激光照明技術(shù)在影視拍攝領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

羅瑞珍 孫 略

(北京電影學(xué)院影視技術(shù)系,北京 100088)

目前影視照明行業(yè)最常用的三種光源分別是鹵鎢燈、金屬鹵化燈和LED。LED作為最近幾年興盛起來的光源類型,具有節(jié)能、高效、便捷和控制方便等諸多優(yōu)點,因此一經(jīng)問世便好評如潮,得到廣大從業(yè)人員的認(rèn)可。但LED受限于其發(fā)光原理,屬于柔光光源,一般適合用來鋪設(shè)大面積的底子光。另外LED芯片效率驟降問題的研究目前處于瓶頸期,短時間內(nèi)無法獲得解決,因此大功率LED暫時無法商業(yè)化生產(chǎn),導(dǎo)致其使用上還是有一定的局限性。傳統(tǒng)的鹵鎢燈和金屬鹵化燈,同樣受限于自身的發(fā)光原理,普遍具有發(fā)光效率低、能耗高、體積笨重、不方便控制等問題。雖然從業(yè)人員已經(jīng)習(xí)慣了傳統(tǒng)燈具的各種問題,但是如果能有一種節(jié)能高效、便于控制且光質(zhì)不輸于傳統(tǒng)影視照明燈具的新型光源出現(xiàn),想必是大家喜聞樂見的。

激光 (LASER),即受激輻射光擴大 (Light Amplification by Sti mulated Emission of Radiation),最早由愛因斯坦提出。1960年美國科學(xué)家Theodore Mai man發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器,從此之后激光科學(xué)和技術(shù)不斷發(fā)展進步。近些年來隨著科技的進步,激光技術(shù)逐漸走進大眾視野,激光照明技術(shù)也被 “藍光LED之父”、諾貝爾物理學(xué)獎得主中村修二認(rèn)可為可以替代LED光源的新一代優(yōu)質(zhì)照明光源。作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,激光技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、科研、工業(yè)加工、照明等各個領(lǐng)域。

1 激光的物理特性

自然界中光子和原子的相互作用,有三種不同的過程,分別是受激吸收 (Sti mulated Absor ption)、自發(fā)輻射 (Spontaneous Emission)和受激輻射(Sti mulated Emission)。三種過程均伴隨著相應(yīng)的能量變化,其結(jié)果之一就是發(fā)光現(xiàn)象。激光的工作原理是基于受激輻射,因此激光也是一種光,具有普通光源所具有的折射、反射等特性。激光的產(chǎn)生需要借助激光器,激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔等三部分組成,其中諧振腔的結(jié)構(gòu)和受激發(fā)射的過程共同決定了激光有別于其他光源的獨特的物理特性,即高方向性、高單色性、高相干性。

所謂高方向性,是指激光的發(fā)散角度小、方向性強、傳播距離遠(yuǎn)、能量損失??；高單色性是指激光的譜線窄、單色性強、便于控制；高相干性是指激光的相位差相對固定,相干性好。

2 激光照明的優(yōu)勢及研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 優(yōu)勢分析

2.1.1 節(jié)能高效

通常我們以光束發(fā)散角的大小來評定光束方向性的好與壞。日常生活中常見的火光、燈泡和日光的光線是發(fā)散的,因此這些光源的方向性都較差。相比之下,激光的發(fā)散角度極小,近似平行光,是高方向性光束。方向性高意味著激光在傳播較遠(yuǎn)的距離后依然能保持很高的亮度,因此光的衰減問題在實際使用中將會得到極大的改善。所謂光的衰減,是指光線隨著傳播距離的增大而逐漸減弱,但其所能照亮的面積與照明距離的平方成正比。正是因為這一現(xiàn)象,導(dǎo)致在實際拍攝工作中,當(dāng)照明燈具遠(yuǎn)距離照射拍攝對象時,在保證照明亮度的前提下,只能增加照明燈具的數(shù)量,或者使用更大功率的燈具,隨之而來的便是工作量的增大和拍攝成本的提高。激光光源的高方向性和高強度,可以有效解決上述光線衰減帶來的問題,提高工作效率。

電費支出是攝制組拍攝需要考慮到的成本之一,尤其是當(dāng)對照明燈具的使用數(shù)量要求較多時,此項開銷的數(shù)目將不容小覷。從各商家給出的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)來看,目前影視照明行業(yè)常用的鹵鎢燈最高發(fā)光率可達28l m/W,金屬鹵化燈最高可達96l m/W,LED最高可達80l m/W。激光燈的發(fā)光效率根據(jù)不同的光轉(zhuǎn)換材料會有所不同,有些材料的理論效率可達498l m/W。雖然目前實際可獲得的轉(zhuǎn)換效率還遠(yuǎn)達不到理論數(shù)值,但是在實驗環(huán)境下得到200 l m/W以上的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)不是太難的事情了。從國內(nèi)外各科研機構(gòu)和高校披露的各項試驗數(shù)據(jù)來看,即使在目前技術(shù)尚不成熟的情況下,激光燈優(yōu)于其他照明燈具的光轉(zhuǎn)換效率已顯露無疑。更高的光轉(zhuǎn)換效率意味著更低的能耗,也就意味著更低的使用成本,這對攝制組來說無疑是利好的事情。

除了電費以外,拍攝過程中還有另外兩項重要的消耗品:燈泡和色紙。

燈泡是傳統(tǒng)照明燈具必不可少的消耗品。通常功率較大的燈泡售價都比較貴,一只18k W的H MI單端燈泡單價高達1.7～1.8萬元,器材租賃公司通常按照1∶1.5～1∶2的比例來為燈具配備燈泡。常用的H MI燈泡官方標(biāo)稱的使用壽命大多在400～500h(主要指功率在2 K以上的燈泡),鹵鎢燈燈泡的官方標(biāo)稱使用壽命大多在300～400h(主要指功率在1 K以上的燈泡),但是在實際使用中,燈泡的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述標(biāo)稱時間。再加上燈泡屬于高度易受損的物品,在長途運輸和更換燈泡的時候,都需要格外小心謹(jǐn)慎。因此,當(dāng)拍攝使用的照明燈具數(shù)量較多時,因燈泡損耗產(chǎn)生的成本費用不論對攝制組還是器材租賃公司來講都是不能忽視的。目前激光二極管的使用壽命都在上萬小時以上,當(dāng)然最終激光光源的使用壽命取決于整個系統(tǒng)的綜合情況,但是相比于現(xiàn)在常用的各類光源,其長使用壽命已經(jīng)無可厚非。

AFK：是英文Away From Keyboard的縮寫，分別由英語“Away”、“From”、“Keyboard”的首字母組成，表示“不在電腦前”。

色紙是拍攝過程中又一項消耗支出。根據(jù)劇組拍攝需求的不同,色紙的需求量各不相同。通常在較大型的拍攝項目中,色紙的消耗成本有時可高達數(shù)十萬元。LED照明光源的普及在一定程度上減少了劇組對色紙的需求量,隨著激光多基色混色技術(shù)的發(fā)展,劇組對色紙的需求將會進一步降低。

2.1.2 激光照明對比LED的優(yōu)勢

LED的效率驟降問題早已不是一個新的議題,但是相關(guān)的研究目前都進入了瓶頸期。效率驟降是指隨著工作電流的增大,LED的光電轉(zhuǎn)換效率在達到一定程度后出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。例如,一只由2個面積均為1 mm的LED芯片組成的2 W的LED燈泡,各通350 mA的電流實現(xiàn)共計700 mA電流的發(fā)光效率。當(dāng)去掉1個芯片,僅用1個芯片工作,且預(yù)期希望得到與之前相同的700 mA電流的發(fā)光效率時,實驗結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)實際發(fā)光效率大大降低。因此,為了保證光源的發(fā)光穩(wěn)定性,在增大電流的方法不可行的情況下,只能通過增加LED照明器件的數(shù)量來提高照明亮度,而這無疑會增加更多的生產(chǎn)成本和加工難度。與LED相比,激光照明技術(shù)不存在效率驟降現(xiàn)象。激光二極管 (LD)在電流超過閾值后,仍有較高的轉(zhuǎn)換效率,保證了光源的高效性和顯色穩(wěn)定性。

圖1 LED和LD轉(zhuǎn)換效率對比[4]

另外從尺寸上來看,LD器件遠(yuǎn)小于LED。LD的器件尺寸約10μm,是1 mm的LED器件尺寸的1/100,更加便于LD器件的集成和加工。眾所周知,影視拍攝中所用照明器材及其附件數(shù)量繁多、體積龐大,燈光部門是攝制組拍攝過程中工作最繁重、辛苦的部門之一。因此如果能減小照明器材的體積或重量,無疑將會節(jié)省布光時間、提高工作效率。

2.1.3 方便可控和高效性

譜線寬度 (簡稱線寬)是衡量一束光線單色性好壞的指標(biāo)。線寬也可以簡單理解為激光的純度,線寬越窄,即激光的純度越高,單色性越好,光線質(zhì)量越佳,也更便于控制。激光是目前已知的線寬最窄的光源,可以近似認(rèn)為是單一頻率的光。與LED光源的工作原理相同,激光光源利用混色原理,同樣可以得到白光和其他任意顏色的光。再結(jié)合照明數(shù)字控制技術(shù),即可實現(xiàn)復(fù)雜多變的控光效果。照明數(shù)字控制,是對一組或多組照明燈具進行遠(yuǎn)距離數(shù)字管理和自動控制的技術(shù),目前已成為很多好萊塢電影制作的標(biāo)準(zhǔn)配置。近年來,隨著國內(nèi)電影工業(yè)的發(fā)展和進步,電影照明控制技術(shù)越來越受到國內(nèi)從業(yè)人員的認(rèn)可和接受。高效集中的控制方式,為攝影師掌控復(fù)雜布光提供了便利的工具,相信在未來的照明控制工作流程中,我們將會看到激光照明系統(tǒng)很好地融入其中。

金屬鹵化燈、鹵鎢燈等常用照明燈具啟動工作時通常需要一定的響應(yīng)時間,才能達到正常工作狀態(tài),因此對于面臨頻繁變換光線的拍攝場景,需要花費一定的時間等待燈具啟動工作,工作效率受到一定影響。從目前的樣品激光燈和激光汽車大燈的響應(yīng)時間 (汽車激光大燈的響應(yīng)時間可達ns級別)來看,相信未來的激光照明系統(tǒng)的啟動時效將不會令人失望。

綜合上述各項分析,我們不難看出激光照明技術(shù)有別于其他照明燈具的高效性、低能耗、小體積、壽命長、易控制等優(yōu)勢,這也是激光照明光源前景為大家普遍看好的重要原因。

2.2 研發(fā)現(xiàn)狀

溫度猝滅現(xiàn)象是指激光在光轉(zhuǎn)換過程中,因短時間內(nèi)產(chǎn)生大量廢熱,導(dǎo)致溫度急速升高,光轉(zhuǎn)換效率急速下降,從而又導(dǎo)致更多熱量集聚,引起激光器件的急速升溫、碳化,帶來毀滅性的破壞。因此想要獲得高流明光源,就需要解決發(fā)光材料的溫度猝滅問題。這也是目前各高校和科研機構(gòu)重點研究的方向。

激光白光光源的合成方式分為兩種:一是激光激發(fā)發(fā)光材料產(chǎn)生的光線與原激光光線混合產(chǎn)生白光；二是多基色激光混色生成白光。第一種方式相對技術(shù)比較成熟,是目前商業(yè)上普遍使用的方法。但是受限于發(fā)光材料的研發(fā)現(xiàn)狀及其與激發(fā)激光匹配度問題,此種方式產(chǎn)生的白光光源顯色指數(shù)相對較差,且存在較為嚴(yán)重的偏色現(xiàn)象,而且轉(zhuǎn)換效率較低。目前實驗可得的最高顯色指數(shù)是95,色溫4000 K。但當(dāng)色溫升高到5200K時,顯色指數(shù)僅有70。多基色激光合成方式產(chǎn)生的白光光源顯色指數(shù)相對較高,色域廣、亮度高,因此是較為理想的獲得白光光源的方式。但是多基色混色產(chǎn)生的激光因能量疊加的效果對人體具有較高的傷害性,因此需要非常精準(zhǔn)的封裝技術(shù)以確保激光不會泄露。另外此種方式的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜,生產(chǎn)控制要求較高,因此目前的研發(fā)暫時處于停滯狀態(tài)。

在激光照明系統(tǒng)的研發(fā)過程中,即使未來溫度猝滅現(xiàn)象得以解決,在設(shè)計大功率照明燈具時,散熱依然是一個需要重點關(guān)注的問題。

最后還有一個需要關(guān)注的問題是激光對人體的危害。當(dāng)視網(wǎng)膜上的能量密度達到15 mJ/c m,即可對人眼產(chǎn)生損害,損害程度從發(fā)紅、短時間失明到永久失明,甚至燒壞視網(wǎng)膜,造成眼底大面積出血。激光對人眼的傷害取決于波長、輸出功率、脈沖寬度和光斑直徑等。目前國際、國內(nèi)都有相關(guān)組織和機構(gòu)就激光應(yīng)用的相關(guān)安全問題制定相對應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

3 激光照明系統(tǒng)的應(yīng)用分析和預(yù)測

3.1 激光照明技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

圖2 汽車激光大燈圖片

激光照明技術(shù)目前應(yīng)用較多的是汽車大燈,走在前沿的是寶馬和奧迪兩家公司。早在2011年,寶馬公司就推出了配備激光大燈的i8概念車。從目前兩家公司披露的數(shù)據(jù)來看,表現(xiàn)更優(yōu)的是寶馬公司。寶馬激光車燈的照射范圍是600 m,亮度是LED的5倍,奧迪激光車燈照射范圍為500 m,亮度是LED的3倍。寶馬激光大燈的LD模組,由3個4 W半導(dǎo)體激光器組成,光通量3200l m(12 W),光電轉(zhuǎn)換效率約為30%,系統(tǒng)整體效率達80l m/W。

除了汽車激光大燈外,目前北京市已有部分街道的照明路燈替換為激光燈,相信在不久的將來,激光照明燈具將會成為人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的事物。

圖3 汽車激光大燈照射范圍示意圖

3.2 未來激光照明技術(shù)的應(yīng)用預(yù)測

光纖傳輸與激光照明相結(jié)合是激光照明系統(tǒng)研發(fā)的一大亮點。激光沿光纖傳輸?shù)哪芰繐p耗幾乎為零,也就意味著激光照明燈具將擺脫普通照明燈具燈頭和鎮(zhèn)流器無法長距離分開工作的現(xiàn)狀,實現(xiàn)更為靈活、便捷的操作方式,從而改變現(xiàn)有的工作流程和思路。

圖4 光纖結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)簡單示意圖

在狹小的拍攝空間范圍內(nèi),如果想實現(xiàn)層次豐富的布光效果,則要在一定程度上限制演員的走位和攝影機的移動范圍,以避免燈具的穿幫。而光纖結(jié)構(gòu)連接的激光照明燈具可將電學(xué)器件部分移出拍攝空間,僅留下光學(xué)器件部分,加之激光在遠(yuǎn)距離傳播的情況下依然可以保持很高的亮度,因此隱藏留下的光學(xué)器件避免穿幫較易實現(xiàn),同時還可以最大限度地保障演員和攝影機的活動范圍。

另外一個可以更好地發(fā)揮光纖結(jié)構(gòu)激光照明系統(tǒng)的應(yīng)用場景是水下拍攝?，F(xiàn)代水下拍攝照明系統(tǒng)雖然已經(jīng)相對成熟,但是仍然有一個不可忽視的問題—— “水中的電”。裸露在水中的電纜在形成一個閉合電路時會在其周圍形成一個電場,該電場在電纜不慎斷裂的情況下會變得非常強大,并向四周散播。水中人員如果不慎接近了該電場,輕則會感受到電擊的刺痛感,重則會出現(xiàn)呼吸困難、肌肉僵硬、心臟震顫以及心跳停止。而如果使用光纖連接的激光照明燈具,則完全可以將電學(xué)部分留在水面上,從而規(guī)避 “水中的電”帶來的風(fēng)險。對光學(xué)部分的防水處理相比電學(xué)部分要簡單很多,從成本控制的角度來講也是十分利好的。除此之外,現(xiàn)代水下照明系統(tǒng)是利用水冷的方式散熱,因此無法離開水面使用或者只能短暫的使用,影響利用率。相對來講,控制激光照明燈具的光學(xué)部分的散熱則較為簡單,可實現(xiàn)水上水下同時使用。

4 結(jié)語

目前的激光照明技術(shù)還不夠成熟,存在著很多需要攻克的難題,但是已經(jīng)顯示出的優(yōu)勢為將來的應(yīng)用前景奠定了良好的基礎(chǔ),眾多行業(yè)一線工作人員也普遍看好這一技術(shù)。國內(nèi)外多家影視照明燈具制造廠商也都在加緊投入研發(fā),以期盡快將產(chǎn)品投放市場。相信隨著激光技術(shù)的關(guān)注度和研發(fā)投入的持續(xù)增加,在不久的將來,激光照明系統(tǒng)將會成為影視拍攝現(xiàn)場重要的組成部分。