(57)【要約】  レーザー光（１ａ）を放射する半導体レーザー（１）と、レーザー光（１ａ）を発散光または略平行光とするコリメートレンズ（２）と、光拡散素子（４）と、半導体レーザー（１）を駆動して発光させるレーザー駆動手段（６）と、で構成された農業用光源ユニット（５）であって、レーザー光（１ａ）の光強度分布を、光拡散素子（４）によって略均一化して、作物の栽培領域（７）に照射する。
2016117314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成された農業用光源ユニットであって、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射することを特徴とする農業用光源ユニット。
【請求項２】
前記半導体レーザーからのレーザー光の照射領域を、前記光拡散素子によって略四角形状または略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状に形成して、前記レーザー光を作物の栽培領域に照射することを特徴とする請求項１記載の農業用光源ユニット。
【請求項３】
農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る農業用光源灯であって、農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成され、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する農業用光源灯。
【請求項４】
前記農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する、請求項３記載の農業用光源灯。
【請求項５】
農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する、農業用光源灯の配置方法であって、前記照射領域は略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状であり、一の農業用光源灯の前記照射領域の凹部に、他の農業用光源灯の前記照射領域の凸部を重ね合わせるように、かつ前記一の農業用光源灯と前記他の農業用光源灯を略平行に配置することを特徴とする農業用光源灯の配置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、人工的な光源により植物やきのこ等の作物を栽培する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蛍光灯やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザー（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）などの人工的な光源を用いて作物を栽培する研究が進められており、人工光型植物工場や太陽光と人工光の併用型植物工場として実用化されている。このような植物工場を設立するためのイニシャルコストとしては、照明用光源が大半を占めており、また光熱費といったランニングコストもかかってくるため、低コストで植物工場を運営していくには照明用光源の仕様選定、構成の設計が非常に重要となる。【０００３】
このような植物工場の照明用光源として、植物栽培対象の葉緑体を撮像手段部で検出して、半導体レーザーから出射された光を２次元に走査する走査機構にて栽培対象となる植物へ照射する構成が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５４５３号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、安価で簡単な構成でレーザー光を略均一化して作物の栽培領域へ照射する農業用光源ユニットを提供する。
【０００６】
本開示における農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成されている。そして、レーザー光の光強度分布を、光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する。
【０００７】
本開示における農業用光源灯は、農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る。また、農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する。
【０００８】
本開示の農業用光源ユニットによれば、半導体レーザーから放射されるレーザー光が照射する作物の栽培領域において、安価で簡単な構成で作物に光を均一に照射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過する前の光強度分布を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過した後の光強度分布を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態における光拡散素子の概略図である。
【図５】図５は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図６】図６は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図７】図７は、実施の形態における実験結果を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態における農業用光源灯の構成図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態における農業用光源灯の配置方法を示す図である。
【図１２】図１２は、他の実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に開示された植物栽培装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１１】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１２】
（実施の形態１）
＜１−１．農業用光源ユニットの構成＞
図１は、本実施の形態における農業用光源ユニット５の構成とその照射領域を示す図である。図２は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過する前の光強度分布を示す図である。図３は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過した後の光強度分布を示す図である。図４は、実施の形態における光拡散素子の概略図である。図５は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。図６は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【００１３】
図１に示すように、農業用光源ユニット５は、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、ミラー３と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体９とを備えている。半導体レーザー１、コリメートレンズ２およびミラー３は、筐体９の内部に設けられている。半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａは、コリメートレンズ２を経由してミラー３で偏向され、光拡散素子４を経由して栽培領域７に照射される。
【００１４】
半導体レーザー１は中心波長が４０５ナノメートル（以下、ｎｍ）の青紫光、または中心波長が６６０ｎｍの赤色光、または中心波長が７８０ｎｍの赤外光を放射するものである。これらの波長帯を持つ半導体レーザーは、光ディスク装置に搭載されている光ピックアップにおけるブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｃ、以下ＢＤ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）、ＣＤの各光ディスクを記録再生するのに用いられているものである。
【００１５】
半導体レーザー１より放射されるレーザー光１ａの光強度分布は、図２に示すようにガウシアン形状となっている。コリメートレンズ２は半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａを略平行光または発散光に変換して出力するものである。ミラー３はコリメートレンズ２から出力されたレーザー光１ａを偏向するものである。
【００１６】
図３に示すように、光拡散素子４はミラー３によって偏向されたレーザー光１ａの光強度分布を、略均一に変換して出力し、栽培領域７に照射するものである。ここで光強度分布が略均一であるとは、栽培領域７の端部に照射されるレーザー光１ａの光強度Ｐ１が光強度のピークＰ０の５０％以上となることをいう。
【００１７】
光拡散素子４の構成は、図４に示すように平板状の基板４ｂの片側の表面に複数のマイクロレンズ４ａが配置されているものである。レーザー駆動手段６は、半導体レーザー１に電流を注入して駆動し、発光させるものである。
【００１８】
光拡散素子４から栽培領域７に照射されたレーザー光１ａによって、栽培対象８を生育する。栽培対象８は半導体レーザー１の波長帯によって、種類を選択すればよい。例えば青紫光で育成できる作物はきのこ種、赤色光で育成できる作物はレタスなどの葉物野菜である。また半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａの断面形状は略円形状や楕円形状であるが、レーザー光１ａが光拡散素子４を通過することで、レーザー光１ａは、略四角形状の照射領域５ａ（図５）、または、略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状の照射領域５ｂ（図６）に形成される。図６において、略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状を「糸巻き型形状」という。略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂのいずれかにするには、光拡散素子４の大きさ、マイクロレンズ４ａの設計条件、コリメートレンズ２より出力される略平行光または発散光の拡がり角度によって、設定することができる。
【００１９】
図７は、実施の形態における実験結果を示す図である。
【００２０】
本実施の形態の農業用光源ユニット５を用いて、我々は栽培実験を行った。図７は、栽培実験後、成分分析を実施した結果を示すものである。条件は半導体レーザー１の中心波長が４０５ｎｍの青紫光で、栽培対象８をブナしめじとした。実験期間は芽出期が約１０日、生育期が約１３日、ブナしめじに照射した光量子束密度は芽出期が２μｍｏｌ／ｍ２／ｓｅｃ、生育期が１０μｍｏｌ／ｍ２／ｓｅｃ、環境温度１５℃、湿度条件は９０％の条件である。きのこ類は一般的に青色ＬＥＤのような中心波長が４５０ｎｍの光が有効であることが知られているが、我々は半導体レーザーから出力される青紫光を用いた。図７では、「ＬＤ照射」の縦の列に、半導体レーザー１（中心波長が４０５ｎｍの光）を用いた場合の結果を示し、「ＬＥＤ照射」の縦の列に、青色ＬＥＤ（中心波長が４５０ｎｍの光）を用いた場合の結果を示している。この結果によれば、中心波長が４０５ｎｍである半導体レーザー１を用いることでブナしめじの生育が促進され、中心波長が４５０ｎｍである青色ＬＥＤで育成したものとの比較で約１．５倍の収穫量（質量）を確保することができた。また成分分析の結果では半導体レーザー１による青紫光で育成したものの方がカリウム、チアミン、ナイアシンの含有量が多いという結果も得られ、きのこ類の育成、高機能化に青紫光が好適であることがわかった。
【００２１】
なお、分析は、一般財団法人  日本食品分析センターに依頼して行った（試験成績書第１４０３３１２２号）。
【００２２】
＜１−２．効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、半導体レーザー１からのレーザー光１ａの光強度分布を光拡散素子４によって略均一化して、栽培領域７に照射して栽培対象８を栽培する。これにより部品点数が少なく、簡単な構成でレーザー光を略均一化して栽培対象に照射することができ、市場に大量に投入されているＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ光ディスク装置で用いている安価で低消費電力の半導体レーザーを用いて作物の生長を安定化・高機能化するという優れた効果を有する。
【００２３】
また本実施の形態によれば、光拡散素子４によってレーザー光１ａの照射領域５ａを略四角形状または糸巻き型形状の照射領域５ｂに形成し、栽培領域７に対して指定した照射範囲に照射する。これにより照射領域５ａを略円形状から略四角形状または糸巻き型形状の照射領域５ｂにすることで栽培対象８が配置しやすくなり、栽培領域を設定しやすいという優れた効果を有する。
【００２４】
（実施の形態２）
＜２−１．農業用光源灯の構成＞
次に、実施の形態２として農業用光源灯について説明する。図８は、本実施の形態における農業用光源灯１０の構成図である。図９Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。図９Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図である。図１０Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。図１０Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図である。
【００２５】
図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、農業用光源灯１０は、複数の農業用光源ユニット５を直線状に配置することにより構成される。直線状に配置した各農業用光源ユニットの配置間隔は、図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように隣接する他の農業用光源ユニット５５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域を、照射領域５ａａ、５ｂｂのように重ね合わせるように設定する。これによって図３に示す光強度分布における端部の光強度の落ち込み部が重なることで光強度が増加することになり、１つの農業用光源ユニット５によってレーザー光１ａが照射される照射範囲の光強度分布に比べて、より均一な光強度分布を得ることができる。このため、光強度分布の略均一な状態を維持することができる。
【００２６】
なお図８において、本実施の形態における寸法は、農業用光源ユニット５の光拡散素子４のレーザー光１ａの出力面から栽培対象８までの高さＨが約２０センチメートル、幅Ｍが約３０センチメートル、幅Ｎが約２５センチメートル、重ねあわせ部寸法Ｐが約２．５センチメートルである。
【００２７】
＜２−２．農業用光源灯の配置方法＞
次に、農業用光源灯を複数配置する配置方法について説明する。図１１は農業用光源灯１０の配置方法を示す図である。図１１において、農業用光源灯１０の糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせるように、かつ農業用光源灯１０を略平行に複数配置する。糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせることで、栽培領域７の中の光量が低い部分をなくすことができ、略均一に栽培対象８へ照射することができる。農業用光源灯１０を略平行に複数配置することで、栽培領域７が広い面積の場合であっても、光強度を略均一状態に維持することができる。ここで光強度分布が略均一であるとは、栽培領域７の縁部に照射されるレーザー光１ａの光強度Ｐ１が光強度のピークＰ０の５０％以上となることをいう。
【００２８】
＜２−３．効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、農業用光源灯１０は、農業用光源ユニット５を、直線状に複数配置して成り、農業用光源ユニット５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニット５５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域とで、重ね合わせた照射領域５ａａ、５ｂｂを形成する。これによって複数配置した農業用光源ユニット５のそれぞれから照射されるレーザー光１ａにおいて、照射領域の一部を重ね合わせることで略均一な光量の照射を実現することができ、簡単な構成で栽培対象８である作物を安定的に生長させることができるという優れた効果を有する。
【００２９】
また本実施の形態によれば、農業用光源灯の配置方法において、農業用光源灯１０の、糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせるように、かつ略平行に複数配置したことを特徴とする。これによって複数の農業用光源灯１０を用いて栽培領域７が広い面積の場合であっても、光強度の略均一状態を維持することができ、簡単な構成で栽培対象８である作物を安定的に生長させることができるという優れた効果を有する。
【００３０】
なお、実施の形態１、実施の形態２において、半導体レーザー１は、植物育成に効果があるものであれば、緑色波長帯域や赤外波長帯域のものであってもよい。このような特性を有する半導体レーザーは、市場で大量に投入されている安価なＢＤ／ＤＶＤレコーダ等の光ディスクの記録する光ピックアップに用いられているものである。
【００３１】
＜３．他の実施の形態＞
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。そこで、他の実施の形態を例示する。
【００３２】
上記実施の形態１において、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、ミラー３と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体９とを備えた農業用光源ユニット５について説明したが、ミラー３を有していない構成であってもよい。例えば、図１２に示すように、他の実施の形態における農業用光源ユニット２０として、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体２１とを備えた構成であってもよい。図１２は、他の実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【００３３】
この構成では、半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａは、コリメートレンズ２によって略平行光または発散光に変換され、光拡散素子４に到達する。光拡散素子４に到達したレーザー光１ａは、図３に示すように光強度分布が略均一になるように、光拡散素子４によって変換され、栽培領域７に照射される。農業用光源ユニット２０は農業用光源ユニット５に比べて筐体２１の厚みが大きくなるが、農業用光源ユニット２０を作物の栽培に用いる場合、農業用光源ユニット５を用いる場合と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
図１３は、特許文献１に開示された植物栽培装置の構成を示す図である。図１３に示すように、半導体レーザー１０１には光ファイバ１０２が取り付けられ、ガルバノミラーなどで構成された走査機構１０３によって２次元に半導体レーザー１０１からの光が走査されるようになっている。またモノクロの２次元ＣＣＤである撮像部１０４によって、植物１０９の葉緑体が存在する領域を検出し、その検出結果に基づいて走査機構１０３の走査範囲を決定している。照射範囲が決定されると、走査機構１０３が駆動され、半導体レーザー１０１からの光の照射位置が繰り返し２次元に走査される。
【００３５】
この特許文献１の植物栽培装置の構成には、生産プロセスが半導体プロセスと同じで高価な走査機構１０３を用いてレーザー光の照射範囲を広げる必要がある。
【００３６】
以上説明したように、本開示における農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成されている。そして、レーザー光の光強度分布を、光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する。
【００３７】
本開示における農業用光源灯は、農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る。また、農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する。
【００３８】
これにより本開示の農業用光源ユニットによれば、半導体レーザーから放射されるレーザー光が照射する作物の栽培領域において、安価で簡単な構成で作物に光を均一に照射することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示にかかる農業用光源ユニット、農業用光源灯は、人工的な光源により作物を栽培する作物栽培装置に対して簡単な構成で光強度を略均一化し、安価で高機能な作物の栽培システムを実現する用途に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  半導体レーザー
１ａ  レーザー光
２  コリメートレンズ
３  ミラー
４  光拡散素子
４ａ  マイクロレンズ
４ｂ  基板
５，５５  農業用光源ユニット
５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂ  照射領域
５ｂ１  凸部
６  レーザー駆動手段
７  栽培領域
８  栽培対象
９  筐体
１０，１０ａ  農業用光源灯
２０  農業用光源ユニット
２１  筐体
１０１  半導体レーザー
１０２  光ファイバ
１０３  走査機構
１０４  撮像部
１０９  植物
【図１】
2016117314.tif 000003
【図２】
2016117314.tif 000004
【図３】
2016117314.tif 000005
【図４】
2016117314.tif 000006
【図５】
2016117314.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016117314.tif 000009
【図８】
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【図９Ａ】
2016117314.tif 000011
【図９Ｂ】
2016117314.tif 000012
【図１０Ａ】
2016117314.tif 000013
【図１０Ｂ】
2016117314.tif 000014
【図１１】
2016117314.tif 000015
【図１２】
2016117314.tif 000016
【図１３】
2016117314.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月4日(2016.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成された農業用光源ユニットであって、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射することを特徴とする農業用光源ユニット。
【請求項２】
前記半導体レーザーからのレーザー光の照射領域を、前記光拡散素子によって略四角形状または略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状に形成して、前記レーザー光を作物の栽培領域に照射することを特徴とする請求項１記載の農業用光源ユニット。
【請求項３】
農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る農業用光源灯であって、農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成され、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する農業用光源灯。
【請求項４】
前記農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成し、前記照射領域の一辺の領域は、前記光強度分布における端部の光強度の落ち込み部である、請求項３記載の農業用光源灯。
【請求項５】
農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する、農業用光源灯の配置方法であって、農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成され、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射し、前記照射領域の一辺の領域は、前記光強度分布における端部の光強度の落ち込み部であることを特徴とする農業用光源灯の配置方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月24日(2016.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、人工的な光源により植物やきのこ等の作物を栽培する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蛍光灯やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザー（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）などの人工的な光源を用いて作物を栽培する研究が進められており、人工光型植物工場や太陽光と人工光の併用型植物工場として実用化されている。このような植物工場を設立するためのイニシャルコストとしては、照明用光源が大半を占めており、また光熱費といったランニングコストもかかってくるため、低コストで植物工場を運営していくには照明用光源の仕様選定、構成の設計が非常に重要となる。
【０００３】
このような植物工場の照明用光源として、植物栽培対象の葉緑体を撮像手段部で検出して、半導体レーザーから出射された光を２次元に走査する走査機構にて栽培対象となる植物へ照射する構成が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５４５３号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、安価で簡単な構成でレーザー光を略均一化して作物の栽培領域へ照射する農業用光源ユニットを提供する。
【０００６】
本開示における農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成されている。そして、レーザー光の光強度分布を、光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する。
【０００７】
本開示における農業用光源灯は、農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る。また、農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する。
【０００８】
本開示の農業用光源ユニットによれば、半導体レーザーから放射されるレーザー光が照射する作物の栽培領域において、安価で簡単な構成で作物に光を均一に照射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過する前の光強度分布を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過した後の光強度分布を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態における光拡散素子の概略図である。
【図５】図５は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図６】図６は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図７】図７は、実施の形態における実験結果を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態における農業用光源灯の構成図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態における農業用光源灯の配置方法を示す図である。
【図１２】図１２は、他の実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に開示された植物栽培装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１１】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１２】
（実施の形態１）
＜１−１．農業用光源ユニットの構成＞
図１は、本実施の形態における農業用光源ユニット５の構成とその照射領域を示す図である。図２は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過する前の光強度分布を示す図である。図３は、実施の形態におけるレーザー光が光拡散素子を通過した後の光強度分布を示す図である。図４は、実施の形態における光拡散素子の概略図である。図５は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。図６は、実施の形態における農業用光源ユニットによって栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。
【００１３】
図１に示すように、農業用光源ユニット５は、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、ミラー３と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体９とを備えている。半導体レーザー１、コリメートレンズ２およびミラー３は、筐体９の内部に設けられている。半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａは、コリメートレンズ２を経由してミラー３で偏向され、光拡散素子４を経由して栽培領域７に照射される。
【００１４】
半導体レーザー１は中心波長が４０５ナノメートル（以下、ｎｍ）の青紫光、または中心波長が６６０ｎｍの赤色光、または中心波長が７８０ｎｍの赤外光を放射するものである。これらの波長帯を持つ半導体レーザーは、光ディスク装置に搭載されている光ピックアップにおけるブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｃ、以下ＢＤ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）、ＣＤの各光ディスクを記録再生するのに用いられているものである。
【００１５】
半導体レーザー１より放射されるレーザー光１ａの光強度分布は、図２に示すようにガウシアン形状となっている。コリメートレンズ２は半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａを略平行光または発散光に変換して出力するものである。ミラー３はコリメートレンズ２から出力されたレーザー光１ａを偏向するものである。
【００１６】
図３に示すように、光拡散素子４はミラー３によって偏向されたレーザー光１ａの光強度分布を、略均一に変換して出力し、栽培領域７に照射するものである。ここで光強度分布が略均一であるとは、栽培領域７の端部に照射されるレーザー光１ａの光強度Ｐ１が光強度のピークＰ０の５０％以上となることをいう。
【００１７】
光拡散素子４の構成は、図４に示すように平板状の基板４ｂの片側の表面に複数のマイクロレンズ４ａが配置されているものである。レーザー駆動手段６は、半導体レーザー１に電流を注入して駆動し、発光させるものである。
【００１８】
光拡散素子４から栽培領域７に照射されたレーザー光１ａによって、栽培対象８を生育する。栽培対象８は半導体レーザー１の波長帯によって、種類を選択すればよい。例えば青紫光で育成できる作物はきのこ種、赤色光で育成できる作物はレタスなどの葉物野菜である。また半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａの断面形状は略円形状や楕円形状であるが、レーザー光１ａが光拡散素子４を通過することで、レーザー光１ａは、略四角形状の照射領域５ａ（図５）、または、略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状の照射領域５ｂ（図６）に形成される。図６において、略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状を「糸巻き型形状」という。略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂのいずれかにするには、光拡散素子４の大きさ、マイクロレンズ４ａの設計条件、コリメートレンズ２より出力される略平行光または発散光の拡がり角度によって、設定することができる。
【００１９】
図７は、実施の形態における実験結果を示す図である。
【００２０】
本実施の形態の農業用光源ユニット５を用いて、我々は栽培実験を行った。図７は、栽培実験後、成分分析を実施した結果を示すものである。条件は半導体レーザー１の中心波長が４０５ｎｍの青紫光で、栽培対象８をブナしめじとした。実験期間は芽出期が約１０日、生育期が約１３日、ブナしめじに照射した光量子束密度は芽出期が２μｍｏｌ／ｍ２／ｓｅｃ、生育期が１０μｍｏｌ／ｍ２／ｓｅｃ、環境温度１５℃、湿度条件は９０％の条件である。きのこ類は一般的に青色ＬＥＤのような中心波長が４５０ｎｍの光が有効であることが知られているが、我々は半導体レーザーから出力される青紫光を用いた。図７では、「ＬＤ照射」の縦の列に、半導体レーザー１（中心波長が４０５ｎｍの光）を用いた場合の結果を示し、「ＬＥＤ照射」の縦の列に、青色ＬＥＤ（中心波長が４５０ｎｍの光）を用いた場合の結果を示している。この結果によれば、中心波長が４０５ｎｍである半導体レーザー１を用いることでブナしめじの生育が促進され、中心波長が４５０ｎｍである青色ＬＥＤで育成したものとの比較で約１．５倍の収穫量（質量）を確保することができた。また成分分析の結果では半導体レーザー１による青紫光で育成したものの方がカリウム、チアミン、ナイアシンの含有量が多いという結果も得られ、きのこ類の育成、高機能化に青紫光が好適であることがわかった。
【００２１】
なお、分析は、一般財団法人  日本食品分析センターに依頼して行った（試験成績書第１４０３３１２２号）。
【００２２】
＜１−２．効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、半導体レーザー１からのレーザー光１ａの光強度分布を光拡散素子４によって略均一化して、栽培領域７に照射して栽培対象８を栽培する。これにより部品点数が少なく、簡単な構成でレーザー光を略均一化して栽培対象に照射することができ、市場に大量に投入されているＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ光ディスク装置で用いている安価で低消費電力の半導体レーザーを用いて作物の生長を安定化・高機能化するという優れた効果を有する。
【００２３】
また本実施の形態によれば、光拡散素子４によってレーザー光１ａの照射領域５ａを略四角形状または糸巻き型形状の照射領域５ｂに形成し、栽培領域７に対して指定した照射範囲に照射する。これにより照射領域５ａを略円形状から略四角形状または糸巻き型形状の照射領域５ｂにすることで栽培対象８が配置しやすくなり、栽培領域を設定しやすいという優れた効果を有する。
【００２４】
（実施の形態２）
＜２−１．農業用光源灯の構成＞
次に、実施の形態２として農業用光源灯について説明する。図８は、本実施の形態における農業用光源灯１０の構成図である。図９Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が略四角形状に形成されたことを示す図である。図９Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図である。図１０Ａは、実施の形態における農業用光源灯を上方向から見た平面図であり、栽培領域へ照射されたレーザー光が糸巻き型形状に形成されたことを示す図である。図１０Ｂは、実施の形態における農業用光源灯を横方向から見た平面図である。
【００２５】
図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、農業用光源灯１０は、複数の農業用光源ユニット５を直線状に配置することにより構成される。直線状に配置した各農業用光源ユニットの配置間隔は、図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように隣接する他の農業用光源ユニット５５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域を、照射領域５ａａ、５ｂｂのように重ね合わせるように設定する。これによって図３に示す光強度分布における端部の光強度の落ち込み部が重なることで光強度が増加することになり、１つの農業用光源ユニット５によってレーザー光１ａが照射される照射範囲の光強度分布に比べて、より均一な光強度分布を得ることができる。このため、光強度分布の略均一な状態を維持することができる。
【００２６】
なお図８において、本実施の形態における寸法は、農業用光源ユニット５の光拡散素子４のレーザー光１ａの出力面から栽培対象８までの高さＨが約２０センチメートル、幅Ｍが約３０センチメートル、幅Ｎが約２５センチメートル、重ねあわせ部寸法Ｐが約２．５センチメートルである。
【００２７】
＜２−２．農業用光源灯の配置方法＞
次に、農業用光源灯を複数配置する配置方法について説明する。図１１は農業用光源灯１０の配置方法を示す図である。図１１において、農業用光源灯１０の糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせるように、かつ農業用光源灯１０を略平行に複数配置する。糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせることで、栽培領域７の中の光量が低い部分をなくすことができ、略均一に栽培対象８へ照射することができる。農業用光源灯１０を略平行に複数配置することで、栽培領域７が広い面積の場合であっても、光強度を略均一状態に維持することができる。ここで光強度分布が略均一であるとは、栽培領域７の縁部に照射されるレーザー光１ａの光強度Ｐ１が光強度のピークＰ０の５０％以上となることをいう。
【００２８】
＜２−３．効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、農業用光源灯１０は、農業用光源ユニット５を、直線状に複数配置して成り、農業用光源ユニット５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニット５５で照射される略四角形状の照射領域５ａまたは糸巻き型形状の照射領域５ｂの一辺の領域とで、重ね合わせた照射領域５ａａ、５ｂｂを形成する。これによって複数配置した農業用光源ユニット５のそれぞれから照射されるレーザー光１ａにおいて、照射領域の一部を重ね合わせることで略均一な光量の照射を実現することができ、簡単な構成で栽培対象８である作物を安定的に生長させることができるという優れた効果を有する。
【００２９】
また本実施の形態によれば、農業用光源灯の配置方法において、農業用光源灯１０の、糸巻き型形状の照射領域５ｂの凹部に、他の農業用光源灯１０ａの糸巻き型形状の照射領域５ｂの凸部５ｂ１を重ね合わせるように、かつ略平行に複数配置したことを特徴とする。これによって複数の農業用光源灯１０を用いて栽培領域７が広い面積の場合であっても、光強度の略均一状態を維持することができ、簡単な構成で栽培対象８である作物を安定的に生長させることができるという優れた効果を有する。
【００３０】
なお、実施の形態１、実施の形態２において、半導体レーザー１は、植物育成に効果があるものであれば、緑色波長帯域や赤外波長帯域のものであってもよい。このような特性を有する半導体レーザーは、市場で大量に投入されている安価なＢＤ／ＤＶＤレコーダ等の光ディスクの記録する光ピックアップに用いられているものである。
【００３１】
＜３．他の実施の形態＞
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。そこで、他の実施の形態を例示する。
【００３２】
上記実施の形態１において、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、ミラー３と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体９とを備えた農業用光源ユニット５について説明したが、ミラー３を有していない構成であってもよい。例えば、図１２に示すように、他の実施の形態における農業用光源ユニット２０として、半導体レーザー１と、コリメートレンズ２と、光拡散素子４と、レーザー駆動手段６と、筐体２１とを備えた構成であってもよい。図１２は、他の実施の形態における農業用光源ユニットの構成図である。
【００３３】
この構成では、半導体レーザー１から放射されたレーザー光１ａは、コリメートレンズ２によって略平行光または発散光に変換され、光拡散素子４に到達する。光拡散素子４に到達したレーザー光１ａは、図３に示すように光強度分布が略均一になるように、光拡散素子４によって変換され、栽培領域７に照射される。農業用光源ユニット２０は農業用光源ユニット５に比べて筐体２１の厚みが大きくなるが、農業用光源ユニット２０を作物の栽培に用いる場合、農業用光源ユニット５を用いる場合と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
図１３は、特許文献１に開示された植物栽培装置の構成を示す図である。図１３に示すように、半導体レーザー１０１には光ファイバ１０２が取り付けられ、ガルバノミラーなどで構成された走査機構１０３によって２次元に半導体レーザー１０１からの光が走査されるようになっている。またモノクロの２次元ＣＣＤである撮像部１０４によって、植物１０９の葉緑体が存在する領域を検出し、その検出結果に基づいて走査機構１０３の走査範囲を決定している。照射範囲が決定されると、走査機構１０３が駆動され、半導体レーザー１０１からの光の照射位置が繰り返し２次元に走査される。
【００３５】
この特許文献１の植物栽培装置の構成には、生産プロセスが半導体プロセスと同じで高価な走査機構１０３を用いてレーザー光の照射範囲を広げる必要がある。
【００３６】
以上説明したように、本開示における農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、光拡散素子と、半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成されている。そして、レーザー光の光強度分布を、光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する。
【００３７】
本開示における農業用光源灯は、農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る。また、農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する。
【００３８】
これにより本開示の農業用光源ユニットによれば、半導体レーザーから放射されるレーザー光が照射する作物の栽培領域において、安価で簡単な構成で作物に光を均一に照射することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示にかかる農業用光源ユニット、農業用光源灯は、人工的な光源により作物を栽培する作物栽培装置に対して簡単な構成で光強度を略均一化し、安価で高機能な作物の栽培システムを実現する用途に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１    半導体レーザー
１ａ    レーザー光
２    コリメートレンズ
３    ミラー
４    光拡散素子
４ａ    マイクロレンズ
４ｂ    基板
５，５５    農業用光源ユニット
５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂ    照射領域
５ｂ１    凸部
６    レーザー駆動手段
７    栽培領域
８    栽培対象
９    筐体
１０，１０ａ    農業用光源灯
２０    農業用光源ユニット
２１    筐体
１０１    半導体レーザー
１０２    光ファイバ
１０３    走査機構
１０４    撮像部
１０９    植物
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成された農業用光源ユニットであって、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射することを特徴とする農業用光源ユニット。
【請求項２】
前記半導体レーザーからのレーザー光の照射領域を、前記光拡散素子によって略四角形状または略四角形状の各辺の中央部が内側に凹んだ形状に形成して、前記レーザー光を作物の栽培領域に照射することを特徴とする請求項１記載の農業用光源ユニット。
【請求項３】
農業用光源ユニットを、直線状に複数配置して成る農業用光源灯であって、農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成され、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射する農業用光源灯。
【請求項４】
前記農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成し、前記照射領域の一辺の領域は、前記光強度分布における端部の光強度の落ち込み部である、請求項３記載の農業用光源灯。
【請求項５】
農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域と、隣接した他の農業用光源ユニットで照射される照射領域の一辺の領域とで、重ね合わせた領域を形成する、農業用光源灯の配置方法であって、農業用光源ユニットは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、前記レーザー光を発散光または略平行光とするコリメートレンズと、平板状の基板の片側の表面に複数のマイクロレンズが配置されている光拡散素子と、前記半導体レーザーを駆動して発光させるレーザー駆動手段と、で構成され、前記レーザー光の光強度分布を、前記光拡散素子によって略均一化して、作物の栽培領域に照射し、前記照射領域の一辺の領域は、前記光強度分布における端部の光強度の落ち込み部であることを特徴とする農業用光源灯の配置方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2016117314.tif 000018
【図２】
2016117314.tif 000019
【図３】
2016117314.tif 000020
【図４】
2016117314.tif 000021
【図５】
2016117314.tif 000022
【図６】
2016117314.tif 000023
【図７】
2016117314.tif 000024
【図８】
2016117314.tif 000025
【図９Ａ】
2016117314.tif 000026
【図９Ｂ】
2016117314.tif 000027
【図１０Ａ】
2016117314.tif 000028
【図１０Ｂ】
2016117314.tif 000029
【図１１】
2016117314.tif 000030
【図１２】
2016117314.tif 000031
【図１３】
2016117314.tif 000032
【国際調査報告】
2016117314.tif 000033
2016117314.tif 000034
2016117314.tif 000035
2016117314.tif 000036
2016117314.tif 000037
2016117314.tif 000038
2016117314.tif 000039
2016117314.tif 000040