间，所述光照空间具有反射至少部分光的侧壁(141，142)，
相对于所述光照平面(12)居中地布置一组(18)光辐照源(100，102)，所述一组(18)光辐照源(100，102)在辐照发射轴的方向上朝向所述被光照平面(S)投射光辐照，
在所述一组光辐照源的一个或更多个光辐照源上方布置透镜，其中，所述透镜包括光轴、面向光辐照发生器(100)的光辐照输入表面(1021)和面向所述被光照平面(S)的光辐照输出表面(1022)，其中，离开所述透镜(102)的所述输出表面(1022)的辐照相对于所述光轴形成比由进入所述透镜(102)的所述输入表面(1021)的光辐照相对于所述光轴形成的输入角度(qS)大的输出角度(qL)，
将来自所述光辐照源(100，102)的光辐照的分布成形为朝向所述被光照平面(S)投射的照度分布，所述照度分布是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴的角度(θ)而逐渐减小，其中，辐照在所述侧壁(141，142)上的反射有利于在所述被光照平面(S)的均匀照度，
其中，所述透镜具有在相互旋转90°的两个截面平面中具有不同的截面轮廓的双瓣形状。
18.根据权利要求17所述的光照方法，其中，来自所述光辐照源(100，102)的光辐照具有强度分布I(θ)，所述强度分布I(θ)是不均匀的并且根据相对于所述辐照发射轴的角度(θ)而逐渐增大。
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