文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1. 上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

Vari-Lite VLX WASH電腦燈（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“VLX”）是一款新型的LED染色燈（見(jiàn)圖1）。本文將展示筆者對(duì)這款燈具進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)試燈具由生產(chǎn)企業(yè)提供。VLX配置有通用電源，其額定電壓范圍為：100 V～240 V、50/60 Hz。對(duì)這款染色燈進(jìn)行測(cè)試時(shí)，該燈均運(yùn)行于115 V、60 Hz的常規(guī)電壓之下。

1 光源及其光學(xué)

光源是這款燈具的關(guān)鍵，我們將比以往的燈具花更多的時(shí)間來(lái)論述光源部分。VLX采用Luminus Devices公司制造的7個(gè)LED模組，每個(gè)模組包含4個(gè)LED模塊，即紅、綠、藍(lán)和白色LED模塊，如圖2所示。每個(gè)模組的總功率通常額定為120 W，這個(gè)額定值是一個(gè)參照值，但更具有指導(dǎo)意義，因?yàn)樗鼙煌粕蚪档?，依?jù)配置的冷卻系統(tǒng)處于何等良好的運(yùn)行狀態(tài)而定。雖然LED確實(shí)具有最大的電流額定值，但通常會(huì)受到溫度因素的制約。如果能維持LED低溫運(yùn)行，就能獲得大功率、高輸出。

Luminus Devices公司專(zhuān)門(mén)研究高光通LED模組的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)適用于演藝產(chǎn)業(yè)、具有優(yōu)良特性的模組。其中有兩個(gè)特性非常重要：第一，將LED芯片直接安裝于熱傳導(dǎo)基板上（常常更冷些），為了達(dá)到最大熱傳導(dǎo)效果，盡可能地減少熱量導(dǎo)入半導(dǎo)體或隔熱層；第二，在中級(jí)制配中，每個(gè)LED芯片被光子晶格層所覆蓋。這個(gè)晶格層就像一系列小光管，可以控制輻射光的光束角度，從通常的180°減小到更易控制、改變的光輸出角，在其中心120°區(qū)域內(nèi)擁有更多的光能（每個(gè)色光的光束角度都改變，而且紅光和白光比藍(lán)、綠光有更大的變化）。Vari-Lite公司聲稱(chēng)，LED具有10000多小時(shí)的長(zhǎng)壽命。Luminus的數(shù)據(jù)表暗示，這是留有余地的估計(jì)數(shù)據(jù)，而獲得更長(zhǎng)的使用壽命是有希望的，雖然其間伴隨著光通量緩慢的減小。

Vari-Lite 公司將這些LED模組安裝在各自的熱擴(kuò)散板上，而后，直接將光輸出導(dǎo)入長(zhǎng)條六角形玻璃集成棒或光管中，光管被封裝在防護(hù)鋁管里，如圖3所示。實(shí)際情況是，Luminus Devices LED的窄出射角能進(jìn)入發(fā)射；當(dāng)芯片的出射角被減小到與充分導(dǎo)入玻璃棒所需要的那個(gè)角度很接近時(shí)，致使進(jìn)入玻璃棒內(nèi)的所有光束都在TIR（全內(nèi)反射）角內(nèi)，并在棒內(nèi)來(lái)回反射而幾乎沒(méi)有任何光損失。在光管內(nèi)的這些反射有助于均勻所有4色模塊的光輸出，以構(gòu)成均勻一致的色彩光束。在集成玻璃棒（光管）的每一個(gè)光管的另一端是一個(gè)鏡深很大的組合式拋物線(xiàn)狀聚光型反光鏡，如圖4所示，反光鏡通過(guò)模壓塑料菲涅耳透鏡來(lái)收集和聚合這個(gè)被均勻了的光束，菲涅耳透鏡覆蓋反光鏡，并產(chǎn)生出光斑角約22°的光束。圖5顯示了這些反光鏡，每一個(gè)反光鏡都配置了相對(duì)應(yīng)的光輸出透鏡。

2 熱管理

LED光源成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于良好的熱管理。LED對(duì)溫度非常敏感，使LED保持在80℃之下時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)最好。當(dāng)然，溫度更低些，會(huì)運(yùn)行得更好。在這款燈具中， Vari-Lite公司已將來(lái)自L(fǎng)ED和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的1000 W以上的熱能排出燈體，這不是一件容易的事情。LED所在的銅制熱擴(kuò)散器實(shí)際上是熱收集器，是熱管和散熱系統(tǒng)的結(jié)合體。從圖6中可以看到，每個(gè)銅制部件有3個(gè)熱管。通過(guò)它將產(chǎn)自L(fǎng)ED的熱能傳送掉，并傳入7個(gè)翼型散熱器中。其中6個(gè)散熱器被安裝成環(huán)形，圍繞著燈具的外緣，第7個(gè)散熱器恰好被安裝在燈具中央的鋼板上。6個(gè)外圍散熱器有各自的風(fēng)扇，使強(qiáng)勁空氣流經(jīng)散熱片。這還不是散熱設(shè)計(jì)的全部，如圖7所顯示，還有第二個(gè)由更傳統(tǒng)的鋁制翼型散熱器形成的內(nèi)環(huán)，該裝置位于風(fēng)扇的后側(cè)，風(fēng)扇又與主要的熱擴(kuò)散器鋼板相連接，而圓盤(pán)對(duì)于所有7個(gè)LED模組是共有的。風(fēng)扇將空氣從一個(gè)散熱器吸出，而后再將它從另一個(gè)散熱器推出。通過(guò)燈具尾部的大出氣孔，可以看見(jiàn)燈具后蓋上的熱管理系統(tǒng)，如圖8所示。

這個(gè)復(fù)雜的散熱系統(tǒng)有成效嗎？筆者在自己工作間里運(yùn)行這款燈具很長(zhǎng)時(shí)間，恒溫調(diào)控的風(fēng)扇使一切都保持在平穩(wěn)運(yùn)行之中。LED光輸出對(duì)溫度十分敏感，而紅色LED最為敏感，如果燈具不能為此采取有效措施的話(huà)，那么，它的紅光輸出量將不成比例地提升和降低，當(dāng)溫度變化時(shí)，色彩混合效果會(huì)發(fā)生改變。Vari-Lite公司通過(guò)測(cè)量溫度和相應(yīng)地調(diào)整，對(duì)這種變化做些補(bǔ)償，使所有色彩協(xié)同調(diào)整，并保持色彩混合效果恒定不變。在筆者的測(cè)試中，從冷啟動(dòng)到熱平衡狀態(tài)，其光輸出的降低僅僅是百分之幾，這表明了VLX 的溫度管理相當(dāng)良好。

3 光學(xué)

我們已經(jīng)討論過(guò)VLX光源的光學(xué)構(gòu)成，它產(chǎn)生出光源本體的窄光束。VLX還配備可調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)，安裝在光源的透鏡之后。Vari-Lite公司把這個(gè)系統(tǒng)稱(chēng)為光束擴(kuò)散器，它采用兩個(gè)相鄰的透鏡圓盤(pán)，通過(guò)3個(gè)小型線(xiàn)性傳動(dòng)的步進(jìn)馬達(dá)，可以調(diào)節(jié)兩者之間的距離。其中一個(gè)圓盤(pán)擁有凹透鏡陣列，而另一個(gè)則擁有與之相匹配的凸透鏡陣列。當(dāng)兩個(gè)圓盤(pán)被推近時(shí)，凹透鏡與凸透鏡排成一列，有效地抵消了凹、凸透鏡兩個(gè)器件的光學(xué)特性，所以，它們的組合對(duì)光束不產(chǎn)生單一器件的光學(xué)作用。然而，在開(kāi)始分離兩個(gè)圓盤(pán)時(shí)，凹凸透鏡之間的空氣間隙擴(kuò)展、拉大，而它們每一個(gè)間隙都起著透鏡的功用，產(chǎn)生擴(kuò)束的光學(xué)效果。兩個(gè)圓盤(pán)分得越開(kāi)，其光束也越寬大。圖9顯示了兩個(gè)圓盤(pán)彌合在一起的側(cè)視圖（左）和分開(kāi)時(shí)的側(cè)視圖（右）。圓盤(pán)可移動(dòng)的距離雖然不大，但引發(fā)的光斑角的變化卻不小。光斑角變化范圍23°～57°，放大率約為2.5倍。圖10顯示的是燈具的前視圖，此時(shí)光束擴(kuò)散器被合攏。在這個(gè)圖像中能看到的每個(gè)小方格實(shí)際上是一對(duì)相互套合起來(lái)的凹凸透鏡。

4 光輸出

用戶(hù)未必真正地關(guān)注Vari-Lite公司如何實(shí)施熱管理，但該公司依舊把熱管理做得很好，以致光持續(xù)不斷地從燈具前端發(fā)送出來(lái)。然而，光輸出有多大呢？光的質(zhì)量又如何呢？在4色LED光源一起滿(mǎn)額運(yùn)行時(shí)，筆者測(cè)得光輸出為13 120 lm，此時(shí)光束的窄光斑角為22.6°；而在寬光斑角57.2°時(shí)，測(cè)得光輸出有所下降，約為11 700 lm。這是筆者迄今測(cè)試過(guò)的LED燈具的最高光輸出。所有通道滿(mǎn)額運(yùn)行所混合產(chǎn)生的光色稍稍偏綠色，其色度坐標(biāo)相當(dāng)偏離黑體輻射軌跡。這個(gè)色溫的變化很明顯，但筆者用儀器尚不能測(cè)量出相關(guān)數(shù)據(jù)。雖然如此，通過(guò)減小綠色和藍(lán)色通道的量值，筆者也能混合得到5 600 K的白光，盡可能地接近了黑體輻射軌跡。在這種混合狀態(tài)，其光輸出會(huì)降低到上述量值的90%，這個(gè)量值仍屬很高的光輸出了。

圖11和圖12顯示寬光斑角和窄光斑角時(shí)的光束分布圖，圖中各條曲線(xiàn)都很平滑柔順，而且非常合用。有趣的是，窄光斑角比寬光斑角擁有更為平坦的光分布——光束擴(kuò)散器的光學(xué)功用，這一點(diǎn)很重要。在圖13和圖14中可以看到由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)攝取的模擬色彩照片所表示的光束分布狀態(tài)，圖13是窄光斑角時(shí)的光分布狀況，它顯示光斑中央?yún)^(qū)域的光分布非常均衡，而圖14所顯示的寬光斑角的光分布表明它呈現(xiàn)峰值型光分布，在小于20英尺的近射距時(shí)，其色彩的均勻性也很好。在混合中，有可能看到光斑稍帶環(huán)狀紅色的鑲邊，但是，這是很微小的，筆者認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，這一點(diǎn)很難察覺(jué)。在遠(yuǎn)射距時(shí)，它被融合在一起，一點(diǎn)兒也不會(huì)產(chǎn)生有色暗影的現(xiàn)象。

此前，我們?cè)谄渌鸏ED燈具測(cè)試時(shí)了解到，很多企業(yè)都在進(jìn)行4色LED通道之間功率均衡的研究，Vari-Lite公司也是如此，該公司力求每個(gè)色彩混合的光輸出達(dá)到最大化，同時(shí)不會(huì)超出燈具熱管理的總能力。當(dāng)藍(lán)色通道擁有最低流明效率時(shí)，筆者將藍(lán)色通道減小50%，即可增加光輸出。此時(shí)，藍(lán)色LED削減了的電能將由其他更高效率的LED所共享，因此，總光輸出會(huì)提升約6%。

5 調(diào)光

圖15是VLX在4色LED滿(mǎn)額運(yùn)行混合時(shí)的調(diào)光曲線(xiàn)和在單一色彩LED運(yùn)行時(shí)的調(diào)光曲線(xiàn)，表明該燈的調(diào)光按平方定律模式運(yùn)行。這條曲線(xiàn)極佳，調(diào)光質(zhì)量非常好。Vari-Lite公司做了了不起的工作，提供平滑的調(diào)光，同時(shí)又維持色彩混合均勻一致。通常，在調(diào)光曲線(xiàn)的末端，從最后10%到切光，調(diào)光特別困難，實(shí)際上也難以做得很好。該燈采用16 bit調(diào)光模式，筆者發(fā)覺(jué)調(diào)光曲線(xiàn)上任何區(qū)位都沒(méi)有階梯式變化，甚至在以非常低的速度調(diào)光時(shí)，也沒(méi)有發(fā)生這種不良現(xiàn)象。VLX也提供頻閃模式，筆者測(cè)得頻閃范圍為0～47 Hz。筆者不能確定，如此快速的頻閃在實(shí)際工作中會(huì)有怎樣的應(yīng)用，這或許能為使用者提供一些新的設(shè)計(jì)思路。

6 色彩系統(tǒng)

以上的光輸出測(cè)量是針對(duì)白光的，而RGBW LED燈具真正注重的是產(chǎn)生色光。VLX能混合產(chǎn)生實(shí)用的RGB色域內(nèi)的大量色彩。盡管白光通道無(wú)助于擴(kuò)展這個(gè)可用的色域，但是它既填補(bǔ)了可見(jiàn)光譜中的波段間隙，又有助于產(chǎn)生許多低飽和度的色彩。在以往的燈具測(cè)試中，筆者發(fā)現(xiàn)RGB色彩混合范圍有一小小的限制，然而，VLX針對(duì)這種限制進(jìn)行了出色的工作。圖16表明所有LED滿(mǎn)額運(yùn)行時(shí)輻射光的光譜分布，圖17和圖18分別表示RGB和白光的光譜分布。表1列出了VLX幾種主要色彩的光輸出與白光總光輸出相比的百分比。

前文提到，Vari-Lite公司正運(yùn)用動(dòng)態(tài)功率均衡技術(shù)，以使各色光輸出總是能達(dá)到最大化，這也解釋了這些數(shù)值為什么并不顯現(xiàn)出相互累計(jì)等于白光總量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在以往的燈具測(cè)試中，筆者一般會(huì)提供LED燈具驅(qū)動(dòng)器的PWM頻率，但是這次難以提供VLX的相應(yīng)測(cè)量值，因?yàn)樵摕艟唢@然采用了一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，以柔滑調(diào)光性能。其主頻率約為1 500 Hz，此頻率很高，足以避免視頻系統(tǒng)的任何混淆頻閃現(xiàn)象。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的光分布系統(tǒng)十分可靠，它對(duì)光輸出相當(dāng)敏感。

表1 幾種主要色彩的光輸出與白光總光輸出相比的百分比

7 水平與垂直旋轉(zhuǎn)

VLX具有水平560°和垂直270°的旋轉(zhuǎn)范圍。全程水平旋轉(zhuǎn)需時(shí)5.72 s，具有代表的180°旋轉(zhuǎn)需時(shí)4 s；垂直全程旋轉(zhuǎn)需時(shí)2.7 s，180°旋轉(zhuǎn)需時(shí)2.4 s。水平和垂直復(fù)位精度約為0.8°，即在10 m射距處偏離約為130 mm。水平和垂直旋轉(zhuǎn)精度稍微有點(diǎn)差別：水平約有1.2°過(guò)量，而后又在1 s～2 s內(nèi)復(fù)位；垂直幾乎沒(méi)有過(guò)量，但是出現(xiàn)稍微糟糕的滯后現(xiàn)象。筆者推測(cè)，這是施加在兩個(gè)軸上的不同阻尼和平衡所產(chǎn)生的結(jié)果。

水平和垂直都采用配置有編碼器和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三相馬達(dá)。以最快速度的運(yùn)轉(zhuǎn)是平穩(wěn)的，但是以最慢速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則呈現(xiàn)一些較小的搖擺。對(duì)于染色燈，這一點(diǎn)是無(wú)關(guān)緊要的。

8 噪音

VLX總共安裝了8個(gè)風(fēng)扇，其中6個(gè)風(fēng)扇安裝在搖頭中，用作LED冷卻；而另2個(gè)風(fēng)扇安裝在機(jī)座中，用作電源冷卻。一切都是為了溫度的調(diào)控，按通常方式，風(fēng)扇將隨熱負(fù)荷量而加速或減速。表2為筆者在所有器件都滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)測(cè)得的噪音水平。

按通常的模式滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，風(fēng)扇的噪音是相當(dāng)高的，但是用戶(hù)也可以在配置的菜單中選擇靜音模式，此時(shí)最大功率將受到制約。在靜音模式中，筆者測(cè)得最大光輸出下降了30%，而來(lái)自風(fēng)扇的噪音則降低了8 dB（A），即從48 dB（A）降至40 dB（A），這個(gè)變化非常有實(shí)際意義。

9 電子參數(shù)

VLX配置有自適應(yīng)電源（100 V～240 V、50/60 Hz）,按通常模式，在4色LED通道滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，該燈耗費(fèi)電流11.2 A、功率1 290 W。

從通電或從DMX512控制通道發(fā)出重置命令算起，初始化時(shí)間是45 s。VLX在重置過(guò)程中表現(xiàn)良好，在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)之前會(huì)先行切光，在重置程序完成之前，它不再打開(kāi)并發(fā)出光線(xiàn)。

表2 在所有器件都滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)測(cè)得的噪音水平

10 電子設(shè)備與控制

電子設(shè)備被分配安裝在燈具的各個(gè)部位。電源安裝在機(jī)座中；用作3個(gè)馬達(dá)系統(tǒng)——水平、垂直和光束擴(kuò)散器的驅(qū)動(dòng)器裝置于燈弓臂內(nèi)；7塊LED驅(qū)動(dòng)電路板圍繞著LED及其光管被安裝成一圈。每個(gè)LED模組都有驅(qū)動(dòng)器，它們看來(lái)似乎不會(huì)同時(shí)運(yùn)行（這進(jìn)一步干擾了筆者測(cè)量PWM頻率的嘗試）。那些LED驅(qū)動(dòng)器在高功率和高頻率狀態(tài)運(yùn)作，它們被金屬網(wǎng)所包圍以屏蔽電磁干擾（EMI）。VLX提供LED顯示和菜單系統(tǒng)，它提供通用的燈具功能和圖形的選擇范圍。用作DMX512數(shù)據(jù)的電源和5針XLR進(jìn)入機(jī)座兩側(cè)的連接通道。

11 結(jié)構(gòu)

VLX的結(jié)構(gòu)采用鋼底架、塑注模蓋板和用作機(jī)座的一對(duì)大型的鋁壓鑄件（部分考慮了強(qiáng)度，部分考慮了電源的散熱）的組合結(jié)構(gòu)。打開(kāi)蓋板可直接進(jìn)入該燈的基本結(jié)構(gòu)，固定用戶(hù)需要定期打開(kāi)蓋板以進(jìn)行日常性的維護(hù)和清潔工作（磁性螺絲刀對(duì)重新安裝是必不可少的）。筆者認(rèn)為，散熱器的窄小散熱片需要清潔，清除表面上的污垢，以避免阻礙冷卻系統(tǒng)的工作。然而，Vari-Lite公司的工作人員告訴筆者，如果這種情況確實(shí)發(fā)生了，該燈就會(huì)稍稍減速以保持安全運(yùn)行狀態(tài)。水平和垂直旋轉(zhuǎn)都裝配有鎖定推壓式開(kāi)關(guān)，用來(lái)鎖定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

通過(guò)本文，我們已初步了解了這款新型的LED燈具——Vari-Lite VLX染色電腦燈，它非常有趣，業(yè)已進(jìn)入專(zhuān)業(yè)LED照明產(chǎn)品的采購(gòu)目錄。VLX提供了不亞于現(xiàn)有傳統(tǒng)電腦燈的光通量，完全經(jīng)得起與后者功能上的逐項(xiàng)比較。白光與采用傳統(tǒng)光源的電腦燈相比，效率或許是低了一些，但是，在色光方面，尤其是高飽和度色光的光效率，它表現(xiàn)得非常優(yōu)秀。相信用戶(hù)在實(shí)際使用中還能不斷探索出VLX的更多優(yōu)點(diǎn)。