陳國義

舞臺燈光設(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，這些知識都顯得有些過時。

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，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來表達(dá)他們想要的顏色，也了解這個顏色在舞臺上的效果。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

LED原色的數(shù)目與燈具的色域之間有直接關(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的光效也會有所降低。熒光轉(zhuǎn)換型LED燈具的另一個優(yōu)勢就是可以解決顏色分級的問題，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保持一致。

1.4? 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LED燈具進(jìn)行有意義的顏色評估時，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，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。每個不同的配色產(chǎn)生一個同色異譜色。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)師提供了一個新的創(chuàng)意工具。

1.5? 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，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、工作時間和散熱條件而變化的燈具。LED燈具本身的一個特點(diǎn)經(jīng)常被稱作“LED燈骯臟的小秘密”。這個秘密就是熱光衰，是指隨著溫度升高，LED燈的發(fā)光效率會下降。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1是一個熱光衰的例子，我們從中可以看到結(jié)點(diǎn)溫度在25℃時，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，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2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，琥珀色的光效降到額定值10%。這對于LED燈具在不同時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燈的亮度和顏色會隨著環(huán)境溫度、冷卻系統(tǒng)和工作時間發(fā)生很大變化。這就是一個LED燈具“好、更好和最好”之間的主要區(qū)別。

2.3? 熱光衰的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

關(guān)于LED燈具，有一個老笑話這樣說：LED燈具設(shè)計(jì)有三個重要的事項(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，要增加驅(qū)動電流，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：

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

b.“不惜代價保持顏色型”——適當(dāng)降低其驅(qū)動電流以保證在一些關(guān)鍵應(yīng)用時能在長時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。

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，用戶可能會有此類疑問：“我今天買的燈和我6個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3是一個有關(guān)色溫分檔的例子。它顯示了LED在制造過程中可能會出現(xiàn)很大的差異，因此，必須要有一個方法來測量并補(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

有兩個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)燈具的非易失存儲芯片中，燈具內(nèi)的軟件算法會保證其在產(chǎn)品壽命內(nèi)能輸出一致的顏色。

4? 顏色控制

4.1? 顏色控制的難點(diǎn)

燈具中原色LED的種類較多時顏色控制就會變得困難。

（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)配會變得乏味且耗時;

（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4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燈具的性能;將一個燈具在彩光時的光效和白光時的光效作比較。

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)師而言是一個關(guān)鍵的性能表現(xiàn)。

（2）LED燈具需要一個復(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亮度變化。

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

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

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

（6）還必須要考慮到功率因數(shù)和諧波失真。如果一個燈具電源的功率因數(shù)很差或是會產(chǎn)生諧波，那么這可能會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，尤其是在將來一個大型場合裝有成百上千臺LED燈時更是如此。

10? 光學(xué)屬性

以下幾個光學(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)也會迅速得到改善。

（選編自第九屆論壇演講稿）