解析Vari-Lite VLX WASH電腦燈

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1. 上海戲劇學院，上海 200040）

Vari-Lite VLX WASH電腦燈（以下簡稱“VLX”）是一款新型的LED染色燈（見圖1）。本文將展示筆者對這款燈具進行的各項試驗，測試燈具由生產企業提供。VLX配置有通用電源，其額定電壓范圍為：100 V～240 V、50/60 Hz。對這款染色燈進行測試時，該燈均運行于115 V、60 Hz的常規電壓之下。

1 光源及其光學

光源是這款燈具的關鍵，我們將比以往的燈具花更多的時間來論述光源部分。VLX采用Luminus Devices公司制造的7個LED模組，每個模組包含4個LED模塊，即紅、綠、藍和白色LED模塊，如圖2所示。每個模組的總功率通常額定為120 W，這個額定值是一個參照值，但更具有指導意義，因為它能被推升或降低，依據配置的冷卻系統處于何等良好的運行狀態而定。雖然LED確實具有最大的電流額定值，但通常會受到溫度因素的制約。如果能維持LED低溫運行，就能獲得大功率、高輸出。

Luminus Devices公司專門研究高光通LED模組的開發應用，開發適用于演藝產業、具有優良特性的模組。其中有兩個特性非常重要：第一，將LED芯片直接安裝于熱傳導基板上（常常更冷些），為了達到最大熱傳導效果，盡可能地減少熱量導入半導體或隔熱層；第二，在中級制配中，每個LED芯片被光子晶格層所覆蓋。這個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°區域內擁有更多的光能（每個色光的光束角度都改變，而且紅光和白光比藍、綠光有更大的變化）。Vari-Lite公司聲稱，LED具有10000多小時的長壽命。Luminus的數據表暗示，這是留有余地的估計數據，而獲得更長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散板上，而后，直接將光輸出導入長條六角形玻璃集成棒或光管中，光管被封裝在防護鋁管里，如圖3所示。實際情況是，Luminus Devices LED的窄出射角能進入發射；當芯片的出射角被減小到與充分導入玻璃棒所需要的那個角度很接近時，致使進入玻璃棒內的所有光束都在TIR（全內反射）角內，并在棒內來回反射而幾乎沒有任何光損失。在光管內的這些反射有助于均勻所有4色模塊的光輸出，以構成均勻一致的色彩光束。在集成玻璃棒（光管）的每一個光管的另一端是一個鏡深很大的組合式拋物線狀聚光型反光鏡，如圖4所示，反光鏡通過模壓塑料菲涅耳透鏡來收集和聚合這個被均勻了的光束，菲涅耳透鏡覆蓋反光鏡，并產生出光斑角約22°的光束。圖5顯示了這些反光鏡，每一個反光鏡都配置了相對應的光輸出透鏡。

2 熱管理

LED光源成功應用的關鍵在于良好的熱管理。LED對溫度非常敏感，使LED保持在80℃之下時，其運行狀態最好。當然，溫度更低些，會運行得更好。在這款燈具中， Vari-Lite公司已將來自LED和驅動馬達的1000 W以上的熱能排出燈體，這不是一件容易的事情。LED所在的銅制熱擴散器實際上是熱收集器，是熱管和散熱系統的結合體。從圖6中可以看到，每個銅制部件有3個熱管。通過它將產自LED的熱能傳送掉，并傳入7個翼型散熱器中。其中6個散熱器被安裝成環形，圍繞著燈具的外緣，第7個散熱器恰好被安裝在燈具中央的鋼板上。6個外圍散熱器有各自的風扇，使強勁空氣流經散熱片。這還不是散熱設計的全部，如圖7所顯示，還有第二個由更傳統的鋁制翼型散熱器形成的內環，該裝置位于風扇的后側，風扇又與主要的熱擴散器鋼板相連接，而圓盤對于所有7個LED模組是共有的。風扇將空氣從一個散熱器吸出，而后再將它從另一個散熱器推出。通過燈具尾部的大出氣孔，可以看見燈具后蓋上的熱管理系統，如圖8所示。

這個復雜的散熱系統有成效嗎？筆者在自己工作間里運行這款燈具很長時間，恒溫調控的風扇使一切都保持在平穩運行之中。LED光輸出對溫度十分敏感，而紅色LED最為敏感，如果燈具不能為此采取有效措施的話，那么，它的紅光輸出量將不成比例地提升和降低，當溫度變化時，色彩混合效果會發生改變。Vari-Lite公司通過測量溫度和相應地調整，對這種變化做些補償，使所有色彩協同調整，并保持色彩混合效果恒定不變。在筆者的測試中，從冷啟動到熱平衡狀態，其光輸出的降低僅僅是百分之幾，這表明了VLX 的溫度管理相當良好。

3 光學

我們已經討論過VLX光源的光學構成，它產生出光源本體的窄光束。VLX還配備可調的光學系統，安裝在光源的透鏡之后。Vari-Lite公司把這個系統稱為光束擴散器，它采用兩個相鄰的透鏡圓盤，通過3個小型線性傳動的步進馬達，可以調節兩者之間的距離。其中一個圓盤擁有凹透鏡陣列，而另一個則擁有與之相匹配的凸透鏡陣列。當兩個圓盤被推近時，凹透鏡與凸透鏡排成一列，有效地抵消了凹、凸透鏡兩個器件的光學特性，所以，它們的組合對光束不產生單一器件的光學作用。然而，在開始分離兩個圓盤時，凹凸透鏡之間的空氣間隙擴展、拉大，而它們每一個間隙都起著透鏡的功用，產生擴束的光學效果。兩個圓盤分得越開，其光束也越寬大。圖9顯示了兩個圓盤彌合在一起的側視圖（左）和分開時的側視圖（右）。圓盤可移動的距離雖然不大，但引發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，此時光束擴散器被合攏。在這個圖像中能看到的每個小方格實際上是一對相互套合起來的凹凸透鏡。

4 光輸出

用戶未必真正地關注Vari-Lite公司如何實施熱管理，但該公司依舊把熱管理做得很好，以致光持續不斷地從燈具前端發送出來。然而，光輸出有多大呢？光的質量又如何呢？在4色LED光源一起滿額運行時，筆者測得光輸出為13 120 lm，此時光束的窄光斑角為22.6°；而在寬光斑角57.2°時，測得光輸出有所下降，約為11 700 lm。這是筆者迄今測試過的LED燈具的最高光輸出。所有通道滿額運行所混合產生的光色稍稍偏綠色，其色度坐標相當偏離黑體輻射軌跡。這個色溫的變化很明顯，但筆者用儀器尚不能測量出相關數據。雖然如此，通過減小綠色和藍色通道的量值，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，其光輸出會降低到上述量值的90%，這個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的光束分布圖，圖中各條曲線都很平滑柔順，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——光束擴散器的光學功用，這一點很重要。在圖13和圖14中可以看到由網絡攝像機攝取的模擬色彩照片所表示的光束分布狀態，圖13是窄光斑角時的光分布狀況，它顯示光斑中央區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峰值型光分布，在小于20英尺的近射距時，其色彩的均勻性也很好。在混合中，有可能看到光斑稍帶環狀紅色的鑲邊，但是，這是很微小的，筆者認為，在實際應用中，這一點很難察覺。在遠射距時，它被融合在一起，一點兒也不會產生有色暗影的現象。

此前，我們在其他LED燈具測試時了解到，很多企業都在進行4色LED通道之間功率均衡的研究，Vari-Lite公司也是如此，該公司力求每個色彩混合的光輸出達到最大化，同時不會超出燈具熱管理的總能力。當藍色通道擁有最低流明效率時，筆者將藍色通道減小50%，即可增加光輸出。此時，藍色LED削減了的電能將由其他更高效率的LED所共享，因此，總光輸出會提升約6%。

5 調光

圖15是VLX在4色LED滿額運行混合時的調光曲線和在單一色彩LED運行時的調光曲線，表明該燈的調光按平方定律模式運行。這條曲線極佳，調光質量非常好。Vari-Lite公司做了了不起的工作，提供平滑的調光，同時又維持色彩混合均勻一致。通常，在調光曲線的末端，從最后10%到切光，調光特別困難，實際上也難以做得很好。該燈采用16 bit調光模式，筆者發覺調光曲線上任何區位都沒有階梯式變化，甚至在以非常低的速度調光時，也沒有發生這種不良現象。VLX也提供頻閃模式，筆者測得頻閃范圍為0～47 Hz。筆者不能確定，如此快速的頻閃在實際工作中會有怎樣的應用，這或許能為使用者提供一些新的設計思路。

6 色彩系統

以上的光輸出測量是針對白光的，而RGBW LED燈具真正注重的是產生色光。VLX能混合產生實用的RGB色域內的大量色彩。盡管白光通道無助于擴展這個可用的色域，但是它既填補了可見光譜中的波段間隙，又有助于產生許多低飽和度的色彩。在以往的燈具測試中，筆者發現RGB色彩混合范圍有一小小的限制，然而，VLX針對這種限制進行了出色的工作。圖16表明所有LED滿額運行時輻射光的光譜分布，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公司正運用動態功率均衡技術，以使各色光輸出總是能達到最大化，這也解釋了這些數值為什么并不顯現出相互累計等于白光總量的對應關系。

在以往的燈具測試中，筆者一般會提供LED燈具驅動器的PWM頻率，但是這次難以提供VLX的相應測量值，因為該燈具顯然采用了一些相當復雜的系統，以柔滑調光性能。其主頻率約為1 500 Hz，此頻率很高，足以避免視頻系統的任何混淆頻閃現象。這個網絡攝像機的光分布系統十分可靠，它對光輸出相當敏感。

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

VLX具有水平560°和垂直270°的旋轉范圍。全程水平旋轉需時5.72 s，具有代表的180°旋轉需時4 s；垂直全程旋轉需時2.7 s，180°旋轉需時2.4 s。水平和垂直復位精度約為0.8°，即在10 m射距處偏離約為130 mm。水平和垂直旋轉精度稍微有點差別：水平約有1.2°過量，而后又在1 s～2 s內復位；垂直幾乎沒有過量，但是出現稍微糟糕的滯后現象。筆者推測，這是施加在兩個軸上的不同阻尼和平衡所產生的結果。

水平和垂直都采用配置有編碼器和皮帶傳動機構的三相馬達。以最快速度的運轉是平穩的，但是以最慢速度運轉時，則呈現一些較小的搖擺。對于染色燈，這一點是無關緊要的。

8 噪音

VLX總共安裝了8個風扇，其中6個風扇安裝在搖頭中，用作LED冷卻；而另2個風扇安裝在機座中，用作電源冷卻。一切都是為了溫度的調控，按通常方式，風扇將隨熱負荷量而加速或減速。表2為筆者在所有器件都滿功率運行時測得的噪音水平。

按通常的模式滿負荷運作時，風扇的噪音是相當高的，但是用戶也可以在配置的菜單中選擇靜音模式，此時最大功率將受到制約。在靜音模式中，筆者測得最大光輸出下降了30%，而來自風扇的噪音則降低了8 dB（A），即從48 dB（A）降至40 dB（A），這個變化非常有實際意義。

9 電子參數

VLX配置有自適應電源（100 V～240 V、50/60 Hz）,按通常模式，在4色LED通道滿負荷運行時，該燈耗費電流11.2 A、功率1 290 W。

從通電或從DMX512控制通道發出重置命令算起，初始化時間是45 s。VLX在重置過程中表現良好，在開始運轉之前會先行切光，在重置程序完成之前，它不再打開并發出光線。

表2 在所有器件都滿功率運行時測得的噪音水平

10 電子設備與控制

電子設備被分配安裝在燈具的各個部位。電源安裝在機座中；用作3個馬達系統——水平、垂直和光束擴散器的驅動器裝置于燈弓臂內；7塊LED驅動電路板圍繞著LED及其光管被安裝成一圈。每個LED模組都有驅動器，它們看來似乎不會同時運行（這進一步干擾了筆者測量PWM頻率的嘗試）。那些LED驅動器在高功率和高頻率狀態運作，它們被金屬網所包圍以屏蔽電磁干擾（EMI）。VLX提供LED顯示和菜單系統，它提供通用的燈具功能和圖形的選擇范圍。用作DMX512數據的電源和5針XLR進入機座兩側的連接通道。

11 結構

VLX的結構采用鋼底架、塑注模蓋板和用作機座的一對大型的鋁壓鑄件（部分考慮了強度，部分考慮了電源的散熱）的組合結構。打開蓋板可直接進入該燈的基本結構，固定用戶需要定期打開蓋板以進行日常性的維護和清潔工作（磁性螺絲刀對重新安裝是必不可少的）。筆者認為，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，如果這種情況確實發生了，該燈就會稍稍減速以保持安全運行狀態。水平和垂直旋轉都裝配有鎖定推壓式開關，用來鎖定傳動機構。

通過本文，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，業已進入專業LED照明產品的采購目錄。VLX提供了不亞于現有傳統電腦燈的光通量，完全經得起與后者功能上的逐項比較。白光與采用傳統光源的電腦燈相比，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，它表現得非常優秀。相信用戶在實際使用中還能不斷探索出VLX的更多優點。