JP2013000090A - 生育状態評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定誤差の発生を抑制することができる生育状態評価装置を提供する。
【解決手段】測定対象物４０に対し発光波長の異なる複数の光を照射し、その反射光を検出して植物の生育状態を評価する生育状態評価装置が開示されている。当該装置は、発光波長（λ１）が測定対象物４０の分光反射率のレッドエッジの波長領域に存在するＬＥＤ２８ａと、発光波長（λ２）が前記レッドエッジの波長領域よりも長波長のフラットな波長領域に存在するＬＥＤ２８ｂと、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの各照射光を検出する光検出器２８ｃとを備え、ＬＥＤ２８ａの照射光の伝播光路とＬＥＤ２８ｂの伝播光路とが一致する。
【選択図】図３

Description

本発明は生育状態評価装置に関し、特に植物の生育状態を評価するのに使用される植物の生育状態評価装置に関する。

従来、農業分野において植物の生育状態を調べる際には、人間の目で見た色や形状によって評価・判定することが多く、勘や経験に頼るところが多かった。
これを解消するため、植物の緑葉の分光特性を、分光器を用いて測定し、定量評価・判定することが試みられ、一部実用化されてきている。
ただ、通常の分光器では、大型でかつ高価であるため広く用いられるには至っておらず、近年では、小規模現場での使用に供するよう簡便・安価とするため、通常の分光器に代えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた簡易分光による植物の分光特性測定器が用途を絞って販売されている。また、植物に限らず測定対象物の分光反射特性を、発光波長の異なる複数のＬＥＤを用いて測定する装置が提案されている（たとえば特許文献１，２参照）。

特開２００５−３０８７３３号公報 特開２００６−２５０７６５号公報

このように、発光波長の異なる複数のＬＥＤを用いた小型で安価な測定を行う装置は販売・提案されているものの、かかる測定装置では、自然物である植物の緑葉の特定箇所に対し互いに異なる複数の位置から光照射しこれを受光するような構成となっているため、緑葉の葉脈の状態や緑葉自体のそり具合などに影響され、光照射位置によって測定誤差が生じると考えられ、これに対する対策がなされていない。
したがって、本発明の主な目的は、測定誤差の発生を抑制することができる生育状態評価装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、
測定対象物に対し発光波長の異なる複数の光を照射し、その反射光を検出して植物の生育状態を評価する生育状態評価装置であって、
発光波長（λ１）が前記測定対象物の分光反射率のレッドエッジの波長領域に存在する第１の光源と、発光波長（λ２）が前記レッドエッジの波長領域よりも長波長のフラットな波長領域に存在する第２の光源と、前記第１の光源と前記第２の光源との各照射光を検出する光検出器とを備え、
前記第１の光源の照射光の伝播光路と前記第２の光源の伝播光路とが一致することを特徴とする生育状態評価装置が提供される。

本発明によれば、各光源の照射光の伝播経路が一致するため、緑葉の葉脈の状態や緑葉自体のそり具合などによる影響が軽減され、測定誤差の発生を抑制することができる。

測定対象物の分光特性を概略的に示す図面であって、測定対象物への光の照射波長と分光反射率との関係を示すものである。 生育状態評価装置の概略構成を示す図面であって（ａ）可動部が閉じた状態および（ｂ）可動部が開いた状態を示す図面である。 センサーヘッドの概略構成を示す断面図である。 図３の（ａ）平面図および（ｂ）底面図である。 生育状態評価装置の概略的な制御構成を示すブロック図である。 センサーヘッドの光源部分の変形例を示す（ａ）側面図および（ｂ）正面図である。 センサーヘッドの光源部分の変形例を示す図面である。 センサーヘッドの光源部分の変形例を示す図面である センサーヘッドの光源部分の変形例を示す（ａ）平面図および（ｂ）（ｃ）正面図である。 第２の実施形態にかかる生育状態評価装置のセンサーヘッドの概略構成を示す（ａ）平面図および（ｂ）底面図である。 センサーヘッドの光源部分の変形例を示す（ａ）側面図および（ｂ）正面図である。 センサーヘッドの光源部分の変形例を示す（ａ）側面図および（ｂ）（ｃ）正面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
まず、測定対象物として樹体等の植物の緑葉を選択してその分光特性を観測すると、当該植物においては、図１に示すとおり、おおよそ６９０ｎｍから７５０ｎｍにかけての波長範囲において分光反射率が急峻に変化する波長領域がある（これを「レッドエッジ」という。）。
レッドエッジの波長領域は、一般に、植物が生育環境から受けるストレスによってシフトすることが知られている。その代表例として、レッドエッジの波長領域は、水分ストレス（樹体の渇き）が大きくなるにしたがい、短波長側にシフトするという特性を有している。したがって、植物の緑葉の分光特性を観測すれば、測定対象物のレッドエッジも算出することができ、その算出結果から植物の生育状態を把握（評価）することができる。

図２は、このような植物の分光特性を観測してその植物の生育状態を評価するための生育状態評価装置の概略構成を示す図面である。
図２（ａ）に示すとおり、生育状態評価装置２０は概観上、主に固定部２２、可動部２４および軸部２６から構成されている。
固定部２２に対し可動部２４が軸部２６を介して回動可能となっている。
固定部２２中には制御装置２２ａとバッテリ２２ｂとが内蔵されている。
可動部２４中にはセンサーヘッド２８が内蔵されている。可動部２４の表面には植物の生育状態を文字や図形などで表示するための表示パネル３０（図５参照）が形成されている。

図３に示すとおり、センサーヘッド２８はＬＥＤ２８ａ（２８ｂ）と光検出器２８ｃとを有している。
センサーヘッド２８は、ＬＥＤ２８ａ（２８ｂ）が点灯して測定対象物４０に向けて光を照射し、光検出器２８ｃが測定対象物４０で反射した光を受光（検出）するような構成を有している。
測定対象物４０としては植物の緑葉が使用される。

詳しくは、図４（ａ）に示すとおり、センサーヘッド２８には、互いに発光波長が異なる２種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂと１台の光検出器２８ｃとが設置されている。
２種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂは光源の一例であり、光検出器２８ｃを中心とした円周上に配置され、その円周軌道上を移動可能となっている。
一方のＬＥＤ２８ａの発光波長（λ１）は、レッドエッジの波長領域に対応する６９０〜７５０ｎｍの範囲に存在し、本実施形態では７３０ｎｍに設定されている。
他方のＬＥＤ２８ｂの発光波長（λ２）は、レッドエッジの波長領域よりも長波長の波長領域であって分光反射率に変化が少ないフラットな波長領域に対応する７６０ｎｍ以上の範囲に存在し、本実施形態では７８０ｎｍに設定されている。
なお、測定対象物４０として使用される緑葉の種類（レッドエッジの波長領域）に応じて、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの種類を変更し、その発光波長を適宜変更するようにしてもよい。

図４（ｂ）に示すとおり、センサーヘッド２８の底面部には円形状の窓部２８ｄが形成されている。ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの光は窓部２８ｄを通じて測定対象物４０に照射され、その反射光は窓部２８ｄを通じて光検出器２８ｃで検出される。
生育状態評価装置２０では、一方のＬＥＤ２８ａが光照射してその反射光が光検出器２８ｃで検出され、その後に他方のＬＥＤ２８ｂが一方のＬＥＤ２８ａの位置に移動して再度光照射してその反射光が光検出器２８ｃで検出される。
かかる場合、他方のＬＥＤ２８ｂが一方のＬＥＤ２８ａの光照射位置まで移動するので、各ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの照射光が光検出器２８ｃに伝播する際の光路は同一となり、各伝播光路が一致するようになっている。

続いて、生育状態評価装置２０の制御構成について説明する。

図５に示すとおり、制御装置２２ａにはバッテリ２２ｂやＬＥＤ２８ａ，２８ｂ、光検出器２８ｃ、表示パネル３０などが接続されている。
特に、生育状態評価装置２０では、制御装置２２ａが２種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂを発光させて光検出器２８ｃによる検出結果を受け、その検出結果から植物の生育状態を指標値により算出するようになっている（指標値の算出方法などは後述する。）。
生育状態評価装置２０では、制御装置２２ａはインターフェース３２を介して外部処理装置３４との通信が可能とされてもよい。かかる場合、通信は有線によるものとしてもよいし、無線によるものとしてもよい。

続いて、生育状態評価装置２０を用いた植物の生育状態の評価方法について説明する。

生育状態評価装置２０はいわゆる反射型の分光測定装置であり、バッテリ２２ｂを内蔵するため携帯性を有している。
実際に、生育状態評価装置２０を使用して植物の生育状態を評価する場合は、作業者が生育状態評価装置２０を携帯して植物のある栽培地に出向き、図４（ｂ）に示すとおり、測定対象物４０（緑葉）を固定部２２と可動部２４との間に挟持し生育状態評価装置２０を作動させる。
かかる場合、好ましくは、緑葉の葉脈の影響やそり具合、葉の場所による分光特性の違いの影響が最小となるように、極力中央でかつ平坦な部分を挟み込むようにする。また、同一植物の経時特性を見る際は、極力同一の緑葉の同一の箇所を観測するようにする。

生育状態評価装置２０が作動すると、制御装置２２ａが、バッテリ２２ｂの電力の供給を受けながら、一方のＬＥＤ２８ａを点灯させ、測定対象物４０に発光波長λ１の光を照射するとともに、光検出器２８ｃにその反射光を検出させる。
その後、制御装置２２ａは、他方のＬＥＤ２８ｂを制御して一方のＬＥＤ２８ａの点灯位置まで移動させ、その位置でＬＥＤ２８ｂを点灯させて測定対象物４０に発光波長λ２の光を照射し、上記と同様に、光検出器２８ｃにその反射光を検出させる。
かかる場合、制御装置２２ａは、発光波長λ１，λ２の光を、異なる周波数で変調し、その反射光を光検出器２８ｃに検出させる。
検出された反射光（光量）は順次、光検出器２８ｃから制御装置２２ａに送信され、制御装置２２ａは光検出器２８ｃの検出結果を受信する。

その後、制御装置２２ａは、光検出器２８ｃの検出結果から、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの変調周波数に対応した強度出力値（Ｉλ１，Ｉλ２）を算出する。
なお、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂを発光させていないときの光検出器２８ｃから出力される暗電流や外乱光成分をバックグラウンド出力としてあらかじめ求めておき、測定対象物４０の分光測定時の出力から差し引くことにより、測定精度を向上させてもよい。
その後、制御装置２２ａは、演算プログラムにしたがってこの出力値（Ｉλ１，Ｉλ２）を処理し、Ｉλ１／Ｉλ２または（Ｉλ１−Ｉλ２）／（Ｉλ１＋Ｉλ２）の値を、植物の生育状態を評価するための指標値として、算出する。
Ｉλ１／Ｉλ２による演算は最も単純なものであり、レッドエッジの中心波長に対応する指標値となる。（Ｉλ１−Ｉλ２）／（Ｉλ１＋Ｉλ２）はレッドエッジの傾斜に対応する指標値となる。
その後、制御装置２２ａは、算出した指標値やその指標値と一定の基準値との差などを、表示パネル３０に表示したり外部処理装置３４に出力したりする。

以上の本実施形態によれば、一方のＬＥＤ２８ａが点灯した後に他方のＬＥＤ２８ｂがその点灯位置に移動し点灯するから、各ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの照射光の伝播経路が一致する。そのため、測定対象物４０に光照射してこれを検出する際に、緑葉の葉脈の状態や緑葉自体のそり具合などによる影響が軽減され、測定誤差の発生を抑制することができ、ひいては植物の生育状態の評価精度を向上させることができる。

［変形例１］
図６に示すとおり、２種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂを近接した位置に配置した状態で同一のパッケージ５０内に実装しこれを光源として使用してもよい。
かかる場合、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの各照射光の伝播光路は完全には一致しないが、本実施形態のように、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの配置が同じパッケージ内に収まる程度に近接していれば、各照射光の伝播光路は一致するものとみなしてよい。

［変形例２］
図７に示すとおり、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの位置を固定するとともに各照射光の伝播光路上に合波ミラー５２を配置し、各照射光の伝播光路を一致させてもよい。
［変形例３］
図８に示すとおり、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂの位置を固定するとともに各照射光の伝播光路上に合波プリズム５４を配置し、各照射光の伝播光路を一致させてもよい。
［変形例４］
図９（ａ），（ｂ）に示すとおり、ＬＥＤ２８ａ（またはＬＥＤ２８ｂ）のみを単一使用してこれを固定するとともに、その照射光の伝播光路上に２波長分の波長変換がおこなえる円形状のバンドパスフィルター５６を配置し、バンドパスフィルター５６をモータ５８で回転させるようにしてもよい。
かかる場合、照射光は、発光波長自体が同じでも伝播波長を変更することができ、その伝播光路を一致させることができる。
図９（ｃ）に示すとおり、バンドパスフィルター５６として矩形状のものを使用し、これを１方向に往復移動させるようにしてもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は下記の点で第１の実施形態と異なっており、それ以外の構成や作用等の技術的事項は第１の実施形態と同様となっている。

図１０に示すとおり、植物生育評価装置２０では、センサーヘッド２８において、２種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂに加え第３のＬＥＤ２８ｅが設けられている。
本実施形態でも、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｅは光検出器２８ｃを中心とした円周上に配置され、その円周軌道上を移動可能となっている。
第３のＬＥＤ２８ｅの発光波長（λ３）は、レッドエッジの波長領域に対応する６９０〜７５０ｎｍの範囲に存在している。
本実施形態では、ＬＥＤ２８ａの発光波長λ１は７２０ｎｍに設定され、ＬＥＤ２８ｅの発光波長λ３は７４０ｎｍに設定されている（ＬＥＤ２８ｂの発光波長λ２は７８０ｎｍに設定されたままである。）。

本実施形態でも、生育状態評価装置２０を用いた植物の生育状態の評価方法についての操作や動作は、第１の実施形態と同様である。
異なるのは、レッドエッジの波長領域に対してＬＥＤ２８ａ，２８ｃの発光波長λ１，λ３の２波長分を割り当てたことであり、その結果として、レッドエッジの波長領域の傾斜を、指標値として表示ならびに出力できる点にある。
指標値を算出する場合は、制御装置２２ａによって、光検出器２８ｃの検出結果を、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｅの変調周波数に対応した強度出力値（Ｉλ１，Ｉλ２，Ｉλ３）を算出し、（Ｉλ１−Ｉλ３）／（Ｉλ１＋Ｉλ３）の値を指標値として算出する。
かかる場合、Ｉλ２は、光束の測定対象物４０への当たり方で反射率に誤差が生じたときに、光検出器２８ｃに入射する光量が変化するのを補正するのに使用される。
さらに、指標値を算出する場合、（Ｉλ１＋Ｉλ３）／２×Ｉλ２の値を算出してこれを指標値としてもよい。

以上の本実施形態によれば、レッドエッジの波長領域に対してＬＥＤ２８ａ，２８ｃの発光波長λ１，λ３の２波長分を割り当てているから、第１の実施形態よりさらに多様な指標値の出力が可能となる。

［変形例１］
図１１に示すとおり、３種のＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｅを近接した位置に配置した状態で同一のパッケージ６０内に実装しこれを光源として使用してもよい。
かかる場合、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｅの各照射光の伝播光路は完全には一致しないが、本実施形態のように、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｅの配置が同じパッケージ内に収まる程度に近接していれば、各照射光の伝播光路は一致するものとみなしてよい。

［変形例２］
図１２（ａ），（ｂ）に示すとおり、ＬＥＤ２８ａ（またはＬＥＤ２８ｂ，２８ｅ）のみを単一使用してこれを固定するとともに、その照射光の伝播光路上に３波長分の波長変換がおこなえる円形状のバンドパスフィルター６２を配置し、バンドパスフィルター６２をモータ６４で回転させるようにしてもよい。
かかる場合、照射光は、発光波長自体が同じでも伝播波長を変更することができ、その伝播光路を一致させることができる。
図１２（ｃ）に示すとおり、バンドパスフィルター６２として矩形状のものを使用してこれを１方向に往復移動させるようにしてもよい。

なお、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｃを移動させる構成（図４および図１０参照）、ＬＥＤ２８ａ，２８ｂ，２８ｃを同一パッケージに実装する構成（図６および図１１参照）、合波ミラー５２や合波プリズム５４を使用する構成（図７および図８）およびバンドパスフィルター５６，６２を使用する構成（図９および図１２参照）のいずれにおいても、照射光の伝播光路を一致させる範囲内で、光源の数は適宜変更可能である。

２０ 生育状態評価装置
２２ 固定部
２２ａ 制御装置
２２ｂ バッテリ
２４ 可動部
２６ 軸部
２８ センサーヘッド
２８ａ，２８ｂ ＬＥＤ
２８ｃ 光検出器
２８ｄ 窓部
２８ｅ ＬＥＤ
３０ 表示パネル
３２ インターフェース
３４ 外部処理装置
４０ 測定対象物

Claims (5)

1. 測定対象物に対し発光波長の異なる複数の光を照射し、その反射光を検出して植物の生育状態を評価する生育状態評価装置であって、
   発光波長（λ１）が前記測定対象物の分光反射率のレッドエッジの波長領域に存在する第１の光源と、発光波長（λ２）が前記レッドエッジの波長領域よりも長波長のフラットな波長領域に存在する第２の光源と、前記第１の光源と前記第２の光源との各照射光を検出する光検出器とを備え、
   前記第１の光源の照射光の伝播光路と前記第２の光源の伝播光路とが一致することを特徴とする生育状態評価装置。
2. 請求項１に記載の生育状態評価装置において、
   前記第１の光源、前記第２の光源および前記光検出器を制御する制御装置であって、前記光検出器の検出結果から、前記第１の光源の発光波長に対応する光の出力値（Ｉλ１）と、前記第２の光源の発光波長に対応する光の出力値（Ｉλ２）とを算出し、Ｉλ１／Ｉλ２または（Ｉλ１−Ｉλ２）／（Ｉλ１＋Ｉλ２）の値を、前記測定対象物の生育状態を評価する際の指標値として、算出する前記制御装置を備えることを特徴とする生育状態評価装置。
3. 請求項１に記載の生育状態評価装置において、
   発光波長（λ３）が前記測定対象物の分光反射率のレッドエッジの波長領域に存在し、かつ、前記第１の光源の発光波長と異なる第３の光源を備え、
   前記制御装置が、前記光検出器の検出結果から、記第１の光源の発光波長に対応する光の出力値（Ｉλ１）と、前記第２の光源の発光波長に対応する光の出力値（Ｉλ２）と、前記第３の光源の発光波長に対応する光の出力値（Ｉλ３）とを算出し、（Ｉλ１−Ｉλ３）／（Ｉλ１＋Ｉλ３）をＩλ２で補正した値または（Ｉλ１＋Ｉλ３）／２×Ｉλ２の値を、前記測定対象物の生育状態を評価する際の指標値として、算出することを特徴とする生育状態評価装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の生育状態評価装置において、
   前記レッドエッジの波長領域が６９０〜７５０ｎｍであり、
   前記フラットな波長領域が７６０ｎｍ以上であることを特徴とする生育状態評価装置。
5. 請求項１〜４の生育状態評価装置において、
   前記第１の光源、前記第２の光源および前記第３の光源はＬＥＤであり、
   これら光源が同一のパッケージ内に実装されていることを特徴とする生育状態評価装置。

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