好，更好，最好——LED舞臺(tái)燈光的性能特點(diǎn)

文/[美]斯蒂夫·泰利 編譯/陳國義

（1. 上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)師、用戶以及系統(tǒng)操作人員都非常了解不同鎢絲燈和氣體放電燈的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。通過使用配件，如彩色濾色片、二向色性（鍍膜）濾色片和卷簾換色器，產(chǎn)生已知的可靠效果。但是，鑒于LED燈具在演藝燈光領(lǐng)域的崛起，這些知識(shí)都顯得有些過時(shí)。

很多人還不太了解LED混色燈具的獨(dú)特之處。用戶和系統(tǒng)操作人員在為特定場合應(yīng)用選擇合適的燈具時(shí)，應(yīng)該考慮到LED燈具新的性能特點(diǎn)。我們甚至需要發(fā)明新的詞匯來定義這些新的特點(diǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的LED詞匯已經(jīng)不夠用了。

本文將探討這些新特點(diǎn)和新詞匯。

1 比較白熾燈具、氣體放電（HID）燈具和LED燈具的色域特性

1.1 什么是色域

色域就是指一個(gè)燈具可以發(fā)出的顏色的范圍。本文主要討論顏色，因?yàn)轭伾荓ED燈具最與眾不同的特點(diǎn)。

大多數(shù)的演藝行業(yè)專業(yè)人士都清楚地知道將一個(gè)Lee 161或者Rosco 119放在3 200 K鎢絲燈前的效果。他們使用濾色片編號(hào)來表達(dá)他們想要的顏色，也了解這個(gè)顏色在舞臺(tái)上的效果。部分原因是他們知道鎢絲燈（和氣體放電燈）是全光譜的白光源，色譜沒有任何間隙。相反，LED燈的色譜是不連續(xù)的，在色譜中有很大間隙。

簡單的RGB（紅綠藍(lán)）燈的色譜間隙最大，使用越多原色LED的燈具產(chǎn)生的色譜間隙越小，而且色域越寬。

1.2 不同顏色LED的數(shù)目意味著不同的色域

使用CIE色度圖可以輕松看出LED原色的數(shù)目與燈具的色域之間的直接關(guān)系。設(shè)計(jì)師想要的很多顏色都不在RGB燈的色域范圍內(nèi)。所以按需要改變顏色成為了LED燈的“死穴”，因?yàn)殒u絲燈和濾色片所產(chǎn)生的復(fù)雜、細(xì)膩的顏色已經(jīng)成為了演藝燈光的藝術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)設(shè)計(jì)師不愿意接受色彩表現(xiàn)欠佳的LED燈具。

1.3 采用熒光轉(zhuǎn)換型LED燈具來拓展色域

另一個(gè)獲得更多色域的方法就是使用熒光轉(zhuǎn)換型LED燈具。熒光轉(zhuǎn)換型LED發(fā)光的色域要比單色LED寬很多。熒光轉(zhuǎn)換型LED都是用“藍(lán)色泵浦”——使用藍(lán)色LED去激活LED芯片外的一層熒光粉來發(fā)出所有的色光。這樣雖然可以拓展色域，但是由于反射損耗，LED的光效也會(huì)有所降低。熒光轉(zhuǎn)換型LED燈具的另一個(gè)優(yōu)勢就是可以解決顏色分級(jí)的問題（下文詳述），因?yàn)槿菀妆３炙{(lán)色LED穩(wěn)定的亮度，也更容易控制熒光粉的光譜輸出。完全熒光轉(zhuǎn)換型LED燈具意味著LED所有顏色的熱衰減將會(huì)保持一致（下文詳述）。

圖5為該LED燈具工作原理示意圖，從中可看到反射損耗和熒光層的全方向發(fā)光。圖6為局部放大圖。（譯者注：藍(lán)光部分穿過熒光層，部分在熒光層轉(zhuǎn)化為黃光，兩者合成白光射出；另有部分藍(lán)光在熒光層反射回來，以及熒光層發(fā)出的黃光部分向底部射出，這兩者都引起損耗。）

1.4 7色燈使用的普通琥珀色和熒光轉(zhuǎn)換型琥珀色光譜的比較

圖7對普通琥珀色LED和熒光轉(zhuǎn)換的琥珀色LED的光譜作了比較。圖8 和圖9分別顯示了典型7色燈具用普通琥珀色LED及用熒光轉(zhuǎn)換琥珀色LED時(shí)的色譜。后兩圖顯示出熒光轉(zhuǎn)換型琥珀色由于帶寬增加，可以消除典型7色燈顏色輸出的較大光譜間隙，從而拓寬色域。LED制造商希望藍(lán)色熒光轉(zhuǎn)換型LED燈的光效和一致性越高越好，所以筆者預(yù)計(jì)未來會(huì)看到更多顏色的熒光轉(zhuǎn)換型LED燈——從而拓寬娛樂用LED燈具的色域。

1.5 色域的細(xì)微變化

多種顏色LED的燈具拓寬色域的益處在白色表面并不明顯，而照明評估往往使用白色墻面。所以，對一個(gè)LED燈具進(jìn)行有意義的顏色評估時(shí)，必須要使用不同顏色的表面作為投射面，例如人的皮膚。

使用超過RGB的多種顏色LED燈具時(shí)，有人提出了“同色異譜（條件等色）”這一新概念。也就是多色LED的燈具可以用兩種以上不同的配色（方案）來產(chǎn)生某一給定的顏色。每個(gè)不同的配色產(chǎn)生一個(gè)同色異譜色。雖然同一顏色的不同同色異譜色在白色表面看起來非常相似，但是如果使用有顏色的表面，就能體現(xiàn)出不同同色異譜色之間的巨大差異——這為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)新的創(chuàng)意工具。

1.6 不同色域的不同應(yīng)用

RGBA、RGBACy、RGBAW和7色燈為LED燈具帶來了新的級(jí)別的顏色選擇。但是更多的顏色也伴隨著更高的成本和更復(fù)雜的控制。所以我們必須仔細(xì)考慮拓寬色域的用處和適用性。某些要求不高的應(yīng)用如俱樂部、學(xué)校禮堂、單位會(huì)堂等可以只使用簡單的RGB燈具。更復(fù)雜的應(yīng)用場景，如專業(yè)歌劇院、戲劇場和電視臺(tái)，可能需要更寬廣的色域，而且也愿意接受隨之而來的復(fù)雜控制。

一般規(guī)律：一個(gè)熟悉常用濾色片產(chǎn)生所需顏色的要求苛刻的專業(yè)設(shè)計(jì)師，會(huì)要求LED燈具有更寬的色域，超過RGB燈具能達(dá)到的極限。這類用戶不能忍受“大概差不多”的顏色。這類用戶接受色域有限的LED燈具可能會(huì)更慢些。

2 溫度上升引起的光效下降（熱光衰）

演藝行業(yè)希望使用亮度和顏色不隨著溫度、工作時(shí)間和散熱條件而變化的燈具。LED燈具本身的一個(gè)特點(diǎn)經(jīng)常被稱作“LED燈骯臟的小秘密”。這個(gè)秘密就是熱光衰，是指隨著溫度升高，LED燈的發(fā)光效率會(huì)下降。所有的LED燈具都顯示出這種特點(diǎn)，LED的顏色不同，光效下降的程度也不同。

2.1 綠色LED熱光衰

圖10是一個(gè)熱光衰的例子，我們從中可以看到結(jié)點(diǎn)溫度在25℃時(shí)，綠色LED的發(fā)光效率額定為100%。 但是當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到145℃時(shí)，光效就下降到額定值的80%。

2.2 紅色、琥珀色、橘紅色LED的光效下降

圖11顯示，其他顏色LED的光效下降更嚴(yán)重，而且下降速度不一樣。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到140℃時(shí)，琥珀色的光效降到額定值10%。這對于LED燈具在不同時(shí)間和溫度下的亮度和顏色準(zhǔn)確性造成了重要影響。如果沒有在燈具設(shè)計(jì)中加以適當(dāng)補(bǔ)償，LED燈的亮度和顏色會(huì)隨著環(huán)境溫度、冷卻系統(tǒng)和工作時(shí)間發(fā)生很大變化。這就是一個(gè)LED燈具“好、更好和最好”之間的主要區(qū)別。

a.“用足全勁型”——在短時(shí)間內(nèi)極其明亮，不管一小段時(shí)間過后顏色或亮度變成什么樣。

b.“不惜代價(jià)保持顏色型”——適當(dāng)降低其驅(qū)動(dòng)電流以保證在一些關(guān)鍵應(yīng)用時(shí)能在長時(shí)間工作中保持完美的顏色。如劇院的環(huán)形天幕照明。

c.“能量預(yù)算型”——不用打開全部的LED管就能實(shí)現(xiàn)最大亮度。打開更多的LED管后全面降低亮度以保持顏色的穩(wěn)定性。

2.3 熱光衰的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

關(guān)于LED燈具，有一個(gè)老笑話這樣說：LED燈具設(shè)計(jì)有三個(gè)重要的事項(xiàng)：溫度，溫度，還是溫度。這充分說明了溫度對LED的影響有多大。

補(bǔ)償熱光衰有很多方式：

（1）使用風(fēng)扇或者大型散熱器給LED燈降溫。但這可能會(huì)產(chǎn)生噪音或者尺寸問題，在演藝燈光應(yīng)用中必須充分考慮。

（2）閉環(huán)反饋。

a. 溫度監(jiān)控。必須足夠智能，才能準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)每種色光各自的輸出和溫度的關(guān)系。

b. 監(jiān)控每個(gè)顏色各自的亮度。

c. 監(jiān)控輸出光譜的三原色。

（3）智能算法。必須能夠協(xié)調(diào)很多變量，從而準(zhǔn)確地產(chǎn)生目標(biāo)顏色。

（4）重要注意事項(xiàng)：當(dāng)LED的光效下降時(shí)，要增加驅(qū)動(dòng)電流，所有顏色補(bǔ)償方法都需要“超額”。如果所有的LED都以最大的可用電流運(yùn)行，就不可能來補(bǔ)償溫度和光效。因此燈具的最大亮度和長時(shí)間的顏色穩(wěn)定性有著直接關(guān)聯(lián)。

（5）不同的用戶可選模式以適應(yīng)不同的應(yīng)用。例如：

3 顏色的準(zhǔn)確性

3.1 其他影響燈具顏色準(zhǔn)確性的因素

LED管的分檔問題。有的燈具中會(huì)安裝不同顏色或亮度的LED管，尤其是當(dāng)某種產(chǎn)品的生產(chǎn)壽命特別長時(shí)，用戶可能會(huì)有此類疑問：“我今天買的燈和我6個(gè)月后買的燈的顏色能一致嗎？”

現(xiàn)狀是：LED制造商一直在提高LED的亮度；但許多制造商都沒有合適的方法保證顏色一致。

圖12是一個(gè)有關(guān)色溫分檔的例子。它顯示了LED在制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)很大的差異，因此，必須要有一個(gè)方法來測量并補(bǔ)償這些結(jié)果，以保證燈具精準(zhǔn)的性能隨時(shí)間的改變?nèi)员３忠恢隆?/p>

3.2 保證顏色準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵工具及實(shí)例

3.2.1 兩個(gè)重要的操作工具

有兩個(gè)非常重要的操作工具能夠幫助用戶和操作人員確保燈具顏色的精準(zhǔn)和一致：

（1）熱光衰的補(bǔ)償；

（2）燈具在工廠的校準(zhǔn)。

a. 理想狀態(tài)下，每一個(gè)燈具的輸出能力在生產(chǎn)線上都得以分析校準(zhǔn)；

b. 補(bǔ)償值可以寫進(jìn)燈具的非易失存儲(chǔ)芯片中，燈具內(nèi)的軟件算法會(huì)保證其在產(chǎn)品壽命內(nèi)能輸出一致的顏色。

3.2.2 顏色校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)例

圖13顯示了受測的燈具及用于測量光譜的電腦，圖14為上述顏色校準(zhǔn)系統(tǒng)的運(yùn)行界面?；静僮鞒绦蛉缦拢?/p>

（1）通過RDM（遠(yuǎn)程設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)PLASA E1.20）連接燈具；

（2）測量光譜和亮度；

（3）通過RDM將補(bǔ)償值寫進(jìn)燈具的存儲(chǔ)器。

4 顏色控制

4.1 顏色控制的難點(diǎn)

燈具中原色LED的種類較多時(shí)顏色控制就會(huì)變得困難。

（1）許多不同的配置都能實(shí)現(xiàn)“同樣”的顏色，但同色異譜色不同；

（2）對很多的顏色通道的調(diào)配會(huì)變得乏味且耗時(shí)；

（3）設(shè)計(jì)師永遠(yuǎn)不知道得到的是否為某種顏色最亮的版本，甚至是否為需要的同色異譜色；

（4）必須有一種新的控制方法。

4.2 顏色控制方案

設(shè)計(jì)師需要一種更簡單的控制方法來獲得想要的顏色，且得到顏色還可進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

擁有多種原色LED的燈具應(yīng)能夠在CIE色度圖上標(biāo)出目標(biāo)顏色對應(yīng)的RGB、HSI（色調(diào)、飽和度和亮度）或是對應(yīng)的X、Y軸坐標(biāo)。

燈具和控制系統(tǒng)應(yīng)能夠通過改變提供原色的LED的亮度調(diào)節(jié)得到目標(biāo)顏色。這就像是與推桿陣列組成的音頻圖示均衡器對應(yīng)的非常有用的照明圖示均衡器。燈具需要個(gè)性化的顏色參數(shù)庫，這樣控制系統(tǒng)就能使用像濾色片樣本那樣明確的色彩定義來得到目標(biāo)顏色。就像設(shè)計(jì)師沒有電腦燈參數(shù)庫操作臺(tái)就不能控制電腦燈一樣，LED的顏色控制同樣如此。

5 亮度

在鎢絲燈和氣體放電燈的領(lǐng)域，白光亮度很好理解也很容易測量。一個(gè)給定光源通過濾色片或二向色性（鍍膜）濾色片的顏色亮度是可預(yù)見且容易理解的。測量LED混色燈的白光亮度就不完全如此了?，F(xiàn)有的測量工具用于測量像LED這樣光譜不連續(xù)的光源時(shí)得到的結(jié)果往往不準(zhǔn)確。

加法混色的LED燈具與減法混色的鎢絲燈和氣體放電燈具（加濾色片）的飽和度和光效之間的關(guān)系是不同的。制造商總喜歡說“是的，我知道它的白光不是太亮，但是看看它在深藍(lán)光時(shí)多么亮?！眴栴}是沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)方法可以用來比較兩個(gè)燈的顏色的亮度。

5.1 顏色飽和度和光效

LED燈的飽和度和光效之間的關(guān)系與鎢絲燈和氣體放電燈的完全不同，圖15說明了這一點(diǎn)。LED加法混色飽和度增加光效不變（紅色線），減法混色飽和度增加（加濾色紙）光效下降（藍(lán)色線）。

5.2 一種定義LED燈具亮度的新方法

目前，一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)草案——PLASA E1.41《運(yùn)用固態(tài)照明光源的演藝燈具光度性能數(shù)據(jù)測量和報(bào)告（提議案）》正在制定中。其中的重要內(nèi)容包括：用15種具體的顏色和常見的色溫來定義一個(gè)燈具的性能；將一個(gè)燈具在彩光時(shí)的光效和白光時(shí)的光效作比較。

圖16所示的E1.41 標(biāo)準(zhǔn)的15種測試顏色和那些用于定義CQS（Color Quality Scale，色品質(zhì)度）的顏色一致。

5.3 比較燈具的亮度

在PLASA E1.41標(biāo)準(zhǔn)頒布并被制造商采用之前，該怎樣準(zhǔn)確地比較不同LED混色燈的亮度參數(shù)，這是用戶和操作人員的難題。

6 調(diào)光性能

（1）鎢絲燈和高性能的調(diào)光器在調(diào)光性能方面的配合很少不一致。這點(diǎn)對許多專業(yè)的設(shè)計(jì)師而言是一個(gè)關(guān)鍵的性能表現(xiàn)。

（2）LED燈具需要一個(gè)復(fù)雜的軟件插件以仿真鎢絲燈的調(diào)光性能，但目前還沒有這個(gè)軟件。

（3）一些專家認(rèn)為，LED在調(diào)光方面的性能實(shí)在是不敢恭維。

a. 沒有鎢絲燈的熱慣性——LED燈立刻就有反應(yīng)并且用戶能看到每一級(jí)亮度變化。

b. 8位256級(jí)的調(diào)光很勉強(qiáng)，很多時(shí)候往往不夠。

（4）判定調(diào)光性能需要論證。關(guān)于調(diào)光的平滑性沒有足夠的書面數(shù)據(jù)。

7 顏色調(diào)節(jié)性能

（1）LED燈具的顏色調(diào)節(jié)十分復(fù)雜而且常常產(chǎn)生不可預(yù)見的結(jié)果。

（2）當(dāng)一個(gè)燈具中的各原色LED亮度按照內(nèi)部轉(zhuǎn)換方案在推桿上分別以HSI值調(diào)節(jié)的話，將會(huì)產(chǎn)生奇怪的顏色和非線性的變化。

（3）就像調(diào)光性能一樣，顏色調(diào)節(jié)能力需要肉眼直接的觀察，因?yàn)闆]有足夠的參數(shù)來定義這種性能。

8 調(diào)制頻率

（1）幾乎所有的LED混色燈都使用脈沖寬度調(diào)制法（PWM）以調(diào)節(jié)LED的亮度。

（2）調(diào)制的頻率是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)，尤其是對電影和電視領(lǐng)域的應(yīng)用而言。

（3）調(diào)制頻率越高，燈具需要的處理能力就越大。

（4）低于1 kHz的調(diào)制頻率一般不適合電影或電視領(lǐng)域的應(yīng)用。

9 光效和總能效

（1）LED燈具的光效和總能效經(jīng)常是推動(dòng)這項(xiàng)新技術(shù)的重要力量——錢是否用在了綠色環(huán)保產(chǎn)品上。

（2）功效一般表述為流明每瓦（LPW）。

（3）只有將一個(gè)燈具所產(chǎn)生的全部流明比上它消耗的全部電量才能得到其真正的LPW圖。

（4）為了得到一個(gè)燈具完整的動(dòng)態(tài)能量消耗圖，LPW的計(jì)算必須在多個(gè)設(shè)置下進(jìn)行。

（5）判定一個(gè)燈具的總能效必須還要測量其所有LED關(guān)閉時(shí)的能量消耗。如果一個(gè)燈具在打開時(shí)的LPW光效很好，但其所有的LED都關(guān)閉時(shí)仍消耗相當(dāng)多的能量，那么它的總能效也許會(huì)很差。

（6）還必須要考慮到功率因數(shù)和諧波失真。如果一個(gè)燈具電源的功率因數(shù)很差或是會(huì)產(chǎn)生諧波，那么這可能會(huì)對燈具的總能效甚至是對建筑的電氣基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在將來一個(gè)大型場合裝有成百上千臺(tái)LED燈時(shí)更是如此。

10 光學(xué)屬性

以下幾個(gè)光學(xué)屬性非常重要：

（1）顏色均勻度：顏色在各區(qū)域是否均勻混合，有無顏色熱點(diǎn)；

（2）光斑配光曲線的平坦性；

（3）多LED造成的彩色陰影；

（4）成像燈柔焦時(shí)的顏色假象；

（5）成像燈的成像質(zhì)量。

值得注意的是，這些特點(diǎn)需要直接的觀察而不是看參數(shù)表。

結(jié)論

（1）LED燈具有一系列新的特點(diǎn)，鎢絲燈和氣體放電燈用戶和操作人員對這些特點(diǎn)可能并不熟悉。

（2）目前市場上有各種性能特點(diǎn)的LED燈具，制造商、用戶及操作人員還在判斷哪些特點(diǎn)對應(yīng)的是哪類市場。

（3）針對某一特定的應(yīng)用需求，用戶或操作人員選擇正確的LED燈具時(shí)需要仔細(xì)查閱這些特點(diǎn)并確定必要的應(yīng)用。

（4）LED燈具還在發(fā)展，并且我們可以期望隨著它們的日益成熟，其性能特點(diǎn)也會(huì)迅速得到改善。