一、光的應(yīng)用分類(lèi)

視覺(jué)應(yīng)用：應(yīng)用于照明，物理單位是以平均人眼的視效函數(shù)對(duì)光譜輻射功率加權(quán)得到的光通量為主要參數(shù)。

非視覺(jué)應(yīng)用：以動(dòng)物、植物、醫(yī)療、微生物、識(shí)別、數(shù)據(jù)傳送等應(yīng)用，物理單位是輻射功率或者光量子數(shù)。

二、光子的能量

LED發(fā)光是能量的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，電子與空穴復(fù)合時(shí)多余的能量會(huì)發(fā)光，產(chǎn)生光子，波長(zhǎng)越短，產(chǎn)生光子的能量越高，光子是光傳遞能量過(guò)程中的*小單位，植物光合作用吸收的是這種帶能量的光子，光合作用是在光子能量包驅(qū)動(dòng)進(jìn)行，而不是一般的光能量作用，這就是植物光合作用需要光子去表達(dá)的原因。

單個(gè)光子的能量在波長(zhǎng)400nm與波長(zhǎng)700nm的能量比是1.75，也就是說(shuō)，藍(lán)光比紅光能量大 1.75 倍。

相同輻射功率下，產(chǎn)生光子的數(shù)量隨著波長(zhǎng)的增大而增加，如上圖所示。

光合作用是由光子通量產(chǎn)生，是攜帶能量的光子在酶的作用下分解CO2與H2O后產(chǎn)生新的分子的過(guò)程，但不是所有被植物吸收的光子產(chǎn)生相同的光合作用，需要用能量傳遞的角度理解光合作用，用“光餐"來(lái)理解光子與植物的關(guān)系

光合有效輻射的光子數(shù)量采用兩種度量單位：光合光子通量（PPF），其波長(zhǎng)范圍從400到700 nm，二是產(chǎn)生的光子通量（YPF），其波長(zhǎng)范圍可以根據(jù)植物的光合響應(yīng)下確定波長(zhǎng)范圍。

三、植物燈的參數(shù)與單位

摩爾量（mol）：在描述物質(zhì)構(gòu)成的基本單位如分子、離子、光量子等的時(shí)候，通常采用摩爾量表示，摩爾量是由6.022EXP(23)個(gè)物質(zhì)的基本粒子構(gòu)成一個(gè)基本量，單位是：摩爾（mol），在植物光合作用里光子的數(shù)量也是采用摩爾量表示，一個(gè)光子摩爾（mol）里包含有6.022EXP(23)個(gè)光子，由于在植物光合里摩爾的單位大，許多參數(shù)采用微摩爾表示。

1 摩爾（mol） = 1000000微摩爾（umol）。

1 微摩爾（umol）包含有6千萬(wàn)個(gè)億的光子。

PAR：光合有效輻射（Photosynthetic Active Radiation）

植物用于光合作用的特定波長(zhǎng)范圍（400-700nm）的輻射稱(chēng)作光合有效輻射，標(biāo)注單位有兩種，一是用光合輻照度表示（w/m2），主要用于太陽(yáng)光的光合作用的廣義研究，二是用光合光子通量密度PPFD表示（umol/m2s），主要用于人造光源和太陽(yáng)光對(duì)植物光合作用的研究，采用每秒輻射到植物表面的光子流量的這個(gè)方法表示輻射源的輻射能力，稱(chēng)為PPF PAR法。（注：m2表示平方米）

PAR約占太陽(yáng)總輻射的50%，需要注意的是，光合輻照度這個(gè)單位體現(xiàn)不出波長(zhǎng)的影響。

PPF：光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux）

是指波長(zhǎng)在400-700nm波段里，人造光源每秒輻射出光子的微摩爾數(shù)量，單位umol/s。

PPFD：光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）

與PPF相對(duì)應(yīng)的是每平方米每秒光源輻射出的微摩爾數(shù)量，單位umol/m2s ，是密度的概念。

PPFD是表示在一平方米范圍里的PPF。

PPFD是個(gè)與輻射距離相關(guān)的物理量，與照射距離的平方成反比。

1 PPFD 表示每秒1微摩爾的光子數(shù)量輻射在1平方米的表面。

1umol/m2s（PPFD）有多大呢，它表示10平方納米里有6個(gè)光子。

YPF：產(chǎn)生的光子通量（Yield Photon Flux）

是指在人造光源所發(fā)出的波長(zhǎng)范圍里，每秒輻射出的光子微摩爾數(shù)量，單位umol/s。通常認(rèn)為的波段是360-760nm，對(duì)于LED光源，波長(zhǎng)范圍設(shè)定為380-800nm。

YPFD：產(chǎn)生的光子通量密度（Yield Photon Flux Density）

與YPF相對(duì)應(yīng)的是每平方米每秒輻射的微摩爾數(shù)，單位umol/m2s ，是密度的概念。

YPFD是表示在一平方米范圍里的YPF。

YPFD是個(gè)與輻射距離相關(guān)的物理量，與照射的距離的平方成反比。

YPFD更能準(zhǔn)確的表達(dá)LED植物燈光質(zhì)的光量。

對(duì)于紅光藍(lán)光譜，YPF=PPF，其他光譜PPF<YPF。

PAR與PPFD的區(qū)別，PAR是個(gè)物理概念，而PPFD的這個(gè)物理概念的單位。

PPFD與PPF的關(guān)系：PPFD是由種植工藝參數(shù)得出的基本量，PPF是燈具制造的主要參數(shù)。

為了清晰了解輻射、照明、植物光合作用的三個(gè)概念，我們制作了下面的表格。

人造光源的輻射、照明、植物光合作用這三個(gè)概念對(duì)比表：

注：m2表示平方米

四、不同光源與燈具之間定量分析參數(shù)

對(duì)于不同的人造光源，采用下面的指標(biāo)可以比較他們之間的光譜參數(shù)性能，這些參數(shù)也可以比較同種光源相同光譜形態(tài)下不同廠(chǎng)家的光譜參數(shù)性能，通常，這些值越大越好，但是，數(shù)值大并不意味著種植效率高，需要具備專(zhuān)業(yè)技能的專(zhuān)業(yè)評(píng)估。

PPF/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的PPF。

PPFD/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的PPFD。

YPF/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的YPF。

YPFD/w：表示每耗電一瓦所產(chǎn)生的YPFD。

以上這些值大小與光譜形態(tài)（光質(zhì)）有關(guān)，如果把這些值再除以植物燈的價(jià)格，那就可以比較植物燈價(jià)格高低，這些值的有效性需要通過(guò)第三方獨(dú)立的專(zhuān)業(yè)分析才可靠。

通常，農(nóng)用鈉燈*大到 2.2 PPF/w，LED光源，*大2.1 PPF/w

五、光質(zhì)、光量、光周期

光質(zhì)LQ（Light Quality），是在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜形態(tài)，無(wú)單位。

光量LI（Light Intensity），是表示光質(zhì)所能輻射的光子數(shù)量，既可以用光子流量表示，也可以用光子密度表示，單位：PPF（YPF）或者PPFD（YPFD）。

光周期PP（Photo Period），表示在一個(gè)自然日內(nèi)，植物燈開(kāi)燈的時(shí)間總和，單位：小時(shí)

六、植物每天需要的輻射量（重要概念）

許多人熱衷研究植物輻射的補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)來(lái)推算植物燈應(yīng)該使用多大的PPFD，從補(bǔ)償點(diǎn)到飽和點(diǎn)的范圍較大（如下圖所示），在這個(gè)范圍的選擇植物燈的光量具有人為的隨機(jī)性，補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)只是定性分析，量化過(guò)程一定要考慮其他環(huán)境因素，不可以機(jī)械的理解，用“光餐"解釋植物補(bǔ)光可能更為恰當(dāng)，在我們的種植工藝專(zhuān)家系統(tǒng)里，我們給出的是植物每天每平方米合理需要的輻射量，這個(gè)量值關(guān)系到種植成本與種植品質(zhì)，我們的這個(gè)參數(shù)是參考農(nóng)業(yè)科學(xué)長(zhǎng)期研究的種植工藝參數(shù)DLI，具有理論依據(jù)。

日光合量DLA（Daily light amount）：指人造光源在光周期下每天每平方米的PPFD所產(chǎn)生的光子的摩爾數(shù)量，單位：mol/m2d。

由于植物燈的光量在光周期下是恒定的，DLA=0.0036*PPFD*PP。PP-光周期單位：小時(shí)。

DLA是種植工藝參數(shù)，植物工廠(chǎng)的植物種植所需要的PPFD就是用DLA計(jì)算出來(lái)的。

聲明：DLA由好亮固體光源研究所許東定義。

日光積分量DLI（Daily light integral）：指太陽(yáng)光有效輻射下每天每平方米的光合作用積分量，單位：mol/m2d。

DLI在傳統(tǒng)種植中是一個(gè)重要光合量參數(shù)，是長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的技術(shù)參數(shù)，具有普遍的種植指導(dǎo)意義，在太陽(yáng)光下，由于太陽(yáng)光的光合輻照度（換算成PPFD）隨時(shí)間與天氣在不斷變化，這個(gè)變化會(huì)出現(xiàn)跨度有時(shí)會(huì)在補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)之間，所以，DLI需要按照積分的方法計(jì)算，初步的計(jì)算可以用平均PPFD與有效時(shí)間（小時(shí)）進(jìn)行計(jì)算。

在太陽(yáng)光下按照平均值方法計(jì)算的DLI，DLI=0.0036*PPFD（平均）*有效時(shí)間。有效時(shí)間單位：小時(shí)。

在室外種植中，DLI參數(shù)會(huì)受到飽和點(diǎn)的影響，在溫室大棚里，室內(nèi)的DLI小于室外的DLI，溫室的DLI通常也會(huì)小于DLA，DLA參數(shù)的創(chuàng)立，科學(xué)的提供了溫室是否補(bǔ)光與補(bǔ)光量大小的理論依據(jù)，系統(tǒng)的建立人造光源的DLA數(shù)據(jù)庫(kù)，可以提供植物工廠(chǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，具有非常重要的意義，希望農(nóng)業(yè)科研人員參與到這項(xiàng)工作中。

DLA是植物工廠(chǎng)與溫室補(bǔ)光的種植工藝的主要參數(shù)，是植物燈設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，DLA可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者通過(guò)DLI經(jīng)過(guò)加權(quán)后初步得出，但需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，DLA與DLI的關(guān)系是：DLA<DLI，如生菜種植的DLI為17，DLA為9-11。

七、光源功率、PPF、PPFD、安裝高度的關(guān)系

圖中右側(cè)框是安裝高度（米）。從圖中可以看出，適當(dāng)?shù)陌惭b高度可以降低光源功率，減少系統(tǒng)能耗。

對(duì)于同一PPF的光源，安裝高度與PPFD的關(guān)系是安裝高度增加，PPFD以2次方的速率下降。

八、 LED植物燈的極限參數(shù)

植物燈光譜形態(tài)確定后，對(duì)應(yīng)于這種光譜形態(tài)的*高YPF或PPF就可以計(jì)算出來(lái)，這對(duì)評(píng)估LED植物燈的應(yīng)用非常重要，也是LED植物燈與其他類(lèi)型的植物燈性能比較的主要方法。

以輻射效率40%為例：

波長(zhǎng)445nm，PPF/w = 1.538

波長(zhǎng)660nm，PPF/w = 2.19

3000k白光，YPF/w = 1.99

藍(lán)光+紅粉，YPF/w = 2.133

紅藍(lán)光，PPF/w = 2.12

目前的LED封裝技術(shù)批量供貨的*高輻射效率低于40%。

目前LED植物燈的PPF/w值小于2，基本上在1.6-1.8之間。

目前農(nóng)用鈉燈的PPF/w 值2.0-2.2之間。

通過(guò)以上的論述，我們清晰的看到，植物燈的參數(shù)是有明確概念的，需要清晰了解這些參數(shù)的物理定義與單位。