CN108534007B - 植物照明用光学装置和包含该光学装置的植物栽培装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及植物照明技术领域，具体提供了一种植物照明用光学装置，设置在种植区域中心线上方的预设位置；包括LED灯和透镜，所述透镜覆盖LED灯的出光面；所述透镜呈对称结构；所述透镜面向LED灯的一侧内凹，且曲率一致；背向LED灯的一侧的中心部位向内凹陷；从中心部位向一端包括依次相邻的第一段(22)、第二段(23)、第三段(24)；其中，从中心部位向一端方向上，第一段(22)曲率逐渐增大，第二段(23)曲率先减小后增大，第三段(24)曲率逐渐减小。本发明提供的植物照明用光学装置可以将超出种植区域的光回收到种植区域，并且补充了光照中心线两侧的光照，避免了光浪费现象，提高了能源利用率，以及提高了种植区域内的光照均匀性，进而提高了种植区域的种植品质。

Description

植物照明用光学装置和包含该光学装置的植物栽培装置
技术领域
本发明涉及植物照明技术领域，具体涉及一种植物照明用光学装置和包含该光学装置的植物栽培装置。
背景技术
目前，在农业领域，通过集约化种植来提高经济效益，例如，充分利用空间以增大可种植面积。植物照明用光源为集约化种植的瓶颈之一。
植物照明用的光学装置采用的光源一般为热光源，例如高压钠灯。热光源红外辐射严重，发热量大，不但耗费较多的能源，而且为了避免灯产生的高温对植物的影响，只能安装在距植物较远的上方，导致空间利用率低。
另外，现有的植物照明的光学装置，无论采用高压钠灯还是其他热光源，其中心光强强于两侧光强，光强分布不均匀，影响植物的品质。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种植物照明用光学装置，可以节省种植空间，还可以将超出种植区域的光回收到种植区域，并且补充了种植区域中心线两侧的光照，减少了光浪费，提高了能源利用率，进而提高了种植区域的种植品质。
本发明的第一方面提供了一种植物照明用光学装置，设置在种植区域中心线上方的预设位置；包括LED灯和透镜，所述透镜覆盖LED灯的出光面；所述透镜呈对称结构；所述透镜面向LED灯的一侧内凹，且曲率一致；背向LED灯的一侧的中心部位向内凹陷；从中心部位向一端包括依次相邻的第一段、第二段、第三段；其中，从中心部位向一端方向上，第一段曲率逐渐增大，第二段曲率先减小后增大，第三段曲率逐渐减小。
于本发明的一个实施例中，所述植物照明用光学装置还包括反射器；其中，LED灯位于反射器内侧中心位置；所述反射器呈对称结构；其中一侧从最高反射点到最低反射点包括依次相邻的第四段、第五段、第六段；从最高反射点到最低反射点的方向上，第四段的曲率逐渐减小，第五段的曲率逐渐增大，第六段的曲率逐渐减少。
于本发明的一个实施例中，所述植物照明用光学装置为对称布置在种植区域中心线上方的两个。
于本发明的一个实施例中，两个LED灯的中心光线之间的夹角可调节。
于本发明的一个实施例中，两个LED灯的中心光线之间的夹角在0-20°范围内。
于本发明的一个实施例中，所述预设位置距离种植区域的垂直距离小于种植区域宽度的二分之一。
本发明的第二方面还提供了一种植物栽培装置，包括第一方面所述的植物照明用光学装置。
本发明提供的植物照明用光学装置和植物栽培装置，可以近距离为植物提供光照，节省了种植空间；还可以将超出种植区域的光回收到种植区域，并且补充了光照中心线两侧的光照，减少了光浪费，提高了能源利用率，以及提高了种植区域内的光照均匀性，进而提高了种植区域的种植品质。
附图说明
图1为单用LED灯时的配光曲线图；
图2为本发实施例提供的植物照明用光学装置的横截面结构示意图；
图3为图2所示的植物照明用光学装置的透镜的横截面结构示意图；
图4为图2所示的植物照明用光学装置的透镜的曲率变化示意图；
图5为图2所示的植物照明用光学装置的半光强角和种植区域宽度的关系示意图；
图6为本发明实施例提供的植物照明用光学装置的照射面的光照强度展示图；
图7为本发明提供的植物照明用光学装置对称布置在种植区域上方时的夹角示意图；
图8为本发明提供的植物照明用光学装置对称布置在种植区域上方时的照射面的光照强度展示图；
图9为本发明又一个实施例提供的植物照明用光线装置的横截面结构示意图；
图10为图9所示的植物照明用光学装置的反射器的横截面结构示意图；
图11为图9所示的植物照明用光学装置的反射器的曲率变化示意图。
元件标号说明
1 LED灯
11 中心光线
12 角度为θ的光线
2 透镜
21 中心部位
22 第一段
23 第二段
24 第三段
3 反射器
31 第四段
32 第五段
33 第六段
61 第一半光强光线
62 第二半光强光线
具体实施方式
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围；在本发明说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
LED灯是由一个或多个发光二极管(Light Emitting Diode，LED)组成的光源。LED可以把电能转化为光能，因此，LED灯为冷光源，发热量小，可以近距离为植物照明，其距离种植区域的垂直距离可以小于种植区域的二分之一；从而可以节省种植空间，进一步地，可以增大种植面积，提供农作物种植的经济效益。
LED灯半光强角度大，也称为朗伯型LED灯。换言之，LED灯的出光特性为180°出光，中心光线的光强最强；两侧的光线随着角度的增加，光强越来越弱。
单用LED灯的配光曲线如图1所示。在图1中，将LED灯的中心光线11，即垂直于LED灯发光面的光线的角度为0°。朗伯LED灯的角度为θ的光线12的发光强度Iθ等于该LED灯的中心光线11的发光强度IO乘以方向角的余弦，即Iθ＝IO cosθ。
显然，如果仅将LED灯置于种植区域上方用作植物照明，种植区域中的不同位置接收到的光的强度存在较大差距。一般是将植物照明用灯放在种植区域中心或中心线位置上方，则种植区域中心或中心线位置的接收的光强远大于两侧位置接收到的光强，使得种植区域内的不同植株的产量不同，或者品质不同，从而影响了经济效益。
此外，由于LED灯的发光角度较大，为180°或接近180°，所以LED灯发出的光线有一部分照射在种植区域之外，可以将这部分光线中称之为外边缘出光线。外边缘出光线不能被种植区域内的植物利用，造成了光浪费现象，能源利用率较低。
本发明一个实施例提供了一种植物照明用光学装置，在使用时，可以设置在种植区域中心或中心线上方的预设位置。本发明提供的植物照明用光学装置的一个横截面结构如图2所示，包括LED灯1和透镜2。透镜2面向LED灯1的出光面。LED灯1可以设置在种植区域中心或中心线上方H高度处。种植区域的宽度为W，其中H可以小于或等于二分之一W。
透镜2可以改变LED灯1的光线的方向；具体地，可以将中心光线向两侧分散，以减小中心光强并增强两侧光强；还可以将最外侧光线向内汇聚，从而可以将本应照射到种植区域之外的部分光线折射到种植区域内。
接下来，结合图3对透镜2的结构进行具体说明。
如图3所示，透镜2内侧面内凹，且曲率一致，使得入射光线进入透镜后产生均匀的角度变化，并向中心汇聚；其外侧面呈对称结构，其中，中心部位21曲率为负值，即中心部位21向内凹陷，与对应的内侧面形成凹透镜，中心部位21至一端依次为第一段22、第二段23、第三段24。透镜2外侧面中心部位21具有凹透镜作用，可以减少中心光强，将中间的光分散到两边，使两边光照强度增加。从中心部位21向一端，第一段22曲率逐渐增加，使中心部位21的两侧具有凸透镜作用，可以汇聚侧边的光以及将较强的中心光线向两侧分散；第二段23的曲率先减少后增加，从而调整了此处出射光线的角度，使得种植区域中的相应位置均匀接收此处出射光线；第三段24曲率逐渐减小，使LED灯1发出的侧光向内汇聚。
图4是中心部位21、第一段22、第二段23、第三段24的曲率具体变化的一个示例。图4中的横坐标表示透镜外侧面各部位的相对位置，以一端(该端在图4中的横坐标为0)为起点，以另一端(该端在图4中的横坐标为1)为终点。图4中的纵坐标表示曲线每个点对应的曲率值相对值。
透镜2的中心部位21至另一端的结构参照上文所述内容实现。
在本实施例中透镜2的内侧面为面向LED灯1的一面，透镜2的外侧面为背向LED灯1的一面。
本发明提供的光学装置的出光角为光强强度为中心光线光强强度一半的光线之间的夹角。就是光源中心法线方向向四周张开，一半光强位置与坐标中心夹角，为半光强角，也称为光束角。
图5示出了本发明提供的光学装置半光强角和种植区域宽度的关系示意图。本发明提供的光学装置的第一半光强光线61与本发明提供的光学装置的第二半光强光线62之间的角度为α，显然，第一半光强光线61或第二半光强光线62，与中心光线11之间的角度
Figure BDA0001579515900000051
H为本发明实施例提供的光学装置的LED灯距离种植区域的垂直高度，W为种植区域的宽度，当
Figure BDA0001579515900000052
时，光能最大程度的照到种植区域，光利用率高，并且，通过本发明实施例提供的透镜2可以将光强强度小于中心光线11光强强度的侧光折射至种植区域内，从而可以减少光浪费。
本实施例提供的植物照明用光学装置的有益效果可以如图6所示，可知，本实施例提供的植物照明用光学装置照度分布梯度均匀，提高了边缘照度比例，明显提高了种植区域的光照均匀性。
本实施例提供的植物照明用光学装置可以用于近距离为植物照明，节省了种植空间，可以在单位高度内，设置更多层种植区域，从而增加了种植面积；而且可以将外边缘出光线回收到种植区域内，并且进一步的将外边缘出光线反射到种植区域中相对光强较弱区域。
本发明的另一个实施例中，将两个上一实施例提供的植物照明用光学装置对称布置在种植区域中心线上方。
如图7所示，两个植物照明用光学装置之间的夹角A可以随着种植区域的宽度以及LED灯的高度进行调节，为了兼顾减少照射到种植区域外的光线和种植区域内的光照均匀性，在限定的安装高度及种植宽度条件下，夹角A在0-20°之间调节可达到最佳的照明效果。
本实施例提供的植物照明用光学装置的有益效果可以如图8所示，可知，本实施例提供的植物照明用光学装置可明显提高种植区域的光照均匀性。
本实施例提供的植物照明用光学装置可以用于近距离为植物照明，节省了种植空间，可以在单位高度内，设置更多层种植区域，从而增加了种植面积；而且可以将外边缘出光线反射到种植区域内，并且进一步的将外边缘出光线回收到种植区域中相对光强较弱区域。
本发明的又一个实施例提供了一种植物照明用光学装置，如图9所示，该植物照明用光学装置一个横截面包括一个LED灯1、一个透镜2和一个反射器3；其中，LED灯1设置在反射器3内侧中心位置，透镜2设置在反射器3的内侧顶端，并覆盖LED灯1的出光面。
透镜2可以参考上文介绍内容实现，此处不再赘述。
反射器3可以进一步增强透镜2的出射光线的光照均匀性；并且在透镜2未能将最外侧光线折射到种植区域内的情况下，将最外侧光线反射至种植区域内，从而进一步减少了光浪费。
反射器3具有曲面结构，通过控制反射器3的曲率及法向来控制外边缘出光线路径，使外边缘出光线照射到种植区域内，更进一步的，使其照射到种植区域中相对光强较弱的区域，不但进一步减少了光浪费，提高了能源利用率，同时，也进一步增强了种植区域中相对光强较弱区域的光照，使得整个种植区域接收较均匀的光照，进而进一步增强了种植区域内的植物的品质一致性。
接下来，结合图10本发明实施例提供的反射器3的结构进行具体介绍。
反射器3呈对称结构，现介绍其一侧结构，该侧结构由最高反射点到最低反射点可分为第四段31、第五段32、第六段33。从最高反射点到最低反射点方向，第四段31的曲率逐渐变小，第五段32的曲率由小到大，第六段33的曲率由大到小。
图11是第四段31、第五段32、第六段33的曲率具体变化的一个示例。图11中的横坐标表示反射器3各部位的相对位置，以一端(该端在图11中的横坐标为0)为起点，以另一端(该端在图11中的横坐标为1)为终点。图11中的纵坐标表示曲线每个点对应的曲率值相对值。
另一侧结构可以参照实现。
本实施例提供的植物照明用光学装置可以用于近距离为植物照明，节省了种植空间，可以在单位高度内，设置更多层种植区域，从而增加了种植面积；而且可以将外边缘出光线反射到种植区域内，并且进一步的将外边缘出光线回收到种植区域中相对光强较弱区域。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种植物照明用光学装置，其特征在于，设置在种植区域中心线上方的预设位置；包括LED灯(1)、透镜(2)和反射器(3)，所述LED灯(1)设置在所述反射器(3)内侧中心位置，所述透镜(2)设置在所述反射器(3)的内侧顶端，并覆盖LED灯(1)的出光面；
透镜(2)呈对称结构；透镜(2)面向LED灯(1)的一侧内凹，且曲率一致；背向LED灯(1)的一侧的中心部位(21)向内凹陷；从中心部位(21)向一端包括依次相邻的第一段(22)、第二段(23)、第三段(24)；其中，从中心部位(21)向一端方向上，第一段(22)曲率逐渐增大，第二段(23)曲率先减小后增大，第三段(24)曲率逐渐减小；
所述反射器(3)呈对称结构；其中一侧从最高反射点到最低反射点包括依次相邻的第四段(31)、第五段(32)、第六段(33)；从最高反射点到最低反射点的方向上，第四段(31)的曲率逐渐减小，第五段(32)的曲率逐渐增大，第六段(33)的曲率逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的植物照明用光学装置，其特征在于，所述植物照明用光学装置为对称布置在种植区域中心线上方的两个。
3.根据权利要求2所述的植物照明用光学装置，其特征在于，两个LED灯的中心光线之间的夹角可调节。
4.根据权利要求2所述的植物照明用光学装置，其特征在于，两个LED灯的中心光线之间的夹角在0-20°范围内。
5.根据权利要求1所述的植物照明用光学装置，其特征在于，所述预设位置距离种植区域的垂直距离小于种植区域宽度的二分之一。
6.一种植物栽培装置，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的植物照明用光学装置。
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