珊瑚礁水族光照(四)

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作者 Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan

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

现在,我们来看看珊瑚水族LED灯具的构成。

只用两种LED(白色和蓝色)是不够的,因为这样的灯具会非常缺少400-450纳米范围的光波,远远少于海洋中,仅仅几米深度下实测的量。450纳米的波峰可以通过增加对应波峰的Royal Blue LED来轻易增加比例。除此以外,白光LED在深红波段,约650-660纳米范围,快速地衰减。根据图4所示的模型,这部分光谱对于浅水光合生物也是需要的,添加这部分光谱是有益的,它还能加强珊瑚缸内的红色。最终,我们应该得到一个什么样的光谱?答案是:某种非常接近目前市面最好的成品灯具的光谱。作为一个例子,图23是2011年ReefBuilders  LED展上,Ecotechmarine Radion 的光谱[18]。

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图 23 Ecotechmarine Radion的输出光谱

可以看到,480纳米范围的波谷被很好地补充了(该灯使用了Cree的蓝色LED)。此外,在660纳米范围,它还提供了一个小小的峰值。然而,那些能够提升许多海洋生物荧光效果的400-430纳米波段光,几乎没有。

这个波段在大多数珊瑚LED灯具上都是缺失的。直到最近,市面上还一直没有合适品质的420纳米范围的LED。仅有的一些可用的,价格都非常高,并且寿命和光效都很差。另一方面,这个波段需要的总辐射量相当大,要加入合适量的LED会大幅增加灯具的整体价格。结果,生产厂最多也仅仅安装了极小部分需求量的”光合”LED。2012年伊始,情况开始发生快速地变化,因为出现了高效而且比较廉价的420纳米LED[15]。使用这些新一代的光合波长的LED,就可能制造既可以满足珊瑚缸光谱需要,价格也可以承受的LED灯具。

很多爱好者试着使用廉价的,无品牌的中国制"光合”LED。但是,它们的效率低下,结果,芯片很快地因为过热而衰减。最坏的是,这种衰减很难用肉眼来估测,因为人眼对于420纳米范围波长极不敏感。此外,这种低品质LED的光谱分布会非常宽(从350纳米的紫外一致延伸到绿色波段):这些长波会影响珊瑚荧光的可视性。另外,根据European Commission Joint Research Center 的一项研究[12],较短波长的紫外光会导致水中悬浮颗粒发出影响观赏的磷光(图24)。

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图24 紫外照明下,水中悬浮颗粒的磷光

这个图包含了不同尺寸颗粒的磷光曲线。我们最感兴趣的是60um左右的颗粒,这些在珊瑚缸内大量存在。当被短于370-380纳米波长光照时,磷光会非常严重。

以前的宽频谱的LED包含大量370纳米的辐射,他们会是水中的悬浮颗粒产生显著的磷光。因此,很多DIY LED灯具的爱好者建议尽少使用“光合”LED。

幸好,最新一代的LED的有效波长只有30纳米[15]。使用400-430纳米波段的LED,即使辐射功率很大,我们也一样可以避免悬浮物的磷光。

现在,我们来估算一下选定波长范围的光照量:400-440纳米,440-480纳米,480-520纳米,520-700纳米。每个范围对应了LED灯具的一个色彩通道,该通道可以使用一种或多种LED组合而成。

海洋表面的日照手云层,太阳位置和其他因素的影响。为便于估算,我们根据斐济3个月的统计数据[20],假定月均日照为1789 J/cm2。假设每天日照12小时,换算得到413 W/m2。

根据图3,积分太阳辐射功率,我们可以得到不同深度下上述各个波段范围的可见光功率分布 (表2):

表 2 一天里,给定波段范围的光能(单位W/m2)

波段范围, nm

深度,米 (英尺).

400-440

440-480

480-520

520-700

总功率

0 (0)

55

64

62

232

413

5 (16.4)

54

63

60

163

340

10 (32.8)

53

61

57

94

266

15 (49.2)

52

60

55

26

193

虽然上表数据是根据自然界给定深度下实际光谱分布得到的,但400-500纳米范围光仍然是最需要的,因为它对珊瑚的颜色和荧光最有用,而海洋光合生物对于500-700纳米范围的长波的利用十分低效。同时,人眼对520-600纳米范围的光波十分敏感,因此对于这个范围,我们不需要很多的辐射能量:即使少量该波段的辐射,人眼就会觉得珊瑚缸被照得很亮了。另外,补充660纳米的LED对于浅水生物是有益的。与此同时,这个波长与400-420纳米波段一起,有利于紫色的正确显色。

我们之前已经表明,400-480纳米波段对于海洋光合生物是至关重要的。在它们的自然环境中,珊瑚在400-440纳米范围获得52-55W/m2 光照,在440-480纳米范围,获得60-64W/m2 光照。

如果灯具里只用了这些波长,使用经验公式W/m2 = 0.21*L [19],我们可以得到的照明水平在528到567 μmol·photons/m2/s之间。如前所述,这个水平足以让光合珊瑚生长出色。

然而,我们并不建议一直使用那么大的照射功率,还有下列因素需要考虑:

·         除了上述波长范围,大多数爱好者为了提升视觉效果使用了其他波长范围的LED。这些LED一样增加了总的辐射光能。

·         超过400μmol·photons/m2/s的光照可能会过强。100 μmol·photons/m2/s以下光照,色素蛋白会停止形成; 即这个光照水平的1/4。

·         很多爱好者使用调光控制器来模拟一天里的日出日落效果,不同时刻的光照强度会有很大变化。光照时间段里的平均功率会小于最大峰值功率。

·         海洋光合生物对430纳米的光波利用率最高,这个波段范围激发它们的色彩也最强。

我们认为,400-440纳米范围波长合理的最大辐射强度大约是45W/m2 ,而440-480纳米范围是40W/m2。请注意:这里和前面,我们提到的都是辐射光能,而不是LED消耗的电能。要确定灯具需要的LED数量以及驱动电流,这些数值就需要转化成电能。这个就取决于所采用的LED的效率。在我们的下一篇文章中,会讨论如何计算这些数值,如何选择LED以及与制作灯具相关的其他问题。

如果珊瑚缸仅使用这些波长照明12小时,和赤道地区一样日出日落时间较短,我们就会得到一个约400μmol·photons/m2/s的辐射功率,这个光照足够使色素蛋白的行程最优化。由于灯具很可能还包含其他波长范围的LED,我们可以很有把握地认为这个数值是有一定的余量的。

还需要一提的是,虽然400μmol·photons/m2/s的光照强度对珊蝴色素蛋白形成是最优的,需要达到这个照明,需要非常清澈的水质。这个照度的1/4,就足以使珊蝴开始生成色素蛋白。我们建议一开始,先从最低限度的100μmol·photons/m2/s开始。几个月内,你可以慢慢地增加照度,但需要密切注意水质情况以及珊蝴的反应。如果系统稳定,各项参数都在最佳范围,那么光强可以慢慢地增加到400μmol·photons/m2/s。

如我们所见,那些标准参数比如CRI和CCT对于确定一个灯具是否适合珊蝴缸并没有太多用处。同时,我们需要再次指出,在400-480纳米波段范围充足的照明是至关重要的。如果这些条件满足了,灯具的其他参数可以根据个人的喜好来选择(只要确定总辐射强度不要超过前述的建议值)。我们必须承认,很不幸,市面上大多数成品灯具仅仅采用了450纳米以上的波段,而极其重要的400-440纳米范围常常缺失,或者不足。

参考文献

1.     http://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision

2.     David H.Hubel, Eye, Brain and Vision. 256p., 1995, ISBN/ASIN: 0716760096

3.     http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/Sample-Chapter.pdf

4.     http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/fileadmin/Documentation/Reports/Global_Vegetation_Monitoring/EUR_2006-2007/EUR_22217_EN.pdf

5.     http://rybafish.umclidet.com/zooksantella-%E2%80%93-nevolnica-korallov.htm

6.     http://afonin-59-bio.narod.ru/4_evolution/4_evolution_self/es_13_algy.htm

7.     http://medbiol.ru/medbiol/botanica/000a984c.htm

8.     http://batrachos.com/node/442

9.     http://reefcentral.com/forums/showpost.php?p=20296037&postcount=27

10.  http://www.photo-mark.com/notes/2010/nov/19/plancks-despair/

11.  http://reefbuilders.com/2010/06/17/grassy-glow-25000-k-metal-halide-bulb-from-volx-japan-hits-the-mark-for-blue-light-addicts/

12.  http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/fileadmin/Documentation/Reports/Global_Vegetation_Monitoring/EUR_2006-2007/EUR_22217_EN.pdf - 26p.

13.  R.W.Burnham, R.M.Hanes, C.J.Bartleson Color: A Guide to Basic Facts and Concepts. New York: John Wiley, 1953

14.  Thai K. Van, William T Haller, and George Bowes Comparison of the Photosyntetic Characteristics of Three Submersed Aquatic Plants. www.plantphysiol.org/content/58/6/761.abstract

15.  http://www.led-professional.com/products/leds_led_modules/semileds-achieves-40-external-quantum-efficiency-for-ultraviolet-uv-led-chips

16.  C.D'Angelo, J.Wiedenmann, Blue light and its importance for the colors of stony corals, Coral Magazine, Nov./Dec. 2011

17.  How much electricity costs, and how they charge you

18.  Ecotech Marine's Radion XR30w wins the 2011 Reef Builders LED showdown

19.  http://www.onsetcomp.com/support/knowledgebase/unit-conversion

20.  http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page2.php

21.  http://reefkeeping.com/issues/2002-09/atj/feature/index.php

Leletkin V.A., Popova L.I., Light absorption by carotenoid peridinin in zooxanthellae cell and setting down of hermatypic coral to depth, Zh. Obshch. Biol. 2005 May-Jun;66 (3)

 全文完。收工喽……

太牛逼了,就像一个座灯塔,给我指明了方向!  另外作者提到过下一篇关于led的选择!   穿马甲的达人,拜托您了!

#3楼 @浪客颖 确实有一篇详细的LED灯DIY的文章,挺不错的。可惜几乎所有材料都是买不到的,我等屌丝只能流口水。为了不让各位DIY友人心痒,就没有翻译。(其实主要是最近太太忙了,养娃毁一生啊)

#4楼 @穿马甲的8z

买不到确实是很遗憾, 买的很贵也伤不起啊,我这里没有翻墙,很少到国外去看,马甲不如直接贴出英文来,说不定某某就翻译了呢

 

http://www.advancedaquarist.com/2014/4/lighting

文章在这里了。很不错的,把LED相关的问题讲得很清楚。主要问题也给出了解决方案。但是,在烂货假货鱼龙混珠的天朝,这些东西基本搞不定。

最近查了一下,新手,有错勿怪。

蓝光:植物蓝:450-455      正蓝:465-470

紫光:正紫:400-405         斐济紫:415-420

红光:正红:620-630       植物红:655-660

绿光:蓝绿:495-500       正绿:515-530

另外白光:10000色温的,我怀疑就是夹在蓝和绿之间。猜测:470-480

                  6000色温肉眼颜色应该是正白,在绿和黄之间。

不知道这些数据有没有帮助到大家补光。不对的地方大家互相交流。

            

忘记补上一张图:20140326114227-479934290500-600之间就是黄色

@穿马甲的8z  关于你发的关于led制作的连接 ,在3.0版本中的灯珠到底是怎样配置的啊,能否提供一下,因为用谷歌翻译看的不是很清楚,先谢谢啦

#9楼 @源超 

Semileds Optoelectronics:1pc of 400-410nm LED, 2pcs of 410-420nm LEDs, and 1pc of 420-430nm LED

Philips Luxeon red LED x1

 2pcs of cool-white, Cree XT-E (XTEHVW-Q0-0000-00000LG51)

3pcs of Cree XT-E (XTEARY-00-0000-000000N02) Royal Blue

1pc. of Cree XP-E (XPEBLU-L1-0000-00205) Blue

1pc. of Philips Luxeon Rebel ES (LXML-PE01 Flux:K CCT:4) Cyan

一共12颗LED,4紫,3宝蓝,1蓝,1青,2冷白,1红

@穿马甲的8z    看看这个网站http://reefll.com/,他们 的产品所有零件都可以购买,但是价格不菲。

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