本申請是分案申請，其原案申請是申請日為2010年9月16日、申請?zhí)枮閜ct/fi2010/050716、2012年3月1日進入中國國家階段的pct申請。

本發(fā)明涉及將led應(yīng)用于園藝照明應(yīng)用中。特別地，本發(fā)明涉及促進植物生長的照明器材(lightingfixture)，其包括至少一個發(fā)光二極管(led)，該發(fā)光二極管具有包括在600至700nm波長范圍內(nèi)的峰的光譜特性。本發(fā)明還涉及新穎的發(fā)光部件，其特別適用于促進植物生長且包括發(fā)光化合物半導(dǎo)體芯片。

背景技術(shù)：

在地球上，太陽是主要的可見(即光)和不可見電磁輻射源，并是維持生命存在的主要因素。到達地球的凈日平均太陽能約為28×10^23j(即265ebtu)。該值是2007年估算的世界全年一次能量消耗479pbtu的5500倍。對于地球表面可測量到的太陽輻射的光譜分布具有約300nm和1000nm之間的寬波帶范圍。

但是到達地表的輻射中僅50％是光合成有效輻射(par)。根據(jù)cie(commissioninternationaledel'eclairage：國際發(fā)光照明委員會)推薦量，par包括電磁譜的400nm和700nm之間的波長范圍。光化學(xué)定律通常表達為植物收獲輻射。輻射的雙重性質(zhì)使其在空間傳播時表現(xiàn)為電磁波并且在與物質(zhì)相互作用時表現(xiàn)為粒子(即輻射能的光子或量子)。感光體是主要存在于植物的葉子上的活性元素，其負責(zé)光子捕獲以及用于將光子能量轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。

由于光合作用的光化學(xué)性質(zhì)，所以表示每單位時間的o2演化量或co2固定量的光合作用率與葉子表面上每秒落在每單位面積的光子數(shù)量相關(guān)。因此，par的推薦量基于量子系統(tǒng)且利用光子的摩爾(mol)數(shù)或微摩爾(μmol)數(shù)表達。用于報告和量化par瞬時測量的推薦術(shù)語是光合光量子通量密度(ppfd)，且其通常以μmoles/m²/s表示。這定義了每單位時間落在每單位面積表面上的光子摩爾數(shù)。術(shù)語光合光子通量(ppf)也常常用于表達相同的量。

存在于諸如植物的生命有機體中的感光體利用捕獲的輻射能來介導(dǎo)重要生物學(xué)過程。這種介導(dǎo)(mediation)或相互作用可以按各種方式發(fā)生。光合作用(photosynthesis)以及光周期現(xiàn)象(photoperiodism)、向光性(phototropism)和光形態(tài)發(fā)生作用(photomorphogenesis)是涉及輻射和植物之間的相互作用的四個代表性過程。下述表達式示出光合作用的簡化化學(xué)方程式：

6h2o+6co2(+光子能)→c6h12o6+6o2

如上述方程式所示，諸如糖葡萄糖(c6h12o6)的碳水化合物以及氧氣(o2)是光合作用過程的主要產(chǎn)物。它們利用光子能從二氧化碳(co2)和水(h2o)中合成并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，光子能通過使用諸如葉綠素的專門的感光體收集。

通過光合作用，輻射能也被用作化學(xué)能的主要來源，其對于植物的生長發(fā)育是重要的。當(dāng)然，方程式的輸入-輸出反應(yīng)物平衡還依賴于輻射能的數(shù)量(即光子的數(shù)量)和質(zhì)量(即光子的能量)以及由此產(chǎn)生的植物的生物體(biomass)的數(shù)量和質(zhì)量。“光周期現(xiàn)象”是指植物必須感知并測量輻射的周期性的能力，向光性是指植物朝向或遠離輻射的生長運動，且光形態(tài)發(fā)生作用是指響應(yīng)于輻射質(zhì)量和數(shù)量的形態(tài)改變。

圖1中示出最常見的光合作用以及諸如葉綠素a、葉綠素b和β胡蘿卜素的光形態(tài)發(fā)生感光體以及光敏素(phytochrome)的兩種可互變形式(pfr和pr)的典型吸收光譜。

與光合作用不同，光形態(tài)發(fā)生響應(yīng)可在非常低的光量(lightquantity)下實現(xiàn)。光合作用感光體和光形態(tài)發(fā)生感光體的不同類型可劃分到至少三個公知的光合體系中：光合作用、光敏素和藍光受體(cryptochrome)或藍/uv-a(紫外線a)。

在光合作用光合體系中，存在的色素是葉綠素和類胡蘿卜素。葉綠素位于植物的葉肉細胞中的葉綠體的類囊體中。輻射的量或能量是最重要的方面，因為這些色素的活性與光收獲(lightharvest)緊密相關(guān)。葉綠素的兩個最重要的吸收峰分別處于從625nm至675nm的紅光范圍以及從425至475nm的藍光范圍內(nèi)。此外，在近紫外(300-400nm)和遠紅外范圍(700-800nm)內(nèi)也存在其他局部峰。諸如葉黃素的類胡蘿卜素以及胡蘿卜素位于植物細胞上的有色體色素細胞器(chromoplastplastidorganelles)中并主要吸收藍光范圍。

光敏素光合體系包括光敏素的兩種可互變形式：pr和pfr，它們分別在紅光范圍內(nèi)的660nm處以及遠紅外范圍內(nèi)的730nm處具有敏感峰。通過光敏素介導(dǎo)的光形態(tài)發(fā)生響應(yīng)通常通過紅光(r)與遠紅外(fr)的比率(r/fr)而與光質(zhì)(lightquality)的感知有關(guān)。光敏素的重要性可由其涉及的不同生理反應(yīng)(例如葉擴展、鄰近感知能力、避蔭(shadeavoidance)、莖伸展、種子發(fā)芽以及開花誘導(dǎo))來評估。雖然避蔭響應(yīng)通常由光敏素通過r/fr比率的感知來控制，但藍光和par水平也涉及相關(guān)的適應(yīng)形態(tài)響應(yīng)。

在藍光受體光合體系中發(fā)現(xiàn)藍光和uv-a(紫外線a)敏感感光體。藍光吸收色素包括藍光受體和向光素(phototropin)。它們分別涉及不同的任務(wù)，例如監(jiān)測光的質(zhì)量、數(shù)量、方向和周期性。藍光和uv-a敏感感光體的不同組介導(dǎo)重要的形態(tài)學(xué)響應(yīng)，例如內(nèi)源節(jié)律、器官取向(organorientation)、莖伸展以及氣孔開啟、發(fā)芽、葉擴展、根生長和向光性。向光素調(diào)節(jié)色素含量以及光合作用器官以及細胞器的定位，以便優(yōu)化光收獲和光抑制。如同暴露于遠紅外輻射一樣，藍光也通過藍光受體感光體的介導(dǎo)促進開花。而且，藍光敏感感光體(例如黃素和類胡蘿卜素)也對近紫外輻射敏感，其中可在370nm附近發(fā)現(xiàn)局部敏感峰。藍光受體不僅為所有植物種所共有。藍光受體介導(dǎo)各種光響應(yīng)，包括諸如擬南芥(arabidopsis)的開花植物中的晝夜節(jié)律的推移。雖然低于300nm波長的輻射對分子和dna結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵非常有害，但植物也在該范圍內(nèi)吸收輻射。par范圍內(nèi)的輻射質(zhì)量對降低uv輻射的破壞作用很重要。這些感光體被深入研究，它們在控制光合作用和生長方面的作用眾所周知。但是，有證據(jù)表明存在其他感光體，其活性在介導(dǎo)植物中的重要的生理反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。此外，感光體的某些組之間的相互作用以及相互依賴的性質(zhì)還不為公眾所知。

光合作用也許是一種世界上最古老、最常見且最重要的生化過程。特別是冬季時的北方國家一般采用慣例是利用人造光源來取代或補償日光的低利用率，用以生產(chǎn)蔬菜和觀賞性農(nóng)作物。

人造電氣照明的時代開始于托馬斯·愛迪生在1879年研制出的愛迪生燈泡，在現(xiàn)代通稱為白熾燈。由于其熱特性，所以白熾的特征在于大量的遠紅外輻射，其可達到總par的約60％。雖然已經(jīng)進行超過一個世紀的發(fā)展，但由可見光譜范圍內(nèi)消耗的電能(輸入)和發(fā)射的光能(輸出)之間的轉(zhuǎn)換效率定義的白熾燈的電效率仍然很低。通常約為10％。白熾燈光源的壽命性能也很低，通常的壽命不大于1000小時。這種燈在植物生長應(yīng)用中的使用是受限的。

觀賞植物的生長是可仍然采用白熾燈的一種應(yīng)用。使用白熾燈并利用整夜暴露于低光子注量率(photonfluencerates)，可對長日照響應(yīng)物種實現(xiàn)花芽發(fā)育(floralinitiation)。發(fā)射的大量遠紅外輻射用于控制光敏素介導(dǎo)過程中的光形態(tài)發(fā)生響應(yīng)。

熒光燈比白熾燈更廣泛用于植物生長應(yīng)用。較之白熾燈，熒光燈的電光能量轉(zhuǎn)換更有效。管狀熒光燈可到達通常約20％至30％的電效率值，其中大于90％的發(fā)射光子在par范圍內(nèi)且通常的壽命約為10000小時。但是，特別設(shè)計的長壽命熒光燈可達30000小時的壽命。除優(yōu)良的能量效率和壽命之外，植物生長中采用熒光燈的另一優(yōu)點是藍光輻射的發(fā)射量。取決于燈的相關(guān)色溫(cct)，可達到在par范圍內(nèi)總光子發(fā)射的10％以上。為此，熒光燈廣泛用于封閉的生長室和腔中以完全取代自然光輻射。發(fā)射的藍光輻射對于通過感光體的藍光受體族的介導(dǎo)而實現(xiàn)大多數(shù)農(nóng)作物植物的平衡的形態(tài)是必要的。

金屬鹵化物燈屬于高強度放電燈一類。可見光輻射的發(fā)射基于發(fā)光效應(yīng)。在制造過程中包括金屬鹵化物使得在某種程度上優(yōu)化發(fā)射的輻射的光譜質(zhì)量。金屬鹵化物燈可用于植物生長中，從而完全代替日光或在較低可利用時段內(nèi)進行適當(dāng)補償。每一個燈的高par輸出、約20％的相對高的藍光輻射百分比以及約25％的電效率使金屬鹵化物燈成為整年農(nóng)作物種植的一種選擇。金屬鹵化物燈的工作時間通常為5,000至6,000小時。高壓鈉(hps)燈已經(jīng)成為用于溫室中的整年農(nóng)作物生產(chǎn)的優(yōu)選光源。主要原因在于高輻射發(fā)射、低成本、長壽命、高par發(fā)射以及高電效率。這些因素已經(jīng)使得使用高壓鈉燈作為在北緯冬季期間以成本有效方式輔助蔬菜生長的補充光源。

但是，hps燈的光譜質(zhì)量對于促進光合作用和光形態(tài)發(fā)生作用來說并不是最優(yōu)的，因此導(dǎo)致葉子和莖的過度生長。這歸因于與諸如葉綠素a、葉綠素b和β胡蘿卜素的重要的光合色素的吸收峰相關(guān)的不平衡的光譜發(fā)射。與其他光源相比，低r/fr比率和低藍光發(fā)射對于在hps照明下的大多數(shù)農(nóng)作物生長來說致使過度的莖生長。高壓鈉燈的電效率通常在30％和40％范圍內(nèi)，這使得其成為當(dāng)代植物生長中使用的最能量效率的光源。輸入能量的約40％轉(zhuǎn)換成par區(qū)域中的光子且?guī)缀?5％至30％轉(zhuǎn)換成遠紅外和紅外光。高壓鈉燈的操作時間在約10000至24000小時的范圍內(nèi)。

在北緯度地區(qū)的日光低可利用性和用戶對于整年都具有低成本的優(yōu)質(zhì)園藝產(chǎn)品的需求導(dǎo)致對新的照明和生物技術(shù)的需要。而且如果每天的可利用的日光達到20至24小時，則可顯著提高全球的產(chǎn)量。因此，需要可降低農(nóng)作物的生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的解決方案。照明只是其中可被優(yōu)化的一個方面。但是不可低估其重要性。電價的升高以及降低co2排放的需求是有效利用能源的其他原因。對于溫室中的整年農(nóng)作物生產(chǎn)來說，對于某些農(nóng)作物，電成本可以達到占間接成本的約30％。

雖然一般用于植物生長的現(xiàn)有光源具有約40％的電效率，但整體系統(tǒng)效率可能顯著降低(即包括驅(qū)動器、反射器和光學(xué)器件中的損耗)。輻射的光譜質(zhì)量對農(nóng)作物的健康生長至關(guān)重要。在沒有其他濾光器的低效和受限應(yīng)用的情況下，常規(guī)光源在其應(yīng)用過程中不能進行光譜控制。而且輻射量的控制也受到限制，減少諸如脈沖操作的多用途照明方式的可能性。

因此，因為上述方面相關(guān)的原因，開始將發(fā)光二極管以及相關(guān)的固態(tài)照明(ssl)作為潛在可行且有前途的用于園藝照明中的工具。led的內(nèi)量子效率是通過注入進有源區(qū)中的每個電子產(chǎn)生的光子的百分比的度量。實際上，最好的alingap紅光和alingan綠光和藍光hb-led可具有大于50％的內(nèi)量子效率，但將所有產(chǎn)生的光從半導(dǎo)體器件以及照明器材中提取出來仍是挑戰(zhàn)。

在園藝照明中，基于led的光源較之常規(guī)光源的主要實際優(yōu)點在于發(fā)射的輻射的方向性以及完全可控性。led不一定需要反射器，因為它們天生就是半各向同性(halfisotropic)的發(fā)射體。將led作為定向發(fā)射體可避免與光學(xué)器件有關(guān)的多數(shù)損失。而且，較之常規(guī)寬波段光源，彩色led的狹窄的光譜帶寬特性是另一重要優(yōu)點。利用led作為光合作用輻射源的主要優(yōu)點由選擇最接近地與所選擇的感光體的吸收峰匹配的峰值波長發(fā)射的可能性引起。事實上，這種可能性帶來其他優(yōu)點。植物的生理反應(yīng)的介導(dǎo)中的感光體對輻射能的有效利用是其中一個優(yōu)點。另一優(yōu)點是通過完全控制輻射強度而對響應(yīng)的可控性。

上述優(yōu)點還會進一步延伸到燈具(luminaire)級別。發(fā)明人了解具有藍光led和紅光led的燈具。當(dāng)前的彩色alinganled的輻射光譜可獲得從uv至可見光譜的綠光區(qū)域。那些器件可在藍光和uv-a區(qū)域中發(fā)射，這正是藍光受體和類胡蘿卜素的吸收峰所在的區(qū)域。

葉綠素a和光敏素的紅色同質(zhì)異構(gòu)形式(pr)在660nm附近具有強吸收峰。algaasled在相同的區(qū)域發(fā)射，但部分地由于低市場需求以及制造技術(shù)陳舊，所以它們與磷化物或氮化物基led相比是昂貴的器件。algaasled還可用于控制光敏素的遠紅外形式(pfr)，其在730nm處具有明顯的吸收峰。

alingapled基于完善的材料技術(shù)并具有相對高的光學(xué)和電學(xué)性能。通常，alingap紅光led的特征光譜發(fā)射區(qū)覆蓋640nm附近的區(qū)域，葉綠素b在該區(qū)域中具有吸收峰。因此，alingapled還可用于提升光合作用。

新型商用高亮度led不適于溫室種植，因為它們主要的發(fā)射峰處于500nm至600nm的綠光波長范圍，因此不能響應(yīng)光合作用過程。但根據(jù)技術(shù)原理，光合作用響應(yīng)的led光可利用組合諸如alingap和alingan的不同類型的半導(dǎo)體led來構(gòu)造以用于紅光和藍光。

還存在與單獨的彩色led的組合有關(guān)的許多問題。因此，不同類型的半導(dǎo)體器件將以不同速度老化，且為此紅光至藍光的比率將隨時間變化，進一步導(dǎo)致植物生長過程的異常情況。第二個主要因素是單獨的單個彩色led具有相對狹窄的光復(fù)范圍，通常小于25nm，這在不使用大量不同顏色和單獨的led的情況下不足以提供良好的光合作用效率，因此導(dǎo)致實施的高成本。

從ep2056364al和us2009/0231832可知，從具有諸如磷光體的波長轉(zhuǎn)換材料的led可以產(chǎn)生增加的顏色數(shù)量，從而再發(fā)射不同顏色的光。根據(jù)us2009/0231832所述，不同顏色的復(fù)制陽光(replicatingsunlight)可用于治療機能降低(depression)或季節(jié)性疾病。將上述文獻作為參考并入本文中。

即使將這些光用于園藝照明，它們依然存在許多缺點，例如因為陽光的光譜不適宜植物生長這一簡單原因。us2009/0231832的燈旨在復(fù)制陽光，包括許多多余的波長，而這些波長不能有效用于植物生長。例如500-600nm(綠光)波帶的光不能為植物所用，因為綠色植物反射這些波長。這導(dǎo)致在園藝應(yīng)用中浪費能量。

而且，現(xiàn)有技術(shù)的光還忽略了非常適用于植物生長的基本波長范圍。例如，這些光不能達到700nm-800nm的遠紅外范圍，而該范圍對植物種植很重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是消除與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的至少一部分問題，并利用led提供一種促進植物生長的新方式。

本發(fā)明的第一目的是提供一種基于單個發(fā)光源的led器件，光合作用過程對該led器件響應(yīng)良好。

本發(fā)明的第二目的是提供一種基于光合光子通量(ppf)優(yōu)化led的用于溫室種植的照明器材。

本發(fā)明的第三目的是實現(xiàn)一種led器件，其在300至800nm的波長范圍內(nèi)具有至少兩個發(fā)射峰且至少一個發(fā)射峰具有至少50nm或更大的半高寬(fwhm)。

本發(fā)明的第四目的是提供一種基于led的溫室種植照明器材，其中在10000小時的操作期間，300-500nm和600-800nm的兩個發(fā)射頻率的強度比降低小于20％。

本發(fā)明的第五目的是提供一種技術(shù)方案，其與通常用于溫室種植中的常規(guī)高壓鈉燈達到的效果相比具有更好的每瓦特ppf值(即ppf對所用功率瓦特數(shù))，且因此提供一種用于溫室種植過程的能量效率的光源以及其中使用的人造照明。

本發(fā)明的第六目的是提供一種單個發(fā)光源，其中在300-500nm的頻率下的發(fā)射由半導(dǎo)體led芯片產(chǎn)生，且在600-800nm頻率下的發(fā)射通過使用led芯片輻射功率的部分波長上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)例如在利用包括遠紅外光(700-800nm)的本發(fā)明的園藝光進行照射時，黃瓜和萵苣(lettuce)植物可達到更長的長度和/或更大的質(zhì)量。

本發(fā)明的第七目的是提供一種單個發(fā)光源，其中在300-500nm的頻率下的發(fā)射由半導(dǎo)體led芯片產(chǎn)生，且在600-800nm頻率下的發(fā)射通過使用led芯片輻射功率的部分波長上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。產(chǎn)生600-800nm輻射的波長上轉(zhuǎn)換通過采用一種或多種鄰接led發(fā)射源的波長上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。

在本申請中，“上轉(zhuǎn)換(up-conversin)”解釋為將入射的吸收光的波長改變?yōu)楦L波長的發(fā)射光。

本發(fā)明的第八目的是提供400-500nm、600-800nm或上述兩個頻率范圍的半導(dǎo)體led芯片輻射的部分或全波長上轉(zhuǎn)換，該芯片具有300-500nm范圍發(fā)射范圍的發(fā)射。通過使用有機、無機或兩種類型材料的組合實現(xiàn)波長上轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的第九目的是利用用于上轉(zhuǎn)換的納米級顆粒材料提供波長上轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的第十目的是利用用于上轉(zhuǎn)換的分子類(molecularlike)材料提供波長上轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的第十一目的是利用聚合物材料提供波長上轉(zhuǎn)換，其中上轉(zhuǎn)換材料與聚合物基質(zhì)共價結(jié)合以提供波長上轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的第十二目的是提供一種基于led的照明器材，其中抑制500-600nm的光譜帶。在這種抑制波帶中幾乎不會或根本不會具有發(fā)射，或在任何情況下與相鄰的400-500nm、600-700nm光譜帶相比具有很少發(fā)射。根據(jù)本發(fā)明，可通過在400-500nm波帶中不具有任何發(fā)射或僅具有少量一次發(fā)射(primaryemission)，并通過確保任何上轉(zhuǎn)換均導(dǎo)致將波長偏移至超過600nm的波長偏移來實現(xiàn)上述抑制效果。眾所周知，綠色植物不能利用綠光(500-600nm)輻射以及鄰近波帶的輻射，因為這種輻射僅僅從植物反射而不是被吸收用于光合轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的第十三目的是提供一種基于led的照明器材，其能通過提供所需遠紅外光使植物的合成代謝生長最大化，而又能使從植物種植觀點是能量浪費輻射的綠光最小化。在本發(fā)明的一個方面中通過具有波長上轉(zhuǎn)換裝置的藍光led實現(xiàn)上述目的，該上轉(zhuǎn)換裝置將部分發(fā)射的藍光(300-500)nm上轉(zhuǎn)換成寬紅光譜分量(600-800nm)，該寬紅光譜分量具有遠紅外分量，而消除和/或最小化綠光分量(500-600nm)。

本發(fā)明提供適用于溫室種植的發(fā)光二極管以及相關(guān)照明器材。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)光二極管具有特定發(fā)射頻率模式，即其具有至少兩種光譜特性，一個發(fā)射峰具有至少50nm或更大的半高寬并具有600至700nm范圍內(nèi)的峰值波長，且第二光譜特性具有低于500nm范圍的峰值波長。led的發(fā)射峰與植物光合作用響應(yīng)光譜良好匹配且因此特別適用于高效人造照明。

適于促進植物生長的發(fā)光部件包括發(fā)光化合物半導(dǎo)體芯片，以及光波長上轉(zhuǎn)換磷光體，該光波長上轉(zhuǎn)換磷光體直接鄰接led芯片沉積。這種部件能發(fā)射兩個特征發(fā)光峰。

更具體來說，根據(jù)本發(fā)明的照明器材的特征在于權(quán)利要求1和/或2的特征部分中的陳述。

根據(jù)本發(fā)明，一種用于促進植物生長的照明器材包括至少一個發(fā)光二極管(led)，該發(fā)光二極管包括：

a)第一光譜特性，其包括600至700nm的波長范圍內(nèi)的峰，且布置為展示至少50nm或更大的半高寬；以及

b)第二光譜特性，其具有最大值50nm的半高寬，且布置為展示在440至500nm范圍內(nèi)的峰值波長。

根據(jù)本發(fā)明的園藝照明器材包括至少一個發(fā)光二極管(led)，該發(fā)光二極管包括：

a)第一光譜特性，其包括在600至700nm的波長范圍內(nèi)的峰，且布置為展示至少50nm或更大的半高寬；

b)第二光譜特性，其具有最大值50nm的半高寬，且布置為展示在440至500nm范圍內(nèi)的峰值波長，以及

c)利用led芯片輻射功率的全部或部分波長上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生在600-800nm頻率的全部或部分發(fā)射。

根據(jù)本發(fā)明的園藝照明器材包括至少一個發(fā)光二極管(led)，該發(fā)光二極管包括：

a)第一光譜特性，其包括在600至700nm的波長范圍內(nèi)的峰，且布置為展示至少50nm或更大的半高寬；

b)第二光譜特性，其具有最大值50nm的半高寬，且布置為展示在440至500nm范圍內(nèi)的峰值波長，以及

c)將在500-600nm波長的發(fā)射的至少一部分或全部布置為被最小化和/或被消除和/或被減少至低于在400-500nm波帶中的強度以及低于在600-700nm波帶中的強度。

根據(jù)本發(fā)明的用于促進植物生長的照明器材包括發(fā)光uvled，該發(fā)光uvled可選地具有外部發(fā)射特性，所述led布置為展示

a)具有在350至550nm范圍內(nèi)的峰值波長的第一磷光光譜特性；

b)具有在600至800nm范圍內(nèi)的峰值波長的第二可選磷光光譜特性；

c)具有在350和800nm之間自由地可調(diào)整的峰值波長的第三可選磷光光譜特性；

d)第一、可選的第二和可選的第三光譜特性的磷光發(fā)射強度以任意比例可調(diào)整。

發(fā)光部件的特征在于權(quán)利要求16和/或17的特征部分中的陳述。

根據(jù)本發(fā)明的用于促進植物生長的發(fā)光部件包括：

發(fā)光化合物半導(dǎo)體芯片；以及

光波長上轉(zhuǎn)換磷光體，其直接鄰接led芯片沉積；

所述部件能發(fā)射兩個特征發(fā)光峰。

根據(jù)本發(fā)明的園藝照明的發(fā)光部件包括：

發(fā)光化合物半導(dǎo)體芯片；以及

光波長上轉(zhuǎn)換磷光體，其直接鄰接led芯片沉積；

所述部件能發(fā)射兩個特征發(fā)光峰，且利用led芯片輻射功率的全部或部分波長上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生在600-800nm頻率的全部或部分發(fā)射。

根據(jù)本發(fā)明的園藝照明的發(fā)光部件包括：

發(fā)光化合物半導(dǎo)體芯片；以及

光波長上轉(zhuǎn)換磷光體，其直接鄰接led芯片沉積；

所述部件能發(fā)射兩個特征發(fā)光峰，且將在500-600nm波長的發(fā)射的至少一部分或全部布置為被最小化和/或被消除和/或被減少至低于在400-500nm波帶中的強度以及低于在600-700nm波帶中的強度。

本發(fā)明的最佳模式被認為包括380-850nm波長范圍內(nèi)的多個led，且該多個led布置為具有這樣的發(fā)射光譜，該發(fā)射光譜布置為與要通過所述led的照明而被種植的植物的光合作用響應(yīng)一致。最佳模式以通過磷光體對藍光led的發(fā)射進行波長上轉(zhuǎn)換為特征。

附圖說明

圖1示出綠色植物中最常見的光合作用和光形態(tài)發(fā)生作用感光體的相對吸收光譜；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一單個發(fā)光源led器件的發(fā)射峰；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二單個發(fā)光源led器件的發(fā)射峰；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三單個發(fā)光源led器件的發(fā)射峰；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第四單個發(fā)光源led器件的發(fā)射峰；以及

圖6a至6c是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的改進的led器件的制造方法各個工藝步驟的示意圖。

具體實施方式

如上所述，本發(fā)明通常涉及單個發(fā)光源led器件，其具有用作溫室種植光源的最優(yōu)的性質(zhì)。具體而言，該方法構(gòu)造的光源具有最優(yōu)的性質(zhì)且可靈活用于與植物種植中的光合作用頻率匹配。通過利用上述方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，光源可被設(shè)計為達到優(yōu)良的ppf以及每瓦特ppf效率和性能并具有非常低的功耗和非常長的工作壽命。

特別地，單個發(fā)光源led器件在300-800nm的波長范圍內(nèi)提供至少兩個發(fā)射峰且發(fā)射峰中的至少一個具有至少50nm或更大的半高寬(fwhm)。選擇發(fā)射峰以及相對強度以與植物的光合作用頻率匹配。而且優(yōu)化對于光源的所需ppf量，從而滿足植物的要求。

通過半導(dǎo)體led芯片產(chǎn)生300-500nm頻率的發(fā)射，且利用led芯片輻射功率的全部或部分波長上轉(zhuǎn)換(up-conversion)產(chǎn)生400-800nm頻率的發(fā)射?？蛇x擇部分波長上轉(zhuǎn)換使得處于半導(dǎo)體led芯片輻射的5-95％，優(yōu)選35-65％的范圍內(nèi)。產(chǎn)生400-800nm輻射的波長上轉(zhuǎn)換可通過利用鄰接led發(fā)射源的一種或多種上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。通過使用有機、無機或上述類型的組合的材料實現(xiàn)波長上轉(zhuǎn)換。這些材料可以是特殊的(納米級或其他尺寸的顆粒)、分子的或聚合物材料。而且，上述材料可具有導(dǎo)致發(fā)射源的波長上轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)布置。

根據(jù)一個特定實施例，用于促進植物生長的照明器材包括uvled，其可選地具有外部發(fā)光發(fā)射特性。led通常展示：

a)具有在350至550nm的范圍內(nèi)的峰值波長的第一磷光光譜特性；

b)具有在600至800nm的范圍內(nèi)的峰值波長的第二可選磷光光譜特性；以及

c)具有在350和800nm之間的自由可調(diào)整的峰值波長的第三可選磷光光譜特性。

在本申請中，上述“可調(diào)整”峰值波長解釋為在工廠中組裝照明器材的過程中可調(diào)整峰值波長，和/或也可對用于現(xiàn)場峰值波長調(diào)整的照明器材中的可調(diào)標(biāo)度盤“可調(diào)整”。此外，也可根據(jù)本發(fā)明在led的制造過程中調(diào)整led的峰值波長，且“可調(diào)整”應(yīng)被解釋為還包括在led的制造過程中可進行調(diào)整。可調(diào)整峰值波長的所有上述實施例或任意其他可調(diào)整光源或可變led都落入本專利申請的范圍內(nèi)。

優(yōu)選地，第一、可選的第二以及可選的第三光譜特性的磷光發(fā)射強度按任意比例可調(diào)整。

圖2至5示出單個發(fā)光源led器件的發(fā)射峰的一些實例。

在圖2中，半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率在457nm的波長處產(chǎn)生具有25nm的發(fā)射峰半高寬(fwhm)的峰。在這種情況下，波長上轉(zhuǎn)換可采用兩種上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。上述兩種波長上轉(zhuǎn)換材料在660nm和604nm處具有單獨的發(fā)射峰。圖2示出這兩種波長上轉(zhuǎn)換材料在651nm處產(chǎn)生的具有101nm的發(fā)射峰半高寬的組合發(fā)射峰。在這種情況下，大約40％(由峰值強度計算得出)的半導(dǎo)體led芯片的發(fā)射通過兩種單獨的上轉(zhuǎn)換材料被上轉(zhuǎn)換至651nm的發(fā)射。

在圖3中，半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率在470nm處產(chǎn)生具有30nm的發(fā)射峰半高寬(fwhm)的峰。在這種情況下，波長上轉(zhuǎn)換可采用兩種上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。上述兩種波長上轉(zhuǎn)換材料在660nm和604nm處具有單獨的發(fā)射峰。圖2示出這兩種波長上轉(zhuǎn)換材料在660nm波長處產(chǎn)生的具有105nm的發(fā)射峰fwhm的組合發(fā)射峰。在這種情況下，大約60％(由峰值強度計算得出)的半導(dǎo)體led芯片的發(fā)射通過兩種單獨的“上轉(zhuǎn)換”材料被上轉(zhuǎn)換至660nm的發(fā)射。

在圖4中，半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率在452nm處產(chǎn)生具有25nm發(fā)射峰半高寬(fwhm)的峰(未在圖中示出)。在這種情況下，波長上轉(zhuǎn)換可采用一種上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。圖3示出該波長上轉(zhuǎn)換材料在658nm波長處產(chǎn)生的具有80nm的發(fā)射峰fwhm的發(fā)射峰。在這種情況下，大約100％(由峰值強度計算得出)的半導(dǎo)體led芯片的發(fā)射通過該上轉(zhuǎn)換材料被上轉(zhuǎn)換至658nm的發(fā)射。這可以從圖4中看出，其中l(wèi)ed器件不存在452nm的發(fā)射。

在圖5中，半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率在452nm處產(chǎn)生具有25nm的發(fā)射峰半高寬(fwhm)的峰。在這種情況下，波長上轉(zhuǎn)換可采用一種上轉(zhuǎn)換材料實現(xiàn)。圖5示出該波長上轉(zhuǎn)換材料在602nm波長處產(chǎn)生的具有78nm的發(fā)射峰fwhm的發(fā)射峰。在這種情況下，大約95％(由峰值強度計算得出)的半導(dǎo)體led芯片的發(fā)射通過該波長上轉(zhuǎn)換材料被上轉(zhuǎn)換至602nm的發(fā)射。

對于上述光譜來說，裝置可如下文詳細說明而構(gòu)造。半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率應(yīng)以適于激發(fā)裝置中使用的磷光體分子的方式選擇。來自led芯片的發(fā)射可在400nm和470nm之間。

所使用的一種或多種磷光體分子應(yīng)以實現(xiàn)來自led的所需發(fā)射光譜的方式選擇。

以下將說明利用led器件中的兩種磷光體材料(波長上轉(zhuǎn)換材料)實現(xiàn)所需光譜的過程(參考圖6a至6c)。

以預(yù)定比例混合磷光體a和磷光體b，從而實現(xiàn)來自led器件的所需磷光體發(fā)射光譜(見圖6a)。磷光體的比例例如可以是99:1(a:b)至1:99。將上述磷光體a+b的混合物以預(yù)定濃度混合入材料c(例如是聚合物)中，從而形成“密封材料”。材料c中的磷光體的濃度例如可以是99:1(磷光體混合物：材料c)至1:99。隨后將上述材料c+磷光體(a和b)的混合物直接鄰接led芯片沉積(圖6b和6c)。這里用“鄰接”來指將其直接沉積在led芯片的表面上或用其他光學(xué)材料被間隔開。材料c中的磷光體混合物的濃度確定半導(dǎo)體led芯片發(fā)射頻率的波長上轉(zhuǎn)換量，即最終的led器件發(fā)射中存在多少“原始”led芯片發(fā)射頻率以及l(fā)ed器件中有多少被轉(zhuǎn)換成磷光體發(fā)射。

取決于磷光體的濃度，密封材料(其中混合有磷光體)的厚度通常在下述范圍變化：0.1μm至20mm，特別是1μm至10mm，優(yōu)選5μm至10mm，例如約10μm至5mm。

磷光體通常的濃度(由密封材料的總重量計算得出)約為0.1至20％，優(yōu)選約1至10％。

波長上轉(zhuǎn)換可以是100％，這意味著從led器件僅觀察到磷光體發(fā)射，或波長上轉(zhuǎn)換可以小于100％，這意味著led芯片發(fā)射的一些從led器件中發(fā)射。

總之，通過調(diào)整磷光體比例a:b，能夠調(diào)整來自led器件的所需磷光體發(fā)射光譜，且通過調(diào)整材料c中磷光體的濃度，能夠調(diào)整用于led器件的所需led芯片發(fā)射量/總量。

led芯片頂部上的材料c(具有某一磷光體濃度)的量(物理厚度)還影響led器件傳輸?shù)膌ed芯片發(fā)射的量。在led芯片頂部上的材料c層越厚，則傳輸越低。

材料c例如可以是可混入磷光體的溶劑、無機或有機聚合物、硅聚合物、硅氧烷聚合物或其他聚合物。材料c可具有需要在與磷光體一起使用之前混入的一種或多種成分。材料c可以是熱固或uv固化材料。

磷光體和溶劑材料c(固態(tài)或液態(tài))的混合物可以是半透明或透明的，優(yōu)選為透明的，從而允許從led發(fā)出的光穿過。

在一個實施例中，例如特別優(yōu)選由銪-鈰共摻雜的ba_xsr_yzns_3磷光體和/或鈰摻雜的鑭系硫氧化物產(chǎn)生遠紅外輻射(700-800nm)。這些磷光體和硫化物類型在650-700nm波長區(qū)具有極大發(fā)射峰且還展示寬的半高寬(50-200nm)，且因此也能在更高波長，即700nm以上的波長范圍產(chǎn)生光發(fā)射。

除此之外或作為替代地使用磷光體或其他類似材料，也能借助至少一種布置在led附近的半導(dǎo)體量子點等實現(xiàn)波長上轉(zhuǎn)換。

實例

基于具有與圖3中所示相同的輸出光譜的單led器件構(gòu)造led照明器材以用于比較實驗的目的。照明器材由60個單獨的led單元構(gòu)成，它們具有69w的功耗，該功耗包括ac/dc恒流驅(qū)動器的功耗。

比較裝置是具有420w的總功耗的商用hps(高壓鈉)燈溫室照明器材以及商用led溫室led器材。商用led器材基于具有24w總功耗的單獨的藍光和紅光led器件。

利用以下ppf測量過程和布置相對于上述商用led器件測試根據(jù)本發(fā)明的led照明器材。

通過測量300nm至800nm的照明器材光譜以及385nm至715nm的波帶下的絕對輻照度值來計算par輻照度(400nm和700nm之間的輻照度值)和ppf值。在一定距離下借助ilt700a分光輻射譜儀測量每個燈的光譜。在某些距離下借助精密日射強度計測量絕對輻照度值，且隨后用于計算在這些距離下的絕對光譜。這些絕對光譜用于計算par和ppf的計算。通過積分400nm至700nm的絕對光譜來計算par輻照度(w/m²)。通過首先將每個光譜“通道”的輻照度值從w/m²變換為微愛因斯坦(microeinsteins)且隨后在所需波長帶上積分該光譜來計算ppf值。

上述兩種商用溫室燈器材和根據(jù)本發(fā)明的led器材的比較結(jié)果示于下表中。該結(jié)果還相對于商用hps照明器材而被標(biāo)準化。

如以上測試結(jié)果所示，根據(jù)本發(fā)明的led照明器材與hps相比提供了3.27倍的ppf效率且與基于單獨的藍光和紅光led器件的商用led溫室器材相比提供了1.18倍的ppf效率。當(dāng)然在本發(fā)明的多個實施例中，所有l(wèi)ed或照明器材都布置為特別在用于植物種植的溫室中作為溫室光源使用。

上述實例已經(jīng)說明了具有一個發(fā)光二極管(led)，其具有所展示的光譜特性的實施例。當(dāng)然，本發(fā)明的照明器材可包括多個led，其中至少一些(即10％或更多)或優(yōu)選地其中大多數(shù)(大于50％)具有所展示的性質(zhì)和特性。因此可得到包括常規(guī)led和本發(fā)明所述的led的組合的器材。對led的數(shù)量沒有特別的上限。因此，本發(fā)明的照明器材可大約具有1至10000個led，通常為1至1000個led，特別是1至100個led。

根據(jù)本發(fā)明，可在一個燈具中包括具有不同峰發(fā)射的led，并對其進行控制以提供所需光譜發(fā)射，從而實現(xiàn)確定的生長結(jié)果或生理反應(yīng)。以此方式，照明系統(tǒng)可以允許對照明強度和光譜的多用途控制。最終可將諸如co2濃度、溫度、日光利用率和濕度的其他非生物因素的控制與照明一起整合進相同控制系統(tǒng)，而優(yōu)化農(nóng)作物生產(chǎn)率以及溫室的整體管理。

參考文獻：

ep2056364al，satou等人

us2009/0231832，zukauskas等人