文 / [美]卡爾·G·魯林，邁克·伍德 編譯/施 端審校/ 姚涵春

（1．上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

窄頻帶發(fā)射器與顏色顯現(xiàn)的手段

文 / [美]卡爾·G·魯林，邁克·伍德 編譯/施 端1審校/ 姚涵春1

（1．上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

介紹LED燈具作為一種窄頻帶發(fā)射器在顏色顯現(xiàn)方面的特點(diǎn)，及其對(duì)舞臺(tái)燈光應(yīng)用的意義。

LED燈具；顏色顯現(xiàn)；光譜；色質(zhì)

20年前，紐約市歌劇院（New York City Opera）排演的歌劇《摩西與亞倫》①在燈光的作用下展示了一幕幕讓人驚嘆的場(chǎng)景。舞臺(tái)被低壓鈉燈發(fā)出的黃色光渲染，當(dāng)合唱演員穿著街頭服裝奔上舞臺(tái)時(shí)，舞臺(tái)上的一切都呈現(xiàn)出黃色、黃灰色或黑色，基本為單一色彩。隨著面光（前部裝有凸透鏡的白熾光源）的亮起，舞臺(tái)上顯露出多種色彩，比如，雖然舞臺(tái)上的黃色光的強(qiáng)度保持不變，但是一位演員的黑色裙子變成了紅色。燈光設(shè)計(jì)師漢斯·托爾特德（Hans Toelstede）以白熾光源發(fā)出的光為背景，發(fā)揮了熒光燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈與水銀蒸氣放電燈的作用，他除了利用光的色相、飽和度、強(qiáng)度、分布與運(yùn)動(dòng)等常用的手段外，還把顏色顯現(xiàn)作為一種設(shè)計(jì)手段。

托爾特德在舞臺(tái)上應(yīng)用了顯色指數(shù)低的光源，這種設(shè)計(jì)手段確實(shí)與眾不同，但卻不是獨(dú)一無(wú)二的。在馬克斯·凱勒（Max Keller）所著的《戲劇舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)》②一書中，描寫了低壓鈉燈與高壓鈉燈（這里指光源）在舞臺(tái)上的應(yīng)用情況：在一個(gè)描述“工廠車間”的場(chǎng)景里，使用了4光源燈組（four-lamp）、低壓鈉燈（這里指燈具）、敞開式（open-face）燈具，它們都需要一塊20英寸大小的機(jī)械式遮光板來(lái)調(diào)節(jié)明暗。然而，在舞臺(tái)上應(yīng)用這些工業(yè)上使用的氣體放電光源并不那么容易。它們不能瞬間點(diǎn)亮，不能電調(diào)光，為其配置的燈具也不是想象中的聚光燈。此外，它們所能達(dá)到的照明效果也十分有限：低壓鈉燈發(fā)出幾乎單一的黃色光，在顏色顯現(xiàn)方面，它極大地抑制了除黃色以外的其他顏色；高壓鈉燈發(fā)出的光為偏黃的琥珀色（yellow-amber）；水銀蒸氣放電燈發(fā)出白光，但這是一種偏藍(lán)綠色的白光。這些燈具會(huì)給燈光設(shè)計(jì)帶來(lái)很多困擾。如果對(duì)窄頻帶發(fā)射器的選擇僅僅局限于氣體放電光源，那么對(duì)絕大多數(shù)的劇目而言，把顏色顯現(xiàn)作為一種設(shè)計(jì)手段就太困難、太受限制了。

LED也是一種窄頻帶發(fā)射器，如果燈光設(shè)計(jì)師意識(shí)到其獨(dú)特的光譜特性的話，設(shè)計(jì)師可以通過LED燈具的運(yùn)用使顏色顯現(xiàn)作為一種設(shè)計(jì)手段。本文主要講述LED燈具在顏色顯現(xiàn)方面的一些原理與應(yīng)用。

1 人眼對(duì)顏色的知覺

人眼的視網(wǎng)膜中含有兩種感光細(xì)胞：桿體細(xì)胞與錐體細(xì)胞。桿體細(xì)胞在非常暗的條件下起作用，本質(zhì)上它不會(huì)引發(fā)人眼產(chǎn)生顏色知覺。錐體細(xì)胞在光亮的條件下起作用，是顏色感受器。錐體細(xì)胞分成三類，通常稱為L(zhǎng)、M與S（long、medium與short）型，它們具有不同的光譜敏感特性。錐體細(xì)胞的實(shí)際光譜能量吸收曲線與我們通常所說(shuō)的光的三原色不一致，且曲線之間有許多重疊部分，但是視網(wǎng)膜與大腦會(huì)進(jìn)行大量的信號(hào)處理，這提高了人眼對(duì)顏色的分辨能力。

圖1展示的敏感度曲線示意了人眼是如何看見顏色的。比如，波長(zhǎng)為680 nm的純紅色光刺激了L型錐體細(xì)胞，但是對(duì)M型與S型錐體細(xì)胞的刺激幾乎為零。來(lái)自L型錐體細(xì)胞的信號(hào)以及其他錐體細(xì)胞信號(hào)的缺失被大腦解釋成“紅色”。

對(duì)于光譜末端顏色的知覺機(jī)制理解起來(lái)相當(dāng)容易，相比之下，光譜中段的顏色知覺更復(fù)雜、更有趣。例如，低壓鈉燈發(fā)出的黃色光由兩條緊靠在一起的589.0 nm與589.6 nm的波長(zhǎng)組成。它刺激了L型與M型錐體細(xì)胞，然后來(lái)自錐體細(xì)胞的信號(hào)經(jīng)視網(wǎng)膜與大腦的處理后產(chǎn)生“黃色”知覺。然而，同樣的感覺可以由兩個(gè)間隔比較大的波長(zhǎng)來(lái)產(chǎn)生，比如550 nm與630 nm。這種相同的黃色知覺也能由大約以589 nm為中心的波段來(lái)產(chǎn)生，前面提到的《摩西與亞倫》中的面光就屬這種情況。只要L型與M型錐體細(xì)胞的相對(duì)刺激值相同，人眼對(duì)黃色的知覺就會(huì)相同。錐體細(xì)胞不具備發(fā)出其刺激值是任一特定波長(zhǎng)的機(jī)制，它要么發(fā)出刺激信號(hào)要么不發(fā)出。

這套三類錐體細(xì)胞的感色系統(tǒng)能讓我們看見那些不存在單一對(duì)應(yīng)光波長(zhǎng)的顏色，比如品紅色。L型與S型錐體細(xì)胞受到光譜兩端的長(zhǎng)波與短波的刺激，引發(fā)我們看見了這個(gè)顏色，但是幾乎不存在用于刺激M型錐體細(xì)胞的光譜中段的波長(zhǎng)。因此，品紅色濾色片有時(shí)被稱為“減綠色”。

2 同色異譜與同色異譜性質(zhì)遭到破壞

顏色是通過其刺激三類錐體細(xì)胞的數(shù)量即它的三刺激值來(lái)描述的，但是對(duì)于光譜中段的顏色而言，不同的光波長(zhǎng)的組合、不同的光譜能量分布都可以產(chǎn)生一組特定的三刺激值，即一個(gè)特定的顏色?？瓷先ハ嗤珜?shí)際卻具有不同光譜能量分布的顏色被稱為“同色異譜色”。低壓鈉燈發(fā)出的黃色光與《摩西與亞倫》中面光發(fā)出的黃色光就是一個(gè)例子。日常生活中充滿了同色異譜色，可以這么說(shuō)，人眼在任何時(shí)候看到的某個(gè)表面涂覆與染色織物相匹配的顏料的物體，其顏色都是同色異譜色，顏料與染色織物不可能反射完全相同的光譜，它們?cè)谒^的“正?！惫猓ū热纾展?、白熾燈或其他一些通用的白光光源）的照射下，只是看上去相同。

圖1 人眼視網(wǎng)膜中的錐體細(xì)胞對(duì)光譜敏感度的標(biāo)準(zhǔn)分布曲線③

在一種照明條件下呈現(xiàn)相同顏色的兩個(gè)物體，改換到另一種照明條件下卻呈現(xiàn)不同的顏色，這時(shí)同色異譜色性質(zhì)遭到了破壞。在《摩西與亞倫》中，一位演員的裙子與另一位演員的牛仔褲的色彩在低壓鈉燈的照射下是相匹配的，在前部裝有凸透鏡的白熾光源的照射下卻不匹配，這是一個(gè)同色異譜色性質(zhì)遭到破壞的例子，可能很多人不覺得這是“破壞”，而是燈光設(shè)計(jì)師故意制造的燈光效果。然而，同色異譜色性質(zhì)遭到破壞確實(shí)存在不足，如在日光照射下汽車的裝飾材料與顏料相匹配，但在路燈照射下卻不匹配。

在一種照明條件下光源中存在與顏料或染料相匹配的波長(zhǎng)，使其顏色顯現(xiàn)出來(lái)，而在另一種照明條件下不存在這種波長(zhǎng)，這時(shí)同色異譜性質(zhì)遭到了破壞。例如，有一種水鴨色顏料，反射峰值為505 nm的光波段，另一種不同的水鴨色顏料，反射峰值為470 nm與525 nm的光波段。如果用青色或公主藍(lán)色（princess blue）色片過濾的全光譜白光或白熾燈來(lái)照射（即讓一系列的波長(zhǎng)通過，這無(wú)疑覆蓋了470 nm～525 nm以及更多的波長(zhǎng)），這兩種水鴨色看上去相同；如果用LED變色燈具（通過彩色LED來(lái)獲得一系列色光，包括白光在內(nèi)）來(lái)照射這兩種顏料，那么，結(jié)果將難以預(yù)測(cè)。cyan LED的主波長(zhǎng)為505 nm，blue LED與green LED的主波長(zhǎng)分別為470 nm與525 nm。LED變色燈具是否含有cyan LED，會(huì)影響到這兩個(gè)顏料的視覺效果；如果這盞LED燈具漸變到深藍(lán)色，那么，這兩個(gè)顏料呈現(xiàn)出的顏色變化肯定有差異，不是表現(xiàn)在色相上，就是表現(xiàn)在強(qiáng)度上。

我們通過實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明在不同的單色LED混合光源照射下的不同的顏色顯現(xiàn)。為了便于比較，照相機(jī)的白平衡鎖定在“白熾燈”狀態(tài)，不同的照片只有曝光時(shí)間不同，明度與對(duì)比度經(jīng)Photoshop軟件略微調(diào)整，以使它們之間的亮度級(jí)別具有可比性，但是不涉及對(duì)顏色的調(diào)整。樣品是一塊帶有不同顏色條紋的織物，置于一塊純白色投影屏幕前。實(shí)驗(yàn)使用的燈具限定為彩色LED燈具。一些LED變色燈具含有經(jīng)混合后發(fā)出白光的white LED，通常，可以通過在blue LED管芯中加入一種波段較寬的黃色熒光粉的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)出的白光是由blue LED發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉受激發(fā)出的黃光混合而成。與各種單色LED組合使用后混合出的白光相比，它的光譜更加連續(xù)，但是其光譜能量呈不平直分布，而且顏色顯現(xiàn)仍然取決于對(duì)LED與熒光混合物的選擇。因此，技術(shù)性問題幾乎是相同的，但是在經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)化來(lái)的白光的照射下，照片呈現(xiàn)出的顏色顯現(xiàn)的可變性不如另一種方式顯著。

圖2展示了織物在4種光源照射下呈現(xiàn)的不同顏色效果，這4種光源分別為白熾燈、冷白色熒光燈、amber LED與cyan LED（經(jīng)白平衡調(diào)整）、RGB LED（經(jīng)白平衡調(diào)整）。在圖2中，除白熾燈效果照片，其他三張照片都呈現(xiàn)出某種藍(lán)色調(diào)，這是由于照相機(jī)的白平衡為“白熾燈”狀態(tài)，考慮到這4張照片中背景呈現(xiàn)出的白色都相類似，我們暫且認(rèn)可這種情況。那么，在這4張照片中，哪個(gè)光源照射下的物體的顏色顯現(xiàn)比較準(zhǔn)確呢？現(xiàn)比較一下：

（1）初看之下，似乎白熾燈的效果好一些，但是由于它缺少藍(lán)色波長(zhǎng)，因此，對(duì)織物底部的各種粉紅色與品紅色條紋的顯現(xiàn)表現(xiàn)得不好；

（2）熒光燈可以將織物底部的色彩突顯出來(lái)，但對(duì)黃色的顯現(xiàn)表現(xiàn)得不好，而且過分提高了藍(lán)色的飽和度；

（3）從視覺上看，琥珀色與青色的混合光源的效果令人滿意，但是原本黃色、紅色或粉紅色條紋都蒙上了一層琥珀色，而且綠色基本無(wú)法表現(xiàn)出來(lái)；

（4）從總體上看，RGB LED的效果還不錯(cuò)，但是紅色丟失了特有的使人感到溫暖的感覺，給人一種略帶超現(xiàn)實(shí)與卡通的感覺。

圖3展示的是同一織物在青色的同色異譜色燈光下的差異。左圖展示了僅在cyan LED照射下織物呈現(xiàn)的色彩，右圖展示了織物在blue LED與green LED混合光源（經(jīng)調(diào)節(jié)后與前者的色相相匹配）照射下呈現(xiàn)出的色彩?？梢钥吹絻蓮垐D中的白色背景屏幕呈現(xiàn)出的顏色非常類似，盡管顏色顯現(xiàn)不盡相同。在這組照片中，cyan LED使圖像呈現(xiàn)出非常單調(diào)的青色，而blue LED與green LED混合光源使圖像展現(xiàn)出十分豐富的顏色變化，使綠色與藍(lán)色從水鴨色的混沌狀態(tài)顯現(xiàn)出來(lái)。

微量的光波變化可以引發(fā)人眼視覺的變化，如圖4所示，左圖是織物在blue LED與green LED混合光源照射下呈現(xiàn)的色彩，右圖則在同樣的光源基礎(chǔ)上添加了很少量的red LED光，不到其他光的10%。令人驚奇的是，這點(diǎn)微量的紅光使織物的色彩顯現(xiàn)發(fā)生了明顯的變化，將左圖無(wú)法表現(xiàn)的紅色突顯出來(lái)。從白色背景可以看出，這點(diǎn)紅光不足以對(duì)整體色相產(chǎn)生真正的轉(zhuǎn)變，也不足以使兩條明顯的綠色條紋轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈儜?yīng)該呈現(xiàn)的黃色，但是，人的眼睛感受到了那點(diǎn)紅光，使人眼在織物的相應(yīng)位置識(shí)別出不同的色彩。

3 LED與顏色顯現(xiàn)

以上討論并不意味著LED燈具在顏色顯現(xiàn)方面的性能不好，通過這些實(shí)驗(yàn)我們可以了解到，借助對(duì)LED燈具的靈活運(yùn)用，顏色顯現(xiàn)可以成為舞臺(tái)燈光的一種設(shè)計(jì)手段，與氣體放電光源相比，LED燈具的優(yōu)勢(shì)是使用起來(lái)更加方便。設(shè)計(jì)師可以利用它們獲得準(zhǔn)確的顏色顯現(xiàn)，或者營(yíng)造給人壓迫感或夢(mèng)幻感的顏色，或者像托爾特德在《摩西與亞倫》中所做的那樣，利用LED燈具來(lái)抑制顏色。然而，設(shè)計(jì)師應(yīng)該注意，即使不想有意識(shí)地對(duì)顏色顯現(xiàn)進(jìn)行處理，舞臺(tái)上的顏色顯現(xiàn)也會(huì)受LED燈具的影響，采用不同顏色LED的燈具可以發(fā)出相同區(qū)域的白光，并使白色屏幕呈現(xiàn)幾乎相同的顏色，但會(huì)使有色物體顯現(xiàn)出不同的顏色。

就如何產(chǎn)生某一特定顏色的問題，RGB LED燈具沒有為設(shè)計(jì)師提供太多選擇。黃色光可由一定量的red LED與green LED混合而成，然而，不是所有的RGB LED燈具都采用相同的red LED與green LED。為了獲得更漂亮的黃色以及更淡雅的顏色顯現(xiàn)，一些RGB LED燈具沒有采用red LED（625 nm），而是采用了red-orange LED（615 nm）；為了獲得更濃烈的藍(lán)色，一些RGB LED燈具沒有采用blue LED（467 nm），而是采用了royal blue LED（460 nm）。這些燈具設(shè)計(jì)都發(fā)揮了作用，但是使用過不同顏色的LED燈具的設(shè)計(jì)師會(huì)發(fā)現(xiàn)這些光源對(duì)有色物體的顏色顯現(xiàn)不完全相同，即使把發(fā)出的色光投射到白色屏幕上時(shí)，屏幕呈現(xiàn)出相同的顏色。

在燈具中采用4種或更多顏色的LED，使設(shè)計(jì)師把顏色顯現(xiàn)作為一種設(shè)計(jì)手段成為可能。如圖5所示，當(dāng)超出RGB系統(tǒng)能力時(shí)，通常首先添加的顏色是主波長(zhǎng)約為590 nm的琥珀色（amber），以此來(lái)填補(bǔ)主波長(zhǎng)分別為625 nm與525 nm的紅色與綠色之間的一大段間隔?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)師可以通過點(diǎn)亮amber LED或者點(diǎn)亮red LED與green LED，或者點(diǎn)亮所有的LED，并調(diào)節(jié)它們之間的相對(duì)強(qiáng)度，以此來(lái)營(yíng)造黃色效果。燈光設(shè)計(jì)師想要營(yíng)造出任一特定的黃色，可以通過很多不同的方法實(shí)現(xiàn)，但是顏色顯現(xiàn)與這些方法都不同。另外，添加了red-orange LED（615 nm）之后，色光有了更多的選擇，燈光設(shè)計(jì)師花費(fèi)在設(shè)置控制通道上的時(shí)間也增加了。

4 對(duì)控制方式的挑戰(zhàn)

隨著燈具中各種LED顏色數(shù)量的擴(kuò)展，為獲得所需的色相、飽和度與強(qiáng)度（現(xiàn)在還應(yīng)包括color rendering quality，即顏色顯現(xiàn)品質(zhì)），對(duì)控制通道的設(shè)置也變得復(fù)雜起來(lái)。單個(gè)顏色通道為設(shè)計(jì)師提供了非常好的控制，但是就像在預(yù)選控制臺(tái)（preset desk）上通過移動(dòng)推桿來(lái)設(shè)置電腦燈的參數(shù)那樣，操作非常繁瑣。許多先進(jìn)的燈光控制臺(tái)都具有某種顏色選?。╟olor picker）功能，這有助于簡(jiǎn)化LED變色燈具的顏色選取，但是到目前為止這些功能都是讓設(shè)計(jì)師選擇色相、飽和度與強(qiáng)度，尚未見到具有色質(zhì)選?。╟olor quality picker）功能的控制臺(tái)。

圖5 普通LED的相對(duì)光譜能量分布

CRI（顯色指數(shù)）的概念已經(jīng)使用了很久，用它來(lái)描述諸如通用的熒光燈、白熾燈與HID（高強(qiáng)度氣體放電燈）發(fā)出的白光的顏色顯現(xiàn)是相當(dāng)不錯(cuò)的。然而，CRI并不適合用來(lái)描述色光的顏色顯現(xiàn)。相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)希望能將色質(zhì)（color quality）的概念引入專業(yè)燈光領(lǐng)域，關(guān)于顯色指數(shù)與色質(zhì)指數(shù)，已有專門文章探討（見本刊2010年第11期第8頁(yè)、2010年第12期第16頁(yè)——編者注），此處不再贅述。

下一步工作就是要制定出有效的色質(zhì)度量標(biāo)準(zhǔn)。而設(shè)計(jì)師要做的就是利用窄頻帶發(fā)射器發(fā)出的混合光源，為舞臺(tái)演出創(chuàng)造出更豐富的視覺效果。

（本文根據(jù)美國(guó)《PROTOCOL》雜志2010年春季刊《Color rendering: Narrow-band emitters give designers another tool》一文編譯。）

注釋：

①《摩西與亞倫》（Moses und Aron），是阿諾德·勛伯格的一部未完成的三幕歌劇作品，取材自《舊約·出埃及記》。前兩幕創(chuàng)作于1930～1932年。阿諾德·勛伯格（Arnold Schoenberg，1874～1951），美籍奧地利作曲家、音樂教育家和音樂理論家，是20世紀(jì)著名的現(xiàn)代音樂作曲家之一，“表現(xiàn)主義”樂派的主要代表人物。

②《戲劇舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)》，根據(jù)《Light Fantastic：Art and Design of Stage Lighting》翻譯而成，孔慶堯、忻雁譯，上海人民美術(shù)出版社2009年4月出版。

③該圖摘自維基百科《錐體細(xì)胞》（Cone cell）一文。

（編輯 張 淼 張冠華）

Color Rendering: Narrow-Band Emitters Give Designers Another Tool

Original / [USA]Karl G.Ruling, Mike Wood Translate / SHI Duan1Emendate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Features of color rending were introduced for LED lamps and lanterns as narrow brand launcher. Meanwhile, the importance of stage lighting was addressed as well.

LED lamps and lanterns; color rending; spectrum; chromaticness

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.003