ES2954576T3 - Iluminación hortícola difusa de fibra óptica - Google Patents
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Abstract
La luz láser emana de componentes ópticos que están montados sobre un sustrato, cada componente óptico está acoplado a una fibra óptica que emite radiación láser combinada de múltiples láseres. Se ubica un difusor holográfico lineal o elíptico para difundir la luz que emana de los componentes ópticos. Las longitudes de onda del láser excitan los fotopigmentos de las plantas para generar respuestas fisiológicas predeterminadas, y las intensidades de la fuente de luz pueden modularse temporalmente para maximizar la fotosíntesis y controlar las respuestas de la fotomorfogénesis. Cada láser se controla de forma independiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Iluminación hortícola difusa de fibra óptica
CAMPO TÉCNICO
El objeto de la presente invención se refiere a un sistema para proporcionar radiación óptica a plantas cultivadas en entornos controlados. Más específicamente, se refiere a proporcionar luz láser difusa de longitudes de onda particulares que se suministra mediante fibras ópticas.
ANTECEDENTES
Cada vez es más económico cultivar plantas en entornos controlados, como invernaderos y fábricas de plantas. En estos entornos, las luminarias hortícolas suelen montarse encima de los parterres, aunque a veces se utiliza iluminación entre hileras para plantas enrejadas, tal como los tomates en rama.
Antes de la introducción de la tecnología de diodos emisores de luz (LED), las luminarias hortícolas normalmente utilizaban lámparas fluorescentes o de sodio de alta presión (HPS) para proporcionar suficiente radiación óptica ("luz") para que las plantas realizaran la fotosíntesis mientras crecían. Además, en ocasiones se utilizaban lámparas incandescentes para adelantar o retrasar la floración en plantas, tal como la flor de pascua. Independientemente de la tecnología, la distribución de potencia espectral de la lámpara (SPD) y el flujo de fotones fotosintéticos (PPF) emitidos por las lámparas fueron parámetros fijos.
La primera generación de luminarias hortícolas basadas en LED empleaba LED azules y rojos cuyas emisiones espectrales de banda estrecha se eligieron para igualar los picos de absorción espectral de la clorofila A y B (figura 1), el razonamiento es que esto daría como resultado el uso más eficiente del flujo de fotones para la fotosíntesis de las plantas. También fue útil que los picos de absorción de aproximadamente 450 nm (azul) y 660 nm (rojo) coincidieran con las eficacias máximas de las tecnologías LED inorgánicas InGaN y AlInGaP estándar de la industria (figura 4).
Algunos fabricantes ofrecen ahora luminarias hortícolas de segunda generación con longitudes de onda máximas de LED que van desde 400 nm (azul) a 750 nm (rojo lejano), incluida la luz "blanca" de banda ancha de LED recubiertos de fósforo. Algunos fabricantes de luminarias hortícolas incluyen además LED ultravioleta en sus productos, incluidos UV-B (280 nm a 315 nm) y UV-A (315 nm a 400 nm), mientras que otros ofrecen diferentes SPD fijos diseñados para promover el crecimiento vegetativo o la floración.
Sin embargo, investigaciones hortícolas recientes han demostrado que las plantas tienen una relación mucho más compleja con la distribución de potencia espectral de la radiación óptica incidente de lo que se había reconocido anteriormente. Además de la fotosíntesis, la distribución de energía espectral también influye en la fotomorfogénesis, el fototropismo, la evitación de la sombra, la producción de metabolitos secundarios, la resistencia a las plagas, el arrastre del ritmo circadiano y más.
Investigaciones hortícolas recientes también han demostrado que la distribución espacial y temporal de la radiación óptica tiene una influencia significativa en el crecimiento y la salud de las plantas. La iluminación entre hileras es un ejemplo de distribución espacial, donde se ha demostrado que la radiación óptica orientada horizontalmente que incide sobre las hojas de tomates en rama en espaldera muy próximos mejora el rendimiento y la calidad de la fruta. De manera similar, variar el fotoperíodo diario durante el ciclo de crecimiento es un ejemplo de distribución temporal, donde se ha demostrado que acortar el fotoperíodo de 16 horas a 12 horas durante la floración influye en la producción de ácido tetrahidrocannabinólico (THCa) en cultivos de cannabis sativa.
Desafortunadamente, las luminarias hortícolas de la técnica anterior no proporcionan los medios para controlar con precisión la potencia espectral y las distribuciones espaciales y temporales de la radiación óptica necesarias para obtener los beneficios de un mejor crecimiento y salud de las plantas en entornos controlados, como lo demuestra esta investigación reciente.
Hasta hace poco, las luminarias hortícolas de la técnica anterior consistían en lámparas de arco HPS o de halogenuros metálicos (Mh ) con reflectores rotacionalmente simétricos y óptica refractiva, o lámparas fluorescentes lineales con reflectores y difusores. Las lámparas de arco producen grandes cantidades de radiación infrarroja y calor conductivo, por lo que las luminarias normalmente deben colocarse al menos varios metros por encima del dosel de las plantas en invernaderos y granjas verticales para evitar el sobrecalentamiento de las hojas y flores de las plantas. Es difícil controlar la distribución de intensidad espacial del flujo de fotones fotosintéticos, por lo que las luminarias generalmente se organizan en un patrón de cuadrícula simplemente para proporcionar una densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) espacialmente uniforme en el dosel de la planta desde arriba. Las lámparas HPS y MH tienen aún más limitaciones porque no se pueden atenuar y sus distribuciones espectrales de energía son fijas.
Las lámparas fluorescentes lineales no producen una cantidad significativa de radiación infrarroja o calor conductivo, por lo que pueden colocarse a unos centímetros del dosel de la planta. Sin embargo, cada lámpara puede producir solo una cantidad limitada de flujo de fotones fotosintéticos, lo que las hace inadecuadas para su uso en invernaderos donde normalmente se requieren niveles de PPFD comparables a la luz del día. Sus distribuciones de potencia
espectral también son fijas y su factor de forma lineal dificulta el control de sus distribuciones de intensidad espacial.
Se encuentran disponibles comercialmente luminarias hortícolas lineales con LED de alto flujo, tal como la Arize Lynk™ de Current by GE, que proporciona LED semiconductores azules y rojos en combinación con LED de luz blanca recubiertos de fósforo. Sin embargo, sus distribuciones de potencia espectral son fijas y no proporcionan ópticas de colimación para lograr distribuciones de intensidad espacial sustancialmente diferentes a las de las lámparas fluorescentes lineales.
Antes de su interrupción como productos legales, las lámparas incandescentes se utilizaban para controlar la floración de plantas ornamentales como la flor de pascua. Lámparas LED con base Edison como las Arize™ Greenhouse Pro de Current by GE están disponibles para cumplir esta función, pero su factor de forma dificulta el control de sus distribuciones de intensidad espacial y sus distribuciones de potencia espectral son fijas.
Algunas luminarias hortícolas disponibles comercialmente ofrecen una opción de distribución de energía espectral vegetativa ("veg") o floración ("bloom") y se pueden regular de forma remota, tal como, por ejemplo, la luminaria TopLighi™ y el software de control asociado smartPAR™ de LumiGrow (Emeryville, CA).
Se encuentran disponibles luminarias hortícolas basadas en LED diseñadas específicamente para investigación y desarrollo, tal como, por ejemplo, la PHYTOFYRL™ de OSRAM (Múnich, Alemania). Este producto en particular incluye una serie de cinco LED cuasimonocromáticos diferentes con longitudes de onda máximas nominales de 385 nm (ultravioleta-A), 450 nm (azul), 521 nm (verde), 660 nm (rojo) y 735 nm (rojo lejano), así como LED de luz blanca recubiertos de fósforo con una temperatura de color correlacionada de 2700K. Los LED están controlados por seis controladores independientes de modulación de ancho de pulso (PWM), cada uno con un rango de atenuación del 10 al 100 por ciento, lo que permite a los investigadores generar una variedad de distribuciones de energía espectral y niveles de PPFD en el dosel de la planta que pueden variarse mediante software ejecutado en una computadora remota y que se comunica con los controladores a través de una interfaz de red.
Este tipo de luminarias hortícolas presentan una serie de desventajas. Primero, cada LED de alto flujo se monta en su propio paquete y se fija a un disipador de calor común. Esto dificulta el control de la distribución espacial de la intensidad de la luminaria. En segundo lugar, los LED no se pueden disponer en una matriz lineal sin grandes variaciones en la distribución de energía espectral a lo largo de la luminaria. Suponiendo, por ejemplo, un espacio de 2,0 centímetros entre paquetes de LED, los seis LED abarcarían 12 centímetros y requerirían una distancia de al menos cinco veces (es decir, 60 centímetros) para garantizar una distribución espectral de energía aproximadamente constante en la cubierta de la planta.
Una tercera desventaja es que cada paquete de LED debe estar conectado eléctrica y térmicamente a una placa de circuito de núcleo metálico grande y costosa para proporcionar energía eléctrica y extraer el calor generado mediante disipadores de calor pasivos o enfriados activamente. La refrigeración activa mediante ventiladores eléctricos es un problema particular en los invernaderos, donde las carcasas de las luminarias suelen estar sometidas a alta humedad, goteo de agua y posiblemente lavado con chorro de agua.
Incluso con refrigeración activa, el flujo máximo de fotones fotosintéticos que puede generar una luminaria hortícola basada en LED está limitado por la capacidad del sistema de refrigeración para extraer calor conductivo de los paquetes de LED. La refrigeración por agua es una opción, pero implica líneas de suministro y retorno de agua que deben tenderse entre cada luminaria y una bomba central y un intercambiador de calor.
Una cuarta desventaja es que los fabricantes de LED semiconductores no pueden controlar con precisión las longitudes de onda máximas de sus productos, por lo que deben "agrupar" los LED con longitudes de onda similares durante el proceso de embalaje. Cuanto menor sea el intervalo de longitudes de onda máximas aceptables dentro de cada contenedor, menor será el rendimiento de producción y mayor será el coste del producto.
Esto es importante porque los espectros de absorción de los fotopigmentos vegetales suelen exhibir distribuciones estrechas. Por ejemplo, la absorción espectral de clorofila A en la figura 1 tiene un valor medio máximo de ancho completo (FWHM) de sólo 15 nm a 660 nm, mientras que la clorofila B tiene de manera similar un valor FWHM de 15 nm a 435 nm. A modo de comparación, los LED de color LUXEON Rebel™ fabricados por Lumileds (San José, CA) se agrupan en incrementos de 5 nm para el azul (por ejemplo, de 440 nm a 445 nm), pero en incrementos de 10 nm para el rojo (por ejemplo, de 650 nm a 660 nm). Estudios botánicos tales como Johkan, M., et al. 2012. "Effects of Green Light Wavelength and Intensity on Photomorphogenesis and Photosynthesis in Lactuca saliva," Environmental and Experimental Botany 75:128-133, han demostrado que diferencias en la longitud de onda máxima tan pequeñas como 10 nm pueden tener marcados efectos nocivos en el crecimiento y la salud de las plantas cultivadas en ambientes controlados.
Una quinta desventaja es que incluso con múltiples controladores LED controlados independientemente, la distribución de energía espectral se limita a una combinación de las emisiones de LED cuasi monocromáticos con longitudes de onda centrales fijas y LED recubiertos de fósforo de banda ancha con SPD fijos. Investigaciones recientes han demostrado que diferentes especies de plantas responden a combinaciones de diferentes longitudes de onda. El "efecto Emerson" es un ejemplo bien conocido, en el que se ha demostrado que la adición de luz roja aumenta la eficacia de la fotosíntesis en plantas expuestas a radiación óptica de banda ancha (400 nm a 700 nm). Estudios más
recientes han demostrado que variar la proporción de luz roja a azul influye en el crecimiento vegetativo y la floración, agregar luz verde a luz blanca tiende a promover la actividad fotosintética, variar la proporción de luz roja a roja lejana desencadena la germinación de las semillas y avanza o retrasa la floración, la radiación ultravioleta promueve la producción de flavonoides y otros metabolitos secundarios al tiempo que limita el crecimiento vegetativo y aumenta la resistencia a plagas e infecciones fúngicas, y más.
La figura 1 muestra las absorbancias espectrales in vitro de clorofila A y B, mientras que la figura 2 muestra las absorbancias espectrales de las isoformas Pr y Pfr de fitocromo y la figura 3 muestra las absorbancias espectrales del LOCUS 8 de RESISTENCIA UV (UVR8) y el betacaroteno. Todos estos fotopigmentos tienen en común cambios marcadamente rápidos en la absorbancia espectral con la longitud de onda, lo que enfatiza la necesidad de "sintonizar" las longitudes de onda máximas de los LED de banda estrecha o los láseres monocromáticos para excitar estos pigmentos con la máxima eficacia. Por ejemplo, irradiar UVR8 con radiación ultravioleta B de 295 nm es solo un 50 por ciento más eficaz que la irradiación con radiación de 280 nm.
Estos fotopigmentos son, además, los más conocidos y estudiados por su participación en la fotosíntesis (clorofilas A y B y betacaroteno), la fotomorfogénesis (fitocromo) y UVR8 (protección contra la radiación ultravioleta). Otros fotopigmentos de plantas incluyen criptocromos (implicados en los ritmos circadianos y circanuales), otros carotenos (fotosíntesis), xantofilas (modulación de la energía luminosa y fotosíntesis), antocianinas (recuperación de nutrientes y atrayentes de polinización) y fototropinas (fototropismo). En total, existen cientos de fotopigmentos vegetales conocidos, muchos de ellos con funciones aún desconocidas. Más importante aún, los efectos de Emerson y otras respuestas fisiológicas a diferentes distribuciones de energía espectral muestran que es probable que existan muchas interacciones aún no descubiertas entre los pigmentos de las plantas y su efecto sobre la salud y el crecimiento de las plantas.
A partir del documento WO 98/17943 A1 se conoce un formador de haz integrado sólido que tiene un difusor de superficie. El formador de haz integrado sólido incluye una óptica sólida sin formación de imágenes que tiene un extremo proximal sin formación de imágenes y un extremo distal sin formación de imágenes, una óptica refractiva sólida unida integralmente al extremo distal sin formación de imágenes, en el que la óptica refractiva sólida incluye un extremo refractivo distal. Además, un difusor de superficie holográfico está formado integralmente en el extremo refractivo distal.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Los inventores han reconocido la necesidad de una luminaria hortícola que proporcione un control mejorado sobre el espectro que se utiliza para iluminar las plantas, y que la radiación óptica de banda estrecha, y la radiación monocromática de fuentes láser en particular, ofrecen las mejores oportunidades para limitar la diafonía entre fotopigmentos de plantas, tanto al estudiar sus interacciones como también en el cultivo de plantas en entornos controlados. La invención está definida por las reivindicaciones independientes del conjunto de reivindicaciones adjunto. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas.
Un conjunto lineal de elementos ópticos está acoplado ópticamente mediante cables de fibra óptica a una o más fuentes de luz láser y están alojados dentro de una óptica lineal hueca con un difusor holográfico. Las longitudes de onda del láser se eligen para excitar al máximo los fotopigmentos de las plantas para respuestas fisiológicas predeterminadas, y las intensidades de la fuente de luz pueden modularse temporalmente para maximizar la fotosíntesis y controlar las respuestas de fotomorfogénesis.
En el presente documento se describe un conjunto de iluminación hortícola que comprende: uno o más componentes ópticos montados sobre un sustrato y cada uno de ellos acoplado ópticamente a al menos una fibra óptica que suministra radiación láser al componente óptico; un difusor holográfico lineal o elíptico situado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos; y un difusor holográfico lineal o elíptico adicional que difunde la luz en una dirección que es ortogonal a una dirección en la que el difusor holográfico lineal o elíptico difunde la luz.
También se describe en el presente documento un sistema de iluminación hortícola que comprende un conjunto de iluminación hortícola según la invención con uno o más componentes ópticos montados sobre un sustrato; al menos una fibra óptica acoplada a cada componente óptico; un difusor holográfico lineal o elíptico situado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos; y uno o más módulos de luz láser acoplados ópticamente a dichas fibras ópticas.
Además se describe en el presente documento un procedimiento para inducir una respuesta fisiológica predeterminada en una planta que comprende; (a) determinar longitudes de onda adecuadas para excitar fotopigmentos en la planta para provocar la respuesta fisiológica predeterminada; (b) proporcionar un sistema de iluminación hortícola que tiene un conjunto de iluminación que comprende: uno o más componentes ópticos montados sobre un sustrato; al menos una fibra óptica acoplada a cada componente óptico; y un difusor holográfico lineal o elíptico situado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos; y que también tiene uno o más módulos de luz láser acoplados ópticamente a dichas fibras ópticas, en el que cada módulo de luz láser genera radiación óptica monocromática compuesta con las longitudes de onda, estando las longitudes de onda dentro de un intervalo de 280 nm a 3000 nm; (c) ubicar el conjunto de iluminación para iluminar la planta; y (d) accionar láseres en los módulos de luz láser para
generar la radiación óptica monocromática compuesta.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra las absorbancias espectrales de los fotopigmentos de clorofila.
La figura 2 muestra las absorbancias espectrales de fotopigmentos de fitocromo.
La figura La figura 3 muestra las absorbancias espectrales de los fotopigmentos de betacaroteno y UVR8.
La figura 4 muestra las distribuciones de potencia espectral de varios LED semiconductores.
La figura 5 muestra una realización de un módulo de luz láser de acuerdo con una realización de la presente invención. La figura 6 muestra una realización del conjunto de iluminación hortícola con una matriz lineal de fibras ópticas acopladas ópticamente a una o más fuentes de luz láser, de acuerdo con una realización de la presente invención. La figura 7 muestra diferentes distribuciones de difusión angular de difusores holográficos lineales o elípticos.
La figura 8 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control para el sistema de iluminación hortícola, de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 9 muestra un diagrama de flujo para uso del sistema de iluminación hortícola de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 10 es un diagrama de flujo de operación del sistema de control, de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 11 muestra un conjunto de iluminación hortícola montado verticalmente como iluminación entre hileras. La figura 12 muestra un conjunto de iluminación hortícola montado horizontalmente como iluminación entre hileras. La figura 13 muestra un conjunto de iluminación hortícola montado horizontalmente como iluminación cenital. DESCRIPCIÓN DETALLADA GLOSARIO
Radiación monocromática compuesta - Radiación policromática formada por múltiples espectros monocromáticos o de banda estrecha, tal como, por ejemplo, la luz combinada producida por dos tipos diferentes de láser.
LED - Diodo emisor de luz
PPFD - Densidad de flujo de fotones fotosintéticos
SPD - Distribución de energía espectral
SISTEMA
La figura 5 muestra un módulo láser 500 que tiene una o más fuentes de luz láser 505a-e, cada una de las cuales emite radiación monocromática con una longitud de onda diferente. Esta radiación es recibida por un divisor de haz óptico difractivo 510a-e (por ejemplo, Golub, MA "Laser Beam Splitting by Diffractive Optics", Optics & Photonics News, febrero de 2004, págs. 36-41), que divide el haz incidente en dos o más órdenes de difracción. Estos haces divergentes luego son colimados por un elemento óptico refractivo o difractivo 515a-e e incidente sobre un espejo 520a o espejo dicroico de doble banda 520b-e que refleja la radiación monocromática al pasar por otras longitudes de onda. El resultado es que los haces divergentes individuales de cada uno de los divisores de haz óptico difractivo 510a-e se combinan para formar un haz combinado 522. Cada haz combinado 522 Incluye la radiación de cada una de las fuentes de luz láser 505a-e. Cada haz combinado 522 luego es recibido por una fibra óptica 524 en un conjunto de fibra óptica 525. Las fibras ópticas 524 formar un paquete 528 para entregar la radiación monocromática compuesta. Actualmente se supone que el intervalo de longitud de onda de la radiación fotobiológicamente activa para las plantas es de 280 nm a 800 nm. Sin embargo, estudios médicos como, por ejemplo, Karu, T.I. 2008, "Mitochondrial Signaling in Mammalian Cells Activated by Red and Near-IR,", Photochemistry and Photobiology 84(5): 1091-1099, indican que la citocromo c oxidasa (CCO), un complejo proteico presente en las mitocondrias de las células de mamíferos que tiene un pico de absorción espectral de aproximadamente 820 nm, aumenta la producción de trifosfato de adenosina (ATP) cuando se irradia con radiación infrarroja cercana. Estos estudios se han utilizado para explicar los beneficios de la fotobiomodulación mediante láseres de infrarrojo cercano o LED, una medicina alternativa para humanos y animales. Sin embargo, el CCO es un componente esencial de la respiración de todas las células eucariotas, incluidas las plantas, como lo muestra, por ejemplo, Dahan, J. et al. 2014. "Disruption of the CYTOCHROME C OXIDASE DEFICIENT1 Gene Leads to Cytochrome c Oxidase Depletion and Reorchestrated Respiratory Metabolism in
Arabidopsis," Plant Physiology 166:1788-1802. (También se han propuesto otros mecanismos, como se revisa, por ejemplo, en Freitas, L. F. et al. 2016, "Proposed Mechanisms of Photobiomodulation of Low-Light Level Therapy," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 22(3):7000417). Por lo tanto, las plantas en general pueden beneficiarse de la radiación del infrarrojo cercano, e incluso requerirla, para un crecimiento y una salud óptimos. Dicha radiación puede generarse, por ejemplo, mediante diodos láser o LED semiconductores de arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), antimonuro de galio (GaSb) o antimonuro de arseniuro de galio e indio (GaInAsSb). Las longitudes de onda de las fuentes de luz láser 505a-e, por lo tanto, puede incluir cualquier longitud de onda en el intervalo de 280 nm a 3000 nm.
La figura 6 muestra un conjunto de iluminación hortícola 600 (o luminaria). El conjunto de iluminación. 600 está acoplado ópticamente a uno o más módulos láser 500 a través de un haz de fibra óptica 528, que incluye una o más fibras ópticas 524, donde los módulos láser 500 están ubicados dentro de la carcasa de la luminaria o en una ubicación remota. Si se encuentra en un lugar remoto, es más fácil disipar el calor generado por los láseres y reducir su influencia en las plantas. Uno o más componentes ópticos 630 están montados sobre un sustrato 640 y acoplado ópticamente a las fibras ópticas 524. Los componentes ópticos 630 distribuyen la radiación monocromática compuesta transmitida por las fibras ópticas 524 en una distribución angular deseada.
En una realización, componentes ópticos 630 incluyen difusores que incluyen opcionalmente un luminóforo inorgánico u orgánico, tal como por ejemplo un fósforo de itrio-aluminio-granate (YAG) o un tinte fluorescente, para absorber una porción de la radiación monocromática compuesta acoplada a partir de fibras ópticas 524 y emiten un intervalo de longitud de onda óptica de banda ancha.
Tal como se utiliza en el presente documento, "fósforo" se refiere a cualquier material que desplace las longitudes de onda de la luz que lo irradia y/o que sea fluorescente y/o fosforescente, y se utiliza indistintamente con el término "material de conversión de luz". Como se usa en el presente documento, un "fósforo" puede referirse únicamente al polvo o las partículas o al polvo o las partículas con el aglutinante. Los componentes específicos y/o la formulación del fósforo y/o el material aglutinante no son limitaciones de la presente invención. El aglutinante también puede denominarse encapsulante o material de matriz. Un "luminóforo" es un átomo o grupo funcional de un compuesto químico que es responsable de sus propiedades luminiscentes.
En otra realización, los componentes ópticos 630 incluyen un difusor holográfico o están ubicados debajo de un difusor holográfico 645 (por ejemplo, patente US 7.255.458, Sistema y Método para la Difusión de la Iluminación Producida por Fuentes de Luz Discretas) con un patrón de difusión lineal o elíptico que está orientado en dirección 650. La difusión angular en dirección 650 pueden presentar diferentes patrones. Como se muestra en la figura 7, estos patrones pueden incluir una distribución de haz estrecha 710, una amplia distribución de coseno 720, o una distribución de ala de murciélago 730.
Con referencia de nuevo a la figura 6, la radiación óptica emitida por los componentes ópticos 630 incide sobre otro difusor holográfico 660, que tiene un patrón de difusión lineal o elíptico que está orientado en la dirección 670, ortogonal a la dirección 650. En una realización, el difusor holográfico 660 Se forma en un semicilindro que está conectado mecánicamente al sustrato 640. Similar a los componentes ópticos 630 que incluyen difusores holográficos o están ubicados debajo de un difusor holográfico 645, el difusor holográfico 660 puede exhibir, como se muestra en la figura 7 una distribución de haz estrecha 710, una distribución de coseno amplia 720, o una distribución de ala de murciélago 730.
El difusor holográfico 660 cumple una función completamente diferente al aparato descrito en la patente US 7.255.458. El propósito de la invención de la técnica anterior es generar la apariencia visual de los LED discretos como una fuente lineal, mientras que la presente invención utiliza la difusión de radiación óptica desde un difusor holográfico 660 (y opcionalmente en combinación con componentes ópticos 630 al incluir difusores holográficos, o en combinación con difusor holográfico 645) producir un PPFD constante a una distancia razonablemente cercana de la luminaria a lo largo de su longitud, en lugar de "puntos calientes" creados por los componentes ópticos 630 que actúan como emisores discretos.
Un ejemplo específico, no limitativo, de láseres y fósforos en un módulo láser 500 para un conjunto de iluminación hortícola 600 incluye un diodo láser azul violeta de InGaN con una longitud de onda seleccionada entre 400 nm y 410 nm, un diodo láser azul InGaN con una longitud de onda seleccionada entre 445 nm y 465 nm, un diodo láser verde InGaN con una longitud de onda seleccionada en el rango de 510 nm a 540 nm, un diodo láser rojo de AlInGaP con una longitud de onda seleccionada en el rango de 650 nm a 670 nm, un diodo láser rojo lejano de AlGaAs con una longitud de onda seleccionada en el intervalo de 720 nm a 750 nm, y uno o más fósforos tales como, por ejemplo, granate de itrio y aluminio dopado con cerio (Cr:YAG) o aluminato de estroncio dopado con europio/disprosio (Eu,Dy:SrAhO4).
El flujo radiante emitido por fuentes de luz láser 505a-e de la figura 5 puede modularse individualmente para lograr una distribución de potencia espectral monocromática compuesta tal como se entrega al conjunto de fibra óptica 525.
En una realización del sistema de control 800 del sistema de iluminación hortícola, mostrado en la figura 8, una o más fuentes de luz láser 845a-e están conectados eléctricamente a controladores láser 840a-e, que puede modular temporalmente el flujo radiante de cada una de las fuentes de luz láser mediante, por ejemplo, modulación de ancho
de pulso digital o control de corriente analógico. Cada conductor 840a-e está conectado eléctricamente al controlador 8l0, que puede recibir señales de entrada de uno o más sensores 820, incluyendo, por ejemplo, sensores ópticos de radiación, fotosensores de luz diurna o piranómetros, sensores de temperatura y sensores de humedad relativa, así como de temporizadores 830.
Según lo informado por Kanechi, M. et al. 2016. "Effects of Pulsed Lighting Bases Light-emitting Diodes on the Growth and Photosynthesis of Lettuce Leaves", Acta Horticulturae 1134, la radiación fotosintéticamente activa (PAR) modulada a una velocidad de microsegundos a milisegundos mejora la eficiencia de la fotosíntesis. Asimismo, según informó Shimada, A. et al. 2011. "Red and Blue Pulse Timing Control for Pulse Width Modulation Light Dimming of Light Emitting Diodes for Plant Cultivation," Journal of Photochemistry and Photobiolology B-Biology, 104:399-404, la diferencia de fase entre pulsos de diferentes colores puede aumentar o disminuir la tasa de crecimiento de las plantas.
El flujo radiante emitido por fuentes de luz láser 845a-e (y 505a-e de la figura 5) por lo tanto, se modula en algunas realizaciones a una velocidad de microsegundos a milisegundos, en las que la fase de modulación y la frecuencia de cada longitud de onda se pueden variar de forma independiente.
Según lo informado por Harun, A. et al. 2013. "Red and Blue LED with Pulse Lighting Control Treatment for Brassica Chinensis in Indoor Farming," Proc. 2013 IEEE Conference on Open Systems, págs. 231-236, pulsos de una hora de luz seguidos de 15 minutos de oscuridad triplicaron con creces la tasa de fotosíntesis. El flujo radiante emitido por fuentes de luz láser 845a-e (y 505a-e de la figura 5) por lo tanto, se modula en algunas realizaciones a una velocidad de segundos a minutos para simular "motas solares", apariciones breves en la irradiancia solar que ocurren en el sotobosque cuando la luz solar puede llegar directamente al suelo.
PROCEDIMIENTO
Con referencia a la figura 9, se muestra un procedimiento de ejemplo para el uso de un sistema de iluminación hortícola que incorpora el módulo láser 500 y el conjunto de iluminación hortícola 600. En la etapa 900, Se determinan las longitudes de onda deseadas para la planta particular. En la etapa 905, el sistema está provisto de un módulo láser que puede proporcionar las longitudes de onda determinadas. En la etapa 910, el conjunto de luminarias hortícolas 600 está ubicado para iluminar las plantas desde una posición y dirección deseadas. En la etapa 915, las potencias de salida deseadas de cada uno de los láseres en el módulo láser 500 está determinado. En la etapa 920, el módulo láser se enciende para accionar los láseres, iluminando las plantas con el espectro y la densidad de potencia deseados. Opcionalmente, los láseres se modulan colectivamente en la etapa 925 atenuándolos temporalmente entre un 10 % y un 100 % durante períodos que van desde una escala de tiempo de microsegundos a minutos.
La figura 10 muestra las etapas de control realizadas por el sistema de control 800. En la etapa 950, el controlador 810 recibe una señal de uno de los sensores 820 o desde el cronómetro 830. En la etapa 955, el controlador 810 interpreta la señal comparándola, por ejemplo, con un umbral, o analizándola de otro modo. En la etapa 960, el controlador 810 ajusta la potencia a al menos uno de los controladores láser 840a-e para modificar la salida de las fuentes de luz láser 845a-e correspondientes.
En una realización mostrada en la figura 11, el conjunto de iluminación hortícola 600 está orientado verticalmente y ubicado cerca y al lado de una o más plantas 970. En esta configuración el sistema de iluminación sirve, por ejemplo, como iluminación entre filas.
En una realización mostrada en la figura 12, el conjunto de iluminación hortícola 600 está orientado horizontalmente y ubicado cerca y al lado de una o más plantas, 975, 980. En esta configuración el sistema de iluminación sirve, por ejemplo, como iluminación entre filas.
En una realización mostrada en la figura 13, el conjunto de iluminación hortícola 600 está orientado horizontalmente y ubicado cerca y por encima de una o más plantas, 985, 990. En esta configuración el sistema de iluminación sirve, por ejemplo, como iluminación de techo.
A lo largo de la descripción, se exponen detalles específicos para proporcionar una comprensión más completa de la invención. Sin embargo, la invención puede practicarse sin estos detalles. En otros casos, no se han mostrado ni descrito en detalle elementos bien conocidos y se han omitido repeticiones de etapas y características para evitar oscurecer innecesariamente la invención. En consecuencia, la memoria descriptiva debe considerarse con carácter ilustrativo más que en un sentido restrictivo.
Será claro para alguien con experiencia en la técnica que se pueden realizar variaciones adicionales a los detalles específicos divulgados en el presente documento, dando como resultado otras realizaciones que están dentro del alcance de la invención divulgada. Se pueden realizar dos o más pasos en los diagramas de flujo en un orden diferente, se pueden agregar otras etapas o se pueden eliminar una o más sin alterar la función principal de la invención. Todos los parámetros y configuraciones descritos en este documento son solo ejemplos y las elecciones reales de los mismos dependen de la realización específica. Por ejemplo, se pueden utilizar diferentes números de componentes; los difusores pueden estar espaciados de manera diferente entre sí y con respecto a los elementos ópticos; o cada haz combinado puede alimentarse a múltiples fibras ópticas. Por consiguiente, el alcance de la invención debe interpretarse de acuerdo con la sustancia definida por las siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un conjunto de iluminación hortícola (600), que comprende:
uno o más componentes ópticos (630) montados sobre un sustrato (640) y cada uno acoplado ópticamente a al menos una fibra óptica (524) que suministra radiación láser al componente óptico (630);
un difusor holográfico lineal o elíptico (645) ubicado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos (630), caracterizado por
un difusor holográfico lineal o elíptico adicional (660) que difunde luz en una dirección (670) que es ortogonal a una dirección (650) en la que el difusor holográfico lineal o elíptico (645) difunde luz.
2. El conjunto de iluminación hortícola de la reivindicación 1, en el que cada componente óptico (630) incluye un difusor holográfico lineal o elíptico adicional (660) que difunde la luz en una dirección (670) que es ortogonal a una dirección (650) en la que el difusor holográfico lineal o elíptico (645) difunde la luz.
3. El conjunto de iluminación holográfica de la reivindicación 2, en el que cada difusor holográfico lineal o elíptico adicional (660) tiene una distribución de haz estrecho (710), coseno (720) o ala de murciélago (730).
4. El conjunto de iluminación hortícola de la reivindicación 1, en el que cada componente óptico (630) incluye un luminóforo orgánico o inorgánico.
5. El conjunto de iluminación hortícola de la reivindicación 1, en el que el difusor holográfico lineal o elíptico (645) tiene una distribución de haz estrecho (710), coseno (720) o ala de murciélago (730).
6. El conjunto de iluminación hortícola de la reivindicación 1, en el que la radiación láser tiene un espectro monocromático compuesto con múltiples longitudes de onda monocromáticas diferentes dentro del intervalo de 280 nm a 3000 nm.
7. Un sistema de iluminación hortícola (800), que comprende:
un conjunto de iluminación hortícola (600) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, con
uno o más componentes ópticos (630) montados sobre un sustrato (640);
al menos una fibra óptica (524) acoplada a cada componente óptico (630);
un difusor holográfico lineal o elíptico (645) ubicado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos (630); y
uno o más módulos de luz láser (500) acoplados ópticamente a dichas fibras ópticas (524).
8. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 7, en el que cada módulo de luz láser (500) comprende: una fuente de luz láser (505 a-e, 845 a-e) que produce un rayo láser;
un divisor de haz óptico difractivo (510 a-e) situado para dividir el haz láser en múltiples haces;
un colimador de haz (515 a-e) ubicado para colimar los múltiples haces;
un espejo dicroico de doble banda (520 a-e) ubicado para combinar cada uno de los múltiples haces con uno de los múltiples haces adicionales proporcionados por una fuente de luz láser adicional (505 a-e, 845 a-e), un divisor de haz óptico difractivo adicional (510 a-e) y un colimador de haz adicional (515 a-e), para dar como resultado múltiples haces combinados (522); y
un conjunto de fibra óptica (528) en el que se acoplan los múltiples haces combinados, en el que dichas fibras ópticas (524) forman en parte una porción del conjunto de fibra óptica (528).
9. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 8, que comprende al menos una fuente de luz láser adicional (505 a-e, 845 a-e), en el que cada fuente de luz láser (505 a-e, 845 a-e) genera radiación óptica con una longitud de onda monocromática diferente dentro del intervalo de 280 nm a 3000 nm.
10. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 9, en el que las fuentes de luz láser incluyen:
un diodo láser azul violeta de InGaN con una longitud de onda seleccionada entre 400 nm y 410 nm;
un diodo láser azul InGaN con una longitud de onda seleccionada entre 445 nm y 465 nm;
un diodo láser verde InGaN con una longitud de onda seleccionada entre 510 nm y 540 nm;
un diodo láser rojo AlInGaP con una longitud de onda seleccionada entre 650 nm y 670 nm; y
un diodo láser rojo lejano de AlGaAs con una longitud de onda seleccionada entre 720 nm y 750 nm.
11. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 7, en el que:
cada uno de dichos componentes ópticos (630) incluye un difusor holográfico lineal o elíptico adicional (660); cada difusor holográfico lineal o elíptico adicional (660) tiene una distribución de haz estrecho (710), coseno (720) o ala de murciélago (730);
dichos componentes ópticos (630) incluyen un luminóforo orgánico o inorgánico;
y el difusor holográfico lineal o elíptico (645) tiene una distribución de haz estrecho (710), coseno (720) o ala de murciélago (730).
12. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 8, que comprende:
un controlador láser (840 a-e) que modula temporalmente un flujo radiante emitido por la fuente de luz láser (505 a-e, 845 a-e); y
un controlador (810) que determina dicha modulación temporal en respuesta a señales recibidas desde un temporizador (830) y uno o más sensores (820).
13. El sistema de iluminación hortícola de la reivindicación 12, que comprende al menos una fuente de luz láser adicional (505 a-e, 845 a-e), en el que una fase de modulación y una frecuencia de modulación de cada emisión de fuente de luz láser (505 a-e, 845 a-e) se controlan de forma independiente.
14. Un procedimiento para inducir una respuesta fisiológica predeterminada en una planta que comprende: determinar longitudes de onda adecuadas para excitar fotopigmentos en la planta para provocar la respuesta fisiológica predeterminada;
proporcionar un sistema de iluminación hortícola (800) que comprende:
un conjunto de iluminación (600), que comprende:
uno o más componentes ópticos (630) montados sobre un sustrato (640);
al menos una fibra óptica (524) acoplada a cada componente óptico (630); y
un difusor holográfico lineal o elíptico (645) ubicado para difundir la luz que emana de dichos componentes ópticos (630); y
uno o más módulos de luz láser (500) acoplados ópticamente a dichas fibras ópticas (524), en el que cada módulo de luz láser (500) genera radiación óptica monocromática compuesta con las longitudes de onda, estando las longitudes de onda dentro de un intervalo de 280 nm a 3000 nm;
ubicar el conjunto de iluminación (600) para iluminar la planta; y
accionar láseres en los módulos de luz láser (500) para generar la radiación óptica monocromática compuesta.
15. El procedimiento de la reivindicación 14, que comprende modular dicha radiación atenuando temporalmente los láseres entre un 10 y un 100 %, aumentando así la eficiencia de la fotosíntesis en las plantas.
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