CN116158279A - 一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，包括聚光单元，用于收集自然光线；导光单元，用于将聚光单元收集的自然光线导入培育系统；第一照射单元，用于输出导光单元导入的自然光线至待照射对象；第二照射单元，配置为依据第一照射单元的自然光输出动态调整自身的光照输出；其中，第二照射单元具有多个照射范围彼此相同或相异的照射区域，且各照射区域包含的若干LED单元具有沿第二照射单元中心向外围变化的配置间隙；光照测量单元，用于测量第一照射单元输出的自然光线的光照参数；生长状态监测单元，用于获取培育系统中待照射对象的生长状态参数；控制单元，配置为基于光照参数和/或生长状态参数调整第二照射单元的光照输出。
Description
技术领域
本发明涉及照明设备技术领域，尤其涉及一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置。
背景技术
通常植物栽培采用在土壤内播种、施肥、浇水，并在阳光照射下使植物进行光合作用以产生有机物的方式，然而这种常规的利用自然光照的栽培方法，其生产量容易受到自然气候变化的影响，而且由于需要人工施肥、喷洒农药等，还常伴随经济费用及环境问题。
植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效设施农业系统，它由控制系统实现对作物的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素的自动控制，是一种不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。按光照来源划分，植物工厂分为全人工光型植物工厂和太阳光型植物工厂，其中，全人工光型植物工厂在完全密闭可控的环境内采用人工光源和营养液栽培技术实现植物周年生产，以及实现多层立体种植，并且其优势还包括植物种植培育过程不需要农药，植物表面洁净无异物，使得植物表面的菌落形成单位通常低于500(温室中的叶菜的菌落形成单位通常为1000或更高)，且全人工光型植物工厂所生产植物通常无需清洗；全人工光型植物工厂劳动者的劳动环境大幅提升；全人工光型植物工厂水培所消耗的水量比露天减少约95％等。
光环境是植物进行光合作用的能量源，也是调控植物形态建成和中间代谢产物的信号源，其中光合有效光子通量密度、光周期、直散射光比例、光质等均对植物生长产生重要影响。全人工光型植物工厂提供植物照明广阔的应用空间，而半导体照明技术LED的发展，使得应用于植物的光源可以通过研宄植物对光的动态响应过程实现精准的光参数设置。基于植物光合作用对于各波长光线的响应结果，蓝光LED和红光LED在植物照明应用过程中被广泛使用，而通过调配比例和亮度，可以调制出不同的R/B应用于研究和生产。
CN109937734A公开了一种智能植物生长照明装置，包括框架、电动升降机构和灯架，框架的底部设置有种植盘，种植盘开设有多个蔬菜种植孔，灯架上安装有多颗LED植物照明灯，LED植物照明灯的发光面贴附有凸透镜，任意一个蔬菜种植孔外设置有参考框，蔬菜种植孔位于参考框内，灯架上在正对所述参考框的位置处设置有摄像头和测距传感器；照明装置还包括用于控制电动升降机构的MCU控制器，摄像头、测距传感器均与所述MCU控制器电连接，通过MCU对LED植物照明灯高度的控制，调节光斑面积的大小，使调节后光斑面积与植物绿色部分面积相同。
CN113317057A公开了一种用于促进植物生长的照明装置，其特征在于，包括：支架，其包括固定部件和安装在固定部件上的高度调整机构；安装在高度调整机构上用于对植物进行照明的光源，其包括灯座、多个间隔设置在灯座内的灯头和通过角度调节机构可调节地安装在灯座内用于反射光线的反光板；以及控制模块，其包括光照强度传感器、距离传感器和微处理器；光照强度传感器、距离传感器、灯头、角度调节机构和高度调整机构与微处理器信号连接；距离传感器用于检测植物顶端与距离传感器之间的距离；光照强度传感器用于检测照射在植物上的光照强度；微处理器用于根据植物顶端与距离传感器之间的距离和照射在植物上的光照强度，向高度调整机构发送调整支架高度的第一调节指令、向角度调节机构发送调整反光板反射角度的第二调节指令和向灯头发送调整发光强度的第三调节指令。
然而对于现有的植物照明灯具，普遍问题在于：光源的配置形式单一，虽有部分植物培育系统额外提供辅助光源或是光谱涵盖范围较广的光源，但这容易增加关于光源部分的控制结构及控制流程的复杂程度，从而增加植物培育系统的构建及运行成本；其次，现有植物照明灯具容易造成照明光源的浪费，尤其是对部分固定光源而言，由其提供的部分光线可能会照射至其它非必要空间当中，而因此导致提供至植物表面的有效光通量减少，使得植物的生长发育速率受到显著影响，且同时增加了植物工厂过多的电力消耗，即便部分植物照明灯具配置有可驱动的移动组件以调节光源和植物间的距离，但通常具有较为复杂的结构，且同时涉及众多参数的监测及计算，由此带来的设计制造成本及相应的操作控制难度也是不容忽视的问题。因此，现有技术仍有亟待解决的至少一个或多个技术问题。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，包括：
聚光单元，配置为收集自然光线；
导光单元，配置为将聚光单元收集的自然光线导入培育系统；
第一照射单元，配置为输出导光单元导入的自然光线至待照射对象；以及
第二照射单元，包含若干LED单元，并配置为依据第一照射单元的自然光线的输出调整LED单元的光照输出；其中，第二照射单元具有由若干LED单元形成的照射范围彼此各异的多个照射区域，且照射区域各自的照射范围沿第二照射单元中心向外围变化。本发明中，通过设置多种可改变照射角度的第二透射单元，使第二照射单元的照射范围及相应的光通量得到调整，尤其相比于配置具有相同透射角度的第二透射单元，整个第二照射单元的光线覆盖面积得到扩充，且根据光源的边际现象，种植区域边缘的植物通常所能接收的光线是十分稀少且强度有限的，故处于种植区域外围边缘的植物的生长形态常因此表现出不均匀性，通过第二透射单元减小相较处于外围的照射区域的照射范围，以避免有限的光照散射至种植区域之外的其它空间而造成光源浪费，同时相应增强了边缘区域的光照强度，使得处于边缘的植株能够接受光线能量或密度更趋近于中部区域的光照，同时也避免原本处于中部高光通量区域的植物因受光过强而导致生长发育明显受阻。
优选地，本发明提供了一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，包括：
用于收集自然光线的聚光单元；
用于将自然光线导入培育系统的导光单元；
用于将导光单元导入的自然光线输出至待照射对象的第一照射单元；
以及第二照射单元，其包含若干LED单元，并可依据第一照射单元的自然光线的输出来动态调整LED单元的光照输出；其中，第二照射单元具有多个照射范围彼此相同或相异的照射区域，照射区域包含的若干LED单元具有沿第二照射单元中心向外围变化的配置间隙，且照射区域的照射范围关联于配置间隙。本发明中，通过改变相邻照射区域内LED单元的配置间隙，使第二照射单元的照射范围及相应的光通量得到调整，即在保证第二照射单元的有效光线照射面积的同时，使第二照射单元提供至种植区域外围部分的重合光通量显著增加，这对于改善区域边界处植物的生长形态具有显著意义，并且避免部分光照散射至种植区域之外而造成光源浪费，同时也避免中部高光通量区域的植物因接收过强的光线照射而产生例如蒸腾作用加剧等现象，从而影响植物的光合作用及其生长发育。
优选地，照射区域各自的照射范围沿第二照射单元中心向外围呈逐渐缩减的形式。
优选地，照射区域各自包含的若干LED单元的配置间隙沿第二照射单元中心向外围呈逐渐缩减的形式。
优选地，本发明的宽范围发光装置还包括：
光照测量单元，配置为测量第一照射单元输出的自然光的光照参数；
生长状态监测单元，配置为获取培育系统中待照射对象的生长状态参数；
控制单元，配置为基于光照测量单元输入的光照参数和/或生长状态监测单元输入的生长状态参数调整第二照射单元的光照输出。
优选地，控制单元对第二照射单元的光照输出的调整包括：
根据生长状态监测单元获取的生长状态参数确定待照射对象的生长阶段；响应于待照射对象的生长阶段控制组成第二照射单元的多个照射区域中的至少两个提供光照输出以提供对应于待照射对象不同生长阶段的光合色素组成的至少一种照射光谱，并基于多个照射区域中的至少两个的光照输出使提供至待照射对象的照射光谱具有不同于多个照射区域中的任意一个的照射范围；和/或响应于待照射对象的生长阶段控制多个照射区域中任意一个或多个所包含的LED单元的输出功率以提供对应于待照射对象不同生长阶段的光合色素组成的光谱功率输出。由于植物不同生长阶段光合色素的形成累积是不同的，因此对于不同发射波长光线的需求也是各异的，本发明中，控制单元可根据植物不同生长阶段的光合色素占比将不同照射区域进行相互组合以提供彼此不同的照射模式，以及调整各LED单元的输出，以为不同种类及不同生长阶段的植物提供对应于其生长阶段不同光合色素占比所需生长光谱的人工照明光源，由此能够提高植物的生长效率，尤其是能够促进有关植物光合作用的光合色素形成与累积，促使植物均衡生长，同时相比于常规的LED光源设置方式，通过具有不同照射范围的照射区域间的相互组合，能够提供更为致密均匀的光线至植株，尤其是显著改善直下式光源强度分布不均的问题，避免植物生长状态差异过大，且降低了例如部分横向出射光线的浪费，将有限的光照集中并均匀分布至种植面上，提高整体种植效率。
优选地，本发明的第二照射单元还包括与LED单元相对设置的第二透射单元，第二透射单元配置为调整LED单元的出射光线的照射角度以调整第二照射单元的照射范围或光照密度。
优选地，本发明的聚光单元包括用于会聚自然光线至导光单元的第一透射单元，和以调整第一透射单元和导光单元间距的方式控制输入至导光单元的自然光光量的调节单元，其中，控制单元根据自然光的光照参数驱动调节单元运行以控制自然光光量。
优选地，本发明的导光单元包括与第一透射单元相对设置的光线导入件，和围绕在光线导入件周侧的包覆层，其中，光线导入件和包覆层沿导光单元长度方向延伸以将聚光单元输入的自然光线导入培育系统。
优选地，本发明的宽范围发光装置还包括用于控制自然光输入量的遮蔽单元，遮蔽单元包括用于阻挡出射光线的遮蔽部和用于移动遮蔽部的驱动器，其中，遮蔽单元处于第一透射单元入射一侧、第一透射单元出射一侧以及导光单元与第一照射单元之间中的任意一个位置。
附图说明
图1是本发明提供的一种优选实施方式的宽范围发光装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种优选实施方式的聚光单元与导光单元的结构示意图；
图3是本发明提供的一种优选实施方式的第二照射单元的结构示意图之一；
图4是本发明提供的一种优选实施方式的第二照射单元的结构示意图之二。
附图标记列表
10：聚光单元；20：导光单元；30：第一照射单元；40：第二照射单元；50：光照测量单元；60：控制单元；70：遮蔽单元；100：第一透射单元；110：调节单元；201：光线导入件；202：包覆层；203：温度测量单元；401：基板；402：LED单元；701：驱动器；702：遮蔽部；A1：第一照射区域；A2：第二照射区域；A3：第三照射区域；D1：第一配置间隙；D2：第二配置间隙；D3：第三配置间隙。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
本发明提供了一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，该发光装置可以适用于动植物工厂、温室培育系统，且具体可应用于立式栽培架，该立式植物栽培架可具有多个栽培层，且各栽培层彼此分隔以便于独立地控制调整。特别地，植物培育可以用于栽培各种观赏或经济用作物。植物培育例如可以为常见的水产养殖。为了便于理解及说明，本实施例中优选以安置于植物工厂内的立式植物栽培架为例说明本发明的发光装置。
根据一种优选实施方式，如图1所示，本发明的发光装置可以包括：
聚光单元10，配置为收集来自于培育系统之外的自然光线。
导光单元20，配置为将聚光单元10收集的自然光线导入培育系统。
第一照射单元30，配置为将导光单元20输入的自然光线提供至待照射植株。
第二照射单元40，配置为基于第一照射单元30的自然光输出来调整自身的光照输出。
光照测量单元50，配置为测量第一照射单元30输出的自然光的光照参数。
控制单元60，配置为基于光照测量单元50输入的光照参数调整第二照射单元40的光照输出。
根据一种优选实施方式，控制单元60中可储存有对应于不同植物不同生长阶段的光配方数据，因此，控制单元60可以根据确定的植物生长状态来自动适配调用与之相对的光配方数据，从而改变第二照射单元40的光照输出以适应植物的生长所需。
根据一种优选实施方式，本发明中，第一照射单元30用于提供包含有自然光(来自于阳光)的全光谱光照。特别地，通常自然光包含有绝大部分可见光范围的光线，譬如波长在380nm～430nm的紫光、波长在430～470nm的蓝光以及波长在650～760nm的红光等。各波段波长的可见光对于植物全生长周期的生长状态都有彼此不同或相互影响的作用，因此自然光可以满足绝大多数植物在全生长周期内对于光线的需求。
根据一种优选实施方式，本发明中还可包括用于监测植株生长状态的生长状态监测单元(图中未示出)。因此，除根据光照测量单元50输入的关于第一照射单元30的光照参数来调整第二照射单元40之外，控制单元60还可根据生长状态监测单元所提供的植株生长状态参数来动态调整第二照射单元40的光照输出，从而适宜植株不同生长阶段的照射需求。特别地，生长状态监测单元例如可以包括多个图像采集设备，通过图像采集及处理技术可以确定植物的生长状态参数，例如植物高度、茎长、叶片大小以及叶片颜色等。
根据一种优选实施方式，如图1和图2所示，导光单元20可由可自由弯曲的塑料材料制成。具体地，导光单元20可以包括与聚光单元10彼此相对设置的光线导入件201，和围绕在光线导入件201周向外侧的包覆层202。特别地，光线导入件201和包覆层202沿导光单元20长度方向延伸以用于将聚光单元10输入的自然光导入培育系统。
根据一种优选实施方式，光线导入件201可以是由至少一根或多根光纤组成的光纤束。进一步地，围绕在光线导入件201外周的包覆层202用于防止外界异物或干扰因素对光线导入件201的破坏。特别地，由光线导入件201和包覆层202组成的导光单元20因材料特性可以被弯曲成任意角度，故可以方便地连接至植物栽培架上，并且不易于弯曲损坏。
根据一种优选实施方式，如图2所示，聚光单元10可以包括用于将太阳光/自然光会聚至光线导入件201的第一透射单元100。优选地，本发明中，第一透射单元100可以为光学透镜，例如菲涅尔透镜。进一步地，聚光单元10还可以包括调节单元110，该调节单元110配置为调节第一透射单元100与光线导入件201的导入端之间的距离，由此，通过调节用于会聚太阳光/自然光的第一透射单元100和用于导入太阳光/自然光的光线导入件201之间的距离，可以改变会聚至光线导入件201的光量。优选地，调节单元110可与控制单元60信号连接，以使其能够根据自然光的光照参数数据来驱动调节单元110的运行。
根据一种优选实施方式，除附图1的示例之外，也可以设置多个第一透射单元100与多个导光单元20一一对应。进一步地，可以为彼此对应的每一对第一透射单元100和导光单元20均设置独立的调节单元110，并且各调节单元110分别与控制单元60连接，以通过控制单元60控制各调节单元110运行以独立控制任意一对第一透射单元100和导光单元20之间的距离。
根据一种优选实施方式，在太阳光/自然光充足的状态下，可以通过调节单元110使第一透射单元100与光线导入件201彼此远离，以减少提供至导光单元20中的光量，从而避免因两者距离过近而使光线导入件201端面的能量过高对导光单元20造成损坏，以及防止通过导光单元20输入至培育系统的光照过强，从而减缓植物的生长状态甚至对其造成伤害。例如通常过强的光线会加快植物的蒸腾作用，使植物大量失水，而过分失水会使气孔闭合，对植物生长发育造成影响。另一方面，在例如阴雨天等太阳光/自然光照度较低的状态下，可以通过调节单元110减小第一透射单元100与光线导入件201间的距离，以增强提供至导光单元20中的光量。优选地，当通过导光单元20输入至第一照射单元30的自然光线的照度不足以满足植物的生长需求时，可以通过第二照射单元40进行光照的补充。
根据一种优选实施方式，本发明还可包括温度测量单元203。温度测量单元203可以是温度传感器。具体地，温度测量单元203可以安装在导光单元20中以用于测量导光单元20，特别是光线导入件201端部的温度。进一步地，温度测量单元203可与控制单元60信号连接，控制单元60可以根据温度测量单元203输入的温度数据来控制调节单元110运行以改变投射单元100的位置从而调整经由投射单元100输出至导光单元20的光量。
根据一种优选实施方式，如图1所示，第一照射单元30可以为至少一根或多根光纤束。第一照射单元30可沿植物栽培架的各栽培层横向及纵向布置多排，且第一照射单元30配置为沿其径向发射从导光单元20处接收到的自然光。
根据一种优选实施方式，多个第一照射单元30可以连接同一导光单元20，或是多个第一照射单元30可与多个导光单元20一一对应设置。通过第一照射单元30可以将从导光单元20处收集的自然光沿横向均匀地提供至各栽培层内的植物上。优选地，栽培架整体可设置为不透光的，且各栽培层之间也可以为不透光的。各栽培层彼此独立可以避免层间光线之间的相互干扰，且由于各栽培层之间可以种植互不相同的植物，故可以独立地控制各栽培层内的照射状态。
根据一种优选实施方式，如图2所示，本发明的发光装置还可包括遮蔽单元70，该遮蔽单元70配置为遮挡由第一透射单元100输出至导光单元20的自然光，以控制自然光照时间以及自然光量。具体地，遮蔽单元70可以包括设置在第一透射单元100一侧的遮蔽部702，和用于移动该遮蔽部702以调整遮蔽部702与第一透射单元100间的重叠区域的驱动器701。特别地，遮蔽单元70可以设置在第一透射单元100的入射一侧、第一透射单元100的出射一侧以及导光单元20与第一照射单元30之间中的任意一个位置处。
根据一种优选实施方式，可以为每一个第一透射单元100设置遮蔽单元70。驱动器701可与控制单元60信号连接，以通过控制单元60控制驱动器701运行以调整遮蔽部702的位置。优选地，当需要利用自然光向植物提供照射时，可通过控制单元60驱动驱动器701运行以使遮蔽部702远离第一透射单元100，从而增加通过第一透射单元100透射至导光单元20的光量。当需要遮蔽自然光以控制日照时间时，可通过控制单元60驱动驱动器701运行以使遮蔽部702靠近第一透射单元100，从而减少通过第一透射单元100透射至导光单元20的光量。
根据一种优选实施方式，本发明中，第二照射单元40可以为人工合成光源。具体地，如图3所示，第二照射单元40可以包括基板401和安装在基板401上的以相对于彼此按预定间隙分隔设置的多个LED单元402。特别地，LED单元402可以为具有不同发射峰值波长的LED发光芯片。LED单元402例如可以为蓝光LED芯片、绿光LED芯片、红光LED芯片以及白光LED芯片中的至少一种或多种。各LED单元402可与控制单元60电连接，以用于独立地控制各LED单元402的光照参数，从而调整相应的光照强度、光照时间以及光质比等。优选地，第二照射单元40可用于弥补第一照射单元30所提供自然光线的不足以补充相应照度。第二照射单元40的输出可根据第一照射单元30的输出进行调整，从而合理优化资源配置，降低植物工厂的整体电量消耗。
根据一种优选实施方式，LED单元402还可以包括第二透射单元(图中未示出)。第二透射单元可以为光学透镜，例如菲涅尔透镜。特别地，本发明中，第二透射单元可对应于LED发光芯片设置，并配置为调整从LED发光芯片发出的光的照射角度从而调整由第二照射单元40提供的光照密度。通过第二透射单元可以调整各LED发光芯片的照射角度从而改变提供至植物表面的光量以促进其生长。
根据一种优选实施方式，本发明中，第二照射单元40可以包括多个照射范围彼此不同的照射区域(A1、A2、A3)。各照射区域(A1、A2、A3)内均包含有多个间隙排布的LED单元402。特别地，各照射区域(A1、A2、A3)内LED单元402的数量可以是相同或不同的，这将取决于各照射区域(A1、A2、A3)的尺寸大小，或是相邻LED单元402的排布间隙。
根据一种优选实施方式，同一照射区域内的LED发光芯片的发光角度可通过第二照射单元40被调整为相同，而不同照射区域内的LED发光芯片的发光角度可通过第二照射单元40调整为彼此不同。
根据一种优选实施方式，如图3所示，第二照射单元40可以包括位于基板401中央区域的第一照射区域A1、位于第一照射区域A1周围的第二照射区域A2以及位于第二照射区域A2周围的第三照射区域A3。应当理解的是，本实施例中列举的照射区域的数量为三个，但其目的仅是为了便于理解和说明，不应视为对本发明实施例的功能和使用范围的限制。在其它可选方式中，照射区域的数量可以更多，这很大程度上取决于待照射区域的面积，和/或针对不同场景或是植物所需的配光形式。
根据一种优选实施方式，第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中所包含LED单元402的数量可依次增多。
根据一种优选实施方式，通过第二透射单元可以将第一照射区域A1内的LED单元402的照度角度调整为第一照射角以使第一照射区域A1具有第一照射范围。通过第二透射单元可以将第二照射区域A2内的LED单元402的照度角度调整为不同于第一照射角的第二照射角以使第二照射区域A2具有第二照射范围。通过第二透射单元可以将第三照射区域A3内的LED单元402的照度角度调整为第三照射角以使第三照射区域A3具有第三照射范围。
根据一种优选实施方式，本发明中，第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3各自包含的LED单元402的照度角度被配置为依次线性/非线性减小。第一照射区域A1具有相较最大的第一照射角。第三照射区域A3具有相较最小的第三照射角。在一些可选实施方式中，例如第一照射角可以为60°～85°，优选为70°。第二照射角可以为45°～75°，优选为60°。第三照射角可以为30°～60°，优选为45°。
根据一种优选实施方式，通过第二透射单元使第二照射区域A2和第三照射区域A3内的LED单元402的照度角度较第一照射区域A1内的LED单元402的照度角度更小，但其相应的光照强度或能量得到提升，且第一照射区域A1的照射范围相较第二照射区域A2和第三照射区域A3的照射范围较更大，然而其相应的光照强度或能量略有降低。
特别地，与常规的多点状LED分布光源相比，由于增设了可以改变照射角度的第二透射单元，使得LED发光芯片的照射范围及相应的光通量得到调整，特别是相比于不具备第二透射单元的LED光源，减少沿趋近水平面出射的有限光源的浪费。其次，尤其相比于配置具有相同透射角度的第二透射单元，通过配置多种具有不同照射角度的第二透射单元，使得整个第二照射单元40的光线覆盖面积得到扩充，由此能够合理充分地将光线分布于种植区域各处。尤其是LED光源的边际现象，对于种植区域边缘的植物而言，通常其所能接收的光线是十分稀少且强度有限的，故处于种植区域外围边缘的植物的光合作用可能较中间区域的更弱，而且其生长形态常因此表现出不均匀性，甚至导致叶片枯黄。本发明中，通过第二透射单元减小相较处于外围的第二照射区域A2和第三照射区域A3的照射范围，以避免有限的光照散射至种植区域之外的其它非必要空间中，从而造成光源的浪费，同时以削减照射范围的方式增加了边缘区域相应的光照强度，使得处于边缘的植株能够接受光线能量或密度更趋近于中部区域的光照。
另一方面，通常位于光源阵列中央位置的植物实际可接受到的有效光通量或光通量密度相较于周边区域更大，在本发明中，对应于植物种植区域处于中央位置的第一照射区域A1具有比周边区域更大的照射范围，因此，可以在降低第一照射区域A1内的LED单元402对于其下方部分区域内的植物的照射强度的同时，增加第二照射单元40的有效照射范围，尤其是弥补外围第二照射区域A2和第三照射区域A3间的照射空隙以及相应的光通量密度或光照强度，并且降低中部过高的重叠光通量及光照强度，避免过强的光线对植物生长发育造成影响。
特别地，本发明中，在不额外增设光源或增加功率消耗的前提下，通过第二透射单元缩减了不配置透镜结构时的出光面积，相应提升了光照密度或强度，从而能够提供植物更为致密的光照，有助于植物的光合作用，且同时大大降低了植物培育工厂的电力消耗。
根据一种优选实施方式，除上述的通过配置第二透射单元使第二照射单元40具有多个照射角度或照射范围彼此不同的照射区域(A1、A2、A3)，以显著改善现有阵列式LED光源的空间分布及其强度分布之外，还可以通过调整各照射区域(A1、A2、A3)内相邻LED单元402的配置间隙来达到改善光线分布均匀性之目的。特别地，基于LED光源的光线分布特性，通常越靠近LED光源中心或是处于LED光源边缘处的光线具有更低的光通量密度或光照强度。优选地，本发明中，可将各照射区域(A1、A2、A3)内相邻LED单元402的配置间隙设置为依次减小。
进一步地，如图4所示，第一照射区域A1所包含的若干LED单元402以相对于相邻LED单元402具有第一配置间隙D1的方式设置。第二照射区域A2所包含的若干LED单元402以相对于相邻LED单元402具有第二配置间隙D2的方式设置。第三照射区域A3所包含的若干LED单元402以相对于相邻LED单元402具有第三配置间隙D3的方式设置。特别地，本发明中，第一配置间隙D1、第二配置间隙D2以及第三配置间隙D3依次减小。通过将各照射区域(A1、A2、A3)内各自包含的若干LED单元402的配置间隙(D1、D2、D3)设置为沿第二照射单元40的中央区域向外围逐渐减小，使得通过第二照射单元40提供至种植区域外围部分的重合光通量显著增加，这对于改善区域边界处植物的生长形态具有显著意义。
特别地，当各照射区域(A1、A2、A3)内相邻LED单元402的配置间隙(D1、D2、D3)设置为依次减小时，各照射区域(A1、A2、A3)各自形成的照射范围可以根据对应的配置间隙(D1、D2、D3)来调整。具体地，当各照射区域(A1、A2、A3)内相邻LED单元402的配置间隙(D1、D2、D3)设置为依次减小时，各照射区域(A1、A2、A3)各自形成的照射范围可以是相同或如上述不同的。进一步地，在配置过程中，各照射区域(A1、A2、A3)实际的照射角度或是照射范围需要根据对应区域内的LED单元402的配置间隙(D1、D2、D3)通过计算来确定最佳的光线分布面积，即，各照射区域(A1、A2、A3)的照射角度或照射范围与各区域内LED单元402的配置间隙(D1、D2、D3)彼此关联，以用于最终改善第二照射单元40的光照分布均匀性。
根据一种优选实施方式，通常地，对于不同种类的植物，其各自具有特定的光合色素(包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素及叶黄素等)组成，而这些光合色素组成使每种植物具有独特的吸收光谱。其次，即便是同一类植物，当其处于不同生长阶段(通常可简单地分为苗期、生长期、开花期、结果期以及各时期间的过渡期)时，光合色素的组成也会随着生长阶段的改变而变化，即，植物不同生长阶段也具有不同的光合色素组成，因此在整个植物生长阶段中，其对于不同波长范围的光线的需求也是不同的。针对于已知种类的植物，其光合色素组成通常是可以预先分析测得的，例如纸色层分析法。
根据一种优选实施方式，如上述的本发明的发光装置可设置有用于监测植物各生长阶段形貌参数的生长状态监测单元(图中未示出)。控制单元60可基于生长状态监测单元所提供的植物各生长阶段形貌参数来确定植物的生长阶段。优选地，通常植物达到不同生长阶段时，其各项参数都会产生相应的变化，而各参数的变化程度会随生长阶段的变化而呈现不同趋势，部分参数变化明显，而部分参数轻微变动，为准确确认植物的生长阶段，本发明中，生长状态监测单元除包含常用的图像采集设备之外，还可以包括湿度传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器等多种用于采集与植物生长状态相关参数的采集设备。特别地，控制单元60可根据植物不同生长阶段的形貌参数动态调整第一照射单元30以及第二照射单元40的光照输出。
根据一种优选实施方式，控制单元60可以根据生长状态监测单元提供的植物形貌参数来调整第一照射单元30的输出。具体地，控制单元60可通过驱动调节单元110以及驱动器701来控制第一照射单元30输出的自然光照的光量，以适宜植物不同生长阶段下对于光照的不同需求。控制单元60可根据光照测量单元50测量的光照数据来调整第一照射单元30以及第二照射单元40的输出。
特别地，尤其对于第二照射单元40，其包含有多种发射峰值波长的LED单元402(LED发光芯片)，控制单元60可以独立地控制各LED单元402的光线输出，以改变第二照射单元40的光谱功率分布(SPD)，从而适宜于植物不同生长阶段的光合色素组成对于不同发射峰值波长的光线需求差异。
根据一种优选实施方式，本发明中，由于不同植物或是处于不同生长阶段的植物具有不同的光合色素组成或光合色素比例，为了更好地促使其累积相应的光合色素，当控制单元60基于生长状态监测单元所提供的植物各生长阶段形貌参数确定植物的生长阶段时，控制单元60可控制处于不同照射区域(A1、A2、A3)内的LED单元402的工作状态。进一步地，控制单元60可以控制不同照射区域(A1、A2、A3)内的LED单元402工作，以通过不同照射区域(A1、A2、A3)间的相互组合形成不同的照射模式，从而提供不同的配光曲线。具体而言，不同的照射模式提供具有不同照射范围、照射强度或是光谱功率分布(SPD)的照明光线。
进一步地，由于各照射区域(A1、A2、A3)内的LED单元402的数量、LED单元402间的设置间隙以及各照射区域(A1、A2、A3)各自的照射范围不同，因此，各照射区域(A1、A2、A3)各自所提供的照射角度/范围、照射强度及光谱功率分布(SPD)是彼此不同的。特别地，通过各照射区域(A1、A2、A3)间的相互组合能够产生具有不同照射角度/范围、照射强度及光谱功率分布(SPD)的多种照射模式，由此，提供不同的照射模式有助于适应植物各个生长阶段对于光线的各异性需求。
根据一种优选实施方式，例如当通过生长状态监测单元以及控制单元60确定某种植物所处的生长阶段时，通常其体内所含光合色素的组成也是已知的。举例来说，当植物A处于第一生长期(例如苗期)时，其体内叶绿素a/b的比值为2.5。当植物A处于第二生长期(例如生长期)时，其体内叶绿素a/b的比值为3。叶绿素a最佳吸收波长在400nm～450nm以及650nm～700nm。叶绿素b最佳吸收波长在450nm～500nm以及600nm～650nm。
根据一种优选实施方式，例如当植物A处于上述的第一生长期(例如苗期)时，控制单元60可以控制第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3内的LED单元402工作。具体地，控制单元60可以驱动LED单元402工作，并使得第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3各自提供的照射光谱中发射峰值波长处于400nm～450nm以及650nm～700nm和发射峰值波长处于450nm～500nm以及600nm～650nm的光线比值均为2.5，或是由第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3组合提供的照射光谱中发射峰值波长处于400nm～450nm以及650nm～700nm和发射峰值波长处于450nm～500nm以及600nm～650nm的光线比值为2.5。
根据一种优选实施方式，当仅通过第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中的某一个来组成发射峰值波长处于400nm～450nm以及650nm～700nm和发射峰值波长处于450nm～500nm以及600nm～650nm的比值为2.5的照射光谱时，通常会存在上述的光照分布不均的问题，因为例如不具备透镜结构的常规阵列式LED发光结构存在光线浪费以及光强不均的问题，即使能够提供对应于植物不同生长阶段的光合色素组成的照明光谱，但是对植物均衡生长而言，不利于改善植物的生长形貌，尤其植物边缘部位或是处于种植区域边缘处的植物呈现出更明显的生长劣势，而通过将具有不同照射范围和强度的照射区域相互组合，能够提供更为致密的光照，特别是显著改善光强分布不均的问题。
特别地，本发明中，通过控制包含有多个LED单元402的第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中的至少两个联合工作可向植物提供适应于其不同生长阶段的光合色素组成的组合照明光谱，从而促进有关光合色素的累积以及植物生长发育，且同时由于第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3各自的照射范围及照射强度彼此不同，故通过第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中任意两个或多个的组合可提供不同于其中任一所提供的照明范围，特别是通过第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中任意两个或多个的组合显著弥补常规LED阵列光源在光线覆盖范围均匀度、光照强度分布等方面的不足。
根据一种优选实施方式，当植物A处于上述的第二生长期(例如生长期)时，控制单元60可以控制第一照射区域A1和第二照射区域A2内的LED单元402工作，以通过第一照射区域A1和第二照射区域A2的联合形成组合配光曲线，该组合配光曲线具有适应于处于第二生长期的植物A的光合色素组成的输出光线，特别是光照范围、波长占比等光照参数。
优选地，各类配光曲线的配置参数可以预先存储至数据库内以形成相应的光配方数据，当控制单元60根据植物的各项生长参数确定植物对应的生长阶段时，可以调用预先存储的计算机可执行指令，以将对应的光配方数据应用至第二照射单元40，从而提供不同的配光曲线。
进一步地，由于植物不同生长阶段体内光合色素的占比不同，故在不同生长阶段对于相同发射峰值波长光线的需求量也是不尽相同的。本发明中，控制单元60可以根据植物不同的生长阶段，尤其是光合色素的组成占比来控制各LED单元402的光线输出，从而调整光谱功率分布。例如，当植物A处于第一生长期(例如苗期)时，控制单元60可相应调整与叶绿素a和叶绿素b各自的最佳光吸收率对应波长的LED单元402的输出功率，使得相应波长光线的输出功率大致趋近于当前植物生长阶段(第一生长期，苗期)的光合色素占比，譬如叶绿素a/b＝2.5。
根据一种优选实施方式，当控制单元60根据植物不同生长阶段的光合色素占比及其对不同发射峰值波长光线的需求差异来调整各照射区域(A1、A2、A3)间的相互组合以及各LED单元402的输出时，可以为不同种类的植物以及不同生长阶段的植物提供对应于其生长阶段不同光合色素占比所需生长光谱的人工照明光源，相比于自然光线或是常规的均光光谱照射，能够显著提高植物的生长效率，尤其是能够促进有关植物光合作用的光合色素形成与累积。
根据一种优选实施方式，在植物整个生长发育历程中，光对植物的生长作用主要体现在光合作用和信号作用。具体地，光合作用通常指植物吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程，即光合作用植物累积能量物质。信号作用则是指植物通过体内的光敏色素和隐花色素感知光线变化，从而调节植物内部生物钟，以促进植物适应光信号变化而选择不同的生长发育状态。特别地，植物的光合反应和信号反应所需的光照形式是各不相同的，光合反应所需光需要光合作用和呼吸作用交替配合，而信号反应则需要辅以不同植物种类的生长周期和目标组织进行分配。
然而，在现有植物培育过程中，可能过分重视植物的整体生长状态而忽略植物培育的初衷，即获得有实际价值的组织部位，而个别种类植物的有效部位通常是其部分组织(例如生菜)而非整体，整株的生长优势可能会形成生长竞争，譬如植物的伸长和叶片的拓宽间的生长竞争。
根据一种优选实施方式，本发明中，除上述的从顶部提供光线照射的第二照射单元40外，本发明还可包括至少一个第三照射单元(图中未示出)。具体地，该第三照射单元配置为侧向出光式LED光源，且优选为包含多个LED单元402(可以为蓝光LED芯片、绿光LED芯片、红光LED芯片以及白光LED芯片中的至少一种或多种)的条形光源，以用于提供不同于第二照射单元40的至少另一个方向的照射光线。特别地，第三照射单元内的LED单元402可独立控制地通信连接于控制单元60。进一步地，通过控制第二照射单元40和第三照射单元的发光模式，以适应于植物光合反应和信号反应对于光照的差异化需求，从而改善植物的不同生长阶段，尤其是不同生长阶段不对组织部位的生长状态，特别是对于某些仅需要部分组织部位作为最终产物的植物而言，合理分布光线有利于优化目标组织的生长形态。
根据一种优选实施方式，当控制单元60基于生长状态监测单元所提供的形貌参数确定植物的生长阶段为第一生长阶段(例如苗期)时，控制单元60按照如上所述的方式控制第二照射单元40的第一照射区域A1、第二照射区域A2以及第三照射区域A3中的任意两个或多个工作以提供对应于处于第一生长阶段的植物的光合色素组成的照明光谱。
根据一种优选实施方式，当控制单元60基于生长状态监测单元所提供的形貌参数确定植物的生长阶段由第一生长阶段(例如苗期)转变为第二生长阶段(例如生长期)时，控制单元60启动并调控至少一个第三照射单元(图中未示出)以为植物提供照射角度不同于第二照射单元40的第一照射光线。特别地，当植物进入第二生长阶段时，该第一照射光线主要作用于植物的信号反应。具体而言，以生菜为例，当生菜进入第二生长阶段，或是其生长密度达到第一预设生长幅值(例如20％)时，可控制第二照射单元40提供光强为45μmol/m2/s，且红蓝光比率为2：1的照射光谱；以及控制第三照射单元提供光强为15μmol/m2/s，且红光：远红光：蓝光：紫外光为2：1：2：1的第一照射光线。
根据一种优选实施方式，当控制单元60基于生长状态监测单元所提供的形貌参数确定植物的生长阶段由第二生长阶段(例如生长期)转变为第三生长阶段(例如花期)，或是植物的目标组织面积或体积达到设定阈值时，控制单元60启动并调控至少一个第三照射单元(图中未示出)以为植物提供照射角度不同于第二照射单元40的第二照射光线。特别地，当植物进入第三生长阶段，或是植物的目标组织面积或体积达到设定阈值时，该第二照射光线主要作用于植物的光合反应。具体而言，以生菜为例，当生菜进入第三生长阶段，或是生菜的生长密度达到可收获目标值时，可控制第二照射单元40和第三照射单元提供光强为40μmol/m2/s，且红蓝光比率为2：1的照射光谱。
根据一种优选实施方式，第三照射单元提供的用于信号反应的第一照射光线的光强低于第二照射单元40提供的用于光合反应的照射光线。第三照射单元提供的用于信号反应的第一照射光线的波长比率不同于第二照射单元40提供的用于光合反应的照射光线。
综上所述，本实施例中涉及一种基于植物不同生长阶段光合反应及信号反应对于光线的各异性需求，通过调整第二照射单元40和第三照射单元的光照输出以对植物进行动态照明的方法，包括：
根据所述生长状态监测单元获取的生长状态参数确定待照射对象的生长阶段；
响应于所述待照射对象的生长阶段由第一生长阶段转变为第二生长阶段，驱动并调控至少一个第三照射单元提供照射角度不同于第二照射单元40的第一照射光线；
响应于所述待照射对象的生长阶段由第二生长阶段转变为第三生长阶段，调控第二照射单元40和第三照射单元提供不同于第一照射光线的第二照射光线。
特别地，在植物生长阶段不断变化推进的过程中，第二照射单元40持续为植物提供参与光合反应的照明光线。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。
Claims (10)
1.一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，其特征在于，包括：
聚光单元(10)，配置为收集自然光线；
导光单元(20)，配置为将所述聚光单元(10)收集的自然光线导入培育系统；
第一照射单元(30)，配置为输出所述导光单元(20)导入的自然光线至待照射对象；以及
第二照射单元(40)，包含若干LED单元(402)，并配置为依据第一照射单元(30)的自然光线的输出调整所述LED单元(402)的光照输出，其中，
所述第二照射单元(40)具有由若干LED单元(402)形成的照射范围彼此各异的多个照射区域(A1、A2、A3)，且所述照射区域(A1、A2、A3)对应的照射范围沿所述第二照射单元(40)中心向外围变化。
2.一种满足动植物照明需求的宽范围发光装置，其特征在于，包括：
聚光单元(10)，配置为收集自然光线；
导光单元(20)，配置为将所述聚光单元(10)收集的自然光线导入培育系统；
第一照射单元(30)，配置为输出所述导光单元(20)导入的自然光线至待照射对象；以及
第二照射单元(40)，包含若干LED单元(402)，并配置为依据第一照射单元(30)的自然光线的输出调整所述LED单元(402)的光照输出，其中，
所述第二照射单元(40)具有多个照射范围彼此相同或相异的照射区域(A1、A2、A3)，所述照射区域(A1、A2、A3)包含的若干LED单元(402)具有沿所述第二照射单元(40)中心向外围变化的配置间隙(D1、D2、D3)，且所述照射区域(A1、A2、A3)的照射范围关联于所述配置间隙(D1、D2、D3)。
3.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述照射区域(A1、A2、A3)各自的照射范围沿所述第二照射单元(40)中心向外围呈逐渐缩减的形式。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发光装置，其特征在于，所述照射区域(A1、A2、A3)各自包含的若干LED单元(402)的配置间隙(D1、D2、D3)沿所述第二照射单元(40)中心向外围呈逐渐缩减的形式。
5.根据权利要求1～4任一项所述的发光装置，其特征在于，还包括：
光照测量单元(50)，配置为测量所述第一照射单元(30)输出的自然光的光照参数；
生长状态监测单元，配置为获取所述培育系统中待照射对象的生长状态参数；
控制单元(60)，配置为基于所述光照测量单元(50)获取的光照参数和/或所述生长状态监测单元获取的生长状态参数调整所述第二照射单元(40)的光照输出。
6.根据权利要求1～5任一项所述的发光装置，其特征在于，所述控制单元(60)对所述第二照射单元(40)的光照输出的调整包括：
根据所述生长状态监测单元获取的生长状态参数确定待照射对象的生长阶段；
响应于所述待照射对象的生长阶段控制组成所述第二照射单元(40)的所述照射区域(A1、A2、A3)中的至少两个提供光照输出以提供对应于所述生长阶段的光合色素组成的至少一种照射光谱，并基于所述照射区域(A1、A2、A3)中的至少两个的光照输出使提供至所述待照射对象的照射光谱具有不同于所述照射区域(A1、A2、A3)中的任意一个的照射范围；
和/或响应于所述待照射对象的生长阶段控制所述照射区域(A1、A2、A3)中任意一个或多个所包含的LED单元(402)的输出功率以提供对应于所述生长阶段的光合色素组成的光谱功率输出。
7.根据权利要求1～6任一项所述的发光装置，其特征在于，所述第二照射单元(40)还包括与所述LED单元(402)相对设置的第二透射单元，所述第二透射单元配置为调整所述LED单元(402)的出射光线的照射角度以调整所述第二照射单元(40)的照射范围或光照密度。
8.根据权利要求1～7任一项所述的发光装置，其特征在于，所述聚光单元(10)包括用于会聚自然光线至所述导光单元(20)的第一透射单元(100)，和以调整所述第一透射单元(100)和导光单元(20)间距的方式控制输入至所述导光单元(20)的自然光光量的调节单元(110)，其中，所述控制单元(60)根据自然光的光照参数驱动所述调节单元(110)运行以控制所述自然光光量。
9.根据权利要求1～8任一项所述的发光装置，其特征在于，所述导光单元(20)包括与所述第一透射单元(100)相对设置的光线导入件(201)，和围绕在所述光线导入件(201)周侧的包覆层(202)，其中，所述光线导入件(201)和包覆层(202)沿所述导光单元(20)长度方向延伸以将聚光单元(10)输入的自然光线导入培育系统。
10.根据权利要求1～9任一项所述的发光装置，其特征在于，还包括用于控制自然光光量的遮蔽单元(70)，所述遮蔽单元(70)包括用于阻挡出射光线的遮蔽部(702)和用于移动所述遮蔽部(702)的驱动器(701)，其中，所述遮蔽单元(70)处于所述第一透射单元(100)入射一侧、所述第一透射单元(100)出射一侧以及所述导光单元(20)与第一照射单元(30)之间中的任意一个位置。
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