LED 植物燈光譜該如何設計？
文 | 許東
編輯手記：
在我們的認知里，萬物生長靠太陽，說的就是光。植物生長需要通過光合作用來生成能量，不同的植物對光的需求也是不一樣的，所以在使用人工光進行植物光合作用時，所需選擇的光質和光量也不同。
植物是依賴光合作用而生長的，大多數植物所需的光譜與人類的可見光譜相似，約在400-700 nm，植物吸收該范圍內的任何光子都能進行光合作用，但不是所有的波長的光子都能被吸收，植物色素的吸收光譜很好的說明這一點。
照明微課堂特約了佛山好亮固體光源研究所 許東老師 來為我們解析關于植物燈技術的系列文章，第一期可點擊題目回顧《植物照明是很火，但你真的懂嗎？》，趕緊搬好小板凳，一起來學習吧~
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植物工廠是跨界產品，植物燈光譜技術是種植設備與種植工藝的重要關聯點。種植工藝決定光譜設計，對植物燈的設計與制造是保證種植工藝所要求的光質能達到最佳效率，植物燈的這些特點決定了植物光譜設計具有復雜性和多樣性。
LED 植物燈的光譜設計要點
通常，種植工藝需要提出基于某種光質的日輻射量，或者是種植面的 PPFD 值（有些種植工藝要求 YPFD 值）與光周期，日輻射量決定 PPFD 值與光周期，設計者根據 PPFD 值計算出 LED 光源的 PPF 值（或者 YPF 值），再進行光譜設計。
這里需要注意的是，在相同的光源 PPF 值下，不同的配光設計，散熱設計，驅動設計導致 PPFD 值有明顯的差別，制造工藝對植物燈的電能利用效率影響較大，這個影響可以用每瓦電功率的 PPF 值和 PPFD 值衡量，這個值越高越好。
對于 LED 光源：PPF/w，對于種植面：PPFD/w，對比相同光譜形態的植物燈的這兩個指標，可以評估制造商的制造工藝水平。
圖：光合光子通量密度（PPFD）,指落在指定區域內的微摩爾總數，計量單位是微摩爾/秒/平方米 μmol/ s /m2，概念類似于勒克斯 lx 。
圖：光合光子通量（PPF），指波長 400-700nm 產生的微摩爾總數，計量單位是微摩爾/秒 μmol/s，概念類似于光能，lm/s 。
因為 LED 植物燈的光譜是可以設計的，LED 植物燈的光譜才表現出多樣性，每種植物燈光譜都被設計者廣告為最好，在這里我們強調一點，光譜沒有最好，只有最合適某種種植工藝，企圖把 LED 光譜做到通用并非是好的設計思路，兼容性高的光譜設計是以犧牲種植效率和浪費電能為代價。
對于多種單波長燈珠組合的植物燈光譜，多種輻射混合后在輻射面的均勻度需要考量，主要是燈珠的排布、配光設計、燈具的安裝高度等；輻射場的均勻度影響光合效率，對于層架結構的立體種植，盡量采用朗伯配光，對于有加透鏡的溫室補光植物燈，輻射場的均勻度更加需要注意，需要明確的是通過增加安裝高度去改善輻射面均勻度的結果是以距離的平方降低 PPFD 值。
圖：朗伯配光
植物燈的燈具效率是燈具的 PPF 值與光源的 PPF 值之比，這個值小于 1，與二次光學的配光設計有關，LED 植物燈燈具效率通常在 0.9-0.5 之間，燈具效率影響植物燈的耗能指標與種植效率，采用透鏡設計的植物燈燈具效率不會超過 0.8。
植物燈光譜加權（RQE）可以更好的解決植物吸收效率與能耗這個矛盾，與照明的視效函數作用相同的是植物的吸收效率函數（也稱作用曲線），有些植物燈的光譜加權是采用莫克利曲線或日本傾向的在莫克利曲線基礎上增加植物品種的修正曲線。
這里需要注意的是，莫克利研究時不是采用的 LED 光源，同時，莫克利的研究是低輻射量和少數幾個品種的室內室外綜合種植數據歸納，盡管日本的修正曲線增加了植物品種，但上述問題仍然存在，對比德國工業標準，他們的權重卻是在藍光。
我們認為，這些加權對于 LED 光源并非完全適合，好亮光源光源研究所針對 LED 光源做的光譜V加權（略）也僅是個思路，光譜如何加權仍然是各國研究的努力方向。
圖：莫克利曲線
圖：修正曲線
至今，許多植物燈在談論光譜配比時，仍然采用各種光譜的燈珠比來描述，由于燈珠比無法體現輻射量，這個問題需要了解 LED 芯片供貨規格，LED 芯片是按照相同芯片尺寸的輻射功率大小來劃分等級與供貨，按照燈珠比提供的 LED 光譜可能會有 30% 的配比偏差，這也是相同產品的不同批次種植效果有差別的原因之一。
正確的光譜配比是按照 PAR 的波長范圍對 RGB 波段進行輻射功率比，這樣提供的產品才會有數據依據，下面是我們對某產品進行的數據分析供大家參考。
增加 UV 與 IR 段的光譜，其種植工藝主要是對植物的光形態控制，對于增加了 UV 段和 IR 段的 LED 植物燈，在 UV 與 IR 段不宜采用微摩爾量表達，而是采用輻射參數表達，同時提供 PPF 和 YPF 值，否則，無法正確表達種植工藝提出的 UV 與 IR 輻射要求。
