海水照明基础知识

本文由水族驿站负责翻译，摘自水族驿站）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。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。

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珊瑚灯主要看色温k

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冷阴极灯 (Cold cathode lamps)
什么是冷阴极灯？说得简单些，它们就是荧光灯。在标准的荧光灯中，点亮灯管，电压会持续使灯丝即电极发热。这当然耗费能量，而且会缩短灯丝寿命。冷阴极（Cold cathodes）并不使灯丝发热，而是通过高压直接在灯管内产生电弧。实际上，这种灯一直使用直流电。标准的荧光灯也在直流电下运行，但电压的浮动会对灯丝有巨大损害。在冷阴极灯中，12伏电压已经足够高了，而且不再受电压浮动的巨大干扰。目前，这种灯还只能在低压配置中工作。主要用途是显示器灯光，在水族中只有替代LED进行月光照明了。
相对于标准荧光灯，它的特点是发光效率更高，寿命是双倍，容易控制在较暗光线下，热量低。 因为一根灯管要比一个LED灯泡亮度高得多，所以不必需要LED那么多的数量。但它们不是点光源，因此作为月光灯是有天然缺陷的。因为不能像荧光灯一样用镇流器驱动，因此，灯管以外的费用比价高。只能用它们较长的使用寿命弥补了。

无极放光灯（ Electrodless Discharge Lamp, EDL）。这是一种特殊的金卤灯。一些古怪的科学家已经使用很长时间了。今天，尤其是在欧洲，已经有很多人使用了。作为替代，它不是用直流电驱动，而是用电波，微波点亮灯泡。因为没有灯丝，所以也就无所谓灯丝烧毁的现象。现在该产品正在研制过程中，而且其灯管有可能被附近的的任何无线电设备损坏。最大的优势在于，因为没有电极，所以寿命无限。今后几年中，大家会接触越来越多的。

组合光源


因为荧光灯和金卤灯的光斑有差异，很多年来，鱼友们将它们组合使用。早些时候，金卤灯的色温没有超过 4000-7000K。几乎所有的金卤灯都与T-12光化灯管组合。不久，金卤灯的色温超过了T-12灯管，虽然仍有人使用T-12，但输出不必那么强了。这是否意味着我们只需要高色温的金卤灯，而不需要荧光灯呢？至少我认为这是个错误。如果使用20000K色温的超蓝金卤灯，我会使用色温5000-6000K的荧光灯补充其忽略的光谱。
使用组合光源的另一个好处是水族箱内光线覆盖更均匀。如果你有能力，最好使用组合光源。我喜欢用金卤灯输出太阳光似的白光，它们的穿透力可以直击水族箱底部。我还喜欢用T-12 03光化灯管，提供相对长波的光谱。如果你要开新缸，一开始就想使用T-5+金卤灯的配置。你可以在金卤灯架内加4根T-5，同样的空间，你只能加2根T-12。而且你可以选择不同色温的T-5，为水族箱制造更为均衡的光线。这一点对于任何水族箱都很重要。
适合水族的光源标准


接下来，我要说一说不同的水族箱对灯光要求的不同了。你需要有个总体想法。第一，是否有必要单独设置电路。如果使用普通电路，存在着家电工作时的过载现象，停电可不是闹着玩的。第二，用电量。
现在让我们花几秒钟时间探寻需要什么样的灯光：
1、灯光必须能让我们饲养的生物活下去和不断生长。

2、它们必须能够尽可能的照亮水族箱。

3、不能超出支出预算。


4、必须使鱼缸的观察者觉得满意。
第一项解释：当我们将生物从海洋带回家，我们已经干扰了它们的生活。首要的目的是希望它们能在水族箱中活下来，生长和繁殖。因此，光线必须足够亮，而且某些特殊波段的光是必须的。如果色温不均衡，即使照明效果很亮，也可能导致生物衰败。一个放有活石的FO只需要最低限度的光照，然而，一个饲养五爪贝的鱼缸，不仅需要高度照明，还需要能够刺激虫黄藻光合作用的光线。
第二项解释：对反光板的要求。荧光灯能均匀的照亮水族箱大部分区域，金卤灯如果反光板不好，就只能照亮水族箱的一个小区域，如果珊瑚摆放不科学，会产生强阴影区域。正确的选择反光板，即灯罩是水族照明中非常重要的。
第三项解释：不要超出经费允许范围。从现在起，6个月的牛扒和快餐食品消费的总和可能只够更换灯泡和电费的价格。最初的花费只是冰山一角，为大型水族箱更换灯泡可以轻易将钱包清空。电费随着汽油价格上涨也在飞涨。以150加仑的水族箱为例，每加仑6瓦特照明，一天就需要花费4美元电费。有些地方的电费更贵。玩世不恭的小兄弟们，仔细考虑一下吧。我真不想看到你们连买啤酒的钱都没有了。   
最近有好消息，灯泡的寿命越来越长了。过去，每6个月更换一次灯泡是常事。现在值得一提的灯泡寿命都在1年以上，有些甚至能达到18个月。T-5不一定真的能像宣传的那样使用超过2年。
第四项解释：属于个人爱好。我希望水族箱视野明亮，色彩真实。有些人更喜欢蓝光效果，进而投资高色温灯泡。你希望鱼缸看起来非常漂亮，又不影响生物状态，即第一项要求。只用一盏 5000k色温的金卤灯照明，也许很好看，但对生物是有害的。如果有可能，在制定照明计划时先参考别人的水族箱。
按照上述建议，只要适合，大多数照明设备都是可用的。
来说说波光粼粼的效果
波光是明暗相互交替的光线照射在活石或活砂上的效果。称为波光非常恰当，因为确实是水波纹造成的。水面上的波纹呈线状运动，因此在波峰和波谷处折射的光线是不同的。结果就是波光效果。潜水时这种效果很常见，因为太阳光照射在海面的波纹时会产生不同的波光。只有点光源，如金卤灯，才能制造这个效果，荧光灯是不可能的。
最初人们认为这是一种很自然地效果，接着谣言四起。未经证实的说法称这种效果对珊瑚很有好处。假设这个理论是正确的，能够促进珊瑚的生长。那么如果水族箱内没有波光粼粼的效果就不是好的水族箱了吗？兄弟们，这些理论不时的传出，有时还很盛行。当有必要时可以询问他们，支持这些理论的科学数据在哪里？有哪几篇著作可以证实？
光抑制现象


现在很多人在努力研究“光抑制现象”（ photo inhibition）。确实存在光照过强干扰光合作用，甚至导致其关闭的现象。Dana进行了有限的研究，但证明了这种情况的存在。问题是珊瑚自然生长的海域光照比研究用水族箱内还要强。使用叶绿色作为研究参数，实验表明在受到强光照射时光合作用关闭。如他在文中所说，天然海水和人工海水中微量物质的不同也可能是光合作用关闭的原因之一。有些人把这个结论当做圣经，借此说T-5和金卤灯将给水族箱内生物带来灾难。金卤灯在水族领域已经应用很久了，我们只知道使用它能够加快珊瑚的生长。T-5是比较新兴的光源，有很多关于抑制的报道。如果T-12不存在这种效应，没有理由相信T-5会在打理很好的水族箱内产生抑制。 你应该知道对于水族照明，光线的分布远比管线本身更重要。   
刚才有人问， 216瓦的灯泡对于他的120加仑水族箱是否够用？这要看你准备养什么？如果是FO，那绝对没问题。对于皮革和菇类足够了，而对于硬骨珊瑚还不够。珊瑚的放置很重要。需要高光的珊瑚最好放在水面下接近光源处。
那么什么才是最好的光源？无论是单独的光源还是混合的光源，只要它能让你的生物快的健康的生活在水族箱内，能让你高兴的欣赏它们就是最好的。目前，我比较喜欢中等光线，色温 6000-10000K的金卤灯+光化VHO。我相信这能够提供一个全系列的光谱。我也赞成金卤灯和T-5灯管的组合。对于小缸，PC是比较合适的，也许将来能有适合的T-5灯管。较深的水族箱比较适合金卤灯，最好使用不同色温的组合。
即使说到现在，还仅仅是一个开始。如果你要运行一个大型水族箱，最好还是研究一下镇流器的工作效率。因为大型水族箱的电费是非常昂贵的。那些运行小水族箱的朋友们可能不太注意，对电费没有什么概念，那么到RC里关于照明的论坛去看看就会有所了解。

PC 灯


6年前，大家都在讨论PC灯，至少我认为应该有一盏。现在我的思维已不再那么容易被左右了。我有一个旧的29加仑缸，现在已经变成了一个海马缸。 原来的VHO灯管和镇流器都要到寿命了，正是更换PC灯的好时候。既然缸内没有五爪贝和硬骨珊瑚，我打算尝试一下两根55瓦的PC，一根是色温6500K的全光谱灯，一根是光化灯。
我发现标注6.5K色温的PC灯比同样色温的VHO看起来要黄。PC的光化灯管很白，但也不是期望的那样。T-12光化灯光刚上市时，我就曾购买过一根。
曾听说PC灯很热，但没想到会这么热，两个月来，灯头附近和灯罩的其它部分不断损坏。 更换了新的，还是同样结果。我向鱼店抱怨，他们给我更换了新的，至少新灯泡上有商标和生产商家。他们还告诉我，最好试试10000k色温的灯管，不要考虑光化灯管了。更换的新灯确实没有被烧坏，而且更白了，但亮度比第一个低。我开始怀疑，为什么我的灯要这么多是非。
一个不好的第一印象会让人很久难以忘怀。尽管现在我用的 PC灯比原来的好很多，但阴影仍挥之不去。我还在琢磨，他们何时能真正推出光化灯管。
无论怎样，PC灯适合水族吗？当然，比起普通荧光灯，T-12，它的确是一种进步。就像原来贴出的照片一样，它确实比VHO要亮一些，不过只是一点点。在我看来，它们只适合T-12无法施展的小缸，以及一些不常见形状的鱼缸。如果你要求光照质量，它们绝不是金卤灯的对手。现在科技的进步使很多灯的组合能够达到高色温和高输出。正像我说的，我对T-5进行过大量的研究，我认为T-5将在大多数领域慢慢取代PC灯。
在遭到 PC支持者枪杀攻击前还是换个话题。PC灯本身并没有错。只是我认为对于超过30加仑的水族箱不是首选，但也有很多鱼友在大型水族箱上使用PC效果非常好 。

LED 灯
当你谈到月光，肯定不能回避 LED。LED光源无处不在，闹钟、烟雾探测器、汽车仪表盘背光、转向灯、以及手电筒中都有LED的身影。LED是英文发光二极管（Light Emitting Diode）的缩写。在硅二极管中加入各种闻所未闻的金属，当电流通过时，它们会发出光亮。这些物质被安置在固定的反射器（die cup）内，用环氧树脂封闭。它们哪里出众呢？体积小，耗电量低，运行时冷却，使用寿命长，造型能力强，能将大约80%的电能转化成光能。它的发光效率让其它光源颜面扫地。如果你需要一个小型而有效地照明光源，它们是最佳选择。在水族照明领域，它是夜光的最佳选择。
月光照明是个古怪的话题。我听说一些对珊瑚繁殖感兴趣的人对月光有要求。我认为真的没有理由看到珊瑚在水族箱内大量排卵，蛋分的过分使用得即使受精的珊瑚卵也无处藏身。无论怎样，LED都帮助了他们提供了如月光般的照明。有时我认为我们在复制自然环境的时候有些过头了。
在LED进入水族领域前，人们寻求用低瓦数的白炽灯模拟月光，或者小型光化PC，甚至没有光化功能的荧光灯。除了白炽灯外，其它光源都不能模拟月光的点光源效果，而LED恰恰是这方面的高手。起初使用1个LED灯泡，后来引入了定时器和3个LED灯泡，这样通过定时器可以控制模拟月光在夜晚的各个不同阶段。一些超级有钱的发烧友甚至将月光灯连接在电脑上，用相应的月光数据控制LED灯光，模拟真实月光。人们对自然地追崇真实到了疯狂的境地。说实话，我真的没有听说过模拟月光可以让珊瑚产卵的实例，但我相信在某处一定有某人成功过。 即使在满月时，月光也只有0.2勒克斯，因此没有必要用那么多的灯泡去模拟。LED灯泡能符合这种要求。
LED最初在上世纪60年代出现，是砷化镓磷酸盐二极管。这种化学物质的组合当电流通过时会发出漂亮的红光。因为亮度不是很高，所以需要聚焦。此后，二极管就被封装在固定的迷你反射器（die cup）内了。为了增加聚焦效果，封闭用的环氧树脂制成镜头形。这种方法将原来微弱的光聚集在一起，形成光束，提高了光源的可用性。起初是用在计算器屏幕照明、手表照明灯，由于控制光束角度，亮度还不是问题。现在的二极管都经过了改进，如氮化镓二极管，能发出红色以外的很多颜色的光，在相同瓦数条件下，明亮度有明显提高。
这些新化合物的引入，使 LED可以发出各种颜色的光。有红色，绿色，黄色，和蓝色。你应该注意到我没有提到白色，确实是这样。真正的白色发光二极管还没有，如果需要白色的LED光，解决方案之一是在环氧树脂内同时封闭红、绿、蓝色二极管，好像计算机显示器的显色方式。造价昂贵，也需要消耗更多的电能。第二种解决方案是用能发射紫外线的二极管，在环氧树脂上涂发光磷。这种LED实际上是个超小型的荧光灯，能够产生白光。另一个重要的进步是输出。最初LED在极其微弱的电流下运行，电流稍微增加，就会烧毁。新的稀土二极管能承受更大的电流，有些能承受0.5毫安的电流。增加电流后比原来的LED灯亮得多，而且光束的宽度有所增强。因为要获得亮度，原始的LED灯光束非常集中。好像第一代液晶显示器，从正面看非常亮，从侧面一定角度看几乎没有光亮。现在市场上销售的LED灯环氧树脂实际上是将光线分散开，以照亮更大范围。