好，更好，最好——LED舞台灯光的性能特点
2011-02-10斯蒂夫泰利编译陈国义
文/[美]斯蒂夫·泰利 编译/陈国义
（1. 上海戏剧学院，上海 200040）
舞台灯光设计师、用户以及系统操作人员都非常了解不同钨丝灯和气体放电灯的优点和缺点。通过使用配件，如彩色滤色片、二向色性（镀膜）滤色片和卷帘换色器，产生已知的可靠效果。但是，鉴于LED灯具在演艺灯光领域的崛起，这些知识都显得有些过时。
很多人还不太了解LED混色灯具的独特之处。用户和系统操作人员在为特定场合应用选择合适的灯具时，应该考虑到LED灯具新的性能特点。我们甚至需要发明新的词汇来定义这些新的特点，因为现有的LED词汇已经不够用了。
本文将探讨这些新特点和新词汇。
1 比较白炽灯具、气体放电（HID）灯具和LED灯具的色域特性
1.1 什么是色域
色域就是指一个灯具可以发出的颜色的范围。本文主要讨论颜色，因为颜色是LED灯具最与众不同的特点。
大多数的演艺行业专业人士都清楚地知道将一个Lee 161或者Rosco 119放在3 200 K钨丝灯前的效果。他们使用滤色片编号来表达他们想要的颜色，也了解这个颜色在舞台上的效果。部分原因是他们知道钨丝灯（和气体放电灯）是全光谱的白光源，色谱没有任何间隙。相反，LED灯的色谱是不连续的，在色谱中有很大间隙。
简单的RGB（红绿蓝）灯的色谱间隙最大，使用越多原色LED的灯具产生的色谱间隙越小，而且色域越宽。
1.2 不同颜色LED的数目意味着不同的色域
使用CIE色度图可以轻松看出LED原色的数目与灯具的色域之间的直接关系。设计师想要的很多颜色都不在RGB灯的色域范围内。所以按需要改变颜色成为了LED灯的“死穴”，因为钨丝灯和滤色片所产生的复杂、细腻的颜色已经成为了演艺灯光的艺术标准，专业设计师不愿意接受色彩表现欠佳的LED灯具。
1.3 采用荧光转换型LED灯具来拓展色域
另一个获得更多色域的方法就是使用荧光转换型LED灯具。荧光转换型LED发光的色域要比单色LED宽很多。荧光转换型LED都是用“蓝色泵浦”——使用蓝色LED去激活LED芯片外的一层荧光粉来发出所有的色光。这样虽然可以拓展色域，但是由于反射损耗，LED的光效也会有所降低。荧光转换型LED灯具的另一个优势就是可以解决颜色分级的问题（下文详述），因为容易保持蓝色LED稳定的亮度，也更容易控制荧光粉的光谱输出。完全荧光转换型LED灯具意味着LED所有颜色的热衰减将会保持一致（下文详述）。
图5为该LED灯具工作原理示意图，从中可看到反射损耗和荧光层的全方向发光。图6为局部放大图。（译者注：蓝光部分穿过荧光层，部分在荧光层转化为黄光，两者合成白光射出；另有部分蓝光在荧光层反射回来，以及荧光层发出的黄光部分向底部射出，这两者都引起损耗。）
1.4 7色灯使用的普通琥珀色和荧光转换型琥珀色光谱的比较
图7对普通琥珀色LED和荧光转换的琥珀色LED的光谱作了比较。图8 和图9分别显示了典型7色灯具用普通琥珀色LED及用荧光转换琥珀色LED时的色谱。后两图显示出荧光转换型琥珀色由于带宽增加，可以消除典型7色灯颜色输出的较大光谱间隙，从而拓宽色域。LED制造商希望蓝色荧光转换型LED灯的光效和一致性越高越好，所以笔者预计未来会看到更多颜色的荧光转换型LED灯——从而拓宽娱乐用LED灯具的色域。
1.5 色域的细微变化
多种颜色LED的灯具拓宽色域的益处在白色表面并不明显，而照明评估往往使用白色墙面。所以，对一个LED灯具进行有意义的颜色评估时，必须要使用不同颜色的表面作为投射面，例如人的皮肤。
使用超过RGB的多种颜色LED灯具时，有人提出了“同色异谱（条件等色）”这一新概念。也就是多色LED的灯具可以用两种以上不同的配色（方案）来产生某一给定的颜色。每个不同的配色产生一个同色异谱色。虽然同一颜色的不同同色异谱色在白色表面看起来非常相似，但是如果使用有颜色的表面，就能体现出不同同色异谱色之间的巨大差异——这为设计师提供了一个新的创意工具。
1.6 不同色域的不同应用
RGBA、RGBACy、RGBAW和7色灯为LED灯具带来了新的级别的颜色选择。但是更多的颜色也伴随着更高的成本和更复杂的控制。所以我们必须仔细考虑拓宽色域的用处和适用性。某些要求不高的应用如俱乐部、学校礼堂、单位会堂等可以只使用简单的RGB灯具。更复杂的应用场景，如专业歌剧院、戏剧场和电视台，可能需要更宽广的色域，而且也愿意接受随之而来的复杂控制。
一般规律：一个熟悉常用滤色片产生所需颜色的要求苛刻的专业设计师，会要求LED灯具有更宽的色域，超过RGB灯具能达到的极限。这类用户不能忍受“大概差不多”的颜色。这类用户接受色域有限的LED灯具可能会更慢些。
2 温度上升引起的光效下降（热光衰）
演艺行业希望使用亮度和颜色不随着温度、工作时间和散热条件而变化的灯具。LED灯具本身的一个特点经常被称作“LED灯肮脏的小秘密”。这个秘密就是热光衰，是指随着温度升高，LED灯的发光效率会下降。所有的LED灯具都显示出这种特点，LED的颜色不同，光效下降的程度也不同。
2.1 绿色LED热光衰
图10是一个热光衰的例子，我们从中可以看到结点温度在25℃时，绿色LED的发光效率额定为100%。 但是当结点温度达到145℃时，光效就下降到额定值的80%。
2.2 红色、琥珀色、橘红色LED的光效下降
图11显示，其他颜色LED的光效下降更严重，而且下降速度不一样。当结点温度达到140℃时，琥珀色的光效降到额定值10%。这对于LED灯具在不同时间和温度下的亮度和颜色准确性造成了重要影响。如果没有在灯具设计中加以适当补偿，LED灯的亮度和颜色会随着环境温度、冷却系统和工作时间发生很大变化。这就是一个LED灯具“好、更好和最好”之间的主要区别。
a.“用足全劲型”——在短时间内极其明亮，不管一小段时间过后颜色或亮度变成什么样。
b.“不惜代价保持颜色型”——适当降低其驱动电流以保证在一些关键应用时能在长时间工作中保持完美的颜色。如剧院的环形天幕照明。
c.“能量预算型”——不用打开全部的LED管就能实现最大亮度。打开更多的LED管后全面降低亮度以保持颜色的稳定性。
2.3 热光衰的补偿设计
关于LED灯具，有一个老笑话这样说：LED灯具设计有三个重要的事项：温度，温度，还是温度。这充分说明了温度对LED的影响有多大。
补偿热光衰有很多方式：
（1）使用风扇或者大型散热器给LED灯降温。但这可能会产生噪音或者尺寸问题，在演艺灯光应用中必须充分考虑。
（2）闭环反馈。
a. 温度监控。必须足够智能，才能准确地协调每种色光各自的输出和温度的关系。
b. 监控每个颜色各自的亮度。
c. 监控输出光谱的三原色。
（3）智能算法。必须能够协调很多变量，从而准确地产生目标颜色。
（4）重要注意事项：当LED的光效下降时，要增加驱动电流，所有颜色补偿方法都需要“超额”。如果所有的LED都以最大的可用电流运行，就不可能来补偿温度和光效。因此灯具的最大亮度和长时间的颜色稳定性有着直接关联。
（5）不同的用户可选模式以适应不同的应用。例如：
3 颜色的准确性
3.1 其他影响灯具颜色准确性的因素
LED管的分档问题。有的灯具中会安装不同颜色或亮度的LED管，尤其是当某种产品的生产寿命特别长时，用户可能会有此类疑问：“我今天买的灯和我6个月后买的灯的颜色能一致吗？”
现状是：LED制造商一直在提高LED的亮度；但许多制造商都没有合适的方法保证颜色一致。
图12是一个有关色温分档的例子。它显示了LED在制造过程中可能会出现很大的差异，因此，必须要有一个方法来测量并补偿这些结果，以保证灯具精准的性能随时间的改变仍保持一致。
3.2 保证颜色准确性和稳定性的关键工具及实例
3.2.1 两个重要的操作工具
有两个非常重要的操作工具能够帮助用户和操作人员确保灯具颜色的精准和一致：
（1）热光衰的补偿；
（2）灯具在工厂的校准。
a. 理想状态下，每一个灯具的输出能力在生产线上都得以分析校准；
b. 补偿值可以写进灯具的非易失存储芯片中，灯具内的软件算法会保证其在产品寿命内能输出一致的颜色。
3.2.2 颜色校准系统的实例
图13显示了受测的灯具及用于测量光谱的电脑，图14为上述颜色校准系统的运行界面。基本操作程序如下：
（1）通过RDM（远程设备管理标准PLASA E1.20）连接灯具；
（2）测量光谱和亮度；
（3）通过RDM将补偿值写进灯具的存储器。
4 颜色控制
4.1 颜色控制的难点
灯具中原色LED的种类较多时颜色控制就会变得困难。
（1）许多不同的配置都能实现“同样”的颜色，但同色异谱色不同；
（2）对很多的颜色通道的调配会变得乏味且耗时；
（3）设计师永远不知道得到的是否为某种颜色最亮的版本，甚至是否为需要的同色异谱色；
（4）必须有一种新的控制方法。
4.2 颜色控制方案
设计师需要一种更简单的控制方法来获得想要的颜色，且得到颜色还可进一步调节。
拥有多种原色LED的灯具应能够在CIE色度图上标出目标颜色对应的RGB、HSI（色调、饱和度和亮度）或是对应的X、Y轴坐标。
灯具和控制系统应能够通过改变提供原色的LED的亮度调节得到目标颜色。这就像是与推杆阵列组成的音频图示均衡器对应的非常有用的照明图示均衡器。灯具需要个性化的颜色参数库，这样控制系统就能使用像滤色片样本那样明确的色彩定义来得到目标颜色。就像设计师没有电脑灯参数库操作台就不能控制电脑灯一样，LED的颜色控制同样如此。
5 亮度
在钨丝灯和气体放电灯的领域，白光亮度很好理解也很容易测量。一个给定光源通过滤色片或二向色性（镀膜）滤色片的颜色亮度是可预见且容易理解的。测量LED混色灯的白光亮度就不完全如此了。现有的测量工具用于测量像LED这样光谱不连续的光源时得到的结果往往不准确。
加法混色的LED灯具与减法混色的钨丝灯和气体放电灯具（加滤色片）的饱和度和光效之间的关系是不同的。制造商总喜欢说“是的，我知道它的白光不是太亮，但是看看它在深蓝光时多么亮。”问题是没有明确的标准方法可以用来比较两个灯的颜色的亮度。
5.1 颜色饱和度和光效
LED灯的饱和度和光效之间的关系与钨丝灯和气体放电灯的完全不同，图15说明了这一点。LED加法混色饱和度增加光效不变（红色线），减法混色饱和度增加（加滤色纸）光效下降（蓝色线）。
5.2 一种定义LED灯具亮度的新方法
目前，一个新的标准草案——PLASA E1.41《运用固态照明光源的演艺灯具光度性能数据测量和报告（提议案）》正在制定中。其中的重要内容包括：用15种具体的颜色和常见的色温来定义一个灯具的性能；将一个灯具在彩光时的光效和白光时的光效作比较。
图16所示的E1.41 标准的15种测试颜色和那些用于定义CQS（Color Quality Scale，色品质度）的颜色一致。
5.3 比较灯具的亮度
在PLASA E1.41标准颁布并被制造商采用之前，该怎样准确地比较不同LED混色灯的亮度参数，这是用户和操作人员的难题。
6 调光性能
（1）钨丝灯和高性能的调光器在调光性能方面的配合很少不一致。这点对许多专业的设计师而言是一个关键的性能表现。
（2）LED灯具需要一个复杂的软件插件以仿真钨丝灯的调光性能，但目前还没有这个软件。
（3）一些专家认为，LED在调光方面的性能实在是不敢恭维。
a. 没有钨丝灯的热惯性——LED灯立刻就有反应并且用户能看到每一级亮度变化。
b. 8位256级的调光很勉强，很多时候往往不够。
（4）判定调光性能需要论证。关于调光的平滑性没有足够的书面数据。
7 颜色调节性能
（1）LED灯具的颜色调节十分复杂而且常常产生不可预见的结果。
（2）当一个灯具中的各原色LED亮度按照内部转换方案在推杆上分别以HSI值调节的话，将会产生奇怪的颜色和非线性的变化。
（3）就像调光性能一样，颜色调节能力需要肉眼直接的观察，因为没有足够的参数来定义这种性能。
8 调制频率
（1）几乎所有的LED混色灯都使用脉冲宽度调制法（PWM）以调节LED的亮度。
（2）调制的频率是一个关键的性能参数，尤其是对电影和电视领域的应用而言。
（3）调制频率越高，灯具需要的处理能力就越大。
（4）低于1 kHz的调制频率一般不适合电影或电视领域的应用。
9 光效和总能效
（1）LED灯具的光效和总能效经常是推动这项新技术的重要力量——钱是否用在了绿色环保产品上。
（2）功效一般表述为流明每瓦（LPW）。
（3）只有将一个灯具所产生的全部流明比上它消耗的全部电量才能得到其真正的LPW图。
（4）为了得到一个灯具完整的动态能量消耗图，LPW的计算必须在多个设置下进行。
（5）判定一个灯具的总能效必须还要测量其所有LED关闭时的能量消耗。如果一个灯具在打开时的LPW光效很好，但其所有的LED都关闭时仍消耗相当多的能量，那么它的总能效也许会很差。
（6）还必须要考虑到功率因数和谐波失真。如果一个灯具电源的功率因数很差或是会产生谐波，那么这可能会对灯具的总能效甚至是对建筑的电气基础设施产生负面影响，尤其是在将来一个大型场合装有成百上千台LED灯时更是如此。
10 光学属性
以下几个光学属性非常重要：
（1）颜色均匀度：颜色在各区域是否均匀混合，有无颜色热点；
（2）光斑配光曲线的平坦性；
（3）多LED造成的彩色阴影；
（4）成像灯柔焦时的颜色假象；
（5）成像灯的成像质量。
值得注意的是，这些特点需要直接的观察而不是看参数表。
结论
（1）LED灯具有一系列新的特点，钨丝灯和气体放电灯用户和操作人员对这些特点可能并不熟悉。
（2）目前市场上有各种性能特点的LED灯具，制造商、用户及操作人员还在判断哪些特点对应的是哪类市场。
（3）针对某一特定的应用需求，用户或操作人员选择正确的LED灯具时需要仔细查阅这些特点并确定必要的应用。
（4）LED灯具还在发展，并且我们可以期望随着它们的日益成熟，其性能特点也会迅速得到改善。
