质量还是数量——固态光源在演艺灯光行业的应用<br/>

质量还是数量——固态光源在演艺灯光行业的应用

2011-02-10迈克伍德编译姚涵春

演艺科技 2011年6期

关键词：测量仪白光蓝光

文/[美]迈克·伍德编译/姚涵春

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

近年来，LED和其他形式的固态照明（SSL）正日益受到人们的欢迎，人们认为它们比传统光源更节能、更省电。

那么，事实果真如此吗？我们是否准备为了节能而牺牲照明的质量呢？对于办公和家用照明，我们的选择也许会不尽相同。那么演艺灯光呢——剧院是要追求灯光的质量还是数量呢？

1 固态照明概况及LED、等离子体光源的特点比较

1.1 历史概况和前景

图1描述了量产白光LED光源的历史光效和预测2009年之后的光效。这张曲线图应该可以让人们不再怀疑LED是否为颠覆性技术。真正的问题不是固态照明光源能不能主宰照明领域，而是它什么时候做到这一点。

当然，图1过分简化了实际情形，它仅对白光做了研究，并且只限于普通照明。但是对于演艺灯光行业来说，此曲线图无疑也是相似的，只是时间线也许会稍有延迟。

如图2，当单独将LED的光输出数据绘制成一个纵向的图表时，就会得到Haitz定律①。此处显示过去40年间，LED的光输出每隔10年就提高20倍，而同期LED的价格只下降了10倍。目前的预测显示，在接下来的10年间，光输出会超过这条曲线而价格的下降则会略微滞后。

1.2 白光LED对光效提升的预计

除了剧院用户外，全球大多数用户只会关注白光，所以关于LED的大部分可用数据都是指白光。如果我们将图表只限制于白光，那么目前对LED光效提升的预计如图3所示。

本图中隐含着非常重要的一点：请注意顶部，据试验研究，这条曲线不可能一直上升。看上去在接下来的5年间光效数值大约会停止在250 lm/W。为什么会这样呢？

图1 各种光源光效的变迁及LED光效的预测曲线（数据引自美国能源部）

LED在接近光效的理论极限值。一旦实现这一点，每注入一个电子，LED就会释放一个光子，即达到了可能的最佳状态——100%的量子效率。现在的LED量子效率已接近80%并且将很快达到90%，这真是相当了不起！

值得注意的一点是，光源数据中，显色指数（CRI）只有70或80，相对较低。戏剧灯光人员能否接受这些数值呢？目前用于电脑灯尚能接受，但是当将LED光源用于脸部和皮肤色调的主光源时，又是否能接受呢？

1.3 等离子体光源（LEP）的工作原理和优点

最近出现的另一种光源——等离子体光源，被认为有诸多的优点。图4显示了等离子体光源组件的构成及工作原理。在小小的石英泡壳内填充类似于金属卤化物灯（HID灯的一种）内所含有的气体和盐类（金属卤化物）的混合物。但是与高强度气体放电灯（HID）不同，这些气体和盐类（金属卤化物）不是被电弧激活的，而是将小石英泡安置于由射频源驱动的陶瓷谐振腔中心，并施加以高频微波电磁场。这样在很小的空间内就能产生大量的能量并伴以强电场，进而导致气体分子的能量激励后产生高温和化学物质的气化，从而形成等离子体。

表1 白光LED和等离子体光源技术参数对比

无电极和无密封口使得等离子体光源相对于HID灯具有一定的优势。等离子体光源在非常高的电压下工作，辐射出宽泛的光谱线，从而能有光谱连续性更好的光输出。形如胶囊的石英泡体积又很小，这也使它们具有一些光学优势。

那么，等离子体光源和LED光源相比如何呢？

1.4 LED光源和等离子体光源比较

1.4.1 性能比较

表1从光效、显色性和使用寿命三个方面对白光LED和等离子体光源进行了比较。

光效：LED光源符合Haitz定律，且正在迅速获得比等离子体光源高得多的光效。尽管等离子体光源的光效也会得到提高，但和LED光源之间的差距注定是越来越大的。

显色性：目前等离子体光源的显色性较好。但改良的荧光剂和色彩混合技术能否使LED光源在这方面迎头赶上还未可知。

使用寿命：LED标定的是50 000 h，也就是5年，目前我们还不知道这是真是假。

1.4.2 光谱分布比较

图5为两种光源的光谱分布对此，从中可见，等离子体光源和使用荧光剂的白光LED光源都将能量很好地分布在可见光谱范围内。等离子体光源目前在这方面的数据要优于LED光源，但LED光源还会进一步得到改善。

1.4.3 目前未解决的问题

我们也许还能就技术指标的其他方面进行比较。

光提取和光耦合对两个系统来说都是非常关键的问题。我们都知道它们产生了多少光，但实际可用的又有多少呢？这对LED光源来说一直是个问题。但是最近的以全内反射（total internal ref ection，简称TIR）为基础的基本光学技术使这方面得到很大的改善。等离子体光源尽管是小光源，却存在无法在灯后面放置反光镜的问题，而其对热的要求又意味着很难在其前面放置全内反射（TIR）透镜。

LED光源和等离子体光源都使用了相对复杂的电子元器件来驱动光源。但笔者认为等离子体光源使用的系统却要比LED光源复杂得多、未知得多。下一代的等离子体光源将会使用手机的频率，这样会更容易制造出更加便宜和可靠的电子元器件。

就目前可用的产品而言，笔者个人认为LED光源用于演艺灯具比等离子体光源有更好的机会。尽管由于科技发展变化非常迅速，这种情况在将来也许会发生改变。

1.4.4 预测未来照明灯具的光效

未来10年，采用上述光源的照明灯具（而不只是实验用的灯具）在光效方面会有何发展呢？

表2 实际灯具光效的预测

表2预测了未来10年灯具的光效。图表的最后一栏显示，到2020年，市场上的实际照明灯具真正的光输出功效或许将达到150 lm/W。这比今天的任何数据都高3倍以上。可以肯定，演艺灯具将向固态照明方向挺进。我们别无选择。惟一的问题就是这一改变会有多快。

2 为什么光度测量仪不适用于LED光源

众所周知，光度的测量并不是绝对的。以勒克斯（lx）、英尺烛光（ftc）或流明（lm）为光度单位的光输出读数都是依据标准人眼对光度的理论反应，而这些数据都是统计学意义上的而不是物理意义上的。例如，一盏灯无论放射出多少红外线或紫外线区域的能量，人的肉眼都看不到。那么按照定义它的光输出就是零。一个红外或紫外光源只有以瓦（W）计算的能量输出却没有以流明计算的光输出。然而，我们所有的数据和所有的光度测量仪主要依据的前提就是光源的光谱是连续的，即类似于来自白炽灯光或太阳的光线。尤其是，太阳光是人类最适应的光线。根据定义，太阳就是完美的标准光源，并且所有的光度测量仪都是用它（或其他的黑体）作为对照的。

当我们用同样的光度测量仪测量光谱不连续的光源时，这些仪表经常是失效的。但大多数的光度测量仪用户并不了解这一点，并依然相信仪器而不是相信自己的眼睛。

下面探究一下光度测量仪对LED光源不起作用的原因，并寻找解决的办法。

2.1 关于明视觉视见函数曲线

图6为国际照明委员会（CIE）于1924年绘制的国际公认的明视觉视见函数或V(λ)曲线，相信大家一定都熟悉这条曲线。这条曲线主要是由一些大学生调研统计推导出来的，随后被国际照明委员会（CIE）发布为国际标准。它反映了人眼在光线充足的条件下对不同波长光的正常反应水平。基本上所有的光度测量仪都是比照这一曲线制造的，所以应该都是好用的。

然而，Wyszecki和Stiles两人合作的光度学与色度学巨著《颜色科学》对于这条曲线却这样写道：

“标准明视觉视见函数基于来自不同资源的光度数据的奇妙组合，并通过不同的研究方法获得。在紫色光谱部分以相差10倍之多的不同调研数据的平均值来确定它的函数值这一事实也举证说明了该函数的不确定性。该视见函数严重低估了人眼对光谱短波的敏感性。”

2.2 对红绿蓝LED、白光LED、蓝光LED的观察

需要特别指出，国际照明委员会（CIE）于1924年绘制的明视觉视见函数曲线及以其为标准制造的大多数光度测量仪十分符合常规（连续光谱）光源的应用，且不同仪器的测量结果差别仅为很小的百分之几。这对几乎不含蓝光和紫光的连续光谱的白炽光源来说都没有问题。图7为椭球聚光灯的光谱分布。

图8为椭球聚光灯的光谱分布与明视觉V（λ）曲线，从中可以看到白炽灯泡的能量辐射很多在V（λ）曲线范围内，特别是蓝光部分，它们的分布曲线非常相似。

2.2.1 RGB（红绿蓝）LED

对LED来说不是如此。这是一个典型的RGB（红绿蓝）LED灯具的光谱，其红、绿、蓝分别有不同的峰值，如图9所示。

蓝光LED的峰值正是V（λ）曲线渐渐消失的地方。因此这个蓝光光谱曲线尾部的波形十分重要，如图10所示。

2.2.2 白光LED

图11显示的是一个有蓝光LED芯片外加黄色荧光粉的白光LED的光输出。同样，蓝光光谱曲线尾部的波形也十分重要。

这个光谱的蓝光光谱曲线末尾部分和V（λ）曲线有着很大的不同，如图12所示。

2.2.3 蓝光LED

一个既无绿光也无红光的单独的蓝光LED光谱分布如图13所示。

蓝光LED的光输出基本上没有符合标准V（λ）曲线的，特别是峰值为450 nm的宝蓝色LED，如图14所示。

2.3 传统光度计测量蓝光LED产生误差的原因及修正尝试

2.3.1 产生误差的原因

对于只有很窄波段发射器的光谱不连续光源，传统的光度测量仪会怎样显示？我们眼睛又有什么样的感觉?下面对一系列的测量仪进行检验。

图15所示为3种光度测量仪。它们虽然价格有差异，但一般用于正常测量时的偏差非常小。开始测试时，笔者使用美能达T-1光度测量仪来测量一种RGB LED灯具的全部光输出，很快注意到读数比预想的要低很多。开始笔者怀疑测量仪电池没电了，就换了电池，但读数依然没有改变。接下来笔者又用另外两个测量仪进行测试。3个测量仪给出的数据差距很大，最大的读数比最小的读数大4倍。这是什么原因呢？

光谱中有高组分蓝光的任何光谱不连续的光源接受光度测试时都会或多或少出现这类问题。同样的问题还会出现在刚果蓝滤色片上。刚果蓝在舞台上看起来总是比样品本上显示的指数要更亮。并且给我们眼睛的感觉也比光度测量仪上显示的更亮。

笔者对这一想法进行了验证。方法是在一个标准的舞台椭球成像灯前放置刚果蓝滤色片并测量透过色片的光输出。果然，在一次测试中，华仪电子光度测量仪读数为8 lx，美能达T-1测量仪读数为13 lx，而最便宜的测量仪读数为120 lx。凭笔者眼睛的观察来讲，120 lx这个读数最接近真实光度。

这些测量仪校准的细小差异会导致在测量蓝光波长的光源时读数出现巨大差别。如果仔细看一下蓝/紫光区域的响应曲线，我们就会明白原因。如图16所示，在这里展示了5条曲线，蓝色曲线是基于CIE在1924年明视觉V（λ）曲线绘制的，红色曲线是基于2005年的实验数据绘制的，而绿色和紫色曲线则是根据笔者的两个光度测量仪的数据绘制的。仔细看一下宝石蓝LED光源的450 nm波长就会发现，美能达T-1测量仪（点D）在450 nm波长时的实际读数要比CIE曲线（点C）略低，因此给出的数据约是现代研究预测（点A）的1/5。华仪电子光度测量仪在测量450 nm波长时的数据（点B）略好一些，但测量480 nm附近稍长的波长时的表现就不行了。这和笔者在工作室观察到的颇为吻合，并且也解释了测量的不同，理论和实际十分吻合。

然而，即使测量仪都统一校准，他们的读数仍会比我们观察的感觉要低。CIE认识到了这个问题，并于1988年发布了图中用蓝色虚线表示的曲线，这条曲线被称为Judd修正线。并略微提高了460 nm波长以下的响应曲线，这一步的方向很正确，但笔者认为力度还不够大。

也许图17中的这条红色曲线会更好，但问题在于现在所有的光度测量仪都是依据CIE1924年发布的明视觉V（λ）曲线校订的，转换到一条新的正确的曲线并非易事。每一个光度测量仪都得要重新校准或者被替换掉，现实点讲，这在近期内是不可能实现的。

在使用了80年后，我们不得不适应CIE 1924年的明视觉V（λ）曲线，但我们这样做时应加以小心并了解相关知识。使用基于CIE曲线的光度测量仪测量较窄波段的光发射器时，如一个饱和色彩的LED特别是深蓝色时需要注意。它们的波长是否足够长（一般大于480 nm）以跳出那个危险波段区域呢？要记住这些光度测量是要模拟人眼反应的，如果你的眼睛看一束光很亮，但测量仪的显示不是如此，那么就信任你的眼睛。

2.3.2 修正尝试

不久前，笔者试着计算了一个理论滤色片看起来会如何，这个滤色片应能够修正笔者的光度测量仪从而对蓝光有更好的反应。如图18所示，这条绿色曲线显示了这张滤色片也许会是这样的：它有着大量蓝光透射，而在光谱的其余部分透射量小且曲线几乎趋于平坦。翻阅样品本，笔者能找到与其最接近的就是Rosco 371“Theatre Booster 1”（在比照一个白炽光源重新校准了测量仪后），笔者在这个测量仪上进行了验证，得到了更好的RGB LED数据，且明显更接近我们眼睛的感觉了。笔者并不建议大家这样做，这是不规范的做法，并且这样还大大降低了测量仪的灵敏度，但这是一个有趣的实验。

3 为什么色度测量仪不适应LED

光度并不是测量这些窄波段光源时遇到的惟一问题，另一个容易混淆并且测量结果和我们眼睛感觉不一致的问题是色度。下面通过实验分析为什么LED比其它的光源更容易遭受这些影响。

3.1 一系列显色实验和比较

首先，通过图11那个标准白炽光源的光谱分布曲线，可以看到这条曲线是连续的，并且其能量在各个波长区域都有所分布，从蓝色到红色都没有间隔或尖峰。

将白炽光源的光谱分布曲线和图19中RGBA（红绿蓝琥珀色）LED光源的光谱分布曲线作比较，你会看到这四个颜色各有一个明显的窄尖峰，且他们之间有明显的间隔，所以说有许多波长都缺失了。

即使我们观察一个白光LED时也会发现有波长缺失。这个白光LED由一个蓝光LED芯片和广谱的黄色荧光剂组合而成。这两者辐射出的蓝光和黄光混合起来看上去是白色，但实际上在蓝绿色波段有很多的缺失。它比起RGBA LED组合的光谱更连续，但仍旧没有白炽光源的光谱完整（参见图11）。

运用这些不同的光源混合白光，会得到非常不同的结果。图20显示了四种不同的光源照亮同一物体时的结果。四种光源分别为：白炽光源（Incandescent）、冷白色荧光灯（Fluorescent）、琥珀色与青色LED均衡混合的白光（Amber & Cyan），以及红绿蓝LED均衡混合的白光（RGB）。因为摄像机是以白炽光源作为白平衡的，所以后三种都显示出了蓝色调，但这样做使得所有的情形中背景白都是相似的。哪一个是正确的呢？也许是白炽光源，但因为它缺少蓝光波长，所以它对这张图片底部的各种不同的粉红色条和品红色条的显色性能较差。而冷白色荧光灯对这两种颜色的显色性能却很好，但它对黄色的显色性能不好，并过分强调了蓝色。琥珀色与青色LED光源混合出的白光在视觉上是非常令人满意，但在这种组合光源下所有黄色、红色或粉红色都成了不同浓淡的琥珀色，而绿色则完全变调了。RGB光源在整体表现上不错，但红光缺少暖感且所有的事物都有点超现实感和动漫感。

当使用一个多光源的体系来混合中间色彩时，真正的问题就会开始浮现。图21为CIE1931色度图，图22显示了典型的RGB三色LED体系。如果想混合出图中黑点显示的淡黄色，就只有一种（图中虚线表示的）方式。三原色以恰当的比例混合就会呈现出我们想要看到的淡黄色。尽管其实际上根本就没有“黄色”波长。只要合理搭配三原色的比例，就能够混合出RGB三原色点所形成的这个三角形内的任意颜色，但三角形外的颜色就不行了。

将原色的数量增加，情况马上就会变得复杂的多。若将青色和琥珀色发射器增加到红绿蓝三原色体系中，就能以许多不同的方式混合出这种淡黄色。如：

事实上，可以用这5种颜色中的任何3种混合出这种黄色，只要它在我们选择的3种色彩所形成的三角形范围内。如图2325所示。

用4种颜色甚至是5种全用上都是可能实现的。所有这些混合在白色背景上看起来都是一样的色彩，但它们的光谱及波峰和波谷却是各不相同的。如图26所示。

图27是标准MacBeth颜色测试卡的照片，运用颜色测试卡片来检测同色异谱的各种不同白光的显色性。首先是检测用作参照的白炽光源。

用冷白色荧光灯照明相同的颜色测试卡。在每个检测实例中白平衡都被调整以使左下角的白色块面看起来都一样。如图28所示。

现在只使用琥珀色和蓝色混合的白光，得到的白色块面看起来同样很白，但除了琥珀色和几个蓝色的块面，几乎所有的色块看上去都很糟糕。如图29所示。

使用RGB LED白光照明。此时我们可以看到过度饱和的红色和不自然的亮色。如图30所示。

再看一下使用白炽光源照明的效果，参见图27。

全部四组检测效果的比对如图31所示。

3.2 彩色LED灯具显色性的特点及其利用

3.2.1 一个真实的例子

图32、图33显示了1990年在纽约歌剧院演出的《摩西与亚伦》的一些场景。设计师Hans Toelstede运用受控的不同光谱能量分布的相同颜色光（同色异谱现象）打造出了炫美的效果。在歌剧表演开始时唯一的光源是投射出单一黄色光的低压钠灯。舞台上的一切看起来都是黄色、黄灰色或黑色的，现实就是这样。而后，随着配置相同色调的琥珀滤色片的白炽灯具的光慢慢渐入时，各种色彩开始慢慢从混沌中显现出来。原先看起来黑色的物体清晰地变为红色，其它颜色也逐渐呈现。然而，全部黄色色调不会改变，这种黄色正是我们用各种不同色彩（包括红色和绿色）混合出来的，而不仅仅是那种单一的黄色波长。

3.2.2 利用同色异谱作为舞美灯光设计的工具

这些同色异谱效果并不意味着LED灯具的显色性能不好，但其的确意味着可以将显色性能作为一个设计工具，且具有比气体放电灯更容易操控的优势。设计师可以用它们来进行精准的色彩显现或者可以用它们创造出有力的奇幻的色彩，或是用来抑制色彩，正如Toelstede在《摩西与亚伦》的演出中做的那样。然而设计师应记住，即使当他们不是有意识地操控色彩显现时，舞台上的色彩显现也会受到灯具中的LED光源的影响。

这些配置不同LED色彩组合的灯具或许能够产生相同范围的白光或在白色表面上呈现出同样的颜色，但它们在彩色物体上的显色效果就不同了。

显然，一个运用红绿蓝LED的灯具不会给设计师有许多机会去创造出独特的色彩，打开一些红光LED和绿光LED，灯具就会混合产生出黄光，事实就是这样，没有其他选择。然而，不是所有的RGB LED灯具采用的都是同样的红光LED和绿光LED。也有一些为了得到更好的黄光或对粉色有更好的色彩显现而运用了红橙光LED（615 nm）而不是红光LED（625 nm）。还有一些为了得到更强的蓝色运用了宝石蓝光LED（460 nm）而不是蓝光LED（467 nm）。这些选择都行，但是运用不同LED色彩组合的灯具的设计师会发觉彩色物体的色彩显现是很不相同的，即使这些灯具产生的光投射在白色表面上，其颜色看上去一样。一旦添加一种以上的色彩LED后（现在已有许多制造商都添加了琥珀色LED）各种可能性就会迅速展现。我们马上会发现有不止一种方法可以混合产生许多粉色调的色彩。尽管最初我们会将窄波段LED引发的同色异谱效果看作一个问题，但它们并不见得一定是一件坏事。并且应当被看作是一个机会。如果灯光设计师有这方面的知识（和时间），他们也可以将这些转化为他们的创新优势。