DE102011015407A1

DE102011015407A1 - Beleuchtungseinrichtung und Gewächshaus mit einer Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102011015407A1
Application number: DE102011015407A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klein Markus; Dr. Markytan Ales; Dr. Gärtner Christian
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einer ersten Licht emittierenden Diode (1), die blaues Licht abstrahlt, mit zumindest einer zweiten Licht emittierenden Diode (2), die rotes Licht abstrahlt und zumindest einer dritten Licht emittierenden Diode (3) angegeben, die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen den Wellenlängenbereichen des blauen und des roten Lichts liegen, wobei zumindest zwei der ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Diode (1, 2, 3) unabhängig voneinander angesteuert und/oder zugeschaltet werden können. Weiterhin wird ein Gewächshaus mit einer Beleuchtungseinrichtung angegeben.

Description

Es werden eine Beleuchtungseinrichtung und ein Gewächshaus mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung angegeben.
Zumindest eine Aufgabe bestimmter Ausführungsformen ist es, eine Beleuchtungseinrichtung für Pflanzen anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe bestimmter Ausführungsformen ist es, ein Gewächshaus mit einer Beleuchtungseinrichtung für Pflanzen anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Beleuchtungseinrichtung eine Mehrzahl von Licht emittierenden Dioden auf, die jeweils Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen abstrahlen. Insbesondere kann die Beleuchtungseinrichtung als Pflanzenbeleuchtungseinrichtung ausgeführt ein, die zumindest teilweise Licht abstrahlt, das sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirken kann. Weiterhin kann die Beleuchtungseinrichtung zusätzlich oder alternativ auch als allgemeine Beleuchtungseinrichtung ausgeführt sein, die geeignet ist, Mischlicht, insbesondere weißes Licht, abzustrahlen, das bevorzugt einen hohen Farbwiedergabeindex sowie eine geeignete Lichtfarbe aufweist, um die Umgebung für das menschliche Auge möglichst farbecht zu beleuchten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Licht emittierende Didoe einen Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge auf, also einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise kann zumindest eine der Licht emittierenden Dioden der Beleuchtungseinrichtung einen Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von InGaAlN aufweisen. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAlGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis auf InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich und besonders bevorzugt in einem blauen Wellenlängenbereich emittieren.
Weiterhin kann zumindest eine Licht emittierende Diode auch einen Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InGaAlP aufweisen, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAlGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Licht emittierende Diode eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer Schicht basierend auf dem Verbindungshalbleitermaterialsystem AlGaAs aufweisen. Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP oder AlGaAs aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten Wellenlängenbereich emittieren.
Insbesondere können die Halbleiterschichtenfolgen der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente monochromatisches oder quai-monochromatisches Licht. Als monochromatisches oder quasi-monochromatisches Licht wird hier und im Folgenden vorzugsweise einfarbiges Licht bezeichnet, also schmalbandiges, einfarbiges Licht, dessen spektrale Breite üblicherweise im Bereich von einigen 10 nm liegt und durch die Zusammensetzung und den Aufbau der Halbleiterschichtenfolge bedingt ist.
Weiterhin kann zumindest eine der Licht emittierenden Dioden ein Konversionselement mit zumindest einem Wellenlängenkonversionsstoff aufweisen, der auf oder über einem Halbleiterchip aufgebracht ist. Der Wellenlängenkonversionsstoff kann geeignet sein, zumindest einen Teil des vom Halbleiterchip emittierten Lichts, das hier und im Folgenden auch als Primärlicht bezeichnet wird, in langwelligeres Licht zu konvertieren, das hier und im Folgenden auch als Sekundärlicht bezeichnet wird. Die Konversion kann besonders bevorzugt lediglich einen Teil des vom Halbleiterchip emittierten Primärlichts betreffen, so dass ein Halbleiterbauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement eine Überlagerung aus konvertiertem und unkonvertiertem Licht abstrahlen kann.
Der Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, beispielsweise YAG:Ce³⁺, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und Chlorosilikate. Weiterhin kann der Wellenlängenkonversionsstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Das Konversionselement kann geeignete Mischungen und/oder Kombinationen der genannten Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, dass das Konversionselement in einem blauen ersten Wellenlängenbereich absorbiert und in einem zweiten Wellenlängenbereich emittiert, der grüne und rote Wellenlängen und/oder gelbe Wellenlängenbereiche aufweist.
Weiterhin kann ein Konversionselement ein transparentes Matrixmaterial umfassen, das den oder die Wellenlängenkonversionsstoffe umgibt oder enthält oder das an den oder die Wellenlängenkonversionsstoffe chemisch gebunden ist. Das transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung zumindest eine erste Licht emittierende Diode auf, die blaues Licht abstrahlt. Beispielsweise kann das blaue Licht monochromatisch oder quasi-monochromatisch sein und einen Wellenlängenbereich mit einer Breite von kleiner oder gleich 100 nm überdecken. So kann das blaue Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 400 nm und kleiner oder gleich 500 nm liegen. Derartiges Licht kann besonders geeignet sein, um Pflanzen zu beleuchten, da Licht von Pflanzen nur in einem geringen Teil des Farbspektrums genutzt werden kann, um einen positiven Effekt auf das Wachstum zu haben. Insbesondere weisen Pflanzen ein Absorptionsmaximum in einem Wellenlängenbereich um etwa 445 nm auf, wobei sich die Beleuchtung von Pflanzen mit Licht im Bereich von 400 bis 500 nm besonders positiv auf das vegetative Pflanzenwachstum auswirken kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung zumindest eine zweite Licht emittierende Diode auf, die rotes Licht abstrahlt. Insbesondere kann das rote Licht monochromatisch oder quasimonochromatisch sein und beispielsweise einen Wellenlängenbereich mit einer Breite von kleiner oder gleich 100 nm überdecken. Besonders bevorzugt kann das rote Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm liegen. In einem solchen Wellenlängenbereich weisen Pflanzen ein Absorptionsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 660 nm auf, wobei sich die Beleuchtung einer Pflanze mit derartigem rotem Licht positiv auf die Blütephase und auf das Aufrichten der Pflanze auswirken kann.
Durch eine Beleuchtungseinrichtung, die zumindest eine erste und zumindest eine zweite LED mit den vorab genannten Merkmalen aufweist, kann eine effiziente und Energie sparende Beleuchtung für Pflanzen ermöglicht werden, die auf den Teil des Lichtspektrums optimiert sind, den die Pflanzen für das Wachstum nutzen können. Im Vergleich dazu sind Natriumdampflampen oder Metallhalogenlampen als Leuchtmittel für Pflanzenbeleuchtungen zum Beispiel in Gewächshäusern oder für Pflanzen in Innenräumen bekannt, die jedoch einen großen Wellenlängenbereich überdecken und damit nicht an das für Pflanzen verwertbare Spektrum des Lichts angepasst sind. Somit kann ein Großteil der abgestrahlten Lichtleistung bei solchen bekannten Pflanzenbeleuchtungen nicht durch die Pflanze verwendet werden, sodass auch ein Großteil der aufgewendeten Energie ungenutzt bleibt. Natriumdampflampen (HPS) können beispielsweise Licht abstrahlen, das für die Blütephase besonders geeignet ist, oder können als so genannte Kombi-Leuchtmittel ausgeführt sein, die Licht im für die Blütephase und für das vegetative Pflanzenwachstum geeigneten Bereich abstrahlen. Metallhalogenlampen strahlen vor allen Dingen Licht ab, das für das vegetative Pflanzenwachstum geeignet ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung zumindest eine erste Licht emittierende Diode auf, die blaues Licht mit einer Peak-Wellenlänge in einem Bereich von einschließlich 445 nm bis einschließlich 455 nm, beispielsweise 445 nm oder 455 nm, abstrahlt, und zumindest eine zweite Licht emittierende Diode, die rotes Licht mit einer Peak-Wellenlänge bei etwa 660 nm abstrahlt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine zweite Licht emittierende Diode vorgesehen sein, die Licht mit einer Peak-Wellenlänge von etwa 615 nm abstrahlt. Im ersten Fall kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Verhältnis der Lichtleistung der ersten Licht emittierenden Diode zur abgestrahlten Lichtleistung der zweiten Licht emittierenden Diode etwa 1:8 ist. Weist die Beleuchtungseinrichtung zusätzlich zu der ersten Licht emittierenden Diode, die blaues Licht abstrahlt, eine zweite Licht emittierende Diode, die rotes Licht mit einer Peak-Wellenlänge von etwa 660 nm abstrahlt, sowie eine zusätzliche zweite Licht emittierende Diode, die rotes Licht mit einer Peak-Wellenlänge von etwa 615 nm abstrahlt, auf, so kann das Verhältnis der jeweils abgestrahlten Lichtleistungen für die Farben blau, rot bei 615 nm und rot bei 660 nm besonders bevorzugt etwa 1:1:7 sein.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung eine dritte Licht emittierende Diode auf, die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen den Wellenlängenbereichen des ersten und des zweiten Lichts liegen. Insbesondere können spektrale Komponenten des dritten Lichts in einem Wellenlängenbereich zwischen 500 und 600 nm liegen. Das dritte Licht kann somit zumindest spektrale Komponenten in einem bläulich-grünen, grünen, gelblich-grünen und/oder orangefarbigen Wellenlängenbereich aufweisen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung zumindest eine dritte Licht emittierende Diode auf, die monochromatisches beziehungsweise quasi-monochromatisches Licht abstrahlt, das einen Wellenlängenbereich mit einer Breite von kleiner oder gleich 100 nm überdeckt. In diesem Fall kann der Wellenlängenbereich des Lichts der dritten Licht emittierenden Diode besonders bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 600 nm liegen. Alternativ dazu kann die dritte Licht emittierende Diode beispielsweise auch ultraviolettes und/oder blaues Primärlicht abstrahlen und ein Konversionselement aufweisen, das zumindest einen Teil des Primärlichts in Sekundärlicht in einem Wellenlängenbereich von 500 bis 600 nm umwandelt. Besonders bevorzugt kann das Licht, das von der dritten Licht emittierenden Diode abgestrahlt wird, Farbortkoordinaten in einem Bereich aufweisen, der Eckpunkte bei den folgenden Farbortkoordinaten (cx, cy) aufweist: (0,25, 0,25), (0,57, 0,41), (0,40, 0,60), (0,25, 0,60) und (0,10, 0,40).
Weist die Beleuchtungseinrichtung zur zumindest einen ersten Licht emittierenden Diode und zur zumindest einen zweiten Licht emittierenden Diode eine dritte Licht emittierende Diode auf, die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen dem blauen und dem roten Licht der ersten und der zweiten Licht emittierenden Diode liegt, also beispielsweise grünes oder weißlich-grünes Licht, so kann bei gleichzeitigem Betrieb aller Licht emittierenden Dioden durch Überlagerung des jeweils abgestrahlten Lichts weißes Licht abgestrahlt werden, das bevorzugt einen hohen Farbwiedergabeindex aufweisen kann. Dadurch kann eine Beleuchtung von Pflanzen ermöglicht werden, durch die die Pflanzen mit ihren gewohnten Farben wahrgenommen werden können. Im Vergleich dazu weisen bekannte Pflanzenbeleuchtungen, die auf die für das Wachstum der Pflanzen optimierten Spektralbereiche beschränkt sind, eine ungewünschte Lichtfarbe von beispielsweise lila anstatt weiß auf, womit eine geringe Farbwiedergabe solcher Pflanzenbeleuchtungen einhergeht, sodass die Pflanzen aufgrund des fehlenden grünen Lichts grau erscheinen. Während bei bekannten Pflanzenbeleuchtungen zum Ausgleich hierzu eine separate Lichtquelle eingesetzt wird, die selbst eine gute Farbwiedergabe aufweist, ist es bei der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung für Pflanzen möglich, das Spektrum sowohl auf das Pflanzenwachstum als auch auf die Lichtfarbe und die Farbwiedergabe zu Betrachtung der Pflanzen zu optimieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zumindest zwei der ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Dioden unabhängig voneinander angesteuert und/oder zugeschaltet werden. Dazu kann die Beleuchtungseinrichtung eine Ansteuereinrichtung aufweisen, die in einem ersten Betriebszustand beispielsweise die zumindest eine erste Licht emittierende Diode und die zumindest eine zweite Licht emittierende Diode betreibt und die in einem zweiten Betriebszustand alle Licht emittierenden Dioden betreibt. Insbesondere kann dadurch ein Betrieb in zwei Betriebsmodi ermöglicht werden, von denen in einem ersten Betriebsmodus A ein Spektrum von der Beleuchtungseinrichtung emittiert wird, das durch das Licht der ersten und der zweiten Licht emittierenden Diode bestimmt wird und das auf das Pflanzenwachstum optimiert sein kann. In einem weiteren Betriebsmodus B können die Lichtfarbe und die Farbwiedergabe des abstrahlten Lichts durch Abstrahlung des Lichts aller Licht emittierenden Dioden derart optimiert sein, dass eine möglichst gute Beleuchtung beziehungsweise Betrachtung der Pflanzen mit einer möglichst hohen Farbwiedergabe und Brillanz der Pflanzen möglich ist. Dadurch kann im Vergleich zu einer Beleuchtung, die nur durch auf den für das Wachstum optimierten Spektralbereich beschränkt sind, eine einfachere Wahrnehmbarkeit der Pflanzen und dadurch beispielsweise auch eine einfacherer Ernte möglich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Betriebsmodus A das Verhältnis von blauem zu rotem Licht angepasst und gezielt für unterschiedliche Wachstumsphasen von Pflanzen optimiert werden. Beispielsweise kann das Verhältnis der von der zumindest einen ersten Licht emittierenden Diode abgestrahlten Lichtleistung zur von der zumindest einen zweiten Licht emittierenden Diode abgestrahlten Lichtleistung gemäß den weiter oben genannten Ausführungsformen ausgebildet sein. Je nach Pflanze und je nach Wachstumsphase der jeweiligen Pflanze kann das Verhältnis des ersten und des zweiten Lichts hinsichtlich deren Lichtleistungen variiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Betriebsmodus B das Verhältnis der Lichtleistungen des Lichts der jeweils zumindest einen ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Diode so angepasst, dass eine weiße Lichtfarbe in der Nähe oder auf der Weißkürve eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers mit einem hohen Wiedergabeindex erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung einen Betriebsmodus C auf, in dem lediglich die dritten Licht emittierenden Dioden betrieben werden, die besonders bevorzugt wie weiter oben beschrieben grünliches oder weißlich-grünliches Licht abstrahlen können. Im Betriebsmodus C, der beispielsweise zur Nachtbeleuchtung geeignet sein kann, kann die Beleuchtungseinrichtung eine Orientierung ermöglichen, ohne jedoch einen Tag-Nacht-Rhythmus der Pflanzen zu beeinflussen. Dadurch können Wachstumsstörungen bei den Pflanzen beispielsweise durch eine unregelmäßige Beleuchtung in der Nacht vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung eine Mehrzahl von ersten Licht emittierenden Dioden und/oder eine Mehrzahl von zweiten Licht emittierenden Dioden und/oder eine Mehrzahl von dritten Licht emittierenden Dioden auf. Die ersten Licht emittierenden Dioden können dabei gleiches oder auch voneinander verschiedenes Licht abstrahlen, wobei jede der ersten Licht emittierenden Dioden Licht im oben genannten Wellenlängenbereich abstrahlt. Alternativ oder zusätzlich können auch die zweiten Licht emittierenden Dioden gleiches oder voneinander verschiedenes Licht abstrahlen, wobei jede der zweiten Licht emittierenden Dioden Licht im oben genannten Wellenlängenbereich abstrahlt. Alternativ oder zusätzlich dazu können die dritten Licht emittierenden Dioden voneinander unterschiedliches oder gleiches Licht abstrahlen, wobei es auch möglich ist, dass beispielsweise zumindest eine dritte Licht emittierende Diode bläulich-grünes, grünes, gelblich-grünes, gelbes oder orangefarbiges monochromatisches oder quasi-monochromatisches Licht direkt abstrahlt, während zumindest eine weitere dritte Licht emittierende Diode ein Konversionselement aufweist und somit mittels Konversion erzeugtes grünliches oder weißlich-grünes Licht abstrahlt, das im oben genannten Farbortbereich liegt. Durch eine Mehrzahl der jeweiligen Licht emittierenden Dioden kann somit zum einen die Lichtleistung erhöht werden, zum anderen kann auch die Anzahl der spektralen Komponenten des von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten Lichts vergrößert werden, sodass beispielsweise im oben genannten Betriebsmodus B zur Allgemeinbeleuchtung ein hoher Farbwiedergabeindex erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung zumindest ein reflektierendes Element zur homogenen und/oder gerichteten Abstrahlung des von den Licht emittierenden Dioden jeweils abgestrahlten Lichts auf. Beispielsweise kann es sich beim reflektierenden Element um einen gemeinsamen Reflektor oder Lampenschirm handeln, in dem die Licht emittierenden Dioden angeordnet sind. Weiterhin kann die Beleuchtungseinrichtung beispielsweise zusätzlich oder alternativ ein Licht streuendes Element wie etwa einen Diffusor aufweisen, das den Licht emittierenden Dioden in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist, sodass eine effiziente Durchmischung des von den Licht emittierenden Dioden abgestrahlten Lichts ermöglicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Beleuchtungseinrichtung einen Lichtleiter aufweisen, der eine zylindrische Licht leitende Wandung aufweist. Die zylindrische Wandung kann bevorzugt auf der Außenseite verspiegelt sein und auf der Innenseite Licht streuend sein. Insbesondere kann die zylindrische Wandung auf der Innenseite mit einer Licht streuenden Beschichtung beziehungsweise mit einem Licht streuenden Material, beispielsweise erhältlich von der Firma Evonik, versehen sein oder aus einem solchen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Zylinderwandung auch innerhalb des Lichteleiters diffus streuend ausgebildet sein und beispielsweise Licht streuende Partikel in der Zylinderwandung aufweisen. Die Licht emittierenden Dioden können besonders bevorzugt entlang der Zylinderachse an einer Stirnseite der zylindrischen Wandung des Lichtleiters angeordnet sein und das Licht auf in die zylindrische Wandung abstrahlen, so dass das Licht über die streuende Innenseite in den von der zylindrischen Wandung umgebenen Innenraum abgestrahlt werden kann. Eine derartige Beleuchtungseinrichtung kann besonders bevorzugt über beziehungsweise um eine oder mehrere Pflanzen herum angeordnet sein, sodass die Pflanzen im Lichtleiter beziehungsweise innerhalb der zylindrischer Wandung angeordnet ist und dort wachsen können. Durch die Licht streuende Innenseite des Lichtleiters, durch die das Licht der Licht emittierenden Dioden möglichst homogen und allseitig auf die Pflanzen eingestrahlt wird, kann eine effektive Beleuchtung der Pflanzen und besonders effiziente Anregung des Pflanzenwachstums erreicht werden. Insbesondere kann die Beleuchtungseinrichtung dabei lediglich zumindest eine erste Licht emittierende Diode und zumindest eine zweite Licht emittierende Diode aufweisen. Zusätzlich dazu kann die Beleuchtungseinrichtung zumindest eine dritte Licht emittierende Diode aufweisen, sodass die Pflanze innerhalb des Lichtleiters gegebenenfalls auch mit weißem Licht beleuchtet werden kann und dadurch beispielsweise für eine Kontrolle oder Ernte gut sichtbar sein kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist ein Gewächshaus zumindest eine Beleuchtungseinrichtung gemäß den vorab genannten Ausführungsformen auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gewächshaus zumindest ein reflektierendes Element auf, das zumindest teilweise auf einem oder mehreren Bereichen des Gewächshauses angeordnet ist. Beispielsweise kann ein reflektierendes Element, das beispielsweise einen Spiegel oder einen diffusen Reflektor, beispielsweise in Form von reflektierenden Platten, reflektierender Folie oder reflektierendem granularem Material, aufweisen oder sein kann, auf einer Anbaufläche für Pflanzen, einem Beet, einer Seitenwand eines Beetes, einem Pflanzenbehälter, einem Gewächshausboden, einer Gewächshauswand, einer Gewächshausdecke oder mehreren dieser Elemente oder einer Kombination dieser angeordnet sein.
Weiterhin kann ein reflektierendes Element beispielsweise auch in einem Bereich zwischen der Beleuchtungseinrichtung und einer Anbaufläche für Pflanzen angeordnet sein und die Anbaufläche für Pflanzen sowie die Beleuchtungseinrichtung zur Umgebung hin abdecken, sodass das von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlte Licht möglichst effizient auf die Pflanzen eingestrahlt werden kann. Beispielsweise kann das reflektierende Element hierzu als reflektierende Folie oder Platte ausgebildet sein, mittels derer der Bereich zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Anbaufläche für Pflanzen abgehängt ist. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn ein solches reflektierendes Element in Form einer oder mehrerer Platten oder einer oder mehrerer Folien aufgerollt oder entfernt werden kann, um beispielsweise bei Tageslicht eine Abschattung zu vermeiden.
Die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung für Pflanzen sowie das Gewächshaus mit zumindest einer solchen Beleuchtungseinrichtung kann effizient zur Wachstumsförderung von Pflanzen, also zur Pflanzenbeleuchtung, sowie auch zur allgemeinen Beleuchtung dienen, bei der die Pflanzen aufgrund eines hohen Farbwiedergabeindex und einer optimierten Lichtfarbe der Beleuchtungseinrichtung gut wahrnehmbar sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1 Farborte für Licht emittierende Dioden einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3A und 3B schematische Darstellungen einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
4 eine schematische Darstellung eines Gewächshauses mit einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In Verbindung mit den 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungseinrichtung beschrieben, die als Pflanzenbeleuchtungseinrichtung ausgeführt ist und die zumindest eine erste Licht emittierende Diode 1 aufweist, die im Betrieb blaues Licht abstrahlt, die zumindest eine zweite Licht emittierende Diode 2 aufweist, die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und die zumindest eine dritte Licht emittierende Diode 3 aufweist, die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen den Wellenlängenbereichen des blauen und des roten Lichts liegen.
In 1 ist die dem Fachmann bekannte CIE-1931-Farborttafel beziehungsweise CIE-Normfarbtafel mit den Farbortkoordinaten cx auf der horizontalen Achse und cy auf der vertikalen Achse gezeigt. Dabei kennzeichnet die Linie 900 die dem Fachmann bekannte so genannte Weißkurve eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers bei verschiedenen Temperaturen. Diese Temperaturen werden auch als Farbtemperatur bezeichnet. Das Kreuz E bezeichnet den (mathematischen) Weißpunkt mit den Farbortkoordinaten cx = cy = 1/3, der in etwa einer Farbtemperatur von 5500 K entspricht.
Die erste Licht emittierende Diode 1 strahlt blaues Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 400 nm und kleiner oder gleich 500 nm ab. Besonders bevorzugt strahlt die erste Licht emittierende Diode 1 blaues Licht mit einem Emissionsmaximum beziehungsweise einer Peak-Wellenlänge im Bereich um 455 nm ab, wie in 1 mittels des Kreises 901 angedeutet ist. Derartiges Licht wird von Pflanzen für das vegetative Pflanzenwachstum benötigt.
Die zweite Licht emittierende Diode 2 strahlt rotes Licht mit einer Wellenlänge von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm ab. Besonders bevorzugt strahlt die zweite Licht emittierende Diode 2 rotes Licht mit einem Emissionsmaximum beziehungsweise einer Peak-Wellenlänge im Bereich um 660 nm ab, was durch den Kreis 902 in 1 angedeutet ist. Alternativ dazu kann die zweite Licht emittierende Diode 2 auch Licht mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich um 615 nm abstrahlen. Licht mit derartigen Wellenlängen ist besonders geeignet, die Blütephase und das Aufrichten von Pflanzen positiv zu beeinflussen.
Insbesondere sind die erste und die zweite Licht emittierende Diode 1, 2 derart ausgebildet, dass das von ihnen abgestrahlte Licht monochromatisch oder quasi-monochromatisch ist, das bedeutet, dass das von den Licht emittierenden Dioden abgestrahlte Licht eine schmale spektrale Verteilung um eine Hauptwellenlänge herum aufweist, wobei die Breite der spektralen Verteilung durch das Materialsystem und die bauliche Ausführung der jeweiligen Licht emittierenden Diode als Licht emittierender Halbleiterchip vorgegeben ist. Die erste Licht emittierende Diode 1 kann beispielsweise einen Licht emittierenden Halbleiterchip basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen, während die zweite Licht emittierende Diode 2 beispielsweise einen Licht emittierenden Halbleiterchip basierend auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen kann.
Durch Überlagerung des blauen und des roten Lichts der ersten beziehungsweise der zweiten Licht emittierenden Diode 1, 2 wird Mischlicht bevorzugt in einem Bereich abgestrahlt, der in 1 mit dem Bezugszeichen 912 gekennzeichnet ist und der eine besonders effiziente und wachstumsfördernde Beleuchtung von Pflanzen ermöglicht.
Die in 2 dargestellte Pflanzenbeleuchtungseinrichtung 10 kann in einem Betriebsmodus A, in dem die zumindest eine erste Licht emittierende Diode und die zumindest eine zweite Licht emittierende Diode 2 betrieben werden, Licht mit einem solchen Spektrum beziehungsweise solchen Farbortkoordinaten abstrahlen und damit im Betriebsmodus A als effiziente Pflanzenbeleuchtung dienen.
Damit die Pflanzenbeleuchtungseinrichtung in einem weiteren Betriebsmodus B auch als Allgemeinbeleuchtung verwendet werden kann, weist die Beleuchtungseinrichtung 10 eine dritte Licht emittierende Diode 3 auf, die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen den Wellenlängenbereichen des von der ersten Licht emittierenden Diode und des von der zweiten Licht emittierenden Diode jeweils abgestrahlten Lichts liegen.
Hierzu weist die Licht emittierende Diode 3 beispielsweise eine Licht emittierende Halbleiterschichtenfolge auf, die blaugrünes, grünes, gelblich-grünes oder orangefarbenes Licht mit einem Emissionsmaximum in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 600 nm abstrahlt. Dabei ist das von der dritten Licht emittierenden Diode 3 abgestrahlte Licht derart gewählt, dass das resultierende Mischlicht bei gleichzeitigem Betrieb aller Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 in der Nähe der Weißkurve 900 oder auf der Weißkurve 900 liegt. Ein zur Allgemeinbeleuchtung besonders geeigneter Bereich um den Weißpunkt E herum ist in 1 mit dem Bezugszeichen 910 gekennzeichnet.
Weiterhin kann die dritte Licht emittierende Diode auch beispielsweise ultraviolettes und/oder blaues Primärlicht abstrahlen und ein Konversionselement aufweisen, das zumindest einen Teil des Primärlichts in Sekundärlicht umwandelt, das in einem Wellenlängenbereich zwischen 500 und 600 nm liegt. Dabei kann die dritte Licht emittierende Diode spektrale Komponenten aufweisen, die im CIE-Diagramm der
1 oberhalb der mit 913 gekennzeichneten Linie liegen. Besonders bevorzugt kann das von der dritten Licht emittierende Dioden 3 abgestrahlte Licht Farbortkoordinaten (cx, cy) im mit 923 gekennzeichneten Bereich aufweisen, der Eckpunkte bei den folgenden Farbortkoordinaten (cx, cy) aufweist: (0,25, 0,25), (0,57, 0,41), (0,40, 0,60), (0,25, 0,60) und (0,10, 0,40).
Durch die kombinierte Abstrahlung des jeweiligen Lichts der ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Diode 1, 2, 3 kann somit im Betriebsmodus B eine auf Lichtfarbe und Farbwiedergabe optimierte spektrale Verteilung erreicht werden, die eine möglichst gute Farbwiedergabe der beleuchteten Pflanzen und damit eine gute Erkennbarkeit dieser ermöglicht.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel mit jeweils einer ersten, einer zweiten und einer dritten Licht emittierenden Diode 1, 2, 3 kann die Beleuchtungseinrichtung 10 auch jeweils eine Mehrzahl von Licht emittierenden Dioden der ersten, zweiten und/oder dritten Sorte aufweisen.
Weiterhin weist die Beleuchtungseinrichtung 10 ein Ansteuerelement 4 auf, das eine unabhängige Ansteuerung wenigstens zweier der ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Diode 1, 2, 3 und insbesondere einen Betrieb in den Betriebsmodi A und B ermöglicht.
Weiterhin weist die Beleuchtungseinrichtung 10 rein beispielhaft im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Reflektor 5 auf, der geeignet ist, das von den Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 jeweils abgestrahlte Licht in eine bevorzugte Abstrahlrichtung zu bündeln. Darüber hinaus kann zusätzlich oder alternativ beispielsweise auch noch ein Diffusor beziehungsweise eine Streuscheibe oder beispielsweise eine Linse vorgesehen sein, die den Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 in Abstrahlrichtung nachgeordnet sein kann und die das jeweils abgestrahlte Licht derart überlagert, dass die Beleuchtungseinrichtung 10 ein homogenes Mischlicht bei einem gleichzeitigen Betrieb von wenigstens zwei Licht emittierenden Dioden gleichzeitig abstrahlen kann.
In den 3A und 3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für als Pflanzenbeleuchtungseinrichtung ausgebildete Beleuchtungseinrichtungen 10 gezeigt, wobei in 3A eine schematische Schnittdarstellung gezeigt ist, während in 3B eine Aufsicht dargestellt ist.
Die Beleuchtungseinrichtungen in den 3A und 3B weisen einen Lichtleiter 6 mit einer Licht leitenden zylindrischen Wandung auf, auf der in einer Richtung entlang der Zylinderachse auf einer Oberseite die Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 angeordnet sind. Alternativ dazu können die Beleuchtungseinrichtungen 10 in diesem Ausführungsbeispiel auch nur die ersten und zweiten Licht emittierende Dioden 1, 2 aufweisen. Der Lichtleiter 6 ist auf einer Außenseite 61 verspiegelt, während die Innenseite 62 mit einer diffus streuenden Beschichtung oder einem diffus streuenden Material beschichtet ist oder auf einem solchen gebildet ist, sodass das von den Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 in die Zylinderwandung des Lichtleiters 6 eingestrahlte Licht in das Zylinderinnere in Richtung der Pflanze P abgestrahlt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Zylinderwandung auch innerhalb des Lichteleiters diffus streuend ausgebildet sein und beispielsweise Licht streuende Partikel in der Zylinderwandung aufweisen. Dadurch kann eine gleichmäßige und allseitige Beleuchtung der Pflanze P mit dem für das Wachstum besonders geeigneten Lichtspektrum ermöglicht werden.
Wie in den 3A und 3B angedeutet, können Pflanzen P beispielsweise in einem Beet oder Pflanzenbehälter B wachsen, der mit Erde H gefüllt ist. In 3A ist zusätzlich noch ein reflektierendes Element 21 auf der Erde H gezeigt, das eine Reflexion des von den Licht emittierenden Dioden 1, 2, 3 abgestrahlten Lichts von der Unterseite her ermöglicht.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Gewächshaus 100 gezeigt, das rein beispielhaft die Pflanzenbeleuchtungseinrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 aufweist.
Weiterhin ist rein beispielhaft im Gewächshaus 100 ein Beet B gefüllt mit Erde H vorhanden, in dem Pflanzen P wachsen können. Wie schon im vorherigen Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der 3A beschrieben, ist auf der Erde H ein reflektierendes Element 21 angeordnet, das auf die Erde H eingestrahltes Licht zurückreflektieren kann und damit eine Erhöhung der Beleuchtungseffizienz bewirken kann.
Weiterhin kann das Gewächshaus 100 reflektierende Elemente 22 am Gewächshausboden, reflektierende Elemente 23 an den Gewächshauswänden, reflektierende Elemente 24 an der Gewächshausdecke, frei hängende reflektierende Elemente 25 in einem Bereich zwischen der Pflanzenbeleuchtungseinrichtung 10 und den Pflanzen P sowie reflektierende Elemente 26 an Wänden des Beets beziehungsweise Pflanzenbehälters B aufweisen. Obwohl im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kombination der reflektierenden Elemente 21 bis 25 gezeigt ist, kann das Gewächshaus auch nur eines oder auch beliebige Kombinationen der gezeigten reflektierenden Elemente 21 bis 25 aufweisen.
Das reflektierende Element 21 kann beispielsweise aus einem reflektierenden granularen Material auf oder in der Erde H oder auch als reflektierende Platte oder reflektierende Folie ausgeführt sein. Des Weiteren können auch die reflektierenden Elemente 22 bis 26 jeweils spiegelnd oder diffus reflektierend ausgebildet sein, beispielsweise als reflektierende Folien oder reflektierende Platten. Dabei kann insbesondere die Anordnung der reflektierenden Elemente 25 im Bereich zwischen der Pflanzenbeleuchtungseinrichtung 10 und dem Beet B vorteilhaft sein, durch die dieser Bereich abgehängt und nach außen hin abgeschattet werden kann. Sind die reflektierenden Elemente 25 als reflektierende Platten oder als reflektierende Folie ausgebildet, können diese aufrollbar oder entfernbar sein, um beispielsweise bei Tageslicht eine Abschattung dieses Bereichs zu vermeiden.
Zusätzlich oder alternativ kann um die Pflanzen P herum eine Beleuchtungseinrichtung 10 mit einem Lichtleiter wie in Verbindung mit den 3A und 3B beschrieben angeordnet werden.
Zusätzlich oder alternativ zu den weiter oben beschriebenen Betriebsmodi kann die Beleuchtungseinrichtung 10 in Abhängigkeit des Angebots und/oder des Preises der zum Betrieb erforderlichen Energie gesteuert werden. Dadurch kann beispielsweise in Verbindung mit einem intelligenten Stromnetz, auch als so genanntes „smart grid” bezeichnet, ein intelligentes Gewächshaus ermöglicht werden, das beispielsweise dazu genutzt werden kann, Energie aus erneuerbaren Energien je nach Angebot zu beziehen, das stark fluktuieren kann. Durch eine solche angebotsabhängige Energienutzung kann eine Reduktion der Energiekosten ermöglicht werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einer ersten Licht emittierenden Diode (1), die blaues Licht abstrahlt, mit zumindest einer zweiten Licht emittierenden Diode (2), die rotes Licht abstrahlt und zumindest einer dritten Licht emittierenden Diode (3), die Licht abstrahlt, dessen spektrale Komponenten zumindest teilweise zwischen den Wellenlängenbereichen des blauen und des roten Lichts liegen, wobei zumindest zwei der ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Diode (1, 2, 3) unabhängig voneinander angesteuert und/oder zugeschaltet werden können.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das blaue Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 400 nm und kleiner oder gleich 500 nm liegt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das rote Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm liegt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dritte Licht emittierende Diode (3) monochromatisches blau-grünes, grünes, gelblich-grünes oder orangefarbiges monochromatisches Licht in einem Wellenlängenbereich von größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 600 nm.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dritte Licht emittierende Diode (3) ultraviolettes und/oder blaues Primärlicht abstrahlt und ein Konversionselement aufweist, das zumindest einen Teil des Primärlichts in blau-grünes, grünes, gelblich-grünes oder orangefarbiges Sekundärlicht umwandelt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dritte Licht emittierende Diode Licht mit Farbortkoordinaten (cx, cy) in einem Bereich mit Eckpunkten bei den Farbortkoordinaten (0,25, 0,25), (0,57, 0,41), (0,40, 0,60), (0,25, 0,60) und (0,10, 0,40) abstrahlt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer Ansteuereinrichtung (4), die in einem ersten Betriebszustand die zumindest eine erste Licht emittierende Diode (1) und die zumindest eine zweite Licht emittierende Diode (2) und die in einem zweiten Betriebszustand alle Licht emittierenden Dioden (1, 2, 3) betreibt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit zumindest einem reflektierenden Element (5) und/oder einer Linse zur homogenen und/oder gerichteten Abstrahlung des von den Licht emittierenden Dioden jeweils abgestrahlten Lichts.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Lichtleiter () mit einer lichtleitenden zylindrischen Wandung, auf der auf einer entlang der Zylinderachse angeordneten Oberseite die Licht emittierenden Dioden (1, 2, 3) angeordnet sind, wobei die zylindrische Wandung auf einer Außenseite (61) verspiegelt ist und auf einer Innenseite (62) Licht streuend ist.
Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einer ersten Licht emittierenden Diode (1), die blaues Licht abstrahlt, mit zumindest einer zweiten Licht emittierenden Diode (2), die rotes Licht abstrahlt und mit einem Lichtleiter (6) mit einer lichtleitenden zylindrischen Wandung, auf der auf einer entlang der Zylinderachse angeordneten Oberseite die Licht emittierenden Dioden (1, 2) angeordnet sind, wobei die zylindrische Wandung auf einer Außenseite (61) verspiegelt ist und auf einer Innenseite (62) oder innerhalb des Lichtleiters (6) Licht streuend ist.
Gewächshaus mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Gewächshaus nach Anspruch 11, das zumindest ein reflektierendes Element (21, 22, 23, 24, 26) aufweist, das zumindest teilweise auf einem oder mehreren Bereichen des Gewächshauses angeordnet ist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die gebildet wird durch: eine Anbaufläche für Pflanzen, ein Beet, eine Seitenwand eines Beets, ein Pflanzenbehälter, ein Gewächshausboden, eine Gewächshauswand, eine Gewächshausdecke.
Gewächshaus nach Anspruch 11 oder 12, das zumindest ein reflektierendes Element (25) aufweist, das in einem Bereich zwischen der Beleuchtungseinrichtung (10) und einer Anbaufläche für Pflanzen die Beleuchtungseinrichtung und die Anbaufläche zur Umgebung hin verdeckend anbringbar ist.