TWI590757B

TWI590757B - Plant breeding lighting device and plant breeding method

Info

Publication number: TWI590757B
Application number: TW104107392A
Authority: TW
Inventors: Minoru Kawahara; Masato Yamada
Original assignee: Shin-Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2017-07-11
Also published as: EP3127421B1; EP3127421A4; WO2015151405A1; JP6264151B2; JP2015192618A; EP3127421A1; TW201538073A; CN106102449A

Description

植物育成用照明裝置及植物育成方法

本發明係關於植物育成用照明裝置及植物育成方法。

現今尋求利用完全調控型的密閉工廠來育成並收穫植物的技術。過往，這類技術使用螢光燈作為照明裝置，因為電力消耗大而尋求預期能節能的LED（發光二極管）。然而，單只螢光燈型的替換成LED照明並無法進行良好的育成，進而尋求能夠進行更良好育成的LED照明。

過往，這類照明裝置所知有例如記載於專利文獻1~3的構成。專利文獻1中揭示利用周期0.5μ秒~20m秒、佔空比（duty ratio）20~60%範圍的脈衝光栽培植物的技術。其記載有，僅利用紅光，或是藍光與紅光組合的光源，比起用連續光照射可大幅節省能源。

專利文獻2中記載，照射出紅光與紅外光的各個的積分值比另一方為大的光的光源，而可抑制長日植物的開花作用。

專利文獻3中記載的植物栽培裝置，係具有會發出波長400nm至波長500nm藍光中的波長450nm的光通量為0%至50%，波長600nm至波長700nm紅光中的波長660nm的光通量為40%至100%，波長700nm至波長800nm的遠紅光中的波長730nm的光通量為0%至10%，而合計100%的光的發光二極體。此植物栽培裝置，不會造成對於植物光合作用與形態形成時的過多遠紅光所致的植物過度生長及燒焦葉子等危害，而用最適當的波長以最適當的光通量密度進行照射，維持植物的觀賞價值。【先前技術文獻】【專利文獻】

專利文獻1：日本特開平8-242694號公報專利文獻2：日本特開2002-199816號公報專利文獻3：日本特開平10-178899公報

然而，在專利文獻1記載的照明裝置的狀況，會有發生植物的過度生長，而不全然是好的栽培結果的情況。特別是，佔空比小的時候，會有容易造成過度生長的問題。

再者，在專利文獻2中，雖揭示利用紅外光可抑制開花作用，但對植物育成必要的光合作用的影響則不明確。

在專利文獻3中，雖揭示RGB+紅外光的LED連續照射的裝置，但此種裝置會消費大量能源。再者，必須搭載綠光與藍光等許多種類的LED，而有使構造變得繁雜的問題。再者，關於紅外光，係有可依照植物生長階段停止的技術。具體而言，係在暗期開始前照射紅外光，防止當株未充分發展時花芽分化的現象。

鑒於上述的問題點，本發明的目的係提供一種植物育成用照明裝置及植物育成的方法，以促進植物的光合作用，讓植物良好發育。【解決問題的方法】

為達成上述目的，本發明係提供一種植物育成用照明裝置，包含：紅光LED，發光波長為在600~680nm之間；以及遠紅光LED或紅外光LED，包含發光波長為在700~900nm之間，其中該紅光LED所發出的紅光與該遠紅光LED或該紅外光LED所發出的遠紅光及紅外光係為能以脈衝狀交互地照射。

此植物育成用照明裝置，比起過往用螢光燈照射的裝置，及用單一波長或是用不同波長的LED同時照射的裝置，更能促進植物的光合作用且促進植物的生長。

再者，該紅光LED與該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間、關閉時間及照射強度的其中一個以上可任意進行變更者為佳。

此植物育成用照明裝置，可因應植物的種類與各生長階段提供最好條件的光照。

再者，更包含能放射出該紅光、該遠紅光及該紅外光以外的光，或可見光的全波長域的光的其他的光源為佳。

此植物育成用照明裝置，適合育成以紅光、遠紅光以及紅外光以外的光，或是可見光的全波長領域的光為生長所需的植物。

再者，該其他光源為可放射藍光或是白光的光源為佳。

藍光與白光會依植物種類而有成為生長所必須的情形，因應育成的植物追加可放射藍光或是白光的光源為佳。

此外，本發明提供一種植物育成方法，包含：照明裝置的準備步驟，該照明裝置包含發光波長為在600~680nm之間的紅光LED，以及包含發光波長為在700~900nm之間的遠紅光LED或紅外光LED；以及照射步驟，係以該紅光LED所發出的紅光與該遠紅光LED所發出的遠紅光或該紅外光LED所發出的紅外光進行脈衝狀交互地照射。

再者，於該照射步驟中，將該紅光LED與該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間、關閉時間及照射強度的其中一個以上任意進行變更為佳。

此植物育成方法，可因應植物的種類與各生長階段進行最佳照射條件的光照。

再者，於該準備步驟中，作為該照明裝置更包含有能放射出該紅光、該遠紅光及該紅外光以外的光，或可見光的全波長域的光的其他的光源為佳。

此植物育成方法，適合育成以紅光、遠紅光以及紅外光以外的光，或是可見光的全波長領域的光為生長所需的植物。

再者，該其他光源為可放射藍光或是白光的光源為佳。

藍光與白光依植物種類有成為生長所必須的狀況，因應育成的植物追加可放射藍光或是白光的光源為佳。

本發明的植物育成照明裝置與植物育成方法，可促進植物的光合作用與植物的生長。再者，可因應植物種類與各生長階段設定照射條件，也可追加其他的光源。

以下對本發明作更詳細的說明。如同上述，本發明尋求一種植物育成用照明裝置及植物育成方法，能促進植物光合作用及良好培育植物。

在此說明植物中被稱為光敏色素（phytochrome）的光受器。已知光敏色素吸收紅光（600nm）後活性化，進行各式各樣的光反應。若此活性化光敏色素吸收遠紅光（730nm）後，則恢復到原本不活性化狀態（吸收紅光的形態）的光敏色素。此不活化光敏色素擔任避蔭反應（葉子往光照充足的地方生長）中的重要角色。此光敏色素被認為與發芽及莖的生長有關聯，在植物育成初期非常地重要。

本發明者們為了促進植物的光合作用，特別是名為光敏色素的光受體，致力研究後發現，包含發光波長為600~680nm間的紅光LED，與發光波長700~900nm間的遠紅光LED或是紅外光LED，能以脈衝狀交互照射該紅光LED的紅光、該遠紅光LED的遠紅光或是紅外光LED的紅外光的植物育成用照明裝置，可解決上述課題而完成本發明。

以下參照圖面具體說明本發明的植物育成用照明裝置，而本發明則不限定於此。

［植物育成用照明裝置］第5圖係本發明的植物育成用照明裝置的LED配置的一範例的示意圖。如第5圖所示，本發明的植物育成用照明裝置，包含發光波長600~680nm的紅光LED 1與700~900nm發光波長的遠紅光LED 2。

雖第5圖顯示的範例係包含遠紅光LED 2，但可用紅外光LED替代遠紅光LED 2。若為發光波長700~900nm的LED，包含任一種的LED皆可。

第5圖中，雖紅光LED 1（660nm）、遠紅光LED 2（730nm）、該其他光源的藍光LED 3（450nm）以9:2:3的比例配置作為一範例，但LED的配置則不限於此。各LED後括弧內數字係表示最大發光強度的波長。

光通量，例如，雖可在250 mm距離內產生180 μmol/m² /s，但光通量也因育成系統或環境而不同，並不限於此。

此外，本發明的植物育成用照明裝置，係能以脈衝狀交互照射該紅光LED發出的紅光、遠紅光LED發出的遠紅光或是紅外光LED發出的紅外光。

第4圖係本發明的植物育成用照明裝置的一範例的構成圖。如第4圖所示，本發明的植物育成用照明裝置，例如由電源控制器4與燈具5所構成。電源控制器4，例如由AC/DC整流器6、DC/DC整流器7以及脈衝電路8所構成。燈具5，例如由紅光LED 1以及遠紅光LED 2所構成。當然可用紅外光LED取代遠紅光LED。燈具更可包含後述的其他光源。再者，燈具可像上述第5圖的方式配置。AC/DC整流器係將交流電轉換成適合LED的直流電。再者，DC/DC整流器係變換電壓以配合各LED因發光波長而不同的點燈電壓。

雖無特別限定這些LED發出的光以脈衝狀交互照射的控制方法，例如，可舉出微電腦（控制器）9等的控制部件。這種情形，第4圖的脈衝電路8藉由微電腦9的控制可讓燈具5的脈衝照射時間錯開。

如此一來，將上述的至少兩種不同波長的光以脈衝狀交互照射，可達成節省能源，可達到有良好效率的初期的育成（例如苗的育成）。甚至也可達到有良好效率的株的育成。藉由本發明，可促進植物的光合作用。

再者，紅光LED與遠紅光LED或紅外光LED的照射時間、關閉時間及照射強度的其中一個以上能夠任意進行變更為佳。藉由第4圖的電源控制器4的調控，可以任意地變更這些照射條件。如此一來，可依照植物種類、各生長階段以及環境等因素設定照射條件，更加促進植物的生長。

另外，以後述的其他光源，例如藍光LED進行照射時也相同，可依紅光、遠紅光或紅外光、藍光的順序照射（依序以脈衝狀照射）。再者，可依各波長光的順序照射，也可進一步在照射周期中設置未照射的時間。另外，也可讓其他光源不以脈衝狀進行照射。

［關於脈衝照射的條件］在此參考圖式具體說明脈衝照射的照射時間與關閉時間的時間調整的條件，而本發明並不限定於此。

第1圖係顯示本發明的脈衝照射條件的一範例的示意圖。後述實施例中，以此脈衝照射條件進行植物育成。於第1圖中，橫軸係為時間，塗上圖樣的部分表示各LED照射的時間。如第1圖所示，可讓紅光LED（660nm）與其他光源的藍光LED（450nm）同步，同時照射並同時OFF（休止），於紅光LED與藍光LED OFF時，照射遠紅光LED（730nm）。在此情形，紅光LED與藍光LED的照射時間（200μ秒），係遠紅光LED的OFF時間（200μ秒）；遠紅光LED的照射時間（100μ秒），係紅光LED與藍光LED的OFF時間（100μ秒）。

第2圖係顯示本發明的脈衝照射條件的另一範例的示意圖。如第2圖所示，遠紅光LED與紅光LED的照射時間也可部分重疊。再者，也可讓藍光LED為連續光。

第3圖係顯示本發明的脈衝照射條件的另一範例的示意圖。如第3圖所示，可對遠紅光LED與紅光LED的其中任一個設置未照射時間（休止時間）。再者，可使用能放射白光的光源作為其他光源。在第3圖中，自此光源放射出的白光係為連續光。

［關於LED］於本發明可包含的紅光LED、遠紅光LED及紅外光LED，只要具有上述的發光波長則無特別限定，但峰值發光波長（發光強度最大的波長）包含在上述的波長範圍內者為佳。再者，發光光譜中僅有單一個波峰的LED者為佳。

此外，一般雖規定遠紅光的波長約為700~800nm，紅外光的波長約為700~1000000nm，但在本發明則並非必定要限定於此，只要是包含擁有700~900nm之間的發光波長的LED即可。

第6圖係綠光、黃光、橘光、紅光及深紅光LED的發光光譜。在第6圖中，縱軸係為強度（發光強度），橫軸係為波長。紅光LED的具體例子，可舉發光波長（峰值發光波長）為660nm者（第6圖的深紅光LED）為例。此紅光LED的材料（發光元件）包含AlGaInP。而材料不限於此，有上述發光波長者即可。例如，也可包含峰值波長620nm的紅光LED（第6圖的紅光LED）及605nm的橘光LED（在本發明中，發光波長落入600~680nm者皆當作屬於紅光LED）。因光敏色素會吸收660nm的光而活性化，這些LED中包含峰值發光波長為660nm的紅光LED為佳。

第7圖係發光波長為730nm的遠紅光LED的發光光譜。於第7圖中，縱軸係為強度，橫軸係為波長。第7圖的遠紅光LED的材料包含AlGaAs。而材料不限於此，有上述發光波長者即可。

紅外光LED的具體實例，可舉發光波長為850nm者為例。此情形下，可以使用AlGaAs作為材料。而材料不限於此，有上述發光波長者即可。

因光敏色素會吸收730nm的光回到不活化狀態，上述的遠紅光LED、紅外光LED中，包含峰值發光波長為730nm的遠紅光LED特別為佳。

另外，本發明使用的紅光、遠紅光及紅外光LED的發光波長並非必定要與使光敏色素活化的波長（660nm）及不活化的波長（730nm）重疊。

如同上述，照射光源至少包含紅光LED與遠紅光LED或紅外光LED，更可包含發出紅光、遠紅光及紅外光以外的光、或是可見光的全波長（300~800nm）域的光的光源。例如，可包含第6圖的發光波長為570nm的綠光LED及590nm的黃光LED等。

其他光源係可放射藍光或是白光的光源。例如藍光LED、白光LED為佳。如第5圖所示，可包含作為可放射藍光光源的藍LED 3。其他光源雖為降低電力消耗而使用LED為佳，但不限定於LED。例如，可以螢光燈作為其他光源。包含其他光源的植物育成用照明裝置，適合育成以紅光、遠紅光以及紅外光以外的光，或是可見光的全波長領域的光為生長所需的植物。

［關於植物育成方法］並且，本發明係提供一種植物育成方法，包含：照明裝置的準備步驟，該照明裝置包含發光波長為在600~680nm之間的紅光LED，以及包含發光波長為在700~900nm之間的遠紅光LED或紅外光LED；照射步驟，係以該紅光LED所發出的紅光與該遠紅光LED所發出的遠紅光或該紅外光LED所發出的紅外光進行脈衝狀交互地照射。如此一來，比起過往用螢光燈照射的方法，與單一波長或同時以不同波長的LED照射的方法，更能促進植物的光合作用，促進植物的生長。

［準備步驟］首先準備包含擁有600~680nm間的發光波長的紅光LED，擁有700~900nm間的發光波長的遠紅光LED或紅外光LED的照明裝置。紅光LED、遠紅光LED及紅外光LED可用與上述植物育成用照明裝置所包含相同的裝置。

［照射步驟］其次，紅光LED發出的紅光與遠紅光LED發出的遠紅光，或是與紅外光LED發出的紅外光進行脈衝狀交互地照射。雖無特別限定將這些LED所發的光以脈衝狀交互地照射的方法，例如，藉由準備包含有第4圖的微電腦9等控制元件的照明裝置，可進行脈衝狀交互地照射。脈衝照射的條件可採用如第1圖~第3圖所示的條件，但不限定於此。

再者，於該照射步驟中，係將該紅光LED與該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間、關閉時間及照射強度的其中一個以上任意進行變更為佳。如此一來，可因應植物的種類與各生長階段提供最好條件的光照。雖沒有特別限定任意變更照射條件的方法，例如，可準備包含上述第4圖的電源控制器4的照明裝置，藉由此電源控制器4的調控可進行任意變更這些照射條件。

再者，於準備步驟中，作為照明裝置，準備具有可以放射紅光、遠紅光以及紅外光以外的光，或是可見光全波長領域的光的其他光源為佳。這樣的植物育成用照明裝置，適合育成以紅光、遠紅光以及紅外光以外的光，或是可見光的全波長領域的光為生長所需的植物。

再者，其他光源係可放射藍光或是白光的光源為佳。藍光與白光因依植物的種類也有成為生長所必須的情形，故因應育成的植物，追加可以放射藍光或是白光的光源為佳。其他光源可用與上述植物育成用照明裝置包含相同的光源。

以下藉由顯示實施例及比較例對本發明進行更具體的說明，本發明則不限定於此實施例。

（實施例1、2、3、4）利用第4、5圖所示的照明裝置進行皺葉萵苣的苗育成。栽培試驗係藉由完全人工光型水耕栽培系統進行，其中使用紅光（660nm）、遠紅光（730nm）、藍光（450nm）LED的脈衝照射光源。再者，以第1圖所示條件進行脈衝照射。此時，紅光、遠紅光、藍光LED的脈衝照射時間（ON時間）如表1所示，按照實施例改變並進行栽培。表1中顯示實施例的條件與栽培結果。

（比較例1、2）比較例1係利用螢光燈、比較例2係利用紅光與藍光LED的連續照射型光源，進行皺葉萵苣苗的育成。表1中顯示比較例的條件與栽培結果。

【表1】

如表1所示，實施例1~4於任一條件下，皆比單獨使用螢光燈作為光源的比較例1，以及比使用紅光與藍光的連續光光源的比較例2的結果，有較佳的重量提升與育成效率。特別是，於實施例1~4，紅光+藍光LED的ON時間（照射時間）係為200μ秒與400μ秒的情況中，以400μ秒者有較佳的育成結果。進一步以紅光+藍光LED的ON時間為相同條件來比較，遠紅光照射時間係為100μ秒與50μ秒的情況中，以較短的50μ秒者有較佳的育成結果。

（實施例5、6、7、8）皺葉萵苣苗在螢光燈下生長14天後移植，用第4、5圖所示的照射裝置進行株的育成。再者，以第1圖所示條件進行脈衝照射。此時，如表2所示，按照實施例改變紅光、遠紅光、藍光LED的脈衝照射時間來進行株的育成。表2中顯示實施例的條件與育成結果。

（比較例3、4）。皺葉萵苣苗在螢光燈下生長14天後移植，比較例3用螢光燈、比較例4用紅光與藍光LED的連續照射型光源進行株的育成。表2中顯示比較例的條件與育成結果。

【表2】

如表2所示，實施例5~8於任一條件下，皆比單獨使用螢光燈的比較例3及比使用紅光與藍光的連續光光源的比較例4的結果，有較佳的重量提升與育成效率。雖不像苗育成時的結果同樣明顯，紅光+藍光LED的ON時間（照射時間）係為200μ秒與400μ秒的情況中，以400μ秒者有較重的傾向。進一步，株育成時與苗育成時一樣，以紅光+藍光LED的ON時間為相同條件來比較，遠紅光照射時間為100μ秒與50μ秒的情況中，以較短的50μ秒者有較佳的育成結果。

（實施例9）以未照射藍光的條件進行皺葉萵苣的株的育成。其他條件（照射時間等）與實施例8相同。結果顯示於表3。

（比較例5）以未照射紅光的條件進行皺葉萵苣株的育成。其他條件（照射時間等）與實施例8相同。結果顯示於表3。

【表3】

從實施例9與比較例5的結果可知，對植物光合作用有效的照射條件係為紅光與遠紅光的照射，而藍光則扮演輔助的角色。

而本發明不限定於上述的實施形態。上述實施形態係為一範例，若擁有和記載於申請專利範圍內相同的技術思想與實質上同樣的構成，產生相同的作用效果者，不論為何物皆包含在本發明的技術範圍內。

1‧‧‧紅光LED
2‧‧‧遠紅光LED
3‧‧‧藍光LED
4‧‧‧電源控制器
5‧‧‧燈具
6‧‧‧AC/DC整流器
7‧‧‧DC/DC整流器
8‧‧‧脈衝電路
9‧‧‧微電腦（控制器）

第1圖係顯示本發明的脈衝照射條件的一範例的示意圖。第2圖係顯示本發明的脈衝照射條件的另一範例的示意圖。第3圖係顯示本發明的脈衝照射條件的另一範例的示意圖。第4圖係顯示本發明的植物育成用照明裝置的構成圖。第5圖係顯示本發明的植物育成用照明裝置的LED配置的一範例的示意圖。第6圖係綠光、黃光、橘光、紅光及深紅光LED的發光光譜。第7圖係發光波長為730nm的遠紅光LED的發光光譜。

Claims

一種植物育成用照明裝置，包含：紅光LED，發光波長為在600~680nm之間；以及遠紅光LED或紅外光LED，包含發光波長為在700~900nm之間，其中該紅光LED所發出的紅光與該遠紅光LED或該紅外光LED所發出的遠紅光及紅外光係為個別以脈衝光的形式在時序上交互地輪流照射，該紅光LED的照射時間與該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間係為能分別任意進行變更。
如請求項1所述的植物育成用照明裝置，其中該紅光LED與該遠紅光LED或該紅外光LED的關閉時間及照射強度的其中一個以上係為能任意進行變更。
如請求項1或2所述的植物育成用照明裝置，更包含包含能放射出該紅光、該遠紅光及該紅外光以外的光，或可見光的全波長域的光的其他的光源。
如請求項3所述的植物育成用照明裝置，其中該其他的光源係為能放射出藍光或白光的光源。
如請求項1或2所述的植物育成用照明裝置，其中該紅光LED的照射時間係較該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間為長。
如請求項1或2所述的植物育成用照明裝置，其中該紅光LED的照射時間係為200μ秒~400μ秒，該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間係為50μ秒~100μ秒。
如請求項1或2所述的植物育成用照明裝置，更具有：一電源控制器，該電源控制器係由AC/DC整流器、DC/DC整流器以及脈衝電路所構成，其中該脈衝電路係以微電腦而被控制。
一種植物育成方法，包含：照明裝置的準備步驟，該照明裝置包含發光波長為在600~680nm之間的紅光LED，以及包含發光波長為在700~900nm之間的遠紅光LED或紅外光LED；照射步驟，係以該紅光LED所發出的紅光與該遠紅光LED所發出的遠紅光或該紅外光LED所發出的紅外光進行脈衝光的形式在時序上交互地輪流照射；其中於該照射步驟中，該紅光LED的照射時間與該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間係為能任意進行變更。
如請求項8所述的植物育成方法，其中於該照射步驟中，係將該紅光LED與該遠紅光LED或該紅外光LED的關閉時間及照射強度的其中一個以上任意進行變更。
如請求項8或9所述的植物育成方法，其中於該準備步驟中，作為該照明裝置更包含有能放射出該紅光、該遠紅光及該紅外光以外的光，或可見光的全波長域的光的其他的光源。
如請求項10所述的植物育成方法，其中係將能放射出藍光或白光的光源作為該其他的光源。
如請求項8或9所述的植物育成方法，其中於該照射步驟中，該紅光LED的照射時間係較該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間為長。
如請求項8或9所述的植物育成方法，其中於該照射步驟中，該紅光LED的照射時間係設為200μ秒~400μ秒，該遠紅光LED或該紅外光LED的照射時間係設為50μ秒~100μ秒。
如請求項8或9所述的植物育成方法，更具有：於該準備步驟中，作為該照明裝置進一步具有一電源控制器，該電源控制器係由AC/DC整流器、DC/DC整流器以及脈衝電路所構成，其中該脈衝電路係以微電腦而被控制。