淺談演播室LED燈光系統的設計

王京池

（中央電視臺 技術制作中心制作部，北京 100859）

LED照明燈具在其他領域的應用已經有多年的歷史，但在電視演播室中使用則處于剛剛起步的階段。目前燈具功率還不能做得很大，還只能應用于中小型演播室（400 m2以下），然而，如何針對LED燈具與傳統燈具的區別，如何面對LED燈具與其他燈具在電視演播室使用上的巨大差異，設計出可以全部采用LED燈具照明的綠色節能演播室，是所有電視燈光工作者共同關心的問題。為了敘述方便，本文暫將“全部采用LED燈具照明的電視演播室”稱為“全LED燈具演播室”。

1 LED電視燈具的發展與照明燈具的形成

2004年， LED筒子燈（PAR燈，見圖1）開始在國內專業展會上出現， LED開啟了電視燈光的新領域。雖然，這只是LED作為電視燈具的開始，但已經彰顯出LED將從單純的顯示設備向舞美裝飾裝潢、舞臺效果燈，以及各類照明設備的方向發展的跡象。

隨著LED筒子燈在電視演播室作為效果燈使用，各種各樣的用于電視節目制作的LED效果燈如雨后春筍般發展起來。從2008北京奧運會開閉幕式，到國慶60周年慶典晚會，再到第十一屆全運會開閉幕式，以及這兩年的中央電視臺春節晚會，LED效果燈的應用達到了一個高峰。隨著LED技術的進一步成熟，LED電視燈具在設計開發應用中也取得了很大的進展， 2009年，在專業展會中出現了1 000 W的LED圖案電腦燈。

隨著LED光源發光效率的大幅提升，以及燈具制作工藝水平的提高，在北京奧運會的國外電視轉播中和國內的一些專業展會上，出現了專門用于電視照明的燈具。這種燈具已經可以替代傳統的專門用于新聞類節目照明的三基色冷光燈。可以說，LED電視照明燈具已經從單純的效果照明，進入到人物照明領域。

2009年5月，在“第18屆中國國際專業音響·燈光·樂器及技術展覽會”上，一款真正意義上的LED聚光燈出現，吸引了廣大專業人士的眼球。這種燈具具有10°～60°的光束角變化，聚光效果良好，其功能完全能夠替代傳統的影視聚光燈，只是功率稍低，一些功能需要完善，如遮扉、桿控功能等。這款燈具的出現使電視演播室照明全部采用LED燈具的設想成為可能。很快，形式多樣的LED燈具紛紛涌入市場。

2 LED電視照明燈具的特點

2.1 LED的優勢

（1）綠色節能

由于LED是冷光源，半導體材料對環境沒有任何污染，在同樣亮度下，理論上LED耗電量僅為普通白熾燈的1/10、熒光燈管的1/2。如果用LED取代我國目前傳統民用照明的50%，每年我國節省的電量就相當于一個三峽電站發電量的總和，其節能效益十分可觀。這也符合“節能減排”實現“低碳經濟”的要求。

表1 不同光源的照明燈具的參數比較

（2）燈具發光效能高

LED的光效能夠達到每瓦數百流明，比傳統光源高出很多，由LED做光源制成的LED燈具的光效自然也會很高。由于LED 光源的半空間發光的特點，使得LED 燈具的光通量輸出可以做到很高。又由于LED的冷光特性，使得燈體、燈具的光學系統，可使用非玻璃制品，做成特殊形狀，以利于光線的充分利用。表1列出了電視照明常用的三種不同光源照明燈具的參數比較。

（3）輻射熱量少

LED光源發出的光線是單一的顏色，幾乎不含有紅外熱輻射，白光LED的光譜成分中幾乎不存在紅外線（見圖2）。與傳統的鹵鎢燈相比，LED屬于冷光源。LED在小電流下，溫升不明顯。但是，若環境溫度較高，LED的主波長就會發生小的偏移，亮度會下降，發光均勻性、一致性會變差。尤其是點陣的大功率模塊溫升對LED的可靠性、穩定性影響更為顯著。所以，LED的散熱設計也很關鍵。

雖說發光效率越來越高，但目前LED 芯片還不可能將電能全部轉換為光能，有很大一部分還是以熱能的形式釋放出來，因此，它的發熱量還很大，在做成大功率燈具時遇到了困難。現階段正在努力解決的課題之一就是“散熱”。如果不采取恰當的散熱措施，LED 芯片的溫度就會過高，導致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發光效率的降低和壽命的縮短。LED 最具優勢的性能就是“長壽命”，為了不影響這一指標，就需要設法將芯片上產生的熱量散出去。改善LED 的發熱問題是攻克大功率照明燈具的關鍵。

（4）體積小

由于LED的發光效率高和光線的可控性能好，燈具效率可以做到很高，在達到同樣的照度要求下，其燈具相對于傳統的電視燈具可以做得很小。另外，由于目前單個發光體的功率不能做大，可以根據不同的要求，將LED組合成不同的發光模塊，以提升燈具整體的發光效能。燈具設計師可根據照明對象和光通量的需求，決定燈具光學系統的形狀、LED的數目和功率的大小；也可以將若干個LED發光管組合設計成點光源、環形光源或面光源的“二次光源”，根據組合成的“二次光源”來設計燈具。

（5）色溫可調

LED照明燈具不僅能取代白光照明，而且還能實現調節色溫的功能。色溫數值范圍即能做到在2 900 K～6 000 K之間可調，也可以根據需要制成固定色溫（如3 200 K或5 600 K）的燈具。傳統燈具只能進行調光功能，LED照明燈具可調節白光色溫，為電視燈光藝術效果的創作提供了一種新的手段。

（6）不需要傳統的調光器

LED的亮度調光是通過改變LED的導通時間來改變亮度的，單位時間內LED的導通時間越長，亮度越高。實際應用中是通過改變占空比來控制的。LED燈具都采用數字信號DMX512協議控制亮度調光，不需要傳統的可控硅調光器，并且它的調光性能好，調光變化時光源的色溫基本保持不變，這一點比傳統燈具有很大優勢。燈具的控制也和控制電腦效果燈一樣方便，大大簡化了燈光控制系統。

2.2 有待改善之處

（1）顯色指數需要提高

近幾年，LED白光的顯色指數已經有了很大的提高，目前已經達到90以上，已經接近鹵鎢燈的指數，但還需要進一步提高，以使電視節目制作要求的膚色還原效果更為理想。顯色指數與光譜成分有關，越接近自然光譜（或者說是標準光譜），顯色指數越高。要改善，那就要添加原來缺少的光譜成分。現在的LED多采用芯片發藍光加發黃光的熒光粉獲得白光，其光譜與自然光譜（或者說是標準光譜）差異較大，所以，顯色性稍差。但是，隨著電視照明燈具的大量使用，高顯色指數LED光源的研發已經得到廣泛關注，相信高顯色性的LED照明燈具就在眼前。

（2）價格較高

目前LED的價格仍然很高，這是其進入電視照明的障礙之一，但成本近幾年下降得非常快。以1 W LED光源為例，2008年春的價格是2006年春的價格三分之一，2009年春已降至2006年的四分之一。最近一年下降的幅度也很大。用LED替換白熾燈泡的價位漸漸被消費者接受。過去LED價格昂貴的主要原因是其制造專利大都控制在日本廠商手里，而且，他們不愿意對外授權這些制造專利，從而導致LED的供應商至今只有屈指可數的幾家。不過，這些專利的失效期已到，相信中國大陸和臺灣地區將會很快出現大量LED制造商，并進一步快速拉低LED的售價。

（3）單燈功率較小

由于大功率散熱問題難以解決，目前LED白光照明的單燈功率相對較低，因此，只適合在中小演播室使用，要真正用于大型綜藝類節目的遠距離基礎照明，還有待于制作工藝水平和LED發光效率的進一步提高。

3 用于演播室的LED燈具基本形式

根據傳統電視燈具的具體使用情況，在中小型演播室（特別是400 m2以下的演播室）一般采用1 000 W/2 000 W影視聚光燈和4×55 W/6×55 W三基色柔光燈。因此，在建立全LED燈具電視演播室時，我們首要考慮的是能夠替代上述兩種燈具的LED燈，即LED聚光燈和LED柔光燈。

3.1 LED聚光燈

LED聚光燈具是隨著LED光源發光效率和工藝水平的提高，最新開發出來的，真正意義上的影視聚光燈，出現在2009年5月。后來許多廠家積極開發LED聚光燈，出現了許多品種。

LED聚光燈和傳統聚光燈一樣，具有10°～60°的光束角變化，聚光效果良好。其功能完全能夠替代傳統的影視聚光燈，只是功率比較低，目前只有100 W和200 W兩種規格。但隨著技術水平的不斷提高，更大功率的燈具一定會相繼出現。

與傳統聚光燈相比，LED聚光燈不需要可控硅調光系統，色溫還能夠根據需要調整。100 W的光效與傳統鹵鎢燈1 000 W的基本相當。一些燈具沿襲了傳統的專業鹵鎢菲涅耳透鏡聚光燈的設計理念和使用方法（見圖3），配合高功率密度的LED模組和高效的非球面聚光系統，具備聚光燈的調焦系統、遮扉等功能。

LED聚光燈與鹵鎢聚光燈相比較，具有以下顯著的特點：

（1）采用高顯色指數LED作為發光元件；

（2）固體發光器件，壽命長達50 000 h，是新一代綠色環保光源；

（3）高功率密度的LED模組和高效的非球面聚光系統，燈具光效高，比傳統鹵鎢聚光燈節能90%；

（4）內置DMX512信號解碼和PWM調光電源，亮度調節范圍：0～100%；

（5）沿襲了傳統聚光燈的設計理念和使用方法，燈光師使用駕輕就熟。

影響LED聚光燈向大功率發展的主要障礙是光源光效、面光源（大功率LED光源單元為平面結構）的點聚和光源散熱問題等。

3.2 LED柔光燈

近幾年，隨著LED光源發光效率的大幅提升，以及燈具制作工藝水平的提高，可以替代傳統的專門用于人物照明的三基色冷光燈的LED柔光燈進入到電視演播室照明領域。

LED平板柔光燈（見圖4）一般采用高顯色指數小功率LED作為發光元件，形成大面積矩陣發光形式，具有光效高、顯色性好、眩光值低和壽命長等諸多優點。完全能夠替代傳統的三基色冷光燈。

LED平板柔光燈與傳統的三基色冷光燈相比較，具有以下顯著的特點：

（1）采用高顯色指數LED作為發光元件；

（2）LED光源為固體發光器件，壽命長達50 000 h；

（3）利用小功率LED形成面光源照明，配以高透光率柔光板，光輸出柔和、均勻，無紅外線、紫外線；

（4）配有光柵、柔光片，使光照無眩光，不刺眼；

（5）燈具光效高，比傳統三基色熒光燈節能50%；

（6）采用DMX512信號控制和本地控制兩種方式控制亮度和色溫，亮度調節范圍0～100%。

（7）色溫可以是固定的3 200 K或5 600 K，也可以是可調節的，范圍在2 700 K～6 000 K之間。

4 LED照明燈具對傳統電視演播室燈光系統的影響

LED照明燈具的應用對電視演播室燈光系統會產生革命性的變化。在提倡舞臺節能、綠色照明的大環境下，LED燈具節能的特點，能夠把電視燈光用電降到很低的水平，使其在影視舞臺照明的應用前景更加光明。歸結起來，有以下幾點。

（1）配電系統的變化

在電視臺整個用電系統中，電視演播室燈光的用電量占相當大的比重。例如，每年的中央電視臺春節聯歡晚會，使用傳統燈具用電量在1 000 kW左右，如果用節電80%的LED照明燈具來替代，其結果可想而知。由此帶來的還有配電機房的減小或取消，節省了燈光機房的占用面積。

（2）取消調光立柜

LED燈具的調光控制采用的是DMX512通訊協議，可通過調光臺DMX512輸出口直接控制燈具的亮暗。這樣一來，在演播室使用了幾十年用來控制鹵鎢燈具的、且對演播室其他設備造成干擾的、不得已而使用的可控硅調光技術將退出歷史舞臺，剛剛起步的正弦波調光在電視臺也沒了市場，調光立柜隨之取消，專門的調光機房也就可以挪作他用。

（3）空調系統的變化

過去電視演播室內的空調系統主要是為燈光設備設置的，這樣說一點也不過分。傳統的鹵鎢燈泡消耗的電能有很大一部分要轉化為紅外輻射，因此，在演播室內要產生大量的熱量。如果沒有空調系統的及時排熱，演播室內在數十上百盞燈具的產生的高溫使人無法正常工作。而LED幾乎不產生紅外熱輻射，雖然LED燈具還存在散熱問題，但由于其發光效率高等特點，使得采用LED照明燈具的電視演播室環境溫度會大大降低，因而，可以取消設在電視演播室的空調系統或降低其功率。

（4）增大演播室空間

根據傳統電視演播室的高度要求，須給空調風筒留出很大空間，如果采用LED照明燈具，省去了巨大的換風系統，演播室的高度可以減低許多，演播室的有效使用面積也會得到擴充，能提高演播室的空間利用率。

（5）綜合布線的變化

現代電視演播室的綜合布線系統的主要部分是電力布線。考慮到使用方便和安全因素，燈具電源線纜一般采用3×6 mm2阻燃電纜，且需要“一路一線”方式（調光原因），還需要經過很多連線接口。例如一個設置500路的演播室，如果每路長度30 m，就需要15 000 m電纜線。且不說價格因素，其敷設難度也不小。采用LED照明燈具后用電量大大降低，使用的線纜自然要變細，或者采用多個燈具使用一條線的供電方式，使得演播室電力布線簡單容易，會大大降低安裝成本和運行成本。

（6）燈具一次性投入較大，但總體成本并不高

LED照明燈具的價格與鹵鎢燈具相比還很高，這使得電視演播室的燈具一次性資金投入會變大，但考慮到配電系統、調光系統等因素的簡化或取消，綜合起來也不會增加太多。另外，LED照明燈具的長壽命，使得演播室的運行維護成本會大大降低。

5 全LED燈具演播室設計要點

根據LED燈具的特點，全LED燈具演播室的設計除了滿足傳統演播室的一些基本要求（如雙路供電、演區垂直照度等）外，還有其獨特的一些設計內容。

5.1 演播室高度

關于傳統演播室設備層高度的經驗值，由于使用LED燈具而失去意義。與以前的傳統燈具比，LED燈具體積較小，這樣一來，燈具的運動空間比以前有所增加；LED熱輻射的明顯減少，可以減少空調的送風量，在一些小型演播室甚至可以不用專業空調，從而省出了安裝空調的高度空間，使得演播室的高度利用率大幅提高。如果專業設計師計算出演播室空調所占用的高度，在建設全LED燈具演播室時就可以降低高度，原先高10 m的演播室至少可降低2 m，進而增加整個建筑的使用率。

5.2 空調設施

演播室空調的配置容量（送風量）是根據演播室燈光的用電量乘以一個固定參數得到的。因此，隨著LED燈具用電量的大幅減少（能減少50%～80%），空調的配置容量也能夠大幅減少。容量的減少自然對空調設施的要求減低，從而減少空調資金的投入，包括空調機房的減少或取消，空調設備的減少及購置費的降低，空調能源損耗的降低等等。

5.3 配電設施

電視臺的用電大戶是燈光配電系統，而LED燈具的最大優勢在于其節電。因此，全LED燈具演播室的建立能為電視臺節省大量電力資源，除了節約電費支出外，演播室建設前期的投入，如配電站、電纜、配電柜、配電閘、箱等等一系列與燈光配電有關的設施，都將大大簡化甚至取消。

以一個250 m2演播室為例，使用傳統鹵鎢燈具，一般燈光配電在150 kW左右，屬于大負荷電力配置。如果采用LED燈具，按節能70%計算，只需要45 kW，就只能屬于一般電力配置。節約效果明顯可見。

5.4 調光設備

LED燈具與傳統燈具非常重要的區別是采用低壓直流供電模式，可以很方便地用DMX512信號完成電子調光。

這樣一來，傳統的可控硅調光方式就完成了其歷史使命，原來演播室那種繁瑣的由調光臺和調光立柜組成調光控制系統，也會由電腦效果燈控制系統所代替。原來的兩套控制系統合二為一，取消功能單一的調光臺，由一臺電腦效果燈控制臺完成整個演播室燈光系統的控制，既可減少控制設備的成本投入，也可取消專設的調光控制機房，簡化演播室的運行操作程序和人員配置。

目前普遍采用的DMX512通訊協議和分布式、模塊化的計算機網絡技術控制系統，向上：基于以太網的TCP/IP方式； 向下：標準DMX512 / 1990信號。通過這種方式就能夠完成LED燈具的調光控制。

有些演播室為了燈具直通電源開關的方便，和沿襲過去的使用習慣，特意設計了一種由DMX512信號控制的智能配電柜為LED燈具提供電源，這也是一種不錯的選擇。

5.5 綜合布線

LED燈具的使用統一了燈光的控制系統，同時，簡化了演播室的綜合布線；燈具的大量節電，使得電源線纜的數量減少或線徑變細，還可采用一線多燈的供電方式。因此，LED燈具能夠大大減少演播室綜合布線的成本投入，降低綜合布線的工程難度。但為了使用的方便，實際工作中應盡量提供多的使用點，多設置燈具電源插座和控制信號接口。

5.6 燈具選擇

在中小型演播室中可以采用LED光源燈具。大型演播室因投光距離較遠，目前還不能完全用LED燈具照明，但可以采用混合燈具方式，對照度要求不高的區域（例如觀眾區等）采用LED燈具照明。

LED燈具應選用光效高、光斑質量好、無明顯色差、光束效果好、無明顯畸變的燈具。光源色溫可根據要求采用固定模式和可調模式兩種：固定模式3 050 K±150 K或5 600 K±200 K；可調模式：2 000 K～6 000 K可調。光源顯色指數Ra≥85（連續光譜）。

（1）聚光燈技術要求：

a.燈具散熱良好,連續工作LED溫升＜35℃，在垂直使用時也能良好工作；

b.燈具采用DMX512信號調光，符合DMX512-A燈光控制數據傳輸協議要求；

c.燈具要求具有良好的調光一致性和光源色溫的一致性；

d.燈具帶有遮扉裝置,遮擋時不能出現光影重疊現象；

e.燈具不能出現明顯的漏光現象；

f.燈具饋入電源220 V～240 V，額定功率不小于100 W；輸出光斑在3 m處光斑直徑為1m時，平均照度不小于1 500 lx；

g.交錯式通風口不能有雜散光；

h.燈具的水平、俯仰運動采用手動或桿調控方式，調焦采用手動或桿控或電動調控方式，調節機構應平滑連續、精度高、定位準確；

i.燈具光束角范圍為10°～60°；

j.燈具噪聲應該滿足演播室環境噪聲要求；

k.燈具安全性能應達到相關部門的安全認證標準。

（2）平板柔光燈技術要求：

a.燈具散熱良好，連續工作LED溫升＜35℃；

b.燈具要求光場均勻，光線柔和,無明顯眩光，用作面光時不能刺眼；

c.燈具采用DMX512信號調光；符合DMX512-A燈光控制數據傳輸協議要求；

d.燈具要求具有良好的調光一致性和光源色溫的一致性；

e.燈具的水平、俯仰運動采用手動或桿調控方式，調節機構應平滑連續，定位準確；

f.燈具不能出現明顯的漏光現象；

g.燈具噪聲演播室環境噪聲要求；

h.燈具饋入電源220 V～240 V交流電，額定功率不小于100 W，燈具在3 m處照度不小于800 lx；

i.每臺燈具配備遮光格柵一套；

j.燈具安全性能應達到相關部門的安全認證標準。

LED照明燈具在電視演播室的應用目前剛剛處于起步階段，上述內容是筆者根據收集的資料和以往建設傳統演播室的經驗所進行的初步探討，有些概念可能會被今后的實踐證明存在不妥之處，但建設綠色節能全LED燈具演播室的趨勢是無可質疑的。LED照明燈具在電視演播室推廣使用，必將為電視燈光系統產生一次革命性的變化。可以相信半導體技術以其特有的優勢高歌猛進，21世紀就是LED蓬勃發展的時代。