JP2002223636A

JP2002223636A - バルク型レンズを用いた植物栽培装置

Info

Publication number: JP2002223636A
Application number: JP2001020841A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tamaoki; 智玉置
Original assignee: LAB Sphere Corp
Current assignee: LAB Sphere Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-13

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＤ，ＬＥＤ等の発光半導体と、極めて効率
の高い光収束用バルク型レンズを用いて、植物の生育に
適した効率のよい栽培装置を提供する。【解決手段】植物栽培の光源として、ＬＥＤ１、ある
いはＬＤ１を用い、バルク型レンズ２０にＬＥＤ１ある
いはＬＤ１を装着し、ＬＥＤ１、あるいはＬＤ１のほと
んど全ての発光を収束し、極めて効率よく植物を栽培す
る。さらに、光源として、光波長の異なる複数の発光半
導体素子を組み合わせた、例えば、赤色、緑色、青色か
ら成るフルカラー発光体１を用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な構造の光学
レンズの提案に基づき、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）
等の半導体発光素子用の光学レンズとして好適なレンズ
を用いた植物栽培装置に関する。更に、植物生育の光源
として、半導体素子の発光、特に赤色、緑色、青色等の
種々の波長の発光を新規な構造の光学レンズで拡散した
光源を用いた植物栽培装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発
光素子は電気エネルギーを直接光エネルギーに変換する
ため、ハロゲンランプ等の白熱球や蛍光灯に比し、高効
率で、しかも発光に際し発熱を伴わないという特徴を有
する。白熱球においては、電気エネルギーを熱エネルギ
ーに変換し、その発熱に伴う光の輻射を利用しているの
であり、電気エネルギーの光への変換効率は低く１％を
超えることはない。蛍光灯においては、電気エネルギー
は放電エネルギーに変換されており、その光への変換効
率はまだ低い。一方、ＬＥＤにおいては、電気エネルギ
ーの光への変換効率は２０％を超える程度が可能で、白
熱球や蛍光灯に比し１００倍を超える変換効率が容易に
達成できる。さらに、ＬＥＤ等の半導体発光素子は、半
永久的とも言える長寿命であり、かつ蛍光灯のようなち
らつきの問題もないので、目や人体に悪影響を及ぼさな
い、人にやさしい光源ということが言える。

【０００３】かかる優れた特徴をＬＥＤは有するもの
の、光の出射面積が、１ｍｍ²程度の小さな面積である
ため、照明光として利用する場合は、１個のＬＥＤでは
光束が不足し、多数のＬＥＤを配列する必要がある。ま
た、ＬＥＤの発散角が、チップ状態では９０度、パッケ
ージタイプのものでも４０度前後と大きいため、光を収
束するためのレンズを必要とする。このため、多数のＬ
ＥＤをマトリックス状に配列し、個々のＬＥＤに光収束
用レンズを装着しなければならない。しかしながら、凸
形状の球面レンズなどを使用する従来の光学系を使用し
たのではＬＥＤの発散角が大きいために、低光損失で収
束しようとすればレンズ系が巨大化してＬＥＤを密に配
列できない、あるいは、レンズ系を小さくしてＬＥＤを
密に配列すると極端に光損失が大きくなるといった問題
が生ずる。また、従来のレンズ系を利用する場合は、Ｌ
ＥＤとレンズを光軸を合わせて保持する保持具が必要で
あり、このような保持具は精密加工を必要とするからコ
ストが高くなる。また、ＬＥＤとレンズを保持具に固定
するときには、光軸合わせの調整工程を必要とするので
コストが高くなる。上記問題点は、ＬＥＤが照明光とし
て利用されていない主要な原因である。

【０００４】ところで、植物を施設内で天候に左右され
ず、省力的に効率良く栽培するシステムが要望されてい
る。完全制御型や太陽光利用型の植物栽培工場の光源や
その補光として、従来から高圧ナトリウムランプ等が主
として用いられている。この高圧ナトリウムランプの可
視光域の発光効率は３０％程度と高く、設備も比較的簡
単である。

【０００５】これに対して、レーザダイオード（ＬＤ）
や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光半導体素子は、発
光スペクトルが光合成あるいはクロロフィルの吸収ピー
クにほぼ一致したものを選べ、小型軽量、低電圧駆動で
熱放射がなく長寿命である利点を有している。さらにＬ
Ｄの場合は光合成に有利な間欠照明に対応したパルス発
信が容易で、高効率、高出力で、電流で直接変調可能な
どの利点がある。このため、これら発光半導体素子を植
物栽培システムの光源として用いるべく、実用化研究が
進められている。

【０００６】半導体素子による発光は熱線を含まないの
で空調負荷を小さくでき、栽培工場がコンパクトにでき
るために照明効率が高く、寿命が高圧ナトリウムランプ
よりも長く光合成に有利なパルス点灯が可能等の利点が
ある。現在実用化されているＬＥＤの発光波長には、赤
外光７８０〜７００ｎｍ、赤色光６６０〜６５０ｎｍ、
橙色光６３０ｎｍ、黄橙色光６１０ｎｍ、黄色光５９０
ｎｍ、黄緑色光５６５ｎｍ、緑色光５５０ｎｍ、青色光
４８０〜４９０ｎｍ等がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題を解
決するためになされたものである。従って、本発明の目
的は、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）等の光源に用
いることが可能で、小型で、光損失が少なく、装着が容
易な、かつ、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や
焦点の変更が可能なバルク型レンズを光源に用いた植物
栽培装置を提供することである。更にまた、ナトリウム
ランプを用いた場合には、多量の放射熱があるため、照
射する植物との距離を十分に取らなければ枯れ死する恐
れがあり、照明熱を取り去るための空調の負荷が大きく
なり、装置が大型化して多量の電力を消費し、生産コス
トの３割にも達する、といった問題を解決するために、
半導体発光素子を光源とし、上記のバルク型レンズを使
用した植物栽培装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の植物栽培装置は、植物栽培用の光源の光束をバ
ルク型レンズを使用して収束することを特徴とする。す
なわち、本発明に用いるバルク型レンズは、頂部と、底
部と、外周部と、前記底部から前記頂部に向かって形成
された天井部と内周部とからなる凹部とを有している光
学媒体からなり、前記凹部が光源の収納部であり、前記
天井部が第１のレンズ面として、前記内周部が光入射面
として、前記外周部が全反射面として、前記底部が反射
面として、さらに前記頂部が第２のレンズ面として機能
するよう構成し、植物栽培用の光源の光束を、このバル
ク型レンズを使用して収束するよう構成したことを特徴
としている。凹部の内部に光源を収納した場合は、天井
部がレンズの入射面として、頂部がレンズの出射面とし
て機能する。内周部から光学媒体に入射した光は、全反
射して、又は底部で反射されて頂部に伝送される。ここ
で、「バルク型」とは、砲弾型、卵型、繭型、蒲鉾型
等、ある程度の厚み又は膨らみを有する固形体を意味す
る。光軸方向に垂直な断面の形状は、真円、楕円、三角
形、四角形、多角形等が可能である。バルク型のレンズ
本体の外周部は、円柱、角柱の円周部のような光軸に平
行な面でも良く、光軸に対してテーパを有していてもか
まわない。また、天井部及び頂部のレンズ面は、凸面、
凹面、平面、フレネルレンズ面のいずれかを適宜選択で
きる。

【０００９】本植物栽培装置に用いるバルク型レンズ
は、レンズ作用、及び入射面と出射面とを接続する光伝
送作用を有するので、光の波長に対して透明な材料であ
り、かつ、屈折率が空気の屈折率とは異なる必要があ
る。このような材料としては、アクリル樹脂等の透明樹
脂（透明プラスチック材料）、石英ガラス、ソーダ石灰
ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス
材料等が使用可能である。或いは、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の結
晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう性、屈曲性
や伸縮性のある透明ゴムのような材料でもかまわない。
なお、光源として、ハロゲンランプ等の白熱球を用いる
場合は、これによる発熱を考慮し、耐熱性光学材料を用
いるべきである。耐熱性光学材料としては、石英ガラ
ス、サファイアガラス等の耐熱ガラスが好ましい。或い
は、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポ
リカーボネイト樹脂、ポリエーテルエステルアミド樹
脂、メタクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、パー
フルオロアルキル基を有する高分子材料等の耐熱性樹脂
等の耐熱性光学材料が使用可能である。ＳｉＣ等の結晶
性材料も耐熱性に優れている。

【００１０】光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ等の
ように、発光に際して顕著な発熱作用を伴わない光源が
好ましい。ＬＥＤ等を用いれば、本発明の第１の特徴に
係るバルク型レンズの凹部（収納部）の内部に、「光
源」を収納した場合において、その発熱作用によって、
バルク型レンズに熱的影響を与えることがない。

【００１１】前記バルク型レンズを使用すれば、植物栽
培装置の光源の数を多数必要とすることなく、所望の照
度を有する植物栽培装置を簡単に得ることが出来る。こ
の照度は、光源の数を同一として較べれば、従来公知の
レンズ等の光学系では達成不可能な照度である。本発明
は、従来の技術では達成出来ない照度を簡単且つ小型な
構成で実現出来る。詳細は後述するが、従来の「両凸レ
ンズ」、「平凸レンズ」、「メニスカス凸レンズ」、
「両凹レンズ」、「平凹レンズ」、「メニスカス凹レン
ズ」等の薄型レンズでは、直径が無限大の大型なレンズ
を用いなければ、本発明の植物栽培装置に用いるバルク
型レンズに等価な機能を達成出来ない。

【００１２】ＬＥＤには内部量子効率と外部量子効率が
あるが、通常、外部量子効率は内部量子効率よりも低
い。本発明に用いるバルク型レンズにより、ＬＥＤを収
納部（凹部）に収納することにより、内部量子効率とほ
ぼ等しい効率で、潜在的なＬＥＤの光エネルギを有効に
取り出すことが可能となる。その原理は、（ａ）バルク
型レンズの頂部及び天井部であるレンズ面、及び外周部
での反射光（迷光）が外周部で全反射することによりバ
ルク型レンズ外にほとんど散逸しない、（ｂ）上記反射
光（迷光）の一部が頂部及び天井部であるレンズ面にも
どる、（ｃ）上記反射光（迷光）の一部が底部で反射さ
れて頂部及び天井部であるレンズ面にもどる、（ｄ）上
記反射光（迷光）の一部がＬＥＤ光源に吸収され再発光
する、さらに、（ｅ）内側面に入射する光も全反射によ
り導光し有効利用している、ことなどが考えられる。

【００１３】また、本発明に用いるバルク型レンズによ
れば、ＬＥＤ等の光源それ自身は、何ら手を加えること
なく、容易に、光の発散、収束等の光路の変更や焦点の
変更が可能である。すなわち、光源の発散角が既知であ
れば、第１及び第２の湾曲面の曲率半径等の選定が簡単
に出来る。なお、第１及び第２の湾曲面のいずれか一方
は、曲率半径が無限大、若しくは無限大に近い平坦な面
であっても良い。第１及び第２の湾曲面のいずれか一方
が、無限大ではない所定の（有限の）曲率半径を有して
いれば、光の収束、発散の制御が可能である。又、「所
定の発散角」は０°、即ち平行光線であっても良い。
又、発散角が９０°であっても、収納部が光源の発光部
を完全に光学的に覆っているため、有効にその光を集光
することが可能である。これは、従来のレンズ等の光学
系では不可能な作用である。即ち、天井部以外の収納部
の内周部も、有効な光の入射部として機能し得る。

【００１４】具体的には、本発明の第１の目的に係る光
源は、チップ状の半導体発光素子、透明材料でモールド
された半導体発光素子、又は、他の光源から光を導く光
ファイバの出射端面である。これらの光源を光学媒質を
介して収納部に収納しても良い。屈折率によって光学媒
質を適宜選択することによっても、光の発散、収束等の
光路の変更や焦点の変更が可能であり、また、内周面か
ら凹部に入射する光の屈折角を変えることができ、凹部
の全反射をより効果的にすることもできる。ここで、光
学媒質には、固体、液体、気体、のみならず、ゾル状、
コロイド状若しくはゲル状の光の波長に対して透明な物
質も含まれる。

【００１５】またさらに、本発明は、頂部と、底部と、
外周部と、この底部から頂部に向かって形成された天井
部と内周部からなる凹部とを有している光学媒体を用
い、凹部が光源の収納部であり、天井部及び頂部がレン
ズ面として、内周部が光入射面として、外周部が全反射
面として、底部が反射面として機能するとともに、内周
部の光入射面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以
上の大きさの凹凸面で構成されていることを特徴とする
バルク型レンズを植物栽培装置の光源に用いるものであ
る。この構成によれば、例えば、端面発光ＬＥＤのよう
にほとんどの出射光がチップの側面から出射するような
ＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を集光
できる。

【００１６】さらにまた、バルク型レンズは、レンズ部
と光源を収納する収納部とが一体で形成されているた
め、従来のレンズ系では必要であったレンズと光源を光
学的位置合わせをして保持する保持部を必要とせず、ま
た、光学的位置合わせ工程を必要とせず、ただ光源にか
ぶせるだけでよいので、極めて低コストである。

【００１７】また、本発明の植物栽培装置の光源とし
て、発光波長の異なる複数の半導体発光素子を組み合わ
せて用いることを特徴とする。上記発光波長の異なる複
数の半導体発光素子は、赤色、緑色、青色を発光する半
導体発光素子から成ることが好ましく、また、複数の半
導体発光素子を、ほぼ同一光軸上に配置すれば一層好ま
しい。

【００１８】本発明の栽培装置は、特殊なバルク型レン
ズを用いることにより、植物の照射強度を、半導体素子
を増やすことなく大幅に上げることができ、また照射熱
もほとんどないので、植物の近くに光源を設置しても植
物を枯らすことがない。従って、植物の生育に好適な波
長を有するＬＤ，ＬＥＤ等の半導体素子の発光を有効に
利用することができ、比較的高価な発光素子でも、実用
として十分に利用できる。又、半導体素子を用いている
ので発光条件等の制御が容易であり、センサーを用いる
ことにより、植物に最適な生育条件を容易に制御するこ
ともできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下，本発明の好適な実施の形態
を詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、
本発明の好適な実施例であり、以下の説明において本発
明を特に限定する記載がない限り，これら実施の形態に
限定するものではない。図１は、本発明の植物栽培装置
の一実施例に用いる光源装置の第１の構成に係る模式的
な断面図であり、所定の波長帯域の光を発するＬＥＤ等
の光源１と、この光源１を完全に囲むバルク型レンズ２
０とから少なくとも構成されている。そして、このバル
ク型レンズ２０は、頂部３と底部７と外周部９と、底部
７から頂部３に向かって形成された天井部２と内周部５
とから成る凹部６とから成る光学媒体であり、この凹部
６にスペーサ８を介して光源１がバルク型レンズ２０と
同心的に且つ完全に収納、固定され、上記天井部２がレ
ンズの光入射面として、上記頂部３がレンズの出射面と
して機能するように構成されている。

【００２０】図１の光源１は、ＬＥＤチップ１３と、こ
のＬＥＤチップ１３を載置する電極を兼ねた支持ピン１
１と、ＬＥＤチップ１３のもう一方の電極に電力を供給
する電極ピン１２と、チップ１３、支持ピン１１及び電
極ピン１２を覆う透明な樹脂モールド１４で構成されて
いる。樹脂モールド１４は、側部が円筒形を成してお
り、バルク型レンズ２０の凹部６の円筒形を成す内周部
５とスペーサ８を介して嵌合している。

【００２１】樹脂モールド１４の側面は、例えば、直径
（２ｒ）が２〜３ｍｍφの円柱形状であり、バルク型レ
ンズ２０の凹部６の内周部５は、例えば、直径が２．５
〜４ｍｍφの円柱形状となっている。ＬＥＤ１とバルク
型レンズ２０とを固定するために、ＬＥＤ１とバルク型
レンズ２０の凹部６との間には、厚さ０．２５〜０．５
ｍｍ程度のスペーサ８が挿入されている。スペーサ８
は、ＬＥＤ１の発光部を除く位置、即ち、図１において
ＬＥＤチップ１３の底面より底部７側に方に配置する。

【００２２】バルク型レンズ２０は、例えば頂部３が凸
形状球面を有し、外周部９が円柱形状を成している。こ
の外周部９の直径（２Ｒ₀）は、例えば、１０〜３０ｍ
ｍφであるが、使用目的に応じて任意に選択できる。し
かしながら、より集光効率を高くするためには、１０ｒ＞Ｒ₀＞３ｒ（１）の関係を満足することが好ましい。バルク型レンズ２０
の外周部９の直径（２Ｒ ₀）は、凹部６の内周部５の内
径（２ｒ）の１０倍以上でも、本発明のバルク型レンズ
は機能するが、必要以上に大きくなり、小型化を目的と
する場合は好ましくない。

【００２３】上記構成のバルク型レンズは、以下に説明
する理由により、従来の凸型形状の球面レンズを使用し
た光学系よりも極めて低損失で収束できる。ＬＥＤは発
散角の大きな光源であるため、従来の凸型形状の球面レ
ンズによって、ＬＥＤから発する全ての光を平行光線と
すると光損失が避けられない。図２は、従来の凸型形状
球面レンズによる集光作用を示す図で、図２（Ａ）は凸
型片球面レンズを使用して、ＬＥＤ光源からの光を平行
光とする状態を示している。図において、レンズは曲率
半径ｒを有し、光源から焦点距離ｆに配置している。片
球面レンズの焦点距離は、レンズの屈折率をｎとして、
ｆ＝ｒ／（ｎ−１）であるから、屈折率ｎ＝１．５とし
た場合、ｆ＝２ｒとなる。従って、図から明らかなよう
に、レンズが受光できる発散角の最大は３０°となり、
図のＢに示す光線は平行光とすることができない。すな
わち、従来のレンズを使用したのでは、焦点距離と曲率
半径の関係から定まる開口角以上の光は取り込むことが
できないので、損失が大きい。ＬＥＤ光源は３０°以上
の発散角を有するものが多く、この場合には、上記理由
により、大きな損失が生じる。従来はこのような場合、
高屈折率レンズを使用して改善しているが、コストが高
くなる。あるいは、レンズを複雑に組み合わせて対処し
ている例もあるが、この場合には、下記に説明するフレ
ネル反射損が増大してしまう。

【００２４】図２（Ｂ）は、従来の凸型片球面レンズ入
射面における反射の状況を示す図である。図において、
矢印のついた線は、ＬＥＤ１から出射し、凸型形状球面
レンズの光入射面で反射される光線を表す。θ（θ₁、
θ₂）はＬＥＤから出射角、すなわち発散角を表し、φ
（φ₁、φ₂）はそれぞれの光線のレンズ面での入射角
を表す。図３は、フレネルの反射の法則を表した図であ
る。図において、横軸は光線の入射角であり、縦軸は光
強度の反射率であり、レンズの屈折率を１．５とし、空
気中から光線がレンズ面に入射する場合を表している。
図から明らかなように、入射角が５０°あたりまでは反
射率が低く一定であるが、５０°を越えたあたりから急
激に反射率が増加するのがわかる。図２（Ｂ）に示した
入射角が大きい光線は、図３のフレネルの反射の法則か
ら明らかなように反射される割合が高い。例えば、屈折
率１．５の片凸型球面レンズを使用し、このレンズの焦
点距離に、発散角３０°の光源をおいて平行光を作る場
合には、上記の反射光による損失は全光量の３０％近く
に達する。従って、従来の光学系におけるように、レン
ズを多段に接続したのでは、フレネル反射が多段に生ず
ることになり、損失が増えてしまう。これらの反射光は
空間に散逸してしまい、収束光として利用することはで
きない。

【００２５】一方、本発明に使用するバルク型レンズに
おいては、発散角が大きい光束であっても、全ての光束
をレンズ面に入射させることができ、バルク型レンズの
幾何学構造の設計により、全ての光束を平行光線にでき
るから、極めて損失の少ないレンズである。また、フレ
ネルの反射を起こす反射面は、天井部２及び頂部３であ
るから、これらの面で反射した反射光（迷光）はバルク
型レンズ内に反射される。これらの反射光（迷光）は、
外周部９で全反射することによりバルク型レンズ外に散
逸せず、一部が頂部３及び天井部２であるレンズ面にも
どり収束光となる。また、他の一部は、底部７で反射さ
れて頂部３又は天井部２にもどり、収束光となる。ま
た、他の一部はＬＥＤ光源で吸収されて再発光し、収束
光となる。

【００２６】図４は、ＬＥＤ光源１にもどった光が再発
光する過程を示す図である。図において、もどってきた
光はＰＮ接合で吸収されてホールと電子を生じ、このホ
ールと電子が再結合して再発光する。特にこの効果は、
ヘテロ構造を有するＬＥＤの場合に大きい。ヘテロ構造
のＬＥＤは、発光部であるＰＮ接合部のバンドギャップ
・エネルギーが、Ｐ及びＮ領域のバンドギャップ・エネ
ルギーよりも小さく形成されているので、反射光（迷
光）はＰ又はＮ領域では吸収されずに、ＰＮ接合部のみ
で吸収され、再発光する。さらにまた、本発明のバルク
型レンズにおいては、内周部５に入射する光も外周面９
における全反射によって頂部３に導かれ、収束光となっ
て出射する。この効果は、ＬＥＤ光源１を、バルク型レ
ンズの光学媒質よりも屈折率の高い光学媒質を介して収
納部に収納するとさらに効果が高まる。本発明のバルク
型レンズにおいては上記に説明した相乗効果により、内
部量子効率とほぼ等しい効率で、ＬＥＤ光源の光を有効
に収束光として取り出しているため、従来の凸型形状の
球面レンズに較べ極めて低損失になると考えられる。

【００２７】図５は、本発明の実施例に用いるバルク型
レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を作成し
た場合の特性を比較するための測定系を示す図である。
図５（Ａ）はバルク型レンズ２０を用いた場合の、光軸
方向に対して垂直方向に光強度（照度）分布を測るため
の測定系を示す模式図である。バルク型レンズ２０の出
射面からの出力光の強度（照度）を、ＬＥＤ１からの測
定距離ｘ＝一定とし、照度計１０２をｙ軸方向に移動し
て測定する。測定距離（ｘ）は、光軸方向に測る。一
方、図５（Ｂ）は、同様な測定を従来の両凸レンズを用
いて行うことを示す図である。

【００２８】図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す測定において
は、本発明の第１の実施例に係るバルク型レンズ２０の
外径は３０ｍｍφとし、比較に用いた両凸レンズ１０１
の外径は、この２倍強の６３ｍｍφとした。両凸レンズ
１０１は、焦点距離１５０ｍｍのものを用い、ＬＥＤ１
からｘ方向に１５０ｍｍの位置に配置した。また、ＬＥ
Ｄ光源１の発散角は約１２度のものを使用した。

【００２９】図６は、本発明の第１の実施例に用いるバ
ルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで平行光を
作成した場合の特性を比較した図であり、バルク型レン
ズ２０、従来の薄型レンズ（両凸レンズ）１０１、及び
バルク型レンズを用いない裸のＬＥＤのそれぞれの出力
光のｙ方向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘ＝
１ｍにおいて測定した場合の結果を示す。本発明の第１
の実施の形態に用いるバルク型レンズ２０が、従来の薄
型レンズ（両凸レンズ）１０１の２倍の照度が得られて
いる。この結果は、バルク型レンズが従来の光学系では
実現できない効果を有することを示している。

【００３０】図７は、本発明の第１の実施例に用いるバ
ルク型レンズと従来の凸形状の球面レンズとで作成した
平行光の平行度を評価した図である。図５と同様にｙ方
向に沿った強度（照度）分布を、測定距離ｘを変化させ
て測定したデータをまとめたものである。図の横軸は、
測定距離ｘの逆数の２乗、即ち１／ｘ²を示し、縦軸は
測定距離ｘにおける最大強度（ピーク強度）を示す。図
から明らかなように、本発明のバルク型レンズの場合
は、逆２乗則、即ち１／ｘ²を示す線上にきれいに測定
点がプロットされる。一方、従来の薄型レンズ（両凸レ
ンズ）１０１の場合は、逆２乗則からずれていることが
わかる。この結果は、本発明の第１の実施例に係るバル
ク型レンズ２０は、平行度においても十分であり、従来
のレンズ系に較べ、勝るとも劣らない性能を実現できる
ことを示している。

【００３１】図８は本発明の第１の実施例に用いるバル
ク型レンズの幾何学的構造と集光率の関係を示す図であ
る。ここで「集光率」とは、「バルク型レンズからの±
１°以内の発散角における出力光の光量」を、「光源
（ＬＥＤ）からの±１２°以内の発散角における光量」
で除した量で定義している。すなわち光線ビーム径に対
応する量である。頂部３の曲率半径Ｒ、バルク型レンズ
の全長Ｌ、媒体長（頂部と天井部のレンズ間距離）Ｄ、
収納部内径（凹部の内周部系）ｒ、天井部２の曲率部分
長さΔをパラメータとして、集光率を測定した。尚ここ
で、Δの符号は図１に示すように、天井部２が凹である
場合を負とし、凸の場合を正と定義する。図９はバルク
型レンズの幾何学的構造を示す図である。図８から、集
光率を向上するためには、０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６・・・・・（２）ｋ＝１／（０．３５・ｎ −０．１６８）・・・・・（３）を満足することが好ましいことが実験的にわかる。ここ
で、ｎは、バルク型レンズの材料である光学媒質の屈折
率である。なお、バルク型レンズ２０の円柱形状部分の
半径Ｒｏと、頂部３の曲率半径をＲとは、必ずしも等し
い必要はない。

【００３２】次に、バルク型レンズの第２の構成例を説
明する。図１０は、天井部２を凸形状にしたバルク型レ
ンズの構造を示す図である。図１０において、バルク型
レンズ２２は、天井部２の形状が異なる外は、図１に示
したバルクレンズ２０と同等である。測定に用いたバル
ク型レンズ２２の円柱形状部分の外径２Ｒｏは１５ｍｍ
φ、バルク型レンズの全長Ｌは、２５ｍｍ、頂部と天井
部のレンズ間距離Ｄは１６ｍｍ、収納部６の内径ｒは
５．２ｍｍ、バルク型レンズの屈折率ｎは１．５４であ
る。このバルク型レンズの頂部３の曲率半径Ｒは８．２
５ｍｍである。又、測定に用いた樹脂モールドされたＬ
ＥＤ１の外径は５ｍｍφである。

【００３３】図１１（ａ）〜（ｃ）及び図１２（ａ）〜
（ｃ）は、天井部２の凸部の高さΔと、ビーム強度プロ
ファイルとの関係を示す図である。光源からの距離ｘ＝
１ｍで照度を測定した。図から明らかなように、天井部
２を凸形状のレンズとしても集光特性が得られることが
わかる。

【００３４】このようにして、本発明の第１及び第２の
実施例に用いる発光体によれば、樹脂モールドされたＬ
ＥＤ１の数を多数必要とすることなく、照明に寄与する
光ビームとして所望の照射面積の光束を確保し、且つ所
望の照度を簡単に得ることが出来る。この照度は従来公
知のレンズ等の光学系では達成不可能な照度である。驚
くことに、現在市販されているハロゲンランプを用いた
細身の懐中電灯と同程度の照度がたった１個のＬＥＤで
実現出来たのである。このように、本発明の第１の実施
例に係る発光体によれば、従来の技術では実現できない
照度を、図１に示すような簡単な構造で実現できる。

【００３５】なお、本発明の第１及び第２の実施例に係
る発光体に用いる樹脂モールドされたＬＥＤ１として
は、種々の色（波長）のＬＥＤが使用可能である。但
し、懐中電灯のような照明目的のためには、白色ＬＥＤ
が人間の目には自然であるので好ましい。白色ＬＥＤは
種々の構造のものが使用出来る。例えば、赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）及び青（Ｂ）の３個のＬＥＤチップを縦に積層し
て構成しても良い。この場合、樹脂モールド１４から、
それぞれの色のＬＥＤチップに対応し、合計６本のピン
が導出されても良く、樹脂モールド１４の内部配線とし
て、６本のピンを２本にまとめ、外部ピンとしては２本
設けられた構造としてもかまわない。又、一方の電極
（接地電極）を共通とすれば、外部ピンは４本でよい。
又、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色及び青（Ｂ）色の３枚のＬ
ＥＤチップの駆動電圧を互いに独立に制御出来るように
しておけば、あらゆる色の混合が可能であるので、色合
いの変化を楽しむことが可能である。

【００３６】本発明の第１及び第２の実施例に係る発光
体に用いるバルク型レンズ２０としては、アクリル樹脂
等の透明プラスチック材料、石英ガラス、ソーダ石灰ガ
ラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等の種々のガラス材
料等が使用可能である。或いは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｓｉ
Ｃ等の結晶性材料を用いてもかまわない。又、可とう
性、屈曲性や伸縮性のあるゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合
物、或いは透明ゴムのような材料でもかまわない。ま
た、ゾル、ゲル、ゾル・ゲル混合物等を、透明ゴムやフ
レキシブルな透明プラスチック材料等に格納して用いて
も良い。アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等は、
バルク型レンズ２０を大量生産するのに好適な材料であ
る。即ち、一度金型を作り、この金型により成形加工す
ればバルク型レンズ２０が簡単に大量生産出来る。

【００３７】次に、第１及び第２の実施例の変形例につ
いて説明する。第１及び第２の実施例の変形例における
バルク型レンズは、端面放射型ＬＥＤのように、ＬＥＤ
チップの側面から発光する光源を使用する場合にも使用
することができる。端面放射型ＬＥＤはＬＥＤチップの
側面から発光するものであり、そのため、上記実施例１
及び２のバルク型レンズにこのＬＥＤチップを装着した
場合には、バルク型レンズの内周部５に垂直に入射する
成分が多くなるため、全反射されずにバルク型レンズの
外部に散逸する光が多くなる。第１及び第２の実施例の
変形例のバルク型レンズはこのような光源に対しても、
極めて低損失で収束光を得ることができる。

【００３８】図１３は、バルク型レンズの内周部５と外
周部９とが傾きを有する場合の光線の光路を示す図であ
る。図において、光源の発散角をθ_d、内周部５と外周
部９との傾き角をφ、外周部９の全反射角をθ_t、内周
部５における光線の入射角、屈折角をθ₁及びθ₂、そ
してバルク型レンズの光学媒質の屈折率、収納部（凹
部）６の屈折率をｎ₂及びｎ₁とする。図は、光源の最
大出射角、すなわち、発散角の光線が傾き角をφによ
り、全反射条件を満たし、全反射されている状態を表し
ている。内周部５において、スネルの屈折の法則より、
θ₁とθ₂の間には、ｓｉｎθ₁／ｓｉｎθ₂＝ｎ₂／ｎ₁ （４）が成り立ち、また、図から明らかなように、θ_t、φ、
θ₂の間には、 θ_t＝φ＋θ₂ （５）が成り立つ。また、図から明らかなように、θ_d、
θ₁、φの間には、 θ_d＝９０°−（θ₁＋φ）（６）の関係が成り立つ。上記（４）、（５）、（６）式より
θ₁とθ₂を消去すると、バルク型レンズが全反射角θ
_tを有し、光源の発散角がθ_dである場合の、全反射す
るために必要な傾き角φを与える関係式として、ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t （７）が得られる。すなわち、（７）式を満たす傾き角φ以上
で内周部５と外周部９が傾いていれば、たとえ、内周部
５に垂直に光が入射する場合（θ_d＝９０°）でも全反
射され、頂部３へ、あるいは底面７で反射して頂部３へ
導かれるから、収束光を得ることができる。

【００３９】図１４は、上記のバルク型レンズの構成を
示す図である。図１４（Ａ）は、バルク型レンズ２０の
内周部５の表面に微細な凹凸を設けた例を示している。
この凹凸は少なくとも（７）式を満足するφ以上の傾き
角を有しており、また、この凹凸の大きさは光波長程度
でよい。また、この凹凸は、内周部５の光源近傍に設け
るだけでよい。このような凹凸は、適切な粒径の研磨剤
を用いて、内周部５の表面を磨くことによって簡単に形
成できる。図１４（Ｂ）は、ほぼ真横方向に出射した光
線がバルク型レンズ内を全反射して、又は底面７で反射
してかつ側壁で全反射して、頂部３に導かれる様子を示
している。このように、例えば、端面発光ＬＥＤのよう
にほとんどの出射光がチップの側面から出射するような
ＬＥＤを使用する場合においても、全ての出射光を収束
できる。さらにまた、レンズ部と光源を収納する収納部
とが一体で形成されているため、従来のレンズ系では必
要であったレンズと光源を光学的位置合わせをして保持
する保持部を必要とせず、また、光学的位置合わせ工程
を必要とせず、ただ光源にかぶせるだけでよいので、極
めて低コストである。

【００４０】次に本発明の植物栽培装置について説明す
る。図１５に示すように、本発明の植物栽培装置３０
は、電源部３１，制御部３２，駆動部３３，発光部３４
からなり、電源部３１と制御部３２，制御部３２と駆動
部３３、駆動部３３と発光部３４はそれぞれ導線により
接続され、必要に応じて制御部３２にセンサー３５が接
続されている。電源部３１の電源としては、通常、商用
電源が用いられるが、発光素子を発光させる能力を有す
るものであれば特に限定はない。例えば太陽光発電，燃
料電池等の設備があれば、畑、山間地等の商用電源が利
用できない場所でも本発明の栽培装置を用いることがで
きる。

【００４１】本発明で用いる制御部３２，駆動部３３は
通常の半導体発光に用いられる装置でよい。本発明で用
いる発光部３４は、バルク型レンズ２０内の凹部６に半
導体発光素子１が設置された構造となっており、発光半
導体素子１としては、単一の波長の発光半導体素子であ
ってもよいが、好ましくは、波長の異なる複数の発光半
導体素子を組み合わせることにより、複数の波長の混合
効果（エマーソン効果）が得られる。また、発光半導体
素子１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はＬＤ（レーザ
ダイオード）である。

【００４２】発光色としては例えば、赤色，緑色，青色
の３原色の他に、赤外光，紫外光等を所望に応じて用い
ることができ、赤色，緑色，青色から成るフルカラー発
光体が好適に用いられる。一つのバルク型レンズを有効
に利用するためには、レンズのほぼ同一光軸上に、レン
ズに遠い方から赤色，緑色，青色の各発光半導体素子を
配置することにより、各色の発光が有効に利用できるの
で好適である。すなわち、赤色光は、光のエネルギーが
緑、及び青の発光半導体素子のバンドギャップエネルギ
ーよりも小さいので、緑、及び青の発光半導体素子に吸
収されずに緑、及び青の発光半導体素子を透過し、発光
する。同様に、緑色光は、光のエネルギーが青の発光半
導体素子のバンドギャップエネルギーよりも小さいの
で、青の発光半導体素子に吸収されずに青の発光半導体
素子を透過し、発光する。フルカラー発光体は、制御部
からの信号により、赤色，緑色，青色等の各色発光体の
電流制御を行い、各色の発光出力レベルと照射時間等所
望の制御を行うことができる。

【００４３】上記構成の本発明の植物栽培装置３０は、
電源部３１から制御部３２，駆動部３３に制御，駆動電
力が送られる。また、制御部３２から駆動部３３に駆動
信号が送られ、この駆動信号に基づき、駆動部３３は発
光部３４の発光体１を発光させる。発光体１はバルク型
レンズ２０内の凹部６に装着されている。発光体からの
発光はバルク型レンズ２０によって収束されて植物３６
に照射される。また、制御部３２に設けたセンサー３５
により、昼夜等の環境条件を検知したり、特定の条件を
入力する等の外部制御が可能となり、所望に応じて種々
の条件を設定することも可能である。

【００４４】ＬＤ，ＬＥＤ等の発光半導体素子を用いた
最近の研究によれば、植物、特にサラダナ等の栽培で
は、ＬＤ単独で用いると、単色性ゆえに光合成速度と成
長率はやや落ちるが、赤色光（Ｒ）６４０〜６９０ｎｍ
と青色光（Ｂ）４２０〜４７０ｎｍの割合（Ｒ／Ｂ比）
が、光量子束密度の単位で１０対１程度の場合に、サラ
ダナは十分健全に生育することが知られている。

【００４５】特に、光合成あるいはクロロフィルの吸収
ピークにほぼ合致した赤色波長６６０ｎｍと青色波長４
５０ｎｍを、Ｒ／Ｂ比が１０対１で栽培を行うと、５０
μｍｏｌ／ｍ²・ｓｅｃのかなり低い光量子束密度でも
健全に育てられることが明らかになってきた。従って、
本発明においても発光半導体素子１の波長を上記条件に
揃えれば、サラダナの生育に好適である。

【００４６】本発明では、上記のような半導体素子１の
発光を本発明のバルク型レンズ２０により収束させて用
いる。バルク型レンズ２０は、凹部６に装着した発光体
の発散角が大きくても、天井部２、内周部５を光入射面
として全ての発光を取り込み、頂部３で収束して出射
し、更に、フレネル反射光は全てバルク型レンズに閉じ
込められ、この反射光の一部は外周部９，内周部５に導
かれ、底部７で反射され、頂部３で収束して出射し、
又、発光体が半導体発光素子である場合には、この反射
光の他の一部は、半導体発光素子のＰＮ接合で吸収さ
れ、再発光するから、発光体の全ての光を収束でき、極
めて効率の良い光収束用レンズ系である。また、バルク
型レンズ２０は、凹部６が発光体の保持部を兼ねている
ので、レンズと発光体との保持具を必要とせず、又、光
学的位置合わせを必要とせず、ただ、発光体に被せれば
よいので、極めて低コストである。植物栽培において
は、植物の葉、幹、又は根の部分を照明すればよいの
で、上記バルク型レンズを用いた本発明の植物栽培装置
は、極めて少ない発光量で必要な照度を得ることがで
き、また、光収束に用いるバルク型レンズが極めて低コ
ストであり光学位置合わせの工程を必要としないので、
極めて低コストである。ちなみに、同一の、かつ、同数
のＬＥＤを使用して、バルク型レンズを用いて光収束し
た場合と、従来の凸型球面レンズによる光学系で光収束
した場合で光照度を比較すると、バルク型レンズを用い
た装置は、従来の光学系を用いた装置に較べ、５倍以上
照度が高かった。

【００４７】本発明の栽培装置３０は、バルク型レンズ
２０を用いることにより、植物への照射強度を５倍以上
に上げることができ、また照射熱もほとんどないので、
植物３６の近くに光源部３４を設置しても植物３６を枯
らすことがない。従って、植物３６の生育に好適な波長
を有するＬＤ，ＬＥＤ等の半導体素子１の発光を有効に
利用でき、比較的高価な発光素子でも、実用として十分
に利用できる。又、半導体素子を用いた場合には、発光
条件等の制御が容易であり、センサーを用いることによ
り、植物３６に最適な条件を容易に作り出すことができ
る。

【００４８】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、ＬＥ
Ｄ、ＬＤ等の半導体光源を用いることが可能で、これら
の光源の発光する実質的に全ての光を収束することがで
き、かつ、極めて低コストなバルク型レンズを、植物栽
培装置に適用できる。従って、本発明の植物栽培装置
は、このバルク型レンズを用いることにより、植物の照
射強度を大幅に上げることができ、また照射熱もほとん
どないので、植物の近くに光源を設置しても植物を枯ら
すことがない。そのため、植物の生育に好適な波長を有
するＬＤ，ＬＥＤ等の半導体素子の発光を有効に利用す
ることができ、比較的高価な発光素子でも、実用として
十分に利用できる。

【００４９】また、半導体素子を用いた場合には、発光
条件等の制御が容易であり、制御部に設けたセンサーに
より、昼夜等の環境条件を検知したり、特定の条件を入
力する等の外部制御が可能となり、所望に応じて種々の
条件を設定でき、植物に最適な条件を容易に作り出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に用いるバルク型レンズ
の構成を示す断面図である。

【図２】従来技術のレンズ系による損失の状況を示す図
である。

【図３】フレネル反射を示す図である。

【図４】ＬＥＤのＰＮ接合において反射光（迷光）が再
発光する過程を示す図である。

【図５】本発明に用いるバルク型レンズと従来のレンズ
との特性比較に用いた測定系を示す図である。

【図６】本発明に用いるバルク型レンズと従来のレンズ
の集光特性の比較図である。

【図７】本発明に用いるバルク型レンズと従来のレンズ
の集光特性の比較図である。

【図８】本発明に用いるバルク型レンズの幾何学形状の
違いによる特性変化の実測値を示す図である。

【図９】図８の測定に用いたバルク型レンズの幾何学形
状を示す図である。

【図１０】本発明に用いるバルク型レンズの第２の構成
を示す断面図である。

【図１１】本発明に用いるバルク型レンズの第２の構成
に係る幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す
図である。

【図１２】本発明に用いるバルク型レンズの第２の構成
に係る幾何学形状の違いによる特性変化の実測値を示す
図である。

【図１３】第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの
原理を説明する模式図である。

【図１４】第１及び２の変形例に係るバルク型レンズの
構成を示す図である。

【図１５】本発明の植物栽培装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光源２天井部３頂部４光学媒体５内周部６凹部７底部８スペーサ９外周部２０バルク型レンズ３０直物栽培装置３１電源３２制御部３３駆動部３４発光部３５センサー３６植物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｓ 1/02 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】頂部と、底部と、外周部と、前記底部か
ら前記頂部に向かって形成された天井部と内周部とから
なる凹部とを有している光学媒体からなり、前記凹部が
光源の収納部であり、前記天井部が第１のレンズ面とし
て、前記内周部が光入射面として、前記外周部が全反射
面として、前記底部が反射面として、前記頂部が第２の
レンズ面として機能するよう構成したバルク型レンズを
有し、植物栽培用の光源の光束を、前記バルク型レンズ
を使用して収束することを特徴とする、植物栽培装置。
【請求項２】前記バルク型レンズは、前記光学媒体の
外周部の外径が前記内周部の内径の３倍以上１０倍以下
であることを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培装
置。
【請求項３】前記第１のレンズ面を凸面に形成したこ
とを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培装置。
【請求項４】前記第１のレンズ面を凹面に形成したこ
とを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培装置。
【請求項５】前記第１のレンズ面を平面に形成したこ
とを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培装置。
【請求項６】前記第１のレンズ面を平フレネルレンズ
面に形成したことを特徴とする、請求項１に記載の植物
栽培装置。
【請求項７】前記第２のレンズ面の曲率半径をＲ、前
記バルク型レンズの光軸方向に測った全長をＬ、バルク
型レンズの屈折率をｎとして、０．９３＜ｋ（Ｒ／Ｌ）＜１．０６ｋ＝１／（０．３５・ｎ − ０．１６８）の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の
植物栽培装置。
【請求項８】前記第１のレンズ面の突き出し量をΔ、
前記光学媒体の外周部の外径を２Ｒｏとして、０．０２５＜ Δ／Ｒｏ＜０．０７５の関係を満足することを特徴とする、請求項１に記載の
植物栽培装置。
【請求項９】前記光学媒体の底部に、更に背面鏡を備
えたことを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培装
置。
【請求項１０】前記光学媒体の内部に、更に他の凹部
を並列配置したことを特徴とする、請求項１に記載の植
物栽培装置。
【請求項１１】前記光学媒体が可とう性、若しくは屈
曲性を有することを特徴とする、請求項１に記載の植物
栽培装置。
【請求項１２】頂部と、底部と、外周部と、前記底部
から前記頂部に向かって形成された天井部と内周部から
なる凹部とを有している光学媒体からなり、前記凹部が
光源の収納部であり、前記天井部が第１のレンズ面とし
て、前記内周部が光入射面として、前記外周部が全反射
面として、前記底部が反射面として、前記頂部が第２の
レンズ面として機能するとともに、前記内周部の光入射
面が所定の傾きを有する少なくとも光波長以上の大きさ
の凹凸面で構成されているバルク型レンズを有し、植物
栽培用の光源の光束を、前記バルク型レンズを使用して
収束することを特徴とする、植物栽培装置。
【請求項１３】前記バルク型レンズの前記光入射面の
所定の傾きφは、前記凹部の屈折率をｎ₁、前記光学媒
体の屈折率をｎ₂、前記光学媒体内の外周部面における
全反射角をθ_t、上記光源の発散角をθ_dとして、ｓｉｎ^-1｛ｎ₁／ｎ₂ｃｏｓ（θ_d＋φ）｝＝θ_t から定まる角度であることを特徴とする、請求項１２に
記載の植物栽培装置。
【請求項１４】前記光源として、発光波長の異なる複
数の半導体発光素子を組み合わせて用いることを特徴と
する、請求項１又は１２に記載の植物栽培装置。
【請求項１５】前記発光波長の異なる複数の半導体発
光素子が、赤色、緑色、青色を発光する半導体発光素子
から成ることを特徴とする、請求項１４に記載の植物栽
培装置。
【請求項１６】前記半導体発光素子を、ほぼ同一光軸
上に配置したことを特徴とする、請求項１４に記載の植
物栽培装置。
【請求項１７】前記半導体発光素子が、ＬＥＤ又はＬ
Ｄであることを特徴とする、請求項１又は１２に記載の
植物栽培装置。