(57)【要約】  植物の成長を促進するための発光ダイオード（ＬＥＤ）システムは、植物によって吸収可能な色光スペクトルを発光するための１または複数のＬＥＤを有する少なくとも１つのＬＥＤアレイと、植物から反射した光を検出するための光検出器と、少なくとも１つのＬＥＤアレイおよび光検出器に電気的に結合されたＬＥＤ光ドライバとを含む。ＬＥＤ光ドライバは、電源から電力を受け取り、受け取った電力を用いて少なくとも１つのＬＥＤアレイを駆動し、反射光スペクトルを示す信号を光検出器から受信し、受信信号に基づいて、少なくとも１つのＬＥＤアレイから発光された光の強度およびスペクトルの少なくとも１つを調整するように少なくとも１つのＬＥＤアレイを制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物の成長を促進するための照明システムであって、
スペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する、前記植物によって吸収可能な第１の光を発光するための照明源と、
前記植物からの第２の光を検出するための少なくとも１つの光検出器と、
前記照明源および前記少なくとも１つの光検出器に結合された制御構造と
を備え、前記制御構造は、
前記少なくとも１つの光検出器から、前記検出された第２の光を示す信号を受信し、
前記受信信号に基づいて前記植物の成長状態を決定し、
前記決定された成長状態に基づいて、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定し、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御する
ために構成される、照明システム。
【請求項２】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記第１の光の前記スペクトル、および前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度分布の少なくとも１つを備える、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記スペクトルは、紫外（ＵＶ）波長から可視波長範囲を経て赤外（ＩＲ）波長までにわたるスペクトルである、請求項２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記スペクトルは、赤色光波長範囲、緑色光波長範囲、および青色光波長範囲の組み合わせを備える、請求項２に記載の照明システム。
【請求項５】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記照明源と前記植物との間の距離および角度の少なくとも１つを更に備える、請求項２〜４のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項６】
前記照明源に携わる少なくとも１つのモータを更に備え、
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記照明源と前記植物との間の距離値および角度値の少なくとも１つを決定することを備え、
前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記距離値および前記角度値の前記少なくとも１つを用いて前記距離および前記角度の前記少なくとも１つを調整するように前記少なくとも１つのモータを制御することを備える、請求項５に記載の照明システム。
【請求項７】
前記第２の光は、前記植物から反射した光である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項８】
前記第２の光は、前記植物から発光されるクロロフィル蛍光であり、前記成長状態は、前記第１の光の下での前記植物の光合成効率である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項９】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定すること
を備える、請求項８に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記受信信号に基づいて前記植物の前記成長状態を決定することは、前記受信信号に基づいてクロロフィル蛍光測定値を決定することを備え、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
（１）前記植物の前記光合成効率を決定する、前記照明パラメータのセットに関する値のセットに各々が対応する複数の照明状態を定義することと、
（２）（ｉ）前状態変数Ｓｐを初期照明状態Ｓ０に、（ｉｉ）対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに、（ｉｉｉ）グローバル時間変化パラメータＴを初期値に、および（ｉｖ）現在状態変数Ｓｃを、蛍光が確立される期間継続している前記複数の照明状態のランダム状態Ｓｒに設定することと、
（３）前記決定されたクロロフィル蛍光測定値を用いて、前記現在状態Ｓｃにおける前記植物の現在状態光合成効率Ｅｃを計算することと、
（４）前記現在状態光合成効率Ｅｃを前記前状態光合成効率Ｅｐと比較することと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐ以下である場合、（５）前記前状態Ｓｐを前記現在照明状態Ｓｃとして設定し、前記現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新し、ステップ（３）へループすることと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐを上回る場合、（６）適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を計算し、前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認することと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合、（７）前記パラメータＴを低減し、ステップ（５）へループすることと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さい場合、（８）前記状態Ｓｃに対応する前記照明パラメータのセットとして、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することと
を備える、請求項９に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記照明源は、前記第１の光を発光するための複数のＬＥＤセットを備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記複数のＬＥＤセットは、１または複数の量子ドットＬＥＤを備える、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記植物に対する各ＬＥＤセットの距離および角度の少なくとも１つを調整すること
を備える、請求項１１または１２に記載の照明システム。
【請求項１４】
各ＬＥＤセットは、
各々が、前記第１の光の前記スペクトルのサブセットを有する前記第１の光の一部である色光を発光するために構成された、１または複数のＬＥＤサブセットと、
各々が１つのＬＥＤサブセットのオン／オフを制御する１または複数の切換え部品と
を備える、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１５】
各切換え部品は、前記第１の光の前記一部としてパルス光を発光するために前記対応するＬＥＤサブセットを制御するために構成される、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記第１の光はパルス幅変調光である、請求項１５に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記決定された成長状態に基づいて各切換え部品の前記オン／オフ設定を決定することを備え、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記第１の光の前記スペクトルおよび前記スペクトルにわたる前記第１の光の前記強度の少なくとも１つを調整するために、前記決定されたオン／オフ設定に基づいて前記切換え部品を制御することを備える、請求項１５または１６に記載の照明システム。
【請求項１８】
少なくとも１つの照明および感知デバイスを更に備え、各照明および感知デバイスは、
ハウジングと、
前記ハウジング内に受容された前記少なくとも１つの光検出器の１つと、
前記ハウジングと前記光学センサとの間の環状部に配置された前記ＬＥＤのグループと
を備える、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの光検出器は、レンズ、光フィルタ、および光感知部品を少なくとも備える、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項２０】
植物の成長を促進するための方法であって、
前記植物によって吸収可能なスペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する第１の光を照明源から前記植物に向かって発光することと、
前記植物からの第２の光を検出することと、
前記検出された第２の光に基づいて、前記植物の成長状態を決定することと、
前記決定された成長状態に基づいて、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することと、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することと
を備える方法。
【請求項２１】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記第１の光の前記スペクトル、および前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度分布の少なくとも１つを備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記スペクトルは、紫外（ＵＶ）波長から可視波長範囲を経て赤外（ＩＲ）波長までにわたるスペクトルである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記スペクトルは、赤色光波長範囲、緑色光波長範囲、および青色光波長範囲の組み合わせを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記照明源と前記植物との間の距離および角度の少なくとも１つを更に備える、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記照明源と前記植物との間の距離値および角度値の少なくとも１つを決定することを備え、
前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記距離値および前記角度値の前記少なくとも１つを用いて前記距離および前記角度の前記少なくとも１つを調整することを備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の光は、前記植物から反射した光である、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の光は、前記植物から発光されるクロロフィル蛍光であり、前記成長状態は、前記第１の光の下での前記植物の光合成効率である、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定すること
を備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記受信信号に基づいて前記植物の前記成長状態を決定することは、前記受信信号に基づいてクロロフィル蛍光測定値を決定することを備え、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
（１）前記植物の前記光合成効率を決定する、前記照明パラメータのセットに関する値のセットに各々が対応する複数の照明状態を定義することと、
（２）（ｉ）前状態変数Ｓｐを初期照明状態Ｓ０に、（ｉｉ）対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに、（ｉｉｉ）グローバル時間変化パラメータＴを初期値に、および（ｉｖ）現在状態変数Ｓｃを、蛍光が確立される期間継続している前記複数の照明状態のランダム状態Ｓｒに設定することと、
（３）前記決定されたクロロフィル蛍光測定値を用いて、前記現在状態Ｓｃにおける前記植物の現在状態光合成効率Ｅｃを計算することと、
（４）前記現在状態光合成効率Ｅｃを前記前状態光合成効率Ｅｐと比較することと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐ以下である場合、（５）前記前状態Ｓｐを前記現在照明状態Ｓｃとして設定し、前記現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新し、ステップ（３）へループすることと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐを上回る場合、（６）適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を計算し、前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認することと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合、（７）前記パラメータＴを低減し、ステップ（５）へループすることと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さい場合、（８）前記状態Ｓｃに対応する前記照明パラメータのセットとして、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することと
を備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記照明源は、前記第１の光を発光するための複数のＬＥＤセットを備え、各ＬＥＤセットは、各々が、前記第１の光の前記スペクトルのサブセットを有する前記第１の光の一部である色光を発光するために構成された、１または複数のＬＥＤサブセットを備え、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記第１の光の前記スペクトルおよび前記スペクトルにわたる前記第１の光の前記強度の少なくとも１つを調整するために、各ＬＥＤサブセットの前記オン／オフ設定を制御することを備える、請求項２０〜２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記植物に対する各ＬＥＤセットの距離および角度の少なくとも１つを調整すること
を備える、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、各々の内容が参照によってその全体が本願に組み込まれる、２０１７年５月２日に出願された米国仮特許出願第６２／５００，０９６号、および２０１７年１１月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５８６，３１５号の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光を用いて植物を栽培するための方法およびシステムに関し、具体的には、植物の成長を促進および増進するためにＬＥＤ光を制御するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、主に低電力光表示器として、多くの産業において知られ、幅広く用いられている。近年、増加した電力出力および増加した光度を有するＬＥＤが開発され、照明用に用いられている。たとえば、改善されたエネルギ効率、安全性、および信頼性により、ＬＥＤ光は、白熱灯、コンパクト蛍光ランプ（ＣＦＬ）など、市場における他の種類の光に取って代わっている。日々の照明は、電力系統への負荷に大幅に寄与し、発電に関する全体要件を大幅に増加させるので、ＬＥＤのエネルギ効率は、未来のエネルギ節減において重要な役割を果たす。ＬＥＤは、優れたエネルギ効率により、照明市場の優位を占めると思われる。
【０００４】
増加した電力出力および／または増加した光度を有するＬＥＤは、植物を栽培するための光源などとしても用いられている。場合によってはＬＥＤ栽培光と呼ばれるそのようなＬＥＤは、たとえば光の精密な波長、高い強度、高効率などの様々な利点を提供する。ＬＥＤ栽培光は、リスクおよび他の不所望の屋外不確定要素が大幅に少ない制御された環境で植物を栽培するプロセスが行われ得るような屋内植物栽培にも有利である。
【０００５】
植物の成長は、「光合成」プロセスの結果として起こる。当該技術において既知であるように、光合成プロセスは、光からのエネルギを用いて二酸化炭素（ＣＯ２）を有機物に変換する。具体的には、光エネルギは、葉緑体と呼ばれる光合成細胞膜に存在する、クロロフィル色素を含有する特殊なタンパク質を通して吸収される。光合成細胞は主に、植物の葉にある。
【０００６】
ただし、クロロフィルは、光スペクトルの特定の部分または色からのエネルギのみを吸収する。効果的なスペクトルは、青色および赤色スペクトルにわたる。光スペクトルの緑色部分は反射され、これが、植物の葉が多くの場合緑色である理由である。葉の中の光合成細胞が死滅し、クロロフィルが劣化すると、葉の中の他の色素分子が光反射を支配し、それらは、葉が茶色のみを呈する時点まで劣化する。
【０００７】
したがって、葉緑体における様々な色素が、光合成に寄与する特定の波長の光を吸収し、光合成効率または速度は、照明のスペクトルとの強い相関性を有する（参照文献１および２を参照）ことが知られている。
【０００８】
たとえば、青色および赤色照明の下で栽培された稲は、赤色照明のみの下で栽培されたものよりも高い光合成効率を有する（参照文献３を参照）。赤色ＬＥＤ光の下で栽培されたエンドウ豆の葉は、青色または白色ＬＥＤ光の下で栽培されたものよりも高いレベルのβカロテンを含有する（参照文献４を参照）。
【０００９】
ストレス効果を低減する高い光強度に対する光合成有機体の反応により、光強度は、光合成における他の有力な要因である（参照文献２および５を参照）。赤色ＬＥＤ光の下で、コムギ幼植物は、５００μｍｏｌ  ｍ−２ｓ−１ではなく、１００μｍｏｌ  ｍ−２ｓ−１でクロロフィルを蓄積する（参照文献６を参照）。
【００１０】
植物は通常、成長の初期において青色光スペクトルを吸収し、その後、成熟するに従い開花段階において赤色光を多く吸収するようになることが観察される。たとえば光源と植物との間の距離といった照明の幾何学もまた、植物によって吸収される光エネルギおよびそれに関連する光合成効率に影響を及ぼす。通常、利用可能なエネルギは、光と植物との間の距離の二乗に比例した比率で低下する。加えて、植物は、照明持続期間および時間を感知することができ、それに従って成長速度を変化させる。
【００１１】
一定の照明を用いた植物栽培は、エネルギ効率が良くなく、光合成のために最適でもない。従来技術のＬＥＤ栽培光は多くの場合、上述した要件を考慮せずに植物のための光を供給するので、植物を成長させる生理的プロセスを最適化するために適当な時間に適当な強度で適当な色スペクトルを供給することができない。また、様々な植物が、最適な成長パフォーマンスを実現するための様々な光特性（たとえば強度、スペクトル、時間など）を必要とする。しかし、従来技術のＬＥＤ栽培光は、植物の要望に適応することができず、適当な光特性を供給することができない。
【００１２】
図１は、典型的な従来技術のＬＥＤ栽培光システム１０のブロック図である。図示するように、ＬＥＤ栽培光システム１０は、植物の成長を促進するために植物１６に向かって光１４を発光する複数のＬＥＤ光源１２を備える。ＬＥＤ光源１２は、通常、たとえば部屋の天井に取り付けられるなど、固定の位置に配置される。
【００１３】
図２は、従来技術のＬＥＤ栽培光システム１０の構成要素を示すブロック図である。図示するように、ＬＥＤ栽培光システム１０は、たとえばＡＣグリッドなどのＡＣ電源２４からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、ＤＣ電力を用いてＬＥＤアレイ１２を駆動するための交流（ＡＣ）直流（ＤＣ）変換器（ＡＣ／ＤＣ変換器）２２を備える。
【００１４】
従来技術のＬＥＤ栽培光システムに関する様々な問題点および難点が存在する。たとえば、植物は、それらの成長プロセスを通して特定の期間、特定の種類の光スペクトルを必要とする。しかし、従来技術のＬＥＤ栽培光システムは、植物の成長に最も適した光構成を提供するものではない。
【００１５】
他の例として、従来技術のＬＥＤ栽培光システムの電力アーキテクチャは、通常、効果的な熱性能および安全な動作を実現するために大きなヒートシンクを必要とするので、高効率の動作のために最適ではない。
【００１６】
また他の例として、従来技術のＬＥＤ栽培光システムにおいて用いられるＬＥＤアレイは、多くの場合、最適な植物成長パフォーマンスのために必要とされる十分な光強度の光スペクトルを供給することができない。したがってＬＥＤ栽培光システムは多くの場合、エネルギ効率が低く、多くのエネルギが熱の形で浪費される。
【００１７】
また他の例として、従来技術のＬＥＤ栽培光システムにおいて、ＬＥＤ光源は多くの場合、固定の位置に取り付けられる。したがって、従来技術のＬＥＤ栽培光システムは多くの場合、植物の成長の様々な段階においてＬＥＤ光源と植物との間の距離を最適化する能力を有するものではない。
【００１８】
上述した問題点により、従来技術のＬＥＤ栽培光システムは、植物の成長を促進するための最適な解決策を提供することができない。植物の成長は比較的長いプロセスであるため、最適化されていない栽培光システムは、システムの動作費用および全体非効率性を著しく増加させる。
【００１９】
光合成を最適化するためのシステムも知られている。しかしこれらのシステムは、光合成最適化における全ての照明パラメータを考慮に入れるものではない（参照文献２、５、１０〜１２を参照）。光合成最適化システムのいくつかは、照明の波長のみに着目し（参照文献１１を参照）、他は、照明の振幅のみに着目する（参照文献１２を参照）。照明の複数の態様を考慮するいくつかの従来技術も存在する（参照文献２、５、および１０を参照）。
【００２０】
光合成効率は、全ての照明パラメータに強く依存する。また、照明パラメータの光合成効率への影響は、相関性がある（すなわち、それらは互いに独立したものではない）。しかし、従来技術の光合成最適化システムのいずれも、照明の全ての態様を考慮に入れるものではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
１つの態様によると、植物の成長を促進および最適化するための発光ダイオード（ＬＥＤ）および／または量子ドットＬＥＤ（ＱＬＥＤ）光源を用いる光システムが開示される。光システムは、少なくとも（ｉ）植物によって吸収可能な様々な種類および範囲の強度の光スペクトルを発光するための１または複数のＬＥＤを有する１つのＬＥＤアレイと、（ｉｉ）植物から反射した光を検出するための光検出器と、（ｉｉｉ）少なくとも１つのＬＥＤアレイに電気的に結合されたＬＥＤ光ドライバとを備える。光検出器は、（ｉ）電源からの電力を受け取り、受け取った電力を用いて少なくとも１つのＬＥＤアレイを駆動し、（ｉｉ）反射光を示す光検出器からの信号を受信し、（ｉｉｉ）受信信号に基づいて、少なくとも１つのＬＥＤアレイから発光される光の強度およびスペクトルの少なくとも１つを調整するように少なくとも１つのＬＥＤアレイを制御する。
【００２２】
いくつかの実施形態において、光システムは、少なくとも１つのＬＥＤアレイの各々と植物との間の距離および／または角度を調整するための少なくとも１つのモータを更に備える。ＬＥＤ光ドライバは、受信信号に基づいて、少なくとも１つのＬＥＤアレイの各々と植物との間の距離および／または角度を調整するための少なくとも１つのモータに電気的に結合される。
【００２３】
他の態様によると、光合成を最適化するために人工知能を用いる装置、方法、およびシステムが開示される。
【００２４】
他の態様によると、エネルギ効率も光合成効率も良い植物栽培を可能にし得るカスタマイズされた「照明レシピ」をどのように取得するかを学習することができるインテリジェントシステムが開示される。そのようなカスタマイズされた「照明レシピ」は、特定の植物の種類の栽培に関して照明の波長、レベル、幾何学、および持続期間をカスタマイズすることを含んでよい。
【００２５】
クロロフィル蛍光測定は、光合成効率を確実に推定するために確立された技術である（参照文献７および９を参照）。周知のように、クロロフィルによって吸収される光エネルギは、植物によって光合成のために用いられるが、一方、その一部は、熱および励起波長のそれとは異なる波長の再発光蛍光に転換される。エネルギ保存は、これらのプロセスの産出量と結び付く。したがって、光合成効率を間接的に推定するため、および光合成効率を最適化するためのフィードバック信号を生成するために、クロロフィル蛍光が測定され得る。
【００２６】
いくつかの実施形態において、本明細書に開示される装置、システム、および方法は、様々な植物の栽培における効率的な光合成のための照明プロファイルを最適化するために人工知能を利用する。クロロフィル蛍光測定は、最適化される標的である光合成効率を推定するために用いられる。
【００２７】
周知のように、光合成効率または速度は、照明条件に強く依存する。一般に、スペクトル、レベル、幾何学、および持続期間を含む、照明に関与する４つのパラメータまたは変数が存在する。光合成システム構成要素は植物ごとに異なるので、植物の光合成効率の良い栽培のための照明条件は、それに適応すべきである。
【００２８】
したがって、いくつかの実施形態において、本明細書に開示される装置、システム、および方法は、最も高効率の光合成速度をもたらし得る「照明レシピ」を決定するための学習プロセスを備える。
【００２９】
いくつかの実施形態において、本明細書に開示される装置、システム、および方法は、光合成効率の最適化のために光合成測定に基づいて照明条件を変化させるための最適化アルゴリズムを備える。いくつかの実施形態において、クロロフィル蛍光測定は、光合成効率を確実に推定し、最適化アルゴリズムへの入力を生成するために用いられ得る。
【００３０】
いくつかの実施形態において、たとえば照明スペクトル、レベル、幾何学、持続期間などのパラメータの関数として光合成効率の最大値を求めるために、たとえば模擬アニーリングまたは遺伝的アルゴリズムなどの高度な最適化法が用いられる。たとえばＬＥＤまたはＱＬＥＤなどの高効率光源のアレイは、可動ステージに取り付けられる。光源は、紫外光から赤外光までにわたるスペクトル範囲の光波を発光し、特定の「照明レシピ」を用いて光合成を引き起こすための最適化結果に従って制御される。
【００３１】
本開示の１つの態様によると、植物の成長を促進するための照明システムが提供される。このシステムは、スペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する、植物によって吸収可能な第１の光を発光するための照明源と、植物からの第２の光を検出するための少なくとも１つの光検出器と、照明源および少なくとも１つの光検出器に結合された制御構造とを備える。制御構造は、少なくとも１つの光検出器から、検出された第２の光を示す信号を受信し、受信信号に基づいて植物の成長状態を決定し、決定された成長状態に基づいて、調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定し、植物の成長を促進するために、決定された値のセットを用いて調整可能な照明パラメータのセットを調整するように照明源を制御するために構成される。
【００３２】
いくつかの実施形態において、調整可能な照明パラメータのセットは、第１の光のスペクトル、およびスペクトルにわたる第１の光の強度分布の少なくとも１つを備える。
【００３３】
いくつかの実施形態において、スペクトルは、紫外（ＵＶ）波長から可視波長範囲を経て赤外（ＩＲ）波長までにわたるスペクトルである。
【００３４】
いくつかの実施形態において、スペクトルは、赤色光波長範囲、緑色光波長範囲、および青色光波長範囲からのスペクトルの組み合わせを備える。
【００３５】
いくつかの実施形態において、調整可能な照明パラメータのセットは、照明源と植物との間の距離および角度の少なくとも１つを更に備える。
【００３６】
いくつかの実施形態において、照明システムは、照明源に携わる少なくとも１つのモータを更に備え、上記決定された成長状態に基づいて調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することは、照明源と植物との間の距離値および角度値の少なくとも１つを決定することを備え、上記決定された値のセットを用いて調整可能な照明パラメータのセットを調整するように照明源を制御することは、距離値および角度値の少なくとも１つを用いて距離および角度の少なくとも１つを調整するように少なくとも１つのモータを制御することを備える。
【００３７】
いくつかの実施形態において、第２の光は、植物から反射した光である。
【００３８】
いくつかの実施形態において、第２の光は、植物から発光されるクロロフィル蛍光であり、成長状態は、第１の光の下での植物の光合成効率である。
【００３９】
いくつかの実施形態において、上記決定された成長状態に基づいて調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することは、模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、光合成効率を最大化するために調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することを備える。
【００４０】
いくつかの実施形態において、上記受信信号に基づいて植物の成長状態を決定することは、受信信号に基づいてクロロフィル蛍光測定値を決定することを備え、上記模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、光合成効率を最大化するために調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することは、
（１）植物の光合成効率を決定する、照明パラメータのセットに関する値のセットに各々が対応する複数の照明状態を定義することと、
（２）（ｉ）前状態変数Ｓｐを初期照明状態Ｓ０に、（ｉｉ）対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに、（ｉｉｉ）グローバル時間変化パラメータＴを初期値に、および（ｉｖ）現在状態変数Ｓｃを、蛍光が確立される期間継続している複数の照明状態のランダム状態Ｓｒに設定することと、
（３）決定されたクロロフィル蛍光測定値を用いて、現在状態Ｓｃにおける植物の現在状態光合成効率Ｅｃを計算することと、
（４）現在状態光合成効率Ｅｃを前状態光合成効率Ｅｐと比較することと、
現在状態光合成効率Ｅｃが前状態光合成効率Ｅｐ以下である場合、（５）前状態Ｓｐを現在照明状態Ｓｃとして設定し、現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新し、ステップ（３）へループすることと、
現在状態光合成効率Ｅｃが前状態光合成効率Ｅｐを上回る場合、（６）適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を計算し、適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認することと、
適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合、（７）パラメータＴを低減し、ステップ（５）へループすることと、
適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さい場合、（８）状態Ｓｃに対応する照明パラメータのセットとして、調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することと
を備える。
【００４１】
いくつかの実施形態において、照明源は、第１の光を発光するための複数のＬＥＤセットを備える。
【００４２】
いくつかの実施形態において、複数のＬＥＤセットは、１または複数の量子ドットＬＥＤを備える。
【００４３】
いくつかの実施形態において、上記植物の成長を促進するために決定された値のセットを用いて調整可能な照明パラメータのセットを調整するように照明源を制御することは、植物に対する各ＬＥＤセットの距離および角度の少なくとも１つを調整することを備える。
【００４４】
いくつかの実施形態において、各ＬＥＤセットは、各々が、第１の光のスペクトルのサブセットを有する第１の光の一部である色光を発光するために構成された、１または複数のＬＥＤサブセットと、各々が１つのＬＥＤサブセットのオン／オフを制御する１または複数の切換え部品とを備える。
【００４５】
いくつかの実施形態において、各切換え部品は、第１の光の一部としてパルス光を発光するために対応するＬＥＤサブセットを制御するために構成される。
【００４６】
いくつかの実施形態において、第１の光はパルス幅変調光である。
【００４７】
いくつかの実施形態において、上記決定された成長状態に基づいて調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することは、決定された成長状態に基づいて各切換え部品のオン／オフ設定を決定することを備え、上記植物の成長を促進するために決定された値のセットを用いて調整可能な照明パラメータのセットを調整するように照明源を制御することは、第１の光のスペクトルおよびスペクトルにわたる第１の光の強度の少なくとも１つを調整するために、決定されたオン／オフ設定に基づいて切換え部品を制御することを備える。
【００４８】
いくつかの実施形態において、発光システムは、少なくとも１つの照明および感知デバイスを更に備える。各照明および感知デバイスは、ハウジングと、ハウジング内に受容された少なくとも１つの光検出器の１つと、ハウジングと光学センサとの間の環状部に配置されたＬＥＤのグループとを備える。
【００４９】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの光検出器は、レンズ、光フィルタ、および光感知部品を少なくとも備える。
【００５０】
本開示の他の態様によると、植物の成長を促進するための方法が提供される。この方法は、植物によって吸収可能なスペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する第１の光を照明源から植物に向かって発光することと、植物からの第２の光を検出することと、検出された第２の光に基づいて、植物の成長状態を決定することと、決定された成長状態に基づいて、調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することと、植物の成長を促進するために、決定された値のセットを用いて調整可能な照明パラメータのセットを調整するように照明源を制御することとを備える。
【００５１】
本開示の実施形態は、以下、異なる図における同一の参照番号が同一の要素を示す次の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術のＬＥＤ栽培光システムの概略図である。
【図２】図１に示す従来技術のＬＥＤ栽培光システムの構成要素を示すブロック図である。
【図３】本開示のいくつかの実施形態に係る、ＬＥＤ栽培光システムの概略図である。
【図４】３つの光合成色素の吸収スペクトルを示す。
【図５】図３に示すＬＥＤ栽培光システムの細部を示す概略図である。
【図６】図３に示すＬＥＤ栽培光システムの制御サブシステムの細部を示す概略図である。
【図７】ＬＥＤ栽培光システムのＬＥＤアレイと植物との間の距離および／または角度を調整するための機構を示す、図３に示すＬＥＤ栽培光システムの概略図である。
【図８】図３に示すＬＥＤ栽培光システムの光検出器がどのように植物からの反射光を受け取るかを示す。
【図９】典型的な植物の葉の断面図、および図３に示すＬＥＤ栽培光システムが反射光に基づいてどのように植物状態を識別するかを示す。
【図１０】本開示のいくつかの実施形態に係る、照明最適化を有するＬＥＤ栽培光システムの概略図である。
【図１１】図１０に示すＬＥＤ栽培光システムの照明および感知デバイスの略斜視図である。
【図１２】図１１に示す照明および感知デバイスの略正面図である。
【図１３】図１１に示す光学装置の構造を示す概略図である。
【図１４】図１０に示すＬＥＤ栽培光システムの照明最適化プロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本明細書において、光システムの実施形態が開示される。いくつかの実施形態において、光システムは、発光ダイオード（ＬＥＤ）および／または量子ドットＬＥＤ（ＱＬＥＤ）光源を用いるシステムである。いくつかの実施形態において、光システムは、植物の成長を促進するためにＬＥＤ／ＱＬＥＤ光源から調光スペクトルを発光するＬＥＤおよび／またはＱＬＥＤ栽培光システムである。
【００５４】
いくつかの実施形態において、本明細書に開示される光システムは、ＬＥＤドライバによって給電および制御される１または複数のＬＥＤおよび／またはＱＬＥＤを備える。また光システムは、植物の成長を測定および数量化するためのリアルタイム監視サブシステムも備える。リアルタイム監視サブシステムから得られたリアルタイム植物成長測定および数量化に基づいて、ＬＥＤドライバは、植物成長を促進するための光のスペクトルおよび強度を精密に制御する。したがって、本明細書に開示される光システムは、リアルタイム植物成長測定に基づいて光出力を最適化することが可能な閉ループフィードバックシステムである。更に、いくつかの実施形態において、ＬＥＤ光源と植物との間の距離は、リアルタイム監視サブシステムから得られたリアルタイム植物成長測定および数量化に基づいて自動的に調整され得る。
【００５５】
このように、いくつかの実施形態において、本明細書に開示される光システムは、ＬＥＤ光を用いて植物の成長を促進するためのほぼ最適な解決策を提供する。
【００５６】
ここで図３を参照すると、本開示のいくつかの実施形態におけるＬＥＤ栽培光システムが示され、全体として参照番号１００を用いて識別される。ＬＥＤ栽培光システム１００は、電源１０２、インテリジェントＬＥＤ栽培光ドライバ１０４、１または複数の光検出器の形式であるリアルタイム監視サブシステム１０６、およびそれぞれ植物１１６に向かって赤色、緑色、および青色の光スペクトル１１４Ｒ、１１４Ｇ、および１１４Ｂを発光するための３つのＬＥＤアレイ１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂを備える。赤色、緑色、および青色光の各々は、植物１１６に向かって発光される光の一部を形成し、そのスペクトルのサブセットを有する。以下、光スペクトルに関する参照番号は、赤色、緑色、または青色スペクトルを指す添え字「Ｒ」、「Ｇ」、または「Ｂ」とともに用いられ、あるいは、言及された構成要素を集合的に指すために任意の添え字なしで用いられ得る。たとえば、ＬＥＤアレイは、参照番号１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂを用いて個別に参照されてよく、説明を容易にするために参照番号１０８を用いて集合的に参照されてもよい。
【００５７】
これらの実施形態において、電源１０２は、たとえばＡＣグリッドなどの交流（ＡＣ）電源である。ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４は、電源１０２からのＡＣ電力を受け取り、受け取ったＡＣ電力を、それぞれの電力バス１２２を介してＬＥＤアレイ１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂを個別に駆動するためのＤＣ電力に変換する。またＬＥＤ栽培光ドライバ１０４は、信号線１２４のセットを介してＬＥＤアレイ１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂの光特性を制御する。
【００５８】
各ＬＥＤアレイ１０８は１または複数の列を備え、各列は、直列に接続された、１または複数のカラーＬＥＤ１１０およびたとえば半導体スイッチなどのスイッチ１１２を備える。各ＬＥＤアレイ１０８内のＬＥＤ１１０は、特定のスペクトルの光を発光する。
【００５９】
当該技術において既知であるように、光合成において、様々なスペクトルの光を吸収する、たとえばクロロフィルａ、クロロフィルｂ、およびβカロテンなどの複数の重要な色素が存在する。図４は、３つの光合成色素の吸収スペクトルを示す。示されるように、クロロフィルａおよびクロロフィルｂは主に青色および赤色スペクトルを吸収し、βカロテンは主に青色および緑色スペクトルを吸収する。
【００６０】
再び図３を参照すると、各ＬＥＤアレイ１０８は、光合成色素の１または複数の光吸収ピークに関するスペクトルを有する色光を発光する。たとえばいくつかの実施形態において、ＬＥＤアレイ１０８ＲのＬＥＤ１１０Ｒは、約４００ナノメートル（ｎｍ）〜約４７０ｎｍの範囲内のスペクトルを有する赤色光を発光し、ＬＥＤアレイ１０８ＧのＬＥＤ１１０Ｇは、約４７０ｎｍ〜約５２０ｎｍを有する緑色光を発光し、ＬＥＤアレイ１０８ＢのＬＥＤ１１０Ｂは、約６２０ｎｍ〜約６８０ｎｍの範囲内のスペクトルを有する青色光を発光する。いくつかの実施形態において、植物によって必要とされる主な光スペクトルが多くの場合、赤色および青色スペクトルの周辺であるため、緑色光ＬＥＤアレイ１０８Ｇは、赤色光および青色光ＬＥＤアレイ１０８Ｒおよび１０８Ｂの各々よりも少ない数のＬＥＤ１１０Ｇを備える。
【００６１】
ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４は、独立した電力バス１２２を通して各ＬＥＤアレイ１０８に給電する。各ＬＥＤアレイ１０８において、その各列内のスイッチ１１２は、光強度を調整するためにオンまたはオフに切り換わるようにＬＥＤ栽培光ドライバ１０４によって制御され得る。光検出器１０６は、植物１１６から反射した光１１４Ｆを監視する。当該技術において既知であるように、反射光１１４Ｆのスペクトルは、植物１１６の成長およびその健康状態に関する情報を提供する。したがって、反射光１１４Ｆを監視することによって、光検出器１０６は、植物１１６の成長を測定し、それに従ってＬＥＤアレイ１０８を制御するために、ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４へフィードバック信号を提供することができる。
【００６２】
図５は、ＬＥＤ栽培光システム１００の機能構造を示す概略図である。図示するように、ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４は、電力回路１３２、制御構造または制御サブシステム１３４、および光検出器１０６を備える。
【００６３】
ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４の電力回路１３２は、ＬＥＤアレイ１０８に電力を供給する。具体的には、電力回路１３２は、ＡＣグリッド１０２から電力を受け取り、受け取ったＡＣ電力を、ＬＥＤアレイ１０８のＬＥＤ１１０を駆動するために適した１または複数のＤＣ電圧のＤＣ電力に変換する。
【００６４】
ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４の制御サブシステム１３４は、多数のタスクを実行する。特に、制御サブシステム１３４は、適当な電力変換が実行され、ＬＥＤ１１０が適切な電圧／電流を供給されるように、電力回路１３２を制御する。
【００６５】
また制御サブシステム１３４は、植物の成長を促進するために、ＬＥＤアレイ１０８の構造に基づいて、光のスペクトルおよび強度を動的に調整する。特に、制御サブシステム１３４は、光検出器１０６から反射光スペクトルの情報を示す信号を受信し、受信情報およびＬＥＤアレイ１０８の構造に基づいて、光スペクトルおよびそれらの強度を動的に調整するためにＬＥＤアレイ１０８の各列内の半導体スイッチ１１２のオン／オフを制御する。
【００６６】
これらの実施形態において、ＬＥＤ栽培光システム１００は、光検出器１０６からの受信情報およびＬＥＤアレイ１０８の構造に基づいて各ＬＥＤアレイ１０８と植物１１６との間の距離および／または角度（以下、「ＬＥＤ植物距離／角度」と記される）を動的に調整するために制御サブシステム１３４の命令の下でモータドライバ１３８によって制御される１または複数のモータ１３６も備える。
【００６７】
図６は、制御サブシステム１３４の細部を示す。図示するように、制御サブシステム１３４は、植物識別サブシステム１４２、参照生成器１４４、電力変換器コントローラ１４６、およびモータドライブコントローラ１４８を備える。植物識別サブシステム１４２は、光検出器１０６からのフィードバック信号を受信し、そこから、植物１１６の成長プロセスに関連する様々な情報を取得する。特に、植物識別サブシステム１４２は、反射光スペクトルの情報を搬送する光検出器１０６からのフィードバック信号を受信し、植物１１６の成長に関連する情報を取得するためにフィードバック信号を処理する。このように植物識別サブシステム１４２は、反射光スペクトルの情報に基づいて植物の成長を数量化し、参照生成器１４４のための適当な信号を生成する。参照生成器１４４は、植物識別サブシステム１４２からの信号を受信し、電力変換器コントローラ１４６およびモータドライバコントローラ１４８を制御するために光強度、光波長、最適なＬＥＤ植物距離／角度などに関する適当な参照信号を生成する。
【００６８】
光強度および光波長に関する参照信号は、電力変換器コントローラ１４６によって受信され、電力変換器コントローラ１４６はその後、適切な光強度および的確な光スペクトルが植物１１６に適用されるように、ＬＥＤアレイ１０８の各列内の電力回路１３２およびスイッチ１１２を制御する。モータドライバコントローラ１４８は、計算されたＬＥＤ植物距離／角度を受信し、それに従ってＬＥＤアレイ１０８を調整する。このように制御サブシステム１３４は、発光されたＬＥＤ光が、植物１１６の成長プロセスを最適化するために最適な光強度、光スペクトル、およびＬＥＤ植物距離／角度であることを確実にする。
【００６９】
図７は、ＬＥＤアレイ１０８と植物１１６との間の距離を調整するための機構を示す概略図である。図示するように、各ＬＥＤアレイ１０８は、モータ１３６に関連付けられる。ＬＥＤ栽培光ドライバ（不図示）は最終的に、それぞれのＬＥＤアレイ１０８を前方／後方へ動かすため、および／または植物１１６に対するそれぞれのＬＥＤアレイ１０８の角度を調整するために、各モータ１３６を制御する。所望の距離および／または角度は、必要な光強度、および植物識別サブシステム１４２（図６を参照）によって決定された植物１１６の状態に基づいて決定される。光強度は一般に、距離の二乗値の逆数に比例する。したがって距離は、植物１１６の成長に著しい影響を及ぼす。ＬＥＤ栽培光システム１００は、植物１１６の成長を加速させるのみならず、成長プロセス中に必要な電力量を低減することによって運転コストを著しく低減する最適な値に、距離および／または角度を調整することができる。更に、様々な植物に関して様々な光強度が必要とされ得る場合、距離／角度を調整および最適化する能力は、ＬＥＤ栽培光システム１００が、様々な種類の植物の成長を促進するための様々な植物栽培用途において用いられることを可能にする。
【００７０】
図８は、光検出器１０６がどのように植物１１６からの反射光スペクトル１１４Ｆを受け取るかを示す。植物成長状態を決定するために、様々な光スペクトルの光スペクトル１１４Ｒ、１１４Ｇ、および１１４ＢがＬＥＤ１１０Ｒ、１１０Ｇ、および１１０Ｂから植物１１６に向かって発光される。反射光１１４Ｆの光スペクトルに基づいて、植物識別サブシステム１４２は、たとえば植物の成長、健康状態などの植物１１６の状態を分析及び決定する。
【００７１】
図９は、典型的な植物の葉の断面図、およびＬＥＤ栽培光システム１００が反射光１１４Ｆに基づいてどのように植物状態を決定するかを示す。図示するように、葉肉層１５２はクロロフィルが豊富であり、クロロフィルは、植物状態の良い指標である。クロロフィルは主に、スペクトルの青色および赤色部分を吸収し、緑色部分を反射する。クロロフィルの量が多い場合、赤色／青色部分のほとんどが吸収され、緑色スペクトルの大部分が反射される。一方、クロロフィルが死滅し、またはその量が減少した場合、葉肉層１５２は、スペクトルの他の部分も同様に反射する。このように植物状態は、ＬＥＤ栽培光ドライバ１０４の光検出器１０６によって検出された反射光から数量化され得る。
【００７２】
上記実施形態において、ＬＥＤ栽培光システム１００は、３つのＬＥＤアレイ１０８を備える。いくつかの代替実施形態において、ＬＥＤ栽培光システム１００は、１または２つのＬＥＤアレイ１０８のみを備えてよい。いくつかの代替実施形態において、ＬＥＤ栽培光システム１００は、より多い数のＬＥＤアレイ１０８を備えてよい。
【００７３】
図１０は、本開示のいくつかの実施形態に係る、照明最適化を有するＬＥＤ栽培光システム１６０の概略図である。
【００７４】
既知であるように、光合成効果は、照明条件に強く依存する。植物の様々な光合成有機体成分により、同様の照明条件が必ずしもすべての種類の植物に光合成効率の良い栽培をもたらすわけではない。照明条件は、たとえば光スペクトル、強度、幾何学、持続期間などの様々なパラメータを含む。したがってＬＥＤ栽培光システム１６０は、たとえば最も効率の良い光合成率をもたらし得る照明パラメータのセットなどの「照明レシピ」を決定するための学習プロセスを利用する。ＬＥＤ栽培光システム１６０は、光合成効率の最適化のために、光合成測定に基づいて照明条件を変化させるための最適化アルゴリズムを用いる。いくつかの実施形態において、光合成効率を確実に推定し、最適化アルゴリズムへの入力を生成するために、クロロフィル蛍光測定が用いられ得る。
【００７５】
図１０に示すように、ＬＥＤ栽培光システム１６０は、人工知能（ＡＩ）プロセッサ１６２、照明ドライバ１６４、照明源１６６、蛍光プロセッサ１６８、および検出デバイスまたはサブシステム１７０を備える。
【００７６】
これらの実施形態におけるＡＩプロセッサ１６２は、蛍光プロセッサ１６８からのクロロフィル蛍光測定値を受信し、クロロフィル蛍光測定値を用いて光合成効率を推定し、光合成効率を最大化するための最適化照明パラメータのセットを決定し、決定された照明パラメータに従って照明光を調整するために照明ドライバ１６４を介して照明源１６６を制御するための、たとえば汎用コンピュータまたは専用コンピューティングデバイスなどのコンピューティングデバイスである。
【００７７】
これらの実施形態における照明源１６６は、１または複数のＬＥＤおよび／またはＱＬＥＤを備え、１または複数の植物１１６の成長を促進するためにそれらへ光１７２を発光するように照明ドライバ１６４によって駆動および制御される。照明源１６６の照明パラメータのセットは、調整可能である。たとえば、照明源１６６から発光される光は、紫外（ＵＶ）光から可視光を経て赤外（ＩＲ）光までにわたる調整可能なスペクトルを有する。そのスペクトルにわたる照明源１６６から発光される光の強度分布もまた、たとえば調整可能なパルス幅を有するパルス幅変調光などのパルス光を用いて調整可能である。
【００７８】
これらの実施形態における検出デバイス１７０は、クロロフィル分子が励起状態から非励起状態へ変化すると植物１１６のクロロフィル分子から発光される蛍光または光１７４を検出するための光学センサである。検出された蛍光のデータは、検出デバイス１７０から蛍光プロセッサ１６８へ送信される。
【００７９】
これらの実施形態における蛍光プロセッサ１６８は、照明源１６６の照明パラメータを最適化するためにＡＩプロセッサ１６２へ送信されるクロロフィル蛍光測定値を取得するために検出された蛍光のデータを処理するための、たとえば埋込型コンピューティングデバイスなどの専用コンピューティングデバイスであってよい。
【００８０】
いくつかの実施形態において、照明ドライバ１６４、照明源１６６、および検出デバイス１７０は、照明および感知デバイスに組み込まれ得る。図１１は、照明および感知デバイス２００の略斜視図である。図１２は、照明および感知デバイス２００の略正面図である。
【００８１】
図１１および図１２に示すように、照明および感知デバイス２００は、同心上の光学センサ２０４と、ハウジング２０２と光学センサ２０４との間の環状部に配置された複数のＬＥＤ２０６とを内部に受容する円筒形ハウジング２０２を備える。これらの実施形態において、ＬＥＤ２０６は、（ＵＶ  ＬＥＤと示された）紫外（ＵＶ）スペクトルを発光する１または複数のＬＥＤ、（Ｒ、Ｇ、および／またはＢ  ＬＥＤと示された）赤色、緑色、および／または青色スペクトルを発光する１または複数のＬＥＤ、およびＵＶスペクトルから可視スペクトルを経てＩＲスペクトルまでわたる調整可能なスペクトルを形成するための（ＩＲ  ＬＥＤと示された）ＩＲスペクトルを発光する１または複数のＬＥＤを備える。
【００８２】
ＬＥＤ２０６は、駆動ケーブル２０８を介して照明ドライバ２０２に連結され、そこから給電および１または複数の植物１１６への発光２１０のために駆動信号を受信する。植物１１６から発光された蛍光２１２は、光学センサ２０４によって検出され、信号出力ケーブル２１４を介した蛍光プロセッサ１６８への伝送のために検出信号に変換される。
【００８３】
図１３に示すように、光学センサ２０４は、光２２４を受け取るための１または複数のレンズ２２２、受け取った光２２４を濾過するためのフィルタ２２４、および信号出力ケーブル２１４を介した伝送のために濾過した光を電気信号に変換するための、たとえば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）光センサ部品などの光検出器または光センサ部品２２６を備える。
【００８４】
再び図１０を参照すると、ＡＩプロセッサ１６２は、植物１１６の光合成および成長を促進するための調整可能な強度およびスペクトルを有するパルス光１７２を発光するように照明源１６６を制御する。様々な波長のＬＥＤ１６６をオンおよびオフに設定し、蛍光プロセッサ１６８の出力に基づいてオンにされたＬＥＤ１６６から発光する光のパルス幅を調整すること（後述）によって、ＡＩプロセッサ１６２は、植物１１６の光合成効率を最大化するために、発光される光１７２のたとえば強度およびスペクトルなどの照明パラメータを最適化することができる。
【００８５】
上述したように、植物１１６は光１７２を吸収し、それを光化学プロセスのために用いる。吸収された光１７２の一部は、植物１１６によって熱および蛍光発光に変換される。
【００８６】
検出デバイス１７０は、植物１１６から発光された蛍光を検出する。蛍光プロセッサ１６８は、検出デバイス１７０によって得られた蛍光データを用いて、クロロフィル蛍光測定値を決定し、クロロフィル蛍光測定値をＡＩプロセッサ１６２へ送信する。ＡＩプロセッサ１６２はその後、光合成効率を推定する。光合成効率の推定の詳細は、参照文献７〜９において開示され、それらの各々の内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。光合成効率の推定後、ＡＩプロセッサ１６２は、光合成効率を最大化するための調整可能な照明パラメータのセットに関する最適化された値のセットを決定し、最適化された値のセットを用いて、たとえば発光される光１７２の強度およびスペクトルなど、照明源１６６の照明パラメータを調整する。
【００８７】
いくつかの実施形態において、ＡＩプロセッサ１６２は、植物１１６の光合成効率を最大化するために照明パラメータのセットを最適化するための模擬アニーリング法を用いる。このプロセスにおいて、植物１１６の光合成に関して複数の照明状態Ｓｋが定義される。各照明状態Ｓｋは、植物１１６の光合成効率を決定する照明パラメータのセットに対応する。
【００８８】
プロセスは、光合成が完全に確立されるように十分な期間継続されているランダム照明状態Ｓｒで開始する。その後、蛍光プロセッサ２０６から得られたクロロフィル蛍光測定値を用いて光合成効率Ｅｎ＋１が計算される。プロセスは、最大光合成効率に到達するまで、以前の状態からランダムな変化ΔＳだけ変わった新たな照明状態によって反復され、新たな状態に対応する光合成効率が計算され、過去の状態のそれと比較される。
【００８９】
そのような最大光合成効率は、極大であり得る。したがってプロセスは、極大に捕らわれることを避けるために、最適化空間を再び調査するように設計される。現在の状態から新たな状態への遷移は、状態の光合成効率の差およびグローバル時間変化パラメータＴに依存する適合確率関数ｅｘｐ（−ΔＥｎ／Ｔ）に従って行われ、ｅｘｐ（）は、指数関数およびΔＥｎ＝Ｅｎ−Ｅｎ−１を表す。
【００９０】
プロセスの進行とともに、パラメータＴは、大きな初期値から最適化の最終段階におけるゼロまで減少する。具体的には、Ｔは、プロセスが探索空間における様々な領域を調査することができるように、プロセスの最初の反復において大きな値に設定される。最後の反復において、Ｔはゼロ（０）になる傾向があり、適合確率関数は１（１）になる傾向があるので、プロセスは、上りの遷移のみを行う「貪欲アルゴリズム」になる。適切なパラメータ選択により、プロセスは、最大値を発見し得る。
【００９１】
図１４は、模擬アニーリング法に基づく上述した最適化プロセス３００の例のステップを示すフローチャートである。図示するように、プロセス３００は初期化ステップ３０２によって開始し、ここでＡＩプロセッサ１６２は、前状態変数Ｓｐを初期状態Ｓ０に設定し、対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに設定する。またＡＩプロセッサ１６２は、グローバル時間変化パラメータＴ（「温度」とも称される）を初期値に設定し、現在状態変数Ｓｃを、光合成が完全に確立される十分な期間継続しているランダム照明状態Ｓｒに設定する。プロセス３００はその後、ランダム状態Ｓｒから最適化プロセスを開始する。
【００９２】
ステップ３０４において、ＡＩプロセッサ１６２は、蛍光プロセッサ１６８から得られたクロロフィル蛍光測定値を用いて、現在状態Ｓｃにおける植物１１６の現在状態光合成効率Ｅｃを計算する。その後、ＡＩプロセッサ１６２は、現在状態光合成効率Ｅｃと前状態光合成効率Ｅｐとを比較する（ステップ３０８）。
【００９３】
現在状態光合成効率Ｅｃが前状態光合成効率Ｅｐを超えない場合（ステップ３０８の「ＮＯ」分岐）、ＡＩプロセッサ１６２は、前状態Ｓｐを現在の照明状態Ｓｃとして設定し（ステップ３１０）、現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新する（ステップ３１２）。プロセス３００はその後、植物１１６の現在状態光合成効率Ｅｃを計算するステップ３０４へループバックする。
【００９４】
ステップ３０８において、現在状態光合成効率Ｅｃが前状態光合成効率Ｅｐを上回ることが決定された場合（ステップ３０８の「ＹＥＳ」分岐）、ＡＩプロセッサ１６２は、適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を更に計算し、適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認する（ステップ３１４）。
【００９５】
適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合（ステップ３１４の「ＮＯ」分岐）、ＡＩプロセッサ１６２は、温度Ｔを低減し（ステップ３１６）、プロセス３００は、前状態Ｓｐおよび現在状態Ｓｃを更新するステップ３１０へループバックする。
【００９６】
ステップ３１４において、適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいことが決定された場合（ステップ３１４の「ＹＥＳ」分岐）、現在状態Ｓｃは最適状態Ｓｏであるとみなされ、最適状態Ｓｏに対応する照明パラメータのセットが、照明源１６６の設定を調整するために用いられる。
【００９７】
当業者が理解するように、いくつかの代替実施形態において、植物１１６の光合成効率を最大化するように照明パラメータを最適化するために、たとえば遺伝的アルゴリズムなどの他の適当な最適化法が用いられ得る。
【００９８】
実施形態は添付図面を参照して上述されたが、当業者が理解するように、添付の特許請求の範囲によって定義されたその範囲から逸脱することなく変形例および修正例が生み出され得る。
参考文献
【表１】
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2020518961.tif 000004
2020518961.tif 000005
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020518961.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
2020518961.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月4日(2019.3.4)
【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】
植物の成長を促進するための照明システムであって、
スペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する、前記植物によって吸収可能な第１の光を発光するための照明源と、
前記植物から発光されたクロロフィル蛍光を備える前記植物からの第２の光を検出するための少なくとも１つの光検出器と、
前記照明源および前記少なくとも１つの光検出器に結合された制御構造と
を備え、前記制御構造は、
前記少なくとも１つの光検出器から、前記検出された第２の光を示す信号を受信し、
前記受信信号に基づいて前記植物の成長状態を決定し、
前記決定された成長状態に基づいて、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定し、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御する
ために構成され、
前記成長状態は、前記第１の光の下での前記植物の光合成効率であり、
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定すること
を備える、照明システム。
【請求項２】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記第１の光の前記スペクトル、および前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度分布の少なくとも１つを備える、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記スペクトルは、紫外（ＵＶ）波長から可視波長範囲を経て赤外（ＩＲ）波長までにわたるスペクトルである、請求項２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記スペクトルは、赤色光波長範囲、緑色光波長範囲、および青色光波長範囲の組み合わせを備える、請求項２に記載の照明システム。
【請求項５】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記照明源と前記植物との間の距離および角度の少なくとも１つを更に備える、請求項２〜４のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項６】
前記照明源に携わる少なくとも１つのモータを更に備え、
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記照明源と前記植物との間の距離値および角度値の少なくとも１つを決定することを備え、
前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記距離値および前記角度値の前記少なくとも１つを用いて前記距離および前記角度の前記少なくとも１つを調整するように前記少なくとも１つのモータを制御することを備える、請求項５に記載の照明システム。
【請求項７】
前記受信信号に基づいて前記植物の前記成長状態を決定することは、前記受信信号に基づいてクロロフィル蛍光測定値を決定することを備え、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
（１）前記植物の前記光合成効率を決定する、前記照明パラメータのセットに関する値のセットに各々が対応する複数の照明状態を定義することと、
（２）（ｉ）前状態変数Ｓｐを初期照明状態Ｓ０に、（ｉｉ）対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに、（ｉｉｉ）グローバル時間変化パラメータＴを初期値に、および（ｉｖ）現在状態変数Ｓｃを、蛍光が確立される期間継続している前記複数の照明状態のランダム状態Ｓｒに設定することと、
（３）前記決定されたクロロフィル蛍光測定値を用いて、前記現在状態Ｓｃにおける前記植物の現在状態光合成効率Ｅｃを計算することと、
（４）前記現在状態光合成効率Ｅｃを前記前状態光合成効率Ｅｐと比較することと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐ以下である場合、（５）前記前状態Ｓｐを前記現在照明状態Ｓｃとして設定し、前記現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新し、ステップ（３）へループすることと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐを上回る場合、（６）適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を計算し、前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認することと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合、（７）前記パラメータＴを低減し、ステップ（５）へループすることと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さい場合、（８）前記状態Ｓｃに対応する前記照明パラメータのセットとして、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することと
を備える、請求項１に記載の照明システム。
【請求項８】
前記照明源は、前記第１の光を発光するための複数のＬＥＤセットを備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項９】
前記複数のＬＥＤセットは、１または複数の量子ドットＬＥＤを備える、請求項８に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記植物に対する各ＬＥＤセットの距離および角度の少なくとも１つを調整すること
を備える、請求項８または９に記載の照明システム。
【請求項１１】
各ＬＥＤセットは、
各々が、前記第１の光の前記スペクトルのサブセットを有する前記第１の光の一部である色光を発光するために構成された、１または複数のＬＥＤサブセットと、
各々が１つのＬＥＤサブセットを制御する１または複数の切換え部品と
を備える、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記１または複数の切換え部品の各々は、前記第１の光の前記一部としてパルス光を発光するために前記対応するＬＥＤサブセットを制御するために構成される、請求項１１のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記第１の光はパルス幅変調光である、請求項１２に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記決定された成長状態に基づいて前記１または複数の切換え部品の各々の設定を決定することを備え、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記第１の光の前記スペクトルおよび前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度の少なくとも１つを調整するために、前記決定された設定に基づいて前記切換え部品を制御することを備える、請求項１２または１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
少なくとも１つの照明および感知デバイスを更に備え、各照明および感知デバイスは、
ハウジングと、
前記ハウジング内に受容された前記少なくとも１つの光検出器の１つと、
前記ハウジングと前記少なくとも１つの光検出器の前記１つとの間の環状部に配置された前記ＬＥＤのグループと
を備える、請求項８〜１４のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの光検出器は、レンズ、光フィルタ、および光感知部品を少なくとも備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の照明システム。
【請求項１７】
植物の成長を促進するための方法であって、
前記植物によって吸収可能なスペクトルおよび調整可能な照明パラメータのセットを有する第１の光を照明源から前記植物に向かって発光することと、
前記植物から発光されたクロロフィル蛍光である前記植物からの第２の光を検出することと、
前記検出された第２の光に基づいて、前記植物の成長状態を決定することと、
前記決定された成長状態に基づいて、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する値のセットを決定することと、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することと
を備え、
前記成長状態は、前記第１の光の下での前記植物の光合成効率であり、
前記決定された成長状態に基づいて、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定すること
を備える、方法。
【請求項１８】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記第１の光の前記スペクトル、および前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度分布の少なくとも１つを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記スペクトルは、紫外（ＵＶ）波長から可視波長範囲を経て赤外（ＩＲ）波長までにわたるスペクトルである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スペクトルは、赤色光波長範囲、緑色光波長範囲、および青色光波長範囲の組み合わせを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記調整可能な照明パラメータのセットは、前記照明源と前記植物との間の距離および角度の少なくとも１つを更に備える、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記決定された成長状態に基づいて前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、前記照明源と前記植物との間の距離値および角度値の少なくとも１つを決定することを備え、
前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、前記距離値および前記角度値の前記少なくとも１つを用いて前記距離および前記角度の前記少なくとも１つを調整することを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記受信信号に基づいて前記植物の前記成長状態を決定することは、前記受信信号に基づいてクロロフィル蛍光測定値を決定することを備え、
模擬アニーリング法または遺伝的アルゴリズムを用いて、前記光合成効率を最大化するために前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することは、
（１）前記植物の前記光合成効率を決定する、前記照明パラメータのセットに関する値のセットに各々が対応する複数の照明状態を定義することと、
（２）（ｉ）前状態変数Ｓｐを初期照明状態Ｓ０に、（ｉｉ）対応する前状態光合成効率Ｅｐをゼロに、（ｉｉｉ）グローバル時間変化パラメータＴを初期値に、および（ｉｖ）現在状態変数Ｓｃを、蛍光が確立される期間継続している前記複数の照明状態のランダム状態Ｓｒに設定することと、
（３）前記決定されたクロロフィル蛍光測定値を用いて、前記現在状態Ｓｃにおける前記植物の現在状態光合成効率Ｅｃを計算することと、
（４）前記現在状態光合成効率Ｅｃを前記前状態光合成効率Ｅｐと比較することと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐ以下である場合、（５）前記前状態Ｓｐを前記現在照明状態Ｓｃとして設定し、前記現在状態ＳｃをＳｃからランダム変化ΔＳだけ近隣の状態へ更新し、ステップ（３）へループすることと、
前記現在状態光合成効率Ｅｃが前記前状態光合成効率Ｅｐを上回る場合、（６）適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）を計算し、前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さいかを確認することと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎ以上である場合、（７）前記パラメータＴを低減し、ステップ（５）へループすることと、
前記適合確率関数ｅｘｐ（−（Ｅｃ−Ｅｐ）／Ｔ）が既定の閾値Ｅｍｉｎよりも小さい場合、（８）前記状態Ｓｃに対応する前記照明パラメータのセットとして、前記調整可能な照明パラメータのセットに関する前記値のセットを決定することと
を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記照明源は、前記第１の光を発光するための複数のＬＥＤセットを備え、各ＬＥＤセットは、各々が、前記第１の光の前記スペクトルのサブセットを有する前記第１の光の一部である色光を発光するために構成された、１または複数のＬＥＤサブセットを備え、
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記第１の光の前記スペクトルおよび前記スペクトルにわたる前記第１の光の強度の少なくとも１つを調整するために、各ＬＥＤサブセットの設定を制御することを備える、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記植物の前記成長を促進するために、前記決定された値のセットを用いて前記調整可能な照明パラメータのセットを調整するように前記照明源を制御することは、
前記植物に対する各ＬＥＤセットの距離および角度の少なくとも１つを調整すること
を備える、請求項２４に記載の方法。
【国際調査報告】
2020518961.tif 000020
2020518961.tif 000021