JP2004166511A - 擬似太陽光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工業用のみならず植物育成用等、その他の広い分野での応用可能性を拡大すべく、発熱量が小さくコンパクトで、なおかつ照射角度や光量さらには光スペクトル特性をも動的に変化させることができる擬似太陽光照射装置を提供する。
【解決手段】異なる発光スペクトル特性を有した複数種類のＬＥＤ２４を備えてなり、それら各種ＬＥＤ２４の組み合わせ構成比率又は／及びそれらの発光強度を適宣設定し、前記各ＬＥＤ２４から射出される光の合成スペクトルが、基準となる太陽光スペクトルと近似したものとなるように構成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然の太陽光に近似した擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ＬＥＤを多数並べ設けた光源を用いて所定波長の光を射出し、植物育成等を行う方法が開発されつつある。かかる方法においては自然太陽下における育成との比較においてその効果を確かめる要請があるところ、実際の太陽光は気象や季節の違いによって大きく変動し、比較の基準とすることが難しいため、所定条件を反復再現可能な擬似太陽光照射装置が望まれている。
【０００３】
しかして、例えば写真撮影や太陽電池効率試験等の工業的な目的においては、自然太陽光のスペクトル特性に近似したスペクトル特性を有する擬似太陽光照射装置が開発されている。具体的には例えばキセノンランプを用いたもの（特許文献１）や、白熱ランプと蛍光ランプとを組み合わせたもの（特許文献２）、あるいはマイクロウェーブ波ランプを用いたものなどが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２５１８８７号公報
【特許文献２】
特開平９−９９１０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その種の装置ではその光源の性質上、熱が発生するうえに嵩張るため、植物育成用に用いることに対して種々の不具合が生じ得る。
さらに上述したような比較の基準として用いることを考えると、朝、昼、夕のように経時的に変化する実際の太陽光に近似させるために、照射角度や光量のみならず光スペクトル特性を経時的かつ動的に変えるような機能も必要となる可能性が高い。しかしながら前記キセノンランプ等を用いた光源では、そもそも光スペクトル特性を動的に変化させることがほとんど不可能であるうえ、重量の点からみても照射角度をコントロールする際に不具合が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、従来の不具合に鑑み、発熱量が小さくコンパクトで、なおかつ照射角度や光量さらには光スペクトル特性をも動的に変化させることが可能な擬似太陽光照射装置を提供することをその主たる課題とするものであり、擬似太陽光照射装置の、工業用のみならず植物育成用等、その他の広い分野での応用可能性を拡大すべく図ったものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明に係る擬似太陽光照射装置は、異なる発光スペクトル特性を有した複数種類のＬＥＤを備えてなり、それら異なる発光スペクトル特性を有したＬＥＤの構成比率又は／及び各ＬＥＤの発光強度を適宣設定し、前記各ＬＥＤから射出される光の合成スペクトルが太陽光スペクトルと近似したものとなるように構成していることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、ＬＥＤを発光源として用いているため、発熱量が小さくコンパクト化も可能である上、各ＬＥＤに対する発光強度等の制御を行えば、自然太陽光スペクトルのように、１日における時間や季節、場所に応じて変動する合成スペクトルを実現することができる。したがって、自然環境により近い環境を人工的に創出することができ、その応用範囲を従来のものに比して大きく拡大することが可能となる。具体的には、例えば植物育成においては、より好適な比較ための基準環境を提供でき、例えば絵画、美術品、工芸品の鑑賞や製作等においては、自然光に近いより好適な照明を行うことができることとなる。
なお、基準となる太陽光スペクトルは適宣定めればよい。実際の太陽光スペクトルはその一例を図４に示すように、地上からの高度や気象によって異なるのみならず、季節や気象、地域によっても異なる場合があるため、それらいずれか、あるいはそれらデータから標準化した架空のものを基準となる太陽光スペクトルとして定めればよい。
【０００９】
さらに、本発明によれば、例えば太陽光に対し、特定の波長帯域のみが増減されたような合成スペクトルを有する光をも容易に作り出すことができるため、例えば植物育成において、従来のように所定波長帯域の光を植物に照射するというアプローチではなく、太陽光から任意の波長帯域を増減させた光を植物に照射するという異なったアプローチでの効果も確かめることができるようになる。
【００１０】
一方、実際の太陽光スペクトルは、前記図４に示すように、波長を横軸、強度を縦軸としたときの波形が滑らかに連続するものであるところ、各種ＬＥＤのピーク波長は実際には不連続な飛び飛びのものとならざるをえないため、それらＬＥＤの組み合わせやその発光強度の設定のみでは、図５に示すように、その合成スペクトル波形においてある程度の凹凸が生じ、前記太陽光スペクトルに所定程度以上近似させることが困難である。
【００１１】
かかる不具合を無理なく解決し、前記合成スペクトルを太陽光スペクトルにより近似させることができるようにするには、連続電流で駆動した場合にその駆動電流値の違いに応じてＬＥＤの発光スペクトル特性が変化することを利用し、一又は複数のＬＥＤにおける駆動電流値を適宣設定することにより、前記各ＬＥＤから射出された光の合成スペクトルが太陽光スペクトルに近似したものとなるように構成しているものが好ましい。
またその場合に、各ＬＥＤの発光強度は、電流をＰＷＭ方式で与え、そのＤＵＴＹ比によって設定すればよい。つまり、各ＬＥＤの発光強度は駆動電流のＤＵＴＹ比で設定しておく一方、発光スペクトル特性はＰＷＭ駆動したときのＨＩ電流値、すなわちピーク電流値を適宣設定することにより所望の特性に設定すればよい。
図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、同種のＬＥＤでも駆動電流値を変えることによりピーク波長を１０ｎｍ程度の幅で変化させることができ、前記波長の不連続性を有効に解消することができるからである。なお、図６（ｂ）、図７（ｂ）はＰＷＭ駆動した場合のピーク波長を示している。ＰＷＭ駆動の場合、ピーク電流値を変えない限り、前記連続電流と同様に平均電流を変化させても発光ピーク波長に変動はみられない。
【００１２】
もちろん、同種類であるとして市販されているＬＥＤでも、実際にはピーク波長にある程度ばらつきがあるところ、例えばそれらを厳密にセレクトしてピーク波長が接近する多種のＬＥＤとして用いてもよいし、それら各種ＬＥＤについて前記連続電流値も含めた設定を行えば、合成スペクトルを太陽光スペクトルにさらに近似させることができる。
【００１３】
各ＬＥＤに対する発光強度や連続駆動電流値の設定は、予め行っておいてもよいし、動的に制御するようにしてもよい。特に実際の太陽光では、その光スペクトルや強度が１日あるいは１年をサイクルとして経時的かつ周期変化するところ、例えば植物育成においては、前記自然太陽光を擬するような経時変化を伴う擬似太陽光を創出することが望ましい。これを実現する具体的実施態様としては、前記合成スペクトルを制御するための合成スペクトル制御部を更に備え、その合成スペクトル制御部によって、前記合成スペクトルを経時変化させ、基準となる太陽光スペクトルの経時変化と近似するように構成しているものを挙げることができる。また、合成スペクトル制御部による具体的制御態様としては、電流をＰＷＭ方式で与え、そのＤＵＴＹ比を自動制御して各ＬＥＤの発光強度を制御する一方、各ＬＥＤの発光スペクトル特性を、ＰＷＭ駆動したときのＨＩ電流値、すなわちピーク電流値を自動制御するようにしておくことが考えられる。
【００１４】
各ＬＥＤから射出される光を均等に混ざり合わせて合成スペクトルの照射場所による偏りを防止するには、前記各ＬＥＤから射出される光を混合する光混合部を更に備えたものが望ましい。
一方、本発明の場合、多品種かつ多数のＬＥＤが必要となり、ＬＥＤの敷設面積が大きいものとなる。したがってこれら各ＬＥＤからでた光をよりむらなく効果的に混合するためには、前記各ＬＥＤから射出される光を所定面積に集光する光集光部をさらに備え、前記光混合部がその集光された光を混合するものであることが好ましい。
具体的には、前記光集光部が、１又は複数のＬＥＤから射出された光を導入する光ファイバを複数備え、それら光ファイバの光導出端部を束ねることによって集光作用を営むようにしたものであり、前記光混合部が、その光導出端に連続又は略連続して設けられたロッドレンズを利用してなるものを挙げることができる。
【００１５】
前記太陽光の照射角度が経時的に変化することをも考慮に入れれば、前記各ＬＥＤから射出される光の射出角度を変更可能に構成しているものが好ましい。
植物育成のみならず、絵画や印刷物の鑑賞あるいは製作時において、自然太陽光下における明るさの強弱でどのように見えるかなど、本発明の適用可能性をより拡大できるようにするには、前記合成スペクトルを変化させることなく、前記各ＬＥＤから射出される光の強度のみを変更可能に構成しているものが好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施形態に係る擬似太陽光照射装置１は、図１、図２、図３に示すように光源部２１及びケーシング２２とからなる本体２と、前記光源部２１に電力を供給する電源部３とを備えてなるもので、例えば、植物育成の基準となる環境を創出するために用いられるものである。
【００１８】
各部を詳述すると、光源部２１は、プリント基板２３と、そのプリント基板２３上に配設した複数のＬＥＤ２４と、光混合部２５とを備えてなる。プリント基板２３は矩形板状をなすものであるが、もちろん多角形板や円盤状等他の形状でも構わない。基板２３上に敷き詰められるＬＥＤ２４には、ピーク波長の異なる複数種類のもの（約３０種類）を用いており、各種類ごとにＬＥＤ２４を１又は複数用意し、種類ごとのＬＥＤ２４の構成比率を予め定めた所定のものとなるようにしている。ＬＥＤ２４の配置部位は、種類ごとに集合させて区分けしてもよいが、本実施形態では、これらＬＥＤ２４から射出される光の合成スペクトルの位置による偏りを極力排除すべく、各種ＬＥＤ２４がなるべく均等に全体に配置されるようにしている。光混合部２５は、前記プリント基板２３と略同一の輪郭形状をなす矩形板状の半透明又は透明のもので、ＬＥＤ２４の光射出端側に配設してある。
【００１９】
ケーシング２２は、前記光源部２１を保持するものである。このケーシング２２には例えば前記光源部２１で発生する熱を放射するための図示しない放熱部材が設けてある。
【００２０】
電源部３は、図１、図８に示すように、各ＬＥＤ２４に所定の態様でそれぞれ電力を供給し、その電力供給態様により、光源部２１から射出される光の合成スペクトルを基準となる自然太陽光の光スペクトルに近似させるものである。このものは、各ＬＥＤ２４の発光強度を設定している発光強度設定部３２と、各ＬＥＤ２４のピーク波長を設定しているピーク波長設定部３１と、出力部３３とを備えている。
【００２１】
発光強度設定部３２は、各ＬＥＤ２４をＰＷＭ駆動するとともにそのＤＵＴＹ比を設定することによりその発光強度を定めているものである。
ピーク波長設定部３１は、図６、図７の実験結果に示すように、ＬＥＤ２４における発光スペクトルのピーク波長が、付与するピーク電流値に応じて１０ｎｍ前後変動するという現象を利用したもので、前記ＤＵＴＹ駆動されているＬＥＤ２４のピーク電流値、すなわちＨＩ電流値を、それぞれ所定の値に設定することにより、同種のＬＥＤ２４であっても必要に応じてそれらの光スペクトル特性がそれぞれ若干異なるように定めているものである。このように、このピーク波長設定部３１で設定される電流値は、ＬＥＤ２４の発光強度を設定する一般的な目的とは全く異なるものである。
【００２２】
出力部３３は、前記ピーク波長設定部３１で定められた各ＨＩ電流値及び発光強度設定部３２で定められた各ＤＵＴＹ比に基づいて、各ＬＥＤ２４に対しそれぞれ固有の態様で電力を出力するものである。
【００２３】
そして、各種ＬＥＤ２４の構成比率、各ＬＥＤ２４に与えられる電流のＤＵＴＹ比、及びそのＨＩ電流値を予め適宣設定することにより、前記合成スペクトルが基準となる太陽光スペクトルに近似したものとなるようにしている。
【００２４】
このように構成した本実施形態に係る擬似太陽光照射装置１によれば、ＬＥＤ２４を発光源として用いているため、発熱量が小さくコンパクト化も可能である。
【００２５】
また、ピーク電流値の違いに応じてＬＥＤの発光スペクトル特性が変化することを利用し、一又は複数のＬＥＤにおける駆動ピーク電流値を適宣設定しているため、各種ＬＥＤ２４の基本となるピーク波長が不連続な飛び飛びのものであっても、その間のピーク波長を埋めて前記合成スペクトルの波長に対する連続性をより高め、太陽光スペクトルに非常に近似した合成スペクトルを無理なく創出できる。
なお、図５は、ピーク電流値の設定を行わず、各ＬＥＤの発光強度及び構成比率を設定しただけの場合の合成スペクトルを示している。前記ピーク電流値の設定を行えば、これがさらになめらかで、基準となる太陽光スペクトルに近似したものとなる。
【００２６】
さらに、各種ＬＥＤ２４をなるべく均等に全体に配置していることに加え、光混合部２５をＬＥＤ２４の光射出端側に配設しているので、この光源部２１から射出される光の合成スペクトルの位置による偏りを可及的に防止することができる。
【００２７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、各ＬＥＤに対する駆動ＤＵＴＹ比やピーク電流値を外部操作によって段階的に変え得るように構成しても構わない。
具体的には、例えばスイッチ等の操作により、前記合成スペクトルが、時間、季節、地域等の違いに応じて複数設定された基準となる太陽光スペクトルにそれぞれ近似したものとなるように段階的に設定できるようにしてもよい。
【００２８】
また、図９に示すように、前記光源部２１から照射された光の合成スペクトルを検出する光スペクトル検出部４と、基準となる太陽光スペクトルを予めデータとして記憶している記憶部５と、前記光スペクトル検出部４から検出された合成スペクトルを前記記憶部５に記憶してある太陽光スペクトルに近づけるようにピーク波長設定部３１及び発光強度設定部３２の制御を介して、前記各ＬＥＤ２４に対する駆動ピーク電流値やＤＵＴＹ比を自動フィードバック制御する合成スペクトル制御部６とを更に設けるようにしても構わない。このようにすれば、この合成スペクトル制御部６によって、ＬＥＤ２４の経年変化等に拘わらず合成スペクトルを安定に保つことが可能となる。
【００２９】
さらに、その場合、前記記憶部５に記憶させてある基準となる太陽光スペクトルデータを、時間をパラメータとして変更するようにしても構わない。すなわち、実際の自然太陽光のスペクトルは、１日における時間や季節、場所に応じて変動するところ、それに擬するように基準太陽光スペクトルを経時的に変化させれば、それに追随して前記合成スペクトルも動的に変化するため、自然環境により近い環境を人工的に創出することができる。そしてこのことにより、例えば植物育成において、より好適な比較ための基準環境を提供できることとなる。
【００３０】
加えて、光源部から射出される光の射出角度を変更可能に構成しても構わない。具体的には前記本体の角度を変更可能に支持する本体支持部（図示しない）を設けるとともに、太陽光が朝昼夕で徐々に角度を変えるように、時間に応じて本体支持角度を変更する支持角度制御部（図示しない）を設けたものが好ましい。
また、前記各ＬＥＤから射出される光を所定面積に集光する光集光部をさらに設け、集光した光を光混合部で混合するようにしてもよい。なお、以下の説明中前記実施形態に対応する部材については同一の符号を付することとする。
具体的には、図１０に示すように、集光部７を、１又は複数のＬＥＤ２４から射出された光を導入する光ファイバ７１を複数備え、それら光ファイバ７１の光導出端部を束ねてなるものとし、その光導出端７１ａに連続又は略連続して前記光混合部２５を設けておくことが考えられる。光混合部２５は、一端面から導入された光を側面から逃がすことなく、内部で反射混合させて他端面から射出する円柱状のロッドレンズとしている。もちろん、集光部は、レンズを利用したものでも構わないし、光混合部はロッドレンズ以外の他の態様も考えられる。
本装置の場合、多品種かつ多数のＬＥＤが必要で光源部の面積がかなり大きなものとなるため、直接各ＬＥＤからでた光を混合するよりも、一旦集光した光を混合させた方が、よりむらのない光を得ることができるからである。
さらに、植物育成のみならず、絵画や印刷物の鑑賞や製作において自然太陽光下における明るさの強弱でどのように見えるかなど、本発明の適用可能性をより拡大できるようにするには、前記合成スペクトルを変化させることなく、前記各ＬＥＤから射出される光の強度のみを変更可能に構成しているものが好適である。具体的には、各ＬＥＤの発光強度の比率を一様に上下動させるように構成しておけばよい。
【００３１】
その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、ＬＥＤを発光源として用いているため、発熱量が小さくコンパクト化も可能である上、各ＬＥＤに対する発光強度等の制御を行えば、自然太陽光スペクトルのように、１日における時間や季節、場所に応じて変動する合成スペクトルを実現することができる。その結果、自然環境により近い環境を人工的に創出することができ、例えば植物育成において、より好適な比較ための基準環境を提供できたり、例えば絵画、美術品、工芸品の鑑賞や製作等においては、自然光に近いより好適な照明を行うことができるなど、従来の擬似太陽光照射装置では適用できない種々の利用態様が可能となる。
【００３３】
さらに、本発明によれば、例えば太陽光に対し、特定の波長帯域のみが増減されたような合成スペクトルを有する光をも容易に作り出すことができるため、例えば植物育成において、従来のように所定波長帯域の光を植物に照射するというアプローチではなく、太陽光から任意の波長帯域を増減させた光を植物に照射するという異なったアプローチでの効果も確かめることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における擬似太陽光照射装置の全体正面図。
【図２】同実施形態における本体の一部破断させた正面図。
【図３】同実施形態における本体の底面図。
【図４】同実施形態における基準とする太陽光スペクトル波形図。
【図５】同実施形態における発光強度制御のみ行った場合の合成スペクトル波形図。
【図６】基本ピーク波長４７２ｎｍのＬＥＤを連続電流で駆動した場合（ａ）とＰＷＭ駆動した場合（ｂ）のピーク波長の変化を示す波長変化図。
【図７】基本ピーク波長５２４ｎｍのＬＥＤを連続電流で駆動した場合（ａ）とＰＷＭ駆動した場合（ｂ）のピーク波長の変化を示す波長変化図。
【図８】同実施形態における電源部の機能ブロック図。
【図９】本発明の他の実施形態における電源部の機能ブロック図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態における光源部を示す模式図。
【符号の説明】
１・・・擬似太陽光照射装置。
２４・・・ＬＥＤ
２５・・・光混合部
６・・・合成スペクトル制御部

Claims (12)

1. 異なる発光スペクトル特性を有した複数種類のＬＥＤを備えてなり、それら各種ＬＥＤの組み合わせ構成比率又は／及びそれらの発光強度を適宣設定し、前記各ＬＥＤから射出される光の合成スペクトルが、基準となる太陽光スペクトルに近似したものとなるように構成している擬似太陽光照射装置。
2. 前記基準となる太陽光スペクトルを、時間、季節、地域等の違いに応じて複数設けておき、前記合成スペクトルをそれら複数の基準太陽光スペクトルにそれぞれ近似したものとなるように段階的に設定できるようにしている請求項１記載の擬似太陽光照射装置。
3. 連続電流で駆動した場合にその駆動電流値の違いに応じてＬＥＤの発光スペクトル特性が変化することを利用し、１又は複数のＬＥＤにおける駆動電流値を適宣設定することにより、当該ＬＥＤの発光スペクトル特性を所望の特性に設定し、前記各ＬＥＤから射出された光の合成スペクトルが太陽光スペクトルに近似したものとなるように構成している請求項１又は２記載の擬似太陽光照射装置。
4. 電流をＰＷＭ方式で与え、そのＤＵＴＹ比によって各ＬＥＤの発光強度を設定するとともに、付与するピーク電流値の違いに応じてＬＥＤの発光スペクトル特性が変化することを利用して、当該ピーク電流値を適宣設定することによりＬＥＤの発光スペクトル特性を所望の特性に設定し、前記各ＬＥＤから射出された光の合成スペクトルが太陽光スペクトルに近似したものとなるように構成している請求項１又は２記載の擬似太陽光照射装置。
5. 前記合成スペクトルを制御するための合成スペクトル制御部を備え、その合成スペクトル制御部によって、前記合成スペクトルを経時変化させ、基準となる太陽光スペクトルの経時変化と近似するように構成している請求項１、２、３又は４記載の擬似太陽光照射装置。
6. 前記合成スペクトル制御部が、各ＬＥＤの発光強度を調整することにより合成スペクトルを制御するものである請求項５記載の擬似太陽光照射装置。
7. 前記合成スペクトル制御部が、各ＬＥＤの発光スペクトル特性を変化させることで合成スペクトルを制御するものである請求項５又は６記載の擬似太陽光照射装置。
8. 前記各ＬＥＤから射出される光を混合する光混合部を更に備えた請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の擬似太陽光照射装置。
9. 前記各ＬＥＤから射出される光を所定面積に集光する光集光部をさらに備え、前記光混合部がその集光された光を混合するものである請求項８記載の擬似太陽光照射装置。
10. 前記光集光部が、１又は複数のＬＥＤから射出された光を導入する光ファイバを複数備え、それら光ファイバの光導出端部を束ねることによって集光作用を営むようにしたものであり、前記光混合部が、前記光導出端に連続又は略連続して設けられたロッドレンズを利用してなるものである請求項９記載の擬似太陽光照射装置。
11. 前記各ＬＥＤから射出される光の射出角度を変更可能に構成している請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の擬似太陽光照射装置。
12. 前記合成スペクトルを変化させることなく、前記各ＬＥＤから射出される光の強度のみを変更可能に構成している請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載の擬似太陽光照射装置。

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