Способ и средства для повышения продуктивности растений путем улучшения опыляемости насекомыми
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству и пчеловодству. Осветительное светоизлучающее диодное (СИД) устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402 и 403) на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью цветков опыляющихся растений (710, 711). Причем указанное осветительное СИД устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402 и 403) на длине волны, совпадающей с повышенной чувствительностью световосприятия зрения насекомого (840). В способе растения (710, 711) освещают осветительным СИД устройством. Изобретения позволяют улучшить эффективность опыления, снизить смертность насекомых и повысить урожайность. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к выращиванию в тепличной среде растений, опыляемых насекомыми. В частности, изобретение относится к осветительному устройству и способу освещения, предназначенным для улучшения опыляемости насекомыми растений, например томатов.
Уровень техники
Хорошо известно, что некоторые растения опыляются насекомыми, и самой заметной известной сельскохозяйственной культурой из этой категории являются томаты. Размножение и плодоношение этих растений зависит от опыления, которое в естественной среде выполняется насекомыми и ветром. Для обеспечения достаточных уровней опыления в теплицах в уровне техники применяли механические вибраторы и обработку растений гормонами. Эти способы приводят к ухудшению качества плодов. Неправильное опыление, например, может приводить к деформированию плода. Внедрение в тепличную среду насекомых повышает урожайность, но является достаточно дорогим способом, так как насекомые довольно часто погибают в теплицах, обжигаясь о горячие газоразрядные светильники, и приходится часто запускать новых насекомых.
В уровне техники также известно, что зрение насекомых чрезвычайно чувствительно к ультрафиолетовому излучению, что, например, описано в работе «Limits to salience of ultraviolet: lessons from colour vision in bees and birds», Kevan и др., которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Также известно, что зрение медоносных пчел и шмелей использует параллакс движения, что описано в работе: Lehrer M. 1998, «Looking all around: honeybees use different cues in different eye regions», Journal of Experimental Biology 201: 3275-3292, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Когда насекомое пролетает над полем цветков, цветок, находящийся к насекомому ближе, чем фон, кажется движущимся быстрее фона, что создает относительное движение между цветком и фоном. В природе цветы практически всегда двигаются, обычно из-за ветра, и это легко могут видеть насекомые. В тепличной среде обычно нет ветра, что затрудняет для насекомого обнаружение цветка.
Ультрафиолетовое зрение насекомых было использовано человеком, например, в документе WO 2009/040528, который включен в настоящую заявку посредством ссылки. Данная публикация раскрывает манипулирование насекомыми с помощью света светоизлучающего диода (СИД) на длинах волн 353 нанометров (нм), 345-375 нм, 315-400 нм. Насекомых привлекает свет, имеющий определенный спектр, что позволяет их поймать. Такие устройства используют в ресторанах, чтобы посетителей не беспокоили насекомые.
На фиг.1 показан спектр относительного поглощения хлорофилла a и b, фитохрома Pfr и Pr, а также бета-каротина в зеленых растениях в соответствии с уровнем техники. Подробности раскрыты в документе WO/2011 033177 автора настоящего изобретения, причем указанный документ включен в настоящую заявку посредством ссылки. Документ WO/2011 033177 также раскрывает осветительное устройство на базе СИД, спектр излучения которого обеспечивает хорошую фотоморфогенетическую реакцию в растениях, то есть растения быстро растут до нужной формы и размера, когда им позволяют использовать для фотосинтеза свет от такого осветительного устройства.
Хорошо известно, что различные цветки отражают свет по-разному. На фиг. 1В показаны спектры относительной отражательной способности цветков различных растений, являющиеся результатом измерений проведенных в работе "Flower colour as advertisement", Chitka L. & Kevan, P.G. (2005), In Dafni, A., Kevan P.G., Husband, B.C. (eds.) Practical Pollination Biology. Enviroquest Ltd., Cambridge, ON, Canada, pp. 157-196 уровня техники. Указанный документ также включен в настоящую заявку посредством ссылки. Измерения проводились для цветков Potentilla argentea, красного Papaver dubium, голубой Viola Canina, фиолетового Campanula latifolia и белой Fragaria vesca.
На фиг. 1C показаны спектры относительной чувствительности глаза насекомого - пчелы медоносной (Apis mellifera), являющиеся результатом измерений, проведенных в работе уровня техники "Flower colour as advertisement", Chitka L. & Kevan, P.G. (2005), In Dafni, A., Kevan P.G., Husband, B.C. (eds.) Practical Pollination Biology. Enviroquest Ltd., Cambridge, ON, Canada, pp. 157-196. Указанный спектр подтверждает наличие определенной степени перекрытия диапазона высокой чувствительности зрения насекомых и диапазона высокой отражательной способности цветков. Фактически, анализ спектров отражения 180 цветов показал, что пики отражательной способности совпадают с пиками чувствительности зрения опыляющих насекомых, что изложено в работе "The evolutionary adaptation of flower colours and the insect pollinators′ colour vision", Journal of Comparative Physiology A 171: 171-181, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки.
В уровне техники имеются существенные недостатки. Вышеуказанные спектральные наблюдения использовались только для отлова насекомых, которые считались вредителями. Также решения уровня техники по искусственному освещению растений, из которых WO/2011 033177 возможно является самым развитым, были нацелены на улучшение только фотосинтетического роста растений, а не их размножения или плодоношения. Опыляющим насекомым очень сложно отыскать цветки в теплицах зимой, в пасмурную погоду или в темноте другого происхождения и/или когда воздух неподвижен. Поэтому существенной проблемой, присущей уровню техники, является реализация в теплицах опылительной активности, качество которой было бы столь же высоко, что и у природного процесса, или даже выше.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Рассматриваемое изобретение направлено на создание системы и способа эффективного освещения растений, при котором растения достигали бы требуемого фотосинтетического роста и чаще опылялись бы насекомыми.
Еще одной задачей изобретения является обеспечение осветительного устройства, которое было бы безопасно для насекомых, производящих опыление в тепличных условиях.
В одном аспекте изобретения, растения освещают осветительным устройством, содержащим СИД и обеспечивающим наличие сильных пиков излучения на тех длинах волн, которые совпадают с пиками отражательной способности цветков выращиваемых растений. В результате насекомые могут лучше видеть цветки и легче находить их, что повышает эффективность опыления насекомыми. Еще одним усовершенствованием данного аспекта является выбор для пиков интенсивности излучения таких длин волн, на которых наблюдается высокая отражательная способность цветков и/или высокая чувствительность зрения насекомых. Наилучший эффект достигается, когда указанная высокая отражательная способность и высокая зрительная чувствительность совпадают. Указанная длина волны является предпочтительной длиной волны излучения для осветительного устройства, предназначенного для повышения опыляемости, так как она максимально повышает заметность цветков для глаз насекомых.
Обычно для пиков излучения подходят, например, длины волн 348 нм, 375 нм, 435 нм, 533 нм, 538 нм с интервалом погрешности ±10 нм. Указанное осветительное устройство обычно реализуется на базе СИД и/или квантовых точек. Квантовая точка является полупроводником, экситоны которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям.
Пиковые длины волн могут варьироваться в зависимости от видов выращиваемых растений и насекомых, используемых при выращивании конкретного вида растения. Например, для земляных шмелей Bombus terrestis dalmatinus и Bombus terrestis sassaricus были характерны пики спектра на 348 нм, 435 нм и 533 нм и 347 нм, 436 нм и 538 нм; смотри работу: «Skorupski P., Döring T.F. & Chittka L. 2007, "Photoreceptor spectral sensitivity in island and mainland populations of the bumblebee, Bombus terrestris", Journal of Comparative Physiology A 193: 485-494, которая приводится здесь посредством ссылки. Шмель Bombus impatiens имел пики спектральной чувствительности своих фоторецепторов на длинах волн 347 нм, 424 нм и 539 нм; смотри работу Skorupski Р. & Chittka L. 2007, "Photoreceptor spectral sensitivity in the bumblebee, Bombus impatiens (Hymenoptera: Apidae)", Plos ONE 5: 1-5, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Любой или все из вышеуказанных пиков могут быть в качестве центральной длины волны спектрального пика излучателя света согласно настоящему изобретению.
Другой аспект настоящего изобретения сочетает в себе вышеупомянутое осветительное устройство с осветительным устройством, улучшающим фотосинтетический рост растений. Указанное осветительное устройство обычно имеет пик в голубой области спектра, в нижней зеленой и/или желтой области спектра, а также пик в красной и/или дальней красной области спектра. Это максимизирует фотосинтетический рост за счет совпадения указанных пиков с пиками поглощения, показанными на фиг. 1А. Такое излучение также обычно генерируют с помощью СИД и/или квантовых точек.
Осветительное устройство для растениеводства согласно настоящему изобретению отличается тем, что выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью цветков опыляемых растений.
Способ растениеводства согласно настоящему изобретению отличается тем, что опыляемые растения освещают осветительным устройством, излучающим по меньшей мере один спектральный пик на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью указанных опыляемых растений.
Под термином «совпадение» в данном контексте понимается позиционирование спектральных пиков таким образом, чтобы максимально увеличить поступление фотонов от цветка к глазу насекомого и в конечном счете максимизировать неврологический зрительный сигнал, генерируемый глазом насекомого под воздействием фотонов. Следовательно, пики не обязательно должны совпадать математически точно, а в соответствии с изобретением должны совпадать только в той степени, которая достаточно максимизирует неврологический зрительный сигнал в глазу насекомого.
Повышенная отражательная способность и/или чувствительность понимается как превышающая 90%-, 80%-, 70%-, 60%-, 50%-, 40%- или 30%-ный уровень максимума указанной отражательной способности и/или чувствительности в диапазоне от ультрафиолетового (300-400 нм) до дальнего красного (700-800 нм). Например, если и отражательная способность, и чувствительность будут находиться на уровне 70% от максимума, то конечный визуальный сигнал, воспринимаемый насекомым, составит 0,7*0,7=0,49, то есть примерно половину от сигнала, который бы был воспринят при точном совпадении пиков максимумов.
Наиболее вероятно, что это является достаточным уровнем, который значительно улучшит опыляемость растений насекомыми.
Осветительное устройство и способ освещения растений согласно изобретению обладают тем преимуществом, что их исполнение на базе СИД и/или квантовых точек является безопасным для опыляющих насекомых. Осветительные устройства уровня техники, основанные на электрических разрядах, обычно привлекают насекомых, но также нагреваются до высокой температуры, убивая опыляющих насекомых, привлеченных близко к такому осветительному устройству уровня техники. Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что насекомые лучше видят цветки; повышается эффективность опыления; в результате чего улучшается размножение растений, повышается объем и качество плодоношения и повышается урожайность. Повышенная выживаемость насекомых и улучшение их зрения обладают синергетическим эффектом: известно, что насекомые способны обучаться действовать при различных условиях и длинах волн освещения. Однако если насекомые преждевременно погибают на горячих лампах, обучение не успевает произойти. Осветительное устройство, не представляющее для насекомых смертельной опасности, вносит дополнительный вклад в повышение опыляемости за счет того, что более обученные насекомые опыляют растения с еще большей эффективностью. Указанное осветительное устройство также обеспечивает лучший отдых насекомым, так как им проще отыскать свои гнезда с осветительным решением по изобретению, чем без него. Учитывая способность насекомых обучаться, возможно, что при наличии у насекомых возможности приспособиться к условиям освещения они будут достаточно эффективно работать и в условиях освещения, когда пиковая длина волны освещения не находится на максимуме чувствительности.
Светоизлучающие диоды (СИД) в настоящем изобретении также обеспечивают улучшение существующего решения, использующего натриевые лампы (HPS) и разрядные лампы высокой интенсивности (HID - High Intensity Discharge), так как обладают способностью несложной подстройки спектра in-situ, например, ультрафиолетовые СИД можно включать только на время события опыления, то есть когда опыляющие насекомые присутствуют вблизи растений. Выключенное ультрафиолетовое освещение не помогает отыскивать цветки вредным насекомым, например вредителям. Такая возможность отсутствует в HPS и HID лампах уровня техники. Для ультрафиолетового освещения требуется дополнительная энергия, и поэтому целесообразно отключать эту спектральную составляющую на время, пока она не нужна.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что осветительное устройство согласно настоящему изобретению улучшает как размножение, так и рост, что обеспечивает синергетическое улучшение урожайности выше уровней, которые могли бы быть достигнуты использованием любого одного осветительного решения индивидуально или отдельно. Кроме того, преимущество изобретения заключается в возможности выращивания плодов в полярных районах, при пасмурной погоде и в зимнее время года, что было невозможно ранее из-за низких уровней естественного освещения.
Дополнительно и с учетом суммарных преимуществ вышеупомянутых осуществлений, считается, что лучшим вариантом осуществления изобретения является использование светодиодного осветительного устройства, пики излучения которого совпадают с пиками фотосинтетического относительного поглощения зеленых растений и пиками относительной отражательной способности цветков выращиваемых растений и пиками относительной чувствительности зрения опыляющих насекомых.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на примеры вариантов осуществления согласно приложенным чертежам.
На фиг. 1А показан спектр относительного поглощения хлорофилла a и b, фитохрома Pfr и Pr и бета-каротина в зеленых растениях в соответствии с уровнем техники.
На фиг. 1В показан спектр относительной отражательной способности цветков различных растений по результатам измерений, представленным в работе: "Flower colour as advertisement", Chitka L. & Kevan, P.G. (2005), In Dafni, A., Kevan P.G., Husband, B.C. (eds.) Practical Pollination Biology. Enviroquest Ltd., Cambridge, ON, Canada, pp. 157-196 в соответствии с уровнем техники.
На фиг. 1C показан спектр относительной чувствительности глаза насекомого - медоносной пчелы (Apis mellifera) по результатам измерений, представленным в работе: "Flower colour as advertisement", Chitka L. & Kevan, P.G. (2005), In Dafni, A., Kevan P.G., Husband, B.C. (eds.) Practical Pollination Biology. Enviroquest Ltd., Cambridge, ON, Canada, pp. 157-196 в соответствии с уровнем техники.
На фиг. 2 в виде функциональной схемы показан вариант 20 осуществления способа улучшения опыляемости растений насекомыми в соответствии с изобретением.
На фиг. 3А в виде блок-схемы показан вариант 30 осуществления светоизлучающего устройства в соответствии с изобретением.
На фиг. 3В в виде блок-схемы показан вариант 31 осуществления светоизлучающего устройства с использованием ап-конверсии по длине волны в соответствии с изобретением.
На фиг. 3С в виде блок-схемы показан вариант 32 осуществления светоизлучающего устройства с использованием квантовых точек в соответствии с изобретением.
На фиг. 4 показан вариант 40 осуществления спектра излучения светоизлучающего устройства, предназначенного для улучшения опыляемости растений насекомыми в соответствии с изобретением.
На фиг. 5 показан вариант 50 осуществления спектра излучения светоизлучающего устройства, предназначенного для улучшения опыляемости растений насекомыми в соответствии с изобретением.
На фиг. 6 показан вариант 60 осуществления спектра излучения светоизлучающего устройства, предназначенного для улучшения опыляемости растений насекомыми в соответствии с изобретением.
На фиг. 7 в виде блок-схемы показан вариант 70 осуществления светоизлучающего устройства, предназначенного для улучшения опыляемости растений насекомыми в тепличной среде в соответствии с изобретением.
На фиг. 8 показан вариант 80 осуществления светоизлучающего устройства, предназначенного для улучшения опыляемости насекомыми и продуктивности выращивания растений в подвальном помещении городского здания в соответствии с изобретением.
Некоторые из вариантов осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 2 в виде функциональной схемы показан способ согласно настоящему изобретению. На этапе 200 выбирают пики светового излучения. Пики излучения должны совпадать по длине волны с пиками отражательной способности цветков выращиваемых и опыляемых растений. На фиг. 1В показаны кривые отражательной способности для некоторых примеров цветущих растений. Кроме того, спектральный пик должен излучаться на длине волны, совпадающей с повышенной чувствительностью световосприятия зрения насекомых. Примеры кривых чувствительности показаны на фиг. 1C. В соответствии с изобретением, указанные пики спектра приходятся примерно на одну из следующих длин волн: 348 нм, 375 нм, 435 нм, 538 нм с интервалом погрешности ±10 нм. Указанные пиковые длины волн, конечно, будут меняться в зависимости от видов выращиваемых растений и насекомых, используемых для опыления этих растений, и в соответствии с изобретением для каждой пары опылитель-цветок выбирают один или более индивидуальных пиков излучения.
Из рассмотрения фиг. 1В и фиг. 1C можно сделать вывод о том, что наибольшее совпадение спектральных максимумов происходит достаточно близко к максимумам чувствительности зрения насекомого.
Предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления изобретения указанная повышенная отражательная способность и/или чувствительность превышает 1/√2 максимума указанной отражательной способности и/или чувствительности в диапазоне от ультрафиолетового до дальнего красного. В некоторых вариантах осуществления на длинах волн совпадения, отражательная способность и/или чувствительность превышает 90%-, 80%-, 70%-, 60%-, 50%-, 40%- или 30%-ный уровень от максимума указанной отражательной способности и/или чувствительности в диапазоне от ультрафиолетового (300-400 нм) до дальнего красного (700-800 нм).
Указанное осветительное устройство, как правило, содержит по меньшей мере один СИД и/или одну квантовую точку, или же полностью состоит из СИД и/или квантовых точек. Возможность выбора конструкции позволяет иметь большую свободу в создании спектра, необходимого для того, чтобы пики излучения приходились на вышеуказанные спектральные пики отражательной способности цветка и чувствительности глаза насекомого. Кроме того, такая технология излучателя имеет дополнительный эффект, состоящий в том, что осветительные устройства не нагреваются до степени, летальной для опыляющих насекомых.
Указанное осветительное устройство и указанный способ используется/используются обычно в теплицах или внутри помещений, где выращивают опыляемые насекомыми растения, но также могут использоваться и на открытом воздухе. На этапе 210 световое излучение направляют к цветкам в теплице. На этапе 220 в теплицу запускают опыляющих насекомых. Обычно этими насекомыми являются медоносные пчелы и/или шмели.
На этапе 230 происходит отражение большого числа фотонов от цветков на длинах волн, соответствующих высокой чувствительности зрения насекомых. Таким образом создается среда, в которой насекомым чрезвычайно хорошо видны цветки, и насекомые легко отыскивают цели опыления на этапе 240 с максимально возможной эффективностью.
Повышенная заметность целей опыления для насекомых приводит к лучшему опылению и, следовательно, на этапе 250 существенно повышается урожайность выращиваемых плодов. Указанный способ предпочтительно используют в сочетании с осветительным устройством и способом, которые оптимизируют фотосинтетический рост. Предпочтительно в сочетании со способом 20 используют светильник для растениеводства, содержащий по меньшей мере один светоизлучающий диод (СИД), содержащий первую спектральную характеристику, имеющую пик в интервале длин волн от 600 до 700 нм и демонстрирующую полную ширину на половине максимума, равную по меньшей мере 50 нм и более, и вторую спектральную характеристику, имеющую максимум полной ширины на половине максимума, равный 50 нм или более, и демонстрирующую пиковую длину волны в диапазоне от 440 до 500 нм.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть или все излучение на длине волны 500-600 нм может быть минимизировано, и/или исключено, и/или уменьшено ниже интенсивности в диапазоне 400-500 нм и ниже интенсивности в диапазоне 600-700 нм. Согласно фиг. 1А, в указанном диапазоне фотосинтетическое поглощение достаточно мало. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения, спектр излучения содержит дальнюю красную область (700-800 нм) излучения, которая, по наблюдениям заявителя, неожиданно улучшает рост биомассы растений.
В соответствии с изобретением излучение может быть получено подачей электропитания к СИД и/или квантовым точкам и/или оптической ап-конверсией. В оптической ап-конверсии коротковолновое излучение поглощается и затем оптически излучается повторно с увеличенной длиной волны. Для реализации ап-конверсии согласно изобретению можно использовать квантовые точки и/или люминофор. В одном из вариантов осуществления особенно предпочтительна генерация излучения в дальней красной области (700-800 нм), например, посредством BaxSryZnS3 люминофоров, легированных одновременно европием и церием, и/или посредством оксид сульфидов редкоземельных элементов, легированных церием. Указанные типы люминофоров и сульфидов имеют максимум пика излучения в области длин волн 650-700 нм и также демонстрируют большую полную ширину (50-200 нм) на половине максимума, и таким образом также создают световое излучение с большей длиной волны, то есть с длиной волны более 700 нм.
В одном из вариантов осуществления излучение в интервале длин волн 600-800 нм генерируют путем полной или частичной ап-конверсии по длине волны мощности излучения СИД-чипа.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 20 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с любым из вариантов 30, 31, 32, 40, 50, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
На фиг.3А показан вариант осуществления, в котором указанное осветительное устройство выполнено на чипе 100 с использованием только светоизлучающих диодов (СИД) 101, 102, 103, 104. Естественно, что в соответствии с изобретением может быть использовано любое количество СИД с различной длиной волны и полной шириной на полувысоте максимума (FWHM от английского Full Width at Half Maximum). Также, в соответствии с изобретением можно использовать один или более преобразователей ап-конверсии по длине волны.
Предпочтительно, по меньшей мере один СИД 101, 102, 103, 104 генерирует спектр излучения, имеющий пики на длинах волн, совпадающих с высоким фотосинтетическим поглощением, высокой отражательной способностью цветка и/или высокой чувствительностью зрения насекомого, как описано выше для некоторых вариантов осуществления.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 30 осуществления можно легко менять местами и/или комбинировать с вариантами 20, 31, 32, 40, 50, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
Кроме того, с вариантом 30 осуществления можно комбинировать любую конструкцию светоизлучателя из документа ЕР 11158698.8 автора изобретения и заявителя. Указанный документ включен в настоящую заявку посредством ссылки.
На фиг. 3В показан вариант осуществления, в котором по меньшей мере один СИД и по меньшей мере одна квантовая точка используются в сочетании друг с другом. В данном конкретном примере предусмотрен СИД-излучатель 101 и квантовые точки 110, 120, 130, 140, 150, 160.
Обычно для приведения СИД в действие нужна только электрическая энергия. Квантовые точки могут быть приведены в действие электрической энергией для создания светового излучения, но в некоторых вариантах осуществления все квантовые точки или некоторые из них могут использоваться также в качестве преобразователей ап-конверсии по длине волны поглощенного оптического излучения. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы некоторые квантовые точки имели различные размеры, так как при разных диаметрах точки получаются разные спектры излучения.
Предпочтительно, по меньшей мере один СИД 101 и по меньшей мере одна квантовая точка 110, 120, 130, 140, 150, 160 создают спектр излучения, в котором присутствуют пики, длина волны которых совпадает с высоким фотосинтетическим поглощением, высокой отражательной способностью цветка и/или чувствительностью зрения насекомого, как было описано выше для некоторых вариантов осуществления.
Все или некоторые квантовые точки 110, 120, 130, 140, 150 и 160 обычно изготавливают из любого из следующих сплавов: селенид кадмия, сульфид кадмия, арсенид индия, фосфид индия и/или селенид сульфид кадмия в некоторых из вариантов осуществления. В одном частном примере осуществления изобретения, наночастицы квантовых точек из CdSe - ZnS (ядро - оболочка) со средним размером 6,6 нм и примерным распределением размера частиц ±0,5 нм были смешаны с двухкомпонентным герметиком из кремний-органического полимера. Смешивание производилось в пропорции 0,2 массовых % наночастиц в герметике из кремний-органического полимера. Содержащий наночастицы полимер был распределен в качестве герметика в пластиковом корпусе кристаллодержателя PLCC (от английского Plastic Leaded Chip Carrier), содержащий в полости PLCC светоизлучающий InGaN-диод. Было установлено, что светоизлучающие диоды имеют электролюминесцентное излучение в 450 нм диапазоне длин волн.
Указанный блок PLCC, содержащий InGaN и герметик, содержащий наночастицы, подключили к источнику постоянного тока с прямым напряжением 3,2 В и током 350 мА. В некоторых вариантах осуществления СИД имеет больший или меньший ток, например, в одной из альтернативных конструкций заявитель использует СИД с током 450 мА. Спектр оптического излучения указанного устройства характеризовался наличием двух пиков излучения, один из которых находился на длине волны в диапазоне 450 нм, а другой - на длине волны в диапазоне 660 нм. Было обнаружено, что полная ширина на полувысоте максимума для пика в области 660 нм составила свыше примерно 60 нм. Отношение интенсивностей пиков на 450 нм и 660 нм составило 0,5:1. Вышеописанный эксперимент был выполнен заявителем. В соответствии с изобретением создают несколько квантовых точек согласно приведенному выше описанию, причем некоторые из них отличаются размерами. В соответствии с изобретением, указанные квантовые точки, одна или несколько квантовых точек могут приводиться в действие электрическим током/напряжением от источника питания, или же указанная одна или несколько квантовых точек могут приводиться в действие посредством оптического возбуждения, или же и оптическим возбуждением, и электрическим током/напряжением от источника питания.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 31 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 32, 40, 50, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
Кроме того, с вариантом 31 осуществления можно комбинировать любую конструкцию светоизлучателя из документа ЕР 11158698.8 автора изобретения и заявителя. Указанный документ включен в настоящую заявку посредством ссылки.
На фиг. 3С показан вариант осуществления изобретения, в котором чип светоизлучателя содержит только квантовые точки. Предпочтительно, чтобы распределение квантовых точек по размеру давало бы спектр излучения с пиками на длинах волн, совпадающих с высоким фотосинтетическим поглощением, высокой отражательной способностью цветка и/или высокой чувствительностью зрения насекомого, как описано выше для некоторых вариантов осуществления.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 32 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 40, 50, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
Кроме того, с вариантом 32 осуществления можно комбинировать любую конструкцию светоизлучателя из документа ЕР 11158698.8 автора изобретения и заявителя. Указанный документ включен в настоящую заявку посредством ссылки.
Следует отметить, что в некоторых из вариантов осуществлений любой из вариантов 30, 31, 32 осуществления можно использовать для создания широкой УФ компоненты.
На фиг. 4 показан пример спектральной диаграммы 40, которая может быть получена с помощью способа и осветительного устройства согласно изобретению. Показанная серым цветом спектральная составляющая 410 предназначена для максимизации фотосинтетического поглощения на ватт затраченной энергии, и обычно эту спектральную составляющую генерирует голубой СИД в комбинации с выполняющим ап-конверсию по длине волны люминофором и/или квантовой точкой. В других вариантах осуществления такую спектральную составляющую генерируют двумя СИД и/или квантовыми точками.
Показанные жирными черными линиями спектральные составляющие 401, 402, 403 предназначены для освещения цветков растений для насекомых, чтобы сделать их максимально заметными для насекомых. Указанные спектральные составляющие обычно генерирует СИД и/или квантовая точка, запитанная электрическим током. В некоторых вариантах осуществления для получения спектральных составляющих 401, 402, 403, вместе с СИД и/или квантовыми точками используют фильтры, например, полосные фильтры.
По меньшей мере одна спектральная составляющая 401, 402, 403 должна иметь уровень относительной интенсивности, достаточный для выделения цветка относительно фона. В одном из предпочтительных вариантов осуществления уровень относительной интенсивности таков, что интенсивность удваивается спектральными составляющими 401, 402, 403 в соответствующих диапазонах спектральных составляющих. В другом предпочтительном варианте осуществления уровень относительной интенсивности таков, что интенсивность увеличивается спектральными составляющими 401, 402, 403 в соответствующих интервалах спектральных составляющих до десяти и более раз, чем достигается логарифмическое усиление.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 40 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 50, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
На фиг. 5 график аналогичен фиг. 4, за исключением того, что фотосинтетическая спектральная составляющая 510, улучшающая рост растений, смещена в более красную область спектра по сравнению с фотосинтетической спектральной составляющей 410, показанной на фиг. 4 для варианта 40 осуществления. В соответствии с изобретением, относительная интенсивность улучшающих опыление спектральных составляющих 401, 402, 403 может находиться на любом уровне.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 50 осуществления можно легко менять местами и/или комбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 40, 60, 70, 71 и/или 80 осуществления.
На фиг. 6 показан вариант 60 осуществления, имеющий фотосинтетическую спектральную составляющую 610, опробованную заявителем в теплице. Указанная спектральная составляющая была особенно успешна в условиях ограниченного естественного освещения. В варианте 60 осуществления указанная фотосинтетическая спектральная составляющая дополнена улучшающими опыление спектральными составляющими 402 и 403.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 60 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 40, 50, 70, 71 и/или 80 осуществления.
На фиг. 7 показаны различные конфигурации использования осветительного устройства согласно изобретению в тепличной среде. В варианте 70 осуществления по меньшей мере одно растение расположено на полу теплицы, и осветительное устройство светит светом на одно или более растение 711. Обычно теплица 701 имеет прозрачные стены, так что солнечный свет 730, появляющийся внутри после прохождения сквозь стену, спектрально будет аналогичен свету, излучаемому солнцем за вычетом фильтрующего действия материала, из которого выполнена стенка теплицы. Спектр 750, как было разъяснено выше, содержит пики на длинах волн, совпадающих с высоким фотосинтетическим поглощением, высокой отражательной способностью цветка и/или высокой чувствительностью зрения насекомых, и оптимизирован для сохранения указанных пиков при наличии дополнительного естественного солнечного освещения в соответствии с изобретением.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 70 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 40, 50, 60, 71 и/или 80 осуществления.
В варианте 71 осуществления растения с целью экономии места расположены на полках в открытых и закрытых вегетационных камерах. Естественно, осветительное устройство согласно изобретению может быть использовано для освещения всех или нескольких растений вместе при закреплении осветительного устройства 720 на крыше, или же малые осветительные устройства согласно изобретению могут быть закреплены на полках или в вегетационных камерах с тем, чтобы освещать растения для насекомых более локально.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 71 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 40, 50, 60, 70 и/или 80 осуществления.
На фиг. 8 показано применение варианта осуществления изобретения, пригодного для небоскреба в крупном городе. Как можно судить по ценам на недвижимость во многих городах США и ЕС, людям в городской среде свойственно предпочитать проживание на более высоких этажах, так как эти этажи находятся дальше от уличного шума и получают больше естественного освещения. В данном варианте осуществления нижние этажи здания используются для локального производства продуктов питания за счет наличия по меньшей мере одного растения 811 на нижнем этаже, где для освещения указанного по меньшей мере одного растения используется по меньшей мере одно осветительное устройство 822, 823 согласно изобретению. Указанное по меньшей мере одно растение 811 является растением, опыляемым насекомыми, и насекомых 840 заманивают в нижний этаж и к растениям 811 спектральными составляющими, которые излучают осветительные устройства 822, 823 и привлекают насекомых и более эффективно демонстрируют насекомым цветки в по меньшей мере одном растении 811. Тем самым обеспечивают высокоэффективное опыление и высокую урожайность на единицу дорогостоящей площади, расположенной рядом с потребителем.
Также следует отметить, что в соответствии с изобретением вариант 80 осуществления можно легко поменять местами и/или скомбинировать с вариантами 20, 30, 31, 32, 40, 50, 60, 70 и/или 71 осуществления.
В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрено излучение одного или более спектральных пиков в диапазоне 340-440 нм. Следует отметить, что любой из вышеуказанных вариантов осуществления также в соответствии с изобретением обеспечивает широкую УФ составляющую спектра, благодаря чему изобретение имеет широкую применимость, поскольку улучшается светоотражательная способность разнообразных поверхностей в целом. В соответствии с изобретением, более широкая УФ составляющая может использоваться для замены одного, нескольких или всех пиков спектра, или для дополнения их. При использовании квантовой точки СИД имеется возможность создания широкого спектра электролюминесценции на длинах волн УФ диапазона. Во всех вышеуказанных вариантах осуществления можно предусмотреть наличие признака, позволяющего осуществлять раздельное управление фотосинтетической спектральной компонентой и спектральной компонентой, повышающей опыляемость, то есть по необходимости можно включать и отключать одну из указанных компонент, другую из указанных компонент или обе из них сразу. Также в соответствии с изобретением может быть предусмотрено наличие средства регулирования относительной интенсивности излучения указанных двух компонент.
Выше изобретение было раскрыто со ссылкой на вышеуказанные варианты осуществления и были продемонстрированы некоторые коммерческие и промышленные преимущества. Указанные способы и системы согласно изобретению создают условия для снижения смертности насекомых за счет того, что конструкция на базе СИД и/или квантовой точки не представляет опасности для опыляющих насекомых. Осветительные устройства уровня техники, основанные на электрическом разряде, обычно привлекали насекомых, но при этом нагревались до экстремальной температуры, убивая многих опыляющих насекомых, приманенных близко к указанным осветительным устройствам уровня техники. Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что насекомые лучше видят цветки, эффективность опыления повышается, в результате чего растения лучше размножаются и урожайность повышается.
Повышенная выживаемость и улучшенное зрение дают дополнительный синергетический положительный эффект: известно, что насекомые способны к обучению действиям в различных условиях освещения и при разных длинах волн. Однако если насекомые слишком рано умерщвляются горячими лампами, обучение не успевает произойти. Осветительное устройство, не представляющее смертельной опасности для насекомых, вносит дополнительный вклад в улучшение опыления за счет того, что позволяет наиболее образованным насекомым опылять растения более эффективно, чем когда-либо ранее. Такое осветительное устройство также обеспечивает лучший отдых насекомым, так как с заявляемым осветительным решением насекомым проще найти дорогу к своему гнезду, чем без него. Учитывая способность насекомых обучаться, возможно, что они будут достаточно эффективно работать в условиях освещения, когда пиковая длина волны освещения не находится на максимуме чувствительности, если у них будет шанс приспособиться к условиям освещения.
Светоизлучающие диоды согласно изобретению также обеспечивают усовершенствование решения, известного из уровня техники и использующего HPS и HID лампы, благодаря тому что теперь спектр можно легко настраивать in situ, например ультрафиолетовые СИД можно включать только на время события опыления, то есть только когда опыляющие насекомые присутствуют вблизи цветков. В отключенном состоянии ультрафиолетовое освещение не помогает отыскивать цветки вредным насекомым, например вредителям. Эта возможность отсутствует в HPS и HID лампах уровня техники. Для генерации ультрафиолетового освещения требуется больше энергии, поэтому целесообразно отключать указанную спектральную составляющую тогда, когда она не используется.
Еще одним преимуществом изобретения является то, что осветительное устройство согласно изобретению улучшает любой или все из перечисленных показателей: плодоношение, размножение растения и/или рост растения. Такое улучшение обеспечивает синергетическое повышение урожайности выше того уровня, который может быть достигнут путем использования какого-либо одного осветительного решения в отдельности, и превосходит сумму отдельных эффектов. Повышенный рост зеленого растения обеспечивает созревание более крупных и высококачественных плодов, а более развитые плоды повышают перспективы на успех следующего поколения тепличных растений, лучшее размножение растений обеспечивает появление большего количества плодов, причем указанное большее количество плодов лучше поддерживается более сильным фотосинтетическим ростом растений. За счет указанных синергетических усовершенствований изобретение облегчает решение глобальной проблемы голода.
Изобретение было раскрыто со ссылкой на вышеуказанные варианты осуществления. Тем не менее подразумевается, что настоящее изобретение не ограничено только указанными вариантами осуществления, но включает в себя все возможные варианты осуществления в пределах сущности и объема изобретения, определяемого нижеприведенной формулой изобретения.
Библиографические ссылки
"Flower colour as advertisement", Chitka L. & Kevan, P.G. (2005), In Dafni, A., Kevan P.G., Husband, B.C. (eds.) Practical Pollination Biology. Enviroquest Ltd., Cambridge, ON, Canada, pp. 157-196.
Chittka L. & Menzel R. 1992, "The evolutionary adaptation of flower colours and the insect pollinators′ colour vision", Journal of Comparative Physiology A 171: 171-181.
Lehrer M. 1998, "Looking all around: honeybees use different cues in different eye regions", Journal of Experimental Biology 201: 3275-3292.
"Limits to salience of ultraviolet: lessons from colour vision in bees and birds", Kevan P.G. et al., Journal of Experimental Biology 204, p. 2571-2580 (2001).
Skorupski P., Döring T.F. & Chittka L. 2007, "Photoreceptor spectral sensitivity in island and mainland populations of the bumblebee, Bombus terrestris", Journal of Comparative Physiology A 193: 485-494.
Skorupski P. & Chittka L. 2007, "Photoreceptor spectral sensitivity in the bumblebee, Bombus impatiens (Hymenoptera: Apidae)", Plos ONE 5: 1-5.
EP 11158698.8, "Plant Illumination Device and Method for dark growth chambers", L. Aikala and I. Kivimäki.
EP 11158648.3, "Method and means for enhancing greenhouse lights", L. Aikala and I. Kivimäki.
EP 11158693.9, "Plant Illumination Device and Method", L. Aikala and I. Kivimäki.
WO/2011 033177, Lighting Assembly, L. Aikala.
WO 2009/040528, "An Insect Trap", Willcox J.C. and Weaver J.M.
1. Осветительное светоизлучающее диодное (СИД) устройство для растениеводства, отличающееся тем, что указанное осветительное СИД устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402 и 403) на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью цветков опыляющихся растений (710, 711), причем указанное осветительное СИД устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402 и 403) на длине волны, совпадающей с повышенной чувствительностью световосприятия зрения насекомого (840).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная повышенная отражательная способность и/или чувствительность превышает 90%-, 80%-, 70%-, 60%-, 50%-, 40%- или 30%-ный уровень максимума отражательной способности цветков опыляющихся растений и/или чувствительности световосприятия зрения насекомого в диапазоне длин волн от ультрафиолетового спектра (300-400 нм) до дальнего красного (700-800 нм).
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанное осветительное СИД устройство размещено в теплице (700, 701, 802), которая предназначена для выращивания растений (710, 711), опыляемых насекомыми.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанное осветительное СИД устройство выполнено с по меньшей мере одним светоизлучающим диодом (101, 102, 103 и 104) и/или квантовой точкой (110, 120, 130, 140, 150 и 160).
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрено наличие по меньшей мере одного спектрального пика на любой из следующих длин волн: 348 нм, 424 нм, 435 нм, 533 нм, 538 нм с интервалом погрешности ±10 нм и/или указанное осветительное СИД устройство выполнено с возможностью излучения широкого и плоского спектрального пика, обеспечивающего широкую ультрафиолетовую непрерывную компоненту.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанное осветительное СИД устройство является светильником для растениеводства, который содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод (101, 102, 103, 104), дополнительно содержащий:
a) первую спектральную характеристику, имеющую пик в интервале длин волн от 600 до 700 нм и демонстрирующую полную ширину на половине максимума, равную по меньшей мере 50 нм и более; и
b) вторую спектральную характеристику, имеющую максимум полной ширины на полувысоте максимума, равный 50 нм, и демонстрирующую пиковую длину волны в интервале от 440 до 500 нм (410, 510, 610).
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучение на длине волны 500-600 нм снижено ниже интенсивности в диапазоне 400-500 нм и ниже интенсивности в диапазоне 600-700 нм.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что спектр (40, 50, 60) излучения указанного осветительного СИД устройства содержит дальнюю красную область (700-800 нм) излучения.
9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что предусмотрена возможность генерирования части или всего излучения в диапазоне длин волн 600-800 нм с применением полной или частичной ап-конверсии по длине волны мощности излучения СИД (101, 102, 103, 104) чипа.
10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрена возможность включения и отключения по меньшей мере одного из указанных спектральных пиков без влияния на излучение указанным осветительным СИД устройством других спектральных компонент.
11. Способ выращивания растений, отличающийся тем, что растения (710, 711) освещают осветительным СИД устройством, излучающим по меньшей мере один спектральный пик (401, 402, 403) на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью цветков указанных опыляющихся растений, причем указанное осветительное СИД устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402, 403) на длине волны, совпадающей с повышенной чувствительностью световосприятия зрения насекомого.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанная повышенная отражательная способность и/или чувствительность превышает 90%-, 80%-, 70%-, 60%-, 50%-, 40%- или 30%-ный уровень максимума указанной отражательной способности цветков опыляющихся растений и/или чувствительности световосприятия зрения насекомого в диапазоне длин волн от ультрафиолетового спектра (300-400 нм) до дальнего красного (700-800 нм).
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанное осветительное СИД устройство используют в теплице (700, 701, 802), предназначенной для выращивания растений (710, 711), опыляемых насекомыми.
14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанное осветительное СИД устройство содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод (101, 102, 103, 104) и/или квантовую точку (110, 120, 130, 140, 150 и 160).
15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что обеспечивают наличие по меньшей мере одного спектрального пика на любой из следующих длин волн: 348 нм, 424 нм, 435 нм, 533 нм, 538 нм с интервалом погрешности ±10 нм и/или указанное осветительное СИД устройство излучает широкий и плоский спектральный пик, обеспечивающий широкую ультрафиолетовую непрерывную компоненту.
16. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанное осветительное СИД устройство является светильником для растениеводства, который содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод (101, 102, 103, 104), дополнительно содержащий:
c) первую спектральную характеристику, имеющую пик в интервале длин волн от 600 до 700 мм и демонстрирующую полную ширину на полувысоте максимума, равную по меньшей мере 50 нм и более; и
d) вторую спектральную характеристику, имеющую максимум полной ширины на полувысоте максимума, равный 50 нм, и демонстрирующую пиковую длину волны в интервале от 440 до 500 нм (410, 510, 610).
17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что излучение на длине волны 500-600 нм снижают ниже интенсивности в диапазоне 400-500 нм и ниже интенсивности в диапазоне 600-700 нм.
18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что спектр (40, 50, 60) излучения указанного осветительного СИД устройства содержит дальнюю красную область (700-800 нм) излучения.
19. Способ по п. 14, отличающийся тем, что все или часть излучения на длине волны 600-800 нм генерируют с применением полной или частичной ап-конверсии по длине волны мощности излучения СИД (101, 102, 103, 104) чипа.
20. Способ по п. 11, отличающийся тем, что обеспечивают возможность включения и отключения по меньшей мере одного из указанных спектральных пиков без влияния на излучение указанным осветительным СИД устройством других спектральных компонент.
