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各种水草灯光谱解析（转帖）

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疯狂蓝健健 发表于 2015-12-2 16:48:08 |只看该作者 |倒序浏览

很多人买水草灯一头雾水，只去看别人用的哪个牌子、色温、效果如何，却不懂得水草灯真正的奥秘在哪里。我也是草缸新手，但是凡事喜欢研究明白，就给大家分享一下我看懂的东西，理解为什么这个灯好，红草怎样才会红...

为了通俗易懂，我花几天画了一系列图，大家看了就明白。

首先来一个植物光合作用对光的需求，这是水草种植的最基础知识。

植物光合作用不需要的光谱，给再多也没用：光合作用主要需求是430-450纳米的蓝光和630-660纳米的红光，但是要注意红光很难穿透水，所以水草基本对红光的依赖比陆生植物低很多，就是说水草其实需要的就是450纳米左右的蓝光。

红草显色主要是因为类胡萝卜素较多，叶绿素较少。
看图会明白如何增加胡萝卜素的光合作用吧？就是加强相应光谱的蓝光。

解释一下我这个综合的光谱图，一部分是上面的植物光合作用光谱，两个波峰就是代表了植物实际的需求光谱; 另一部分是某种灯具产生的实际光谱，如果光谱越满足植物需求就说明越高效，反之无效光谱过多则是浪费电。

来看看大家最常用的（T8/T5）三基色水草荧光灯管：

荧光灯管的发光原理是高压电击穿灯管中的水银蒸气，使水银蒸气电离导电产生紫外线而激发管壁的萤光粉发光显色。根据不同材料的荧光粉及配比可以获得不同颜色的光。所以荧光灯所谓的“色温”只是用不同比例的荧光粉调配出偏暖色或偏冷色光谱。这是水草灯的误区之一：用色温来代替光谱（只说色温不看光谱构成）。

所谓三基色，就是红绿蓝三色荧光粉发光，中和成白色。还有专门的水草红光灯管和水草蓝光灯管，都是只用了一种单色荧光粉产生单色光谱，达到更高的光合效率。

在实际使用中，大家会发现开日光灯管会比卤素灯、LED灯、甚至自然日光的视觉效果更好，水草看起来会比其他灯更绿，我研究后觉得这主要是得益于三基色的绿色光谱使水草反射更多绿光。
非发光物体的颜色就说明他反射此光，当没有绿色光谱射入的时候，叶子是没有绿色的，我后面会有自己试验的图片给大家看沉木、生物、水草，在红绿蓝单色照射时是什么样子。
这就是个水草灯的另一个误区：认为光谱更接近阳光就会更好（实际上好用要多加蓝光红光，好看要多加绿光，出其他光谱就是浪费电）。

综合来说，三基色荧光灯管是目前性能较好的水草灯。建议适当搭配蓝光管，可以增加光效和红草显色。其弊端就是几百到一千小时就开始有光衰（灯光寿命大概几个月到一两年），容易灯丝烧断（管端发黑），进口优质管价格不低，国产光管寿命短或光谱不够好。

接下来看看高大上的金卤灯实际效用如何：

原理是交流电在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光，发热会较大，光电效率不够高。
根据不同发光物配方产生的光谱会有些不同，但金卤灯的光谱特征是540纳米绿光和600纳米橙光，基本就是中间高两头低的半圆形光谱，所以他是黄绿光。

从光合作用效率来看，金卤灯并不是理想的光谱，因为大部分能量在无用的绿橙光，而蓝光红光光谱较少。优点就是橙绿光穿透力相对较好，工业用金卤灯的成本是低于LED的，不过水草用金卤灯已经衍生成了高端奢侈品，价格令人咋舌。

我一位经营水族店的朋友经历亲身实践也认为金卤灯确实不是最适合养草，一米缸两个150瓦金卤灯(300w)，但水草生长并不比200瓦普通家用荧光管好（佛山照明管），而且金卤灯照水草感觉发黄（橙光谱较多），久了水草可能逐渐脱绿，而且换灯后逐渐恢复正常绿色。他认为金卤灯是给土豪烧电费装b用的。用了金卤灯都说草长得好，那是因为心理满足感和足够大的功率，如果三五百瓦其他灯放在一米多的缸上那会是啥效果呢？反正肯定都不会比金卤灯差。但金卤灯经过商业包装成了高大上的代表，所以很多不差钱的主只买最贵的品牌金卤灯。
市场上的金卤灯质量良莠不齐，有的偏黄，有的偏蓝，大部分金卤灯的视觉和养草效果并不会比同功率的T5/T8和LED灯效果好。

看另一个高大上的灯-氙气灯（音：仙气）：
原理是在2万伏高电压下，氙气会被电离并发光。

氙气灯最被推崇的特色就是它的可见光谱比较接近自然日光的光谱。目前车载氙灯为了更高大上喜欢用高色温蓝光谱较突出的氙灯，所以通常感觉氙灯和日光有明显区别。还是上面提到的那个误区：不要认为接近日光光谱的就是好水草灯，水草需要的光谱才是好灯。

再说水草灯的第三个误区：认为日光就是最好的光谱，接近自然光的显色就让水草最好看。实际上同一颗草日光下远如不在三基色荧光灯下好看，因为灯管绿光谱丰富，水草能反射更多绿色光谱，看着更绿更好看。

氙灯还有一个特点就是会产生大量红外线，所以很多能量变成了非可见光，而且会让被照物体发热(远红外加热)。

根据植物光合作用光谱看来，氙气灯并不是很理想的光源，因为大部分能量在较平均的其他可见光和大量红外光上，红外光又是几乎无法穿透水的。从光谱来看氙灯会比金卤灯的使用效率好些。
氙灯从几百到几千元不等，因为带有上万伏的高压电，因此不建议没有专业经验的人拆卸和diy。

当电子经过半导体晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高，不同材料有不同带隙，从而发出不同光谱颜色的光。

在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光是由多种单色光（七彩之一）**的复合光，正如太阳光是由七种单色光**的白色光，而日光灯和电视机中的白色光是由三基色红、绿、蓝**。

可见光谱范围内，蓝紫光携带能量最多，桔光、红光携带的能量最少。因此白色LED都是用蓝基发光的方法提高发光效率。蓝光最高流明
白光大功率LED光效记录已超过200Lm/w（白炽灯只有10-15）。目前国内封装LED水平基本都可达单颗100-140Lm/w左右,但最常用大功率1w的单颗白光在80-100流明每瓦左右，单颗1瓦红光30-35流明（350mA），蓝光20-30流明（350mA），绿光可60-80流明（350mA），黄光30-50流明（350mA）。所以从效率上来说，白光led是比较好的选择。

LED有几种方式构成白光，目前常用的是RGB三元芯和蓝黄发光，还有红绿蓝三波长发光但比较少见：

RGB三芯LED就是红绿蓝三个发光二极管封装进一个芯片，三个光体即可单独发光也可以同时发光还可以单独调节明暗，这样就可以调节中和发出任何想要的可见光颜色。我们常见的户外led电视墙和商业楼体LED动画图案就是这个原理。

二波长发光（蓝色光＋黄色光）或三波长发光（蓝色光＋绿色光＋红色光）的模式，就是蓝色发光体上覆盖吸收紫外线激发黄色或绿色或红色的荧光粉。商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，因为光电效率高、体积小和可控性高等多种优势，随着技术进步和成本降低，LED将逐渐取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯等市场。

上述几种模式的白光LED，都有蓝色光，就是说所有白光LED都已经带有丰富的蓝色光谱，都可以用来种植水草。

但是有更丰富蓝绿红光谱的（全彩）LED会比只有蓝黄的LED显色性更好，因为非发光体物质是通过反射光谱来显色，就是说如果绿叶没有绿光谱照射时是不显示绿色的，这就是为什么不同的灯照射同一棵草会有不同感觉。自然日光下的草看起来反而不如T8/T5三基色荧光灯照射的视觉效果好，因为三基色荧光灯有饱满的绿色和红色光谱，让水草和鱼反射更多的红色绿色。

LED的显色缺陷就是有可能缺乏部分绿色和红色光谱，使得水草看起来不够绿，鱼儿看起来不够红。我本人用正白全彩LED做过实验，与T8荧光管相比，三角灯明显不够红，水草不够绿。

目前从效率和观赏性来说有4种LED方案可选择：
a 正白光+少量植物蓝光+少量植物红光
这种方案使用最为广泛，大部分成品LED灯都是用此方案，从几十元草帽灯珠的廉价LED到几千元的高端LED都有此类搭配，好处较多：光电效率高，光合效率高，白光观赏性好，成本适中。缺点是缺乏调色变色，不观赏时白光光效不够高耗电较多。

b RGB三芯LED+调光器
理论可以实现16万色，可随心所欲变色，遥控的触感调色器或WiFi手机app调色甚至可随音乐变色（调色器几元到上百元不等），让人用起来科技感十足，都有成品套件制作极为方便，无人观赏时只开红蓝灯可节电30%。不足就是光效不如纯白光高。

c 红绿蓝三色灯珠组合搭配+调光器
可随心所欲变色，也可用遥控的触感调色器甚至WiFi手机app调色，光电效率比RGB高，无人观赏时只开红蓝灯可节电30%。不足是成本比用纯白和RGB灯珠高些，没有成品套件对DIY技术要求稍高。有网友使用成品单色红绿蓝硬灯条各一条装上组合出白光，效果已经得到证实，绿草生长和红草发色都很好。

ps 尽量不使用带电阻的成品灯带灯条，因为这种灯条为了通用性加装的限流电阻实际上等于把电能的四到十分之一变成了无用的热量，会让灯条温度过高LED快速光衰（散热不良最短的光衰只有几个月），而且如果使用恒流电源这种电阻设计是多余的。建议使用单颗灯珠或无电阻灯条+恒流电源。
还要尽量使用恒流电源而不要使用恒压电源，因为LED安全电压范围很小一般是控制电流决定亮度，恒流相对来说更对LED安全可靠。而且恒压电源接上质量不够好的灯带会因为线损导致远端电压降低很多，发光明显变弱。

光谱来说纯白灯珠还是有缺乏红光的瑕疵，但还有某些高档成品LED是纯白色灯珠的，虽然宣传说是岛国特殊调制的世界顶级LED发色配方，但从光谱来看和其他大厂LED差不多（我在逐渐整理分析高端LED光谱），且还缺乏红光，因此，其价格是DIY的数倍甚至十倍，但其效果是否真比DIY的好得多呢，还是持保留态度吧。大量事实证明diy的LED灯完全可以超过传统灯和成品LED，而且可以红草发色明显。

就目前看到的光谱来说，相较于DIY的，价格高昂的成品LED没有什么特殊光谱和其他优势，LED更适合通过DIY实现超高性价比和实用性。

来看看LED的光谱，结合上文的原理解释就可以很好理解LED的利弊

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疯狂蓝健健 发表于 2015-12-2 16:48:20 |只看该作者

准备diyLED灯，对此进行了一些研究和准备，先整理成了个科普小论文。
首先要知道水草到底需要什么光：
1.色温
很多人一说到灯具总是首先对色温问题而产生疑问和纠结
色温就是发热体不同的温度产生的颜色，纯黑色物体加热其颜色经由黑色-红色-橙红-黄白-白-蓝白程色温由低高程，所以只是对于高温发热体来说的（白炽灯），色温高了会更偏蓝白（暖光到冷光）；荧光灯和LED的原理并不是高温发光而是荧光粉激发光，所以色温对它们来说就是不同颜色的荧光粉配比问题而已，色温对荧光灯和LED来说主要是指可见光的颜色。对植物来说，这种植物其独特的“可吸收光谱”才是真正能利用来光合作用的，色温不太重要。

2.流明和勒克斯
流明(lm)，光通量的单位，指物体发光强度在一个立体角上产生的总发射光通量。一个40瓦的普通白炽灯泡，其最终发光效率大约400-600流明。

1勒克斯(lux，lx)照度是反映光照强度的单位，等于1流明(lm，lumen)的光通量均匀照在1平方米表面上所产生的照度。
夏季在阳光直接照射下光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外1000～1万lx，夏天明朗的室内100～1000lx，适宜于阅读约为600勒克斯。

植物光合作用速率是由400~700nm中植物所能吸收的光子数目决定，而与各光谱所送出的光子数目并不相关。就是说，植物只能接收一定量特定波长的光作为光合作用，其他波长和过量的特定波长的光对植物并没有益处。因此，植物灯不是越强光越好，过强反而会抑制不少阴性水草的生长。不太恰当的比喻就像只有吃自己身体有需要的微量元素才是有用的，给再多其他的营养品也没啥作用，某些元素过多了反而会成毒害。灯光要根据植物需求适量即可。

3.发光效率：
就是到底多少能量被转换成我们需要（波长）的光，多少变成不需要的光和热损失。
一瓦电在不同灯上发出的人眼感觉到的亮度不同，对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683lm，也就是1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明，这是最大的光转换效率，也是定标值。对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光则复杂得多，因为不同的灯具发光原理和光谱结构不同，是不同颜色和配比的光。
白炽灯，10-15 Lx
LED，80-200
日光灯，50
太阳灯，94
高压钠灯，120
节能灯，60-80

要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段（减少面积）。比如同样一个白炽灯或日光灯或节能灯，其发光面是球形柱形的，如果加上反光灯罩就会把另一半光反射过来，就会感觉亮很多，而对于LED这类点片状光源来说其发光面积更小更集中，所以会觉得更亮，这也使球光源、柱光源、点光源的能量使用效率不同。

4.植物需要什么光
绿色植物对红光和蓝紫光的吸收最强。不透明东西的颜色取决于其反射光的颜色，植物绿色是因为反射绿光才显出绿色，所以可以说绿光对它最没有用。叶绿素a太阳光两吸收高峰是440纳米附近蓝光680纳米附近红光。叶绿素b吸收高峰是470纳米650纳米，而处500－600纳米绿光较少吸收。而叶绿素c, 吸收高峰460纳米640纳米。

但是水草们却遇到了一个大问题，就是水会吸收掉大部分光谱的光线，最后只有蓝紫色光线能穿透，这就是为什么水面和水里只能看到蓝色的原因。所以自然界的水草们主要靠吸收蓝紫色光为生，当然对于几十厘米通透的浅水草缸来说，红光能穿透，可以被水草的叶绿素利用。
另外，植物对于红光光谱和紫外线最为敏感，对绿光较不敏感

光谱范围对植物生理的影响
C 级紫外线（波长 200-280）占3% — 对大多数植物都有害
B 级紫外线（280-320）占 9% — 对大多数植物都有害
A 级紫外线（320-380）占 88% — 对植物有益，叶绿素吸收少，使叶片加厚具有杀菌作用，对植物的花叶产生着色的作用，但也可能影响光周期效应，阻止茎伸长。
400 ~ 520nm（蓝）—>叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大
520 ~ 610nm（绿）—>色素的吸收率不高
610 ~ 720nm（红）—>叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响
780 ~ 1000nm （红外）——>吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽
＞3000nm（远红外） ——> 转换成为热量

小常识：
紫外线杀菌灯
低压汞灯的辐射峰值波长为253.7nm，是理想的杀菌灯。因为细菌体的核蛋白和脱氧核糖酸（DNA）的吸收光谱峰值也在254nm左右，当细菌吸收了200-300nm的紫外线能量以后，引起DNA分子间的交联破裂，使细菌的核蛋白和核酸之间的链断裂，造成细菌的死亡。短波紫外线在有色液体中的穿透力很弱，杀菌作用只发生在表层，所以远紫外线主要用于空气、水和物体表面的灭菌。在蒸馏水中，紫外线杀死90%细菌的有效穿透深度是3m，而在一般饮用水中则减少到0.12m，在葡萄酒、糖汁、果汁中有效穿透深度只有2.5mm。

红叶水草的显色问题：

大多数草友都会遇到过的问题就是红色水草的红色逐渐褪去变成绿色，这主要涉及到光谱和光照强度，一般认为蓝紫光多和高强度照射会刺激红草发红，可能还有铁等微量元素，以及低水温等等因素，但是具体原因仍在争论中。

叶绿素并非唯一的光合作用色素，光能量由叶片中的叶绿素与胡萝卜素所吸收。能量藉由两种光合系统以固定水分与二氧化碳转变成为葡萄糖与氧气。
植物的颜色是由体内叶绿素、胡萝卜素、花青素类黄酮等色素同比例组合而显现，红色植物红色胡萝卜素含量高，叶绿素被抑制或盖过。

根据上面所述的各种原理，我觉得可以加强提供胡萝卜素的吸收光谱，提高红草的胡萝卜素**水平，达到显色目的。胡萝卜素的最强吸收波长是449nm（蓝紫色），那么我们尽量多加450nm左右的LED光源，可能就会提高红草显色水平。而叶绿素是在450nm和650nm处各有两个吸收峰，理论上我们可以少提供红光或降低红光的比例，可通过LED的调色功能实现平时紫光照射，观赏时白光照射。

我通过事实也证明市场上买普通的led射灯（全彩光谱的正白灯珠），24小时照射即可让原来没有任何红色的宫廷转为明显红草。

感谢原作者：嘉装diy砖家