WO2014181797A1

WO2014181797A1 - 光量子計

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Publication number: WO2014181797A1
Application number: PCT/JP2014/062254
Authority: WO
Inventors: 京一原田; 明子浦
Original assignee: 株式会社日本医化器械製作所; 株式会社相馬光学
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2014-11-13
Also published as: KR20160042815A; CN105579816A; JP5575951B1; EP2995915A4; EP2995915A1; CN105579816B; JP2014219293A

Abstract

【課題】　波長毎の光合成光量子束密度をリアルタイムで知ることできる実用的な光量子計を提供する。【解決手段】　分光ユニット１において入射光学系１３により分光素子１２に入射した被測定光は分光素子１２で分光され、検出器１４で光電変換されて各波長の光電変換信号がインタフェース部１６，２６を介して演算処理ユニット２に送信される。光合成光量子束密度測定プログラム４及び専用のデバイスドライバ２６２がインストールされた汎用コンピュータである演算処理ユニット２は、受信した分光データを演算処理して波長毎の光合成光量子束密度の分布を算出し、ディスプレイ２４に表示する。

Description

光量子計

　本願の発明は、光合成光量子束密度の測定に関するものである。

　植物が生育する環境条件のうち、光は極めて重要である。光合成を行うのに適した光が得られているかどうかを知ることは、植物生理学等の学術研究を始めとして植物工場等の各種分野で必要となる。
　このような植物の育成に関連して光の強度を知る場合、以前は、照度や放射束密度といった指標が用いられていた。しかしながら、これらは、エネルギーの単位であって光合成に直接関連した指標ではない。このため、最近では、光合成光量子束密度が用いられるようになってきている。

　光量子束密度は、光の量をエネルギーではなく光量子（光子）の個数によって表した指標であり、単位時間・単位面積あたりに入射する光量子の個数である。特に、葉緑素（クロロフィル）の吸収波長である４００～７００ｎｍの波長域については、光合成光量子束密度と呼ばれる。
　光合成光量子束密度は、光量子計によって測定される。光量子計は、Ｓｉフォトダイオードのような光センサで被測定光を受光し、光センサからの出力値に対して所定の演算を行って光量子束密度を算出する。

特開２０１２－１６３４８２号公報

http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/07091111/004.htm

　しかしながら、従来の光量子計では、光合成に関与する光量子の全体の数を知ることはできるが、波長毎の光量子の数を知ることができない。例えば、特定の植物の生育には特定の波長の光が有効である場合、その波長においてどの程度の数の光量子が得られているか知ることが有益であるが、従来の光量子計は、分光測定をするものではないので、この種の測定結果を得ることはできない。特許文献１では、フィルタを切り替えて使用することで幾つかの波長域毎に光量子束密度を測定しているが、一つのフィルタの透過帯域において各波長の光量子束密度を知ることはできない。

　波長毎の光合成光量子束密度を知ろうとした場合、分光放射照度を測定する一般的な分光器（分光測定器）を用い、各波長の放射照度を測定した後、所定の換算式を用いて各測定値（分光放射照度）を光量子束に変換する計算が必要になる。この計算は面倒で、またリアルタイムで測定結果を得ることができない。即ち、植物に光があたっている環境下に受光器をおいその場で光合成光量子束密度を知ることはできない。
　本願の発明は、このような課題に鑑みて為されたものであり、波長毎の光合成光量子束密度をリアルタイムで知ることできる実用的な光量子計を提供する意義を有する。

　上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、被測定光が入射する分光素子と、分光素子で分光された被測定光が入射する検出器と、検出器から出力された光電変換信号を処理する演算処理部と、演算処理部が処理した結果を表示するディスプレイとを備えており、
　演算処理部は、検出器から出力された光電変換信号を処理することで波長毎の光合成光量子束密度を算出するものであり、
　ディスプレイは、被測定光が存在する環境下でリアルタイムでその被測定光の分光光合成光量子束密度分布を表示することが可能なものであり、
　前記演算処理部は、光合成光量子束密度測定プログラムを実行することにより前記波長毎の光合成光量子束密度を算出し、前記分光光合成光量子束密度分布を前記ディスプレイに表示させるものであって、光合成光量子束密度測定プログラムが記憶された記憶部を備えているか、又は光合成光量子束密度測定プログラムをネットワークを介して実行可能なものであり、
　前記演算処理部に対して情報を与える入力部を備えており、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、植物にとっての光合成有効波長に応じて波長域を指定する波長域指定入力を入力部においてさせることが可能であって、波長域指定入力で指定された波長域について前記波長毎の光合成光量子束密度を算出することが可能であり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された波長域について前記分光光合成光量子束密度を前記ディスプレイに表示させ、他の波長域の分光光合成光量子束密度を表示させないものであり、
　前記波長域指定入力は、互いに離散した複数の波長域を指定することが可能なものであり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された離散した各波長域について前記波長毎の光合成光量子束密度を算出することが可能であり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された離散した各波長域について前記分光光合成光量子束密度を前記ディスプレイに表示させ、他の波長域の分光光合成光量子束密度を表示させないものであるという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記光合成光量子束密度測定プログラムは、測定された分光光合成光量子束密度に特定の植物の分光吸収率を掛け合わせることで当該植物についての実効分光光合成光量子束密度を算出してディスプレイに表示することが可能であるという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記分光素子及び前記検出器は、分光ユニットを構成するものとして設けられており、前記演算処理部は、演算処理ユニットを構成するものとして設けられており、
　演算処理ユニットは汎用コンピュータであって、前記光合成光量子束密度測定プログラムがインストールされているという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記演算処理ユニットには、前記検出器から出力された光電変換信号を汎用インターフェースを介して受信するデバイスドライバがインストールされており、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、このデバイスドライバにより受信した光電変換信号を処理して前記波長毎の光合成光量子束密度を算出するものであるという構成を有する。

　以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、分光光合成光量子束密度分布がディスプレイにリアルタイムで表示されるので、植物の光環境の調査や植物育成用の人工光源の評価等に好適に用いることができる。
　また、演算処理部が光合成光量子束密度測定プログラムを実行することにより波長毎の光合成光量子束密度を算出して表示するので、算出や表示の条件の変更が容易である。
　また、指定された波長域についてのみ分光光合成光量子束密度分布を表示することができるので、光合成に有効な波長域のみ観察することができ、好適である。
　また、離散した複数の波長域を指定することができるので、色々な植物の有効波長域に応じて最適な測定を行うことができる。
　また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、実効分光光合成光量子束密度も表示できるので、特定の光環境が特定の植物の育成にどの程度効率的か知ることができ、光環境の調査や人工光源の評価、研究等を行う上でさらに好適なものとなる。
　また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、光量子計が分光ユニットと演算処理ユニットから成るものであり、演算処理ユニットが汎用コンピュータで構成されているため、光量子計のコストを安価にしたり、ユーザーにおいて導入が容易になったりする効果が得られる。
　また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、分光ユニット内の検出器からの光電変換信号を受信するインターフェースとして汎用インターフェースが採用されているので、そのようなインターフェース部を備えている限り、汎用の分光器を採用することができる。従って、そのような分光器を所持していれば、ソフトウェアパッケージを自分のコンピュータにインストールするだけでリアルタイムの分光光合成光量子束密度測定が行えることになり、さらに導入が容易となる。

本願発明の実施形態に係る光量子計の概略構成を示した図である。演算処理ユニット２を構成する汎用コンピュータにインストールされるソフトウェアパッケージの概略図を示した図である。図１に示す光量子計が備える光量子束密度測定プログラムの概略構造を示した図である。光量子束密度測定プログラムのメインモジュール４１によってディスプレイに表示されるメインウインドウの一例を示した概略図である。波長域設定ウインドウの一例を示した概略図である。絶対値算出モジュールの実行結果の一例を示す概略図である。相対値算出モジュールの実行結果の一例を示す概略図である。絶対値算出モジュールの概略を示したフローチャートである。相対値算出モジュールの概略を示したフローチャートである。複数の分光光合成光量子束密度分布が重ね合わせて表示された状態の一例を示す図である。光量子効率の算出について示した概略図である。

　次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
　図１は、本願発明の実施形態に係る光量子計の概略構成を示した図である。図１に示す光量子計は、光合成光量子束密度を測定するための光量子計であり、４００～７００ｎｍの波長域における光量子束密度を測定するものである。
　この光量子計の大きな特徴点の一つは、被測定光を分光して各波長の光合成光量子束密度をリアルタイムで測定するものである点である。即ち、図１に示すように、この光量子計は、分光ユニット１と、演算処理ユニット２とから主に構成されている。

　まず、分光ユニット１について説明すると、図１に示すように、分光ユニット１は、筐体１１と、筐体１１内に設けられた分光素子１２と、分光素子１２に被測定光を入射させる入射光学系１３等から構成されている。入射光学系１３は、この実施形態では、受光器１３１と、受光器１３１からの被測定光を導く光ファイバ１３２と、光ファイバ１３２の出射側に配置された入射スリット１３３等から主に構成されている。

　受光器１３１は、測定場所に配置されるもので、必要に応じて光拡散板により受光する構造とされる。この実施形態では、反射型の光拡散板が使用されているが、透過型の光拡散板を使用して被測定光を光ファイバ１３２に入射させることもある。光ファイバ１３２は、受光器１３１を任意の場所に配置しつつ光量子束密度の測定を容易にするためのもので、石英系のライトガイドファイバが使用される。図１に示すように、筐体１１には、光ファイバ１３２の出射端を装着した装着部１１０が設けられており、入射スリット１３３は、この装着部１１０の付近に設けられている。

　分光素子１２としては、回折格子（グレーティング）が使用されている。波長域を分担させるため、複数の分光素子を使用する場合もある。分光素子１２は、分光用光学系１２０の一部として設けられている。この実施形態では、ファスティエバート型の光学系が採用されており、入射スリット１３３からの光を平行光にして分光素子１２（回折格子）に照射するとともに、分光素子１２（回折格子）で分光された各波長の光を測定用センサの各センサ素子に集光して入射させる凹面鏡１２１を備えた構成となっている。この他、ツェルニーターナー型等の他のタイプの分光用光学系を採用することも可能である。

　筐体１１内には、分光素子１２で分光された被測定光が入射する検出器１４と、検出器１４からの出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１５と、ＡＤコンバータ１５を介して送られた検出器１４からの出力を演算処理ユニット２に送信するためのインターフェース部１６等が設けられている。
　検出器１４としては、本実施形態では、リニアアレイセンサが使用されている。リニアアレイセンサは、フォトダイオード又はＣＣＤ等の光電変換素子を一列に並べたセンサである。各センサ素子は、分光された各波長の光をそれぞれ光電変換して強度を出力するものであり、分光素子１２の分解能や測定する波長域に応じて各素子の受光面の幅や素子の数が決められる。例えば、シリコンフォトダイオードを２０４８個程度並べたリニアアレイセンサが検出器１４として使用される。

　尚、検出器１４は、分光素子１２との関係で最適な位置及び姿勢で配置される。即ち、分光素子１２によって分光された各波長の光がそれぞれ到達する位置に各センサ素子が位置するよう配置される。
　また、リニアアレイセンサである検出器１４は、各センサ素子の検出値（光電変換された値）をある長さの時間で蓄積して（積分して）読み出し可能とする。この時間は、露光時間と呼ばれ、２．５μＳ～６Ｓ程度である。インターフェース部１６としては、この実施形態ではＵＳＢインターフェースが採用されており、ＵＳＢポート１６１を有している。

　一方、演算処理ユニット２は、パソコンのような汎用コンピュータに専用のソフトウェアパッケージをインストールすることで構成されたものである。具体的には、Ｗｉｎｄｏｗｓ（マイクロソフト社の登録商標）のような汎用ＯＳが搭載されたコンピュータであり、ノートパソコンや、デスクトップパソコン、ワークステーション等として販売されているものの中から任意のものを使用し得る。周知のように、コンピュータは、ＣＰＵ２１やメモリ２２の他、ハードディスク２３、ディスプレイ２４、プリンタ２５等を備えている。

　専用のソフトウェアパッケージには、光合成光量子束密度の算出を含む演算処理を行う測定プログラムの他、分光ユニット１を演算処理ユニット２の周辺装置として動作させるための専用のデバイスドライバ（以下、分光ユニット用ドライバという）が含まれる。
　図２は、演算処理ユニット２を構成する汎用コンピュータにインストールされるソフトウェアパッケージの概略図を示した図である。
　図２では、ＤＶＤ－ＲＯＭやＣＤ－ＲＯＭのような媒体で提供されて読み込まれた状態が想定されているが、ソフトウェアパッケージは、圧縮されてネットワーク（例えばインターネット）経由でダウンロード提供される場合もある。

　図２に示すように、ソフトウェアパッケージには、インストール用の実行ファイル（ｓｅｔｕｐ．ｅｘｅ）３１、光合成光量子束密度測定プログラム本体を格納したフォルダ３２、分光ユニット用ドライバを格納したフォルダ３３、各種マニュアル類の文書ファイルを格納したフォルダ３４等から成っている。ｓｅｔｕｐ．ｅｘｅを実行すると、光合成光量子束密度測定プログラム（以下、光量子束密度測定プログラムと略す）や分光ユニット用ドライバが汎用コンピュータにインストールされるようになっている。この点は、他のアプリケーションソフトウェアと同様なので、説明は割愛する。

　実施形態の光量子計を使用して光合成光量子束密度を測定しようとする者（ユーザー）は、分光ユニット１を入手するとともに図２に示すソフトウェアパッケージを入手し、自分のコンピュータにインストールする。この結果、図１に示す光量子計が実現される。
　尚、演算処理ユニット２としての汎用コンピュータは、分光ユニット１内の検出器１４から出力された光電変換信号を汎用インターフェース部２６を介して受信するようになっている。汎用インターフェース部２６としては、この実施形態ではＵＳＢが採用されているが、これに限られるものではない。

　具体的には、分光ユニット１内のインターフェース部１６はＵＳＢインターフェースであり、検出器１４につながるＵＳＢポート２６１を有している。一方、上記のようにソフトウェアパッケージがインストールされると、図１中に概念的に示すように、演算処理ユニット２において、ＵＳＢコントローラ上に分光ユニット用ドライバ２６２が実装され、分光ユニット用ドライバ２６２を使用するアプリケーションとして光量子束密度測定プログラム４がインストールされた状態となる。ＵＳＢコントローラは、ＰＣＩのようなバスを介してＣＰＵ２１に接続されたインターフェース部であり、ＵＳＢケーブル２６０で接続された分光ユニット１からの出力データ（即ち、検出器１４から出力される光電変換信号）を受信するようになっている。
　この他、演算処理ユニット２は、メモリ２２やハードディスク２３等の記憶部や、情報を表示するディスプレイ２４を備えている。記憶部は、分光ユニット１からの出力データを演算処理して得られた測定結果を記憶部するものである。また、演算処理ユニット２は、入力部としてキーボード２７やマウス２８を備えている。これら入力部は、演算処理部としてのＣＰＵ２１に情報を与えるものである。

　分光ユニット用ドライバ２６２は、分光ユニット１からの出力データをインタラプト転送させるものである。具体的には、前述したように、検出器１４は、各センサ素子において光電変換信号を露光時間で蓄積して出力可能とする。分光ユニット用ドライバ２６２は、出力ポートから各センサ素子の光電変換信号を出力するようインターフェース部１６を介して検出器１４に制御信号を送信する。検出器１４は、各センサ素子の光電変換信号を出力ポートからシリアルに送信する。

　例えば、各センサ素子のうち、最も短い波長λ_１の光が入射するセンサ素子をＳ_１とし、次に短い波長λ_２が入射するセンサ素子をＳ_２とし、同様に、入射波長が短い順にＳ_３、……Ｓ_ｎとする。λ_１、λ_２、λ_３……λ_ｎの各間隔Δλは、分光素子１２の分解能に依存する量であり、分解能と同程度の波長幅である。検出素子は、Ｓ_１～Ｓ_ｎの各出力（Ｉ_１～Ｉ_ｎ）をシリアルに出力する。分光ユニット用ドライバ２６２は、インターフェース部１６，２６を介して送信された信号を受信し、予め確保されているメモリ２２の記憶領域に所定のファイル形式で保存する。尚、分光ユニット用ドライバ２６２は、検出器１４からの出力信号がインタラプト転送されるよう各インターフェース部１６，２６に制御信号を送る。このような分光ユニット用ドライバは、株式会社相馬光学から販売されているマルチチャンネル分光計Ｓ－２４３１等の附属ソフトウェアに含まれるデバイスドライバと同様のものを使用できるので、詳細な説明は省略する。

　次に、演算処理ユニット２にインストールされている光量子束密度測定プログラムについて説明する。
　光量子束密度測定プログラムは、分光ユニット用ドライバで受信した検出器１４の出力データ（各センサ素子Ｓ_１～Ｓ_ｎからの出力Ｉ_１～Ｉ_ｎ）に対して演算処理を行って分光光合成光量子束密度分布を算出、表示するプログラムである。Ｗｉｎｄｏｗｓのような汎用ＯＳ上で動作するアプリケーションプログラムである。

　図３は、図１に示す光量子計が備える光量子束密度測定プログラムの概略構造を示した図である。図３に示すように、光量子束密度測定プログラムは、メインモジュール４１、データ取得モジュール４２、演算処理モジュール４３１，４３２、条件設定モジュール４４、専用ＤＬＬファイル４５等から成っている。
　光量子束密度測定プログラム４は、専用の識別子で識別されるファイルで測定データを取り扱うようになっている。以下、このファイルをＰＰＦＤファイルと呼ぶ。図示は省略されているが、ソフトウェアパッケージには、空の（初期の）ＰＰＦＤファイルが含まれる。

　この実施形態では、ＰＰＦＤファイルには、複数の分光データを記録することができるようになっている。以下、一つの分光データを分光データセットと呼ぶ。一つの分光データとは、上記λ_１～λ_ｎまでの各光センサの出力である。ＰＰＦＤファイル内には、複数（例えば九つ程度まで）の分光データセットと、各分光データセットに対する演算処理や演算処理結果の表示の条件についての設定情報とが記録されるようになっている。

　メインモジュール４１は、各種入力を行わせたり分光データや測定結果を表示したりするためのウインドウ（以下、メインウインドウ）をディスプレイに表示するモジュールである。データ取得モジュール４２は、分光ユニット１から出力データを送信させて取得するモジュールである。演算処理モジュール４３１，４３２は、取得したデータを処理して分光光量子束密度分布を得るモジュールである。条件設定モジュール４４は、演算処理の条件等を設定するモジュールである。専用ＤＬＬファイル４５は、これらモジュールや他のモジュール（演算処理ユニット２が備える汎用モジュールを含む）を関連づけたＤＬＬファイルである。

　図４は、光量子束密度測定プログラムのメインモジュール４１によってディスプレイに表示されるメインウインドウの一例を示した概略図である。図４に示すように、メインウインドウでは、標準的なボタンが並んだメニューバー５１の他、分光光合成光量子束密度分布の測定、表示に必要な各種の設定や動作を行わせるためのツールバー５２が表示されるようになっている。
　図４に示すように、ツールバー５２には「分光データ取得」と表示されたボタン（以下、データ取得ボタン）５２１が設けられている。データ取得ボタン５２１には、分光ユニット１から分光データ（一つの分光データセット）を送信させて取得するデータ取得モジュール４２がリンクされている。
　データ取得モジュール４２は、分光ユニット用ドライバ２６２によって分光ユニット１から受信した分光データセットを、現在開いているＰＰＦＤファイル内に記録するモジュールである。データ取得モジュール４２は、受信した分光データセットについて自動的にＩＤ番号を付与し、ＩＤ番号とともにＰＰＦＤファイル内に記録するようになっている。

　図４に示すように、メインウインドウ５には三つのフレーム５３，５４，５５が設けられている。三つのフレーム５３，５４，５５は上下に並んでおり、一番上は測定結果をグラフ表示するためのフレームである（以下、グラフ表示フレームという）。中程は、測定結果を数値データで表示したり分光データセットを選択させたりするためのフレームである（以下、数値データ表示フレームという）。一番下は、細長い（一行のみの）フレームであり、選択されている分光データセットの測定条件や演算処理条件等を確認的に表示するフレームである（以下、ボトムフレームという）。

　図４には、データ取得モジュール４２により一つの分光データセットが取得された際の状態が示されている。この例は、新たに３個めの分光データセットを取得した状態である。図４に示すように、データ取得モジュール４２は、この分光データセットにＩＤ番号としてＮｏ．３を付与し、尚、データ取得モジュール４２は、一つの分光データセットを取得した際、全体の放射照度（ｍＷ／ｃｍ^２）と、全体の（４００～７００ｎｍの）光合成光量子束密度とを算出し、ＩＤ番号とともに数値データ表示フレーム内に表示するようプログラミングされている。

　尚、図４に示すように、ボトムフレーム５５には、当該分光データセットの取得の際の露光時間や積算回数が確認的に表示されるようになっている。実施形態の光量子計は、演算処理ユニット２の入力部２７，２８から露光時間を入力して設定できるようになっており、設定値がここで表示される。また、実施形態の光量子計は、測定誤差を少なくするため、複数回測定を行ってその平均値を検出器１４から出力させることができるようになっている。平均値の算出は波長毎に行われるが、平均値を算出するための積算回数も入力部２７，２８から設定できるようになっており、この設定値もボトムフレーム５５で確認的に表示される。

　また、図４に示すように、ツールバー５２中には、「測定条件」と表記されたボタン（以下、条件設定ボタン）５２２が設けられている。条件設定ボタン５２２はプルダウンボタンとなっており、表示されるプルダウンリストには、「波長範囲（ＰＰＦＤ）」と表記されたボタン（以下、波長域設定ボタン）が含まれている。波長域設定ボタンがクリックされると、波長域設定用のウインド（以下、波長域設定ウインドウ）が新たなウインドウとして表示されるようになっている。

　図５は、波長域設定ウインドウの一例を示した概略図である。図５に示すように、波長域設定ウインドウ６には、光量子束密度を測定する全体の波長範囲を設定する欄（全体設定欄）６１と、全体設定欄６１で設定された波長範囲内の各波長域について設定する欄（各波長域設定欄）６２とが含まれている。全体設定欄６１では、全体の波長範囲の下限値（最も短い波長）と上限値（最も長い波長）とを数値で入力するようになっている（単位はｎｍ）。

　この実施形態では、光量子束密度を六つの波長域に分けて表示できるようになっており、各波長域設定欄６２には六つの波長域についての入力欄が設けられている。各入力欄には、演算・表示を行うかどうかの選択する入力欄（この例ではチェックボックス）と、波長域の名称を入力する欄と、各波長域について上限値と下限値とを入力する欄が設けられている。
　波長域設定ウインドウ６にはＯＫボタン６３が設けられており、各入力欄が入力されてＯＫボタン６３がクリックされると、条件設定モジュール４４が起動するようになっている。条件設定モジュール４４は、各欄に入力された情報をＰＰＦＤファイル内の所定の領域に記憶するようプログラミングされている。

　尚、図２では省略されているが、ソフトウェアパッケージには、分光ユニット１について出荷時に測定された校正データを記録したファイル（分光データファイル）が含まれている。即ち、実施形態のソフトウェアパッケージは、出荷される分光ユニット１の附属品としてユーザーに提供されるものとなっている。
　校正データは、分光スペクトルが既知である標準光源を使用して分光ユニット１により分光放射照度を測定し、その結果により当該分光ユニット１の検出系の分光感度特性を記録したデータである。校正データと照らし合わせることで、分光放射照度の絶対値の算出が可能となる。校正データは、ソフトウェアパッケージのインストールの際、演算処理ユニット２の記憶部２２，２３の所定の場所に記憶される。

　一方、図４に示すように、ツールバー５２内には、「光量子束密度（絶対値）」と表記されたボタン（以下、絶対値ボタン）５２３と、「光量子束密度（相対値）」と表記されたボタン（以下、相対値ボタン）５２４とが設けられている。これに対応し、演算処理モジュールとして、絶対値を算出する絶対値算出モジュール４３１と、相対値を算出する相対値算出モジュール４３２が設けられており、絶対値ボタン５２３は絶対値算出モジュール４３１にリンクし、相対値ボタン５２４は相対値算出モジュール４３２にリンクしている。

　図６は、絶対値算出モジュールの実行結果の一例を示す概略図である。図６に示すように、絶対値算出モジュール４３１が実行されると、グラフ表示フレーム５３内に分光光合成光量子束密度分布がグラフ表示される。尚、この明細書や図面の各図で示されている分光放射照度や光合成光量子束密度のグラフや数値は、説明のための便宜上の架空のものであり、実際に測定した数値ではない。
　図７は、相対値算出モジュールの実行結果の一例を示す概略図である。図７は、図６に実行結果を示したものと同じ分光データセットについて相対値を算出した結果の図であり、従って、縦軸のみが図６と異なり、グラフ自体は同じものとなっている。

　ここで、光合成光量子束密度の算出について説明する。光合成光量子束密度は、前述したように単位時間及び単位面積あたりの光量子の数密度であるが、通常は、μｍｏｌ（マイクロモル）を使用し、μｍｏｌ／ｍ^２／ｓｅｃという単位とされる。１μｍｏｌ＝１０^－６×（アボガドロ数）＝６．０２２１３７×１０^１７である。

　各波長の光合成光量子束密度ＰＰＦＤ（λ）は、式１によって算出される。式１において、Ｉ（λ）は、分光放射照度（μＷ／ｃｍ^２／ｎｍ／ｓｅｃ）である。

　従って、光合成光量子束密度の総数（全波長での光合成光量子束密度）ＰＰＦＤは、式１を波長４００～７００ｎｍにおいて積分することにより得られる。即ち、以下の式２により得られる。

　図８は、絶対値算出モジュールの概略を示したフローチャートである。絶対値算出モジュールは、分光データセットを特定するＩＤ番号と演算処理条件を引数にして実行されるようになっている。演算処理条件とは、光合成光量子束密度を算出するよう指定された波長域である。この条件は、上述したように条件設定モジュール４４により予め設定される。

　絶対値算出モジュールは、図８に示すように、まず最初の（下限値の）波長（λ_１）について、当該波長が演算処理条件で指定された波長域のいずれかに入っているかどうか判断する。入っていれば、指定された分光データセットについて当該波長の出力値を取得する。そして、この出力値について校正データを参照しながら、当該波長における放射照度（分光放射照度）の絶対値を算出する。次に、絶対値算出モジュールは、算出された放射照度を式１に代入し、当該波長における光量子束密度を算出する。算出された光量子束密度をメモリ変数に一時的に格納する。

　次に、絶対値算出モジュールは、次の波長（λ_２）について同様に演算処理条件に入っているかどうか判断し、入っていれば、分光データセットから出力値を取得し、同様に放射照度の絶対値を算出する。そして、式１に従って光量子束密度の絶対値を算出し、別のメモリ変数に一時的に格納する。
　絶対値算出モジュールは、同様の処理を最後の（上限値の）波長（λ_ｎ）まで繰り返して行い、演算処理条件に入っている波長について順次メモリ変数に光量子束密度を格納する。

　その後、絶対値算出モジュールは、グラフ表示と各波長域毎の値の合算値の算出とを行う。即ち、絶対値算出モジュールは、各メモリ変数から値を読み出し、グラフ化してメインウインドウのグラフ表示フレーム５３内に図６に示すように表示する。また、演算処理条件に従い、各波長域内で値を合算し、数値データ表示フレーム５４の各欄に表示する。例えば、Ａｒｅａ１の名称で設定されている波長域が４００～４５０ｎｍである場合、この波長域で光合成光量子束密度（絶対値）を合算し、数値データ表示フレームの当該波長域の表示欄に表示する。グラフ表示と、各波長域での値の合算・表示が行われると、絶対値算出モジュールは終了である。

　図９は、相対値算出モジュールの概略を示したフローチャートである。相対値算出モジュールも、絶対値算出モジュールと同様に、分光データセットを指定するＩＤ番号と演算処理条件を引数にして起動される。相対値算出モジュールは、同様に各波長について演算処理条件に入っているかどうか判断し、入っていれば、分光データセットから出力値を取得して校正データと比較し、放射照度の絶対値を算出した後、式１に従って光合成光量子束密度を算出して各メモリ変数に一時的に格納する。

　最後の波長（λ_ｎ）まで処理をした後、相対値算出モジュールは、最初の波長（λ_１）に戻ってメモリ変数から値を順次読み出し、最も高い光合成光量子束密度を特定する。そして、この値との比較により各波長の光合成光量子束密度の値（相対値）を算出し直し、各メモリ変数に更新して格納する。

　最後の波長（λ_ｎ）まで相対値の算出と値の格納を終えたら、相対値算出モジュールは、同様にグラフ化処理と、各波長域での合算値の算出・表示とを行う。即ち、同様に各メモリ変数から値を読み出してグラフ化してメインウインドウのグラフ表示フレームに表示するとともに、各波長域で光合成光量子束密度（相対値）を合算し、数値データ表示フレームの各欄に表示する。これにより、相対値算出モジュールは終了である。尚、各波長域の合算値としては、各波長の値を合算してそのまま表示する場合の他、合算値の最も大きな波長域の値に対する相対値として他の波長域の合算値を算出、表示する場合もある。

　また、図４に示すように、メインウインドウ中のツールバー５２には、「分光放射照度」と表記されたボタン（以下、放射照度ボタン）５２９が設けられている。図３において図示は省略されているが、光合成光量子束密度測定プログラムは、分光放射照度を算出、表示するモジュール（以下、放射照度算出モジュール）を含んでいる。放射照度算出モジュールは、指定された分光データセットについて分光放射照度を算出してグラフ表示エリアに表示するものである。放射照度算出モジュールは、上述した絶対値算出モジュールや相対値算出モジュールと同様、各波長の出力値を校正用データと比較して放射照度の絶対値を算出し、グラフ表示フレーム内にグラフ化して表示する。

　また、図４に示すように、メインウインドウ中のツールバー５２には、「新規作成」と表示されたボタン（以下、新規作成ボタン）５２５や、「開く」と表示されたボタン（以下、ファイルオープンボタン）５２６が設けられている。
　新規作成ボタン５２５は、ＰＰＦＤファイルを新たに作成するモジュールを実行するボタンである。このモジュールは、既存のＰＰＦＤファイルとは別に新しくＰＰＦＤファイルを作成して測定結果を得たい場合に実行されるモジュールであり、例えば別の光環境下での測定結果を別のファイルで保存したい場合や、別の演算処理条件での測定結果を別のファイルで保存したい場合に実行される。

　ファイルオープンボタン５２６は、以前に保存したファイルを開き、分光光合成光量子束密度分布を見たり、異なる演算処理条件で再計算させたりするためのボタンである。尚、図示は省略するが、メニューバー中の「ファイル」のボタンをクリックすると、「保存」と表記されたボタンが表示されるようになっており、このボタンにより実行中のＰＰＦＤファイルを保存することができるようになっている。

　上述したように、絶対値算出モジュール４３１や相対値算出モジュール４３２は、演算処理条件で指定された波長域について光合成光量子束密度の算出と表示を行う。波長域については、設定ボタンをクリックすることで任意に設定できるので、任意の波長域について光合成光量子束密度を表示することができる。

　例えば、緑色植物の主要な色素であるクロロフィルは、青色（波長４３５ｎｍ前後）と赤色（波長６８０ｎｍ前後）において高い吸収率を持つが、５００ｎｍ前後の緑色については吸収率が低いことで知られている。従って、青や赤の色の波長域についてのみ光合成光量子束密度の算出、表示をした方が、光合成に適した光環境かどうかの判断がやり易い場合もあり得る。また、この実施形態では、指定された波長域について光合成光量子束密度の合算値が表示されるので、有効な波長域においてどの程度の光量子が得られているかも確認することができ、波長域同士の比較も容易である。

　また、実施形態の光量子計では、複数の分光データセットに対して演算処理をして得た分光光合成光量子束密度を重ね合わせてグラフ表示できるようになっている。以下、この点について説明する。
　メインウインドウのメニューバー５１上には、「表示」と表記されたボタン６３が設けられており、このボタン６３をクリックして表示されるプルダウンリストには、「重ね書き」と表記されたボタンが含まれるようになっている。このボタンをクリックすると、複数の分光光合成光量子束密度を重ね合わせて表示するかどうかの入力（例えばクリックでチェックを入れる）が行えるようになっている。図１０は、この重ね合わせ表示の一例を示したもので、複数の分光光合成光量子束密度が重ね合わせて表示された状態の一例を示す図である。

　複数の分光光合成光量子密度分布を重ね合わせて表示する場合、数値データ表示フレームにおいて複数の分光データセットを指定する。例えば、分光データセットを表示している行にマウスポインタが位置している状態でＣｔｒｌキーを押しながら左クリック（又はエンターキー押下）した場合に複数の分光データセットの指定ができるようにする。そして、複数の分光データセットが指定されている状態で絶対値ボタンがクリックされた場合、それぞれについて演算処理をして分光光合成光量子束密度の絶対値を算出し、図１０に示すように重ね合わせて表示するよう絶対値算出モジュール４３１がプログラミングされている。相対値算出モジュール４３２についても同様である。

　また、実施形態の光量子計は、光環境が特定の植物の光合成のためにどの程度効率的かの指標である光量子効率の測定が行えるようになっている。以下、この点について説明する。図１１は、光量子効率の算出について示した概略図である。
　光量子効率は、測定された全波長域の光合成光量子束密度の総数に対する有効な光合成光量子束密度の総数の比である。植物の光合成には波長依存性がある場合があり、この一つが前述した色素の光吸収率の波長依存性である。図１１（１）には、一例として、あるクロロフィルの分光吸収率分布が示されている。

　このようなクロロフィルに対し、図１１（２）に示す分光光合成光量子束密度分布の光を照射した場合、光合成への作用の仕方はクロロフィルの光吸収に依存するから、光合成に寄与する光量子束の密度（実効光合成光量子束密度）ＰＰＦＤ’は、各波長において光量子に吸収率を掛けたものとなる。即ち、実効光合成光量子束密度ＰＰＦＤ’は、以下の式３で表される。

　式３において、Ａ（λ）は波長毎の光吸収率、Ｐ（λ）は波長毎の光合成光量子束密度である。図１１（２）に示す分光光合成光量子密度分布に対し、図１１（１）に示す分光吸収率を掛け合わせると、図１１（３）に示すような分布となり、これが実効分光光合成光量子密度分布である。この分布を積分した値が、この光環境下でのクロロフィルの有効な光合成光量子束密度の大きさを示すことになる。
　そして、光量子効率Ｅは、全体の光合成光量子束密度に対する実効光合成光量子束密度の比であるから、以下の式４により求められることになる。

　図４に示すように、メインウインドウ内のツールバー５２には、「分光吸収率登録」と表記されたボタン（以下、登録ボタン）５２７と、「光量子効率算出」と表記されたボタン（以下、効率算出ボタン）５２８とが設けられている。図３では図示が省略されているが、光合成光量子束密度測定プログラムは、登録モジュールと効率算出モジュールとを有しており、登録ボタン５２７は登録モジュールにリンクし、効率算出ボタン５２８は率算出モジュールにリンクしている。

　登録ボタン５２７がクリックされると、登録モジュールが起動する。登録モジュールは、分光吸収率を記録したファイルを指定させるウインドウを追加して表示するようになっている。ここでファイルが指定されると、登録モジュールは、分光吸収率について必要な変換を行ってＰＰＦＤファイル内に分光吸収率を記録するようになっている。必要な変換とは、波長のインターバル（分光の波長幅）を分光データセット等と一致させる変換である。尚、登録モジュールは、異なる植物についての光量子効率の算出を可能にするため、分光吸収率を複数登録できるようになっており、分光吸収率を特定するＩＤとともに登録するようになっている。

　効率算出ボタン５２８がクリックされると、効率算出モジュールが起動する。効率算出モジュールは、数値データフレーム６４において少なくとも１個の分光データセットが選択された状態で起動されるものであり、分光データセットが選択されていない場合、その旨のエラーメッセージを表示する。効率算出モジュールは、少なくとも１個の分光データセットが選択されていることを確認すると、分光吸収率を選択させるウインドウを表示し、登録された分光吸収率のうち１つを選択させる。そして、選択された分光吸収率を分光データセットに適用し、式３に従って実効光合成光量子束密度を算出する。そして、算出された実効光合成光量子束密度に対して式４を適用し、光量子効率を算出し、数値データフレーム６４内の当該分光データセットの行に追加して表示する。複数の分光データセットが選択されていれば、各々についてこれらの演算処理をし、光量子効率を表示する。

　以上の構成を有する実施形態の光量子計を使用して光合成光量子束密度を測定する場合、測定したい光環境下に光量子計を持ち込む。例えば、演算処理ユニット２をノートパソコンとし、分光ユニット用ドライバと光量子束密度測定プログラムとをインストールしたノートパソコンと分光ユニット１とを持ち込む。そして、分光ユニット１の電源スイッチをオンにした状態にしてノートパソコンを立ち上げ、光量子束密度測定プログラムを起動した状態とする。この状態で、測定したい場所に受光器１３１を配置し、ノートパソコン上でデータ取得ボタン５２１をクリックし、その場所における分光光合成光量子束密度を測定する。分光データは、予め設定される演算処理条件（波長域の条件）に従って処理され、所望の波長域について光合成光量子束密度がディスプレイに表示される。受光器１３１を置いたその場において瞬時に分光光合成光量子束密度分布をディスプレイ上で確認することができ、リアルタイムで測定結果を得ることができる。リアルタイムとは、受光器１３１を置いて検出器１４で光電変換信号を得るのと、ディスプレイ上で分光光合成光量子束密度分布を見るのとが実質的に同じ時間帯ということである。

　また、同じＰＰＦＤファイルを開いている状態で再度データ取得ボタンをクリックすると、測定条件が異なる別の分光データセットを追加して取得することができ、上述したように複数の分光データセットの各々について演算処理して得られた分光光合成光量子束密度を重ね合わせて表示することができる。例えば、受光器１３１を異なる場所に配置して測定を行って分光データセットを取得し、場所によって分光光合成光量子束密度分布が異なるかどうかを調べる例が考えられる。また、異なる複数の人工光源（太陽以外の光源）について測定して分光データセットを取得し、それぞれについて算出した分光光合成光量子束密度分布を表示して比較する例もあり得る。

　尚、人工光源の評価をする場合、太陽光とのスペクトル合致度の測定を併せて行うようにしても良い。光合成光量子束密度測定プログラムは、ＪＩＳに定められている基準太陽光の分光放射照度（基準スペクトル）のデータファイルとともにユーザーに提供され、インストール時にコンピュータの記憶部にコピーされる。光合成光量子束密度測定プログラムは、合致度算出モジュールを含んでおり、合致度算出モジュールは、人工光源について取得された分光データセットに対して演算処理をして分光放射照度を算出した後、各波長について基準スペクトルとの比較をし、各波長について合致度を算出する。算出された合致度は、グラフ化されてグラフ表示エリアに表示されたり、リスト化されてプリントアウトされたりする。

　上述したように、実施形態の光量子計は、分光光合成光量子束密度分布がディスプレイにリアルタイムで表示されるので、植物の光環境の調査や植物育成用の人工光源の評価等に好適に用いることができる。例えば、植物を育成している環境下の各点における光照射の状況を波長毎の光合成光量子束密度の観点から評価して最適な環境を実現する場合、リアルタイムで分光光合成光量子束密度がチェックできるので、照明条件の変更等をより迅速に実現することができる。また、人工光源の評価や研究等においても、各波長の放射照度を光合成光量子束密度に変換する計算をいちいちする必要がないので、評価や研究等の効率アップに大きく貢献できる。

　また、実施形態の光量子計は、演算処理部が光合成光量子束密度測定プログラムを実行することにより波長毎の光合成光量子束密度を算出して表示するので、算出や表示の条件の変更が容易である。即ち、本願発明の光量子計は、検出器１４から出力される各波長の強度信号をハードウェアにより変換して各波長の光合成光量子束密度とすることは可能である。式１が実現されるように、オペアンプＩＣ等により回路を構成すれば良い。とはいえ、分光光合成光量子束密度の算出条件（例えば絶対値か相対値か等）の変更がある場合、ハードウェアよりはソフトウェアで実現する方が条件の変更に容易に対応ができ、好適である。

　尚、光合成光量子束密度がソフトウェアにより測定される場合、ソフトウェアは、上述したように演算処理ユニット２にインストールされる場合の他、ネットワーク経由でダウンロードして実行される場合もある。即ち、演算処理ユニット２はネットワークにアクセスできる構成とされ、ネットワーク上には、光合成光量子束測定プログラムが実装されたサーバが設けられる。演算処理ユニット２は、サーバにアクセスしてサーバ上で光合成光量子束測定プログラムを実行するか、又はダウンロードして実行する。このような構成についても、ＡＳＰ(Application Service Provider)やＳａａＳ(Software as a Service)といったサービスで実現されているものと同様に行えるので、詳細な説明は割愛する。

　また、前述したように、実施形態の光量子計は、指定された波長域についてのみ分光光合成光量子束密度分布を表示することができるので、光合成に有効な波長域のみ観察することができ、好適である。この際、離散した複数の波長域を指定することができるので、色々な植物の有効波長域に応じて最適な測定を行うことができる。
　また、実施形態の光量子計は、光量子効率の算出も行えるので、特定の光環境が特定の植物の育成にどの程度効率的か知ることができ、光環境の調査や人口光源の評価、研究等を行う上でさらに好適なものとなっている。

　また、実施形態の光量子計は、分光ユニット１と演算処理ユニット２から成るものであり、演算処理ユニット２が汎用コンピュータで構成されているため、光量子計のコストを安価にしたり、ユーザーにおいて導入が容易になったりする効果が得られる。演算処理ユニット２として特別のものを用意する必要がなく、自分のパソコンにソフトウェアパッケージをインストールすることで演算処理ユニット２とすることができる。

　その上、分光ユニット１内の検出器１４からの光電変換信号を受信するインターフェースとしてＵＳＢのような汎用インターフェースが採用されているので、そのような汎用インターフェース部１６を備えている限り、汎用の分光器を採用することができる。従って、そのような分光器を所持していれば、ソフトウェアパッケージを自分のコンピュータにインストールするだけでリアルタイムの分光光合成光量子束密度測定が行えることになり、さらに導入が容易となる。この際、分光ユニット用ドライバがソフトウェアパッケージに含まれているので、デバイスドライバを別途入手する必要がなく、この点でも簡便である。
　尚、上記実施形態では、分光ユニット用ドライバは、検出器１４からの出力データをインタラプト転送するものであったが、バルク転送する構成も採用し得る。この場合、分光ユニット１内のインターフェース部１６にメモリを設け、ＣＳＶのようなファイル形式で出力データを一時的に記憶するようにする。データ取得モジュール４１が動作すると、分光ユニット用ドライバはインターフェース部１６上のファイルをバルク転送させる。

　また、本願発明の実施形態としては、汎用コンピュータによって演算処理ユニット２を構成する場合の他、分光ユニット１内に演算処理部を設けた構成等が採用されることもあり得る。即ち、図１に示す筐体１１内に、演算処理部としてのＣＰＵを含む制御ボードを搭載し、制御ボード上にメモリや各種インターフェース部を設ける。メモリには、上述した光合成光量子束密度測定プログラムを実装してＣＰＵにより実行可能としておく。また、筐体１１にディスプレイを設け、算出された分光光量子束密度分布を表示するようにする。このようにすると、コンピュータは別途必要とせず、一つのユニットだけで光量子計が構成されるので、構成が簡略化され、持ち運び等において利便性が増す。

　尚、光合成光量子束密度は、４００～７００ｎｍの波長域での光量子束密度であるが、この範囲を外れた波長域についても光量子束密度を算出して併せて表示する場合もある。例えば、エマーソン効果として知られているように、６８０ｎｍより長い近赤外線の波長を植物に照射した場合、併せて青色の光を照射すると光合成の収率が向上する。この効果を評価するため、赤外域についての光量子束密度を算出する場合がある。実施形態の光量子計では、分光ユニット１における検出波長（分光波長）は２００～８００ｎｍであり、このような波長域も含んでいる。従って、波長域指定入力においてこのような波長域も指定できるようにしておけば、同様に分光光量子束密度分布を知ることができ、またそのような波長域で集計した光量子束密度の総量も知ることができる。

　また、分光ユニット１の構成としては、前述したリニアアレイセンサを使用するマルチチャンネルの構成の他、分光素子（回折格子）１２に対して駆動機構を設けて分光素子１２を回転させるようにして１波長の光ずつセンサに入射させるシングルチャンネルの構成が採用されることもある。

１　分光ユニット
１１　筐体
１２　分光素子（回折格子）
１３　入射光学系
１３１　受光器
１３２　光ファイバ
１３３　入射スリット
１４　検出器
１６　インターフェース部
２　演算処理ユニット
２１　ＣＰＵ
２２　メモリ
２３　ハードディスク
２４　ディスプレイ
２６　インターフェース部
４　光量子束密度測定プログラム
４１　メインモジュール
４２　データ取得モジュール
４３１　絶対値算出モジュール
４３２　相対値算出モジュール
４４　条件設定モジュール
４５　専用ＤＬＬファイル
５２１　データ取得ボタン
５２２　条件設定ボタン
５２３　絶対値算出ボタン
５２４　相対値算出ボタン
５３　グラフ表示フレーム
５４　数値データ表示フレーム
６　波長域設定ウインドウ
６１　全体設定欄
６２　各波長域設定欄

Claims

　被測定光が入射する分光素子と、分光素子で分光された被測定光が入射する検出器と、検出器から出力された光電変換信号を処理する演算処理部と、演算処理部が処理した結果を表示するディスプレイとを備えており、
　演算処理部は、検出器から出力された光電変換信号を処理することで波長毎の光合成光量子束密度を算出するものであり、
　ディスプレイは、被測定光が存在する環境下でリアルタイムでその被測定光の分光光合成光量子束密度分布を表示することが可能なものであり、
　前記演算処理部は、光合成光量子束密度測定プログラムを実行することにより前記波長毎の光合成光量子束密度を算出し、前記分光光合成光量子束密度分布を前記ディスプレイに表示させるものであって、光合成光量子束密度測定プログラムが記憶された記憶部を備えているか、又は光合成光量子束密度測定プログラムをネットワークを介して実行可能なものであり、
　前記演算処理部に対して情報を与える入力部を備えており、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、植物にとっての光合成有効波長に応じて波長域を指定する波長域指定入力を入力部においてさせることが可能であって、波長域指定入力で指定された波長域について前記波長毎の光合成光量子束密度を算出することが可能であり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された波長域について前記分光光合成光量子束密度を前記ディスプレイに表示させ、他の波長域の分光光合成光量子束密度を表示させないものであり、
　前記波長域指定入力は、互いに離散した複数の波長域を指定することが可能なものであり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された離散した各波長域について前記波長毎の光合成光量子束密度を算出することが可能であり、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、波長域指定入力で指定された離散した各波長域について前記分光光合成光量子束密度を前記ディスプレイに表示させ、他の波長域の分光光合成光量子束密度を表示させないものであることを特徴とする光量子計。
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、測定された分光光合成光量子束密度に特定の植物の分光吸収率を掛け合わせることで当該植物についての実効分光光合成光量子束密度を算出してディスプレイに表示することが可能であることを特徴とする請求項１記載の光量子計。
　前記分光素子及び前記検出器は、分光ユニットを構成するものとして設けられており、前記演算処理部は、演算処理ユニットを構成するものとして設けられており、
　演算処理ユニットは汎用コンピュータであって、前記光合成光量子束密度測定プログラムがインストールされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光量子計。
　前記演算処理ユニットには、前記検出器から出力された光電変換信号を汎用インターフェースを介して受信するデバイスドライバがインストールされており、
　前記光合成光量子束密度測定プログラムは、このデバイスドライバにより受信した光電変換信号を処理して前記波長毎の光合成光量子束密度を算出するものであることを特徴とする請求項３記載の光量子計。