光环境检测

光为植物生长中重要的环境因子之一，主要来自于太阳的辐射。太阳的辐射自长波的无线电波(radio wave)、远、中、近红外线、可见光、紫外光A、B、C、X 射线至短波之宇宙线(cosmic ray)，为一种连续光谱(图1)，其性质与电波相同，一般称为电磁波。

在太阳辐射电磁波中只有三种辐射对植物生长发育最为重要。除了可见光(visible light, 380∼780 nm)外，尚有紫外线(ultraviolet, UV, 100∼380 nm)和红外光(infra-red, IR, 780∼105nm)。

光强度、光质与光照时间三者对植物影响所及的反应包括：光合作用、叶绿素的合成、趋光性、光敏素参与的反应、光周性等。对动物影响所及的反应包括：泌乳量、产蛋率、增肉量等。

植物的生长、发育和光合作用不仅受光强度的控制，同时也受光质的控制；此外照光的时间亦有所影响，因此造成光控制植物生长发育相当复杂的过程。植物利用可见光行光合作用，利用红外光，特别是700∼800nm 控制植物形态的发育(morphogenesis)，而紫外线可被生物蛋白质吸收引起伤害。这些反应的产生主要是经过三个主要接光系统(receptor system)。叶绿素吸收近于660nm 波长进行光合作用，光敏素(Phytochrome)吸收660、730nm 波长控制许多形态发生的反应；而类胡萝卜素(carotenoid)吸收450nm 引起屈旋光性(tropism)以及高能量光形态发生(high-energy photomorphogenesis)。波长在300 - 400nm 的紫外光与700 - 800 nm 的近红外线（远红光）会影响作物的生化反应及其外观。在400 - 700 nm 的光线与光合作用有很密切的关系，此光带的光称为光合作用有效光（Photosynthetically Active Radiation,简称PAR）。人们感兴趣的是PAR 范围内光子的数量而非PAR 范围内光之照度；是以较佳之测量应是量测光合作用光子通量（简称PPF），此为单位时间内落到单位面积的平面上波长范围在400-700 nm 的光子的数量，其常用单位为μmol/(s m2) 或μＥ/(sm2)；使用的传感器为光量子传感器(Quantum Sensor)。光量的多寡除了以光量子数(μmol/m2/s)表示之外，尚有照度(lux)与光能(W/m2)。

传感器亦分为此三大类。照度传感器(Photometric Sensor) 用来量可见光(380-780 nm)，使用单位为Lux (=lumen/ m2), 或烛光(fc =lumen/ft 2)。照度传感器一

般并不在温室中使用，因为系依据人眼对光线的比视感度曲线而设计出来(图2a，波峰为555 nm)，植物体对光线的敏感度则有另一曲线(图2b，波峰为675 nm)，两者不同。

图2a.人眼之比视感度曲线图2b.植物对光线敏感度曲线

辐射传感器(Pyranometer，或称日射计，Solar meter)，可用以量测来自太阳与其它所有来自天空之辐射，其量测之波长范围较广，视厂牌不同，常见的有400 -1100nm，320-4200 nm 及280-2800 nm ，其量测的为此波长范围内的能量，单位为W/ m2。日射计之主要感测组件为热电堆(Thermopile) 或光电池（Photo Cell）。热电堆由特殊之热偶线堆积制成，藉温差产生电压差；准确度高，但非常昂贵；Eppley 公司之Pyranometer 为热电堆应用之代表，其量测之波长范围为280-2800 nm 。光电池系藉光电效应引起之电流产生电场，以电流输出；光电池之反应光谱为400-1100 nm ，LI-COR 公司之Pyranometer 为光电池应用之代表。以上三种传感器的误差范围一般在± 5%。光强度部分可量测直射、散射(加光追踪挡光器)、全辐射、净辐射(含上下两侧)的光量。常见光感测仪器如图3 所示：

图3a.照度计图3b.辐射感测头(Py 前缀)、照

度感测头(Ph 前缀)、光量子数感

测头(Q 前缀)与讯号读取仪器

图3c.散射计

较进阶的设备内含光栅可量测光谱中各小波段，并允许透过软件进行运算，求出各不同波段，譬如：蓝光B (400-500 nm)，红光R (600-700 nm)，远红光FR(700-800 nm)，PAR(400- 700 nm)等的累积光量子数或辐射能或照度值。图4 所示LI-COR 公司之可携式光谱量测仪器(Portable Spetroradiometer)为此类设备之代表。以上各类型光感测仪器中主体组件为光二极管(photo diode)，常见的有平板(Planar)型(Sharp 的

BS120, BS520)、针(Pin)型(NEC 的PH302 与PH302B)与Avalanche 雪崩型。前者主要使用于低速，后二者适用于高速量测。制作照度计时，若使用硅(Si)二极管，要加上比视感度补正滤光器，若使用砷化镓(GaAs)光二极管，因其分光感度特性与人眼近似，所以不需要比视感度补正滤光器。

日本Moririka 株式会社的MBC2014CF 即为泛用型光二极管。滨松Photonics 株

式会社的S5821 为针(Pin)型高速光二极管，配合可见光滤光器，常用来侦测红

外线，多见于遥控器的应用。滨松Photonics 株式会社的G5842 与G3614 为磷

砷化镓GaAsP 材质，感测范围可达紫外线领域，配合可见光滤光器可侦测260 –400 nm 范围的紫外线。光二极管与一般二极管同样为PN 接合构成，当接受光能时会产生许多电洞与电子对，若将PN 接合短路，则产生短路电流，若将之开路，则产生开路电压。

者的直线性与温度特性不佳，所以使用上一般利用电流输出(BS120: 0.16μ

A/100 lux，BS520：0.55μA/100 lux，PH302 and 302B：5μA/100 lux，G3614：

600 mA/W)。

光敏晶体管(Photo Transistor)为在光二极管的后段加上晶体管，可将光二

极体的输出电流放大数十至数百倍，但频率特性却被牺牲了。光敏晶体管的代表

性产品有光遮断器(Photo Interrupter)与反射型光传感器，大量应用于照相

机、打印机、复印机等。东芝株式会社的TPS601B 为此类产品的代表。

•紫外区：

１、真空紫外:1-280n m（杀菌区）

２、远紫外:280-315n m（保健区）

３、近紫外:315-380n m（光化学反应区）

•可见光区:380-780n m

•红外光区：

１、近红外:780-3×103n m

２、中红外:3×103_3×104n m

３、远红外:3×104_106n m

光辐射测量所研究的范畴