JP2004166511A - 擬似太陽光照射装置 - Google Patents
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Abstract
【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
【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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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