JP5645504B2 - 植物栽培装置および植物栽培方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２００２−２２３６３６号公報 特開２００５−２７５２１号公報 特開２００８−１２５４１２号公報 特開２００２−２１４１４１号公報

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>

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。

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。

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、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。

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、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。

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、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。

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、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。

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、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。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５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。

請求項７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２次元に走査し、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前記光の照射位置が位置する間のみ前記半導体レーザを能動化する工程と、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。

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、また、照射範囲を容易に変更することができる。

請求項２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５の発明では、病変部での成長を抑制することができる。

請求項６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。

植物栽培装置を示す斜視図である。 走査機構を示す図である。 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。 撮像部にて取得された画像の一部を示す図である。 植物栽培装置の動作の流れを示す図である。 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。 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。 病変部を例示する図である。 関連技術に係る植物栽培装置の一部を示す図である。 植物栽培装置の機能構成を示すブロック図である。 植物栽培装置の動作の流れの一部を示す図である。 植物栽培装置の一部を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図９は、関連技術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。

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。

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。

上記関連技術では、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。上記関連技術においても、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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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、
   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。
2. 請求項１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。
3. 請求項２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。
4. 請求項３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。
5. 請求項４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。
6. 請求項１ないし５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。
7. 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２次元に走査し、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前記光の照射位置が位置する間のみ前記半導体レーザを能動化する工程と、
   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。

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