СВЕТИЛЬНИК Российский патент 2014 года по МПК A01G9/20 F21V7/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при выращивании сельхозкультур, например, в оранжереях.

Известно устройство (патент РФ №2031572, МПК A01G 31/02, 009/24, 1981 г.), содержащее источник облучения и отражатель, который состоит из двух частей: один в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта светоотражающим материалом, стационарная часть отражателя закреплена на стеллажах для выращивания растений, а поворотная часть шарнирно соединена с первой и выполнена телескопической. Вдоль оси отражателя размещен источник оптического излучения.

По мнению автора это позволяет снизить удельную мощность устройства облучения и потери потока излучения.

Известно устройство, в котором отражатель выполнен в виде цилиндра, но в котором размещается надкорневая часть растений, а требуемый режим освещения создается посредством источника оптического излучения.

Недостаток: низкая производительность предлагаемого устройства, большие потери электроэнергии (патент РФ №2056094, МПК A01G 001/02, 009/24, 031/02; F21V 007/12, 007/16, 1990 г.)

Известно устройство (прототип), патент РФ №2369086, МПК A01G 009/20, 2006 г. Фитопрожектор выполнен в виде прямоугольной рамы, светодиоды расположены на платах, платы установлены в один ряд в прозрачных герметичных плафонах, плафоны установлены внутри корпуса с зазором относительно друг друга в несколько параллельных рядов так, что центральные оси световых потоков светодиодов направлены в одну сторону к лицевой поверхности корпуса и перпендикулярно его плоскости.

Фитопрожектор, управляемый от микропроцессорной установки, позволяет обеспечивать спектральный состав излучения, оптимальный для фотосинтетической активной радиации (ФАР) с учетом стадии развития и вида растений и позволяющий при необходимости изменять состав излучения и время экспозиции.

Недостатки: громоздкая и дорогостоящая конструкция, требующая сложной электронной схемы управления (программируемый контроллер с операционными стеками протоколов и т.д.), большое энергопотребление.

Максимальное поглощение хлорофиллом хаотично вращающихся фотонов происходит при совпадении направлений пропускания световых векторов Е падающего света с векторами пропускания клеток хлорофилла и минимально - при полном (90°) расхождении этих направлений. Так как хлорофиллы поглощают свет избирательно, то в этом случае - очень низкий коэффициент полезного действия фотосинтетической активной радиации излучения (КПД ФАР) как в прототипе, так и в его аналогах.

Цель изобретения - повышение КПД ФАР излучения и упрощение конструкции.

На Фиг.1 изображена конструкция (основная) устройства, где: 1 - источник излучения; 2 - отражатель; 3 - световой поток; 4 - оптическая ось излучателя 1; 5 - поляризатор, расположен на оптическом выходе светильника. Рабочая часть поляризатора (поляризирующего диэлектрика) выполнена из диэлектрического материала 6. В качестве диэлектрика 6 может быть использовано, например, стекло или пленка, состоящая из М-го количества (где М - 1, 2, 3…, м) слоев диэлектрической, например, изотропной пленки с равными или различными показателями преломления - n. При большем числе слоев пленки, эффект поляризации возрастает до определенного предела. Если пленка располагается: на стеклянной (поляризирующей пластине) подложке 7, или на отражающей поверхности 2, или на поверхности 6, или на каких-либо их участках, положение поляризирующих поверхностей которых определяется зоной угла Брюстера, то угловому положению падающих в эту зону лучей в пучке должен соответствовать относительный коэффициент преломления N, равный отношению показателей преломления диэлектриков на границе раздела сред (например, n₁/n₀ или n₂/n₁, …, n₃/n₁ и т.д. где n_1,2,3…_, м - показатели преломления диэлектриков), и который, в свою очередь, соответствует углу Брюстера - θ_N, образованному падающим лучем и нормалью к поверхности в точке падения. Угловой разброс зоны угла Брюстера ±Δθ зависит от материала диэлектриков (их химических компонент) и примерно равен 6÷10 градусам. При этом поверхность границы раздела сред диэлектриков, включающих эти зоны, может быть перпендикулярна оптической оси 4 излучателя, параллельна или под некоторым углом к ней - в общем случае для всех разновидностей поляризаторов: поверхности поляризации на границах раздела сред диэлектриков расположены под углом к падающим лучам излучателя и определяются зоной угла Брюстера. При таких конструкциях устройства световой поток, падающий на поляризатор, может быть диффузионным.

В варианте исполнения поляризатора 5, например, в виде диэлектрической решетки Фиг.1, на подложке 7 (стеклянной пластине - n₁), располагаются поляризирующие поверхности 6 различной формы, таким образом, что нормаль к каждой из них, как и при пленочном исполнении рабочей части поляриатора 6, образует с падающим соответствующим лучом (лучами) угол Брюстера (θ), в случае пучка - углы, близкие к углу Брюстера, равные: θ±Δθ (θ±Δθ - зона угла Брюстера). Между показателем преломления N и углом θ существует зависимость: tgθ=N - закон Брюстера. Фиг.1, вид по стрелке А - показан частичный вырез поляризирующей поверхности, (позиция 6 не обозначена), где: $${Ф}_1^1$$ - преломленный поляризированный луч (или лучи); $${Ф}_1^{11}$$ - отраженный от рабочей поверхности 6 луч или пучок поляризированных лучей, расхождение которых не более угловой величины 2Δθ (2Δθ - ширина зоны Брюстера).

В варианте решетчатого (рельефного) исполнения Фиг.1, поляризирующие поверхности диэлектрика 6, например, имеющие цилиндрические поверхности или дуговые, расположенные концентрически по кругу - симметрично оси 4, или по спирали и с шагом, позволяют части светового потока свободно проходить через диэлектрик 6.

Кольцевой дополнительный отражатель 8, расположенный на периферии поляризатора 5, частично уменьшает потери - рассеянную часть светового потока, возвращает в общий смешанный поток, т.е. общий световой поток на выходе поляризатора 5 будет состоять из двух составляющих $${Ф}_1^1$$ и $${Ф}_1^{11}$$ и оставшейся части неполяризированного потока Ф₂, если такой имеется, а незначительными потерями светового потока, рассеянного в слоях диэлектриков, в дальнейшем будем пренебрегать.

Пример линейной конструкции поляризатора 5 (в виде диэлектрической решетки) с одной диэлектрической секцией 6, расположенной симметрично оси 4 на подложке 7, которая дополнительно может защищать отражатель и излучатель от влаги и пыли, показан на Фиг.2. Поляризирующие поверхности диэлектрических пластин расположены параллельно между собой и осью 4. Размеры поляризирующих пластин, их шаг установки на подложке 7 рассматривается, например, с учетом пропускания через щели пластин 40-50% света от общего входного неполяризированного светового потока.

Фиг.3 - двухсекционный поляризатор 5, состоит из неподвижной диэлектрической секции 6, Фиг.2, и такой же по конструктивному выполнению секции - 6а, но подвижной. Диэлектрик 6а может поворачиваться на угол ±φ (±90°). Обе секции могут быть сквозными или рельефными, их рабочие (поляризирующие) поверхности подчиняются требованиям соответствующих зон углов Брюстера.

Примеры покрытий отражающих поверхностей в поляризаторе 5 показаны на Фиг.4, Фиг.5. Фиг.4а - однослойный пленочный изотропный диэлектрик 6 располагается на прозрачной подложке 7 с показателем преломления n₁ (Фиг.1). Граница раздела сред - диэлектрик (n₁)/воздух (n₀) и (n₁/n₁). Однослойный поляризирующий диэлектрик 6, например, решетчатого типа в виде плоской спирали, толщина слоя и все размеры решетки больше длины волны красного спектра излучения (толстая пленка толщиной, например, 50÷100 мкм). Фиг.4б - многослойный пленочный диэлектрик, показатели преломления которого в слоях (на границах раздела) могут быть, например, такими: n₁≤n₂≤n₃…≤n_м, располагается на подложке 9 из диэлектрика (стекла) или металла.

Однослойный или многослойный пленочный поляризатор (с одинаковыми или разными показателями преломления n) может быть расположен и на пути светового потока излучателя 1, Фиг.5. Отражатель 2, например, имеет зеркальный слой, на поверхность которого наносится один или несколько слоев диэлектрической пленки (Фиг.4б), которая, например, работает на отражение в среде падения. Отражатель 2 может иметь форму, например, параболическую, полусферическую и т.д., отражающая поверхность которого удовлетворяет требованиям зоны угла Брюстера. Излучатель 1 и поляризирующий диэлектрик 6 Фиг.5 закрыты стеклом 7.

В случае равенства показателей преломления, т.е. n₁=n₂=n₃…=n_м, диэлектрик 6 набирается в один (Фиг.4а) или несколько слоев, между которыми диэлектрики разделены тонким зазором (воздушным или связующим прозрачным диэлектриком), позволяющим возникновению эффекта Брюстера. Это разграничение между слоями показано на Фиг.4б. В этом случае пленочный поляризатор работает не только на отражение, но и на просвет.

Рассмотрим работу устройства Фиг.1. На вход устройства подают электропитание - U_вх. Излучатель 1 преобразует электрический ток в оптическое излучение (0,4-0,7 мкм), которое частично уплотняется и формируется отражателем 2 в световой неполяризированный поток 3 требуемой апертуры (общий световой поток Ф), который подают вдоль оптической оси 4 к поляризатору 5, на его оптический вход.

Следует отметить, что в качестве излучателя 1 могут быть использованы любые источники света с требуемым спектром излучения: накальные, газоразрядные, электролюминесцентные и другие.

Часть светового потока свободно проходит через диэлектрик 6, а другая его часть попадает на границу раздела сред - в зоны углов Брюстера. Рабочие поверхности диэлектрика 6 производят поляризацию световых лучей 3, падающих на них под углом Брюстера θ_N, в отраженном $${Ф}_1^{11}$$ и в преломленном $${Ф}_1^1$$ потоках. На выходе поляризатора 5 пучки света расходятся по отношению друг к другу на некоторый угол, причем отраженные пучки лучей идут под небольшим углом к оси 4, а преломленные - под некоторым углом отходят от оси 4. Поляризатор 5 ориентирует колебания световой волны Е в пространстве (в воздухе) и в веществе (диэлектрике 6), но в меньшей степени. В результате, плоскости поляризаций световых лучей на выходе поляризатора 5 располагаются по отношению друг к другу под различными углами - хаотично. Все световые пучки на выходе поляризатора 5 складываются в общий смешанный (диффузионный) световой поток, имеющий определенную апертуру, который и направляют на растения, где пигменты хлорофилла А и Б и каротиноиды хлорофиллы поглощают свет синего, красного диапазонов, а каротиноиды - только синего. Клетки хлорофилла, которые являются жидкими диэлектриками, поглощают фотоны только в том случае, если произойдет совпадение вектора Е фотона с разрешенным направлением пропускания квантов света в них (клетках).

Поэтому поляризованные фотоны из смешанного светового потока, произведенного вышеописанным устройством Фиг.1, легче улавливаются клетками хлорофилла и в большем количестве, по сравнению с известными устройствами (прототипом), что и приводит к увеличению процесса фотосинтеза в листьях растений.

Однако для разных видов растений требуется определенная оптимальная плотность поляризации светового потока. Для этого, очевидно, нужно использовать набор светильников с различными типами поляризаторов 5, дающих различные плотности поляризации потоков. Плотность поляризации можно незначительно изменить, если, например, поляризатор 5 в светильнике Фиг.1 развернуть на 180° (поляризатор такой конструкции обладает обратимостью). Однако такой подход к данной проблеме не всегда осуществим как с экономической, так и с технической точки зрения (не всегда в наборе могут быть необходимые светильники). Поэтому для расширения функциональных возможностей устройства на Фиг.3 (Фиг.2) представлен поляризатор с перестраиваемой плотностью поляризаций.

Работа устройств Фиг.2 и Фиг.3 похожа в том случае, если в двух секторном поляризаторе 5 угол поворота сектора 6а по отношению к сектору 6 равен нулю (φ=0). В этом случае сектор 6а находится в тени сектора 6, поэтому рассмотрим работу устройства с поляризатором Фиг.3.

Пусть поляризатор Фиг.3 находится в устройстве Фиг.1, вместо поляризатора с круговой решеткой диэлектрика 6 (Фиг.1, вид А). Работа такого светильника похожа на описанное выше устройство - Фиг.1. Однако, если сделать разрез светового потока в дальней зоне, перпендикулярный оптической оси 4 (расстояние от светильника до поверхности высадки семян растений), то в сечении получим размытое чередование полос плотности поляризации от максимума до минимума, которые можно обнаружить с помощью оптических приборов (на Фиг.2, Фиг.3 это не показано). Однако этот недостаток (Фиг.2) компенсируется простотой изготовления такого устройства.

Пусть угол φ≠0, секция 6а поляризатора 5 стала поворачиваться и выходить из тени секции 6. На Фиг.3 показан (условно) поворот секции 6а на угол φ=45°. При этом положении секций плотность поляризации, например, стала иметь равномерное распределение в сечении дальней зоны светового потока - перепады плотности поляризации исчезли, так как суммарная площадь поляризирующей поверхности увеличилась соответственно, а свободное прохождение неполяризированного света через решетку диэлектрика 6 уменьшилось примерно на половину. И при дальнейшем повороте секции 6а (от φ=45° к φ=90°) значение плотности поляризации в потоке возрастает до максимального значения, так как входной световой поток Ф уже полностью попадает на рабочие поляризирующие поверхности диэлектриков 6 и 6а. Далее световые потоки $${Ф}_1^1$$ и $${Ф}_1^{11}$$ на выходе устройства суммируются и направляются на растения.

С помощью данной конструкции Фиг.3 можно в широких пределах устанавливать необходимое (оптимальное) значение плотности поляризации для определенных видов растений, что и расширяет функциональные возможности таких поляризаторов.

Рассмотрим работу пленочного однослойного поляризатора Фиг.4а. Пусть сформированный отражателем 2 (поляризатор Фиг.4а работает в системе Фиг.1) световой поток Ф падает на оптический вход поляризатора - прозрачную подложку 7. Если часть лучей Ф₀₁ из потока Ф попадает в зоны угла Брюстра, то возникший на границе раздела n₁/n₀ преломленный поляризированный поток $${Ф}_{01}^1$$ проходит через диэлектрик 7 и на границе раздела сред n₁/n₁ происходит увеличение плотности поляризация в потоке $${Ф}_{01}^1$$ (поляризатор 5 для потока $${Ф}_{01}^1$$ работает на просвет), а другая часть светового потока Ф₀₂, свободно (без преломления) пройдя через диэлектрик 7, на границе раздела сред n₁/n₀ (пленка/воздух) поляризуется в отраженном $${Ф}_2^{11}$$ и преломленном $${Ф}_2^1$$ потоках, и поступает на выход поляризатора 5. Плоскости поляризации световых лучей в этих потоках находятся под различными углами друг к другу - хаотично. Суммарный световой поток ( $$2{Ф}_1^1+{Ф}_2^1+{Ф}_2^{11}$$ ) далее падает на растения.

Работа пленочного поляризатора Фиг.5 мало чем отличается от работы вышеизложенных устройств. Отличие состоит в том, что одна часть (Ф₀₁) светового потока попадает на совмещенный с отражателем 2 поляризатор 5 (Фиг.4б), поляризуется и отражается под различными углами к оптической оси 4, смешивается с другой неполяризированной частью Ф₀₂ светового потока ( $${Ф}_1^{11}+{Ф}_2^{11}+\dots +{Ф}_{м}^{11}+{Ф}_{02}$$ ) и направляется на растения, (где $${Ф}_{\mathrm{1,2}\dots ,м}^{11}$$ - части поляризированного светового потока, отраженные от соответствующих границ раздела сред многослойного поляризатора, Фиг.4б).

Таким образом, в результате применения в светильнике поляризатора существенно увеличивается КПД ФАР электромагнитного светового потока, что приводит к ускорению фотосинтеза растений, сокращению сроков их вегетации, экономии электроэнергии, соответствующему упрощению конструкции светильника.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к осветителям, предназначенным для выращивания рассады, овощей или цветов в домашних или промышленных условиях, и может быть использовано в других областях народного хозяйства, где требуется индивидуальная подсветка, например, для разведения различных существ. Светильник содержит излучатель с отражателем. Светильник снабжен поляризатором, расположенным на его оптическом выходе или на пути светового потока излучателя. Поляризатор выполнен, например, в виде диэлектрической решетки или пленочным, нанесенным, например, на отражающую поверхность отражателя излучателя. Поляризирующий диэлектрик поляризатора имеет границы раздела сред, например, воздух-стекло. Поверхности поляризации на границах раздела сред диэлектриков расположены под углом к падающим лучам излучателя и определяются зоной угла Брюстера. При таком выполнении упрощается конструкция устройства, повышается КПД фотосинтетически активной радиации излучения, что приводит к повышению вегетации и сокращению сроков развития растений, экономии электроэнергии, сокращению стоимости устройства. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Светильник, содержащий излучатель с отражателем, отличающийся тем, что светильник снабжен поляризатором, расположенным на его оптическом выходе или на пути светового потока излучателя, причем поляризатор выполнен, например, в виде диэлектрической решетки или пленочным, нанесенным, например, на отражающую поверхность отражателя излучателя, при этом поляризирующий диэлектрик поляризатора имеет границы раздела сред, например, воздух-стекло, причем поверхности поляризации на границах раздела сред диэлектриков расположены под углом к падающим лучам излучателя и определяются зоной угла Брюстера.

2. Светильник по п.1, отличающийся тем, что в светильник с поляризатором в виде диэлектрической решетки введена подвижная секция поляризатора, например, совпадающая по конструкции с основной секцией поляризатора и подсоединенная параллельно к ней.

3. Светильник по п.1, отличающийся тем, что пленочный диэлектрический поляризатор выполнен однослойным или многослойным.