JP2018505405A - 植物の生育状況決定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、クロロフィルを備えた植物の生育状態を決定する方法であって、本方法は、光強度変調成分（２０５，２０６，２０７，２０８）を含む入力光で前記植物（１０２）を照射するステップと、前記植物から発せられた光を検出するステップと、前記植物の周囲の前記入力光の静的成分であるオフセット光強度（２０４）を決定するステップ（Ｓ７０２）と、前記入力光と検出した前記光との間の位相及びゲインを決定するステップ（Ｓ７１８）と、前記入力光及び検出した前記光における予め設定された関係と、前記位相及び前記ゲインとに基づいて、植物の生育状況を決定するステップ（Ｓ７２０）とを備えている。本発明は、また対応するシステム及びコンピュータプログラム製品に関する。

Description

本発明は、クロロフィルを含む植物の生育状況を決定するための方法及びシステムに関する。

例えば、温室における人工的で、補助的な照明は、典型的には、植物の生育を刺激するための照明システムの使用に関連するものであり、該照明システムは、複数の高出力光源を備えている。異なる光スペクトルを有し、生育刺激に異なる効果を与える異なる種類の光源は、金属ハロゲン化物（ＭＨ）や、高圧ナトリウム（ＨＰＳ）を含む高強度放電（ＨＩＤ）に基づく光源といったものに含まれている場合がある。金属ハロゲンベースの照明を使用することにより、典型的には、短めに繁茂する一方、高圧ナトリウムベースの照明は、金属ハロゲンベースの照明と比較した場合、高く伸びた植物を生成する傾向がある。このように、異なる種類の光源は、植物の異なる最終的な生育をもたらす場合があり、このことは、人工照明による植物の生育を正確に制御することについての課題に反映する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の輝度を向上させるために、多くのことが進展してきた。その結果、ＬＥＤは、例えば、温室環境における人工照明にも機能するものとして、輝度が十分に高く、かつ安価なものとなり、さらには、調整可能な光スペクトル及び強度オフセットを有する照射光の可能性を提供するものとなってきた。異なる色のＬＥＤを混合し、その個々の強度を調整することにより、所望の光スペクトルを得ることが可能となる。調節可能な照明システムは、典型的には、多くの原色、例えば、赤、緑、青の３原色を備えている。生成された光の光スペクトルは、色の異なる複数のＬＥＤからの光の強度の混合比と同様に、使用されているＬＥＤの色調によって決定される。従って、照射された全体の光スペクトルが簡便に調整可能なものとなるように、ＬＥＤベースの照明システムの各ＬＥＤを個別に制御することが可能である。加えて、ＬＥＤは、高い頻度、高い波長幅でＯＮ／ＯＦＦ可能であり、好適に決定された波形及び信号を形成する可能性を提供する。しかも、ＬＥＤを使用することにより、現代の環境動向に優れて適合する要件であるところのエネルギの消費を低減することが可能となる。加えて、ＬＥＤベースの照明システムを使用することにより、光源由来の発熱量を最小化することが可能となり、温度制御が望まれる環境において、特に好適なものとなる。ＬＥＤベースの照明システムの一例が、特許文献１に開示されており、該照明システムは、当該照明システムによって照射される光スペクトルを調整することによって、結果的に植物の生育及び属性を調節し、改善するための制御アルゴリズムを実行するプロセッサに通信可能に接続された光センサを備えている。

特許文献１は、温室環境における人工照明に関して有望な手法を示すものである。しかしながら、植物の生育を向上可能とするため、具体的には、植物の診断を向上し、温室環境に配置された植物の生育状況の決定精度を高めるために、人工照明システムをより最適化することが要請されている。例えば、植物の生育状況を決定する際に、当該植物が発する光、例えば蛍光信号の検出に対する絶対レベルの重要度を低減することが望ましい。このことは、例えば、植物からセンサまでの距離の影響や、或いは、決定の対象となる葉の領域の影響を低減する場合がある。

既知の技術の他の例としては、ＦＬＩＤＡＲ、ｔ−ＬＩＤＡＲ、及びＪＩＰテストが含まれる。これらの技術は、上掲の欠点の少なくともいくつかを蒙っている。さらに、これらの技術は、典型的には、暗所での適用状態から開始される植物の過渡応答を評価することに依拠しているが、かかる評価は、屋外検査用としては、いささか複雑で温室には適していない評価を下すものである。このような技術の一例が非特許文献１に開示されている。しかしながら、上述したことに鑑みれば、生育状況の評価をさらに改善すること、特に、評価を行う環境の影響を低減することが望ましい。

国際公開２００８／１１８０８０号

STRASSER他「クロロフィルa蛍光過渡解析（Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient）」Advances in photosynthesis and respiration, 2004, Vol. 19, pages 321-362, ISSN 1572-0233

本発明の第１の態様によれば、上述した課題は、クロロフィルを備えた植物の生育状況を決定するための方法によって少なくとも部分的に緩和されるものであり、本方法は、
光強度変調成分を含む入力光で前記植物を照射するステップと、
植物から発せられた光を検出するステップと、
前記植物の周囲の前記入力光の静的成分であるオフセット光強度を決定するステップと、
前記入力光と検出した前記光との間の位相及びゲインを決定するステップと、
前記入力光及び検出した前記光における予め設定された関係と、前記位相及び前記ゲインとに基づいて、植物の生育状況を決定するステップと
を備えている。

本発明は、誘起蛍光の動的成分が、植物の生育状況の情報を提供可能であるという事実に基づくものである。さらに、前記動的成分は、関数の入出力に関連して検討可能である。また、植物における蛍光の動的成分は、優れて非線形であるが、ある状況下、特に、入力光がオフセット光強度に対して相対的に変調されている場合には、線形モデルによって記述可能であることも分かっている。

植物からの蛍光の動的成分は、植物の光合成過程の異なる部分における化合物を貯蔵する多数のバッファを備えたバッファ系として記述可能であることが分かっている。植物が照射されると、バッファが充填を開始する一方、これと同時に、エネルギが光合成によって使用されるほど、バッファは空になっていく。さらに、いくつかのこのようなバッファは、非常に非線形な系の構成と相互関連していると仮定してもよい。入力が変更された場合、換言すれば、入力光が変更された場合、バッファ系への入力エネルギのばらつきが生じる。バッファが満杯にならずに入力が変更された場合、各バッファは、安定する前に過渡的に応答する。しかしながら、バッファが満杯の場合又は完全に空の場合に入力が変更されたときは、動的成分が異なるものとなり、過渡応答は少なくとも部分的に鈍くなる。オフセット光強度は、基本的に、バッファ内のエネルギのレベルを決定する。バッファ系の動的成分（すなわち時定数）は、一般に、オフセット光強度が高くなるほど高速となり、オフセット光強度が低くなるほど遅くなる。しかしながら、バッファが満杯の場合には、バッファの空き容量は、少ないか、或いは全くなく、従って、入力光（エネルギ）が変更された場合、バッファ系の動的成分は、非常に低減する。このように、１つ以上のバッファが満杯になった場合、当該系は、動的成分性を失い、そのため系の複雑性（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）が低減される。この種類のバッファ系は、原理的には、フィルタ次数を有するフィルタとして説明される。

植物に到達する入力光は、このように、（好ましくは非零の）オフセット光強度による静的成分と、変調された強度による変調成分とを含んでいる。非零のオフセット光強度は、少なくとも植物の誘起光合成活動に十分な強度レベルである。従って、オフセット光強度は、通常の光状態で植物を生育させることができるようなものとすることが可能である。仮に、オフセット光強度が植物の光合成活動を誘起しない場合には、零強度であると考えられる。このような植物における光合成活動を誘起しないオフセット光強度は、植物に応じて異なっている場合があり、或いは、例えば、１μＥ、２０μＥ、３０μＥ、４０μＥ、又は５０μＥの場合がある。

静的成分及び変調成分は、両者とも同じ光源から生成可能であり、或いは、静的成分は、環境光と人工光との組み合わせで生成可能である。このように決定されたオフセット光強度は、植物の周り（人工光からの何らかのオフセットを組み合わせた環境）にある何らかの光とすることが可能である。さらに、植物の周囲のオフセット光強度を決定するステップは、個々の周波数の範囲におけるオフセット光強度（強度対周波数）、又は全オフセット光強度を決定するステップを備えていてもよい。

オフセット光強度及び変調強度の双方は、スペクトル分布を有している。オフセット光強度は、スペクトル全体にわたって均一に分布していてもよく、或いは、オフセット光強度は、スペクトルの異なる波長において異なる強度を有していてもよい。例えば、第１の波長におけるオフセット光強度は、第２の波長におけるオフセット光強度とは異なる強度を有していてもよい。さらに、入力光の光強度変調は、同様に、スペクトル全体にわたって均一に分布していてもよく、或いは、異なる波長で異なる振幅を有していてもよい。さらに、変調光強度のスペクトルは、可視スペクトルの、例えば、青色光、赤外光、或いは他のサブ範囲にわたっていてもよい。本明細書における「スペクトル」は、波長ごとの光強度であることを理解すべきである。植物から照射された検出した前記光は、植物からの蛍光を備えているか、或いは、植物からの蛍光のみを備えている。

ある態様によれば、オフセット光強度を決定するステップは、オフセット光強度を測定するステップと、発光装置によって照射される人工光を制御することにより前記オフセット光強度を制御するステップと、植物の生育状況を決定し、さらに決定された生育状況を予め設定されたオフセット光強度と関連付けるステップとの少なくともいずれか１つを備えていてもよい。このように、オフセット光強度は、植物の環境光を測定することによって、或いは、前記植物に近い光を所望のオフセット光強度に制御することにより、決定可能である。さらに、オフセット光強度は、植物の生育状況を最初に決定し、さらに決定された生育状況を、決定された生育状況に対応する予め設定されたオフセット光強度に関連付けることにより、決定されてもよい。

前記光強度変調成分は、繰り返し周波数を有する周期変調信号であってもよい。換言すれば、強度変調は、既知の割合で繰り返されてもよい。繰り返し周波数で光強度変調を繰り返すことにより、過渡的な振る舞いの測定ではなく、定常的な振る舞いの測定を決定することが可能となる。例えば、オフセット光強度を新たなレベルに変更した場合、この植物は、新しいオフセット光強度に順応する過程にあるので、繰り返し植物を変調された光強度にさらし、当該植物からの反応を測定することにより、この植物は最終的に定常状態になり、これにより、過渡的な振る舞いではなく定常状態における生育状況を決定可能である。

前記オフセット光強度のスペクトル分布に基づいて前記光強度変調成分のスペクトル分布が選択されてもよい。この場合、変調光の所望のスペクトル分布を得るために、当該オフセット光成分のスペクトル分布が考慮されることとなり、それによって、代償が得られることとなる。しかも、前記変調成分のスペクトル分布及び前記静的成分のスペクトル分布の少なくともいずれか一方は、植物の蛍光波長を除外可能である。これにより、検出された蛍光における入力光からのノイズを低減可能である。

一態様によれば、前記予め設定された関係は、伝達関数であって、前記伝達関数は、多重変調周波数を有する光強度変調成分を有する入力光で植物を照射するステップと、植物から発せられた光を検出するステップと、システム同定法を使用して、複数の伝達関数パラメータの組を決定するステップとによって決定される１組の伝達関数パラメータを備えたものである。これは、既述の入力光の特性に依存し、伝達関数パラメータが相違する場合のある植物動的成分の非線形性の結果として分かっている。例えば、オフセット光強度及びその分光分布に応じて、或いは、光強度変調の同一特性（強度及びその分光分布）に応じて、異なる伝達関数パラメータを求めることができる。さらなる例として、オフセット光強度がスペクトル全体にわたって均一に分布している場合であって、第１強度のオフセットであるときは、第１の伝達関数パラメータが設定されることになる。オフセット光強度がスペクトル全体にわたって均一に分布している場合であって、第２強度のオフセットであるときは、第１の伝達関数パラメータとは異なる第２の伝達関数パラメータが設定されることになる。さらに、前記伝達関数パラメータは、オフセット光強度がスペクトルの異なる波長において異なる強度を有する場合には、複数の伝達関数パラメータに応じて異なるものであってもよい。

入力光と検出した前記光との間の伝達関数の以前の情報を有することにより、上述したバッファ系の状態を検証可能であることが分かっている。伝達関数は、植物の状況に関連するバッファ系の１つ以上の状態を記述する線形モデルに基づくものである。伝達関数は、例えば、植物の既知の生育状況について設定された所定のオフセット光強度で設定可能である。植物が入力光強度変調に基づいて後で検証される際には、変調された周波数に要する応答は、光強度変調の既知の伝達関数及び既知のオフセット光強度と比較可能となる。その評価は、植物の生育状況に関する情報を提供する。従って、植物の生育状況を評価する前に、1組の伝達関数（複数の伝達関数の組合せ）が決定されることになる。この１組の伝達関数は、異なる光の設定（スペクトル、強度、変調、順応）と、異なる生育状況にある植物からの応答のマッピングを提供可能である。この事前の情報により、植物の生育状況は、単一周波数変調から広帯域変調までの数種類の入力光から決定可能となる。

なお、入力光の光強度変調は、植物からの測定可能な応答を誘起するのには十分に大きいが、線形モデルでモデル化することができなくなるほど逸脱しない程度に十分小さな範囲に維持されるべきである点に留意されたい。

しかも、光強度変調成分は、多重変調周波数を有するものであり、本方法は、前記入力光と検出した前記光との間の伝達関数パラメータを含む検出された伝達関数を決定するステップと、前記検出された伝達関数から位相及びゲインを決定するステップとをさらに備えている。多重周波数信号は、例えば、ステップパルス、ＰＲＢＳ（疑似ランダムバイナリシーケンス）信号、及び矩形波の１つであってもよい。しかしながら、入力光は、任意の波形であってもよく、該波形は、特定の周波数の範囲の周波数成分を有し、しかも特定の位相を有していてもよい。光強度変調成分は、周波数成分が０．００１ｒａｄ／ｓから１００ｒａｄ／ｓまでの範囲の周波数を有する変調信号であってもよく、或いは、それ以上の範囲、例えば１０００ｒａｄ／ｓまでの周波数を有する変調信号であってもよい。一例として、入力光が矩形波として変調された場合には、入力光強度（光強度変調と組み合わされたオフセット光）は、光強度の２つの主レベルの間で変化する。この種の変調は、ステップ関数の形で反復入力光を引き起こし、それによって植物からのステップ応答を繰り返し誘起し、動的成分蛍光過渡現象の分析を可能にする。

入力光変調のための変調信号の種類を参照することにより、変調信号の形式、すなわち、変調の種類に応じて、伝達関数パラメータは異なるものとなる。例えば、ステップアップの変調信号について決定された伝達関数パラメータは、ステップダウンの変調信号について決定された伝達関数パラメータとは異なる場合がある。つまり、矩形パルス（立ち上がり又は立ち下がりのエッジ）のいずれの側に基づいて伝達関数パラメータが決定されるかに応じて、伝達関数パラメータが異なる場合がある。しかも、決定された伝達関数パラメータは、例えば変調帯域幅のように、変調信号の変調の周波数コンテンツに応じて異なったものとなる場合がある。既述のように、伝達関数パラメータは、変調された入力光に基づいて異なっていてもよい。異なる伝達関数をもたらす結果となる異なる入力光の振る舞いに関する上述の振る舞いは、植物の蛍光応答を記述可能な非線形系の下でのさらなる表示である。

光強度変調成分の変調信号は、少なくとも１つの変調周波数を有する正弦波信号を備えていてもよい。変調信号は、例えば、いくつかの周波数、周波数掃引、又は単一の周波数の畳み込みであってもよい。

入力光は、オフセット静的光強度と、光強度変調とを備えていてもよい。オフセット光強度は、本方法の実行前に、良好に定義され、かつ既知であることに留意されたい。光強度変調は、全入力光がオフセット光強度レベルに変調され、集中され、又は加算されるように、変調される。例えば、オフセット光レベル強度がＸの場合であって、光強度変調がＹの振幅を有するときは、全光強度は、経時的にＸからＸ＋Ｙまでの変調特性（例えば、周波数、デューティサイクル等）でばらつく。オフセット光強度は、入力光を照射する発光装置に印加される直流電流成分によって生じるオフセット光強度であると考えてもよい。オフセット光にも寄与する植物の周囲ある環境光が存在する場合もある。本方法は、有利にこのことを考慮しているので、環境光を閉ざす必要はない。

本発明の一態様によれば、前記生育状況を決定する前記ステップは、予め設定された伝達関数のパラメータ値と比較されたパラメータ値の変更であって、当該植物のストレスのレベルを示すものを決定するステップを備えている。

このように、生育状況にパラメータ値の変更を関連付けることにより、植物の状況を検討可能である。パラメータを決定することと同様に、伝達関数が零点になるところ、及び極性を検討可能である。つまり、予め設定された伝達関数と検出された伝達関数とは、それぞれが少なくとも１つの極と少なくとも１つの零点とを備えている。

一般に、ある関数の極と零点の少なくともいずれか一方は、当該関数の動的成分に関する情報を提供する。この場合、極や零点は、例えば、植物の生育状況を示すことができる。極や零点を見出すために、モデル伝達関数を仮定し、次いで伝達関数出力データを測定データに適合させることができる。異なる伝達関数が、異なる光条件下で生育された植物に適合する場合もある。

一例として、極と零点の少なくともいずれか一方の位置の変更であって、前記植物のストレスのレベルを示すものを決定するステップを使用する場合がある。さらに、極と零点の位置の間の相対的な差を決定する場合がある。例えば、位置の変更が第１の位置の変更である場合、本方法は、極及び零点の少なくともいずれか一方の第２の位置から、その極や零点の第２の位置の変更を決定するステップと、前記第１の位置の変更と、前記第２の位置の変更との間の相対的な差を決定するステップとを備えるものである。

さらに、入力光の光強度の変化に伴って磁極及び零点の少なくともいずれか一方の位置の変更であって、前記植物の順応性のレベルを示すものを決定することが有利な場合がある。さらに本方法は、入力光の光スペクトルを変更するステップと、入力光の光スペクトルを変更したことに起因する極及び零点の位置の変更であって、前記植物の改善された光スペクトルを示すものを決定するステップとを備えていてもよい。

伝達関数は、周波数領域に含まれるものとみなすことができる。周波数領域における伝達関数を検討する利点は、モデルの次数の影響を低減し、それにより、本方法の精度をさらに向上させることである。周波数領域では、蛍光の動的成分を容易に検討可能である。

植物におけるストレスのレベルは、周波数領域における伝達関数のシフトから決定することができ、初期周波数より高い周波数へのシフトは、増加したストレスレベルを示す。従って、周波数領域における伝達関数の変化を検討することにより、ストレスの増加レベルは、容易に決定可能である。周波数領域における伝達関数の振幅及び位相の少なくともいずれか一方を検討することにより、伝達関数のシフトを決定可能である。

決定された生育状況と所望の植物の生育状況とに基づいて、所望の生育状況に向かって植物の生育を調節するために、入力光の特性が制御される。
オフセット光強度は、入力光と検出した前記光との間で決定された位相及びゲインに応じて増減可能である。オフセット光強度は、位相又はゲインが変調されるように変調される場合がある。位相又はゲインの特性は、例えば、植物がストレスを受けているか否か、といった植物の生育状況に関する情報を提供可能である。特性は、例えば、周波数領域（例えば、位相又はゲインの周波数関数）における位相又はゲインが、周波数領域の位相又はゲインが低周波数にある場合に比べて、植物がよりストレスを受けているという指標であることを示唆する高周波数へシフトすることに関連する場合がある。

オフセット光強度が増加すべきと決定されるか又は減少すべきと決定されるかは、当該植物に関連する以前のデータ（例えば、予め設定された関係）にも依存する。例えば、あるオフセット光強度における特定の植物について、ある周波数における位相の増加は、オフセット光強度を減少させるべきであるということの表れである場合がある。あるオフセット光強度における別の種類の植物について、周波数領域におけるある周波数の（高い周波数への）方位のシフトや、或いは所定の周波数での位相の増加は、植物のストレスを低減するために、オフセット光強度を増加させるべきである、或いは減少させるべきであるということの表れである場合がある。さらなる例として、ある周波数で位相が低減した場合、或いは位相が低い周波数にシフトした場合、植物の生育を調節するために、オフセット光強度を減少／増加させるように決定される場合がある。位相がある周波数で予め設定された位相よりも高く決定された場合、ストレスを低減するためにオフセット光強度を低減するように決定されてもよい。

さらに、オフセット光強度を変更すべきか否かを決定するために、ゲインの変更を用いることも可能である。例えば、ゲインの増加がオフセット光強度を増減するための表れとなる場合があり、或いはゲインの減少がオフセット光強度を増減するための表れとなる場合がある。

入力光の波長範囲は、植物のクロロフィル蛍光波長範囲とは異なっていてもよい。
検出した前記光は、植物からのクロロフィル蛍光であってもよい。入力光は、植物中のクロロフィル蛍光を誘起する励起光と、植物の生育を調節するための光とをさらに備えていてもよい。

本発明の一態様によれば、本方法は、生育状況及び入力光設定をマッピングするための１組の伝達関数を決定する初期ステップをさらに備えていてもよい。このように、植物の生育状況を決定する前に、既知の生育状況のための１組の伝達関数及びオフセット光のスペクトルや強度といった諸設定と、光強度及び変調信号の特性とがマッピングされている。

「生育状況」（例えば、所望の生育状況又は現在の生育状況）は、植物の状況を示す少なくとも１つの検出可能な（複数の）特性値として定義可能である。そのような諸特性は、植物の高さ／幅、幹の大きさ、生育速度、ストレス、光反射率特性、蛍光特性、重さ、ＣＯ_２・水・栄養の消費、植物の色、葉の大きさ、花の大きさ、葉・花・果実・種子の数、受粉用昆虫にさらされる状況、現在の生育状況での時間が含まれる。光の反射率は、発光装置から照射され、植物が発した光の特性である。さらに、蛍光特性は、クロロフィル蛍光といった植物からの蛍光の特性である。

植物は、管理された環境に配置される。「管理された環境」という表現は、例えば温室、生育キャビネット、又はこれらと同様に管理され、植物が少なくとも自然光の照射を受ける生育環境を含むものと広義に解釈されるべきである。管理された環境は、このように、典型的には、透明な窓又はそれと同様に自然の光（太陽等）を植物が受けることのできるものを備えた「屋内環境」である。「管理された」環境は、完全に管理されたものではない、ということに留意することが重要である。第一に、自然光及び外気温の寄与は、ばらつくものである。また、「管理される」プロセスは、種子の品質、病気、人的エラー等を含む、利用者の制御外の要因を不可避的に含むものである。しかしながら、本発明は、太陽光といった環境光に実質的にさらされている環境下で生育した植物にも同様に適用可能である。従って、オフセット光強度は、環境光、及び例えば、入力光若しくは他の人工光源のオフセット光成分である人工照明からの光を備えていてもよい。加えて、本発明は、全オフセット光が環境光からのものであり、光強度変調である人工光のみであったとしても、適用可能である。

本発明の第２の態様によれば、植物の生育状況を決定するためのシステムであって、該システムは、
植物に光を照射するように構成された少なくとも１つの発光装置と、
前記植物から照射される光を検出するための少なくとも１つの光センサと、
人工光及び環境光を含み、植物の周りのオフセット光強度を決定する手段と、
少なくとも１つの発光装置を制御するように構成され、少なくとも１つの光センサから検出した前記光に関連する情報を受信するように構成された制御ユニットと、
を備え、前記制御ユニットは、
入力光を生成するオフセット光強度とともに光強度変調成分を照射するために、少なくとも１つの発光装置を制御し、
入力光と検出した前記光との間の位相及びゲインを決定し、
入力光と検出した前記光の予め設定された関係と、前記位相と前記ゲインとに基づいて、植物の生育状況を決定する
ように構成されている。

本発明の一態様によれば、前記制御ユニットは、所望の生育状況に植物の生育を調整する特性を有する光を照射するために、決定された生育状況と前記植物の所望の生育状況とに基づいて少なくとも１つの発光装置を制御するように、さらに構成されている。

本発明のこの第２の態様のさらなる効果及び特徴は、本発明の第１の態様に関連して上述したものと大きく類似している。
本発明の第３の態様によれば、温室内に配置された植物の生育を刺激するために当該植物に光を照射するように構成された複数の発光装置と、前述の態様によるシステムとを備えた温室システムが提供される。

本発明のこの第３の態様のさらなる効果及び特徴は、本発明の前述の態様に関連して説明したものと大きく類似している。
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲及び以下の説明を検討すると明らかになるであろう。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の異なる特徴を組み合わせて、以下に説明する実施形態以外の実施形態を作成可能であることを認識する。

本発明の特定の特徴及び利点を含む様々な態様は、以下の詳細な説明及び添付図面から容易に理解できるであろう。

本発明の例示的な実施形態の例示的な適用を示す図。 図２ａは、本発明の例示的な実施形態の概略図、図２ｂは、本発明の一実施形態による例示的な強度変調の概略図、図２ｃは、本発明の一実施形態による例示的な強度変調の概略図。 図３ａ及び図３ｂは、本発明の実施形態による例示的な周波数関数を概略図、図３ｃは、植物の例示的なステップ応答を示す図。 本発明の実施形態による例示的な周波数関数を概略的に示す図。 本発明の例示的な実施形態を概略的に示す図。 本発明の例示的な実施形態を概略的に示す図。 本発明の例示的な実施形態の方法ステップのフローチャート。 オフセット光強度でマップされた伝達関数の例示的なテーブルを示す図である。

発明を実施するための形態本発明は、添付の図面を参照して本発明の実施形態が示され、以下にさらに詳細に説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、ここに記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの各実施形態は、貫徹性及び完全性のために提供されており、本発明の範囲は、当業者に十分に伝わるものである。同様の参照符号は、全体を通して同様の要素を指し示している。

図１を参照して、本発明がとり得る実施形態によるシステム１００が示されている。図１は、太陽からの自然光を内部に透過することを許容するガラスやその他の好適な樹脂材料といった透明な構造に構成された壁と屋根とを有する温室１０５を構成する少なくとも部分的に管理された環境に配置された複数の植物１０２を示している。無論、植物はハーブ、薬用植物、観葉植物、及び一般作物等、いかなる種類の植物であってもよい。さらに、管理された環境は、発明概念の実施化の態様に応じて、ウォークインチャンバや生育キャビネットであってもよい。温室１０５には、電気的に接続された人工光機構１０６が配置される。人工光機構１０６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）１０４のような好適な人工光源を備えており、発光装置１０４が照射した光を植物１０２が受けるように構成されている。複数の発光装置１０４は、異なる波長の光を照射し、個々に制御可能に構成されている。その波長範囲は、紫外線から赤外線までの複数の範囲であってもよい。例えば、これらの範囲は、以下に説明するセンサについて同様の範囲であってもよい。

生育を効果的に制御するために、複数のセンサ１１０が温室１０５内又は温室１０５の周りに配置されている。そのようなセンサは、例えば、植物の検出可能な特性の現在の値の決定用と同様に、植物１０２の１つ以上の状態を決定するように構成されていてもよく、これによって、植物の現在の生育状況が決定される。センサは、例えば、空気温度センサ、土壌温度センサ、水分センサ、湿度センサ、二酸化炭素センサ、空気圧センサ、肥料レベルセンサ、及び撮像装置（例えば、カメラ）の少なくともいずれか１つであって、植物１０２の生育状況を決定するために使用されるセンサである。センサ１１０の代替的、或いは補足的なものとして、様々な属性値を手動で入力可能である。１つの又はいくつかの手動インターフェースが設けられてもよい。センサ１１０は、植物１０２から照射される蛍光を検出するための光センサ１１０であってもよい。

加えて、温室１０５は、窓（同じく制御可能な換気装置）（図示せず）と同様に、制御ユニット１０８に接続され、植物１０２の生育サイクルにおける所望の温度変動にも応じて温室１０４内の温度を制御する制御可能な加熱要素（図示せず）を備えていてもよい。センサ１１０の位置は単に図示のためのものであり、必ずしも正確ではない。つまりセンサ１１０は、当該センサの種類に応じた最も適切な位置に配置される。

例示的な実施形態において、発光装置１０４は、植物に光を照射する。照射された光の少なくとも一部は、植物１０２によって反射され、少なくとも１つの光センサ（例えば、センサ１１０）によって検出される。光センサ１１０は、クロロフィル蛍光といった植物１０２からの蛍光をさらに検出する。入力光にさらされた植物の応答は、ゲイン及び位相に関して評価される。例えば、入力光が単一周波数で正弦波強度変調を有する場合、入力光に対する検出光の位相とゲインを同一の周波数で決定するようにしてもよい。さらに、光センサ１１０のいくつかは、温室１０５内のオフセット光強度及びスペクトルの少なくともいずれか一方を測定する。オフセット光強度は、人工光と環境光との組み合わせであってもよい。光センサ１１０は、４００ｎｍ〜６３０ｎｍ、６３０ｎｍ〜７００ｎｍ、７００ｎｍ〜７４０ｎｍ、７５０ｎｍ〜８５０ｎｍ、８５０ｎｍ〜１４００ｎｍ、又は４００ｎｍ〜７００ｎｍといった異なる波長範囲の光強度を測定するように構成されていてもよい。

プロセッサは、植物を照射する入力光と検出光との間の伝達関数を決定可能である。伝達関数は、植物１０２の生育状況を決定するために分析可能な１組の伝達関数パラメータを備えている。光センサ１１０によって検出された検出光は、少なくとも１つの生育特性を決定するためにプロセッサによって分析される。プロセッサは、伝達関数の特性に応じて、植物１０２の生育を調節又は改善するために、例えば、照射された光の強度又はスペクトルの組成を調整することにより、発光ダイオードによって照射された光を変調するように決定可能である。さらに、伝達関数は、制御ユニット１０８によって予め設定されており、後の工程で使用される。例えば、あるオフセット光強度／スペクトルに対して伝達関数が知られている場合には、生育状況を決定するために、変調信号に応じてオフセット光に付加された光強度変調を使用してもよい。このように、既知の光強度変調、既知のオフセット光、変調信号、並びに変調信号、オフセット光、及び光強度変調信号用に予め設定された伝達関数から、検出光を、生育状況及び予め設定された伝達関数に関連して予測される検出光と比較してもよい。検出光と予測される光とが一致する場合、光の生育状況が決定される。以下、図を参照して、生育状況決定についてより詳細に説明する。

各植物は、検出可能な特性の組についての（複数の）特性値を備えた生育状況によって表わされる。そのような特性は、植物の高さ／幅、幹の大きさ、生育速度、ストレス、光反射率の特性、蛍光の特性、重量、ＣＯ_２・水・栄養の消費、植物の色、葉の大きさ、花の大きさ、葉・花・果実・種子の数、受粉用昆虫にさらされる状況、現在の生育状況での時間等を含んでいてもよい。

図２ａは、図１に示したものと同様のシステムを示す。図２ａにおいて、植物１０２は、発光機構１０６内に配置された発光装置１０４による光とともに示されている。さらに太陽光等の環境光も照射されている。従って植物１０２に照射される光ｕ（ｔ）は、環境光と、発光装置１０４が発する人工光との双方からのものを備えている。発光機構１０６は、個別に制御可能な複数の発光装置（例えば発光ダイオード）を備えていてもよいこと留意されたい。発光ダイオードの波長の範囲は、紫外線（例えば、１０ｎｍ〜４００ｎｍ）から赤外線（例えば、７００ｎｍ〜１５００ｎｍ）までである。植物から照射される光ｙ（ｔ）は、センサ１１０によって検出される。図２ｂは、植物に照射される光は、オフセット光強度２０４と、このオフセット光強度２０４に付加された光強度変調２０５とを備えている。オフセット光強度２０４は、例えば、太陽からの光、若しくは発光装置１０４からの人工光、又はこれらの組合せを備えていてもよい。従って、オフセット光強度２０４は、環境光及び光スペクトルを有する人工光を備えていてもよく、加えて、オフセット２０４には、光強度変調２０５がある。特定のスペクトルを有する特定のオフセット光強度は、システム１００によって作成可能である点に留意されたい。例えば、所望のオフセット光強度及びスペクトルを得るために、光センサ１１０がオフセット光を検出するとともに、発光装置１０４が制御ユニットにより算出された光を照射するようにしてもよい。

植物の非線形な振る舞いのため、オフセット光のオフセット強度とスペクトルとを知ること、変調光の振幅と変調光のスペクトルとを知ること、及び位相と、振幅と、変調信号とを知ることは、関連している場合がある。オフセット光のスペクトルは、スペクトルにわたる光の強度に関係する。特に、上掲の光設定のうちいずれにすべきかについての知識を得るために、線形モデルが有効である。従って、本発明は、上述した異なる光の設定（オフセット光強度／スペクトル、光強度変調振幅／スペクトル、並びに振幅／スペクトル、信号形態、及び信号形態の検出された位相といった変調信号の特性）のための伝達関数を決定するステップと関係する。例えば、植物に光を当てて、特定の光強度に順応させると、伝達関数は、光強度ごとに決定可能である。或いは、さらなる例として、伝達関数は、異なるオフセット光スペクトルについて決定されてもよい。このように、伝達関数は、異なる生育状況、異なる光設定、及び異なる生育状況について決定可能である。これにより、生育サイクルの異なる生育状況における異なる光の設定及び生育状況をマッピングするために１組の伝達関数が使用可能となる。生育状況は、例えば、植物がある程度の大きさに生育した「苗育状態」、「成長状態」、所定の品質の花が開花する「開花状態」、例えば、果実が実る「成熟状態」、所望の生産が完了した「完了状態」、ストレス下の植物が回復した「回復状態」、及び回復することのない、或いは経済的に回復が期待できない状態の生育期にある「終了状態」であってもよい。さらに、光センサ１１０は、変調光強度を使用して生育状況を決定する前に、植物がさらされる光強度とスペクトルについての情報を得るために、植物が受ける光強度を連続的に検出してもよい。このように、植物の生育状況をより深く分析して、より正確な決定を行うことができる。

さらに、システムは、発光装置１０４から照射された光を、例えば種々の環境光に基づいて適用するように構成されている。従って、本方法及びシステムは、環境光においても機能し、測定のために、植物の周囲を覆うことが不要となる。しかしながら、環境光（例えば、太陽）を遮るために温室のカーテン又はそれと同様の手段を制御することによって、植物に注がれる環境光の光量を制御するためにシステムを使用してもよい。図２ｂに示すように、オフセット光強度２０４の光強度変調は、矩形波変調等の周期変調であってもよい。従って、矩形波２０３の各周期において、植物からのステップ応答が誘起され、伝達関数を決定する際に使用可能である。しかしながら、ノイズに対する信号の改善を図ることが有利ではあるが、単一のステップ応答のみを使用してもよい。

図２ｂに記載されているように、植物１０２に照射される光は、（例えば、測定値から）既知の強度であるオフセット光強度２０４を有しており、矩形波の光強度変調信号２０３の一部であって、ステップアップ２０７とステップダウン２０８の形態をとる重畳光強度変調である。ステップアップ２０７又はステップダウン２０８の光強度変調の振幅は既知である。ステップアップ２０７又はステップダウン２０８によるオフセット強度からの光強度の変化は、オフセット光強度２０４から順に、例えば５％から３０％までの程度であってもよい。代替的に又は追加的に、光強度変調、ステップアップ２０７、又はステップダウン２０８によるオフセット強度からの光強度の変化は、所定のオフセット光強度を超えないよう、例えば、５００μＥ、７００μＥ、１０００μＥ、１２００μＥ、又は１５００μＥであってもよい。光強度変調のステップサイズ（すなわち、振幅）は、測定可能な応答を植物から取得する工程と、植物の動的成分が同じ伝達関数に留まるような線形モデルによるモデル化可能な応答を確保する工程とのトレードオフである。ステップ関数（例えば、立ち上がり２０７又は立ち下がり２０８）では、当該ステップ関数の周波数定数は、既知である。

代替的に、図２ｃに示すように、静的光強度２０４に関する光強度変調の変調信号は、変調周波数を有する正弦波変調であってもよい。さらに、前記変調信号は、ＰＲＢＳ（擬似ランダムバイナリシーケンス）信号又はランダム広帯域信号（例えば、「ノイズ」）であってもよい。

植物からのステップ応答の場合、例えば、矩形波光強度変調入力光ｕ（ｔ）を用いる場合、ステップ応答は、ステップアップ２０７又はステップダウン２０８のいずれかのエッジに関するブラックボックスモデルによって分析可能である。伝達関数は、いずれのエッジが選択されるかによって異なり、モデル化された系が非線形であることを示す。ブラックボックスモデルでは、光合成プロセスは、植物における内部プロセスを考慮することなく、入力ｕ（ｔ）、出力ｙ（ｔ）、及び伝達関数によって決定される。ブラックボックスモデルは、

と記載され、式中、Ｇ（ｑ）は、シフト演算子ｑで表される伝達関数、ｅ（ｔ）はノイズ項である。伝達関数は、複数のパラメータを備えている。例示的な伝達関数は、以下のように与えられ得る。

この例示的な伝達関数は、このように、伝達関数パラメータｂｉ，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ａｉ，ａ２，及びａ３を有している。さらに、この伝達関数は、４つの零点（分子の次数から）と、３つの極（分母の次数から）を有している。一連のステップ応答における各ステップ応答について、この種の伝達関数をモデルとして用いることができる。

一実施形態によれば、パラメータの値（例えば、前記伝達関数に関しては、植物の生育状況を決定するために、パラメータｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ａ１，ａ２，ａ３）を用いることが可能である。特に、パラメータ値の変化は、植物の生育状況を示す。例えば、パラメータ値の変化は、植物のストレスのレベルを示すことが可能である。多項式のパラメータが既知である場合、その多項式の零点も既知であることに留意されたい。上述したような伝達関数において、パラメータｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ａ１，ａ２，ａ３が既知である場合、伝達関数の零点及び極も既知であるか、又は少なくとも容易に取得可能である。

従って、別の実施形態においては、植物の生育状況を決定するために、伝達関数の極の変化を使用してもよい。当然、零点と極も伝達関数のパラメータ値に追従する。例えば、植物の生育状況を決定するために、伝達関数の零点の位置の変更を使用してもよい。このようにして、伝達関数の零点及び極の少なくともいずれか一方の位置の変更からストレスのレベルを得ることが可能である。さらに、極及び零点の少なくともいずれか一方の位置の相対変化を生育状況の指標として使用してもよい。例えば、極及び零点の少なくともいずれか一方が、２つの測定値（極及び零点少なくともいずれか一方の位置の決定）の間で互いに離れるように動いた場合、それは、植物のストレスレベルの増加を示している場合がある。

さらに別の実施形態において、伝達関数は、植物の生育状況を決定するために、当該周波数領域において検討される。この周波数領域は、最初に伝達関数の引数ｑを、ｉが虚数単位であり、ｗが角周波数（ｒａｄ／ｓ）である指数ｅ^ｉｗに置き換えることによって、評価可能である。周波数領域において、例えば、周波数領域における伝達関数のシフトを決定することによって、動的成分を検討可能である。例えば、特定の光強度オフセットに対する植物の順応を評価可能である。図３ａ〜図３ｂは、８０μＥ３０２、５００μＥ３０４にそれぞれ順応した２つの植物のステップ応答から決定された伝達関数の周波数領域における大きさ及び位相を示している。８０μＥ３０２’、５００μＥ３０４’にそれぞれ順応した２つの植物の時間領域におけるステップ応答は、図３ｃに示されている。両植物は、それぞれが順応した光強度（すなわち、８０μＥと５００μＥ）から８０μＥステップずつ増加した光にさらされた。しかして低い光強度（８０μＥ）に順応した植物は、高い光強度（５００μＥ）に順応した植物よりも速い動的成分を示し、速い動的成分は、より大きなバッファを発達させた高い光強度（３０４）に順応した植物の伝達関数の動的成分と比較した伝達関数に見出された。

図４は、４つの異なる光強度、すなわち、Ｉ：１１０μＥ（４０２）、ＩＩ：５３０μＥ（４０４）、ＩＩＩ：１７５０μＥ（４０６）、ＩＶ：１１０μＥ（４０８）において、５００μＥに順応した植物の周波数関数（すなわち、周波数領域における伝達関数のゲイン）を示している。異なる光強度は、同じスペクトル分布を有するオフセット光強度設定のシーケンスである。強度シーケンス全体にわたって、植物は、光強度ごとの伝達関数を識別するために、光強度変調にさらされ、光強度のステップ増加を繰り返してステップ応答する変調信号が測定された。この場合、伝達関数は、周波数領域で決定される。図示の通り、周波数関数（すなわち、周波数領域における伝達関数のゲイン及び位相）は、オフセット光強度の増加に伴ってより高い周波数にシフトする。例えば、１１０μＥに設定された関数４０２から開始して、５３０μＥに決定された関数４０４は、明らかにより速い動的成分を示すより高い周波数にシフトされている。しかも、１７５０μＥに決定された関数４０６は、より高い周波数にシフトしている。５３０μＥ４０４及び１７５０μＥ４０６の平らな曲線は、より少ない動的成分、すなわち、バッファが「満杯」又は「空」であることを示す損失に起因した動的成分の低迷を示している。１１０μＥオフセット光強度で植物の回復期に決定された伝達関数４０８は、初期周波数関数４０２に近づいている。

光強度変調のステップ関数にさらされた後の植物にみられる振る舞いは、バッファからなる系に典型的なものである。つまり、（順応による）エネルギの利用能力に関連したエネルギの流れ（光強度）は、系が入力信号（入力ステップ関数）に応答する速さを決定する。このような系において、系を通る流れが増加すると、入力信号に対する応答は速くなる。加えて、応答は、より小さい容量を有する系、すなわち、高容量の系に比べて容量の小さい系について速くなる。さらに、系内の１つ以上のバッファの容量に達した場合、系は状態を失う。このような損失は、複雑性（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）及び系の秩序に対応する。これは、例えば、光強度が植物容量と比較して高い場合に発生する極零相殺によって見られる。バッファ系にフィードバックを導入することにより、周波数関数に共鳴ピークが現れる。従って、植物の応答の背景にあるメカニズムは、フィードバックを有するバッファ系として記述可能である。

植物１０２の生育状況を決定するために、伝達関数は、毎回、或いは一度だけ決定される。例えば、動的成分が変化したか否かを調査し、それによって生育状況が変化したか否かを調べるために、予め設定された伝達関数とともに、異なるオフセット光強度若しくはスペクトル、オフセットについて異なる光強度変調若しくは変調信号のいずれかが異なる別の伝達関数を決定し、以前の伝達関数と比較する。代替的に予め設定された伝達関数として最初に決定した伝達関数とともに、単一の周波数又は場合によっては少ない周波数のみを入力光に使用してもよい。例えば、図２ｃに示すように、既知のオフセット光強度２０４について単一の周波数で入力光強度を正弦波信号２０６に変調する。入力光において単一の変調周波数のみとすることで、伝達関数全体（すなわち、入力周波数よりも多い周波数）は、決定できないが、単一変調周波数での蛍光の動的成分で代用可能である。この状況では、検出光から決定された信号周波数でのゲインと位相は、その変調周波数における予め設定された伝達関数のゲイン及び位相と比較される。代替的に又は追加的に、位相とゲインの２つの決定に単一周波数を使用してもよく、２つのゲイン及び位相の少なくともいずれか一方は、植物の状態を決定するために互いに皮革される。

図５は、本発明の一実施形態による例示的なシステム５００を示す。図５において、発光装置１０４は、植物１０２を照射するように構成されている。光センサ１１０は、植物から発せられた光を検出するように構成されている。植物を照射する光ｕ（ｔ）は、発光装置１０４によって照射されるが、環境光を備えていてもよい。入力光ｕ（ｔ）は、オフセット光成分と、オフセット光が重畳された時変光成分とを備えていてもよい。さらに、検出されたオフセット光は、環境光を備えていてもよい。さらに、代替的な実施形態において、照射された光は、オフセット光を備えていない場合があり、従って、検出されたオフセット光は、環境光のみを備えていてもよい。検出光は、ｙ（ｔ）で示される。検出光は、植物からの蛍光を備えており、蛍光スペクトルから外れた光は、濾過される場合がある。光強度変調は、蛍光波長だけとは離れた光波長を備えており、蛍光の波長から反射光の波長が離れているので、蛍光の検出を容易に可能である。さらに、制御ユニット１０８は、センサ１１０から信号ｙ（ｔ）を受信するように構成されており、信号ｙ（ｔ）は、検出光の情報（分光組成、強度等）を含んでいる。制御ユニット１０８は、さらに、植物に向けて放出される出力光ｕ（ｔ）を制御するように設けられている。例えば、制御ユニットは、人工光機構１０６の発光装置１０４を制御可能であり、或いは制御ユニットは、太陽光等の環境光を遮断する遮断手段を制御可能である。システムは、制御ユニット１０８への入力５０４を伴うフィードバックシステムとして設けられている。入力５０４は、ユーザが要求可能な植物の所望の生育状況に関連するものであってもよい。そのような入力は、例えば、出荷に間に合わせて完成期まで成長させたり、植物の茎を所定の大きさに育てたり、上述した諸特性について、植物を所定の期間内に所定の特性で生育するのに好ましい。制御ユニット１０８は、検出光に対応する信号ｙ（ｔ）を受信し、入力光ｕ（ｔ）の情報に基づき、伝達関数（例えば、伝達関数Ｇ）を決定する。この伝達関数から、当該伝達関数、当該伝達関数の極及び零点の少なくともいずれか一方、又は当該伝達関数の周波数及び位相の少なくともいずれか一方のパラメータを分析することにより、植物の生育状況を決定する。制御ユニット１０８は、決定された生育状況を入力５０４の所望の生育状況と比較する。制御ユニット１０８は、さらに、オフセット光強度／スペクトルの履歴、光強度変調振幅／スペクトル、並びに、振幅／スペクトル、信号形態や信号形態の検出位相といった変調信号の諸特性を保持する。所望の生育状況と決定された生育状況との対応や相違に基づいて、制御ユニットは、植物１０２の生育を調整するために入力光ｕ（ｔ）の特性を制御する。例えば、植物１０２がストレスを受けていると決定された場合には、植物を生育させるために植物に向かって放出された光が調整される場合がある。例えば、植物１０２が、現時点で照射されている光とは異なる光強度に順応する場合がある。さらに、例えば、植物１０２の周囲における好ましくない温度、水分若しくはＣＯ_２レベルの不足の結果、植物が概ねストレスを受けているか否かを決定可能である。さらに、光のスペクトル組成、振幅、又は変調周波数は、最適な生育のために調整可能である。追加的に又は代替的に、制御ユニットは、植物の生育状況の履歴を保持するようにしてもよい。生育状況を知ることにより、より正確な生育状況を取得可能となる。

このように、生育サイクルにおいて生育状況を調整可能である。特に、所望の生育状況は、所望の生育サイクル終了日に関連付けて調整可能である。例えば、生育サイクルの完了をより短く（又はより長く）させる要求がなされた場合には、そのように早く（又は遅く）植物を生育させるための異なる施策を実施可能である。そのような場合、まず、目標出荷日を設定し、次いで、当該出荷日に間に合うように必要とされる生産率を算定する。次に、植物の順応性に応じて、植物を生育させるために使用可能な最大ＰＡＲ（ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ ａｃｔｉｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：光合成活性放射線）強度を決定するために、図３ａ〜図３ｂで説明した工程を使用可能である。次いで、可能な最短出荷を決定するために、最大ＰＡＲを採用可能なＣＯ_２レベルとともに使用する。図６は、例えば温室１０４における、ＣＯ_２レベルに対するＰＡＲ強度のグラフを示す。ｙ軸上には、採用可能なＣＯ_２レベルのスパン６０２が示され、ｘ軸上には、植物１０２のための最大許容ＰＡＲ６０３が示される。採用可能なＣＯ_２レベルのスパンは、温室の特性、又は他の技術的制限、又は植物の生育によって制限される場合がある。等曲線６０４〜６０７は、それぞれの出荷時期までに要する生産割合を示す曲線である。例えば、等曲線６０４は、出荷まで１４日であることを表し、等曲線６０５は、出荷まで１２日であることを表し、等曲線６０６は、出荷まで１０日であることを表し、等曲線６０７は、出荷まで８日であることを表わしている。例えば、既知の目標出荷日が設定された場合であって、その後生産割合が設定されたときは、対応する等曲線を見出すことができる。決定された最大ＰＡＲ強度から、出荷日に間に合うかどうか、或いは、その出荷日に間に合わせるために必要とされるＣＯ_２のレベルがどれくらいか、を評価可能である。図示された例示的なグラフでは、８日の出荷を示す等曲線は、採用可能なＣＯ_２スパンから外れており、しかも、植物１０２の最大許容ＰＡＲを超えていため、８日後の出荷は、可能ではない。しかしながら、１２日の出荷を示す等曲線は、部分的に採用可能なＣＯ_２スパンに収まっており、しかも、最大許容ＰＡＲ６０３内に入っているため、１２日後の出荷は、可能である。

図７は、本発明の例示的な実施形態による方法のステップを示すフローチャートである。本フローチャートは、例えば伝達関数のパラメータである伝達関数のゲイン又は位相の決定を経て植物の生育状況を決定するステップを記載している。最初のステップＳ７０２においては、植物への入力光の特性が決定される。例えばこの特性は、オフセット光強度及びオフセット光スペクトルの少なくともいずれか一方であってもよい。付加的なステップＳ７０４においては、今回の生育状況を決定する以前に、植物に照射された光の特性を決定する。ステップＳ７０６において、以前の光特性が、ステップＳ７０２で決定された今回の入力光の特性とともに、植物の生育状況を決定するために十分であるか否かが評価される。例えば、今回は、オフセット光強度が高すぎる（又は低すぎる）場合がある。そのような状況では、オフセット光強度を低下し、植物が順応可能であり、従ってストレスを受けない（しかし、例えば、栄養や水分等については十分な）オフセット光強度に基づいて、生育状況を決定してもよい。さらなる例として、環境光が十分に安定していない場合、使用可能な植物育成状況の評価を得ることができないことがあり、そのような場合には、オフセット光強度を安定させる必要がある。さらにまた、オフセット光強度が長期間（例えば数日）安定している場合、このオフセット光強度に対応したものであることを知ることができる。植物の生育状況が、今回の入力光の特性とともに以前の光特性から決定された場合、オフセット光は、必要に応じて生育を調整するために、ステップＳ７０８において（例えば、スペクトルの強度を変調して）調光し、ステップＳ７０２に復帰する。さらに、本方法は、植物の生育状況に応じて、ステップＳ７０２に復帰するか、或いは後続するステップに移行するかを決定してもよい。例えば、植物が「終了状態」にある場合、生育状況を決定することは有用ではない一方、植物が「開花状態」にある場合、植物１０２の生育を最適化するために、生育状況の決定は密に関連する。ステップＳ７０６の後、さらなる評価が必要な場合、本発明に係る方法は、以下のステップを実行する場合がある。まず、ステップＳ７０９において、光強度変調が、当該光強度変調の振幅及びスペクトルの少なくともいずれか一方を含めて選択される。次いで変調信号が選択され、例えば、ステップアップ２０７又はステップダウン２０８の態様をとる光強度変調（すなわち広帯域信号）でステップＳ７１０が植物に照射される。代替的に、ステップＳ７１２（例えば、重畳法）の多重変調周波数を有する正弦波変調信号や、或いはステップＳ７１４の単一変調周波数が用いられる。次いで、植物１０２から発せられた光が検出される。検出ステップＳ７１６においては、変調信号の位相が考慮される。例えば、変調信号が矩形波である場合には、伝達関数と比較可能にするために、同一エッジ（立ち上がり又は立ち下がり）上での測定に関連付けられ、或いは変調信号が正弦波信号である場合には、検出が毎回同じ位相で行われることになる。光は、入力光に対する植物の応答を備えている。例えば、検出光は、植物１０２からの蛍光を備えている。ステップＳ７１８においては、検出光及び特定の光特性を有する特定の光の設定の伝達関数に関する情報（例えば、オフセット光強度／スペクトル、光強度変調振幅／スペクトル、並びに、振幅／スペクトル、信号形態、さらには信号形態の検出された位相といった変調信号の諸特性）に基づいて、伝達関数パラメータ、すなわち位相及びゲインが決定される。ステップＳ７２０において、これら伝達関数パラメータ、すなわち位相及びゲインが、既知の生育状況及び光特性で決定された予め設定された伝達関数又は位相及びゲインと比較されることにより、伝達関数パラメータ、すなわち位相及びゲインから、生育状況が決定される。本方法は、生育を調整するために調光が必要な場合には、ステップＳ７０８に移行し、続いてステップＳ７０２に復帰する。

図８は、ｘ軸上に光適応のレベル（すなわちストレスレベル）をとり、ｙ軸上にオフセット光強度をとった伝達関数の例示的な表である。光適応のレベルは、（それぞれが伝達関数（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６）を表わす）箱に対応して、低（低レベルＬ）、中（中レベルＭ）、高（高レベルＨ）に分類されることに留意されたい。前記箱は、いずれの光適応のレベル（Ｌ，Ｍ，Ｈ）に収まるか、及びいずれの伝達関数（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６）が有効か、を示している。例えば、決定された伝達関数がＧ４の場合、植物は、「中」の光適応（或いは対応するストレスレベル）であると結論付けることが可能である。代替的に或いは追加的に、決定された伝達関数がＧ５である場合には、植物は、「中」の光適応（或いは対応するストレスレベル）であり、オフセット光強度が範囲８０２に収まっていると結論付けることが可能である。さらなる例として、伝達関数がＧ１は、「低」レベルの光適応であり、８０４から８０５までの範囲、例えば、８０μＥ（８０４）から２５０μＥ（８０５）に収まり、伝達関数Ｇ４の高いオフセット光強度レベル８０６は、例えば、５００μＥであってもよい。水分レベル、栄養分レベル、ＣＯ_２レベル等について対応する伝達関数に関し、図８に示したものと同様の表を得ることができる点に留意されたい。

下記の表は、伝達関数及びそのパラメータに影響を及ぼす要因を非網羅的に要約している。例えば、スペクトルとオフセット光全体の強度とのいずれかのばらつきは、伝達関数のパラメータに影響する。入力光の変調の種類は、強度（すなわち、変調の全振幅又はオフセット強度と変調振幅の組合せ）や変調された入力光のスペクトルと同様に、伝達関数に影響を及ぼす。変調の種類は、ステップパルス、ＰＲＢＳ（ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ ｂｉｎａｒｙ ｓｅｑｕｅｎｃｅ：擬似ランダムバイナリシーケンス）信号、矩形波のうちの１つといった広帯域信号の場合がある。しかしながら、入力光は、特定範囲の周波数成分を有するあらゆる任意の波形を備えていてもよく、特定の位相を有していてもよい。

制御ユニット１０８は、アナログコンピュータ又は時間離散コンピュータであってもよく、汎用プロセッサ、アプリケーション特定プロセッサ、処理コンポーネントを含む回路、分散処理コンポーネント群、処理用に構成された分散コンピュータ群を含んでいる。プロセッサは、データ又は信号処理を行うための、或いはメモリに記憶されたコンピュータコードを実行するためのあらゆる個数のハードウェアコンポーネントであってもよく、或いは該ハードウェアコンポーネントを含んでいてもよい。メモリは、本明細書で説明された様々な方法を完了又は容易にするためのデータやコンピュータコードを記憶するための１つ以上の装置であってもよい。メモリは、揮発性メモリ又は不揮発性メモリを含んでいてもよい。メモリは、データベースコンポーネント、オブジェクトコードコンポーネント、スクリプトコンポーネント、その他、本記載の様々な活動を支援するためのあらゆる種類の情報ストラクチャを含んでいてもよい。

さらに、光強度変調成分を含む入力光を植物に照射するステップと、前記植物から発せられた光を検出するステップと、前記植物の周囲の、前記入力光の静的要素であるオフセット光強度を決定するステップと、前記入力光及び検出光間の位相及びゲインを決定するステップと、前記入力光及び検出光間の予め設定された関係に基づいて、植物の生育状況を決定するステップとを実行するために、制御ユニットを制御するためのコンピュータプログラム製品が提供される。

本発明は、方法、システム、及びあらゆる機械読み取り可能な媒体にあって種々の動作を達成するプログラム製品を想定している。本発明の実施形態は、既存のコンピュータプロセッサ、又は適切なシステムの専用のコンピュータプロセッサ、有線システムによって、実現可能である。本発明の範囲内の実施形態は、機械実行可能命令又はデータ構造を記憶し、保持する機械読み取り可能な媒体を備えたプログラム製品を含んでいる。このような機械読み取り可能な媒体は、汎用又は専用のコンピュータ又はプロセッサを備えた他のマシンによってアクセス可能なあらゆる利用可能媒体と可能である。例として、このような機械読み取り可能な媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、若しくは他の磁気記憶装置、又は機械実行可能命令、又はデータ構造の形で所望のプログラムコードを搬送又は格納するのに使用可能であり、しかも汎用若しくは専用のコンピュータ又はプロセッサを備えた他の機械によってアクセス可能である任意の他の媒体を備えていてもよい。情報がネットワーク又は他の通信接続（有線若しくは無線、又は有線と無線との組合せのいずれか）を介して転送されるか又は提供される場合、その機械は、当該通信接続を機械読み取り可能な媒体として適切に認識する。このように、あらゆる通信接続が、適切に機械読み取り可能な媒体となり得る。上述した組み合わせもまた、機械読み取り可能な媒体の範囲内に含まれる。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ又は専用処理機械が所定の機能又は機能群を実行する命令及びデータを含んでいる。

制御ユニットは、好ましくは、マイクロプロセッサ又は他の任意の種類のコンピューティング装置である。同様に、コンピュータ読み取り可能媒体は、取り外し可能な不揮発性／揮発性ランダムアクセスメモリ、ハードディスクドライブ、フロッピディスク（登録商標）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ、ＳＤメモリカード、又は当該技術分野で知られている同様のコンピュータ読み取り可能媒体のいずれか１つを含むあらゆる種類の記憶装置であってもよい。図では、特定順序の方法ステップを示しているが、ステップの順序は、図示されたものとは異なるものであってもよい。複数のステップが、同時に又は部分的に同時に実行されてもよい。そのようなバリエーションは、選択されたソフトウェア及びハードウェアシステム、並びに設計者の選択に依存する。そのような全てのバリエーションは、本発明の範囲内のものである。同様に、様々な接続ステップ、処理ステップ、比較ステップ及び決定ステップを達成するために、ルールベースロジックや他のロジックを有する標準的なプログラミング技術を用いて、ソフトウェアの実装を行うことも可能である。

加えて、特定の例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には、多くの異なる変更、修正等が明らかになるであろう。開示された各実施形態の変形例は、図面、発明の詳細な説明、添付の特許請求の範囲を検討することにより、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されるであろう。さらに、特許請求の範囲において、「備え」という語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、「ａ」又は「ａｎ」という不定冠詞は、複数を除外するものではない。

Claims (17)

1. クロロフィルを備えた植物の生育状態を決定する方法であって、
   光強度変調成分（２０５，２０６，２０７，２０８）を含む入力光で前記植物（１０２）を照射するステップと、
   前記植物から発せられた光を検出するステップと、
   前記植物の周囲の前記入力光の静的成分であるオフセット光強度（２０４）を決定するステップ（Ｓ７０２）と、
   前記入力光と検出した前記光との間の位相及びゲインを決定するステップ（Ｓ７１８）と、
   前記入力光及び検出した前記光における予め設定された関係と、前記位相及び前記ゲインとに基づいて、植物の生育状況を決定するステップと
   を備えている方法。
2. 前記植物から発せられる光は、蛍光である請求項１に記載の方法。
3. 前記オフセット光強度（２０４）は、非零である請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記オフセット光強度を決定するステップは、
   前記オフセット光強度を測定するステップと、
   発光装置（１０４）から照射される人工光を制御することにより前記オフセット光強度を制御するステップと、
   植物の生育状況を決定し、さらに決定された生育状況を予め設定されたオフセット光強度と関連付けるステップと
   の少なくともいずれか１つを備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記光強度変調成分は、繰り返し周波数を有する周期変調信号である請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記オフセット光強度のスペクトル分布に基づいて前記光強度変調成分のスペクトル分布を選択するステップをさらに備えている請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記光強度変調成分のスペクトル分布及び前記静的成分のスペクトル分布の少なくともいずれか一方は、植物の蛍光波長を除外したものである請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記予め設定された関係は、伝達関数であって、前記伝達関数は、
   多重変調周波数を有する光強度変調成分を有する入力光で植物を照射するステップと、
   植物から発せられた光を検出するステップと、
   システム同定法を使用して、複数の伝達関数パラメータの組を決定するステップと
   によって決定される１組の伝達関数パラメータを備えたものである請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 生育状況と入力光とのマッピングのために、予め設定された１組の伝達関数を決定するステップをさらに備えている請求項８に記載の方法。
10. 前記伝達関数は、既知のオフセット光強度、及び既知の光強度変調から決定される請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記光強度変調成分は、多重変調周波数を有し、本方法は、前記入力光と検出した前記光との間の伝達関数パラメータを含む検出された伝達関数を決定するステップと、前記検出された伝達関数から位相及びゲインを決定するステップとをさらに備えている請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記生育状況を決定する前記ステップは、予め設定された伝達関数のパラメータ値と比較されたパラメータ値の変更であって、当該植物のストレスのレベルを示すものを決定するステップを備えている請求項１１に記載の方法。
13. 前記光強度変調成分は、０．００１ｒａｄ／ｓから１００ｒａｄ／ｓまでの範囲の周波数を有する変調信号である請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記光強度変調成分は、ＰＲＢＳ（擬似ランダムバイナリシーケンス）信号とランダム広帯域信号から選択されるものである請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記入力光と検出した前記光との間の決定された位相又はゲインに基づいて、前記位相又は前記ゲインを変調するために前記オフセット光強度を制御する請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法と、
    決定された前記植物の生育状況と前記植物の所望の生育状況とに基づいて、前記植物の生育を前記所望の生育状況に調整するために前記入力光の特性を制御するステップと
    を備えている植物の生育の制御方法。
17. 植物の生育状況を決定するシステム（１００，５００）であって、
    前記植物に向けて光を照射するように構成された少なくとも１つの発光装置（１０４）と、
    前記植物から発せられた光を検出する少なくとも１つの光センサ（１１０）と、
    人工光及び何らかの環境光を含む、前記植物の周囲のオフセット光強度を決定する手段と、
    前記少なくとも１つの発光装置を制御可能であるとともに、前記少なくとも１つの光センサが検出した当該光に関連する情報を受信するように構成された制御ユニット（１０８）であって、制御ユニット（１０８）は、
    入力光を生成する前記オフセット光強度とともに光強度変調成分を照射するために、前記少なくとも１つの発光装置を制御し、
    前記入力光と検出した前記光との間の位相及びゲインを決定し、
    前記入力光と検出した前記光との予め設定された関係と、前記位相と前記ゲインとに基づいて、植物の生育状況を決定するように構成されているシステム。