JP2018130101A - 植物栽培用の照明ユニット、および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】植え付け領域内の各植物に対して均一な光量を照射することで収穫時の植物の品質を高めるとともに、生産性を高めることができる栽培環境を実現する植物栽培用の照明ユニット、および照明装置を提供することを目的とする。【解決手段】照明ユニット２は基板３上に同一発光色のＬＥＤ素子を１群とするＬＥＤ素子群を有し、行方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、同一発光色の中心軸から植え付け領域Ｒまでの垂直距離をＨと規定したときに、ａ、およびｂのそれぞれが２Ｈｔａｎθ以内に設定されている。これにより、植え付け領域Ｒ内に植え付けられた全ての植物Ｐが各発光色のＬＥＤ素子４の半値照射範囲に入り、各植物Ｐの育成が均一なものとすることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、植物栽培用の照明ユニット、および照明装置に関する。詳しくは、植え付け領域内の各植物に対して均一な光量を照射することで収穫時の植物の品質を高めるとともに、生産性を高めることができる栽培環境を実現する植物栽培用の照明ユニット、および照明装置に係るものである。

近年、食に対する消費者の安全志向および健康志向の高まりとともに、常に病原菌や害虫の侵入に晒される開放型の露地栽培に代わって、太陽光によらずに蛍光ランプや高圧ナトリウムランプといった人工光源を利用して植物を栽培する技術が注目を浴びており、植物栽培工場の数も増加している。

一般に植物の栽培においては、４００〜７００ｎｍの可視光域の光が必要とされており、光合成のピークは４５０ｎｍ付近と６６０ｎｍ付近にあると考えられている。ところが、人工光源として、従来から使用されている蛍光ランプや高圧ナトリウムランプなどの照明器具は、植物の育成に最も有効である４５０ｎｍ付近、および６６０ｎｍ付近の波長が欠けているという欠点がある。また、人工光源として蛍光ランプや高圧ナトリウムランプを使用する場合には、各植物が必要とする光強度を確保するには、多くの電気量が必要となり、消費電力の多さが問題となっている。

そこで、近年においては、蛍光ランプや高圧ナトリウムランプに代わる人工光源としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた植物栽培工場が提案されている（特許文献１）。

即ち、ＬＥＤは、任意の波長にピークを持つ光源を作り出すことが比較的容易であるため、例えば赤色光（波長領域が６００〜７００ｎｍ）を発光する赤色ＬＥＤと青色光（波長領域が約４００〜５００ｎｍ）を発光する青色ＬＥＤを所定の割合で組み合わせ、植物の育成に有効な波長の光を所定の割合で発光させることが可能となる。

このように、青色光と赤色光を使用することにより、植物の育成に必要な光合成を促進し、葉の正常な形態形成に寄与することができるものとなっている。その他、必要に応じて緑色光（波長領域が約５００〜６００ｎｍ）を照射することで植物の病害抵抗性を高めることができるとともに、遠赤色（波長領域が約７００〜８００ｎｍ）を照射することで、赤色光と協調して光合成の中心的役割を担うクロロフィルの吸収率を高めることができるものとなっている。

特開平０８−１０３１６７号公報

前記した通り、特許文献１に開示された植物栽培用の照明装置を使用することにより、植物成長サイクルのために必要とされる時間を減らして、効率的な植物の収穫を実現することができる。

一方で、太陽光を利用した露地栽培であれば、植え付け領域内に植え付けられた全ての植物に対して均等に太陽光が照射されるが、特許文献１に開示の植物栽培用の照明装置においては、照明装置のレイアウト上の制約等により、植え付け領域の特定の場所によっては、照射される光量が不均一なものとなる。このことにより、各植物の育成状況に差が生じてしまい、収穫品質にバラつきが生じ、収穫効率が低下するおそれがあるとともに、製品としての植物の外見や単価に影響が及ぶことになる。

この点、照明装置の光源として使用するＬＥＤの数を増やすことにより、植え付け領域内に植え付けられた植物に対して均一で、かつ過不足のない光量を照射させることができるため、照度不足による収穫品質のバラつきを抑えることが可能となるとも考えられる。

しかしながら、ＬＥＤを使用した照明装置は蛍光灯などに比べると照明装置の単価が高くなるとともに、ＬＥＤを多く使用することによりＬＥＤからの発熱量が増えてしまい、ファンなどを使用して排熱を行うことが必要となり、照明装置を稼働するに際してのランニングコストが高くなるという問題を有している。

一方で、蛍光灯などと同程度の設備コストとなるようにＬＥＤを配列すると、ＬＥＤの数が少なくなりすぎてしまい、植え付け領域内に植え付けた全ての植物に対して充分な光量を確保することができなくなってしまう。

そのため、生産コストを低減するという観点からも、必要最小限の光源により、植え付け領域内に植え付けられた各植物にとって必要充分となる光量を確保することができる植物栽培用の照明装置の開発が求められている。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、植え付け領域内の各植物に対して均一な光量を照射することで収穫時の植物の品質を高めるとともに、生産性を高めることができる栽培環境を実現する植物栽培用の照明ユニット、および照明装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の植物栽培用の照明ユニットは、基板にマトリクス状に配列された同一発光色のＬＥＤ素子を１群とするＬＥＤ素子群を有し、行方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、前記同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、前記同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、ａ≦２Ｈｔａｎθ、ｂ≦２Ｈｔａｎθとなる範囲に設定されている。

ここで、基板上にＬＥＤ素子がマトリクス状に配列されていることにより、ＬＥＤ素子から照射される照射光を、所定の植え付け領域内に植え付けられている植物の全体にわたって照射することができる。

また、同一発光色を発する複数のＬＥＤ素子がマトリクス状に配列されていることにより、例えば植物の育成に必要な発光色（青、赤、緑など）を適宜選択して、植物に対して照射することができる。

また、行方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、ａ≦２Ｈｔａｎθ、ｂ≦２Ｈｔａｎθとなる範囲に設定されていることにより、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内において均一なものとなる。従って、各植物の育成に必要な光量を植え付け領域内に均一に照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、基板が、長さがＡの一対の平行な一辺と、長さがＢの一対の平行な他辺からなる方形状から構成されている場合には、ＬＥＤ素子を一辺、および他辺に沿って配列することができるため、ＬＥＤ素子の配列が容易なものとなる。さらに、複数の照明ユニットを並設して１つの照明装置として使用する場合においても、隣り合う基板同士に隙間が生じることなく各照明ユニットを配置することができるため、省スペース内おいても多くの照明ユニットを効率的に配置することができる。

また、同一発光色のＬＥＤ素子からなるＬＥＤ素子群が、基板の一辺と平行な行方向に沿ってｍ個（ｍは２以上の整数）、行方向に直交して他辺と平行な列方向に沿ってｎ個（ｎは２以上の整数）のｍ×ｎ個のマトリクス状に配列されている場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される照射光を、植え付け領域内に植え付けられている植物の全体にわたって照射することができる。

また、行方向に配列された各同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔がＡ／ｍの等間隔である場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内の一辺方向に沿って均一なものとなる。従って、各植物に対して均一な光量を照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、基板の他辺からＡ／２ｍ離間した位置から同一発光色のＬＥＤ素子が行方向に沿って等間隔で配列されていることにより、例えば、複数の基板の他辺同士を接合して連接する場合においても、一辺方向に隣り合う基板に配列された行方向の同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔を常にＡ／ｍの一定間隔とすることができるため、光量のムラを生じることなく、各植物の成長品質を一定に保ち、生産性を高めることができる。

また、列方向に配列された各同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔がＢ／ｎの等間隔である場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内の他辺方向に沿って均一なものとなる。従って、各植物に対して均一な光量を照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、基板の一辺からＢ／２ｎ離間した位置から同一発光色のＬＥＤ素子が列方向に沿って等間隔で配列されていることにより、例えば、複数の基板の一辺同士を接合して連接する場合においても、他辺方向に隣り合う基板に配列された列方向の同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔を常にＢ／ｎの一定間隔とすることができるため、光量のムラを生じることなく、各植物の成長品質を一定に保ち、生産性を高めることができる。

また、ＬＥＤ素子群が、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第１発光色のＬＥＤ素子を１群とする第１のＬＥＤ素子群と、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第２発光色のＬＥＤ素子を１群とする第２のＬＥＤ素子群と、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第３発光色のＬＥＤ素子を１群とする第３のＬＥＤ素子群とを有し、複数の行のそれぞれには、同じ発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列され、複数の列のそれぞれには、異なる発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列されている場合には、植物の育成に必要な複数色の光を、均一の光量で一度に各植物に照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、ＬＥＤ素子群が、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第１発光色のＬＥＤ素子を１群とする第１のＬＥＤ素子群と、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第２発光色のＬＥＤ素子を１群とする第２のＬＥＤ素子群と、複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第３発光色のＬＥＤ素子を１群とする第３のＬＥＤ素子群とを有し、複数の行のそれぞれには、異なる発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列され、複数の列のそれぞれには、同じ発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列されている場合には、植物の育成に必要な複数色の光を、均一の光量で一度に各植物に照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、第１発光色のＬＥＤ素子として、波長領域が４００〜５００ｎｍの青色光を発する青色ＬＥＤ素子を有する場合には、４００〜５００ｎｍの波長領域に含まれる青色光は、一般的に光合成に寄与するとともに、植物の実や葉を大きく形成する効果があるため、植物の成長を効果的に促進することができる。

また、第２発光色のＬＥＤ素子として、波長領域が５００〜６００ｎｍの緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子を有する場合には、５００〜６００ｎｍの波長領域に含まれる緑色光により、機能性成分（ビタミンＣやポリフェノール等）を増加させるとともに、植物の病害抵抗性を高め、さらには他の発光色（赤、青）と併せて使用することにより、植物１株をバランスよく大きく育成することができる。

また、第３発光色のＬＥＤ素子として、波長領域が６００〜７００ｎｍの赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子を有する場合には、６００〜７００ｎｍの波長領域に含まれる赤色光は、一般的に最も光合成に利用されやすいため、植物の成長を効果的に促進することができる。

また、照明ユニットの照射光の均斉度が０．７以上であるある場合には、各植物の育成に必要な光量を均一に照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

前記の目的を達成するために、本発明の植物育成用の照明装置は、基板にマトリクス状に配列された同一発光色のＬＥＤ素子を１群とするＬＥＤ素子群を有し、行方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、前記同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、前記同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、ａ≦２Ｈｔａｎθ、ｂ≦２Ｈｔａｎθとなる範囲に設定されている照明ユニットが平面的に連続して配置されている。

ここで、基板上にＬＥＤ素子がマトリクス状に配列されていることにより、ＬＥＤ素子から照射される照射光を、植え付け領域内の各植物の全体にわたって照射することができる。

また、同一発光色を発する複数のＬＥＤ素子がマトリクス状に配列されていることにより、例えば植物の育成に必要な発光色（青、赤、緑など）を選択して、各植物の全体にわたって照射することができる。

また、行方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、ａ≦２Ｈｔａｎθ、ｂ≦２Ｈｔａｎθとなる範囲に設定されていることにより、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内において均一なものとなる。従って、各植物の育成に必要な光量を均一に照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、複数の照明ユニットが平面的に連続的に配置されていることにより、植物の植え付け領域の範囲が広い場合でも、植え付け領域の全体にわたり植物の育成を均一に保つことができる。

また、基板が、長さがＡの一対の平行な一辺と、長さがＢの一対の平行な他辺からなる方形状から構成されている場合には、複数の照明ユニットを平面的に連続して配置する場合においても、隣り合う基板同士に隙間が生じることなく各照明ユニットを配置することができるため、省スペース内おいても多くの照明ユニットを効率的に配置して照明装置を構成することができる。

また、ＬＥＤ素子群が、基板の一辺と平行な行方向に沿ってｍ個（ｍは２以上の整数）、行方向に直交して他辺と平行な列方向に沿ってｎ個（ｎは２以上の整数）のｍ×ｎ個の同一発光色のＬＥＤ素子がマトリクス状に配列されている場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される照射光を、植え付け領域内に植え付けられている植物の全体にわたって照射することができる。

また、行方向に配列された各同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔がＡ／ｍの等間隔である場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内の一辺方向に沿って均一なものとなる。従って、各植物に対して均一な光量を照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、基板の他辺からＡ／２ｍ離間した位置から同一発光色のＬＥＤ素子が行方向に沿って等間隔で配列されていることにより、照明装置を構成するに際して、複数の基板の他辺同士を互いに接合して連接する場合においても、一辺方向に隣り合う基板に配列された行方向の同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔を照明装置全体において、常にＡ／ｍの一定間隔とすることができるため、光量のムラを生じることなく、各植物の成長品質を一定に保ち、生産性を高めることができる。

また、列方向に配列された各同一発光色のＬＥＤ素子の配列間隔がＢ／ｎの等間隔である場合には、各同一発光色のＬＥＤ素子から照射される光量が、植え付け領域内の他辺方向に沿って均一なものとなる。従って、各植物に対して均一な光量を照射することができるため、各植物の成長品質が一定に保たれ、生産性を高めることができる。

また、基板の一辺からＢ／２ｎ離間した位置から同一発光色のＬＥＤ素子が列方向に沿って等間隔で配列されていることにより、照明装置を構成するに際して、複数の基板の一辺同士を互いに接合して連接する場合においても、他辺方向に隣り合う基板に配列された列方向のＬＥＤ素子の配列間隔を照明装置全体において、常にＢ／ｎの一定間隔とすることができるため、光量のムラを生じることなく、各植物の成長品質を一定に保ち、生産性を高めることができる。

本発明に係る植物栽培用の照明ユニット、および照明装置は、植え付け領域内の各植物に対して均一な光量を照射することで収穫時の植物の品質を高めるとともに、生産性を高めることができる栽培環境を実現するものとなっている。

本発明の実施形態に係る照明ユニットの平面図である。 図１に示す照明ユニットにおいて、（ａ）赤色ＬＥＤ素子の配列を示す図、（ｂ）緑色ＬＥＤ素子の配列を示す図、（ｃ）青色ＬＥＤ素子の配列を示す図、（ｄ）遠赤色ＬＥＤ素子の配列を示す図である。 図２（ａ）において赤色ＬＥＤ素子の配列を示す模式図である。 各色のＬＥＤ素子を配列した照明ユニットを連接した照明装置の使用状態を示す図であり、（ａ）は各ＬＥＤ素子の設置間隔を２Ｈｔａｎθとした配光、（ｂ）は同Ｈｔａｎθとした配光、（ｃ）は同３Ｈｔａｎθの配光の模式図をそれぞれ示す。 各ＬＥＤ素子の設置間隔と相対光強度の関係を示し、（ａ）は２Ｈｔａｎθ、（ｂ）はＨｔａｎθ、（ｃ）は３Ｈｔａｎθとした場合のグラフを示す。 所定の植え付け領域内における各色のＬＥＤ素子の光量子束密度分布を示し、（ａ）は青色ＬＥＤ素子、（ｂ）は緑色ＬＥＤ素子、（ｃ）は赤色ＬＥＤ素子、（ｄ）は遠赤色ＬＥＤ素子のグラフを示す。

以下、植物栽培用の照明ユニット、および照明装置の本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において説明の便宜上、照明ユニット２（照明装置１）の長手方向を行方向、短手方向を列方向、照明ユニット２（照明装置１）を施設内に設置した状態において、植物を植え付けた植え付け領域Ｒから上部に向かう方向を上方向、上方向の反対方向を下方向、上方向および下方向により表される軸方向を鉛直方向、鉛直方向と垂直な軸方向を水平方向とそれぞれ定義する。

まず、図１を用いて、照明ユニット２の基本的な構成について説明する。照明ユニット２は、平板状で、長手方向に約９００ｍｍ、短手方向に約６００ｍｍの長方形をした基板３を有しており、基板３にはＬＥＤ素子４がマトリクス状に配列されている。

ここで、必ずしも、基板３は長方形である必要はない。例えば全ての辺の長さが一定の正方形であってもよく、また、円形に形成されていてもよい。ただし円形に形成されている場合には、基板３を平面的に連接する場合には、隣接する基板３間に隙間が生じるため、スペースの有効活用という観点からは、基板３は長方形、または正方形等の方形状であることが好ましい。

ＬＥＤ素子４は、基本的には植物の育成に必要となる発光色、即ち波長領域が４００〜５００ｎｍの青色ＬＥＤ素子４１１、同５００〜６００ｎｍの緑色ＬＥＤ素子４２１、同６００〜７００ｎｍの赤色ＬＥＤ素子４３１、同７００〜８００ｎｍの遠赤色ＬＥＤ素子４４１が、発光色ごとに後述する通り一定間隔でマトリクス状に配列されている。

ここで、必ずしも、ＬＥＤ素子４として、青色ＬＥＤ素子４１１、緑色ＬＥＤ素子４２１、赤色ＬＥＤ素子４３１、遠赤色ＬＥＤ素子４４１の４色全てを配列する必要はない。何れかの発光色からなるＬＥＤ素子４を適宜選択して配列することができる。ただし、植物の安定的な成長のためには、少なくとも青色ＬＥＤ素子４１１、緑色ＬＥＤ素子４２１、赤色ＬＥＤ素子４３１を含むことが好ましい。さらに、遠赤色は植物の発芽、開花などの成長に寄与することが知られているため、このような観点から遠赤色ＬＥＤ素子４４１を配列してもよい。

図２は、各発光色のＬＥＤ素子４のそれぞれの配列状態を示す図である。まず、図２（ａ）に示すように、青色ＬＥＤ素子４１１は行方向に６個、列方向に２個の計１２個の各青色ＬＥＤ素子４１１が等間隔でマトリクス状に配列され、青色ＬＥＤ素子群４１を構成する。

また、図２（ｂ）に示すように、緑色ＬＥＤ素子４２１は行方向に６個、列方向に４個の計２４個の各緑色ＬＥＤ素子４２１が等間隔でマトリクス状に配列され、緑色ＬＥＤ素子群４２を構成する。

また、図２（ｃ）に示すように、赤色ＬＥＤ素子４３１は行方向に６個、列方向に８個の計４８個の各赤色ＬＥＤ素子４３１が等間隔でマトリクス状に配列され、赤色ＬＥＤ素子群４３を構成する。

また、図２（ｄ）に示すように、遠赤色ＬＥＤ素子４４１は行方向に６個、列方向に２個の計１２個の各遠赤色ＬＥＤ素子４４１が等間隔でマトリクス状に配列され、遠赤色ＬＥＤ素子群４４を構成する。

即ち、基板３には同一発光色のＬＥＤ素子４から構成されるＬＥＤ素子群４１〜４４を構成する全９６個のＬＥＤ素子４が配列されており、その割合は青色：緑色：赤色：遠赤色が１：２：４：１となるように設定されている。

また、各発光色のＬＥＤ素子４は、基板３の行方向に沿って同一色のＬＥＤ素子４が連続して配列され、基板３の列方向に沿って青色、緑色、赤色、遠赤色の各発光色のＬＥＤ素子４が交互に隣り合うように配列されている。

ここで、必ずしも、基板３には全９６個のＬＥＤ素子４を配列する必要はない。これらは植物を植え付ける植え付け領域Ｒの面積、照明装置１を取り付ける植物工場の広さ等に応じて適宜変更することが可能である。

また、必ずしも、各発光色のＬＥＤ素子４の配色割合として、青色：緑色：赤色：遠赤色が１：２：４：１に設定される必要はない。ただし、赤色は植物の光合成を促進するうえでは必須の光であり、他の発光色よりもなるべくその割合が多いことが望まれる。一方で、青色、緑色も植物の成長には欠くことのできない色であるが、これらの配色割合が多すぎると、かえって植物の成長が抑制される場合もあることが知られている。そのため、青色：緑色：赤色：遠赤色が１：２：４：１となるような配合割合とすることが最も好ましい。

また、必ずしも、基板３の行方向に沿って同一の発光色のＬＥＤ素子４が連続して配列され、基板３の列方向に沿って異なる発光色のＬＥＤ素子４が交互に隣り合うように配列されている必要はない。例えば、基板３の列方向に沿って同一の発光色のＬＥＤ素子４が連続して配列され、基板３の行方向に沿って異なる発光色のＬＥＤ素子４が交互に隣り合うように配列されていてもよい。

さらに、行方向、および列方向にランダムに各発光色のＬＥＤ素子４が配列されていてもよい。ただし、行方向、および列方向に規則的に各発光色のＬＥＤ素子４を配列することで、植え付け領域Ｒ内に植え付けられた植物に対して、均一な混合光を照射することができるため、各植物の成長品質を均一なものとすることができる。

次に、図３を用いてこれらＬＥＤ素子４の基板３への配列方法について詳細に説明する。図３（ａ）はＬＥＤ素子４のうち発光色の代表として、赤色ＬＥＤ素子４３１の基板への配列にについて模式的に示した図である。なお、他の発光色（青色、緑色、遠赤色）についても、配列方法は同一のため、ここではその説明を省略する。

まず、基板３上には、行方向にｍ個（図では６個）、列方向にｎ個（図では８個）のｍ×ｎ個（図では４８個）の赤色ＬＥＤ素子４３１からなる赤色ＬＥＤ素子群４３が配列されている。また、基板３の長手方向の長さをＡ、短手方向の長さをＢとそれぞれ規定する。

このとき、行方向の配列間隔ａは、基板３の端部からの距離がＡ／２ｍ離間した位置から、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１がＡ／ｍの間隔となるように配列される。一方、列方向の配列間隔ｂは、基板３の端部からの距離がＢ／２ｎ離間した位置から、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１がＢ／ｎの間隔となるように配列される。

ここで、必ずしも、行方向、および列方向の赤色ＬＥＤ素子４３１の配列において、基板３の端部からの距離がＡ／２ｍ、およびＢ／２ｎ離間した位置である必要はない。ただし、基板３からの距離がＡ／２ｍ、およびＢ／２ｎ離間した位置であることにより、同じ大きさの基板３を平面的に縦方向、横方向に連接する場合においても、赤色ＬＥＤ素子４３１の連接方向の配列が常に等間隔となるため、植物に対する光量の均一性を保つことができる。

このように各発光色のＬＥＤ素子４は、基板３の行方向に沿って同一色のＬＥＤ素子４が連続して配列され、基板３の列方向に沿って青色、緑色、赤色、遠赤色の各発光色のＬＥＤ素子４が交互に隣り合うように配列されて、図１に示す照明ユニット２として構成されることになる。

そして、このように構成された照明ユニット２は、図３（ｂ）に示すように平面的に縦方向、および横方向に連接され、照明装置１として植物工場内等において使用される。

図４は、複数の照明ユニット２を植物工場内の天井部分に連接した際の光源からの配光状態を示す模式図である。ここで、各ＬＥＤ素子４の中心軸から植え付け領域Ｒまでの垂直距離をＨ、隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子４の行方向の配列間隔をａ、列方向の配列間隔をｂ、各発光色のＬＥＤ素子４の長辺方向の半値半角をθとそれぞれ規定する。なお、半値半角とは光源としてのＬＥＤ素子４の中心軸上の値の半分となる光量の角度のことである。

このとき、少なくとも同一発光色のＬＥＤ素子４の行方向の配列間隔ａ、および列方向の配列間隔ｂは以下の（１）式、および（２）式を満たすように配列される。
ａ≦２Ｈｔａｎθ・・・（１）
ｂ≦２Ｈｔａｎθ・・・（２）

図４（ａ）、および図４（ｂ）は、式（１）を満たす配列間隔となるように各発光色のＬＥＤ素子４を配列した照明ユニット２を複数連接して構成した照明装置１の配光図を示す（なお、図４においては行方向の配列状態を示す）。即ち、図４（ａ）はＬＥＤ素子４の行方向の配列間隔ａを２Ｈｔａｎθとした場合の配光図、図４（ｂ）はＬＥＤ素子４の行方向の配列間隔ａをＨｔａｎθとした場合の配光図をそれぞれ示す。

図４（ａ）、および図４（ｂ）に示すように、（１）式、および（２）式を満たすようにＬＥＤ素子４を基板３の行列方向に配列することで、植え付け領域Ｒ内に植え付けられた植物Ｐの全てがＬＥＤ素子４の半値照射範囲に入り、その光量についても均一なものとなる。

一方で、図４（ｃ）に示すように、（１）式、および（２）式を満たさないＬＥＤ素子４の配列とした場合、即ち、隣り合う同一発光色のＬＥＤ素子４の配列間隔を２Ｈｔａｎθよりも広くした場合（図４（ｃ）は３Ｈｔａｎθとした場合の配光図）には、植え付け領域Ｒ内に植え付けられた植物Ｐの一部がＬＥＤ素子４の半値照射範囲から外れることにより、この部分に植え付けられている植物ＰがＬＥＤ素子４による照射を受けられず、植物の成長が不均一なものとなる。

即ち、同一発光色のＬＥＤ素子４を基板３の行方向、および列方向に等間隔で配列するとともに、その配列間隔を２Ｈｔａｎθ以内とすることで、均等な光量を各ＬＥＤ素子４から植え付け領域Ｒ内の植物Ｐの全体にわたって照射することが可能となる。

図５は、代表的な発光色としての赤色ＬＥＤ素子４３１について、基板３における配列間隔ａ、および配列間隔ｂの間隔を変化させた場合における、各赤色ＬＥＤ素子４３１の相対距離と相対光強度の関係を示したグラフである（図５において縦軸が相対光強度、横軸が隣接する各赤色ＬＥＤ素子４３１同士の相対距離を示す）。

図５（ａ）は、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の配列間隔を２Ｈｔａｎθとした場合のグラフである。図５（ａ）に示す通り、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の直下の光強度がもっとも高くなるが、その周辺範囲においても、配列間隔ａ、および配列間隔ｂを２Ｈｔａｎθとすることで、隣り合う各赤色ＬＥＤ素子４３１からの半値照射により、赤色ＬＥＤ素子４３１の直下だけでなく、その周辺領域においても、一定の光強度が保たれており、植物栽培に必要とされる均斉度である０．７を上回る均斉度（０．８２）を確保することができる。

また、図５（ｂ）は、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の配列間隔をＨｔａｎθとした場合のグラフである。図５（ｂ）に示す通り、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の配列間隔をさらに狭め、Ｈｔａｎθとすることで、相対光強度は植え付け領域Ｒにおいてほぼ均一なものとなるとともに、均斉度も１に近い値（０．９４）となる。

また、図５（ｃ）は、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の配列間隔を３Ｈｔａｎθとした場合のグラフである。図５（ｃ）に示す通り、隣り合う赤色ＬＥＤ素子４３１の配列間隔を（１）式、および（２）式を満たさない範囲（３Ｈｔａｎθ）に設定すると、赤色ＬＥＤ素子４３１の直下とその周辺部分での相対光強度の差が大きなものとなり、植え付け領域Ｒにおける光強度にムラが生じ、均斉度についても基準となる０．７を大きく下回る０．４５となった。

図６は、基板３に各ＬＥＤ素子４を図１に示すような配列とした場合（同一発光色のＬＥＤ素子４の配列間隔が２Ｈｔａｎθ）の照明ユニット２における発光色ごとのＬＥＤ素子４の光量子束密度（ＰＰＦＤ）を測定した結果を示す分布図である（図６（ａ）は青色ＬＥＤ素子４１１、図６（ｂ）は緑色ＬＥＤ素子４２１、図６（ｃ）は赤色ＬＥＤ素子４３１、図６（ｄ）は遠赤色ＬＥＤ素子４４１の光量子束密度の分布図をそれぞれ示す）。なお、分布図において、縦軸、および横軸は方形状をした照明ユニット２の一辺の長さを示し、各等高線に記載された数字が光量子束密度（単位は「μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１」）を示す

図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＬＥＤ素子４を前記した式（１）、（２）を満たすように配列することで、基板３の面積に対応する植え付け領域Ｒにおける光量子束密度がほぼ均一であり、植え付け領域Ｒ内に植え付けられた植物に対して、ＬＥＤ素子４からの光量が均一に照射されていることが理解できる。

なお、このときの各色光の光量子束密度の割合は、ＬＥＤ素子４として、青色ＬＥＤ素子４１１、緑色ＬＥＤ素子４２１、および赤色ＬＥＤ素子４３１の３色の発光色を使用した場合のそれぞれの比率は、各発光色の光量子束密度の合計１００％に対して、青色：緑色光：赤色光＝１４〜１９％：１７〜２０％：５８〜７１％である。

一方、ＬＥＤ素子４として、青色ＬＥＤ素子４１１、緑色ＬＥＤ素子４２１、赤色ＬＥＤ素子４３１、および遠赤色ＬＥＤ素子４４１の４色の発光色を使用した場合のそれぞれの比率は、各発光色の光量子束密度の合計１００％に対して、青色：緑色光：赤色光：遠赤光＝１２〜１６％：１５〜１７％：５０〜６２％：１２〜１５％である。

以上、本発明に係る植物栽培用の照明ユニット、および照明装置は、植え付け領域内の各植物に対して均一な光量を照射することで収穫時の植物の品質を高めるとともに、生産性を高めることができる栽培環境を実現するものとなっている。

１ 照明装置
２ 照明ユニット
３ 基板
４ ＬＥＤ素子
４１ 青色ＬＥＤ素子群
４１１ 青色ＬＥＤ素子
４２ 緑色ＬＥＤ素子群
４２１ 緑色ＬＥＤ素子
４３ 赤色ＬＥＤ素子群
４３１ 赤色ＬＥＤ素子
４４ 遠赤色ＬＥＤ素子群
４４１ 遠赤色ＬＥＤ素子
ｃ 中心線
Ｈ 垂直距離
Ｐ 植物
Ｒ 植え付け領域
θ 半値半角

Claims (8)

1. 基板にマトリクス状に配列された同一発光色のＬＥＤ素子を１群とするＬＥＤ素子群を有し、行方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、前記同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、前記同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、
   ａ≦２Ｈｔａｎθ
   ｂ≦２Ｈｔａｎθ
   となる範囲に設定されている
   植物栽培用の照明ユニット。
2. 前記基板は、長さがＡの一対の平行な一辺と、長さがＢの一対の平行な他辺からなる方形状であり、
   前記ＬＥＤ素子群は、前記基板の一辺と平行な行方向に沿ってｍ個（ｍは２以上の整数）、行方向と直交し前記基板の一辺と平行な列方向に沿ってｎ個（ｎは１以上の整数）のｍ×ｎ個のマトリクス状であり、行方向に前記他辺よりＡ／２ｍ離間した位置からＡ／ｍ、列方向に前記一辺よりＢ／２ｎ離間した位置からＢ／ｎの等間隔で前記ＬＥＤ素子が配列される
   請求項１に記載の植物栽培用の照明ユニット。
3. 前記ＬＥＤ素子群は、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第１発光色のＬＥＤ素子を１群とする第１のＬＥＤ素子群と、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第２発光色のＬＥＤ素子を１群とする第２のＬＥＤ素子群と、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第３発光色のＬＥＤ素子を１群とする第３のＬＥＤ素子群と、を有し
   前記複数の行のそれぞれには、同じ発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列され、
   前記複数の列のそれぞれには、異なる発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列された
   請求項１または請求項２に記載の植物栽培用の照明ユニット。
4. 前記ＬＥＤ素子群は、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第１発光色のＬＥＤ素子を１群とする第１のＬＥＤ素子群と、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第２発光色のＬＥＤ素子を１群とする第２のＬＥＤ素子群と、
   複数の行、および複数の列に対応させてマトリクス状に配列された第３発光色のＬＥＤ素子を１群とする第３のＬＥＤ素子群と、を有し
   前記複数の行のそれぞれには、異なる発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列され、
   前記複数の列のそれぞれには、同じ発光色のＬＥＤ素子が隣り合うように配列された
   請求項１または請求項２に記載の植物栽培用の照明ユニット。
5. 前記第１発光色のＬＥＤ素子は、波長領域が４００〜５００ｎｍの青色光を発する青色ＬＥＤ素子であり、
   前記第２発光色のＬＥＤ素子は、波長領域が５００〜６００ｎｍの緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子であり、
   前記第３発光色のＬＥＤ素子は、波長領域が６００〜７００ｎｍの赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子である
   請求項３または請求項４に記載の植物栽培用の照明ユニット。
6. 照射光の均斉度が０．７以上である
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の植物栽培用の照明ユニット。
7. 基板にマトリクス状に配列された同一発光色のＬＥＤ素子を１群とするＬＥＤ素子群を有し、行方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をａ、列方向に隣り合う前記同一発光色のＬＥＤ素子の間隔をｂ、前記同一発光色のＬＥＤ素子の半値半角をθ、前記同一発光色のＬＥＤ素子から照射面までの垂直距離をＨとする場合に、
   ａ≦２Ｈｔａｎθ
   ｂ≦２Ｈｔａｎθ
   となる範囲に設定されている照明ユニットが平面的に連続して配置された
   植物栽培用の照明装置。
8. 前記基板は、長さがＡの一対の平行な一辺と、長さがＢの一対の平行な他辺からなる方形状であり、
   前記ＬＥＤ素子群は、前記基板の一辺と平行な行方向に沿ってｍ個（ｍは２以上の整数）、行方向と直交し前記基板の一辺と平行な列方向に沿ってｎ個（ｎは１以上の整数）のｍ×ｎ個のマトリクス状であり、行方向に前記他辺よりＡ／２ｍ離間した位置からＡ／ｍ、列方向に前記一辺よりＢ／２ｎ離間した位置からＢ／ｎの等間隔で前記同一発光色のＬＥＤ素子が配列される
   請求項７に記載の植物栽培用の照明装置。

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