增強溫室光線的方法與裝置制造方法【專利摘要】本發明涉及一種具有半導體光發射方案的照明裝置，所述半導體光發射方案具有波長上轉換特征且適用于溫室環境中植物栽培。認為本發明的最佳模式為具有至少一個藍色LED（101）及波長上轉換二元合金量子點（110、120、130、140、150、160）的照明裝置，所述量子點由膠體法制備，被配置成與藍色LED一起產生與光合作用有效輻射（PAR）光譜類似的發射光譜。本發明的方法及配置允許對植物栽培中所用光的發射光譜進行更精確光譜調諧。因此，本發明實現在植物生長的光形態形成控制方面的出乎意外的改良及植物（310、311）生產方面的進一步改良。本發明對于已具有舊版LED系統的溫室尤其有利。這些LED系統通常可以通過添加本發明的量子點陣列以獲得本發明的照明方案就可進行升級。【專利說明】增強溫室光線的方法與裝置【
技術領域：
】[0001]本發明涉及一種產生供植物栽培用的人造光的改良方法。更具體而言，本發明涉及一種具有半導體光發射方案的照明裝置，所述半導體光發射方案具有波長上轉換特征且適用于溫室環境中植物栽培。【
背景技術：
】[0002]僅約50%到達地面的輻射為光合作用有效輻射(PAR)。PAR被解釋為包含介于電磁波譜300nm與800nm之間的波長范圍。光合作用以及光周期性、向光性及光形態形成是與輻射與植物之間相互作用有關的四個代表性過程。以下表達式示出光合作用的簡化的化學方程式:[0003]6H20+6C02(+光子能)-*C6H1206+602。[0004]圖1A中示出了最常見光合及光形態形成感光器(諸如葉綠素a(chlorophylla)、葉綠素b(chlorophyllb)及β胡蘿卜素(betacarotene)以及植物色素(phytochrome)的兩種可互相轉換的形式(Pfr及Pr))的典型吸收光譜。[0005]與光合作用相反，光形態形成反應可以極低的光量達成。不同類型的光合及光形態形成感光器可分為至少三組已知光系統:光合、植物色素及隱花色素(cryptochrome)或藍/UV-A(紫外線A)。[0006]在光合光系統中,存在的色素為葉綠素及類胡蘿卜素(carotenoid)。葉綠素位于處于植物葉葉肉細胞中的葉綠體的類囊體中。輻射的數量或能量為最顯著方面，因為這些色素的活性與光采集緊密相關。葉綠素的兩個最主要的吸收峰分別位于625nm至675nm及425nm至475nm的紅區及藍區中。另外，也存在近UV區(300nm至400nm)及遠紅外區(700nm至800nm)處的其他局部峰。類胡蘿卜素(諸如葉黃素(xanthophyll)及胡蘿卜素)位于植物細胞上的有色體質體細胞器中且主要在藍區中吸收。[0007]植物色素光系統包括植物色素的兩種可互相轉換的形式Pr及Pfr，其分別在660nm下紅光及730nm下遠紅外光中具有其敏感峰。由植物色素介導的光形態形成反應通常與經由紅光(R)/遠紅外光(FR)比率(R/FR)感測光品質有關。植物色素的重要性可通過其所涉及的不同生理性反應(諸如展葉、相鄰感知(neighbourperception)、避蔭、莖伸長、種子發芽及開花誘導)來評估。盡管避蔭反應通常由植物色素經感測R/FR比率來控制，然而藍光及PAR水平也與相關適應性形態反應有關。[0008]藍光及UV-A(紫外線A)敏感性感光器可見于隱花色素光系統。吸收藍光的色素包括隱花色素及向光素(Phototropin)兩者。它們涉及數種不同任務，諸如監測光的品質、數量、方向及周期性。藍光及UV-A敏感性感光器的不同群組介導重要形態學反應，諸如內源性節律、器官定向、莖伸長及氣孔開放、發芽、展葉、根生長及向光性。向光素調節色素含量以及光合器官及細胞器的定位以便優化光采集及光抑制。如同曝露于連續遠紅外輻射一樣，藍光也經由隱花色素感光器的介導而促進開花。此外，藍光敏感性感光器(例如黃素(flavin)及類胡蘿卜素)也對近紫外線輻射敏感，其中在約370nm下可發現局部敏感峰。[0009]隱花色素不僅為所有植物物種所共有。隱花色素介導多種光反應，包括導致開花植物(諸如擬南芥(Arabidopsis))中的晝夜節律。盡管低于300nm波長的福射可對分子的化學鍵及DNA結構高度有害，然而植物也吸收該區域內的輻射。PAR區域內的輻射品質可能對降低UV輻射的破壞作用較為重要。這些感光器被研究最多且因此已相當熟知它們在控制光合作用及生長方面的作用。然而，有證據表明存在其他感光器，其活性可能在介導植物的重要生理性反應方面具有重要作用。另外，并不充分了解感受器的某些群組之間的相互作用以及相互依賴性。[0010]許多植物可借助于溫室栽培利用人造光在與其天然生境不同的地理位置中生長。從Zukauskas等人的W02010/053341A1中已知發光二極管(LED)可與磷光體轉換一起使用以滿足植物的一些光形態形成需要。磷光體轉換運作以致存在發射短波長的諸如LED的光，其接近于吸收及再發射較長波長的輻射的磷光體組分。由此，可調諧照明裝置的聚集體發射光譜，以致向植物提供的光子允許植物以特定方式生長，例如滿足某些形態學目的(諸如莖高度)。此處引用該文獻作為參考。[0011]發光二極管(LED)日漸普及。LED所用的特有新結構為量子點，S卩，激子受限于全部三個空間維度的半導體。在論述包含量子點的多量子阱結構(MQW)的W02009/048425中已建議使用量子點以舍棄磷光體。根據該公布，MQW結構可用來制造基于氮化物的無磷光體紅光及白光LED。此處也引用該文獻作為參考。[0012]現有技術有大量缺點。現有技術LED及磷光體配置不允許對發射光譜進行足夠高的解析調諧。現有技術MQW及量子點照明裝置主要關注于替代對園藝家鮮有幫助的不利結構特征(諸如磷)。[0013]十分明顯地，需要不僅僅替代不期望的技術特征(B卩，還增強栽培生產力)的更復雜的植物照明技術。【
發明內容】[0014]所研究的本發明涉及一種用量子點有效上轉換LED發射來產生供植物栽培用的最佳化光譜的系統及方法。[0015]本發明的另一目的為提供一種用量子點有效上轉換LED發射來產生用于溫室環境中的植物栽培的最佳化光譜的系統及方法，在溫室環境中需要用本發明的人造光補充過濾的日光。[0016]在本發明的一個方面中，量子受限以量子點的形式實現(B卩，受限于全部三個空間維度中)或實際上以多個量子點的形式實現。除使用量子點之外，量子線(2-D空間受限)及量子阱(1-D空間受限)在一些實施方式中可用于例如通過替代來自所述實施方式的一個或多個量子點來實施本發明。[0017]根據本發明的一個方面，至少一個常規LED被配置成照明不同尺寸的量子點。在量子點中，尺寸與發射能量負相關，即，較小量子點發射較聞能量。量子點被配置成吸收由LED發射的光子，且隨后再發射較長波長的光子。在本發明的一個方面中，量子點的尺寸分布經選擇以致其與LED—起產生聚集體發射光譜，所述聚集體發射光譜對用所述LED及量子點組合發射的人造光培養的植物產生有利的光形態形成效應。[0018]本發明的目的為消除與現有技術有關的至少一部分問題且提供一種以組合形式使用LED及作為所述LED的上轉換器的量子點來促進植物生長的新方式。[0019]本發明的第一目的為提供一種光合作用過程充分響應的基于單一光發射源的LED及量子點裝置。[0020]本發明的第二目的為提供一種基于光合作用光子通量(PPF)優化的LED及量子點裝置的用于溫室栽培的照明器具。[0021]本發明的第三目的為獲得一種LED及量子點裝置，其提供300nm至SOOnm波長范圍內的至少兩個發射峰且所述發射峰中至少一個具有至少50nm以上的半高寬(FWHM)。[0022]本發明的第四目的為提供一種基于LED及量子點的溫室栽培照明器具，其中兩種發射頻率(300nm至500nm及600nm至800nm)的發射強度比在10，000小時操作期間減少小于20%ο[0023]本發明的第五目的為提供一種技術方案，其與由溫室栽培中通常所用的常規高壓鈉燈或LED燈所獲得的每瓦特PPF值相比提供更好的每瓦特PPF值(B卩，PPF相對于所用功率瓦特數)，且因此為溫室栽培過程及其中所用的人工照明提供能量有效光源。[0024]本發明的第六目的為提供一種單一光發射源，其中在300nm至500nm頻率的發射由半導體LED芯片產生，并且在600nm至800nm頻率的發射使用上轉換量子點芯片產生。本發明人已發現例如黃瓜及萵苣植物在用包括遠紅外光(700nm至800nm)的本發明園藝光照明時達到更大的長度和/或質量。[0025]本發明的第七目的為提供一種單一光發射源，其中在300nm至500nm頻率的發射由半導體LED芯片產生，并且在600nm至800nm頻率的發射使用量子點芯片產生，所述單一光發射源部分由電流驅動以供光發射用或完全作為所述LED芯片的波長上轉換器進行操作。通過使用鄰近LED芯片發射源的一個或多個波長上轉換量子點來獲得用于產生600nm至800nm輻射的波長上轉換。[0026]在該申請中，“上轉換(up-conversion)”被解釋為使入射吸收光的波長變為更長波長的發射光。[0027]本發明的第八目的為提供半導體LED芯片福射的400nm至500nm、600nm至800nm或兩種頻率范圍的部分或完全波長上轉換，所述芯片在300nm至500nm范圍的發射范圍下發射。波長上轉換通過使用有機、無機或兩種類型材料組合的量子點來實現。[0028]本發明的第九目的為使用供上轉換用的納米尺寸粒子材料來提供波長上轉換。[0029]本發明的第十目的為使用供上轉換用的分子樣材料來提供波長上轉換。[0030]本發明的第十一目的為使用聚合材料來提供波長上轉換，其中上轉換材料以共價方式鍵合至聚合物基質以提供波長上轉換。[0031]本發明的第十二目的為提供一種基于LED及量子點的照明器具，其中光譜帶500nm至600nm受抑制。在該受抑制譜帶中，幾乎無發射或完全無發射，或在任何情況下其發射比相鄰譜帶400nm至500nm、600nm至700nm中任一個的發射少。該抑制可根據本發明通過在譜帶400nm至500nm中無任何或僅少量初級發射且通過確保任何上轉換均引起使波長偏移超出600nm的波長偏移來達成。通常已知綠色植物無法利用綠光(500nm至600nm)輻射以及相鄰譜帶中的輻射，因為該輻射僅從植物反射而不被吸收用于光合轉換。[0032]本發明的第十三目的為提供一種基于LED及量子點的照明器具，其通過提供所需遠紅外光使植物的合成代謝生長最大化，而其使從植物栽培觀點來看為浪費能量的輻射綠光最小化。在本發明一個方面中，該目的通過藍色LED光發射體與波長上轉換量子點裝置一起來實現，所述波長上轉換量子點裝置將一部分發射的藍光(300nm至500nm)上轉換為寬的紅光光譜分量(600nm至800nm)，所述寬的紅光光譜分量具有遠紅外光分量，但省去和/或最小化綠光分量(500nm至600nm)。[0033]本發明提供適用于溫室栽培的LED及量子點及相關照明器具。根據本發明，LED及量子點均具有特定發射頻率模式，即，其具有至少兩種光譜特性；一種特性為發射峰具有至少50nm以上的半高寬且具有在600nm至700nm范圍內的峰波長，且第二光譜特性具有低于500nm范圍的峰波長。LED及量子點的發射峰與植物光合作用響應光譜充分匹配，且因此尤其適用于高效率的人工照明。[0034]以針對所述受影響的光形態形成變量使發射光譜最優化的LED及量子點尺寸分布來實現本發明的某些或所有前述優點，所述受影響的光形態形成變量可為以下生物參數中的任一個:植物在不同時間點或采收成熟時的重量、葉數、根質量、莖高度、化學組成(諸如維生素、礦物質、和/或營養成分含量和/或濃度)。[0035]包含LED的用于植物栽培的照明裝置為根據本發明且其特征在于所述照明裝置包含不同尺寸的多個量子點，所述多個量子點被配置成將LED光上轉換為更長波長。[0036]用于植物栽培的照明方法為根據本發明且包含用至少一個LED照明植物及量子點的步驟且其特征在于:[0037]-光由不同尺寸的多個量子點所吸收，[0038]-光由不同尺寸的多個量子點在比所吸收的輻射長的波長下發射。[0039]用于植物栽培的照明方法為根據本發明且包含以下步驟:[0040]-用至少一個LED照明至少一個植物及不同尺寸的多個量子點，[0041]-光由所述不同尺寸的多個量子點所吸收，[0042]-光由所述不同尺寸的多個量子點在比所吸收的輻射長的波長下發射。[0043]溫室和/或生長箱照明裝置為根據本發明且其特征在于所述照明裝置包含至少一個量子點及至少一個LED。[0044]園藝照明器具為根據本發明且包含至少一個量子點及至少一個LED，所述LED具有以下特性:[0045]a)包括在600nm至700nm波長范圍內的峰且被配置成顯示出至少50nm以上的半高寬的第一光譜特性；[0046]b)具有最大50nm半高寬且被配置成顯不出在440nm至500nm范圍內的峰波長的第二光譜特性，及[0047]c)在600nm至800nm頻率的全部或一部分發射是利用至少一個量子點對LED芯片輻射功率進行全部或部分波長上轉換來產生的。[0048]園藝照明器具為根據本發明且包含至少一個LED及至少一個量子點，所述量子點被配置成上轉換來自所述LED的發射輻射，所述LED具有以下特性:[0049]a)包括在600nm至700nm波長范圍內的峰且被配置成顯示出至少50nm以上的半高寬的第一光譜特性；[0050]b)具有最大50nm半高寬且被配置成顯不出在440nm至500nm范圍內的峰波長的第二光譜特性，及[0051]c)在500nm至600nm波長的至少一部分或全部發射被配置成最小化和/或省去和/或減少至低于400nm至500nm譜帶中的強度且低于600nm至700nm譜帶中的強度。[0052]前五段中任一段的照明裝置或照明器具的用途為根據本發明，為至少一個植物提供光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。類似地，前五段的增強植物生長的方法為根據本發明，其中至少一個照明裝置或照明器具向至少一個植物發射光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。[0053]一種園藝光的發光部件，其包含:[0054]-發光二極管(LED)半導體芯片；及[0055]-直接鄰近所述LED芯片沉積的光波長上轉換量子點；[0056]所述部件能夠發射兩個特征性光發射峰，且[0057]在500nm至600nm波長的至少一部分或全部發射被配置成最小化和/或省去和/或減少至低于400nm至500nm譜帶中的強度且低于600nm至700nm譜帶中的強度。[0058]前述段落的發光部件的用途為根據本發明，為至少一個植物提供光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。類似地，增強植物生長的方法為根據本發明，其中至少一個前述段落的發光部件向至少一個植物發射光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。[0059]本發明的基于LED發射體及量子點上轉換器的實施允許對發射光譜進行極精細的光譜調諧，且因此允許在依賴人造光的植物栽培方面獲得極佳能量效率及改良的光形態形成控制。該優勢在使用僅用于上轉換的極精細分布量子點時甚至更顯著，因為由其提供的光譜調諧優于常規LED。另外，收獲物的品質被本發明的照明裝置顯著改良且由此帶來與暗生長箱或環境光極有限的箱中的栽培有關的多種優勢:首先，植物可更接近于消費場所生長，例如在大城市的住宅地下室中，從而消除運輸成本。其次，植物可在傳統上不可能發生農業生產的地形中生長，例如夏季熱沙漠條件。第三，由于植物的品質被改良，故個體植物之間的一致性也被改良，這使收獲更容易。這是因為存在較少的不合格個體且基于機器視覺的收獲設備可在植物具有一致品質、尺寸及顏色時較好地將其識別。第四，植物的性質可以以受控方式改變，因為幾乎所有的生長參數均在控制之中，這在栽培花及觀賞植物時尤其有利。第五，植物的每日恒定光子劑量有助于營養成分的施用，因為營養成分劑量可維持全年相同。第六，在極熱及陽光充足地形中，植物可在反射日光的暗的不透明生長箱中生長。本發明的人工照明中所耗用能量與空氣調節或冷卻日光下植物所消耗的能量相比少得多。[0060]應注意暗腔室被解釋為具有零或較低水平的日光和/或環境光且無發射光子的本發明人造光源的光受限空間，但所述腔室可為任何尺寸，顯微級微小、花盆尺寸、IOm2住宅/商業地下室、運輸貨柜、足球場尺寸(例如足球運動場的地下室)和/或20層摩天樓(其中充足蔬菜生長在一層或多層供整個城市用)。[0061]此外且參照前述產生優勢的實施方式，認為本發明的最佳模式為具有藍色LED及上轉換二元合金量子點的照明裝置，所述量子點通過膠體法制備以產生量子點尺寸分布，產生與光合作用有效輻射(PAR)光譜類似的發射光譜但所述發射光譜省去黃綠光(500nm至600nm)或在黃綠光(500nm至600nm)中提供極低強度且包含遠紅外光700nm至800nm譜帶中的高強度光譜特征。【專利附圖】【附圖說明】[0062]在下文中，將根據隨附圖參照示例性實施方式更詳細地描述本發明。[0063]圖1A示出綠色植物中最常見光合作用及光形態形成感光器的相對吸收光譜。[0064]圖1B以方塊圖的形式示出本發明照明裝置的實施方式10。[0065]圖2以流程圖的形式示出根據本發明的照明方法的實施方式20。[0066]圖3以方塊圖的形式示出本發明照明裝置用途的實施方式30及31。[0067]圖4示出根據本發明的具有第一單一光發射源LED及量子點裝置的發射峰的實施方式40。[0068]圖5示出根據本發明的具有第二單一光發射源LED及量子點裝置的發射峰的實施方式50。[0069]圖6示出根據本發明的具有第三單一光發射源LED及量子點裝置的發射峰的實施方式60。[0070]圖7示出根據本發明的具有第四單一光發射源LED及量子點裝置的發射峰的實施方式70。[0071]圖8示出根據本發明的具有已經發現使植物生物質最大化的光譜的實施方式80。[0072]一些實施方式被描述在從屬權利要求中。【具體實施方式】[0073]圖1示出包含不同尺寸的多個量子點110、120、130、140、150及160的照明裝置100。量子點的尺寸分布包含在2nm至200nm范圍內的不同尺寸的量子點，即，量子點110典型地具有200nm的直徑且量子點160具有約2nm的直徑。照明裝置典型地也包含LEDlOl，其優選為藍色或具有一些其他較短波長。[0074]隨著LEDlOl發光，一些發射的光子被量子點110、120、130、140、150及160所吸收。隨著光子被吸收，量子點110、120、130、140、150及160中的電子被激發至較高能態。隨后，這些電子通過發射能量等于較高能態與較低能態之間差值的一個或多個光子而從所述較高能態弛豫至較低能態。[0075]在一些實施方式中，量子點150、160被配置成透射在25011111至40011111范圍內的—/藍光或被完全移除，量子點140及130被配置成透射400nm至600nm綠光和/或黃光或被完全移除，且量子點120被配置成透射600nm至700nm紅光，且量子點110被配置成透射在700nm至800nm譜帶中的遠紅外光。[0076]在一些實施方式中，改變特定尺寸的量子點110、120、130、140、150及160的相對發射強度及數目以產生與光合作用有效輻射(PAR)光譜類似和/或相同的與LEDlOl發射光譜合并的聚集體發射光譜。甚至更優選地，所述類似于PAR的發射光譜省去黃綠光(500nm至600nm)或在黃綠光(500nm至600nm)中提供極低強度且包含在遠紅外光700nm至800nm譜帶中的高強度光譜特征。[0077]在一些實施方式中，量子點110、120、130、140、150及160中的全部或一些典型地由以下合金中的任一種制成:硒化鎘、硫化鎘、砷化銦、磷化銦和/或硫硒化鎘。[0078]應注意，在更詳細描述的實施方式中，選擇至少一個所述量子點110、120、130、140、150和/或160的尺寸以致所述量子點于在植物中具有特定光形態形成效應的譜帶中產生光子發射。在本發明的一些實施方式中，所述受影響的光形態形成變量可為以下生物參數中的任一個:植物在不同時間點或采收成熟時的重量、葉數、根質量、莖高度、化學組成(諸如維生素、礦物質、和/或營養成分含量和/或濃度)。[0079]在一些實施方式中，至少一個所述量子點110、120、130、140、150和/或160通過膠體合成法產生。在膠體合成法中，膠狀半導體納米晶體從溶解于溶液中的前體化合物合成，更像傳統化學方法。膠體量子點的合成典型地基于由前體、有機表面活性劑及溶劑組成的三組分系統。將反應介質加熱至足夠高溫，且前體以化學方式轉化成單體。一旦單體達到足夠高的過飽和水平，納米晶體生長即以成核過程開始。在一些實施方式中，生長過程期間的溫度為決定納米晶體生長的最佳條件的關鍵因素之一。溫度典型地足夠高至允許原子在合成過程期間重排及退火，同時足夠低至促進晶體生長。在一些實施方式中，納米晶體生長期間受到控制的另一關鍵因素為單體濃度。[0080]納米晶體的生長過程可以兩種不同方式發生，其可描述為“聚焦(focusing)”及“散焦(defocusing)”。在高單體濃度下，臨界尺寸(納米晶體既不生長也不縮減的尺寸)相對較小，引起幾乎所有粒子的生長。在該方式中，較小粒子比大粒子生長更快，因為較大晶體與小晶體相比需要更多原子來生長，并且這引起尺寸分布的“聚焦”以得到幾乎單分散的粒子。尺寸聚焦典型地在保持單體濃度使得存在的平均納米晶體尺寸始終略大于臨界尺寸時最優。當單體濃度在生長期間降低時，臨界尺寸變得大于所存在的平均尺寸，且分布因奧氏熟化(Ostwaldripening)而“散焦”。[0081]存在產生許多不同半導體的膠體法。本發明的典型的點由二元合金制成，諸如硒化鎘、硫化鎘、砷化銦及磷化銦。不過，在本發明的一些實施方式中，點也可由三元合金制成，諸如硫硒化鎘。這些量子點在量子點體積內可含有低至100至100，000個原子，具有10至50個原子的直徑。這相當于約2納米至10納米。[0082]根據本發明利用不同的膠體合成法或其他方法來產生量子點的不同群體，且隨后將所述群體與一個或多個LED組合，得到提供優選用于植物栽培的所需總發射光譜的尺寸分布。[0083]另外也應注意，實施方式10可易于與實施方式20、30、31、40、50、60、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0084]圖2示出本發明的照明裝置例如在溫室環境中的操作。在階段200中，光發射從LED導向至少一個植物及至少一個量子點。[0085]在階段210中，量子點吸收光子，所述光子典型地為已由LED發射且具有250nm至400nm范圍內的波長的光子。在階段220中，該光子將量子點中的電子激發至較高能態。[0086]在階段230及240中，隨著電子弛豫至較低能態，其發射波長由激發態與弛豫態之間能差決定的光子。這些發射的光子與未吸收的LED光子一起直接在植物處終結，且產生從照明裝置透射的發射光譜。[0087]在一些實施方式中，250nm至400nm范圍內的UV/藍光、400nm至600nm范圍內的綠光和/或黃光、600nm至700nm紅光和/或在700nm至800nm譜帶中的遠紅外光由本發明方法中的至少一個LED及至少一個不同尺寸的量子點發射。在本發明的一些實施方式中，典型地，較大量子點發射較長波長的紅光且較小量子點及LED發射較短波長的藍光。因此，在優選的波長上轉換實施方式中，至少一個LED透射在250nm至400nm范圍內的UV/藍光，且主要存在吸收全部或部分所述250nm至400nm波長光子且發射在400nm至600nm范圍中的光、紅光600nm至700nm和/或在700nm至800nm譜帶中的遠紅外光的與LED相關聯的較大量子點。[0088]另外也應注意，實施方式20可易于與實施方式10、30、31、40、50、60、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0089]圖3示出本發明人工溫室照明裝置及方法的不同使用布置實施方式30及31。在一個實施方式30中，植物311被栽培在具有透明壁301的溫室地面上。具有LED及多個量子點的照明裝置322位于由其所發射的光子可以以最大發射通量到達盡可能多的植物311的位置。在一些實施方式中，照明裝置的發射光譜350經調節以補充自然光光譜(B卩，透射穿過壁301的日光)。在一些實施方式中，根據本發明，照明裝置322可包含被配置成透射那些被溫室壁濾過和/或減弱的波長的LED及量子點。[0090]在實施方式31中，待栽培的植物被堆疊于溫室300的生長箱360中。在一些實施方式中，各生長箱均具有照明裝置321。即使植物被堆疊于透明生長箱中，與實施方式30中相比也存在日光的較大減少和/或減弱，因為一些光子需要透射穿過一個以上透明壁。因此，具有至少一個LED及量子點的照明裝置321典型地補充如上多次透射的自然光光譜，或在不透明箱的情況下向植物310提供全部光輻射。在一些實施方式中，同時存在生長箱專用照明裝置及由一個或多個生長箱360中的一種以上植物共享的至少一個照明裝置320。[0091]在一些實施方式中，至少一個LED及量子點被配置成產生在與透射光譜340合并時與光合作用有效輻射(PAR)光譜類似的發射光譜。甚至更優選地，光譜340與PAR光譜類似但省去黃綠光(500nm至600nm)或在黃綠光(500nm至600nm)中提供極低強度且包含在遠紅外光700nm至800nm譜帶中的高強度光譜特征。在一些實施方式中,選擇照明裝置中至少一個LED和/或量子點以致其發射光子光譜中某一譜帶的光子，所述譜帶在植物中具有特定光形態形成效應。所述受影響的光形態形成變量可為以下生物參數中的任一個:植物310、311在不同時間點或采收成熟時的重量、葉數、根質量、莖高度、化學組成(諸如維生素、礦物質、和/或營養成分含量和/或濃度)。[0092]實施方式30、31也適合于在任何程度的不透明或透明生長箱360的情況下實施。[0093]另外也應注意，實施方式30及31可易于彼此和/或與實施方式10、20、40、50、60、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0094]在圖4中，半導體LED芯片發射頻率在457nm波長下到達最高點，其中發射峰半高寬(FWHM)為25nm。在該情形中，波長上轉換通過使用兩種量子點上轉換材料來完成。這兩種波長上轉換材料在660nm及604nm下具有單獨的發射峰。圖4示出在651nm波長下到達最高點且發射峰FWHM為IOlnm的來自這兩種波長上轉換材料的合并的發射峰。在該情形中，約40%(從峰強度計算得到)半導體LED芯片發射被兩種單獨的上轉換量子點材料上轉換為65Inm發射。[0095]應注意光譜40可與常規LED—起使用及實施。根據本發明，光譜40可通過組合形式的至少一個量子點及至少一個LED來實施。光譜40尤其適合用于在暗生長腔室或具有低水平環境光的腔室中照明至少一個植物。[0096]另外也應注意，實施方式40可易于與實施方式10、20、30、31、50、60、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0097]在圖5中，半導體LED芯片發射頻率在470nm波長下到達最高點，其中發射峰半高寬(FWHM)為30nm。在該情形中，波長上轉換通過使用兩種量子點上轉換材料來完成。這兩種波長上轉換材料在660nm及604nm下具有單獨的發射峰。圖5示出在660nm波長下到達最高點且發射峰FWHM為105nm的來自這兩種波長上轉換材料的合并的發射峰。在該情形中，約60%(從峰強度計算得到)半導體LED芯片發射被兩種單獨的量子點“上轉換”材料上轉換為660nm發射。[0098]應注意光譜50可與常規LED—起使用及實施。根據本發明，光譜50也可通過組合形式的至少一個量子點及至少一個LED來實施。光譜50尤其適合用于在暗生長腔室或具有低水平環境光的腔室中照明至少一個植物。[0099]另外也應注意，實施方式50可易于與實施方式10、20、30、31、40、60、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0100]在圖6中，半導體LED芯片發射頻率在452nm波長下到達最高點，其中發射峰半高寬(FWHM)為25nm(圖6中未示出)。在該情形中，波長上轉換通過使用一種上轉換量子點材料來完成。圖6示出在658nm波長下到達最高點且發射峰FWHM為80nm的來自該上轉換材料的發射峰。在該情形中，約100%(從峰強度計算得到)半導體LED芯片發射被量子點上轉換材料上轉換為658nm發射。這可從圖6注意到，因為無452nm發射離開LED及量子點裝置。[0101]應注意光譜60可與常規LED—起使用及實施。根據本發明，光譜60也可通過組合形式的至少一個量子點及至少一個LED來實施。光譜60尤其適合用于在暗生長腔室或具有低水平環境光的腔室中照明至少一個植物。[0102]另外也應注意，實施方式60可易于與實施方式10、20、30、31、40、50、70和/或80中的任一個置換和/或組合。[0103]在圖7中，半導體LED芯片發射頻率在452nm波長處到達最高點，其中發射峰半高寬(FWHM)為25nm。在該情形中，波長上轉換通過使用一種上轉換量子點材料來完成。圖7示出在602nm波長下到達最高點且發射峰FWHM為78nm的來自該上轉換材料的發射峰。在該情形中，約95%(從峰強度計算得到)半導體LED芯片發射被波長上轉換量子點材料上轉換為602nm發射。[0104]應注意光譜70可與常規LED—起使用及實施。根據本發明，光譜70也可通過組合形式的至少一個量子點及至少一個LED來實施。光譜70尤其適合用于在暗生長腔室或具有低水平環境光的腔室中照明至少一個植物。[0105]另外也應注意，實施方式70可易于與實施方式10、20、30、31、40、50、60和/或80中的任一個置換和/或組合。[0106]圖8示出使植物中生物質產生最大化的最佳化光譜80。最佳化光譜優選用本申請中所述的本發明照明裝置來產生。光譜80在生長箱栽培中具有特殊優勢，其中所述生長箱為暗箱，g卩，具有零或低水平日光和/或環境光。根據本發明，產生光譜80的本發明照明裝置可被置于所述箱中且使生物質產生最大化。本發明人已通過實驗發現光譜80的生物質最大化特征。[0107]另外也應注意，實施方式80可易于與實施方式10、20、30、31、40、50、60和/或70中的任一個置換和/或組合。[0108]所用LED及上轉換量子點材料及尺寸應以從LED及量子點裝置獲得所需發射光譜的方式進行選擇。[0109]概括而言，通過調諧LED波長、LED光譜及強度、量子點種類和/或量子點尺寸分布，有可能從LED及量子點裝置調諧所需發射光譜，且通過調諧量子點數目，有可能調諧組合的LED及量子點裝置的所需上轉換量子點芯片發射數量/量。[0110]本發明還涉及一種促進植物生長的照明器具，其包含至少一個上轉換量子點，所述量子點具有包括在600nm至700nm波長范圍內的峰的光譜特性。[0111]通過使用該方法，光源可被設計成在與現有技術相比時達到優異的PPF及每瓦特PPF效率及性能及極低功率消耗及極長操作壽命。[0112]在一些實施方式中，在300nm至500nm頻率的發射由半導體LED芯片產生且在400nm至800nm頻率的發射是利用LED芯片輻射功率的完全或部分波長上轉換來產生的。部分波長上轉換可被選擇成在5%至95%、優選35%至65%的半導體LED芯片輻射范圍內。在一些實施方式中，產生400nm至800nm輻射的波長上轉換通過使用鄰近LED發射源的一種或多種量子點上轉換材料來達成。[0113]在本申請中，上文中的“可調節(adjustable)”峰波長被解釋為可在于工廠裝配照明器具期間調節的峰波長和/或如在用于現場峰波長調節的照明器具中的可調度盤中也“可調節”。此外，在裝置制造過程期間調節LED和/或量子點的峰波長也根據本發明，且“可調節”應解釋為也包括在LED和/或量子點制造過程期間作出的調節。可調節峰波長的所有前述實施方式或任何其他可調節光源或LED和/或量子點變量均在本專利申請的范疇內。[0114]在本發明的一個特殊示例性實施方式中，具有6.6nm平均粒子尺寸及約+/-0.5nm粒子尺寸分布的CdSe-ZnS(核-殼)量子點納米粒子與雙組分硅氧烷密封劑樹脂一起混合。混合比率為硅氧烷樹脂中含0.2重量％納米粒子。含有納米粒子的樹脂被作為密封劑分配至塑膠引線芯片載體(PLCC)中，組成PLCC腔室中的InGaN發光二極管。發光二極管經測定在450nm波長范圍下具有電致發光發射。[0115]將具有含納米粒子的密封劑材料的含有InGaN的PLCC包裝連接至正向電壓為3.2V且電流為350mA的DC電壓電源。裝置光學發射光譜被表征為引起兩個發射峰，一個在450nm波長范圍下且第二個在660nm波長范圍下。觀察到660nm波長范圍發射峰的半高寬超過約60nm。450nm與660nm峰的強度比為0.5:1。前述實驗已由申請人:進行。[0116]根據本發明，在一個燈具中包括具有不同發射峰的LED及量子點，且控制這些LED及量子點以便提供所需光譜發射以獲得確定的生長結果或生理反應。以該方式，照明系統將允許對照明強度及光譜進行多樣化控制。最終，其他非生物參數(諸如CO2濃度、溫度、晝光可用性及濕度)的控制可與照明一起整合在同一控制系統內，優化作物生產力且全面管理溫室。[0117]上文已參照前述實施方式解釋本發明且已示出數種商業及工業優勢。本發明的方法及配置允許對植物栽培中所用光的發射光譜進行更精確光譜調諧。因此，本發明實現在植物生長的光形態形成控制方面的出乎意外的改良及在植物生產方面的進一步改良。本發明也顯著改良依賴人造光的植物栽培的能量效率。另外，收獲物的品質被本發明的照明裝置顯著改良且由此帶來與暗生長箱或環境光極有限的箱中的栽培有關的多種優勢:首先，植物可更接近于消費場所生長，例如在大城市的住宅地下室中，從而消除運輸成本。其次，植物可在傳統上不可能發生農業生產的地形中生長，例如夏季熱沙漠條件。第三，由于植物的品質被改良，故個體植物之間的一致性也被改良，這使收獲更容易。這是因為存在較少的不合格個體且基于機器視覺的收獲設備可在植物具有一致品質、尺寸及顏色時較好地將其識別。第四，植物的性質可以以受控方式改變，因為幾乎所有的生長參數均在控制之中，這在栽培花及觀賞植物時尤其有利。第五，植物的每日恒定光子劑量有助于營養成分的施用，因為營養成分劑量可維持全年相同。第六，在極熱及陽光充足地形中，植物可在反射日光的不透明生長箱中生長。根據本發明的植物人工照明中所耗用能量與空氣調節或冷卻日光下植物所消耗的能量相比少得多。本發明對于已具有舊版LED系統的溫室尤其有利。這些LED系統通常通過添加本發明的量子點陣列以獲得本發明的照明方案就可進行升級。[0118]上文已參照前述實施方式解釋本發明。然而，本發明顯然不僅局限于這些實施方式，而且包含在本發明構思及專利權利要求的精神及范疇內的所有可能實施方式。[0119]參考文獻[0120]W02010/053341A1,“用于滿足植物的光形態形成需要的磷光體轉換發光二極管(Phosphorconversionlight-emittingdiodeformeetingphotomorphogeneticneedsofplants)”，Zukauskas等人，2010。[0121]W02009/048425A1，“制造基于氮化物的無磷光體紅光及白光LED(FabricationofPhosphorfreeredandwhitenitride-basedLEDs)，，，Soh等人，2009。【權利要求】1.一種用于植物栽培的照明裝置，其包含至少一個LED(101)，其特征在于所述照明裝置(100)包含不同尺寸的多個量子點(110、120、130、140、150、160)，所述多個量子點被配置成將LED光上轉換為較長波長。2.權利要求1的照明裝置，其特征在于所述至少一個LED(101)，及所述多個量子(110、120、130、140、150、160)點的尺寸分布被配置成產生與光合作用有效輻射(PAR)光譜類似的聚集體發射光譜，除了所述發射光譜被配置成省去黃綠光(500-600)nm或提供極低強度的黃綠光(500-600)nm且包含在遠紅外光700nm至800nm譜帶中的高強度光譜特征。3.權利要求1的照明裝置，其特征在于至少一個所述量子點(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使所述量子點被配置成吸收光子且發射光子至在植物(310、311)中具有特定光形態形成效應的光子光譜中的譜帶。4.權利要求4的照明裝置，其特征在于所述實現的光形態形成變量為以下生物參數中的任一個:植物(310、311)在不同時間點或采收成熟時的重量、葉數、根質量、莖高度、化學組成(諸如維生素、礦物質和/或營養成分含量和/或濃度)。5.權利要求1的照明裝置，其特征在于所述量子點(110、120、130、140、150、160)中至少一個由以下合金中的任一種制成:硒化鎘、硫化鎘、砷化銦、磷化銦和/或硫硒化鎘。6.權利要求1的照明裝置，其特征在于量子點(110、120、130、140、150、160)的所述尺寸分布包含在Inm至20nm范圍內的不同尺寸的量子點。7.權利要求1的照明裝置，其特征在于至少一個所述量子點(110、120、130、140、150、160)通過膠體合成法產生。8.權利要求1的照明裝置，其特征在于至少一個量子點(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使其在紅光或遠紅外光600nm至800nm譜帶中發射。9.一種用于植物栽培的照明方法，其包含以下步驟:用至少一個LED(101)照明至少一個植物(310、311)及不同尺寸的多個量子點(110、120、130、140、150、160),光由所述不同尺寸的多個量子點(110、120、130、140、150、160)吸收，光由所述不同尺寸的多個量子點(110、120、130、140、150、160)在比吸收輻射長的波長下發射。10.權利要求9的照明方法，其特征在于所述多個量子點(110、120、130、140、150、160)的尺寸分布及所述至少一個LED(101)產生與光合作用有效輻射(PAR)光譜類似的聚集體發射光譜，除了所述發射光譜省去黃綠光(500-600)nm或提供極低強度的黃綠光(500-600)nm且包含在紅光及遠紅外光600nm至800nm譜帶中的高強度光譜特征。11.權利要求9的照明方法，其特征在于至少一個所述量子點(110、120、130、140、150、160)的尺寸經選擇以致產生對植物(310、311)具有特定光形態形成效應的光子光譜中的具有預先設定的相對強度的譜帶或多種譜帶的光子發射。12.權利要求11的照明方法，其特征在于所述實現的的光形態形成變量為以下生物參數中的任一個:植物(310、311)在不同時間點或采收成熟時的重量、葉數、根質量、莖高度、化學組成(諸如維生素、礦物質和/或營養成分含量和/或濃度)。13.權利要求9的照明方法，其特征在于所述量子點(110、120、130、140、150、160)中至少一個由以下合金中的任一種制成:硒化鎘、硫化鎘、砷化銦、磷化銦和/或硫硒化鎘。14.權利要求9的照明方法，其特征在于所述量子點(110、120、130、140、150、160)中至少一個為核-殼量子點且由以下合金中的任一種制成:硒化鎘、硫化鎘、砷化銦、磷化銦和/或硫硒化鎘。15.權利要求9的照明方法，其特征在于量子點(110、120、130、140、150、160)的所述尺寸分布包含在Inm至20nm范圍內的不同尺寸的量子點。16.權利要求9的照明方法，其特征在于至少一個所述量子點(110、120、130、140、150、160)通過膠體合成法產生。17.權利要求9的照明方法，其特征在于至少一個量子點(110、120、130、140、150、160)的尺寸被配置成使所述量子點在紅光及遠紅外光600nm至SOOnm譜帶中發射。18.一種溫室照明裝置，其特征在于所述照明裝置包含至少一個量子點(110、120、130、140、150、160)及至少一個LED(101)。19.一種園藝照明器具，其包含至少一個量子點及至少一個LED，所述LED具有以下特性:a)包括在600nm至700nm波長范圍內的峰且被配置成顯示出至少50nm以上的半高寬的第一光譜特性；b)具有最大50nm半高寬且被配置成顯示出在440nm至500nm范圍內的峰波長的第二光譜特性，及c)在600nm至800nm頻率的全部或一部分發射是利用所述至少一個量子點對LED芯片輻射功率進行全部或部分波長上轉換來產生的。20.一種園藝照明器具，其包含至少一個LED及至少一個量子點，所述量子點被配置成對來自所述LED的發射輻射進行上轉換，所述LED具有以下特性:a)包括在600nm至700nm波長范圍內的峰且被配置成顯示出至少50nm以上的半高寬的第一光譜特性；b)具有最大50nm半高寬且被配置成顯示出在440nm至500nm范圍內的峰波長的第二光譜特性，及c)在500nm至600nm波長的至少一部分或全部發射被配置成最小化和/或省去和/或減少至低于400nm至500nm譜帶中的強度且低于600nm至700nm譜帶中的強度。21.權利要求19的照明器具，其中在500nm至600nm波長的至少一部分或全部發射被配置成最小化和/或省去和/或減少至低于400nm至500nm譜帶中的強度且低于600nm至7OOnm譜帶中的強度。22.權利要求19、20和/或21的照明器具，其中所述量子點具有以下光譜特性:在500nm至800nm波長范圍內具有可自由調節的峰且被配置成顯示至少30nm的半高寬。23.權利要求19、20、21和/或22的照明器具，其中所述LED和/或量子點的第一光譜特性、第二光譜特性及任選的第三光譜特性的發射強度被配置成可調節。24.權利要求19至23任一項的照明器具，其包含第二LED和/或量子點，所述第二LED和/或量子點具有至少一個最大50nm半高寬及在400nm至500nm范圍內的峰波長的光譜特性并任選具有第二光譜特性及被配置成在450nm至800nm范圍內具有可自由調節的峰波長的第三光譜特性。25.權利要求19至24任一項的照明器具，其中每瓦特所述器具的PPF值為0.35以上。26.權利要求19至25任一項的照明器具，其中光譜發射特性、強度、峰波長及半高寬受到量子點的尺寸、數目及種類的控制。27.權利要求19至26任一項的照明器具，其中a)第一量子點具有包含在600nm至700nm波長范圍內的峰波長且被配置成至少顯示至少50nm的半高寬的第一光譜特性；b)第一LED還具有包含在440nm至500nm波長范圍內的峰的第二光譜特性；及c)第一量子點任選具有在500nm至800nm范圍的范圍內的可自由調節峰波長且被配置成顯示出至少30nm半高寬的第三光譜特性；d)所述第一光譜特性、第二光譜特性及任選的第三光譜特性的發射強度可以任何比率調節。28.權利要求27的照明器具，其包含第二LED和/或量子點，所述第二LED和/或量子點具有至少一個最大50nm半高寬及在400nm至500nm范圍內的峰波長的光譜特性并任選具有第二光譜特性及在450nm至800nm范圍內具有可自由調節的峰波長的第三光譜特性。29.一種園藝光的發光部件，其包含:-發光二極管(LED)半導體芯片；及-直接鄰近量子點芯片沉積的光波長上轉換量子點；所述部件能夠發射兩個特征性光發射峰`，且在500nm至600nm波長的至少一部分或全部發射被配置成最小化和/或省去和/或減少至低于400nm至500nm譜帶中的強度且低于600nm至700nm譜帶中的強度。30.權利要求29的發光部件，其中所述光波長上轉換量子點被直接沉積在LED芯片的表面上或與其他光學材料間隔開。31.權利要求29或30任一項的發光部件，其中所述發光二極管(LED)半導體芯片具有在440nm至500nm范圍內的峰發射。32.權利要求29至31任一項的發光部件，其中所述波長上轉換量子點被配置成將一部分由量子點半導體芯片發射的光發射能量轉換為600nm至700nm的高波長。33.權利要求29至32任一項的發光部件，其中所述兩個特征性光發射峰分別在440nm至500nm及600nm至700nm。34.權利要求29至33任一項的發光部件，其中所述兩個特征性光發射峰中一個省去至少50nm半高寬的光譜特性并且另一個省去最大50nm半高寬的光譜特性，且兩者在不同波長范圍。35.權利要求1、19和/或20的照明裝置或照明器具在為至少一個植物提供光中的用途，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。36.權利要求29的發光部件在為至少一個植物提供光中的用途，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。37.一種增強植物生長的方法，其中至少一個權利要求1、19和/或20的照明裝置或照明器具向至少一個植物發射光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。38.一種增強植物生長的方法，其中至少一個權利要求29的發光部件向至少一個植物發射光，其中所述至少一個植物在環境光中或在以所述照明裝置或照明器具作為唯一光源的暗腔室中。39.權利要求1、19、20和/或29任一項的發光裝置、發光器具和/或發光部件，其中所述發光裝置、發光器具和/或發光部件被遮光腔室包圍，所述遮光腔室可以任選被蓋子封閉。【文檔編號】H01L33/06GK103503173SQ201280012688【公開日】2014年1月8日申請日期:2012年2月8日優先權日:2011年3月17日【發明者】拉爾斯·艾卡拉,伊爾卡·基維馬基申請人:瓦洛亞公司