(57)【要約】【課題】照射効率と照射均斉度という二つの性能要求の両立性を評価できる植物栽培用照明の評価技術を提供する。【解決手段】評価装置１０は、照明３１から下した直線と直交するように規定した照射領域３０をＭ行×Ｎ列のセルＰに分割したときの格子点Ｇで計測した光量子束密度３８を入力する計測データ入力部１１と、各々のセルＰの四隅に位置する格子点Ｇにおける光量子束密度３８の平均値を対応するセルＰのセル照度３９として計算する計算部１２と、ｍ行目（ｍはＭまでの自然数）でかつｎ列目（ｎはＮまでの自然数）に位置するセルＰの位置情報（ｍ，ｎ）と対応するセル照度３９とを関連付けて保持するデータ保持部１５と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明から下した直線と直交するように規定した照射領域をＭ行×Ｎ列のセルに分割したときの格子点で計測した光量子束密度を入力する計測データ入力部と、
各々の前記セルの四隅に位置する前記格子点における前記光量子束密度の平均値を対応する前記セルのセル照度として計算する計算部と、
ｍ行目（ｍはＭまでの自然数）でかつｎ列目（ｎはＮまでの自然数）に位置する前記セルの位置情報と対応する前記セル照度とを関連付けて保持するデータ保持部と、を備える植物栽培用照明の評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の植物栽培用照明の評価装置において、
前記照明は、複数の照明を所定の間隔で配置したものである植物栽培用照明の評価装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の植物栽培用照明の評価装置において、
各々の前記位置情報における前記セル照度に基づいて照射均斉度を示す第１指標値を演算する第１演算部を備える植物栽培用照明の評価装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の植物栽培用照明の評価装置において、
各々の前記位置情報における前記セル照度に基づいて照射効率を示す第２指標値を演算する第２演算部を備える植物栽培用照明の評価装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の植物栽培用照明の評価装置において、
前記直線の長さ、前記照射領域のサイズ、前記照射領域の分割数、前記直管型の前記照明の配列間隔及び前記照明のパワーの何れかを評価条件として記録する記録部を備える植物栽培用照明の評価装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の植物栽培用照明の評価装置において、
前記光量子束密度は、３００〜８００ｎｍの波長領域を対象にしたものである植物栽培用照明の評価装置。
【請求項７】
照明から下した直線と直交するようにＭ行×Ｎ列のセルに分割した照射領域を規定するステップと、
前記照射領域の格子点で光量子束密度を計測するステップと、
各々の前記セルの四隅に位置する前記格子点における前記光量子束密度の平均値を対応する前記セルのセル照度として計算するステップと、
ｍ行目（ｍはＭまでの自然数）でかつｎ列目（ｎはＮまでの自然数）に位置する前記セルの位置情報と対応する前記セル照度とを関連付けて保持するステップと、を含む植物栽培用照明の評価方法。
【請求項８】
コンピュータに、
照明から下した直線と直交するように規定した照射領域をＭ行×Ｎ列のセルに分割したときの格子点で計測した光量子束密度を入力するステップ、
各々の前記セルの四隅に位置する前記格子点における前記光量子束密度の平均値を対応する前記セルのセル照度として計算するステップ、
ｍ行目（ｍはＭまでの自然数）でかつｎ列目（ｎはＮまでの自然数）に位置する前記セルの位置情報と対応する前記セル照度とを関連付けて保持するステップ、を実行させる植物栽培用照明の評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射領域の光量子束密度を計測することによる植物栽培用照明の評価技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
植物の栽培手法として、光、温度、二酸化炭素濃度などの内部環境が制御された閉鎖的な空間で植物を栽培する植物工場が注目されている。この植物工場によれば、（ｉ）天候に左右されずに狭い土地で植物を大量生産できる、（ii）無農薬、新鮮、清潔といった高付加価値の植物を安定供給できる、（iii）食の安全・安心、健康志向に合致する、といった多くの利点がある。
【０００３】
植物栽培用照明として、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ、蛍光灯等を光源として利用したものが周知である。一方において近年では、省電力化や環境対策の観点から、これら従来の光源に替わり、ＬＥＤ（発光ダイオード）が光源として採用されつつある。
【０００４】
植物栽培用照明に要求される性能として、照射領域に対する照射効率及び照射均斉度が挙げられる。前者の照射効率の性能が優れることにより、植物工場の運営上の経費削減に貢献することができる。また後者の照射均斉度の性能が優れることで、植物の発育のバラツキを回避することができ、品質を向上させることができる。
【０００５】
一方において、運動競技及びその観戦等を、安全、円滑、快適に実施するために必要な照明要件が、工業規格において規定されている（例えば、非特許文献１）。しかし、この工業規格においては、必要な照明要件として競技面の照射均斉度についてとりあげているが、照射効率（つまり経済性）の観点からは特に検討されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ９１２７「スポーツ照明基準」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで植物栽培用照明においては、光源直下の照射が集中する領域に限定して、光合成光量子束密度（ＰＰＦＤ）等で性能評価することが一般的に行われている。しかし、植物が植え付けられている全体の照射領域に対し、上述の照射効率と照射均斉度という二つの性能要求の両立性を評価する性能指標は確立されていなかった。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、照射効率と照射均斉度という二つの性能要求の両立性を評価できる植物栽培用照明の評価技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る植物栽培用照明の評価装置は、照明から下した直線と直交するように規定した照射領域をＭ行×Ｎ列のセルに分割したときの格子点で計測した光量子束密度を入力する計測データ入力部と、各々の前記セルの四隅に位置する前記格子点における前記光量子束密度の平均値を対応する前記セルのセル照度として計算する計算部と、ｍ行目（ｍはＭまでの自然数）でかつｎ列目（ｎはＮまでの自然数）に位置する前記セルの位置情報と対応する前記セル照度とを関連付けて保持するデータ保持部と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、照射効率と照射均斉度という二つの性能要求の両立性を評価できる植物栽培用照明の評価技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の各実施形態に係る植物栽培用照明の評価装置のブロック図。
【図２】Ｍ行×Ｎ列のセルに分割された照射領域の説明図。
【図３】（Ａ）第１実施形態において電球型の照明及び照射領域を上面視した図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面を側面視した図、（Ｃ）Ｂ−Ｂ断面上の格子点において計測した光量子束密度と計算したセル照度との強度分布を表したグラフ。
【図４】（Ａ）第２実施形態において二本を平行配列した直管型の照明及び照射領域を上面視した図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面を側面視した図、（Ｃ）Ｂ−Ｂ断面上の格子点で計測した光量子束密度と計算したセル照度とを表したグラフ。
【図５】（Ａ）第２実施形態において図４の場合よりも配光角度が大きい特性を持つ照明を評価したときのＢ−Ｂ断面上の光量子束密度及びセル照度の強度分布を表したグラフ、（Ｂ）第２実施形態において図４の場合よりも配光角度が小さくピークがブロードな特性を持つ照明を評価したときのＢ−Ｂ断面上の光量子束密度及びセル照度の強度分布を表したグラフ。
【図６】各実施形態に係る植物栽培用照明の評価方法及び植物栽培用照明の評価プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の各実施形態に係る植物栽培用照明の評価装置１０（以下、単に「評価装置１０」という）のブロック図である。図２はＭ行×Ｎ列のセルＰm,n（ｍはＭまでの自然数、ｎはＮまでの自然数）に分割された照射領域３０の説明図である。図３（Ａ）は第１実施形態において電球型の照明３１及び照射領域３０を上面視した図である。図３（Ｂ）は照射領域３０のＢ−Ｂ断面を側面視した図である。図３（Ｃ）はＢ−Ｂ断面上の光量子束密度３８及びセル照度３９の強度分布を表したグラフである。
【００１３】
図３に示すように評価装置１０（図１）は、照明３１から下した直線と直交するように規定した照射領域３０をＭ行×Ｎ列のセルＰm,nに分割したときの格子点Ｇm,nで計測した光量子束密度３８を入力する計測データ入力部１１（図１）と、各々のセルＰm,nの四隅に位置する格子点Ｇm,n，Ｇm-1,n，Ｇm,n-1，Ｇm-1,n-1における光量子束密度３８の平均値を対応するセルＰm,nのセル照度３９として計算する計算部１２（図１）と、ｍ行目でかつｎ列目に位置するセルＰm,nの位置情報（ｍ，ｎ）と対応するセル照度３９とを関連付けて保持するデータ保持部１５（図１）と、を備えている。
【００１４】
さらに評価装置１０には、データ保持部１５に保持されているデータを取得して、予め定められた演算を実行する演算部２０が設けられている。そして記録部１６には、照明３１から下した直線の長さｈ、照射領域３０のサイズ（Ｘ，Ｙ）、照射領域３０の分割数（Ｍ，Ｎ）、及び照明３１のパワー条件が記録されている。
【００１５】
ここで照射領域３０は、育成棚における植物苗の植え付け面に対応している。照射効率の観点からは、照射領域３０の内側が植物育成に必要な光量子束密度３８で照らされており、照射領域３０の外側には光が漏れていないことが理想的である。また照射均斉度の観点からは、照射領域３０を構成する全てのセルＰm,nのセル照度３９の値が一致していることが理想的である。
【００１６】
図３（Ｂ）に示すように、第１実施形態で評価される電球型の照明３１は、光源３６と、この光源３６の発光を反射させるリフレクタ３７とから構成されている。この電球型の照明３１に使用される光源３６としては、ガラス球内のフィラメント（抵抗体）のジュール熱による輻射を利用する白熱電球の他に、放電で発生する紫外線を蛍光体に当てて可視光線に変換する蛍光灯や、電圧を加えた際に発光する半導体素子を用いたＬＥＤや、ナトリウム蒸気中のアーク放電による発光を利用したナトリウムランプや、水銀とハロゲン化金属（メタルハライド）の混合蒸気中のアーク放電による発光を利用したメタルハライドランプ等が挙げられる。なお、光源３６の種類の選択は、所望される光波長領域を考慮して決定される。
【００１７】
リフレクタ３７は、光源３６の配光を決定し、照射領域３０に所定の強度分布を与えるものである。リフレクタ３７の設計を変更したり複数ある光源３６の配置を変更したりすることにより、照射領域３０における照射効率と照射均斉度とを調節することができる。
【００１８】
照射領域３０は、縦横に交差する直線が格子状に描かれた照射板３５の上面に形成されている。この照射領域３０は、縦Ｘ、横Ｙの寸法を有し、Ｍ行×Ｎ列のセルＰm,nに分割されている。そして、格子点Ｇm,nの全ての位置（ｍ，ｎ）に、計測器（図示略）を配置して、光量子束密度３８が計測される。
【００１９】
なお、光量子束密度３８の計測は、オペレータが単体の計測器を各々の格子点Ｇm,nに移動させながら行ってもよいし、各々の格子点Ｇm,nに予め配置された複数の計測器で行ってもよい。なお複数の計測器を使用する場合は、光量子束密度３８の感度特性が、全てにおいて一致するように校正されている必要がある。
【００２０】
ここで光量子束密度３８（ＰＦＤ：photon flux density）とは、光を粒子（光量子）として捉え、照射領域３０全体に１秒間に入射する光量子の数をその面積で割った値で定義される。単位としては、μｍｏｌ／ｍ2／ｓで表される。
【００２１】
植物の光合成反応は、青光（４００〜５００ｎｍ）と赤光（６００〜７００ｎｍ）に吸収帯を持つクロロフィルに、対応する波長の光量子が１つ吸収されると起こる。そして、植物の育成には、３００〜４００ｎｍのＵＶ光及び７００〜８００ｎｍの遠赤光も関与しているといわれている。一方において、３００ｎｍ未満の波長光及び８００ｎｍを超える波長光は、植物の光合成や育成には関与しないといわれている。
【００２２】
そこで、光量子束密度３８の計測は、植物の光合成及び育成に必要な３００〜８００ｎｍの波長領域に対応する光量子を弁別してカウントすることにする。また、波長領域を３００〜８００ｎｍとして計測した育成有効ＰＦＤ、４００〜７００ｎｍとして計測した光合成有効光量子束密度（ＰＰＦＤ）のように、複数の波長領域に分けて光量子をカウントし、それぞれ別々に照射効率及び照射均斉度を評価してもよい。
【００２３】
計測データ入力部１１（図１）においては、全ての格子点Ｇm,nで計測された光量子束密度３８が、各々の格子点Ｇm,nの位置[ｍ，ｎ]に紐づけて入力される。これら光量子束密度３８及び格子点Ｇm,nの位置[ｍ，ｎ]のデータは、オペレータが手入力してもよいし、計測器（図示略）から自動転送されるようにしてもよい。
【００２４】
計算部１２（図１）は、各々のセルＰm,nの四隅に位置する格子点Ｇm,n，Ｇm-1,n，Ｇm,n-1，Ｇm-1,n-1で計測された光量子束密度３８を入力し、その平均値を計算し出力する。そして、データ保持部１５（図１）は、この計算された平均値をセルＰm,nのセル照度３９とし、その位置情報（ｍ，ｎ）に関連付けして保持する。
【００２５】
図３（Ｃ）は、計算部１２に入力した光量子束密度３８と、出力されたセル照度３９と、を照射領域３０の位置情報（ｍ，ｎ）に対してプロットしたものである。セル照度３９は、前述したとおり、四隅の格子点Ｇの平均値であるために、対応するセルＰm,nにおける光量子束密度３８の代表値である。
【００２６】
第１演算部２１（図１）は、各々の位置情報（ｍ，ｎ）におけるセル照度３９に基づいて、照射均斉度を示す第１指標値２３を演算する。照射領域３０における照明３１の照射均斉度を向上させるという観点からは、各々のセル照度３９は、位置情報（ｍ，ｎ）に依存せずに一定であることが理想的である。そこで、照明３１の照射均斉度を評価する尺度としての第１指標値２３が演算される。
【００２７】
第１指標値２３として、具体的には、全てのセル照度３９の平均値とセル照度３９の最大値又は最小値との比率であったり、全てのセル照度３９の平均値に対する各々のセル照度３９の偏差量を加算した偏差値であったり、この偏差値を平均値で除した変動係数であったりする。
【００２８】
第２演算部２２は、複数のセル照度３９に基づいて照射効率を示す第２指標値２４を演算する。照射領域３０における照明３１の照射効率を向上させるという観点からは、照明３１から放射される光のパワーが照射領域３０の内側に全て照射されることが理想的である。そこで、照明３１の照射効率を評価する尺度としての第２指標値２４が演算される。
【００２９】
第２指標値２４として、具体的には、全てのセル照度３９を加算した値にセル面積を乗算した値と照明３１のパワーとの比率を演算したものが挙げられる。照明３１のパワーとしては、照明３１の消費電力や、積分球等を用いて予め測定された照明３１の光量子束（μｍｏｌ／ｓ）等が挙げられる。
【００３０】
（第２実施形態）
次に図４から図５を参照して本発明における第２実施形態について説明する。第２実施形態においても、第１実施形態と共通する構成の評価装置１０（図１）が用いられる。なお、図４及び図５において図３と共通する部分については、同一符号で示し、重複する説明を省略する。第２実施形態の評価装置１０においては、複数の照明３１が所定の間隔ｄで配置されている。なお複数の照明３１として、二本を平行配列した直管型の照明３１ａ，３１ｂが例示されているが、三本以上の直管型照明を配列してもよく、またその並べ方も特に限定はない。また、複数の照明３１として、第１実施形態の電球型の照明３１を任意の位置に複数配置して構成する場合もある。
【００３１】
図４（Ａ）は第２実施形態において二本を平行配列した直管型の照明３１ａ，３１ｂ及び照射領域３０を上面視した図である。このように、図４において評価される照明３１は、二本の直管型の照明３１ａ，３１ｂを所定の間隔ｄで平行に配列したものである。記録部１６（図１）には、照明３１ａ，３１ｂの配列間隔ｄのデータが保持されている。なお、第２実施形態においてセルＰm,nの幅は、照明３１ａ，３１ｂの間隔ｄの半分であるｄ／２よりも小さいことが望まれる。これにより、二つの照明３１ａ，３１ｂに挟まれた領域のセル照度３９を評価することができる。
【００３２】
図４（Ｂ）はＢ−Ｂ断面を側面視した図である。第２実施形態における照明３１から下した直線とは、複数の照明３１ａ，３１ｂを含む面の中の任意点から下した直線である。この直線と直交するように照射領域３０は規定されている。
【００３３】
図４（Ｃ）はＢ−Ｂ断面上の光量子束密度３８及びセル照度３９の強度分布を表したグラフである。このようにそれぞれの複数（二つ）の照明３１ａ，３１ｂにより形成される強度分布は、近接しあう両端部分において重なり合っている。そして、この強度分布は、二つの直管型照明３１ａ，３１ｂの各々の直下において極大値を示し、その間で極小値を示している。
【００３４】
図５（Ａ）は、第２実施形態において、図４の場合よりも配光角度が大きい特性を持つ照明３１を評価したときのＢ−Ｂ断面上の光量子束密度３８とセル照度３９との強度分布を表したグラフである。リフレクタ３７等の設計を変更し、配光角度を大きく設定することにより、照明３１の照射均斉度（第１指標値２３）が向上したという評価ができる。しかし、照射領域３０から外れる強度分布も広がるために、照明３１の照射効率（第２指標値２４）は低下したと評価される。
【００３５】
図５（Ｂ）は、第２実施形態において、図４の場合よりも配光角度が小さくピークがブロードな特性を持つ照明３１を評価したときのＢ−Ｂ断面上の光量子束密度３８及びセル照度３９の強度分布を表したグラフである。リフレクタ３７等の設計を変更し、照明３１の配光角度を小さくし、強度分布のピークをブロードにすることができる。これにより、照明３１の照射均斉度（第１指標値２３）が向上し、さらに照明３１の照射効率（第２指標値２４）も向上したと評価される。
【００３６】
図６は各実施形態に係る植物栽培用照明の評価方法及び植物栽培用照明の評価プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャートである（適宜、図３参照）。照明３１から下した直線と直交するようにＭ行×Ｎ列のセルＰm,nに分割した照射領域３０を規定する（Ｓ１１）。そして、この照射領域３０の格子点Ｇm,n（ｍは０〜Ｍの整数、ｎは０〜Ｎの整数）で光量子束密度３８を計測する（Ｓ１２〜Ｓ１５）。
【００３７】
そして、各々のセルＰm,nの四隅に位置する格子点Ｇm,n，Ｇm-1,n，Ｇm,n-1，Ｇm-1,n-1における光量子束密度３８の平均値を、対応するセルＰm,nのセル照度３９として計算し（Ｓ１６，Ｓ１７）、全てのセルＰm,nについて位置情報（ｍ，ｎ）と対応するセル照度３９とを関連付けて保持する（Ｓ１８、Ｓ１９，Ｓ２０）。
【００３８】
そして、各々の位置情報（ｍ，ｎ）におけるセル照度３９に基づいて照射均斉度を示す第１指標値２３を演算する（Ｓ２１）。さらに各々の位置情報（ｍ，ｎ）におけるセル照度３９に基づいて照射効率を示す第２指標値２４を演算する（Ｓ２２、ＥＮＤ）。
【００３９】
なお植物栽培用照明の評価装置１０の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、植物栽培用照明の評価プログラムにより動作させることが可能である。
【００４０】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の植物栽培用照明の評価装置によれば、照射領域をＭ行×Ｎ列のセルに分割した格子点で光量子束密度を計測することにより、照射効率と照射均斉度という二つの性能要求の両立性を評価することが可能となる。
【００４１】
以上説明した植物栽培用照明の評価装置１０は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
【００４２】
また植物栽培用照明の評価装置１０で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る植物栽培用照明の評価装置１０で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、評価装置１０は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…植物栽培用照明の評価装置、１１…計測データ入力部、１２…計算部、１５…データ保持部、１６…記録部、２０…演算部、２１…第１演算部、２２…第２演算部、２３…第１指標値、２４…第２指標値、３０…照射領域、３１…照明、３１ａ，３１ｂ…直管型照明、３５…照射板、３６…光源、３７…リフレクタ、３８…光量子束密度、３９…セル照度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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