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观赏鱼缸及海鲜鱼池照明基础知识

返回列表 来源:普昕 浏览: 发布日期:2020-03-22 07:50【


观赏鱼缸及海鲜鱼池照明基础知识-
翻译整理: Aquayee

开篇语
饲养海水生物最大的投资恐怕就是照明了。 RC(reefcentral)上有很多关于照明的辩论。为什么要搞一个比太阳光还亮的光源呢?现在我们就来深入的了解一下光线吧。
光的测量方法,色温概念
首先来说说各种光学术语吧,这对理解下面的文章有很大的帮助。
流明( Lumens) 并不难理解。看看赛道上超级流线型的跑车,也许它有 3。5升的发动机,351马力的引擎。流明的概念就像“马力”。它描绘的是一般意义上光源输出的能力。事实上,流明与电力学中瓦特的概念相同。1瓦约等于683 流明。1瓦特能量等于555纳米的绿光,达到683流明的能量。因此,100瓦的荧光灯和100瓦的金卤灯光源输出能力是相同的,也就是流明相同。


理论上,它们都会释放68300流明的光。那么我们再来看赛道上的跑车。的确,这辆赛车有351马力,其它同样拥有351马力引擎赛车比较起来如何呢?众所周知,发动机环,变速齿轮,车重和轮胎类型都会影响发动机马力转换成汽车行驶时速。这个概念更像是流明。流明能够告诉你照明设备的理论值,但不能告诉你实际情况下对水族箱的照明能力。实际应用中,包括转换成热能和被玻璃吸收的能量,以及其它因素的影响,100瓦的荧光灯和100瓦的金卤灯都不能得到68300流明的光,应该比理论值少很多。
光密度( LUX,勒克斯)
勒克斯表示有多少流明实际到达了被照射物体,也就是缸中的珊瑚。我们可以通过测光表测量勒克斯的值。测光表和太阳能电池很相似,通过吸收照射到其表面的光产生一定的电压。因为勒克斯是每平方米流明的测量单位,测光表也以勒克斯作为显示。
单位面积的光密度定义为“

LUX”。用一个手电筒,距离墙壁一英尺远,将光束射向墙壁,注意观察被照亮区域的大小。现在站到二英尺远的地方,再观察被照亮地方的大小。是否面积增大了?实际上第二次观察时面积应该是第一次的4倍 。站到四英尺远的地方,你会发现照亮的区域面积为原来的16倍。因为电筒内灯泡所发出的流明数是一定的,所以目标区域的亮度降低了。当电筒距离远,照明面积大时,相同的流明数被分配给了更多个单位面积。最终,当距离远到一定程度,单位面积内流明数量非常低,照亮区域基本看不见了。光密度LUX=流明/单位面积。当电筒距离墙壁越来越远时,单位面积内的流明越来越少,光密度也就越来越小。说得直接点,距离的平方与光密度成反比。
光的反射和消耗
当我们观察光束投射到墙壁上时,我们看到的是什么?不是光源本身,而是它的反射光。大多数情况下,反射光与光源是不同的。墙壁上的光束照射区域应该比眼睛看到的还要亮,为什么呢? 因为光从墙壁反射到眼底要经历一段空间路程,其中有流明损失。当我们用电筒成一定角度照射墙壁时,光斑变成了椭圆形,大多数流明集中在椭圆形较小的部分。还有些情况,由于物体表面条件不同,有些光被表面吸收或反射出不同波长即不同颜色的光。
当我们研究光线时,要考虑两个因素,一个是光源所发出的光的性质,一个是表面反射光的性质。
实际上,光源的发光性能直接影响着水族箱的观看效果。反射光有很多种效果。我们可以在光源上加装反光板,直接照亮我们希望照亮的地方。因此,光源本身和反光板都是在购买灯具时非常重要的因素。光能会在所有光传播的方向消耗,直到大家观察不到光,它彻底在传输过程中消耗光了。
光化作用
光化作用( Actinism)是通过光激发化学反应的专有名词。
人类的眼睛对黄 -绿之间的颜色特别敏感,主要集中在555纳米。如果引入流明作为测量光照系统的参数,就必须以某一范围的光谱为基准。摄影用测光表主要测量这个波段的光。然而对于水族饲养这个波段的光却是不利的。
钙藻、虫黄藻等必须利用光合作用维持生命,而 555纳米的光线却不是正确的光线。整个可见光范围内的光波都很重要,如果让藻类选择,555纳米的光线绝不是首选。因此如果要测量水族用光的强度,普通测光表毫无意义。
水族领域光线最大的进步是化性荧光的引入。 非常凑巧, 420-450纳米之间的光对光合作用非常有用。光化作用照明设备(即有效光照明设备)主要产生这一波段范围内的光线。有效光照明一度成为新颖重要的照明。当上世纪70年代最初引入时,被认为是水族用最好的灯光。水族店喜欢这样的灯光,而且其中很多展缸也用的是这种灯光。在有效光的照明下,水体显得很透明,鱼和珊瑚都很突出。有些珊瑚甚至在这种光源下发出荧光。
在有效光引入了一段时间后,人们发现了更多的好处。海鲜缸厂家装修前和设计师谈好,将鱼缸设计到里面,充分融入家庭整体装修氛围。有效光的显色性能很差,反而增加了光合作用的光谱,突然之间许多从未成活的珊瑚活了下来,并有所生长。有效光( Actinic lighting)是水族领域的一大进步。


就像所有的重大发现和发明一样,有效光的作用现在不再那么受关注了。 对于我来说,我认为水族灯光中应该有一部分有效光。相对于其它光线,它是非常有用的。
分光辐射度计( spectroradiometer)
关于光线,测量的方法简直太多了。标准测光表的一大缺陷是只测量很少一个波段的光线。甚至排除了对于水族生物很重要的光线。现在你已经不能满足于普通摄影的测光表了吧?如果你要准确的测量你要购买的光源,那么需要一个分光辐射度计( spectroradiometer)。
幸运的是,有很多科学怪才已经考虑了这个问题。他们定义了一些概念,光强度(PAR)、光合作用可用辐射(PUR)或光合作用光子通量(PPF),这种测量和定义方式将400-700纳米光波完全包括进来,也就是光合作用的利用的光波。单位为光子数/每平方每秒 。
现在我们再来看,所需计算的就是每平方米表面照射的微摩尔数。 1微摩尔光子=602,300,000,000,000,000个光子。看来计算起来比统计总统选票还要难。
看来只有 光量计 能够解救我们了。这是一个能够测量较宽光谱范围的测光表。过去这种产品贵得要命,最近掉了价,不过几百美元了。由于有防水设计,可以直接在水族箱中应用。配上这个装备,你就能精确测量相同条件下不同灯光的区别了。
真的吗, WaterKeeper 我是不是应该立马去搞一个?


我可以简单的回答,不!开新缸时购买光量计是非常奢侈的,很多事情可以完全没有它。另外还有好多人已经做了相关的研究。Spacefish提供了一些文章链接,都是关于光量计的。 Sanjay Joshi

可能是这方面最有研究的人了。他几乎收集了所有的金卤灯和荧光灯,并已经将各种灯泡,镇流器和反光板的数据进行了测试统计和归类。作为新人,你可以省些银子,让那些大大们去研究吧。
那么我们为什么一定要了解流明、勒克斯、光强度等参数呢?因为在这些作者的文章中可能使用不同的术语进行比较,如果一名作者用勒克斯,而另一个作者用 PPE,单位不同,直接比较和评价是没有任何意义的。再有,同一篇文章中的数据比较是有意义的,不同作者的文章之间直接比较意义不大。
勒克斯和 PAR都是在一定距离外测量的,正如我在第一部分所说,光在传播过程中会出现衰减,因此比较需要在相同距离下进行。另外,水下探头测量的结果不能直接与空气中探头测量结果比较。 灯光也会随着时间变化,新买的金卤灯需要一个预烧的过程才能达到最亮照度,如果灯泡点亮,需要大约4天的时间。(译者,第一次听到这个说法)
色温( K)
色温这个概念就是用来区别光的这种变化,它表明颜色的质量。色温是摄像机在不同光源条件下正确再现色彩的重要指标。一般以凯尔文( Kelvin,缩写了K)为单位。英国物理学家凯尔文在1895年提出的,用来解决摄像过程式中对不同光源的不同光谱组合。实验中,以绝对零度为起点,加热铁块。规定加热温度每升高1度,色温就增加1K。当温度升到800K时,铁开始发红光;升到1600K时,铁块开始发黄色的光;当温度上升到2800K时,铁块发出白光;温度上升到5600K时,发出的光与太阳光相似;当温度为25000K时,铁块发出蓝光。
如果某种光与铁块在一定的温度发出的光相同,我们就把这种光的色温定为该处温度值。海鲜池定做是一种高档次的水族产品。亚克力具有高透明度,透光率达92%,有“塑胶水晶”之美誉。且有极佳的耐候性,尤其应用于室外,居其他塑胶之冠,并兼具良好的表面硬度与光泽,加工可塑性大。例如,铁块在 5500K时发出的光与日光相同,所以日光的色温就是5500K。
需要注意的是,色温表示的是光源不同光谱的组合,而不是光线的实际温度。色温低,颜色偏红;色温高,颜色偏蓝。
光波
光有其粒子状态。用这种方式比较容易说明光的性质。如果观察激光发射器发出的光线,那么粒子性就更明显了。在激光束中,光粒子几乎是全部平行的。它们能够传播很远的距离,能量损耗较低,因为很少有向传播方向外的散射。相反,水族灯光的光线像散弹枪一样,形成一个很大的照亮区域。
把光看做粒子就好像将光子比喻成散弹枪的弹丸。实际上,光的传播更像是将石头丢进池塘后的波动。它会形成不断扩散的波动,能在波动传播过程中消耗能量。光波的传播形状实际是个圆形。就像手榴弹在旷野中爆炸的效果一样。
当我们开始反射光线时,我们利用了“惠更斯原理”。简单的说就是,两个波形成,相遇并有一定的夹角。波峰相遇的地方震动加强,而波峰和波谷相遇的地方出现抵消作用。这是光的干涉效果。干涉效应会对水族箱内的光线起很大影响。
手电筒使用的是抛物线形反光板,无论灯泡的光线向哪个方向发出,都会在反光板的作用下朝向电筒照射的方向反射。如果光真的完全属于粒子性质,手电筒的光线也应该和激光一样。所有的光线都会形成一根光束。然而这不是事实。光线从反光板反射后会以波动的形式向目标(cause)方向传播。传播过程中,光的强度降低了,当手电筒远离墙面,光斑面积扩大了,而亮度降低。
荧光灯
荧光灯的种类很多,所谓 PC灯(power compacts),只是荧光灯的另一个名字而已。荧光灯是一根两段装有金属灯丝的空玻璃管,管内充满了惰性气体,氩或氪,还有少量的金属汞。灯管内部涂有一层含磷的化学物质。关于磷的化合物有很多种,大家没有必要了解。启动时,瞬间高电压加载在灯丝上,汞在灯管内变成汞蒸气,成为电导体。灯启动后,电流产生热量,使汞的蒸气增多,灯管内电流加大,灯管会越来越亮,最后,当电流足够的时候,灯管自己会闪一下,就像太空望远镜里超新星的爆发和平静的过程。
现在荧光灯点亮了,汞蒸气开始发出光子和电子。问题是这些光线大多是短波的,几乎没有可见光。汞蒸气释放的能量激发了灯管内部喷涂的含磷化学物质,发出可见光强光,这种可见光远远强于汞蒸气本身的发光。磷被激发出的光介于红色和绿色光谱之间,其它化学物质被激发的光弥补了其它波段光谱。
再来说说荧光灯型号中字母“ T”的含义。如果观察一根普通的荧光灯管,可能会看到如“F40T12/845”字样。字母“F”后的数字通常表示电压,有时也表示长度。T代表直径,一个字母“T”代表1/8英寸,一英寸等于25。4毫米。数字最大到17,但只有2-3种在水族常用。最初是T12即直径为12/8 =1。5英寸。之后比较流行T8和T5。T5更受大家关注,所以一会儿我们单独讨论T5。
“ F40T12/845”中最后的数值845有两个含义。首先8,是高显色指数 (CRI)。这是个标准值,通过人造光线与太阳光线比较。如果高显色指数等于100,意味着灯管发出的光完全吻合太阳光。这里845中的8意味着灯泡的显色程度在80-89%之间。
845中的45代表色温,是100的倍数,因此,例子中的灯管色温为45*100=4500K。有时数字后会有字母,A HO 是高输出的意思。遗憾的是制造商总是自己做主,不按照规矩办事。
让我们回来谈谈灯管本身。有时,一些新手提出的问题也很尖锐,让我很苦恼。不久前,一位鱼友提问 为什么 T-5荧光灯比T-12荧光灯亮得多? 一般情况下,我会即兴发挥的回帖,这次,我真的不知道该怎么回答了。我必须坐下来研究了。确实,有些荧光灯宣称是“新科技”,那么实际情况是什么样呢?
所有的荧光灯原理都相同,灯管内壁都有含磷的涂层,灯管内有惰性气体和汞,两端有灯丝。通常所有的新科技都声称有新的磷涂层配方。当 PC荧光灯刚刚问世时,情况确实是这样。随着时间的流失,人们渐渐发现这不是事实,它们使用的磷涂层与高输出荧光灯几乎一样。T-5早已不是什么秘密,如果能在T-5内壁涂上,为什么不能在T-12灯管内也涂上呢?
灯管内填充的气体确实有所改变。起初,为了保护环境,减少了汞的使用量。然后是从氩到氪的改变,以减少能量消耗。我猜 T-5内还能使用氡,但国土安全局肯定不能同意。
通过改变灯丝的方法也能提高效率。定做海鲜鱼缸精致的细节是风尚生活态度的体现。高品质的生活,体现在每一个不经意的细节上。作为生活中灵动风雅的集中展现,如海鱼缸精雕细琢了每一条边、每一条棱,这也是现代家居对完美生活的追求,更何况,这片水族环境是居室中体现主人生活情趣重要的组成部分。T-5产生的最高输出95 ? o F,要超过T-12和T-8的77 ? o F输出。这个方法也许有效,也可以对其它型号的灯管进行改进。
所有这些都不能说明为什么 T-5能发出那样耀眼的光芒。当PC灯管刚刚问世时,有一个问题。它们看上去的确比旁边的T-12更明亮,这是事实,但也有些错觉的成份。
较细的灯管内,单位面积内有更多的电子撞击在涂层上,而较粗的灯管单位面积上撞击的电子数较少,这让光线看起来确实明亮了一些,但总输出量是不变的,只是观察者感受的明亮程度高了一些。
还记得手电筒照射墙壁的例子吗?电筒内的灯泡是点光源,向各个方向发射光线。为了得到同一方向的光线,需要人工处理。镜头和反光板都是可行的方法。它们工作的原理相似,都是收集光线,改变光线方向。
大家都玩过台球,也都打过反弹球,我们叫它bank shot。球撞在球台边上的角度等于它反射出去的角度,也就是以45度角撞击球台边缘,球反射线路与球台也成45度。
这个特性在选择灯光时很重要。手电筒中有一个抛物线形状的反射碗。这是一种高效的反射器。通过移动灯泡的距离,可以调整光的焦点。通过移动灯泡,我们可以获得一条光束或一片均匀(jūn yún)的散射光。光束的特点是单位面积内流明多,但照亮面积小,散射光的特点是照亮面积大,流明低。
很多兄弟的灯吊在地下室顶棚,反光板只是一块普通的白色铁板,两端稍弯曲,以收集灯管发出的光线,并反射到目标区域。弯曲方向是迎着灯管发出的光。大多数的 T-12灯架都是shop light(最简单的一种荧光灯灯架)。它能反射光线,但效率非常低。很多光线最终照射在地板上。
现在的 T-12灯架一般有4-5根灯管在里面,如果使用T-5,可以放10根左右。改变的目的是增加发光点。还有一个优势是越细的灯管越容易设计反光板。我们可以在每根灯管上都使用半抛物线形反光板,这样使更多的光线照射在相近的区域,从而增加射入缸内的总光线量。因为反光板设置优化了,光能损失减少了。所谓外形的优势就在于此,“T-5的外形设计允许更多光线更有效的照射在相同方向和区域。”
回来再说最普通的荧光灯反光板。由于灯管是圆柱形的,向所有方向发光,光线会以各种角度照射到反光板上,因此也会以各种角度反射。当这种灯架用于水族照明时,只有一少部分光线直接照射到水族箱内,大部分都反射到其它空间去了。在照亮底砂的同时,也照亮了地板和墙壁。更糟糕的是,依据惠更斯定律,还有很多光波相互抵消了。
如果把灯管型号从 T-12降低到T-5,就可以使用更有效率的反光板。通过延长每根灯管反光板的抛物线长度,可以有效的利用每一根灯管的光,达到对光线的最佳利用 。
如果一个 120加仑的水族箱,4英尺*2英尺*2英尺,最多可以放5个普通T-12高输出灯管灯架。光输出总功率为550瓦特,由于反射损失,只有200-250瓦的光线能够有效的照明水族箱。如果改用10根54瓦的高输出T-5灯管,每一根灯管配一个抛物线反射器,这样的安装非常拥挤,但能够得到540瓦的全部光线照明水族箱。与T-12的设置不同,更高效的反光板可以将更多的光线反射到水里。也许水族箱只能得到300-500瓦特的光线,但这已经是一个很大的改进了。这里我们使用瓦特的概念,其实等同于流明的概念。
T5的照明更像是多个手电筒照明,光线更加集中,减少了光波之间相互的干涉。 忘掉T5在照射流明方面的微弱提升,以及它在高温环境中的工作优势,反光板设计小小的改变才是最关键的一步。
有人会问:“灯管尺寸更细的 PC灯(Power Compacts)呢?”问题在于灯管设计本身。它们本身发光确实比T-5亮,但其U型灯管给反光板设计带来了麻烦。由于PC灯管已破损,所以设计成U型以加固和缩短灯管。在减少破损的同时给反光板设计带来的困难。
坚决不能用常规荧光灯作为光源吗 ?其实不是,对于新手,常规荧光灯是很好的选择。很多新手的预算都比较紧张。由于资金问题,他们常会使用家里闲置的旧水族箱。投资买几条海水鱼,不久后他们会发现还要投资300美元(USD)买些活石。总价格算起来已经没有钱投资照明了。所有的钱都投出去了,钱包瘪了。卖个普通荧光灯,灯管便宜,镇流器也便宜。你可以在水族箱上安装3或4个,甚至不用专用的水族箱灯管。几根色温5500-6500 K的日光灯,或者光化灯就可以了。许多鱼友一开始就买鱼经费就好紧张。海水鱼和淡水鱼一样,不需要很强的光。钙藻也能在普通荧光灯照射下生长。珊瑚则需要精心摆放位置,有些珊瑚在普通荧光灯下也能活的很好。每加仑海水的光照瓦数是你唯一要考虑的。如果日后手头宽裕,还可以用普通荧光灯照明活石处理缸、医疗缸、检疫缸或繁殖缸。别让光源的投资束缚了手脚,其实只比淡水缸多花费那么一点点。
说说老掉牙的 T-12。T-12 VHO在早期水族饲养中是灯光的标准。在光化灯和更亮的灯管出现之前,维持珊瑚的成活都是一个挑战。VHO改变了一切。它们能够维持生物生命,均匀的照亮水族箱,不会形成黑暗的阴影,镇流器体积小廉价,高色温的光输出也有所提高,灯管的颜色最近又有变化而且使用寿命更长。虽然它们已经过时了,但对于30加仑以上的水族箱和深度超过2英尺或更深的水族箱,它们都是照明的较好选择。电子镇流器消除了闪烁,如果你想要更亮的效果,在灯架里加一根20瓦的超白灯管。
每次,当我们回顾,都会有更好的荧光灯问世。之前有 T-12, T-8, T-5,现在传言有


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