基本概念
1.1太阳电磁辐射与可见光
太阳光是一切生物赖以生存的源泉，我们居住的星球如此的生机勃勃，都是源于太阳光，我们看到的太阳光是太阳电磁辐射的可见光部分，电磁辐射是当振动是以光速传播时的物理现象，电磁辐射与可见光的关系如图1所示。
需要了解一些基本概念：频率是单位时间内波的重复发生次数，频率的单位是赫兹（Hz），波长是相邻两个波峰（或波谷）之间的距离，波长单位是米，光速＝波长×频率，周期与频率的关系：频率×周期=1，周期与波长表示位置相同，但周期表示完成一个波长需要的时间，周期的单位是秒。
以光速传播的振动波的波长由1公里至10皮米时，我们熟悉的无线电波、手机通讯、电视传送的微波、军事上的雷达、医学上的X射线、γ射线等，都是不同波长在以光速传播的应用，太阳辐射也只是其中的一部分。
在可见光范围里，人眼观察到不同颜色的光是视觉呈现的。这些颜色的光混合在一起，就是我们通常看到的白光，白光是用色温表示的，如图1的2000K-9000K。
我们在地球表面上能测试到的太阳辐射的波段范围大约为280nm-2500nm，低于280nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，地面上观察不到。当波长在400nm-750nm范围内，人眼都可以感受到这些波长发出的光，我们称之为可见光，太阳辐射主要集中在可见光部分，太阳辐射对于地球一切生物的生命演化中具有重要的作用；科学家采用光谱来分析电磁辐射和可见光的，我们研究太阳光、人造光源、植物吸收的光都离不开光谱图。
图2的太阳光谱波长范围是280nm-1100nm，我们把这个范围的光谱划分为几部分：
1.1.1紫外线：波长从280nm到400nm。
1.1.2可见光：波长从400nm至750nm。
1.1.3红外线：波长从750nm至1100nm。
在农业种植方面，我们研究波长从300nm-1100nm这个范围的应用，图2的太阳辐射光谱分布图在研究太阳对植物的辐射作用时具有参考作用；在研究植物光合作用时，我们通常研究波长从400nm-700nm这个范围。
图2的颜色分段对应着不同范围的辐射波长的视觉颜色，太阳光是由不同颜色的光组成的，太阳光的可见光部分主要是由红光、绿光、蓝光混合而成的，红光、绿光、蓝光称为三种基本光色，人造光源也是采用这三种基本光色混合而成的白光。
在可见光范围里，人眼最敏感的光（也就是我们感觉最亮的光）是黄色光（峰值是555nm），人眼最不敏感的光是蓝色的光。当天空出现彩虹时，我们往往看到的是黄色、红色和绿色，看到的蓝色占很小部分。如图所示。
人眼最敏感的光和最不敏感的光，是人眼的视觉功能决定的，并不意味着光辐射能量的大小，蓝光携带的能量就大于黄光，但人眼对黄光感觉最亮，对植物提供人工辐射时，不能由人眼的感受到的光的明暗来判断植物光合作用的效果。
我们人眼看到的光是由人眼内部的柱状细胞和锥状细胞感觉到的，人眼看到的光是用视觉函数推导来的，而植物“看”到的光却是需要用电磁辐射进行度量。因为植物不仅能“看”到400nm-750nm的可见光，植物还能“看”到不可见光，如紫外线和红外线。这一点非常重要，用于植物人工光源产品不宜采用光度学概念进行研发。
1.2植物的光合作用
植物是唯一能够把太阳光能量转化为质量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基础，植物不仅给人类提供了生存必须的氧气，还给人类提供了食物和能量。目前，人们已知的植物约有30余万种。
植物是所有生物里，唯一能够把太阳辐射能量转化为有机物的生物，是人类与其他动物赖以生存的基本生物。
植物把太阳辐射能转化为有机物的过程就叫做植物的光合作用，确切的说，光合作用是指植物、藻类和某些细菌通过光合色素，利用光能将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)的生化过程，图3是植物光合作用的理论基础。
植物是通过光合色素进行能量转化，这些色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等；根据能量转化守恒定律，植物在进行光合作用时，把光能转换成有机物质储存起来。
植物的光合作用需要二氧化碳和水才能完成，植物在光合作用时，吸收二氧化碳和水，释放出氧气并产生有机物，植物叶片内的叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
植物的光合作用只发生在叶绿体内，图4是从高倍显微镜里看到的植物叶片的组织结构，图中的绿色颗粒就是叶绿体，植物叶叶片内有大量的叶绿体；叶绿体是植物光合作用的场所。
大部分植物的叶绿体内主要含有叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）、β-类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素），光敏素（Pfr，Pr）。这些色素均参与光合作用，图5是叶绿体对光的吸收和反射过程，叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，光敏素主要吸收红光和远红外光；绿色植物的叶绿素含量最多，而且，叶绿素吸收绿光少，大部分的绿光被反射出来，所以叶绿体呈现绿色。植物的叶片组织里主要成分是叶绿体，所以，植物的叶片也是呈绿色的。
1.3各种波长的辐射对于植物的生理影响
1.4植物的色素在太阳辐射下的吸收光谱
我们研究植物的光合作用，基础是通过研究植物的色素对太阳辐射的吸收，才能揭示植物光合作用的基本原理，植物色素的吸收光谱如图6所示。
植物色素光合作用有效光谱的主要范围是300nm-800nm，色素中最多含量的叶绿素主要吸收的是红光和蓝光以及小部分的紫外线，叶绿素对绿光吸收的少，其他色素基本不吸收绿光，没有被吸收的绿光被植物反射出来和穿过叶片到达叶片的背面，有研究表明，绿光在叶片的内部可以散射吸收，同时穿过叶片到达叶片背面提供叶绿素进行光合作用，色素对太阳光的吸收光谱是有峰值的，吸收峰值仅表示对太阳辐射的能量需要最多，而不是完全吸收。我们之所以看清楚绿叶的外观和纹理，是因为红光与蓝光也有被反射出来，否则，人眼也无法清晰的看到叶片。
从图6可以看出，叶绿素a和叶绿素b对太阳光的吸收有两个峰值，一个发生在波长为430nm-450nm之间，另一个峰值发生在620nm-660nm之间，β-类胡萝卜素吸收440nm-500nm之间，光敏素吸收峰值是380nm、660nm、730nm。
通过对植物色素吸收光谱的分析，我们可以使用与太阳辐射相同波长的植物灯对植物进行辐射，从而达到与太阳光一样的植物光合作用的效果，这就是植物灯的基本构思。
植物灯（我们称人工辐射源PARS）与太阳辐射在辐射的物理原理是一样的，并没有差异，植物对电磁辐射的吸收只是对特定的波长的电磁辐射的需求，植物并不能区分这些波长的电磁辐射是来自太阳电磁辐射还是人造的电磁辐射源，因此，根本不存在植物灯对植物的光合作用产生变异，与转基因植物不同，植物灯在物理与化学上与太阳辐射作用完全相同，植物灯与太阳辐射相比，唯一的差别是植物灯的光谱形态无法做到像太阳辐射那样波长峰值变化小，由于色素的吸收光谱只集中在几个峰值，居于这一点，LED植物灯可以对植物光合作用更加有效，当然，植物灯是要增加植物种植成本。
我们定义植物灯称为植物人工辐射源PARS（Plant Artificial Radiation Sources），植物光合作用只是接受不同波长的电磁辐射出的光子，而不是向植物提供照明，植物的有效光合PPFD值才是植物光合作用的度量单位，采用光度学单位照度值（LUX）表达植物光合作用会引起使用者对植物种植的应用错误，当在植物人工辐射源加入不可见光的辐射时，LUX的数值趋于零，但植物却能够正常吸收到这些不可见光辐射的光子；当辐射源的波段是在可见光范围内（400-700nm），可以称为植物灯，但需要用PPF或者PPFD标注。
1.5植物人工辐射源的过程
从全球农业科学的技术文献来看，早期的科学家对植物与光的某些物理化学现象进行了研究，研究的内容包括：太阳光与植物生长，太阳辐射与植物的光合作用，人造光源与植物光合效率等，比较系统的研究是源于美国军方和美国宇航局NASA，为了研究宇航员在太空中如何长期生存的问题，肯尼迪航天中心（KSC）提出了“高级生命支持系统的作物生产”这个试验项目，在这个领域里，科学家对人工环境下的植物种植方面做出了许多富有成效的技术研究，图7是NASA的植物研究。
早期的植物种植采用人工辐射源是照明光源，如白炽灯、高压钠灯、金卤灯、荧光灯，这些人工光源在植物培植也起了一定的效果，但是，这些光源有一个共同的缺点，那就是对电力的损耗很大，发热量大，每耗电一瓦所产生的植物重量低。
用于植物生长的各种人工光源对比：
随着照明技术的发展，一种称为半导体固态照明（SSL）的产品越来越多的应用在照明领域，人们发现，LED的许多固有特性对植物的光合作用有很好的效果，随着LED成本的下降，LED植物人工辐射源在农业种植方面得到了空前的发展，世界各地的科学家都在致力于LED在现代化农业生产的应用，植物工厂概念不断冲击着传统农业种植技术。
2．LED与LED植物灯介绍
2.1．什么是LED
LED是发光二级管（Light Emitting Diode）的英文缩写，属于半导体器件，1962年LED开始应用，1993年以前，LED只有红光、绿光、黄光器件，主要用作指示灯，1993年蓝光LED实现了工业化生产，四元素红光LED与蓝光LED应用在植物种植中逐渐得到发展，LED应用在照明领域称之为半导体固态照明SSL（Solid State Lighting），LED应用在植物种植称之为植物人工辐射源PARS（LED Plant Artificial Radiation Sources），LED用于植物种植具有以下特点：
1）、可以制造出不同波长组合的人工辐射源。
2）、电功率到辐射功率的转换效率高。
3）、LED属于冷光源，发出的光无热辐射。
4）、单面发光方式，光辐射利用率最高。
5）、辐射量的输出可以通过驱动电流调节。
6）、辐射量衰减率低，平均寿命达3万小时以上。
7）、耗电功率低，种植成本低。
8）、可以低压直流驱动，可以实现数字化规模控制。
9）、可以方便接入太阳能、风能供电系统。
10）LED器件的生产工艺不会造成环境污染。
11）、产品造价高，初始投入大。
2.2用于植物光合作用的LED光谱图
对于植物灯的研制，我们依据的是太阳辐射与植物光合作用的体系进行的，所以，对于LED光源也需要从LED的光谱分析开始，图8是LED植物灯常用的波长的光谱图，可以看出，每种波长的光谱中，波形单一平滑，无其他杂波，波形态与植物光合作用的峰值波长形态接近，可以提供多波段的组合。
图8各种波长的LED的光谱图
针对不同的植物，按照其吸收光谱的特性，把这些不同波长的LED按比例组合在一起，形成多波段的人工辐射源，波长的组合和辐射量大小与植物品种有关，不同波长的LED辐射能量与LED本身的辐射特性有关，LED辐射效率与封装厂的品质有关，需要专业仪器进行物理分析才能确定配比组合，图9是LED植物灯的光谱对比图，从图中可以看出，LED植物灯的光谱图与植物色素吸收光谱形态接近，但LED植物灯不能仿制色素吸收光谱图，需要参考莫克利曲线与科学实验得出，关于莫克利曲线，后面会发一章《McCree 莫克利的研究与作用曲线》。
图9 LED植物灯与色素光谱图对于关系
2.3 LED植物灯的一些技术需求
对于LED植物灯的关键技术是结构散热和二次光学设计，其他方面可以参考《LED植物灯光谱》文章。这里，只是介绍我们设计植物灯的技术支撑。
好亮固体光源研究所研发的专利产品REH（Equalized Radiating Holder均衡式散热支架）是目前大功率LED最好的散热结构，散热性能优异， ERH可以配备反射杯和透镜，实现多种光学输出角度，同时，REH具备防静电能力，使产品寿命得到更本保证。图11是各种光输出角度的ERH散热支架，ERH散热技术居行业领先。
在辐射效率方面，好亮固体光源研究所采用优化设计理论，创新地提出了MOL二次光学设计（Minimum Optical Loss最小光损技术），MOL技术是以反射杯为基础，在反射杯的反射面涂有特殊的反射涂层使得光的输出效率提高到92%以上，同时，通过采用MOL技术的光学设计，使得反射中心与边缘的光强度趋于均匀化，辐射面的辐射均匀度得到极大的改善。如图12所示，ERH与MOL配合产生的配光曲线是最合适植物灯。
在产品应用评估方面，我们采用工业级的仿真技术，在产品研制前，通过仿真技术，可以预先分析产品应用的光分布数据与效果。图13是这些分析的图示。
3 LED植物灯的参数标注内容
以我们采用模组化的光学引擎(light engine)概念设计的BG5D产品为例
产品参数
输入电压：180-240VAC
耗电功率：5 w（单片）
功率因数：0.48
配光角度：90度
二次光学：反射杯
灯具效率：87%
配 光 图 ：参见使用说明书
PPF=YPF：8 umol/s （单片）
PPF/w ：1.6
LQ ：430nm，640nm，660nm
辐射比B/R：1:4
光谱图 ：参见使用说明书
防水等级：IP51
结构散热：铝合金结构
植物灯应用，组合式应用
应用场合：育苗，家庭种植。
这个单片的5W的植物灯模组，在距离种植面150mm处PPFD值可以达到88。
模组在集装箱植物工厂种植的应用，每平方米需要68W的耗电功率，DLA达到10，蔬菜种植效果良好，下面是育苗的应用。
以上参数为植物灯最基本的参数标注，是专业的表达方式，应用者根据这些参数才能较好的应用产品，如果光质包括UV或者IR，后续会发一章《LED植物灯光谱》以供大家参考。
植物人工辐射源最终设计目标是实现低能耗且高效率的植物种植，因此，植物灯设计相比照明产品设计过程要复杂很多，首先需要了解种植工艺的要求，温室应用需要测试种植环境的DLI，植物灯的光谱形态与二次光学设计需要专业设计，植物灯的设计依赖设计经验与技术支撑能力。
目前，植物灯的光谱设计的光质与光量均属于企业相对保密的内容，所以，具体的光质与光量与应用这里没有过多的叙述，可以有这样的共识：企业需要面对市场去盈利，要有技术服务与技术能力，植物灯光谱很容易被破解，但技术服务与技术能力不在破解范畴，只有自身具备优秀的技术，市场营销才能有保证，植物灯在种植工艺里仅仅是条件之一，并非唯一，植物灯只有符合种植工艺的要求，才能发挥最佳的效果。
请大家多多关注植物灯光谱技术，本人是佛山好亮固体光源研究所小王，后续会发些我们研究所关于光谱，以及植物工厂相关的一些技术性文章和对植物工厂现状的一个理解，请关注。
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