質量還是數量——固態光源在演藝燈光行業的應用

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1.上海戲劇學院，上海 200040）

近年來，LED和其他形式的固態照明（SSL）正日益受到人們的歡迎，人們認為它們比傳統光源更節能、更省電。

那么，事實果真如此嗎？我們是否準備為了節能而犧牲照明的質量呢？對于辦公和家用照明，我們的選擇也許會不盡相同。那么演藝燈光呢——劇院是要追求燈光的質量還是數量呢？

1 固態照明概況及LED、等離子體光源的特點比較

1.1 歷史概況和前景

圖1描述了量產白光LED光源的歷史光效和預測2009年之后的光效。這張曲線圖應該可以讓人們不再懷疑LED是否為顛覆性技術。真正的問題不是固態照明光源能不能主宰照明領域，而是它什么時候做到這一點。

當然，圖1過分簡化了實際情形，它僅對白光做了研究，并且只限于普通照明。但是對于演藝燈光行業來說，此曲線圖無疑也是相似的，只是時間線也許會稍有延遲。

如圖2，當單獨將LED的光輸出數據繪制成一個縱向的圖表時，就會得到Haitz定律①。此處顯示過去40年間，LED的光輸出每隔10年就提高20倍，而同期LED的價格只下降了10倍。目前的預測顯示，在接下來的10年間，光輸出會超過這條曲線而價格的下降則會略微滯后。

1.2 白光LED對光效提升的預計

除了劇院用戶外，全球大多數用戶只會關注白光，所以關于LED的大部分可用數據都是指白光。如果我們將圖表只限制于白光，那么目前對LED光效提升的預計如圖3所示。

本圖中隱含著非常重要的一點：請注意頂部，據試驗研究，這條曲線不可能一直上升。看上去在接下來的5年間光效數值大約會停止在250 lm/W。為什么會這樣呢？

圖1 各種光源光效的變遷及LED光效的預測曲線（數據引自美國能源部）

LED在接近光效的理論極限值。一旦實現這一點，每注入一個電子，LED就會釋放一個光子，即達到了可能的最佳狀態——100%的量子效率。現在的LED量子效率已接近80%并且將很快達到90%，這真是相當了不起！

值得注意的一點是，光源數據中，顯色指數（CRI）只有70或80，相對較低。戲劇燈光人員能否接受這些數值呢？目前用于電腦燈尚能接受，但是當將LED光源用于臉部和皮膚色調的主光源時，又是否能接受呢？

1.3 等離子體光源（LEP）的工作原理和優點

最近出現的另一種光源——等離子體光源，被認為有諸多的優點。圖4顯示了等離子體光源組件的構成及工作原理。在小小的石英泡殼內填充類似于金屬鹵化物燈（HID燈的一種）內所含有的氣體和鹽類（金屬鹵化物）的混合物。但是與高強度氣體放電燈（HID）不同，這些氣體和鹽類（金屬鹵化物）不是被電弧激活的，而是將小石英泡安置于由射頻源驅動的陶瓷諧振腔中心，并施加以高頻微波電磁場。這樣在很小的空間內就能產生大量的能量并伴以強電場，進而導致氣體分子的能量激勵后產生高溫和化學物質的氣化，從而形成等離子體。

表1 白光LED和等離子體光源技術參數對比

無電極和無密封口使得等離子體光源相對于HID燈具有一定的優勢。等離子體光源在非常高的電壓下工作，輻射出寬泛的光譜線，從而能有光譜連續性更好的光輸出。形如膠囊的石英泡體積又很小，這也使它們具有一些光學優勢。

那么，等離子體光源和LED光源相比如何呢？

1.4 LED光源和等離子體光源比較

1.4.1 性能比較

表1從光效、顯色性和使用壽命三個方面對白光LED和等離子體光源進行了比較。

光效：LED光源符合Haitz定律，且正在迅速獲得比等離子體光源高得多的光效。盡管等離子體光源的光效也會得到提高，但和LED光源之間的差距注定是越來越大的。

顯色性：目前等離子體光源的顯色性較好。但改良的熒光劑和色彩混合技術能否使LED光源在這方面迎頭趕上還未可知。

使用壽命：LED標定的是50 000 h，也就是5年，目前我們還不知道這是真是假。

1.4.2 光譜分布比較

圖5為兩種光源的光譜分布對此，從中可見，等離子體光源和使用熒光劑的白光LED光源都將能量很好地分布在可見光譜范圍內。等離子體光源目前在這方面的數據要優于LED光源，但LED光源還會進一步得到改善。

1.4.3 目前未解決的問題

我們也許還能就技術指標的其他方面進行比較。

光提取和光耦合對兩個系統來說都是非常關鍵的問題。我們都知道它們產生了多少光，但實際可用的又有多少呢？這對LED光源來說一直是個問題。但是最近的以全內反射（total internal ref ection，簡稱TIR）為基礎的基本光學技術使這方面得到很大的改善。等離子體光源盡管是小光源，卻存在無法在燈后面放置反光鏡的問題，而其對熱的要求又意味著很難在其前面放置全內反射（TIR）透鏡。

LED光源和等離子體光源都使用了相對復雜的電子元器件來驅動光源。但筆者認為等離子體光源使用的系統卻要比LED光源復雜得多、未知得多。下一代的等離子體光源將會使用手機的頻率，這樣會更容易制造出更加便宜和可靠的電子元器件。

就目前可用的產品而言，筆者個人認為LED光源用于演藝燈具比等離子體光源有更好的機會。盡管由于科技發展變化非常迅速，這種情況在將來也許會發生改變。

1.4.4 預測未來照明燈具的光效

未來10年，采用上述光源的照明燈具（而不只是實驗用的燈具）在光效方面會有何發展呢？

表2 實際燈具光效的預測

表2預測了未來10年燈具的光效。圖表的最后一欄顯示，到2020年，市場上的實際照明燈具真正的光輸出功效或許將達到150 lm/W。這比今天的任何數據都高3倍以上。可以肯定，演藝燈具將向固態照明方向挺進。我們別無選擇。惟一的問題就是這一改變會有多快。

2 為什么光度測量儀不適用于LED光源

眾所周知，光度的測量并不是絕對的。以勒克斯（lx）、英尺燭光（ftc）或流明（lm）為光度單位的光輸出讀數都是依據標準人眼對光度的理論反應，而這些數據都是統計學意義上的而不是物理意義上的。例如，一盞燈無論放射出多少紅外線或紫外線區域的能量，人的肉眼都看不到。那么按照定義它的光輸出就是零。一個紅外或紫外光源只有以瓦（W）計算的能量輸出卻沒有以流明計算的光輸出。然而，我們所有的數據和所有的光度測量儀主要依據的前提就是光源的光譜是連續的，即類似于來自白熾燈光或太陽的光線。尤其是，太陽光是人類最適應的光線。根據定義，太陽就是完美的標準光源，并且所有的光度測量儀都是用它（或其他的黑體）作為對照的。

當我們用同樣的光度測量儀測量光譜不連續的光源時，這些儀表經常是失效的。但大多數的光度測量儀用戶并不了解這一點，并依然相信儀器而不是相信自己的眼睛。

下面探究一下光度測量儀對LED光源不起作用的原因，并尋找解決的辦法。

2.1 關于明視覺視見函數曲線

圖6為國際照明委員會（CIE）于1924年繪制的國際公認的明視覺視見函數或V(λ)曲線，相信大家一定都熟悉這條曲線。這條曲線主要是由一些大學生調研統計推導出來的，隨后被國際照明委員會（CIE）發布為國際標準。它反映了人眼在光線充足的條件下對不同波長光的正常反應水平。基本上所有的光度測量儀都是比照這一曲線制造的，所以應該都是好用的。

然而，Wyszecki和Stiles兩人合作的光度學與色度學巨著《顏色科學》對于這條曲線卻這樣寫道：

“標準明視覺視見函數基于來自不同資源的光度數據的奇妙組合，并通過不同的研究方法獲得。在紫色光譜部分以相差10倍之多的不同調研數據的平均值來確定它的函數值這一事實也舉證說明了該函數的不確定性。該視見函數嚴重低估了人眼對光譜短波的敏感性。”

2.2 對紅綠藍LED、白光LED、藍光LED的觀察

需要特別指出，國際照明委員會（CIE）于1924年繪制的明視覺視見函數曲線及以其為標準制造的大多數光度測量儀十分符合常規（連續光譜）光源的應用，且不同儀器的測量結果差別僅為很小的百分之幾。這對幾乎不含藍光和紫光的連續光譜的白熾光源來說都沒有問題。圖7為橢球聚光燈的光譜分布。

圖8為橢球聚光燈的光譜分布與明視覺V（λ）曲線，從中可以看到白熾燈泡的能量輻射很多在V（λ）曲線范圍內，特別是藍光部分，它們的分布曲線非常相似。

2.2.1 RGB（紅綠藍）LED

對LED來說不是如此。這是一個典型的RGB（紅綠藍）LED燈具的光譜，其紅、綠、藍分別有不同的峰值，如圖9所示。

藍光LED的峰值正是V（λ）曲線漸漸消失的地方。因此這個藍光光譜曲線尾部的波形十分重要，如圖10所示。

2.2.2 白光LED

圖11顯示的是一個有藍光LED芯片外加黃色熒光粉的白光LED的光輸出。同樣，藍光光譜曲線尾部的波形也十分重要。

這個光譜的藍光光譜曲線末尾部分和V（λ）曲線有著很大的不同，如圖12所示。

2.2.3 藍光LED

一個既無綠光也無紅光的單獨的藍光LED光譜分布如圖13所示。

藍光LED的光輸出基本上沒有符合標準V（λ）曲線的，特別是峰值為450 nm的寶藍色LED，如圖14所示。

2.3 傳統光度計測量藍光LED產生誤差的原因及修正嘗試

2.3.1 產生誤差的原因

對于只有很窄波段發射器的光譜不連續光源，傳統的光度測量儀會怎樣顯示？我們眼睛又有什么樣的感覺?下面對一系列的測量儀進行檢驗。

圖15所示為3種光度測量儀。它們雖然價格有差異，但一般用于正常測量時的偏差非常小。開始測試時，筆者使用美能達T-1光度測量儀來測量一種RGB LED燈具的全部光輸出，很快注意到讀數比預想的要低很多。開始筆者懷疑測量儀電池沒電了，就換了電池，但讀數依然沒有改變。接下來筆者又用另外兩個測量儀進行測試。3個測量儀給出的數據差距很大，最大的讀數比最小的讀數大4倍。這是什么原因呢？

光譜中有高組分藍光的任何光譜不連續的光源接受光度測試時都會或多或少出現這類問題。同樣的問題還會出現在剛果藍濾色片上。剛果藍在舞臺上看起來總是比樣品本上顯示的指數要更亮。并且給我們眼睛的感覺也比光度測量儀上顯示的更亮。

筆者對這一想法進行了驗證。方法是在一個標準的舞臺橢球成像燈前放置剛果藍濾色片并測量透過色片的光輸出。果然，在一次測試中，華儀電子光度測量儀讀數為8 lx，美能達T-1測量儀讀數為13 lx，而最便宜的測量儀讀數為120 lx。憑筆者眼睛的觀察來講，120 lx這個讀數最接近真實光度。

這些測量儀校準的細小差異會導致在測量藍光波長的光源時讀數出現巨大差別。如果仔細看一下藍/紫光區域的響應曲線，我們就會明白原因。如圖16所示，在這里展示了5條曲線，藍色曲線是基于CIE在1924年明視覺V（λ）曲線繪制的，紅色曲線是基于2005年的實驗數據繪制的，而綠色和紫色曲線則是根據筆者的兩個光度測量儀的數據繪制的。仔細看一下寶石藍LED光源的450 nm波長就會發現，美能達T-1測量儀（點D）在450 nm波長時的實際讀數要比CIE曲線（點C）略低，因此給出的數據約是現代研究預測（點A）的1/5。華儀電子光度測量儀在測量450 nm波長時的數據（點B）略好一些，但測量480 nm附近稍長的波長時的表現就不行了。這和筆者在工作室觀察到的頗為吻合，并且也解釋了測量的不同，理論和實際十分吻合。

然而，即使測量儀都統一校準，他們的讀數仍會比我們觀察的感覺要低。CIE認識到了這個問題，并于1988年發布了圖中用藍色虛線表示的曲線，這條曲線被稱為Judd修正線。并略微提高了460 nm波長以下的響應曲線，這一步的方向很正確，但筆者認為力度還不夠大。

也許圖17中的這條紅色曲線會更好，但問題在于現在所有的光度測量儀都是依據CIE1924年發布的明視覺V（λ）曲線校訂的，轉換到一條新的正確的曲線并非易事。每一個光度測量儀都得要重新校準或者被替換掉，現實點講，這在近期內是不可能實現的。

在使用了80年后，我們不得不適應CIE 1924年的明視覺V（λ）曲線，但我們這樣做時應加以小心并了解相關知識。使用基于CIE曲線的光度測量儀測量較窄波段的光發射器時，如一個飽和色彩的LED特別是深藍色時需要注意。它們的波長是否足夠長（一般大于480 nm）以跳出那個危險波段區域呢？要記住這些光度測量是要模擬人眼反應的，如果你的眼睛看一束光很亮，但測量儀的顯示不是如此，那么就信任你的眼睛。

2.3.2 修正嘗試

不久前，筆者試著計算了一個理論濾色片看起來會如何，這個濾色片應能夠修正筆者的光度測量儀從而對藍光有更好的反應。如圖18所示，這條綠色曲線顯示了這張濾色片也許會是這樣的：它有著大量藍光透射，而在光譜的其余部分透射量小且曲線幾乎趨于平坦。翻閱樣品本，筆者能找到與其最接近的就是Rosco 371“Theatre Booster 1”（在比照一個白熾光源重新校準了測量儀后），筆者在這個測量儀上進行了驗證，得到了更好的RGB LED數據，且明顯更接近我們眼睛的感覺了。筆者并不建議大家這樣做，這是不規范的做法，并且這樣還大大降低了測量儀的靈敏度，但這是一個有趣的實驗。

3 為什么色度測量儀不適應LED

光度并不是測量這些窄波段光源時遇到的惟一問題，另一個容易混淆并且測量結果和我們眼睛感覺不一致的問題是色度。下面通過實驗分析為什么LED比其它的光源更容易遭受這些影響。

3.1 一系列顯色實驗和比較

首先，通過圖11那個標準白熾光源的光譜分布曲線，可以看到這條曲線是連續的，并且其能量在各個波長區域都有所分布，從藍色到紅色都沒有間隔或尖峰。

將白熾光源的光譜分布曲線和圖19中RGBA（紅綠藍琥珀色）LED光源的光譜分布曲線作比較，你會看到這四個顏色各有一個明顯的窄尖峰，且他們之間有明顯的間隔，所以說有許多波長都缺失了。

即使我們觀察一個白光LED時也會發現有波長缺失。這個白光LED由一個藍光LED芯片和廣譜的黃色熒光劑組合而成。這兩者輻射出的藍光和黃光混合起來看上去是白色，但實際上在藍綠色波段有很多的缺失。它比起RGBA LED組合的光譜更連續，但仍舊沒有白熾光源的光譜完整（參見圖11）。

運用這些不同的光源混合白光，會得到非常不同的結果。圖20顯示了四種不同的光源照亮同一物體時的結果。四種光源分別為：白熾光源（Incandescent）、冷白色熒光燈（Fluorescent）、琥珀色與青色LED均衡混合的白光（Amber & Cyan），以及紅綠藍LED均衡混合的白光（RGB）。因為攝像機是以白熾光源作為白平衡的，所以后三種都顯示出了藍色調，但這樣做使得所有的情形中背景白都是相似的。哪一個是正確的呢？也許是白熾光源，但因為它缺少藍光波長，所以它對這張圖片底部的各種不同的粉紅色條和品紅色條的顯色性能較差。而冷白色熒光燈對這兩種顏色的顯色性能卻很好，但它對黃色的顯色性能不好，并過分強調了藍色。琥珀色與青色LED光源混合出的白光在視覺上是非常令人滿意，但在這種組合光源下所有黃色、紅色或粉紅色都成了不同濃淡的琥珀色，而綠色則完全變調了。RGB光源在整體表現上不錯，但紅光缺少暖感且所有的事物都有點超現實感和動漫感。

當使用一個多光源的體系來混合中間色彩時，真正的問題就會開始浮現。圖21為CIE1931色度圖，圖22顯示了典型的RGB三色LED體系。如果想混合出圖中黑點顯示的淡黃色，就只有一種（圖中虛線表示的）方式。三原色以恰當的比例混合就會呈現出我們想要看到的淡黃色。盡管其實際上根本就沒有“黃色”波長。只要合理搭配三原色的比例，就能夠混合出RGB三原色點所形成的這個三角形內的任意顏色，但三角形外的顏色就不行了。

將原色的數量增加，情況馬上就會變得復雜的多。若將青色和琥珀色發射器增加到紅綠藍三原色體系中，就能以許多不同的方式混合出這種淡黃色。如：

事實上，可以用這5種顏色中的任何3種混合出這種黃色，只要它在我們選擇的3種色彩所形成的三角形范圍內。如圖2325所示。

用4種顏色甚至是5種全用上都是可能實現的。所有這些混合在白色背景上看起來都是一樣的色彩，但它們的光譜及波峰和波谷卻是各不相同的。如圖26所示。

圖27是標準MacBeth顏色測試卡的照片，運用顏色測試卡片來檢測同色異譜的各種不同白光的顯色性。首先是檢測用作參照的白熾光源。

用冷白色熒光燈照明相同的顏色測試卡。在每個檢測實例中白平衡都被調整以使左下角的白色塊面看起來都一樣。如圖28所示。

現在只使用琥珀色和藍色混合的白光，得到的白色塊面看起來同樣很白，但除了琥珀色和幾個藍色的塊面，幾乎所有的色塊看上去都很糟糕。如圖29所示。

使用RGB LED白光照明。此時我們可以看到過度飽和的紅色和不自然的亮色。如圖30所示。

再看一下使用白熾光源照明的效果，參見圖27。

全部四組檢測效果的比對如圖31所示。

3.2 彩色LED燈具顯色性的特點及其利用

3.2.1 一個真實的例子

圖32、圖33顯示了1990年在紐約歌劇院演出的《摩西與亞倫》的一些場景。設計師Hans Toelstede運用受控的不同光譜能量分布的相同顏色光（同色異譜現象）打造出了炫美的效果。在歌劇表演開始時唯一的光源是投射出單一黃色光的低壓鈉燈。舞臺上的一切看起來都是黃色、黃灰色或黑色的，現實就是這樣。而后，隨著配置相同色調的琥珀濾色片的白熾燈具的光慢慢漸入時，各種色彩開始慢慢從混沌中顯現出來。原先看起來黑色的物體清晰地變為紅色，其它顏色也逐漸呈現。然而，全部黃色色調不會改變，這種黃色正是我們用各種不同色彩（包括紅色和綠色）混合出來的，而不僅僅是那種單一的黃色波長。

3.2.2 利用同色異譜作為舞美燈光設計的工具

這些同色異譜效果并不意味著LED燈具的顯色性能不好，但其的確意味著可以將顯色性能作為一個設計工具，且具有比氣體放電燈更容易操控的優勢。設計師可以用它們來進行精準的色彩顯現或者可以用它們創造出有力的奇幻的色彩，或是用來抑制色彩，正如Toelstede在《摩西與亞倫》的演出中做的那樣。然而設計師應記住，即使當他們不是有意識地操控色彩顯現時，舞臺上的色彩顯現也會受到燈具中的LED光源的影響。

這些配置不同LED色彩組合的燈具或許能夠產生相同范圍的白光或在白色表面上呈現出同樣的顏色，但它們在彩色物體上的顯色效果就不同了。

顯然，一個運用紅綠藍LED的燈具不會給設計師有許多機會去創造出獨特的色彩，打開一些紅光LED和綠光LED，燈具就會混合產生出黃光，事實就是這樣，沒有其他選擇。然而，不是所有的RGB LED燈具采用的都是同樣的紅光LED和綠光LED。也有一些為了得到更好的黃光或對粉色有更好的色彩顯現而運用了紅橙光LED（615 nm）而不是紅光LED（625 nm）。還有一些為了得到更強的藍色運用了寶石藍光LED（460 nm）而不是藍光LED（467 nm）。這些選擇都行，但是運用不同LED色彩組合的燈具的設計師會發覺彩色物體的色彩顯現是很不相同的，即使這些燈具產生的光投射在白色表面上，其顏色看上去一樣。一旦添加一種以上的色彩LED后（現在已有許多制造商都添加了琥珀色LED）各種可能性就會迅速展現。我們馬上會發現有不止一種方法可以混合產生許多粉色調的色彩。盡管最初我們會將窄波段LED引發的同色異譜效果看作一個問題，但它們并不見得一定是一件壞事。并且應當被看作是一個機會。如果燈光設計師有這方面的知識（和時間），他們也可以將這些轉化為他們的創新優勢。

4 結語

我們將面臨來自政府和照明產業向固態照明（SSL）轉移的巨大壓力。150 lm/W的光效是不可忽視的。我們還知道并了解到那些光源的光質和白熾光源或其它的傳統光源不一樣，也不如它們好。我們眼睛的進化已經適應了連續光譜的日光，所以任何不如日光的光源在光質上就是一種后退。

我們該怎樣解決這個問題呢？用戶會因為更多的數量而接受較低的質量嗎？我們演藝行業的音頻領域已經這樣做了，音質較差的MP3編碼音樂憑借其便捷性如今處于支配的地位。

另一方面，我們還將獲得對光源的某些掌控。例如，色彩控制、光譜控制和色彩顯現的控制，這些都是燈光設計師工具包內十分有用的工具，這些工具將有利于燈光師重新調整平衡。

我們應嘗試并適當地保持平衡，既要滿足用戶對燈光數量的需求，又要達到我們所知的行業內藝術方面對燈光質量的高要求。