JP6817284B2

JP6817284B2 - 近赤外及び可視光による植物の育成及び発育の刺激方法及び装置

Info

Publication number: JP6817284B2
Application number: JP2018502051A
Authority: JP
Inventors: ワシレンコ，ウラジミール
Original assignee: ヴィータビームリミテッド
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: US20180054974A1; CA2990334A1; EP3278020B1; CN107614973A; MX2017012255A; EP3278020A4; IL254649A0; WO2016154570A1; JP2018510656A; IL254649B; ES2909626T3; PL3278020T3; EP3278020A1; KR20170139551A; IL254649B2

Description

優先権
本出願は、２０１５年３月２５日に出願された米国仮出願第６２／１３８，１３２号の優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、園芸及び農業用植物のための育成光を提供することに関する。
より具体的には、本発明は、植物の育成、生産及び健康を助長するための近赤外光の使用に関する。

赤外光は目に見えない「黒い」光であり、赤外光は太陽光スペクトルの一部である。赤外光は、電磁スペクトルの可視部分とマイクロ波部分との間にある。赤外光は、可視光が赤色光から紫色までの波長を有するのと同様に、ある範囲の波長を有する。赤外光は、「近赤外」領域と「遠赤外」領域に分けることができる。「近赤外」光は、波長において可視光に最も近く、「遠赤外」は、電磁スペクトルのマイクロ波領域に近い。近赤外光は、波長領域７５０ｎｍ〜１４００ｎｍの可視赤色光をちょうど超える光からなる。遠赤外波が熱波である一方で、近赤外波は熱波ではない。言い換えれば、我々は、毎日赤外線を熱の形で経験する。人、動物、そして無生物が赤外光を放射し、地球、太陽、星や銀河のような遠く離れた物体も赤外光を放射する。しかし、地球上の近赤外線（ＮＩＲ）の重要性は、今まで科学者にとってさえも謎であった。

２０年近くにわたり、本発明者は生物学、農業、食品生産、腐敗しやすい製品の保管の異なる分野における赤外光の応用の理論と実践を開発してきた。彼の最近の研究は、ＮＩＲが生存生物に与える影響を理解する新しいビジョンを開く。現在、ＮＩＲは、植物及び動物のいくつかの重要な情報プロセスのメッセンジャーであることが明らかになっている。

ＮＩＲは、異なるレベルで生物に影響を与える。ＮＩＲの電磁気的影響は、組織及び臓器レベルで影響を及ぼし、以下の影響を引き起こす。
１．未知の赤外光受容体のトリガー及びその形質導入鎖、
２．細胞内のイオンの流入、
３．呼吸数の増加、
４．植物ホルモン濃度の変化、ならびに
５．遺伝子発現の変化−代謝、育成及び他のマクロ効果。

ＮＩＲは量子レベル（原子レベル及び分子レベルに影響を及ぼす）ならびに植物の細胞及び組織レベルに作用する。

近赤外光の使用は、種子の発芽を改善することが知られている。特許文献１は、種子を近赤外光で、任意に赤色光と組み合わせて処理することを開示している。典型的には、８００〜１０００ｎｍの範囲の波長を有する種子の処理は、様々な園芸植物種の種子の発芽を改善した。さらに、種子がＮＩＲで照射されたときに苗木の活力が向上した。照射の典型的な持続時間は、１〜１０分であった。

植え付けから１２０時間にわたり連続的に９３５ｎｍまたは８８０ｎｍのＮＩＲでカラスムギ苗木を照射することもまた、植物発育に影響を及ぼすことが示されている（非特許文献１）。８８０ｎｍ照射の存在下で育成させた苗木は、暗所で育成した苗木（照射なし）と比較して短く、中胚葉組織の割合が低い一方で、９３５ｎｍで育成した苗木は、照射なしで育成したものよりも中胚葉組織が少なく生長腺組織が多かった。

したがって、たとえ近赤外が電磁スペクトルの可視領域と遠赤色領域の外側にあるため、植物に影響を及ぼさないと仮定されていたとしても、近赤外光は植物発育において活発な役割を果たし得ると思われる。実際、近赤外光は植物にとって有害であることが提案されており（特許文献２）、そのため、例えば、日本特許出願である特許文献２は、スペクトルの近赤外部分が植物から離れる方に故意に向けられる照明システムを開示している。

近赤外光は植物組織の温度に有意に影響を及ぼさないので、温度とＮＩＲの効果との間の、植物への直接的関係は存在しない。健康な植生は青色光と赤色光のエネルギーを吸収して光合成を促進し、葉緑素を生成する。より多くの葉緑素を持つ植物は、不健康な植物よりも多くの近赤外エネルギーを反射する。したがって、可視及び赤外波長における吸収及び反射の両方の植物のスペクトルを分析することは、植物の健康及び生産性に関する情報を提供し得る。

したがって、近赤外光が植物の育成及び発育に影響を与えていることが示されていても、近赤外光の植物の育成及び発育における役割は多少不明である。多くの当事者は、ＮＩＲが植物の育成を阻害する可能性があると考えており、これは、本開示の驚くべき知見に反している。その結果、近赤外光は、商業用植物育成照明システムでは使用されない。さらに、可視光と近赤外光との組み合わせは、試験されていない。また、恐らく部分的には「役に立たない」または「有害」であるという受け入れられた概念により、ＮＩＲの連続照射も、オプションとして考慮されてもいない。

温室における商業的な植物栽培は、今日の世界の主な工業的活動である。野菜、果物、花の年間生産は、期待される水準である。また現地生産は、今日高く評価されている傾向である。したがって、消費者を満足させるために、温室及び人工光の下で植物を生産することが必要となっている。エネルギーコストが高いことを考えると、生産者は、品質を損なうことなく生産を増加させるあらゆる解決策を当然期待する。これらの理由から、植物の生産性及び健康を改善するための照明システムが絶えず必要とされている。

本発明は、温室及び他の人工的に照明された建物の環境において植物の生産を増加させる方法及びデバイスを提供する。

英国特許第２３０３５３３号明細書特開２０１１−００００１２号公報

C.F.Johnson et al.; Photochem. Photobiol. 1996, 63(2): 238-242

一般に、本発明は、上述の問題及び本明細書に開示された方法及びデバイスを使用することによって明示的に述べられていない他の問題を解決する。

したがって、本発明の目的は、１つ以上のＬＥＤ／ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）素子または他の光生成技術からの近赤外光を植物に、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、ある態様では８００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲、他の態様では８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲、及びいくつかの態様では８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内を有する近赤外照射（ＮＩＲ）で照射することを含む植物の育成及び生産の刺激方法を提供することである。

本発明の別の目的は、１つ以上のＬＥＤ素子からの近赤外照射（ＮＩＲ）で、好ましくは８４０ｎｍ〜９６０ｎｍに及ぶ近赤外光波長で、好ましくは１日当たり少なくとも２時間、より好ましくは８、１２または１６時間のサイクルで、植物を照射することを含む、植物の育成及び生産の刺激方法を提供することである。連続的なＮＩＲ照射も可能である。

本発明のさらに別の目的は、植物を１つ以上のＬＥＤ素子からの近赤外光で照射することと、光合成有効放射（ＰＡＲ）、及び場合により１つ以上のＬＥＤ素子から放射される３８０ｎｍ〜７００ｎｍの白色光スペクトルから選択される様々な波長の組み合わせによる同時照射をすることとを含む、植物の育成及び生産の刺激方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、植物を、８００ｎｍ〜１０００ｎｍ、８００〜９５０ｎｍまたは８４０〜９６０ｎｍの範囲の近赤外光を有する１つ以上のＬＥＤ素子からの近赤外光で照射すること、及び４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の温白色光（３０００〜３５００Ｋ）と冷白色光または冷昼白色光（５０００〜７０００Ｋ）との組み合わせによる同時照射をすることを含む植物の育成及び生産の刺激方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、方法が近赤外及び３８０ｎｍ、４５０ｎｍ、６００ｎｍ及び６６０ｎｍなどの白色光スペクトルからの波長の選択された組み合わせで照射することを含む、植物の育成及び生産を刺激するための方法を提供し、近赤外ＬＥＤ素子の放射出力は全放射出力の少なくとも５％である。

本発明のさらに別の目的は、方法が、近赤外及び白色光スペクトルからの波長の選択された組み合わせで照射することを含む、植物の育成及び生産を刺激するための方法を提供し、近赤外ＬＥＤ素子の放射出力が少なくとも５％であり、波長の選択は、波長範囲４００ｎｍ〜７００ｎｍのＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、紫色、青色、緑色、橙色及び赤色の組み合わせである。

本発明のさらに別の目的は、近赤外及び４５０ｎｍ、６６０ｎｍ及び７３０ｎｍなどの白色光スペクトルからの選択された波長の組み合わせを用いて培地上に移入された外植片を照明することにより、インビトロ植物の増殖を改善する方法及びデバイスを提供することである。ＵＶＡ及び／またはＵＶＢ光を組み合わせに加えることができる。

本発明の別の目的は、植物を近赤外及び白色光スペクトルからの選択波長の組み合わせで照射することによって、植物の開花を向上させ、刺激し、延長する方法及びデバイスを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、植物を近赤外、赤色光及び青色光の組み合わせで照射することにより、医療用***の育成及び生産を刺激する方法及びデバイスを提供することである。光選択はまた、ＵＶ−Ｂ及び／またはＵＶ−Ａ照射によって修正することもできる。

本発明のさらに別の目的は、ＮＩＲ波長のスペクトルを使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、デバイスは、１つ以上のＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子用の電力を備え、前記ＬＥＤ素子は、近赤外ＬＥＤ素子、好ましくは８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の赤外ＬＥＤ素子を含む。

本発明の別の目的は、白色光スペクトルからの波長の選択された組み合わせと組み合わせてＮＩＲを使用してインビトロ小植物体を照射するためのデバイスを提供することである。

本発明のさらなる目的は、ＮＩＲ光を使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、このデバイスは、１つ以上のＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子用の電力を備え、前記ＬＥＤ素子は、近赤外ＬＥＤ素子及び白色光素子を含み、白色及び近赤外ＬＥＤ素子は、好ましくは長尺パネルまたはストリングに長尺方向に交互に含まれる。

本発明のさらに別の目的は、ＮＩＲを使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、このデバイスは、１つ以上の近赤外ＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子用の電力を含み、前記ＬＥＤ素子は、近赤外ＬＥＤ素子及び白色光素子を含み、白色及び近赤外ＬＥＤ素子は、好ましくは長尺パネルまたはストリングに長尺方向に交互に含まれ、デバイス内の白色光ＬＥＤ素子の数は近赤外素子の数よりも多い。

本発明の別の目的は、ＮＩＲを使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、このデバイスは、１つ以上のＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子用の電力を備え、前記ＬＥＤ素子は、赤外ＬＥＤ素子及び白色光素子を含み、白色及び近赤外ＬＥＤ素子は、好ましくは長尺パネルまたはストリングに長尺方向に交互に含まれ、近赤外ＬＥＤ素子の放射出力は全放射出力の５％〜２５％の範囲である。

本発明のさらなる目的は、光合成有効放射（ＰＡＲ）の他の色と組み合わせて、スペクトル内のＮＩＲ波長を使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、このデバイスは、育成段階の植物の必要性に応じてまたはスペクトル内のより多くの赤色もしくは青色または近赤外光線を可能にする暗／明サイクルの時間に基づいて光スペクトルを調整することを可能にする。

本発明のさらに別の目的は、ＰＡＲの他の色と組み合わせて、スペクトル内のＮＩＲ波長を使用して植物を照射するデバイスを提供することであり、このデバイスは、太陽光スペクトルの自然の日々の変化に応じてスペクトル内の赤色、青色、緑色または近赤外波長のパーセンテージを自動的に変化させるか、または２４時間サイクル内の時間帯に応じて光をオン及びオフにして、光スペクトルを調整することを可能にする。

これらの実施形態及び他の実施形態は、以下の図面及び説明と共によりよく理解されるであろう。

本発明の様々な態様を、例として、添付の図面を参照して説明する。

健康及び不健康な植生の反射率を示す。ＮＩＲ領域では、不健康な植物は健全な植物よりもはるかに少なく反射されていることが分かる。これは、ＮＩＲ波長の吸収が健康な植物によるよりも不健康な植物による方が高いことを意味する。不健康な植物は、その損傷の程度によって、ＮＩＲ領域の光の最大６０％を吸収する可能性がある。市販の育成光の典型的なスペクトルを示す。現在の技術レベルでは、緑色と黄色の光がない照明システムが提供されており、現在のシステムにはＮＩＲが含まれていない。本発明の一態様による育成光のスペクトルの例を示す。このスペクトルには、冷白色（５０００Ｋ）及び温白色（３５００Ｋ）ＬＥＤ及びピークが約９３０ｎｍの８７５〜９７５ｎｍで発光する近赤外ＬＥＤ素子が含まれる。本発明の一態様の近赤外ＬＥＤ素子によるスペクトル及び放射出力の例を示す。ＬＥＤは７７５〜９２５ｎｍで発光し、ピークは８５０ｎｍである。８８０ｎｍにおけるピーク放射を有する標準的な近赤外ＬＥＤのスペクトル及び放射出力の例と、同様に８８０ｎｍのピークを有する点光源放射体とを示しており、これらの両方は、本開示のデバイス及び方法において使用され得る。本発明の冷白色ＬＥＤ素子の一実施形態のスペクトル及び放射出力の例を示す。これらの素子は、近赤外ＬＥＤ素子（例えば、図４及び図５）及び／または温白色ＬＥＤ素子（例えば、図７）と組み合わせて使用される。本開示の温白色ＬＥＤ素子の一実施形態のスペクトル及び放射出力の例を示す。これらの素子は、近赤外ＬＥＤ素子（例えば、図４及び図５）及び／または冷白色ＬＥＤ素子（例えば、図６）と組み合わせて使用される。白色光が、ＰＡＲスペクトルの様々な色の多数のＬＥＤ素子から放射されたスペクトルを含み、ＮＩＲが、異なる波長を有するいくつかの近赤外ＬＥＤ素子から放射される、本発明の一実施形態の一例を示す。本開示による育成光デバイスの例を示す。このデバイスは、近赤外ＬＥＤ素子及び白色ＬＥＤ素子を含み、白色ＬＥＤ素子は、同じ波長または異なる波長を放射することができ、図６のようなスペクトルを放射する冷白色ＬＥＤ素子であってもよく、または図７のようなスペクトルを放射する温白色ＬＥＤ素子であってもよい。本発明による育成光デバイスの実施形態を示す。このデバイスは、近赤外ＬＥＤ素子と白色ＬＥＤ素子とを備え、デバイスは可撓性である。フクシア植物の樹冠内部の図９に示すようなハイブリッドＮＩＲ／ＬＥＤを示す。ＮＩＲ及び光合成有効放射の種々の植物種の苗木の育成速度に対する効果を示す。曲線は、小麦、トウモロコシ、ゼラニウム及びフクシア苗木で得られた代表的な結果を表す。

定義
遠赤外とは、１４００ｎｍを超える波長を意味する。

近赤外は、波長７５０〜１４００ｎｍを意味する。

可視光とは、波長３９０〜７５０ｎｍを意味する。

光合成有効放射（ＰＡＲ）とは、波長４００〜７００ｎｍを意味する。

青色光とは、波長３８０〜４９５ｎｍを意味する。

紫外光とは、波長１０〜３８０ｎｍを意味する。

紫外Ａ光とは、波長３５０〜４００ｎｍを意味する。

紫外Ｂ光とは、波長２８０〜３１５ｎｍを意味する。

橙色光とは、波長５９０〜６２０ｎｍを意味する。

赤色光とは、波長６００〜７００ｎｍを意味する。

遠赤色光とは、波長７００〜７５０ｎｍを意味する。

緑色光とは、波長４９５〜５９０ｎｍを意味する。

黄色光とは、波長５７０〜５９０ｎｍを意味する。

冷白色光とは、５０００〜６０００Ｋの相関色温度^＊を有する光を意味する。

温白色光とは、２７００〜３５００Ｋの相関色温度を有する光を意味する。
^＊照明における相関色温度（ＣＣＴ）は、Ｋｅｌｖｉｎｓ（Ｋ）で測定された光の色がどのようにランプから見えるかを表す。

本明細書では、用語「ＬＥＤ」、「ＬＥＤ素子」及び「発光ダイオード」は互換的に使用され、無機、有機、点状、または線状であるすべての既知の形態の発光ダイオードを指す。本発明の一態様では、ＬＥＤは広角素子であり、スポットライトではなく均一に広がった光を供給するＬＥＤを指す。ＬＥＤは高出力で使用され、連続的に放射することができる。

本発明は、人工ＬＥＤ光を使用して植物を育成する方法に関する。この方法は、近赤外と可視光の組み合わせを用いて植物を照射する照明システムを提供することを含む。他のタイプの育成光と比較して、本発明の方法及びデバイスは、独自のスペクトルのために植物をより迅速に育成させるのに役立つ。葉緑素及びカロチノイド及びフィトクロムに対する複数の吸収ピークが存在し、本発明の光及びデバイス（本明細書ではＶｉｔａｂｅａｍＧＲＯＷ（商標）と呼ばれる）は、これらのピークと重なる特別な波長の光線を使用する。デバイスは、植物の典型的な光化学プロセスの吸収ピークに対応する光の波長を放射する。

近赤外光は、リモートセンシングに広く使用されている。リモートセンシングは、植生の検出、育成の段階及び植生の健康に使用されてきた。不健康な植物は、はるかに少ないＮＩＲしか反射しないが、健康な植物は、そのほとんど（約８０％）を反射するため、近赤外スペクトルを使用することによって同定することができる。したがって、植物のストレスは、ＮＩＲ反射率の漸進的減少によって示される。これを図１に模式的に示す。この情報に基づいて、緑色植物は、それらの育成、発育及び損傷組織の修復に関連する特定の生理学的及び生化学的プロセスのためにＮＩＲ光を必要とするようである。これは、不健康な植物がより多い近赤外光を必要とする理由であり、より少ない量が放射されるからである。ＮＩＲは植物及びその損傷組織における代謝を、恐らく動物及びヒトの組織で行われるのと同様の方法で活性化する。ＮＩＲ作用の機構の１つは、ミトコンドリア内に位置する細胞の呼吸システムを含む。しかし、上述したように、ＮＩＲは植物にとって「役に立たない」または「有害」とみなされてきた。

光合成有効色素は、約６００〜７００ｎｍの赤色光を吸収する。フィトクロムは、植物の光感知に必須であることが知られており、赤色光及び遠赤色光（約７５０ｎｍ）を吸収する。いくつかの植物色素は、青色光領域の光を吸収する。緑色光は、可視光の中で最も活性が低いことが知られている。これらの理由から、植物に供給される育成光は、通常、青色光及び赤色光、時には遠赤色光、及び通常は緑色光がない波長を含むスペクトルを有する。図２は、市販の照明システムの典型的なスペクトルを示す。ＮＩＲを吸収する特定の色素は知られていない。

より最近では、異なる発育段階の植物が異なる赤色／青色比で良好に育成することを示す研究がなされている。国際公開第２０１３／１８８３０３号は、植物の発育段階に応じて赤色と青色の比率を変更することができる照明システムを示している。

白色光スペクトルから選択された色スペクトルの組み合わせにおいてＮＩＲ放射の使用を示す商業的に入手可能な照明システムまたは開示はない。照射期間または照射期間の選択された部分を通してＮＩＲのレベルを維持しながら、色スペクトルが日中に変化するシステムは開示されていない。

この開示は、ＮＩＲがスペクトルの本質的な部分である照明システムを提供する。図３を参照すると、本発明による育成光のスペクトルの一例が示されている。このスペクトルには、冷昼白色（５０００〜７０００Ｋ）及び温白色（３０００〜３５００Ｋ）ＬＥＤならびにピークが約９３０ｎｍの８７５〜９７５ｎｍを放射する近赤外のＬＥＤ素子を含む。ＮＩＲ波長は、８００ｎｍ〜９００ｎｍ、または８００ｎｍ〜９５０ｎｍであってもよい。

ＮＩＲ放射は、図４に示すような発光スペクトルを有する近赤外ＬＥＤ素子によって提供され、８５０ｎｍにピークを有する。ＮＩＲ放射は、図５に示すように、８８０ｎｍにピークを有する近赤外ＬＥＤまたは８８０ｎｍにピークを有する光源発光体によって提供され得る。ＮＩＲ放射ピークは、波長８５０ｎｍ〜９６０ｎｍにあり得る。

本発明の照明システムはさらに、図６に示されるような可視光スペクトルを有し、可視スペクトルは冷白色スペクトル（波長３８０ｎｍ〜７５０ｎｍ）であるか、図７に示されるように可視光スペクトルは温白色スペクトル（波長４２０〜７２０ｎｍ）である。例として、２つのスペクトルの組み合わせ（２種類の白色ＬＥＤライト）は、植物の光合成、最適な育成及び収量のためのほとんどの要求事項に適合する「普遍的な」スペクトルを与える。

可視スペクトルはまた、図８に示すように、ＰＡＲスペクトルの様々な色の多数のＬＥＤ素子から放射されたスペクトルから構成されてもよい。同様に、ＮＩＲスペクトルは、例えば図８に示されるような異なるピーク波長を有する様々な近赤外ＬＥＤから放射されるＮＩＲから構成されてもよい。

本発明のいくつかの態様では、本開示の照明システムは、紫外光も含むことができる。紫外光は、３５０〜４００ｎｍの波長であり得る。いくつかの態様では、紫外Ｂ光は、紫外線Ａ光の有無にかかわらず含まれてもよい。

図９を参照すると、本発明による育成光デバイスは、１つ以上の近赤外ＬＥＤ及び１つ以上の白色ＬＥＤからなるＬＥＤチューブであってもよい。好ましくは、白色ＬＥＤの数は、近赤外ＬＥＤの数よりも多い。

図１０は、育成光デバイスが可撓性材料上に作られたデバイスの変形例を示す。これにより、植物の樹冠内に光を位置させることができ、小さなまたは不規則な空間でデバイスを使用することが可能になる。１つの態様によれば、色ＬＥＤ及び近赤外ＬＥＤ素子は、長尺パネルまたはストリングに交互に長尺方向にデバイスに含まれる。

近赤外ＬＥＤ素子の数及びデバイス内の白色光ＬＥＤ素子の数は、デバイスの形態及びそれらが使用される用途に応じて変化し得る。１つの態様では、白色光ＬＥＤ素子の数は、近赤外ＬＥＤ素子の数よりも多い。

近赤外ＬＥＤ素子に対する白色光ＬＥＤ素子の比率は、用途及びデバイスの形態に応じて変化し得る。好ましくは、白色ＬＥＤの数は、近赤外ＬＥＤ素子の数の４〜２０倍多い。いくつかの態様では、白色光ＬＥＤの数は、近赤外ＬＥＤ素子の数の５〜１５倍多い。本発明の１つの態様では、青色、黄色、緑色及び赤色などの色ＬＥＤ素子の数は、近赤外ＬＥＤ素子の数の４倍〜２０倍多い。いくつかの態様では、色ＬＥＤの数は、近赤外ＬＥＤ素子の数の５〜１５倍多い。

ＬＥＤの電力出力は、任意の都合のよい方法で調整することができる。一実施形態では、出力は、特定の波長の種類ごとに調整される。ＬＥＤの放射出力は、好ましくは少なくとも１０ｍＷ、より好ましくは少なくとも５０ｍＷ、少なくとも１００ｍＷ、少なくとも５００ｍＷまたは少なくとも１Ｗである。より好ましくは、ＬＥＤは、少なくとも５Ｗ、少なくとも１０Ｗ、少なくとも１５Ｗ、少なくとも２０Ｗ、少なくとも２５Ｗ、少なくとも３０Ｗ、少なくとも３５Ｗ、または少なくとも４０Ｗの放射出力を有する高出力ＬＥＤである。一実施形態では、ＬＥＤは、連続モードで、少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも２００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも３００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも４００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも５００ｍＷ／ｃｍ^２または少なくとも１０００ｍＷ／ｃｍ^２の光強度を有する高出力ＬＥＤ素子である。温室では、補助ＰＡＲレベルは、シダ及び他の低光作物については３Ｗ／ｍ^２から、野菜作物及び増殖エリアについては２０Ｗ／ｍ^２に及ぶことが好ましい。例えば、デバイスは、少なくとも２Ｗ／ｍ^２、より好ましくは５Ｗ／ｍ^２または１０Ｗ／ｍ^２で１８時間または少なくとも１５Ｗ／ｍ^２または少なくとも２０Ｗ／ｍ^２の、または少なくとも５０Ｗ／ｍ^２または少なくとも１００Ｗ／ｍ^２で作物を照射する。露光持続時間は、少なくとも２時間、好ましくは少なくとも８時間、より好ましくは少なくとも１２時間、最も好ましくは１６時間、１８時間または２４時間である。

白色ＬＥＤは、異なる波長を放射することができる。図６のような冷白色ＬＥＤ発光スペクトルが存在してもよいし、図７のような温白色ＬＥＤ発光スペクトルが存在してもよい。

本発明の一態様では、放射されるＮＩＲは８００〜１０００ｎｍの範囲にある。好ましくは、ＮＩＲは８４０及び９６０ｎｍの範囲にある。本発明のいくつかの態様では、ＮＩＲは、８６０〜９００ｎｍの範囲にある。

一実施形態によれば、ＮＩＲは、４００〜７００ｎｍの波長で温白色光（３０００〜３５００Ｋ）及び冷白色光（５０００〜７０００Ｋ）と組み合わせて提供される。白色光を生成するには２つの方法がある。１つの方法は、いくつかの色のＬＥＤ（図８）からの光を混合して、白色に見えるスペクトル出力分布を作り出すことである。

白色光を生成するための別のアプローチは、短波長ＬＥＤと共に蛍光体を使用することである。例えば、ＬＥＤに使用される１つの蛍光物質が青色光によって照射される場合、それはかなり広いスペクトル出力分布を有する黄色光を放射する。ピーク波長が約４５０〜４７０ｎｍの青色ＬＥＤの本体に蛍光体を組み込むことにより、青色光の一部は蛍光体によって黄色光に変換される。残りの青色光は、黄色光と混合すると白色光となる。新しい蛍光体は、図６及び図７に示すように、演色性を改善するために開発されている。

本発明の一態様によれば、近赤外ＬＥＤ素子の放射出力は、全出力の１〜５０％である。より好ましくは、出力近赤外ＬＥＤ素子は、少なくとも２％、より好ましくは少なくとも５％、最も好ましくは５〜２５％である。

本発明の１つの態様によれば、本発明のデバイスは、植物の必要に応じて光スペクトルを調整することにより、スペクトル内により多くの赤色または青色または近赤外光線を可能にする。この調整は、植物の発育段階に基づいて、または太陽光の日々の自然な変化に基づいて、または時間帯に基づいて、手動または自動で行うことができる。本発明の一態様によれば、ソフトウェアがリレー回路基板のプログラミングを可能にする照明システムに提供される。１つの態様によれば、個々のスペクトルは、各特定のスペクトルの強度及び持続時間のカスタマイズを可能にする連続事象によって制御することができる。１つの態様によれば、システムは、２４時間サイクル中の１日の時間に応じて赤色、青色、緑色及びＮＩＲ波長のパーセンテージを自動的に変化させる。デバイスは、スペクトル内の赤色、青色、緑色または近赤外波長のパーセンテージを自動的に変化させる太陽光スペクトルの自然の日々の変化に応じて光スペクトルを調整することができ、または２４時間サイクル内の時間帯に応じて光をオン及びオフにすることができる。１つの態様では、個々のスペクトルは、最大９９９個の時間配列された事象により制御され得、それにより、各特定のスペクトルの要求される強度及び持続時間に対して最大限にカスタマイズすることを可能にする。

本発明は、植物をＮＩＲと可視光との組み合わせで照射することにより、作物の育成、収量及び健康を改善するためのデバイス及び方法を提供する。植物は、農作物、医療植物、または開花植物から選択することができる。植物は、単子葉植物または双子葉植物、藻類またはシダ植物であり得る。植物は、少なくとも次の種、オオムギ、オート麦、ライ麦、トウモロコシ、イチゴ、ブルーベリー、ラズベリー、ジャガイモ、トマト、キャベツ植物、マメ科植物、キュウリ、胡椒、球根植物、***、フクシア、ゼラニウム、菊、バラ、チューリップ、及びアマリリスから選択され得る。様々な他の植物種も、本開示に記載の方法から恩恵を受けることができる。植物は、インビボまたはインビトロで育成させることができ、それらは水耕栽培や土壌で育成可能である。

ＮＩＲ及び可視光の正の効果は、例えば、バイオマスの増加、花または葉の増加、果実または果実の数の増加、植物種での生化学的自然発生の含有量の改善、早期開花、より長続きする開花、及び／またはより早期の作物の生産として評価され得る。

いくつかの実施形態を以下に示す。
項１
植物の育成を刺激する方法であって、１つ以上のＬＥＤ素子からの赤外光、好ましくは８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の近赤外線（ＮＩＲ）で前記植物を照射することを含む方法。
項２
近赤外光波長を有する前記ＬＥＤ素子の放射出力が、８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲である、項１に記載の方法。
項３
前記植物が、１つ以上のＬＥＤ素子から放射された近赤外光及び白色光によって同時に照射される、項１または２に記載の方法。
項４
前記白色光が、波長範囲４００ｎｍ〜７００ｎｍの温白色光（３０００〜３５００Ｋ）と冷白色光（５０００〜７０００Ｋ）との組み合わせである、項３に記載の方法。
項５
前記近赤外ＬＥＤ素子の放射出力が、全放射出力の少なくとも２％、より好ましくは少なくとも５％、最も好ましくは５〜２５％である、項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
項６
前記白色光がＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂならびに４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の紫色、青色、緑色、橙色及び赤色の選択の組み合わせである、項３、４または５に記載の方法。
項７
前記白色光が、ＵＶ−Ａならびに４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の紫色、青色、緑色、橙色及び赤色の選択の組み合わせである、項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
項８
前記植物が、食用植物である、項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
項９
前記植物が、開花種である、項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
項１０
ＮＩＲを用いて植物を照射するためのデバイスであって、前記デバイスが、１つ以上のＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子のための電力とを備え、前記ＬＥＤ素子が、４００〜７００ｎｍのＰＡＲ光波長の色ＬＥＤと、８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の近赤外ＬＥＤ素子とを備えるデバイス。
項１１
前記白色ＬＥＤ素子及び前記近赤外ＬＥＤ素子が、長尺パネルまたはストリング内で交互に長尺方向に含まれる、項１０に記載のデバイス。
項１２
前記デバイスが、可撓性のあるストリングである、項１０または１１に記載のデバイス。
項１３
前記デバイス内の白色光ＬＥＤ素子の数が、近赤外ＬＥＤ素子の数よりも多い、項１０〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。
項１４
白色光ＬＥＤ素子の数が、近赤外ＬＥＤ素子の数の４〜２０倍多い、項１３に記載のデバイス。
項１５
前記近赤外ＬＥＤ素子の放射出力が、全放射出力の５〜２５％の範囲内である、項１０〜１４のいずれか一項に記載のデバイス。
項１６
ＮＩＲ及びＰＡＲの他の色を使用して植物を照射するためのデバイスであって、前記デバイスが、スペクトルにおけるより多い赤色または青色または近赤外光線を可能にする植物の必要に応じて、前記光スペクトルを調整することを可能にする、デバイス。
項１７
前記デバイスが、太陽光スペクトルの自然な日々の変化に応じて前記光スペクトルを調整することを可能にし、これは、前記スペクトルにおける赤色、青色、緑色または近赤外波長のパーセンテージを自動的に変化させるか、または２４時間サイクル内の時間帯に応じて前記光をオン及びオフにする、項１６に記載のデバイス。
項１８
前記調整が、回路ベースのプログラマブル自動化リレー回路基板を前記デバイスに組み込むことによって自動化される、項１６または１７に記載のデバイス。
項１９
個々のスペクトルが、最大９９９個の時系列事象によって制御され得、それによって、各特定のスペクトルの必要とされる強度及び持続時間に対する最大限のカスタマイズを可能にする、項１６〜１８のいずれか一項に記載のデバイス。
本発明はここで、例示的であるが非限定的な例に照らして記載される。

実施例１．ＮＩＲと白色光が植物育成に及ぼす相乗効果
様々な植物種（トマト、小麦、トウモロコシ、フクシア、グラニウムなど）の種子が暗所で発芽した。発芽したら、苗木を図９に示す照明デバイスの下に移した。このデバイスは、近赤外ＬＥＤ素子と、ＰＡＲ波長領域の白色ＬＥＤ素子とを含んでいた。例えば、デバイス内の白色光ＬＥＤ素子の数が近赤外ＬＥＤ素子の数よりも多い、長尺パネルまたは長尺方向のストリングに交互に白色及び近赤外ＬＥＤ素子が含まれるデバイスである。より詳細には、白色光ＬＥＤ素子が３５００ＫのＬＥＤ素子及び６５００ＫのＬＥＤ素子を含み、８５０ｎｍ最大出力（８００ｎｍ〜９００ｎｍ範囲）または８８０ｎｍ最大出力（８００ｎｍ〜９５０ｎｍ範囲）のＮＩＲを含むデバイスである。ＬＥＤ素子の放射出力は、好ましくは少なくとも１０ｍＷ、より好ましくは少なくとも５０ｍＷ、少なくとも１００ｍＷ、少なくとも５００ｍＷまたは少なくとも１Ｗである。より好ましくは、ＬＥＤは、少なくとも５Ｗ、少なくとも１０Ｗ、少なくとも１５Ｗ、少なくとも２０Ｗ、少なくとも２５Ｗ、少なくとも３０Ｗ、少なくとも３５Ｗ、または少なくとも４０Ｗの放射出力を有する高出力ＬＥＤである。一実施形態では、ＬＥＤは、少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも２００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも３００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも４００ｍＷ／ｃｍ^２、少なくとも５００ｍＷ／ｃｍ^２または少なくとも１０００ｍＷ／ｃｍ^２の光強度を有する高出力ＬＥＤ素子である。温室では、シダ及びその他の低光量作物の場合は３Ｗｍ^２から、野菜作物及び繁殖区域の場合は２０Ｗｍ^２に及ぶ補助ＰＡＲレベルが示唆されている。例えば、このデバイスは、少なくとも２Ｗ／ｍ^２、より好ましくは５Ｗ／ｍ^２または１０Ｗ／ｍ^２で１８時間または少なくとも１５Ｗ／ｍ^２または少なくとも２０Ｗ／ｍ^２または少なくとも５０Ｗ／ｍ^２または少なくとも１００Ｗ／ｍ^２で作物を照射する。露光持続時間は、少なくとも１２時間、より好ましくは１６時間、１８時間または２４時間である。

対照植物は白色ＬＥＤの下にあり、実験植物は近赤外光と白色光の組み合わせの下にあった。白色ＬＥＤのスペクトルは、対照植物及び実験植物の両方で同一であった。昼夜サイクルは、８時間夜間１６時間の昼間になるようにプログラムされた。苗木の育成は、苗木の新鮮な乾燥重量（バイオマス）を１４日間測定することによってモニタした。結果は、一貫してＰＡＲ波長のＮＩＲ＋白色光がＰＡＲの白色光で育成した対照植物と比較して植物の育成を改善することを示した。図１２は、小植物の典型的な育成曲線を示す。

実施例２．ＮＩＲと白色光との組み合わせにより、ゼラニウムの開花が改善される
ゼラニウム植物は、白色光のみ（４００ｎｍ〜７００ｎｍのＰＡＲ）または８５０ｎｍ〜８８０ｎｍの平均ピークを有する８００ｎｍ〜９５０ｎｍのＮＩＲ及び白色光（ＰＡＲ）のいずれかに曝露された。明／暗期間は１６時間／８時間であった。植物は、これらの照明条件に６０日間曝露された。

ＮＩＲ＋白色光に曝露された植物の開花は、白色光のみを有する植物の開花より平均して３日早く開始した。さらに、ＮＩＲ＋白色光照射植物の花は、白色光のみを照射した植物の花よりも平均して３〜５日長く完全に開いた。

実施例３．イチゴの水耕栽培におけるＮＩＲと白色光の組み合わせ
イチゴ小植物は、水耕性培養上で栽培される。植物は、８５０ｎｍ〜８８０ｎｍのピークを有する８００ｎｍ〜９５０ｎｍのＮＩＲと組み合わせて光合成有効放射で照射される。昼／夜のサイクルは１６／８時間である。植物の乾燥バイオマスは、１日１回、３０日間測定される。予備実験は、１０％のＮＩＲを有するＰＡＲ下で育成した植物が、乾燥質量の最大蓄積を示すと予想されることを示す。ＰＡＲプラス５％または２５％のＮＩＲは、ＰＡＲのみで栽培された植物よりも高い乾燥質量の蓄積率を示すことが期待される。しかし、ＰＡＲ＋５％ＮＩＲまたはＰＡＲ＋２５％ＮＩＲで育成した植物は、ＰＡＲ及びＮＩＲの１０％で育成した植物よりも少ないバイオマス蓄積を示すと予想される。ＮＩＲの５０％で、ＰＡＲ下で育成した植物は、ＰＡＲ下で育成した植物と比較して改善を示さなかった。

実施例４．医療***の栽培におけるＮＩＲ、ＰＡＲ及びＵＶ光の組み合わせ
***植物はＵＶＢ光（２８０〜３１５ｎｍ）、ＰＡＲ光（４００〜７００ｎｍ）を有する１０〜１５％ＵＶＡ光（３８０〜４００ｎｍ）、及び５〜１５％のＮＩＲ（波長８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ）を備える光の下で育成される。ＵＶ−Ａ光の効果は、***中のＴＨＣの割合を増加させることである。ＮＩＲの効果は、植物のバイオマスを増加させることである。したがって、ＮＩＲと組み合わせてＵＶ下で栽培された植物は、バイオマスが高く、組織中のＴＣＨ濃度が高いことが期待される。この組み合わせにより、医療用マリファナの生産性が大幅に向上する。

実施例５．インビトロ植物繁殖に使用するためのＮＩＲ及びＰＡＲの組み合わせ
ＮＩＲ及びＰＡＲは、インビトロ植物増殖の場合、苗木の育成を刺激するのに役立ち得る。２８０〜３１５ｎｍ及び５％紫色の４０５ｎｍのＵＶ−Ｂの添加は、あるレベルの消毒（様々な病原性細菌及び真菌の２〜３対数減少）をもたらし、植物材料に病原体を含まない。この照明の適用の結果として、小植物はより良く育成し、より健康な植物を収穫する。ＮＩＲとＰＡＲ照明のこの組み合わせは、遺伝子組み換え外植片からの小植物の発育を改善することも期待されている。

実施例６．アブラナ科植物の初期育成段階の刺激
チューリップ、アマリリス及び水仙の休眠球根は、１２／１２時間の昼／夜の間、室温でＮＩＲ及びＰＡＲ光の組み合わせを受ける。対照球根はＰＡＲ光のみを受ける。最初の緑色の葉は、ＰＡＲのみで処理された球根と比較して、ＮＩＲとＰＡＲの組み合わせで処置された球根から数日早く出現する。

実施例７．農作物の育成刺激
１０日齢の有機麦、オート麦及び小麦の苗木または「穀物」を２インチ×４インチのポット及びプラスチック容器のアルファルファ芽に植えた。光は、植物上６インチに調製された。対照照明は６０００ＫのＬＥＤＴ８チューブ（ＰＡＲの供給源として）、ＮＩＲ７％の出力＋ＰＡＲ、６０００ＫのＬＥＤＴ８チューブ、ＮＩＲ５０％の出力＋ＰＡＲ（６０００ＫのＬＥＤＴ８チューブ）である。植物の育成は、総バイオマス蓄積としてモニタされた。ＮＩＲの割合が低い（ＮＩＲの７％でバイオマス蓄積量が３１％増加）ことにより、育成が刺激された。ＮＩＲの高いパーセンテージ（約５０％）は、これらの試験において植物育成に有意な利益を示さなかった。

実施例８．キク植物の育成刺激
植物組織由来の菊の苗木を有する人工堆肥土壌混合物を有するプラスチックポットを、育成のためにプラスチックで覆われた温室トンネル中に置いた。ＰＡＲ及びＮＩＲ照射は、約２０ｃｍの距離から植物に与えられた。対照処理をトンネルの別個の区画に入れた。植物の育成は３及び５週目に測定され、植物の高さ、植物あたりの葉数及び植物生存率がその時点で登録される。対照とＮＩＲ−ＰＡＲ処理植物との間の植物育成の差は、ＮＩＲ＋ＰＡＲ処理のために２５％〜３０％であった。

実施例９．トマトを温室内で育成するための照明システム
近赤外（８４０〜９６０ｎｍ）、赤色光（６６０ｎｍ）、青色光（４５０ｎｍ）及び４００〜７００ｎｍの光合成有効放射プロファイルを有する白色光を供給するＬＥＤランプを含む照明システム。照明システムは、以下のようにプログラムされる。

したがって、植物は、赤色光及び／または光合成有効光と組み合わせて、早朝及び深夜の夜間にＮＩＲで照射される。この植物は、午前中、昼間及び夕方に、光合成有効白色光と組み合わせた青色光に曝露される。光合成有効光は午前７時から午前１０時の間に点灯する。植物は１２〜５：３０ＡＭの間に光がない。植物は朝に６．００〜８．３０、そして８．００〜１１．３０ＰＭにＮＩＲに曝露される。この光サイクルは、トマト植物の育成を改善する。乾燥質量ならびに果実の生産は、ＮＩＲを受けない以外は同じ光条件を有する植物と比較して、これらの植物でより高い。

Claims

植物の育成を刺激する方法であって、８００ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲の１つ以上のＬＥＤ素子からの近赤外光と同時に、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光合成有効放射（ＰＡＲ）を植物に照射することを含み、近赤外ＬＥＤ素子の放射出力が、ＰＡＲの放射出力の５〜２５％であり、ＰＡＲの光が、温白色光（３０００Ｋ〜３５００Ｋ）と冷白色光（５０００Ｋ〜７０００Ｋ）との組み合わせである、方法。
植物が、ＵＶ−ＡおよびＵＶ−Ｂの波長でさらに照射される、請求項１に記載の方法。
植物の育成の刺激が、バイオマスの増加、早期開花、または育成速度の増大である、請求項１または２に記載の方法。
植物が、食用植物である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
植物が、開花種である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。