作者 Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan

原文地址:http://www.advancedaquarist.com/2012/10/aafeature

让我们来看看珊瑚缸中最流行的“光合”光源。这些大多数都是在400-500纳米波段范围内辐射的荧光灯管,比如Giesemann Actinic Plus,,图 10:

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图 10 一支典型的“光合”荧光灯管:Giesemann Actinic Plus

在这个灯光的光谱中,除了产生珊瑚荧光的“光合”光谱部分,明显还有“寄生”的550纳米波长的峰值。就像之前提到的,人眼对这个波长比产生荧光的“光合”光要敏感20倍以上(见图 6)。

结果,这个灯光看起来非常亮,近乎白色,但有较强的蓝紫色调。结果荧光会因为寄生的人眼更敏感的光而看起来比较暗淡。

近年来,人们做了很多努力,来制造一个更窄波段范围的“光合”灯管。其中一个最好的就是Giesemann POWERCHROME actinic plus,它的450-500纳米波长部分被显著减少了(图 11):

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                      图 11 POWERCHROME actinic plus灯光的光谱

可以看到这个灯管的光谱中的“寄生”部分更小,而420-430纳米范围表现更佳。但是,这个灯管看起来还是很亮,因为它还是含有一个550纳米的峰值。目前来说,传统的荧光灯管对于观察珊瑚缸里的荧光并不是很有效。

是不是很绝望?近年来,情况不再是这样固态照明领域已经有了一些突破,很多珊瑚缸的灯具已经使用了LED。LED灯具相对于传统光源灯具的优点有很多,我们只要考虑主要的就可以了。

优点1:更高效更少发热

更高效有两方面原因:首先,LED的电光转换效率比传统荧光灯或金卤灯要高约2倍;第二,LED仅向一个方向辐射光,光线不会被它们自身遮挡。使用合适的透镜,LED的发光可以很容易地被集中在一个需要的区域里。优质的LED滤镜小巧,但可以把超过90%的发光射入水中。相比之下,传统灯管加上反光罩通常只能把40%的光射入水中。最好的反光罩(经常很笨重)可以达到60%的光线入射水中,但灯管本身也会遮挡住部分反光罩的反射光。结果,最好的LED灯具的光效可以达到传统灯管灯具的3倍。因此,LED的发热要少4.5倍。这在一定程度上意味着给珊瑚缸安装一个LED灯具的话,我们或许可以不必买一个昂贵的冷水机(这也很耗电)了。这样,LED可以非常节能:不说经济效益,对生态环境的影响也很重要。

优点2:更长的寿命

作为一个固体光源,发光二极管没有会快速损耗的部件,例如灯丝。当工作在较低的电流下,只要它们没有过于发热,优质的LED的衰减非常缓慢。但是,在设计灯具时,LED也有它们的特殊需求。

如果散热充分,供电合适,现今市场上最好的LED(Cree XT-E, LUXEON Rebel ES)的寿命非常长。当然,这些是新的LED,它们并没有被测试过10年工作,然而,它们的寿命和寿命时间内的光衰减可以通过可以通过复杂的模型来估算。我们用到两种估算法:根据Cree的模型(我们称为“最恶劣情况”或“悲观模型”),以及(括号里)根据Philips的LUXEON Rebel ES的模型(我们称做“乐观模型”)。如果所有的工作条件都能满足的话,4(15)万小时后,LED仍然能够达到原先70%的辐射功率。这些数字相当于灯具使用10(33)年,每天工作12小时!此后,LED会继续衰减,10(20)万小时后,降到原先50%的辐射功率!

LED灯具上的一只LED损坏的可能性是非常低的,5万小时使用过程中,大约只有1%,之后的20万小时大约会增加到50%的可能性。灯具里的LED常常是串联的,因此当一个LED损坏时,一串LED都会受到影响。统计上来说,一个200个LED的灯具在10年里,可能会发生这样的情况。然而,LED损坏是一个概率事件,它也有可能发生在LED的生命的第一个小时。实际情况下,如果使用条件良好,现代的LED的寿命是很长的。

相比之下,传统荧光灯怪每隔4到6个月需要更换一次。最坏情况下,在LED灯具的使用寿命时间内,荧光灯光需要更换至少20次。由于珊瑚专用的灯管非常贵,所以LED灯具非常节省,并且,节省的不仅仅是金钱,还有买灯管,换灯管的时间。

让我们算算一个LED灯具可能节省的费用。在160加仑的缸里,一个300W的LED灯具可以替代一个900W的T5灯具。10年里,LED灯具可以省下((900-300)/1000)*12*365*10=26280度电。电费取决于你所处的地方,以及用了多少电,什么时候用电。费用可能在12到50美分/度[17]。我们用15美分/度来估算,这是个合理的价格例子(你可以在你的电费帐单里,找到你的电价)。基于15美分/度的价格,LED灯具会省下3942美元电费。如果我们假定一个80W珊瑚灯管的价格是25美元,那么我们还将省下25*10*20=5000美元的替换灯管费用。10年里,你将总共省下8942美元。这是一个“最佳情况”的估算,我们还没有考虑很多其他的费用——例如去除缸内多余热量的冷水机,以及它的运转费用。此外,还有些钱以外的价值——例如10年里,不需要对灯具进行维护。所以,LED灯具在运转期内可以直接省下的费用就是灯具本身的好多倍了。换而言之,灯具相当于是免费的,在寿命范围内还会带来利益。

优点3: 可以调节亮度和光谱

当使用调光驱动器时,LED的发光是很容易被调节的。爱好者常常使用特殊的控制器来模拟日出日落,就像自然界里一天的光照变化一样。值得一提的是,赤道地区的日出和日落要比较高纬度地区的要快很多,而且白天和黑夜是等长的(即永远是12小时光照期)。请看下图12[20]:

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图 12 图例显示了一天里的不同时间对光线入射角的影响,由NASA Earth Observatory提供

水面的实际光照受多个因素影响,比如云层,空气中的水汽含量,气流等。大堡礁普通一天的日照测量数据如图13[21]:

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图 13 1998年9月2日,大堡礁一三岛(23°30'S, 152°06'E)上的照度和太阳高度角,由A. Salih,提供,数据未发表

值得注意的是,当日光以非常小的角度入射水面时,光线几乎都被反射走了。反射还取决于风速。它们的关系如图14[21]所示:

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图 14 日光反射与入射角关系。理论和实测的日光入射平静水面的反射百分比与太阳高度角的关系 (由Weinberg, 1976; Grichenko in Weinberg, 1976计算)

这意味着在太阳升起到15度以上之前,水中的光照不足以进行光合作用。此后半小时后,光照水平迅速地上升到一天最大水平的一半左右。因此,实际的光合作用时间大约是9小时。如果爱好者希望复制自然界里的光照循环,那么这些是他们需要考虑的因素。

现在,我们来看看光的重要特征参数,这对于我们得出后面的结论是需要的。

第一个就是CCT – 色温。一个光源的色温等同于一个辐射相同光谱的黑体的温度。黑体越热,色温越高,发光就越蓝或者说越“冷”。例如,日光有点黄,而蓝巨星——表面温度更高,达到10000K以上的巨大恒星(比如Sirius)即使肉眼看起来也是蓝色的。

让我们来比较一下不同色温的黑体的辐射光谱[10]。图标还标明了峰值的波长。图15是一个5500K色温光源的光谱——图16是6500K的:

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图 15 5500K色温光源的光谱

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图 16 6500K色温光源的光谱

可以看到,峰值波长随色温的升高减小:相对暖色的6500K色温的光源的峰值波长是444纳米,而8000K色温的是420纳米。实际来说,20000K以上的色温是没有意义的。但是,灯泡生产商经常根据他们的特定需求截取频谱,提供一些类似图17所示光谱的灯泡:

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图17 Grassy glow super blue 25000K灯泡的光谱

虽然峰值波长是450纳米,但是这个灯泡的竟是25000K![11]

因此,色温无法被用作比较光源光谱的标准。而且,即使高色温值,也不能保证我们得到所需要的“光合”光谱。

另一个重要的特征参数是CRI——显色指数。不幸的是,这个名字经常被错误地理解它表征了一个光源对于物体色彩可视性的影响。这个参数显示了一个特定色温的光源与理想光源(相同色温的黑体光源)相比照亮一个物体能够多准确地显示它的颜色。要确定CRI,一组8个标准颜色样本被分别放置于光源和同色温黑体的照明下。如果没有一个样本的色彩改变,那么CRI等于100。CRI反比于颜色改变的样本的比例。通常认为,80以上的CRI是好的。很重要地,我们需要知道,CRI是针对特定色温计算的。所以,比较一个2700K, 82 CRI和一个5000K, 85 CRI的光源是不合适的。

还要提到的是,色温和CRI都是为全光谱光源定义的。单色光的CRI近似于0。而他的色温无法计算。看一下图15,,图16——你会看到一个很宽的频谱,从接近120纳米开始知道接近3000纳米。在整个范围内,呈现一个明显的最大值,大部分的能量都在一个较窄的波长范围里辐射。而黑体的辐射光谱不可能有一个类似单色光的狭窄的峰值,因此计算这类光源的色温是没意义的。

所有荧光灯和金卤灯的光谱是非连续的,而日光的光谱是连续的。非连续的光谱是汞(和其他金属)蒸汽放电所产生,它们有多个不同波长的峰值,大多数在紫外线的范围内。灯光上的荧光粉把这些辐射转变成窄波段的可见光。非连续光谱和连续光谱比较如图18所示:

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图 18 连续(上图)和非连续(下图)光谱

光谱的间隙——那些在光谱中缺失的波长部分,意味着一些色彩影调在这种照明下无法被正确地显示,因此,该光源的显色指数CRI比较低。当然,灯泡生产厂商尽量避免让这些光谱间隙很深。看看热门的金卤灯泡BLV HIT 10000K和BLV HIT 14000K的光谱 (图 19).

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图 19 BLV HIT 10000K (a)的光谱.

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图19 BLV HIT 14000K (b)的光谱.

这些灯泡频谱里没有很深的间隙,因此它们不会在特定的波长上强度跌落到0,所以,它们是全光谱灯泡,它们的CRI值可以确定。同时,他们有含有明显的离散的波峰,意味着这些灯泡无法精确还原色彩。注意,这个例子里用了两个不同色温——10,000K和14,000K的灯泡。它们的主要区别在于第二个灯泡光谱中很有大一块400-440纳米的部分,而没有460纳米的峰值。这很符合逻辑和清楚:黑体的温度越高,越多的光谱会向短波长区域移动。既然400-450纳米波段对于珊瑚缸是最重要的,又由于生产商常常为了满足客户的需求来计算色温,我们可以啃可靠地说,标称的20000K色温才能使我们需要的波段范围的辐射最大化。看一看400W 20000K Hamilton金卤灯泡的光谱(图20):

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图 20 400W 20000K Hamilton金卤灯泡的光谱

这个灯泡辐射的大部分功率在400-450纳米范围内,有一个明显的420-430纳米左右的峰值。它只发出一小部分较长波长的光,这些光是它肉眼看起来不至于是黑色的,而是蓝紫色的。

高色温灯泡特点经常是含有大量420-430纳米范围的辐射。有经验的爱好者推荐使用20000K的灯泡来提供最佳的显色。这些从常年饲养中得到的经验,和我们推导出的结论非常一致。

当然,所有规律都会有例外情况。在我们这里,例外就是那些在自然界仅仅生活在浅水海域,比如潮间带的生物。这个很重要:一些生物既可以在浅水也可以在深水生活,它们对光线不甚讲究,而一些生物,只能生活在近水面的地方,深一点都不行。这样的生物对于弱光和不同的光谱的适应性不强。一些纽扣品种就是这样的。

现在,我们来看看不同LED的发光光谱。7000K的冷白LED的光谱如图21所示:.

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图 21 白光LED的光谱

光谱是连续的,但是zai470-500纳米的范围有个明显的低谷。在灯具里增加一个蓝色LED可以很容易填补这个低谷。看一下不同Philips LUXEON Rebel ES系列LED的光谱(图 22).

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图 22 Philips LUXEON Rebel ES系列彩色LED的光谱

蓝色LED的发光最适合在补偿需要的470-490纳米波段。更相配的是一个峰值在475纳米的LED——幸运的是,这样的LED已经有了!

为了更好地解释这个问题,我们来看看厂商用来区隔LED的bin值。一个bin是指一批按照特定参数筛选出来的LED。Bin可以按效率,色温,CRI来分,单色LED的还可以用峰值波长(DWL)来分。蓝色LUXEON Rebel LED的DWL bin见表1:

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表 1 LUXEON LED DWL bin

加上一个DWL bin 4的LED,我们就能把白光LED光谱中430-600nm波段里的低谷填平。

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穿马甲的8z     2013-11-29 08:41:48 +0800

看样子,作者是坚定的LED拥护者

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鱼多多   Guangzhou   2013-11-29 15:25:16 +0800

#1楼 @穿马甲的8z 买了LED,以后不用换灯管了,但灯具发展很快,大家换得也很快

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魔鬼海胆     2013-11-30 02:22:09 +0800
很透彻的研究~解除了很多led的迷思~
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彩虹小羊     2014-01-03 15:31:42 +0800

关键是哪里能买到合适的LED,国内的标称,是中国国情的标称,简称“国标”,所以我对淘宝上所谓各种光谱的LED很不放心。

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蓝色小机车     2015-07-14 06:00:34 +0800

#4楼 @彩虹小羊 必须买

 

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