TWI780917B

TWI780917B - 多波段光源照度最佳化方法及利用該多波段光源培育生物的方法

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Publication number: TWI780917B
Application number: TW110134647A
Authority: TW
Inventors: 顏豪呈; 黃仲麒; 鐘明吉; 陳俊成; 吳注銘
Original assignee: 遠東科技大學
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2022-10-11
Also published as: TW202312861A

Abstract

一種適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，包含：由不同波段的至少二光源照射一測試區域；每一光源在一光源參數下分別形成複數照度區域；不同光源之照度區域在該測試區域上形成複數交集區域；每一交集區域中設置有至少一生物；觀察所述生物的生長情形，並給予每一生物各自的一生長分數；當其中一交集區域中其中一生物的該生長分數，優於其餘生物的該生長分數，且該生長分數的差異超過一閾值時，則該其中一交集區域對應之每一光源的該光源參數，為適合所述生物生長的一最佳參數。藉此，可以確保所述生物在最適當的光照條件下生長。

Description

多波段光源照度最佳化方法及利用該多波段光源培育生物的方法

本發明係關於一種光源照度最佳化的方法，以及利用最佳化後光源培育生物的方法，尤指適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法及利用該多波段光源培育生物的方法。

在植物或菇菌類的產業中，透過工廠化室內栽培的方式將有助於各項生長條件的監控，免受溫室效應、氣候變遷、寒害等不確定因素的影響，進而取得生產品質優、數量穩定的高價值農產品。

在各項生長條件中，以光照為例，目前已有適用於菇菌或植物的植物燈技術，具體例如中國專利公告號第CN 210891270 U號提供的一種可隨意組合光譜的植物燈，主要是藉由內部電路板控制不同波長LED燈珠工作，以在植物的不同時期提供所需光譜與能量。

在前述專利案中，雖然確實可以為植物提供不同的光譜與能量，然而，實際上植物需要何種光譜與能量並無明確的數據可參考，即使自由改變光譜與能量，也無法確保所選擇的光譜與能量最適於此植物的生長。

爰此，本發明人提出一種適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，包含：由至少二光源照射一測試區域，所述光源具有不同波段；每一光源在一光源參數下分別形成複數照度區域，不同照度區域有不同的一照度範圍值；不同光源之照度區域在該測試區域上形成複數交集區域；在該測試區域上分散設置複數生物，且每一交集區域中有至少一生物；觀察所述生物的生長情形，並給予每一生物各自的一生長分數；當其中一交集區域中其中一生物的該生長分數，優於其餘生物的該生長分數，且該生長分數的差異超過一閾值時，則該其中一交集區域對應之每一光源的該光源參數，為適合所述生物生長的一最佳參數。

進一步，通過調控所述光源的該光源參數，改變所述光源同一照度區域對應的該照度範圍值。

其中，該光源參數包含所述光源的一驅動電流、一變化周期及一導通率之一或其組合。

其中，當該光源參數包含該驅動電流時，對每一光源電性連接一可變電阻，藉由調整該可變電阻的電阻值，以調控該驅動電流。

進一步，設定該光源參數為一可控變數，包含所述光源的一驅動電流、一變化周期及一導通率之三者或其中二者，每一可控變數有複數變化準位；透過對所述可控變數執行田口方法(Taguchi Method)，而將該每一可控變數的所述變化準位進行平均，求得該每一可控變數在每一變化準位下的一觀測平均效應，比較出最佳的該觀測平均效應，將對應之該每一可控變數的所述變化準位更新為該最佳參數。

進一步，取得該最佳參數之後，對應該測試區域及所述光源設置一光學擴散板，將所述光源以該最佳參數設置，透過該光學擴散板使所述光源平均照射在該測試區域上，進而使該測試區域僅有該其中一交集區域。

其中，所述光源係為條型發光二極體。

其中，該測試區域係為一平面，所述光源係垂直照射該平面。

其中，所述光源的數量為n個，當n大於2時，所述光源排列成正n邊形，且所述光源對應該測試區域的中心。

其中，所述生物包含植物或菇菌。

本發明人再提供一種利用多波段光源培育生物的方法，係使用前述適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法獲得該最佳參數，並由所述光源在該最佳參數下照射於所述生物，而培育所述生物。

根據上述技術特徵較佳地可達成以下功效：

1.藉由在交集區域中設置生物，並觀察生物的生長情形，即可找出多波段光源的最佳參數，確保生物在最適當的光照條件下生長。

2.調整光源參數，例如驅動電流、變化周期及導通率，即可改變同一照度區域對應的照度範圍值，在選擇相同波段光源的情況下，無需更換光源。

3.再搭配田口方法，可以進一步更新最佳參數，確保最佳參數是全域(global)最佳解。

4.找到最佳參數之後，可以使用條型的發光二極體做為光源，並搭配光學擴散板，讓光源平均照射在測試區域，使得測試區域上所有生物的光照條件都是最佳參數。

5.光源垂直照射為平面的測試區域，降低光源斜射對生物生長情形的影響，可以減少變因，並維持最佳參數的準確性。

6.多個光源在測試區域中心排列為正n邊形，可以最大程度的利用測試區域的面積。

7.生物較佳的可以選擇植物或菇菌，降低動物移動、飲食等等對生長情形的影響，同樣可以減少變因，並維持最佳參數的準確性。

1:層架

11:安裝區域

12:測試區域

2:光源

21:第一光源

22:第二光源

23:第三光源

24:第四光源

25:第五光源

26:第六光源

A,A1,A2,A3:照度區域

B:交集區域

C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15:格子編號

H:高度

L:長度

W:寬度

X:X軸

Y:Y軸

[第一圖]係本發明實施例之流程方塊圖。

[第二圖]係本發明實施例之實施示意圖一，示意在層架的安裝平面設置光源。

[第三圖]係本發明實施例之實施示意圖二，示意驅動電流為150毫安培時，光源的照度區域。

[第四圖]係本發明實施例之實施示意圖三，示意驅動電流為350毫安培時，光源的照度區域。

[第五圖]係本發明實施例之實施示意圖四，示意驅動電流為350毫安培時，光源在X軸上的照度變化折線圖。

[第六圖]係本發明實施例之實施示意圖五，示意驅動電流為350毫安培時，光源在Y軸上的照度變化折線圖。

[第七圖]係本發明實施例之實施示意圖六，示意不同光源之照度區域形成交集區域。

[第八圖]係本發明實施例之實施示意圖七，示意在測試區域上劃分出15個格子。

[第九圖]係本發明實施例之實施示意圖六，示意生長分數的評估基準。

綜合上述技術特徵，本發明多波段光源照度最佳化方法及利用該多波段光源培育生物的方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請參閱第一圖及第二圖，係揭示本發明之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，並可以在後續步驟中執行本發明之利用多波段光源培育生物的方法。於本發明之較佳實施例中，搭配有一層架1，該層架1上層朝下的平面做為一安裝區域11，下層朝上的平面做為一測試區域12，於實際實施時也可以不使用該層架1。

該層架1的一高度H(該安裝區域11與該測試區域12之間的距離)為40公分，該層架1的一長度L為120公分，該層架1的一寬度W為40公分。可以在該層架1上設置一遮陰網(未繪出)以防止環境光影響，同時，搭配一空調系統(未繪出)將環境溫度維持在攝氏25度，以減少環境光與環境溫度對後續實驗的影響。

該適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法包含以下步驟：

由至少二光源2照射一測試區域12，所述光源2具有不同波段。在該適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法中，所述光源2可以先選擇點型的發光二極體，後續該利用多波段光源培育生物的方法再選擇條型的發光二極體。

由於本實施例使用該層架1，所述光源2就安裝在該層架1的該安裝區域11，使得所述光源2正好垂直照射該測試區域12，降低所述光源2斜射的影響，可以減少變因。

於本實施例中，在該安裝區域11的中央裝有六個所述光源2，分別為一第一光源21、一第二光源22、一第三光源23、一第四光源24、一第五光源25及一第六光源26。較佳地，所述光源2可以排列成正六邊形，且所述光源2對應該測試區域12的中心，例如將所述光源2都設置在該安裝區域11正中央12公分*12公分的區域中，以最大程度的利用該測試區域12的面積。惟，實際實施時所述光源2的數量及排列皆不限於此。

各個所述光源2的特性如下表一所示：

請參閱第二圖至第四圖，受限於微型光譜儀的底座尺寸(1.8公分*2.3公分)，在該測試平面上只進行合計共24*22測量點的光學測量。沿該層架1 該長度L的方向定義為一X軸，沿該層架1該寬度W的方向定義為一Y軸，並在該X軸上區分出24格，並在該Y軸上區分出22格。

每一個所述光源2在一光源參數下都會分別形成複數照度區域A，不同照度區域A有不同的一照度範圍值。該光源參數包含所述光源2的一驅動電流、一變化周期及一導通率之一或其組合，通過調控所述光源2的該光源參數，可以改變所述光源2同一照度區域A對應的該照度範圍值。

以該驅動電流為例，第三圖及第四圖分別是該驅動電流在150毫安培、350毫安培下呈現的俯視圖，其照度的等位面為橢圓形狀，而形成所述照度區域A。由第三圖及第四圖也可以看出，所述照度區域A只隨該驅動電流的大小而呈現不同的該照度範圍值，但所述照度區域A的面積不隨該驅動電流的大小而變動。無需為了改變該照度範圍值，而特地更換所述光源2。

請參閱第二圖、第五圖及第六圖，選擇該驅動電流為350毫安培的所述照度區域A，分別進行該X軸及該Y軸的正視，繪製第五圖及第六圖所示之該X軸及該Y軸的稜線分布，此稜線與高斯分布雷同，但是中心位置的照度變化太平坦，應該是所述光源2結構內加入反射板，讓光線分成兩側發射所致。

第五圖之稜線是由兩組高斯曲線組成，X軸稜線方程式為：

其中稜線峰值是左右對稱，且隨該驅動電流大小呈線性變化：方程式二：L _mx=L _mx1=L _mx2=A _x×I _LED+B _x。

變異量左右對稱，且由第三圖及第四圖的所述照度區域A分布可知為定值，不隨該驅動電流大小而變化：方程式三：σ _mx=σ _mx1=σ _mx2。

因為變異量為定值，其峰值位置x _mx1及x _mx2也維持定值。

同理，第五圖所示之Y軸稜線方程式為：

其中峰值是左右對稱，且隨該驅動電流大小呈線性變化：方程式五：L _my=L _my1=L _my2=A _y×I _LED+B _y。

變異量同樣左右對稱：方程式六：σ _my=σ _my1=σ _my2。

比較發現第三圖及第四圖中測量點與所述光源2的距離，遠大於第五圖及第六圖中所述光源2結構內加入反射板形成的二個發光點之間的距離，可以直接以單一橢圓方程式表示所述照度區域A：

本發明利用以上所述光源2的特性，選擇如上表一所列出的六個所述光源2進行組合實驗，並在每個所述光源2旁並聯一可變電阻後，串聯所有所述光源2，並提供定電流源給所述光源2串，藉由調整該可變電阻的電阻值，以調控該驅動電流。

實際經由模擬分析並搭配方程式一至方程式七，可獲得該第五光源25(紅光)的X軸稜線方程式及Y軸稜線方程式參數，如下表二及下表三所示。並可據此繪出所述照度區域A，並藉同樣步驟繪出其他所述光源2的所述照度區域A。

請參閱第一圖、第二圖及第七圖，不同光源2之照度區域A1,A2,A3會在該測試區域12上形成複數交集區域B，第七圖為了簡單示意所述交集區域B，僅繪出三個所述光源2的所述照度區域A1,A2,A3，而未完整繪出六個所述光源2的所述照度區域A1,A2,A3。

請參閱第一圖、第七圖及第八圖，在該測試區域12上分散設置複數生物，且每一交集區域B中有至少一生物。為了進行後續的驗證，本實施例將該測試區域12區分出15宮格，並依序為每一格子編號為C1至C15，每一格子中皆放置所述生物。較佳地，所述生物包含植物或菇菌，降低動物移動、飲食等等對生長情形的影響，同樣可以減少變因。

請參閱第二圖、第七圖及第九圖，並請搭配第一圖，觀察所述生物的生長情形，並給予每一生物各自的一生長分數。以皿培舉例來說，可以由所述生物最初的位置為圓心繪製同心圓，所述生物增加的面積越大，該生長分數就越高，也代表所述生物的生長情形越佳。

當其中一交集區域B中其中一生物的該生長分數，優於其餘生物的該生長分數，且該生長分數的差異超過一閾值時，則該其中一交集區域B對應之每一光源2的該光源參數，為適合所述生物生長的一最佳參數。

請再參閱第二圖及第八圖，可以進一步執行田口方法(Taguchi Method)，先定義三可控變數，包含該驅動電流、該變化周期及該導通率，並定義每一可控變數的三變化準位：該驅動電流的所述變化準位為100毫安培、200毫安培及300毫安培；該變化周期的所述變化準位為10分鐘、20分鐘及30分鐘；該導通率的所述變化準位為2%、5%及8%。

將15宮格中編號為C1、C5、C8、C11及C15等五個光強落差最大的所述格子，分別定義為一第一點、一第二點、一第三點、一第四點及一第五點來進行所述光源2的刺激實驗。以香菇皿培為例，在為期12天的培育後，依照第九圖的該生長分數，記錄如下表四所示，並與不照光的對照組比較。觀察下表四的9組實驗組之平均值比不照光較佳的組別為5、7、9實驗組，即搜尋到多個峰值。

分別針對該驅動電流、該變化周期及該導通率的不同準位進行平均，而求得該每一可控變數在每一變化準位下的一觀測平均效應，如下表五至下表七所示，並取最高值為一最佳準位。

與上表四不照光的組別比較，至少要比6.6分有顯著生長才能列入判斷，其中以該第四點的各控制變數的該最佳準位有明顯生長結果。將每一點最佳的該驅動電流、該變化周期以及該導通率列於下表八，其中符號X表示最佳值沒有比不照光的生長顯著。在此架構下可發現有3組所述光源2的組合可以獲得比不照光的生長顯著，如同一次實驗就發現多個峰值，可以快速搜尋到整體的最佳組合。

上表八指出該第一點、該第三點及該第四點的結果比不照光的生長(6.6分)更佳。為了進行驗證，將該第一點及該第四點的所述光源參數配置在該高度H為40公分下，如下表九所示，並進行25個皿培的驗證實驗，環境溫度維持在攝氏24度加減1度之間。

A組實驗進行到第8天已經有菌絲體擴盤達到6至7分滿，且7分滿已經占超過5成，第10天菌絲體擴盤就已經有6成以上達到8分滿，第12天菌絲體擴盤就已經有5成以上達到9分滿；B組實驗進行到第8天已經有菌絲體擴盤達到7分滿已經占約6成，第10天香菇菌絲體擴盤就已經有8成以上達到8分滿，第12天菌絲體擴盤就已經有8成以上達到9分滿，B組的實驗結果比A組的實驗結果佳，而不照光組合在第12天才有全部7分滿，可縮短兩天的生長時間，大約可提高20%的產能。

根據以上實驗，可以找出該最佳參數為上表九所列之B組的該光源參數。

請參閱第一圖、第二圖及第七圖，取得該最佳參數後，即可執行該利用多波段光源培育生物的方法，除了使用條型的發光二極體，也可以對應該測試區域12及所述光源2設置一光學擴散板，透過該光學擴散板使所述光源2平均照射在該測試區域12上，進而使該測試區域12僅有該其中一交集區域B。

接著，將所述光源2以該最佳參數設置，並由所述光源2在該最佳參數下照射於所述生物，而培育所述生物。由於所述光源2平均照射在該測試區域12，使得該測試區域12上所有所述生物的光照條件都是該最佳參數，而在最適當的光照條件下生長。

藉由觀察所述生物的生長情形，可以找出多波段所述光源2的該最佳參數，並可以進一步搭配田口方法，確保該最佳參數是全域(global)最佳解。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims

一種適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，包含：由至少二光源照射一測試區域，所述光源具有不同波段；每一光源在一光源參數下分別形成複數照度區域，不同照度區域有不同的一照度範圍值；不同光源之照度區域在該測試區域上形成複數交集區域；在該測試區域上分散設置複數生物，且每一交集區域中有至少一生物；觀察所述生物的生長情形，並給予每一生物各自的一生長分數；當其中一交集區域中其中一生物的該生長分數，優於其餘生物的該生長分數，且該生長分數的差異超過一閾值時，則該其中一交集區域對應之每一光源的該光源參數，為適合所述生物生長的一最佳參數；進一步，通過調控所述光源的該光源參數，改變所述光源同一照度區域對應的該照度範圍值。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，該光源參數包含所述光源的一驅動電流、一變化周期及一導通率之一或其組合。
如請求項2所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，當該光源參數包含該驅動電流時，對每一光源電性連接一可變電阻，藉由調整該可變電阻的電阻值，以調控該驅動電流。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，進一步，設定該光源參數為一可控變數，包含所述光源的一驅動電流、一變化周期及一導通率之三者或其中二者，每一可控變數有複數變化準位；透過對所述可控變數執行田口方法(Taguchi Method)，而將該每一可控變數的所述變化準位進行平均，求得該每一可控變數在每一變化準位下的一觀測平均效應，比較出最佳的該觀測平均效應，將對應之該每一可控變數的所述變化準位更新為該最佳參數。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，進一步，取得該最佳參數之後，對應該測試區域及所述光源設置一光學擴散板，將所述光源以該最佳參數設置，透過該光學擴散板使所述光源平均照射在該測試區域上，進而使該測試區域僅有該其中一交集區域。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，所述光源係為條型發光二極體。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，該測試區域係為一平面，所述光源係垂直照射該平面。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，所述光源的數量為n個，當n大於2時，所述光源排列成正n邊形，且所述光源對應該測試區域的中心。
如請求項1所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法，其中，所述生物包含植物或菇菌。
一種利用多波段光源培育生物的方法，係使用如請求項1至9任一項所述之適合生物生長之多波段光源照度最佳化方法獲得該最佳參數，並由所述光源在該最佳參數下照射於所述生物，而培育所述生物。