LED植物灯光谱该如何设计？-专栏作家-云知光

LED 植物灯光谱该如何设计？

文 | 许东

编辑手记：

在我们的认知里，万物生长靠太阳，说的就是光。植物生长需要通过光合作用来生成能量，不同的植物对光的需求也是不一样的，所以在使用人工光进行植物光合作用时，所需选择的光质和光量也不同。

植物是依赖光合作用而生长的，大多数植物所需的光谱与人类的可见光谱相似，约在400-700 nm，植物吸收该范围内的任何光子都能进行光合作用，但不是所有的波长的光子都能被吸收，植物色素的吸收光谱很好的说明这一点。

照明微课堂特约了佛山好亮固体光源研究所许东老师来为我们解析关于植物灯技术的系列文章，第一期可点击题目回顾《植物照明是很火，但你真的懂吗？》，赶紧搬好小板凳，一起来学习吧~

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植物工厂是跨界产品，植物灯光谱技术是种植设备与种植工艺的重要关联点。种植工艺决定光谱设计，对植物灯的设计与制造是保证种植工艺所要求的光质能达到最佳效率，植物灯的这些特点决定了植物光谱设计具有复杂性和多样性。

LED 植物灯的光谱设计要点

植物灯影响 PPFD 值

通常，种植工艺需要提出基于某种光质的日辐射量，或者是种植面的 PPFD 值（有些种植工艺要求 YPFD 值）与光周期，日辐射量决定 PPFD 值与光周期，设计者根据 PPFD 值计算出 LED 光源的 PPF 值（或者 YPF 值），再进行光谱设计。

这里需要注意的是，在相同的光源 PPF 值下，不同的配光设计，散热设计，驱动设计导致 PPFD 值有明显的差别，制造工艺对植物灯的电能利用效率影响较大，这个影响可以用每瓦电功率的 PPF 值和 PPFD 值衡量，这个值越高越好。

对于 LED 光源：PPF/w，对于种植面：PPFD/w，对比相同光谱形态的植物灯的这两个指标，可以评估制造商的制造工艺水平。

图：光合光子通量密度（PPFD）,指落在指定区域内的微摩尔总数，计量单位是微摩尔/秒/平方米 µmol/ s /m2，概念类似于勒克斯 lx 。

图：光合光子通量（PPF），指波长 400-700nm 产生的微摩尔总数，计量单位是微摩尔/秒 µmol/s，概念类似于光能，lm/s 。

植物灯光谱没有最好只有最合适

因为 LED 植物灯的光谱是可以设计的，LED 植物灯的光谱才表现出多样性，每种植物灯光谱都被设计者广告为最好，在这里我们强调一点，光谱没有最好，只有最合适某种种植工艺，企图把 LED 光谱做到通用并非是好的设计思路，兼容性高的光谱设计是以牺牲种植效率和浪费电能为代价。

注重辐射面的辐射场均匀度

对于多种单波长灯珠组合的植物灯光谱，多种辐射混合后在辐射面的均匀度需要考量，主要是灯珠的排布、配光设计、灯具的安装高度等；辐射场的均匀度影响光合效率，对于层架结构的立体种植，尽量采用朗伯配光，对于有加透镜的温室补光植物灯，辐射场的均匀度更加需要注意，需要明确的是通过增加安装高度去改善辐射面均匀度的结果是以距离的平方降低 PPFD 值。

图：朗伯配光

注重植物灯的灯具效率

植物灯的灯具效率是灯具的 PPF 值与光源的 PPF 值之比，这个值小于 1，与二次光学的配光设计有关，LED 植物灯灯具效率通常在 0.9-0.5 之间，灯具效率影响植物灯的耗能指标与种植效率，采用透镜设计的植物灯灯具效率不会超过 0.8。

关于植物灯光谱的加权

植物灯光谱加权（RQE）可以更好的解决植物吸收效率与能耗这个矛盾，与照明的视效函数作用相同的是植物的吸收效率函数（也称作用曲线），有些植物灯的光谱加权是采用莫克利曲线或日本倾向的在莫克利曲线基础上增加植物品种的修正曲线。

这里需要注意的是，莫克利研究时不是采用的 LED 光源，同时，莫克利的研究是低辐射量和少数几个品种的室内室外综合种植数据归纳，尽管日本的修正曲线增加了植物品种，但上述问题仍然存在，对比德国工业标准，他们的权重却是在蓝光。

我们认为，这些加权对于 LED 光源并非完全适合，好亮光源光源研究所针对 LED 光源做的光谱V加权（略）也仅是个思路，光谱如何加权仍然是各国研究的努力方向。

图：莫克利曲线

图：修正曲线

关于光谱配比

至今，许多植物灯在谈论光谱配比时，仍然采用各种光谱的灯珠比来描述，由于灯珠比无法体现辐射量，这个问题需要了解 LED 芯片供货规格，LED 芯片是按照相同芯片尺寸的辐射功率大小来划分等级与供货，按照灯珠比提供的 LED 光谱可能会有 30% 的配比偏差，这也是相同产品的不同批次种植效果有差别的原因之一。

正确的光谱配比是按照 PAR 的波长范围对 RGB 波段进行辐射功率比，这样提供的产品才会有数据依据，下面是我们对某产品进行的数据分析供大家参考。