JP2012005453A - Plant cultivation device, and method for cultivation of plant - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently perform radiation of light in plant cultivation.SOLUTION: The plant cultivation device 1 includes an illumination part 11, a photographing part 12, and a control part. The illumination part 11 includes a light source part 111, an optical fiber 112, and a scan mechanism 113. The light source part 111 includes a semiconductor laser. The photographing part 12 obtains an image of a cultivation object 91, and a light radiation range is determined based on the image. The scan mechanism 113 two-dimensionally scans light from the optical fiber 112. Under control by the control part, light is outputted from the semiconductor laser only while the radiation position is located within the radiation range. The radiation range is changed in accordance with growth of the cultivation object 91. Light is thus efficiently radiated to the cultivation object 91. Since the optical fiber 112 is used, effects of heat emitted from the light source 111 on the cultivation object 91 are reduced.

Description

本発明は、人工的な照明により植物を栽培する技術に関連する。   The present invention relates to a technique for cultivating plants by artificial lighting.

近年、人工的な照明により植物を栽培する研究が行われており、植物工場として実用化されている。このような植物栽培では、照明に要するコストは重要であり、電球や蛍光灯に代えて寿命の長い発光ダイオード(LED:light emitting diode)の利用が注目されている。しかし、LEDは電球や蛍光灯に比べて高価であるため、LEDの使用個数の削減が必要となる。   In recent years, research on cultivating plants by artificial lighting has been carried out and put into practical use as a plant factory. In such plant cultivation, the cost required for lighting is important, and the use of light emitting diodes (LEDs) having a long life instead of light bulbs and fluorescent lamps has attracted attention. However, since LEDs are more expensive than light bulbs and fluorescent lamps, it is necessary to reduce the number of LEDs used.

例えば、特許文献1では、1つの植物に光を照射する複数のLED(または半導体レーザ(LD:laser diode))のそれぞれにバルク型レンズが設けられる。これにより、LEDからの光が効率よく植物に照射される。特許文献2の図9では、畝上の植物にのみ光が当たるようにLEDユニットを配置し、移動部にてLEDユニットを移動する技術が開示されている。また、LED照明部の高さを調整することにより、光量が変更される。特許文献3では、直管タイプの光源に略樋形状の反射板を設け、栽培用ベンチの大きさや、多数の植物の生長度合いに応じて反射板を変形させる技術が開示されている。非特許文献1では、LEDやLDによる植物へのパルス照射により、植物による光の吸収効率が高められる点に言及されている。   For example, in Patent Document 1, a bulk lens is provided in each of a plurality of LEDs (or semiconductor lasers (LDs)) that irradiate light to one plant. Thereby, the light from LED is irradiated to a plant efficiently. FIG. 9 of Patent Document 2 discloses a technique in which an LED unit is arranged so that light strikes only plants on the ridge, and the LED unit is moved by a moving unit. Further, the amount of light is changed by adjusting the height of the LED illumination unit. Patent Document 3 discloses a technology in which a straight tube type light source is provided with a substantially bowl-shaped reflector, and the reflector is deformed according to the size of the cultivation bench and the degree of growth of many plants. Non-Patent Document 1 mentions that light absorption efficiency by plants is enhanced by pulse irradiation of plants by LEDs and LDs.

一方、特許文献4では、レーザ光の照射によって植物から放出されるレーザ誘起蛍光を観測することにより、植物の病変、枯死、またはこれらの状態への移行過程を判別する方法が開示されている。   On the other hand, Patent Document 4 discloses a method for discriminating a lesion of a plant, withering, or a transition process to these states by observing laser-induced fluorescence emitted from the plant by laser light irradiation.

特開2002−223636号公報JP 2002-223636 A 特開2005−27521号公報JP-A-2005-27521 特開2008−125412号公報JP 2008-125212 A 特開2002−214141号公報JP 2002-214141 A

高辻 正基、”光資源を活用し、創造する科学技術の振興(持続可能な「光の世紀」に向けて) 第2章 豊かな暮らしに寄与する光”、[online]、科学技術・学術審議会 資源調査分科会、[平成22年5月24日検索]、インターネット<http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/07091111/004.htm>Masaaki Takatsuki, “Promotion of Science and Technology that Utilizes and Creates Light Resources (Toward a Sustainable“ Century of Light ”) Chapter 2“ Light that Contributes to a Rich Life ”, [online], Science and Technology / Academic Deliberation Society Resource Research Subcommittee, [Search May 24, 2010], Internet <http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/07091111/004.htm>

ところで、植物は成長するため、特許文献1および2の手法にて光を照射する場合、植物の成長を考慮して広い範囲に光を照射する必要がある。そのため、植物の育成の初期の段階にて光の利用効率が低下してしまう。特許文献3においても、多数の植物に一括して照明が行われるため、光の利用効率が低下する。また、光源としてLEDが用いられる場合、光が発散するため、効率よく光を利用することは容易ではない。   By the way, since a plant grows, when irradiating light with the method of patent document 1 and 2, it is necessary to irradiate light in a wide range in consideration of the growth of a plant. For this reason, the light use efficiency is reduced at the initial stage of plant growth. Also in patent document 3, since many plants are illuminated collectively, the utilization efficiency of light falls. Further, when an LED is used as a light source, light is diffused, so that it is not easy to efficiently use light.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、植物の栽培における光の照射をさらに効率よく行うことを目的としている。   This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at performing irradiation of the light in cultivation of a plant still more efficiently.

請求項1に記載の発明は、植物栽培装置であって、半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光を、栽培対象の葉緑体が存在する領域を含む予め定められた照射範囲内に導く照射範囲制限部と、前記照射範囲を変更する照射範囲変更部とを備える。   Invention of Claim 1 is a plant cultivation apparatus, Comprising: The semiconductor laser and the light radiate | emitted from the said semiconductor laser are within the predetermined irradiation range containing the area | region where the chloroplast to be grown exists. An irradiation range limiting unit for guiding and an irradiation range changing unit for changing the irradiation range are provided.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の植物栽培装置であって、前記照射範囲制限部および前記照射範囲変更部が、前記半導体レーザから出射された光を2次元に走査する走査機構と、前記光の照射位置が前記照射範囲内に位置する間のみ前記半導体レーザを能動化するレーザ制御部とを備える。   Invention of Claim 2 is the plant cultivation apparatus of Claim 1, Comprising: The scanning which the said irradiation range restriction | limiting part and the said irradiation range change part scan the light radiate | emitted from the said semiconductor laser two-dimensionally A mechanism, and a laser control unit that activates the semiconductor laser only while the irradiation position of the light is within the irradiation range.

請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の植物栽培装置であって、撮像部と、前記撮像部により取得された画像から葉緑体の存在領域を検出する葉緑体領域検出部と、前記葉緑体の存在領域から前記照射範囲を決定する照射範囲決定部とをさらに備える。   Invention of Claim 3 is the plant cultivation apparatus of Claim 2, Comprising: The imaging part and the chloroplast area | region detection part which detects the existence area | region of a chloroplast from the image acquired by the said imaging part And an irradiation range determining unit that determines the irradiation range from the existing region of the chloroplast.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の植物栽培装置であって、前記撮像部により取得された画像に基づいて、前記栽培対象の病変部を検出する病変部検出部をさらに備える。   Invention of Claim 4 is a plant cultivation apparatus of Claim 3, Comprising: The lesioned part detection part which detects the lesioned part of the said cultivation object based on the image acquired by the said imaging part is further provided .

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の植物栽培装置であって、青色光を出射する他の半導体レーザをさらに備え、前記走査機構が、前記青色光を2次元に走査し、前記病変部検出部が、前記他の半導体レーザからの光を前記栽培対象に照射しつつ前記撮像部により取得された画像に基づいて前記病変部を検出する。   Invention of Claim 5 is the plant cultivation apparatus of Claim 4, Comprising: The other semiconductor laser which radiate | emits blue light is further provided, The said scanning mechanism scans the said blue light two-dimensionally, The lesioned part detection unit detects the lesioned part based on an image acquired by the imaging unit while irradiating the cultivation target with light from the other semiconductor laser.

請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の植物栽培装置であって、前記レーザ制御部が、照射位置が前記病変部上に位置する間のみ前記半導体レーザを非能動化し、前記他の半導体レーザを能動化する。   Invention of Claim 6 is a plant cultivation apparatus of Claim 5, Comprising: The said laser control part deactivates the said semiconductor laser only while the irradiation position is located on the said lesion part, and said others The semiconductor laser is activated.

請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の植物栽培装置であって、前記照射範囲制限部が、前記半導体レーザから前記栽培対象に至る光路上に配置されたレンズを備え、前記照射範囲変更部が、前記レンズを光軸に沿って移動するレンズ移動機構を備える。   Invention of Claim 7 is a plant cultivation apparatus of Claim 1, Comprising: The said irradiation range restriction | limiting part is provided with the lens arrange | positioned on the optical path from the said semiconductor laser to the said cultivation object, The said irradiation The range changing unit includes a lens moving mechanism that moves the lens along the optical axis.

請求項8に記載の発明は、請求項1ないし7のいずれかに記載の植物栽培装置であって、前記照射範囲制限部が、前記半導体レーザから出射された光が一端から入射し、他端から出射する光ファイバを備える。   Invention of Claim 8 is the plant cultivation apparatus in any one of Claim 1 thru | or 7, Comprising: The said irradiation range restriction | limiting part injects the light radiate | emitted from the said semiconductor laser from one end, and the other end The optical fiber which radiates | emits from is provided.

請求項9に記載の発明は、植物栽培方法であって、半導体レーザから出射された光を、栽培対象の葉緑体が存在する領域を含む予め定められた照射範囲内に導く工程と、前記栽培対象の生育に合わせて前記照射範囲を変更する工程とを備える。   Invention of Claim 9 is a plant cultivation method, Comprising: The process of guide | inducing the light radiate | emitted from the semiconductor laser in the predetermined irradiation range containing the area | region where the chloroplast which is cultivation object exists, And a step of changing the irradiation range in accordance with the growth of the cultivation target.

本発明によれば、植物栽培における光の照射を効率よく行うことができる。   According to the present invention, light irradiation in plant cultivation can be performed efficiently.

請求項2の発明では、照射範囲を容易に変更することができる。請求項3の発明では、照射範囲を自動的に変更することができ、請求項6の発明では、病変部での成長を抑制することができる。   In the invention of claim 2, the irradiation range can be easily changed. In the invention of claim 3, the irradiation range can be automatically changed, and in the invention of claim 6, growth at the lesioned part can be suppressed.

請求項7の発明では、照射範囲の制限および変更が簡単な構造により実現される。請求項8の発明では、半導体レーザから放出される熱が栽培対象に与える影響を低減することができる。   In the invention of claim 7, the limitation and change of the irradiation range are realized by a simple structure. In invention of Claim 8, the influence which the heat discharge | released from a semiconductor laser has on a cultivation object can be reduced.

植物栽培装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a plant cultivation apparatus. 走査機構を示す図である。It is a figure which shows a scanning mechanism. 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of a plant cultivation apparatus. 撮像部にて取得された画像の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of image acquired in the imaging part. 植物栽培装置の動作の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of operation | movement of a plant cultivation apparatus. 第2の実施の形態における撮像部およびフィルタ切替部を示す図である。It is a figure which shows the imaging part and filter switching part in 2nd Embodiment. 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of a plant cultivation apparatus. 病変部を例示する図である。It is a figure which illustrates a lesioned part. 第3の実施の形態に係る植物栽培装置の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of plant cultivation apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of a plant cultivation apparatus. 植物栽培装置の動作の流れの一部を示す図である。It is a figure which shows a part of flow of operation | movement of a plant cultivation apparatus. 植物栽培装置の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of plant cultivation apparatus.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る植物栽培装置1を示す斜視図である。植物栽培装置1は、複数の照明部11、撮像部12および図示省略の制御部を備える。照明部11および撮像部12は、栽培空間内にて図示省略の支持部材により支持される。照明部11は、光源部111、光ファイバ112および走査機構113を備える。   FIG. 1 is a perspective view showing a plant cultivation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. The plant cultivation apparatus 1 includes a plurality of illumination units 11, an imaging unit 12, and a control unit (not shown). The illumination unit 11 and the imaging unit 12 are supported by a support member (not shown) in the cultivation space. The illumination unit 11 includes a light source unit 111, an optical fiber 112, and a scanning mechanism 113.

光源部111内には、赤色光を出射する半導体レーザ(以下、「第1半導体レーザ」という。)および青色光を出射する半導体レーザ(以下、「第2半導体レーザ」という。)が収納される。2つの半導体レーザから出射された赤色光および青色光は、光源部111内にて合波器等を介して1本の光ファイバ112の一端に入射し、他端から出射されて走査機構113へと導かれる。なお、光ファイバ112を2本のファイバを束ねたものとし、赤色光および青色光が2本のファイバにそれぞれ入射してもよい。   The light source unit 111 houses a semiconductor laser that emits red light (hereinafter referred to as “first semiconductor laser”) and a semiconductor laser that emits blue light (hereinafter referred to as “second semiconductor laser”). . Red light and blue light emitted from the two semiconductor lasers are incident on one end of one optical fiber 112 via a multiplexer or the like in the light source unit 111 and emitted from the other end to the scanning mechanism 113. It is guided. The optical fiber 112 may be a bundle of two fibers, and red light and blue light may be incident on the two fibers, respectively.

第1半導体レーザから出射される光の波長は、好ましくは、630nm以上680nm以下であり、第2半導体レーザから出射される光の波長は、500nm以下であり、実用上、400nm以上である。これらの半導体レーザの発光層の幅は2μm以上100μm以下である。これにより、後述の光の走査を容易に行うことができる。   The wavelength of the light emitted from the first semiconductor laser is preferably 630 nm or more and 680 nm or less, and the wavelength of the light emitted from the second semiconductor laser is 500 nm or less, practically 400 nm or more. The width of the light emitting layer of these semiconductor lasers is 2 μm or more and 100 μm or less. Thereby, the below-mentioned light scanning can be easily performed.

図2は走査機構113の内部構造を示す斜視図である。走査機構113は、互いに垂直に伸びる一対のガルバノミラー21,22を備える。ガルバノミラー21,22が回転軸を中心に回転振動することにより、光ファイバ112の先端から出射される光が走査される。2つのガルバノミラー21,22により、植物である栽培対象91上における光の照射位置が2次元に走査される。光ファイバ112の先端は球面に成形されており、赤色光および青色光はほぼ平行光の状態で出射される。赤色光および青色光は走査機構113により同様に2次元に走査され、これらの光の照射位置は一致する。   FIG. 2 is a perspective view showing the internal structure of the scanning mechanism 113. The scanning mechanism 113 includes a pair of galvanometer mirrors 21 and 22 extending perpendicularly to each other. The light emitted from the tip of the optical fiber 112 is scanned as the galvanometer mirrors 21 and 22 rotate and vibrate about the rotation axis. The two galvanometer mirrors 21 and 22 scan the irradiation position of the light on the cultivation object 91 that is a plant in two dimensions. The tip of the optical fiber 112 is formed into a spherical surface, and red light and blue light are emitted in a substantially parallel light state. The red light and the blue light are similarly scanned two-dimensionally by the scanning mechanism 113, and the irradiation positions of these lights coincide.

撮像部12は、モノクロ2次元CCDを撮像素子として有する。撮像素子には緑色光を透過するフィルタが取り付けられる。図1では、撮像部12は培地部92上の4個の栽培対象91を一括して撮像する。4つの照明部11のそれぞれは、1つの栽培対象91に光を照射する。   The imaging unit 12 has a monochrome two-dimensional CCD as an imaging element. A filter that transmits green light is attached to the image sensor. In FIG. 1, the image pickup unit 12 picks up images of four cultivation targets 91 on the medium unit 92 in a lump. Each of the four illumination parts 11 irradiates one cultivation object 91 with light.

図3は、植物栽培装置1の機能構成を示すブロック図である。制御部13は、レーザ制御部131、照射範囲決定部132および葉緑体領域検出部133を備える。制御部13は、一般的なコンピュータシステムに専用のハードウェアデバイスを追加した構造を有し、CPUがプログラムに従って演算処理を実行することにより、コンピュータおよび他のデバイスにより図3に示す各機能構成が実現される。   FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the plant cultivation apparatus 1. The control unit 13 includes a laser control unit 131, an irradiation range determination unit 132, and a chloroplast region detection unit 133. The control unit 13 has a structure in which a dedicated hardware device is added to a general computer system. When the CPU executes arithmetic processing according to a program, each functional configuration shown in FIG. Realized.

レーザ制御部131は、図1に示す光源部111内の第1半導体レーザ31および第2半導体レーザ32のON/OFFを個別に制御する。葉緑体領域検出部133は、撮像部12からの画像に基づいて栽培対象91の葉緑体が存在する領域を検出する。照射範囲決定部132は、葉緑体領域検出部133による検出結果に基づいて、赤色光および青色光の照射範囲を決定する。   The laser control unit 131 individually controls ON / OFF of the first semiconductor laser 31 and the second semiconductor laser 32 in the light source unit 111 shown in FIG. The chloroplast region detection unit 133 detects a region where the chloroplast of the cultivation object 91 exists based on the image from the imaging unit 12. The irradiation range determination unit 132 determines the irradiation range of red light and blue light based on the detection result by the chloroplast region detection unit 133.

図4は、撮像部12にて取得された画像の一部を示す図であり、図5は、植物栽培装置1の動作の流れを示す図である。なお、図5のステップS21は、後述の第2の実施の形態においてのみ実行される。まず、植物栽培装置1が設けられる室内の白色照明が一時的に点灯され、撮像部12にて栽培対象91の画像が取得される(ステップS11)。そして、葉緑体領域検出部133により、画像中の緑色の部分、すなわち、フィルタを介して取得された画像中の明るい部分が、葉緑体の存在領域として取得される(ステップS12)。照射範囲決定部132は、葉緑体の存在領域を囲む円形、楕円形、矩形または多角形の領域を光の照射範囲として決定する(ステップS13)。図4では、決定された照射範囲を符号81を付す破線にて示している。   FIG. 4 is a diagram illustrating a part of an image acquired by the imaging unit 12, and FIG. 5 is a diagram illustrating a flow of operation of the plant cultivation apparatus 1. Note that step S21 in FIG. 5 is executed only in the second embodiment described later. First, the white illumination in the room where the plant cultivation apparatus 1 is provided is temporarily turned on, and an image of the cultivation object 91 is acquired by the imaging unit 12 (step S11). Then, the chloroplast region detection unit 133 acquires the green portion in the image, that is, the bright portion in the image acquired through the filter, as the chloroplast existence region (step S12). The irradiation range determining unit 132 determines a circular, elliptical, rectangular, or polygonal region surrounding the chloroplast existing region as the light irradiation range (step S13). In FIG. 4, the determined irradiation range is indicated by a broken line denoted by reference numeral 81.

照射範囲81が決定されると、走査機構113が駆動され、半導体レーザからの光の照射位置が繰り返し2次元に走査される。図4において水平方向に伸びる破線および実線は、照射位置の走査の軌跡を示す。照射位置は、例えば、左から右への主走査が繰り返される毎に上から下へと副走査される。そして、照射位置が照射範囲81内に位置する間のみ第1半導体レーザ31および第2半導体レーザ32が能動化されて光が出射される(ステップS14)。これにより、水平方向に伸びる実線にて示すように照射範囲81内に光が照射される。   When the irradiation range 81 is determined, the scanning mechanism 113 is driven, and the irradiation position of the light from the semiconductor laser is repeatedly scanned two-dimensionally. In FIG. 4, a broken line and a solid line extending in the horizontal direction indicate the scanning locus of the irradiation position. For example, the irradiation position is sub-scanned from top to bottom each time main scanning from left to right is repeated. The first semiconductor laser 31 and the second semiconductor laser 32 are activated and emit light only while the irradiation position is within the irradiation range 81 (step S14). Thereby, light is irradiated in the irradiation range 81 as shown by the solid line extending in the horizontal direction.

赤色光と青色光との比は、光量子束密度の単位で、10:1〜5:1が好ましい。第1半導体レーザ31および第2半導体レーザ32は連続発光してもよく、パルス発光でもよい。パルス発光の場合は、2次元の走査周期とパルス発光の周期とが同期しないように調整される。これにより、照射範囲81内に均一に光が照射される。植物の種類によっては赤色光のみが照射されてもよい。   The ratio of red light to blue light is a unit of photon flux density and is preferably 10: 1 to 5: 1. The first semiconductor laser 31 and the second semiconductor laser 32 may emit light continuously or may emit pulses. In the case of pulse light emission, the two-dimensional scanning cycle and the pulse light emission cycle are adjusted so as not to be synchronized. As a result, light is uniformly irradiated within the irradiation range 81. Depending on the type of plant, only red light may be irradiated.

実際の植物栽培装置1の動作では、図5のステップS11〜S13は一定時間毎に(例えば、1日毎に)行われ、ステップS14は、ステップS11〜S13が行われていない間、継続して行われる。   In the actual operation of the plant cultivation apparatus 1, steps S11 to S13 in FIG. 5 are performed at regular intervals (for example, every day), and step S14 is continued while steps S11 to S13 are not performed. Done.

以上のように、植物栽培装置1では、光を予め決定された照射範囲81内のみに照射することができる。栽培対象91が離れている場合は、栽培対象91の間の照明が不要な領域に光が照射されない領域が設けられる。また、照射範囲81は容易に変更することができ、栽培対象91の形状に適切に合わせることができる。加えて、半導体レーザからの光は(実質的に)遮られることなく照射範囲81内に導かれる。その結果、光を効率よく栽培対象91に照射することができる。   As described above, the plant cultivation device 1 can irradiate light only within the predetermined irradiation range 81. When the cultivation target 91 is separated, a region where light is not irradiated is provided in a region where the lighting between the cultivation targets 91 is unnecessary. Moreover, the irradiation range 81 can be easily changed and can be appropriately matched with the shape of the cultivation object 91. In addition, light from the semiconductor laser is guided into the irradiation area 81 without being substantially blocked. As a result, the cultivation object 91 can be efficiently irradiated with light.

照射範囲81は、撮像部12からの画像に基づいて決定されるため、栽培対象91の成長に合わせて照射範囲81を自動的に拡大することができる。さらに、栽培対象91上の一点に注目した場合、強度の高いレーザ光が間欠的に照射されることから、さらなるエネルギーの削減が実現される。光源部111と走査機構113とは光ファイバ112にて接続されるため、光源部111を栽培対象91から離して配置することができ、半導体レーザから放出される熱が栽培対象91に与える影響を容易に低減することができる。   Since the irradiation range 81 is determined based on the image from the imaging unit 12, the irradiation range 81 can be automatically expanded in accordance with the growth of the cultivation target 91. Furthermore, when attention is paid to one point on the cultivation target 91, since a high-intensity laser beam is intermittently irradiated, further energy reduction is realized. Since the light source unit 111 and the scanning mechanism 113 are connected by the optical fiber 112, the light source unit 111 can be arranged away from the cultivation target 91, and the influence that the heat emitted from the semiconductor laser has on the cultivation target 91. It can be easily reduced.

上記第1の実施の形態に係る作用効果は、以下の第2の実施の形態においても同様である。   The operational effects according to the first embodiment are the same in the following second embodiment.

走査機構113は、ガルバノミラーにポリゴンミラーを組み合わせたものでもよい。さらには、光の走査は、MEMS(micro electro mechanical system)ミラーや電気光学結晶を有する電気光学素子により行われてもよい。半導体レーザとしては、緑色光を出射するものやさらに他の波長の光を出射するものが加えられてもよい。1つの照明部11により複数の栽培対象91に光の照射が行われてもよい。以下の他の実施の形態においても同様である。   The scanning mechanism 113 may be a combination of a galvanometer mirror and a polygon mirror. Furthermore, the scanning of light may be performed by an electro-optic element having a micro electro mechanical system (MEMS) mirror or an electro-optic crystal. A semiconductor laser that emits green light or a laser that emits light of other wavelengths may be added. A plurality of cultivation objects 91 may be irradiated with light by one lighting unit 11. The same applies to other embodiments described below.

植物栽培装置1では、光ファイバ112、走査機構113およびレーザ制御部131により、光の照射範囲が決定される。すなわち、これらの構成が照射範囲を制限する照射範囲制限部として機能する。また、照射範囲はレーザ制御部131による半導体レーザのON/OFF制御により変更されることから、レーザ制御部131が照射範囲変更部として機能する。ただし、照射範囲は、走査機構113による走査範囲の変更によっても変更可能であることから、走査機構113を照射範囲変更部として機能させることも可能である。第2の実施の形態においても同様である。   In the plant cultivation apparatus 1, the light irradiation range is determined by the optical fiber 112, the scanning mechanism 113, and the laser control unit 131. That is, these structures function as an irradiation range limiting unit that limits the irradiation range. Further, since the irradiation range is changed by ON / OFF control of the semiconductor laser by the laser control unit 131, the laser control unit 131 functions as an irradiation range changing unit. However, since the irradiation range can also be changed by changing the scanning range by the scanning mechanism 113, the scanning mechanism 113 can also function as an irradiation range changing unit. The same applies to the second embodiment.

図6は、第2の実施の形態に係る植物栽培装置1の撮像部12およびその近傍の構成を示す図である。撮像部12の下方には回転式のフィルタ切替部14が設けられる。また、図7に示すように、制御部13には病変部検出部134がさらに設けられる。植物栽培装置1の他の構成は、第1の実施の形態と同様であり、同符号を付す。   FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the imaging unit 12 and the vicinity thereof in the plant cultivation apparatus 1 according to the second embodiment. A rotary filter switching unit 14 is provided below the imaging unit 12. Further, as shown in FIG. 7, the control unit 13 is further provided with a lesion part detection unit 134. The other structure of the plant cultivation apparatus 1 is the same as that of 1st Embodiment, and attaches | subjects the same code | symbol.

フィルタ切替部14は、複数のフィルタ141が取り付けられる円板部142と、円板部142を回転するモータ143とを備える。モータ143が回転することにより、撮像部12の前方に配置されるフィルタ141が切り替えられる。フィルタ141としては、680nm以上690nm以下の波長(以下、「第1波長帯」という。)の光を透過するバンドパスフィルタと、735nm以上745nm以下の波長(以下、「第2波長帯」という。)の光を透過するバンドパスフィルタとが少なくとも設けられる。   The filter switching unit 14 includes a disk part 142 to which a plurality of filters 141 are attached, and a motor 143 that rotates the disk part 142. As the motor 143 rotates, the filter 141 disposed in front of the imaging unit 12 is switched. The filter 141 includes a bandpass filter that transmits light having a wavelength of 680 nm to 690 nm (hereinafter referred to as “first wavelength band”) and a wavelength of 735 nm to 745 nm (hereinafter referred to as “second wavelength band”). ) At least a band pass filter that transmits light.

第2の実施の形態にて栽培対象91の画像が取得される際には(図5:ステップS11)、まず、フィルタ切替部14により第1波長帯のバンドパスフィルタ141が撮像部12の前方に配置され、第2半導体レーザ32が連続点灯されて走査機構113により照射位置が2次元に走査される。これにより、栽培対象91から放たれるレーザ誘起蛍光のうち、第1波長帯のものが第1画像として取得される。次に、フィルタ切替部14により第2波長帯のバンドパスフィルタ141が撮像部12の前方に配置され、第2半導体レーザ32が連続点灯されて走査機構113により照射位置が2次元に走査される。これにより、栽培対象91のレーザ誘起蛍光のうち、第2波長帯のものが第2画像として取得される。   When an image of the cultivation target 91 is acquired in the second embodiment (FIG. 5: Step S11), first, the band switching filter 141 in the first wavelength band is moved in front of the imaging unit 12 by the filter switching unit 14. The second semiconductor laser 32 is continuously turned on, and the irradiation position is scanned two-dimensionally by the scanning mechanism 113. Thereby, the thing of a 1st wavelength band is acquired as a 1st image among the laser induced fluorescence emitted from the cultivation object 91. FIG. Next, the band switching filter 141 in the second wavelength band is disposed in front of the imaging unit 12 by the filter switching unit 14, the second semiconductor laser 32 is continuously turned on, and the irradiation position is scanned two-dimensionally by the scanning mechanism 113. . Thereby, the thing of a 2nd wavelength band is acquired as a 2nd image among the laser induced fluorescence of the cultivation object 91. FIG.

葉緑体領域検出部133および病変部検出部134では、第1画像および第2画像に基づいて栽培対象91の葉緑体の存在領域および病変または枯死した病変部の領域が検出される(ステップS12,S21)。ここでは、例えば、第1画像および第2画像の少なくともいずれかに所定のしきい値よりも大きな画素値が現れる領域が葉緑体の存在領域として検出される。また、病変部の領域の検出には、特開2002−214141号公報(特許文献4)に開示される方法が利用される。具体的には、第1画像と第2画像とを比較することにより、(第2波長帯の蛍光強度/第1波長帯の蛍光強度)が1.0以下の領域が病変部の領域として検出される。もちろん、フィルタ切替部14に他の波長帯のバンドパスフィルタを設けて病変部が検出されてもよい。特許文献4に示されるように、レーザ誘起蛍光のうち520nm以上540nm以下の波長帯が利用されてもよい。   The chloroplast region detection unit 133 and the lesion detection unit 134 detect the chloroplast existing region and the lesion or dead region of the cultivated object 91 based on the first image and the second image (step) S12, S21). Here, for example, a region where a pixel value larger than a predetermined threshold value appears in at least one of the first image and the second image is detected as a chloroplast existing region. In addition, a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-214141 (Patent Document 4) is used to detect a lesion area. Specifically, by comparing the first image and the second image, a region where (fluorescence intensity in the second wavelength band / fluorescence intensity in the first wavelength band) is 1.0 or less is detected as a lesion area. Is done. Of course, a lesion path may be detected by providing the filter switching unit 14 with a bandpass filter of another wavelength band. As shown in Patent Document 4, a wavelength band of 520 nm or more and 540 nm or less of laser induced fluorescence may be used.

病変部の検出(正確には、画像における病変部の領域の検出)は、より簡単な方法で行われてもよい。例えば、フィルタ切替部14にRGBのフィルタを設け、あるいは、カラーカメラを別途設け、白色照明下での栽培対象91のカラー画像を取得し、栽培対象91の色から病変部が検出されてもよい。   Detection of a lesioned part (more precisely, detection of a region of a lesioned part in an image) may be performed by a simpler method. For example, an RGB filter may be provided in the filter switching unit 14 or a color camera may be separately provided to obtain a color image of the cultivation target 91 under white illumination, and a lesioned part may be detected from the color of the cultivation target 91. .

葉緑体の存在領域および病変部の領域が検出されると、照射範囲決定部132により、葉緑体の存在領域を包含する領域が第1の実施形態と同様に強い赤色光および弱い青色光の照射範囲(以下、「生育照射範囲」という。)として決定され、病変部の領域が強い青色光のみの照射範囲(以下、「抑制範囲」という。)として決定される(ステップS13)。図8では、符号81を付す破線にて生育照射範囲を例示し、符号82を付す平行斜線を付す領域にて抑制範囲を例示している。   When the chloroplast existing region and the lesioned region are detected, the irradiation range determining unit 132 causes the region including the chloroplast existing region to have strong red light and weak blue light as in the first embodiment. The irradiation range (hereinafter referred to as “growth irradiation range”) is determined, and the region of the lesion area is determined as the irradiation range of only strong blue light (hereinafter referred to as “suppression range”) (step S13). In FIG. 8, the growth irradiation range is illustrated by a broken line denoted by reference numeral 81, and the suppression range is illustrated by a region denoted by parallel oblique lines denoted by reference numeral 82.

その後、走査機構113により照射位置が2次元に走査されつつ、レーザ制御部131により、照射位置が生育照射範囲81内に位置する間のみ、第1半導体レーザ31および第2半導体レーザ32が能動化されて強い赤色光および弱い青色光が出射され、照射位置が抑制照射範囲82内に位置する間のみ、第1半導体レーザ31が非能動化され、第2半導体レーザ32が能動化されて強い青色光が出射される(ステップS14)。これにより、栽培対象91を生育しつつ病変部における成長が抑制される。その結果、病変部の拡大が抑制される。   Thereafter, the first semiconductor laser 31 and the second semiconductor laser 32 are activated only while the irradiation position is within the growth irradiation range 81 by the laser control unit 131 while the irradiation position is scanned two-dimensionally by the scanning mechanism 113. As a result, strong red light and weak blue light are emitted, and the first semiconductor laser 31 is deactivated and the second semiconductor laser 32 is activated and strong blue only while the irradiation position is within the suppression irradiation range 82. Light is emitted (step S14). Thereby, the growth in the lesioned part is suppressed while growing the cultivation object 91. As a result, the enlargement of the lesion is suppressed.

第2の実施の形態においても、半導体レーザからの光が、遮られることなく生育照射範囲81内へと導かれるため、栽培対象91を効率よく栽培することができる。また、栽培対象91の成長に合わせて生育照射範囲81および抑制照射範囲82を自動的に変更することができ、作業の軽減が実現される。第2の実施の形態では、第2半導体レーザ32は、葉緑体の存在領域の検出、病変部の領域の検出、生育、病変部での成長の抑制の全てに利用される。   Also in the second embodiment, since the light from the semiconductor laser is guided into the growth irradiation range 81 without being blocked, the cultivation target 91 can be cultivated efficiently. Moreover, the growth irradiation range 81 and the suppression irradiation range 82 can be automatically changed according to the growth of the cultivation object 91, and the work can be reduced. In the second embodiment, the second semiconductor laser 32 is used for all of detection of the chloroplast existing area, detection of the lesion area, growth, and suppression of growth in the lesion area.

図9は、第3の実施の形態に係る植物栽培装置1の一部を示す図である。図9に示す構成は、図1に示す走査機構113に代えて設けられ、レンズ151と、レンズ151を上下に移動するレンズ移動機構152とを備える。図10は制御部13および制御部13に接続される構成を示すブロック図である。図1の光源部111内には赤色光を出射する半導体レーザ31のみが設けられる。各照明部11の光ファイバ112は1本のファイバである。図9に示すように、光ファイバ112から出射される光は、発散しながらレンズ151に至り、正のパワーを有するレンズ151にて栽培対象91を囲む照射範囲81内へと導かれる。光ファイバ112からの光は遮光されることなく照射範囲81内へと導かれる。植物栽培装置1の他の構成は第1の実施の形態と同様であり、以下、同様の構成には同符号を付して説明する。半導体レーザとしては、他の波長の光を出射するものが組み合わされてもよい。   FIG. 9 is a diagram illustrating a part of the plant cultivation apparatus 1 according to the third embodiment. The configuration shown in FIG. 9 is provided in place of the scanning mechanism 113 shown in FIG. 1 and includes a lens 151 and a lens moving mechanism 152 that moves the lens 151 up and down. FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration connected to the control unit 13 and the control unit 13. In the light source unit 111 of FIG. 1, only the semiconductor laser 31 that emits red light is provided. The optical fiber 112 of each illumination unit 11 is a single fiber. As shown in FIG. 9, the light emitted from the optical fiber 112 reaches the lens 151 while diverging, and is guided into the irradiation range 81 surrounding the cultivation target 91 by the lens 151 having positive power. Light from the optical fiber 112 is guided into the irradiation range 81 without being blocked. The other structure of the plant cultivation apparatus 1 is the same as that of the first embodiment, and the same structure will be described below with the same reference numerals. Semiconductor lasers that emit light of other wavelengths may be combined.

植物栽培装置1では、第1の実施の形態と同様に、撮像部12にて栽培対象91の画像が取得され(図5:ステップS11)、取得された画像に基づいて葉緑体領域検出部133が葉緑体の存在領域を検出し、照射範囲決定部132が葉緑体の存在領域を囲む円形の照射範囲を決定する(ステップS12,S13)。その後、図11に示すステップS31が実行され、レンズ151がレンズ移動機構152により光軸に沿って上下動して照射範囲81が変更される。   In the plant cultivation device 1, as in the first embodiment, the image of the cultivation object 91 is acquired by the imaging unit 12 (FIG. 5: step S <b> 11), and the chloroplast region detection unit is based on the acquired image. 133 detects the chloroplast existing area, and the irradiation range determination unit 132 determines a circular irradiation range surrounding the chloroplast existing area (steps S12 and S13). Thereafter, step S31 shown in FIG. 11 is executed, and the lens 151 is moved up and down along the optical axis by the lens moving mechanism 152 to change the irradiation range 81.

ステップS11〜S14は、一定期間、例えば、1日毎に行われる。これにより、図12に示すように、栽培対象91の成長に従ってレンズ151が移動し、照射範囲81が拡大される。その結果、第1の実施の形態と同様に、作業の軽減が実現される。また、半導体レーザ31からの光は遮光されることなく照射範囲81内に制限されて照射されるため、効率よく照明を行うことができる。半導体レーザ31はパルス発光されてよく、これにより、さらに消費電力が削減される。   Steps S11 to S14 are performed for a certain period, for example, every day. Thereby, as shown in FIG. 12, the lens 151 moves according to growth of the cultivation object 91, and the irradiation range 81 is expanded. As a result, the work can be reduced as in the first embodiment. Further, the light from the semiconductor laser 31 is irradiated within the irradiation range 81 without being blocked, so that illumination can be performed efficiently. The semiconductor laser 31 may be pulsed, thereby further reducing power consumption.

第3の実施の形態では、光ファイバ112およびレンズ151が光の照射範囲を制限する照射範囲制限部として機能し、レンズ移動機構152が照射範囲を変更する照射範囲変更部として機能する。このように、簡単な構造にて照射範囲の制限および変更が実現される。第3の実施の形態においても、光ファイバ112を用いることにより、半導体レーザから放出される熱が栽培対象91に与える影響を容易に低減することができる。   In the third embodiment, the optical fiber 112 and the lens 151 function as an irradiation range limiting unit that limits the irradiation range of light, and the lens moving mechanism 152 functions as an irradiation range changing unit that changes the irradiation range. In this way, the irradiation range is limited and changed with a simple structure. Also in the third embodiment, by using the optical fiber 112, the influence of the heat emitted from the semiconductor laser on the cultivation target 91 can be easily reduced.

なお、照射範囲制限部としては、レンズ151に加えて他のレンズが設けられてもよい。レンズには、等価なミラーであるミラーレンズが含まれる。照射範囲変更部としては、複数のレンズを光軸に沿って移動する機構やミラーを移動する機構が設けられてもよい。さらに、半導体レーザからの光を実質的に遮ることなく照射範囲81内へと導くことができるのであれば、照射範囲制限部や照射範囲変更部として他の光学要素が用いられてもよい。光ファイバ112の端部自体が照射範囲制限部として機能し、端部を上下に移動する機構が照射範囲変更部として設けられてもよい。   In addition to the lens 151, another lens may be provided as the irradiation range limiting unit. The lens includes a mirror lens that is an equivalent mirror. As the irradiation range changing unit, a mechanism for moving a plurality of lenses along the optical axis or a mechanism for moving a mirror may be provided. Furthermore, as long as the light from the semiconductor laser can be guided into the irradiation range 81 without being substantially blocked, another optical element may be used as the irradiation range limiting unit or the irradiation range changing unit. The end of the optical fiber 112 itself may function as an irradiation range limiting unit, and a mechanism for moving the end up and down may be provided as the irradiation range changing unit.

レンズ151は、半導体レーザ31から栽培対象91に至る光路上に配置されるのであれば、他の位置に配置されてもよい。例えば、光ファイバ112が省略され、半導体レーザ31からの光がレンズ151を含む複数のレンズやミラーを介して栽培対象91に照射されてもよい。   The lens 151 may be disposed at another position as long as it is disposed on the optical path from the semiconductor laser 31 to the cultivation target 91. For example, the optical fiber 112 may be omitted, and the cultivation target 91 may be irradiated with light from the semiconductor laser 31 via a plurality of lenses and mirrors including the lens 151.

上記各実施の形態にて説明した構成は、矛盾しない範囲で他の実施の形態にて採用されてよい。   The configuration described in each of the above embodiments may be adopted in other embodiments as long as there is no contradiction.

本発明は、野菜、観賞用植物、資源用植物等の様々な植物の栽培に利用することができる。植物は、地上にて生育するものに限定されず、クロロフィルを含むものであれば、水中に生育するものであってもよい。   The present invention can be used for cultivation of various plants such as vegetables, ornamental plants, and resource plants. A plant is not limited to what grows on the ground, but may grow in water as long as it contains chlorophyll.

1 植物栽培装置
12 撮像部
31 第1半導体レーザ
32 第2半導体レーザ
81 照射範囲
82 病変部
91 栽培対象
112 光ファイバ
113 走査機構
131 レーザ制御部
132 照射範囲決定部
133 葉緑体領域検出部
134 病変部検出部
151 レンズ
152 レンズ移動機構
S11〜S14,S21,S31 ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plant cultivation apparatus 12 Image pick-up part 31 1st semiconductor laser 32 2nd semiconductor laser 81 Irradiation range 82 Lesion part 91 Cultivation object 112 Optical fiber 113 Scan mechanism 131 Laser control part 132 Irradiation range determination part 133 Chloroplast area detection part 134 Lesion Part detection part 151 lens 152 lens moving mechanism S11-S14, S21, S31 Step

Claims (9)

植物栽培装置であって、
半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射された光を、栽培対象の葉緑体が存在する領域を含む予め定められた照射範囲内に導く照射範囲制限部と、
前記照射範囲を変更する照射範囲変更部と、
を備えることを特徴とする植物栽培装置。
A plant cultivation device,
A semiconductor laser;
An irradiation range limiting unit that guides light emitted from the semiconductor laser into a predetermined irradiation range including a region where chloroplasts to be cultivated exist,
An irradiation range changing unit for changing the irradiation range;
A plant cultivation apparatus comprising:
請求項1に記載の植物栽培装置であって、
前記照射範囲制限部および前記照射範囲変更部が、
前記半導体レーザから出射された光を2次元に走査する走査機構と、
前記光の照射位置が前記照射範囲内に位置する間のみ前記半導体レーザを能動化するレーザ制御部と、
を備えることを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation apparatus according to claim 1,
The irradiation range restriction unit and the irradiation range change unit,
A scanning mechanism for two-dimensionally scanning light emitted from the semiconductor laser;
A laser control unit that activates the semiconductor laser only while the irradiation position of the light is within the irradiation range;
A plant cultivation apparatus comprising:
請求項2に記載の植物栽培装置であって、
撮像部と、
前記撮像部により取得された画像から葉緑体の存在領域を検出する葉緑体領域検出部と、
前記葉緑体の存在領域から前記照射範囲を決定する照射範囲決定部と、
をさらに備えることを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation apparatus according to claim 2,
An imaging unit;
A chloroplast region detecting unit for detecting a chloroplast existing region from the image acquired by the imaging unit;
An irradiation range determining unit for determining the irradiation range from the existence region of the chloroplast;
The plant cultivation apparatus further comprising:
請求項3に記載の植物栽培装置であって、
前記撮像部により取得された画像に基づいて、前記栽培対象の病変部を検出する病変部検出部をさらに備えることを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation device according to claim 3,
A plant cultivation apparatus, further comprising a lesion part detection unit that detects a lesion part of the cultivation target based on an image acquired by the imaging unit.
請求項4に記載の植物栽培装置であって、
青色光を出射する他の半導体レーザをさらに備え、
前記走査機構が、前記青色光を2次元に走査し、
前記病変部検出部が、前記他の半導体レーザからの光を前記栽培対象に照射しつつ前記撮像部により取得された画像に基づいて前記病変部を検出することを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation apparatus according to claim 4,
It further includes another semiconductor laser that emits blue light,
The scanning mechanism scans the blue light in two dimensions;
The plant cultivation apparatus, wherein the lesion detection unit detects the lesion based on an image acquired by the imaging unit while irradiating the cultivation target with light from the other semiconductor laser.
請求項5に記載の植物栽培装置であって、
前記レーザ制御部が、照射位置が前記病変部上に位置する間のみ前記半導体レーザを非能動化し、前記他の半導体レーザを能動化することを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation device according to claim 5,
The plant cultivation apparatus, wherein the laser control unit deactivates the semiconductor laser and activates the other semiconductor laser only while an irradiation position is located on the lesioned part.
請求項1に記載の植物栽培装置であって、
前記照射範囲制限部が、前記半導体レーザから前記栽培対象に至る光路上に配置されたレンズを備え、
前記照射範囲変更部が、前記レンズを光軸に沿って移動するレンズ移動機構を備えることを特徴とする植物栽培装置。
The plant cultivation apparatus according to claim 1,
The irradiation range restriction unit includes a lens disposed on an optical path from the semiconductor laser to the cultivation target,
The plant cultivation apparatus, wherein the irradiation range changing unit includes a lens moving mechanism that moves the lens along an optical axis.
請求項1ないし7のいずれかに記載の植物栽培装置であって、
前記照射範囲制限部が、前記半導体レーザから出射された光が一端から入射し、他端から出射する光ファイバを備えることを特徴とする植物栽培装置。
A plant cultivation apparatus according to any one of claims 1 to 7,
The plant cultivation device, wherein the irradiation range limiting unit includes an optical fiber from which light emitted from the semiconductor laser enters from one end and exits from the other end.
植物栽培方法であって、
半導体レーザから出射された光を、栽培対象の葉緑体が存在する領域を含む予め定められた照射範囲内に導く工程と、
前記栽培対象の生育に合わせて前記照射範囲を変更する工程と、
を備えることを特徴とする植物栽培方法。
A plant cultivation method,
Guiding the light emitted from the semiconductor laser into a predetermined irradiation range including a region where the chloroplasts to be cultivated exist; and
Changing the irradiation range according to the growth of the cultivation target;
A plant cultivation method comprising:
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