窄頻帶發射器與顏色顯現的手段

文 / [美]卡爾·G·魯林，邁克·伍德 編譯/施 端審校/ 姚涵春

（1．上海戲劇學院，上海 200040）

窄頻帶發射器與顏色顯現的手段

文 / [美]卡爾·G·魯林，邁克·伍德 編譯/施 端1審校/ 姚涵春1

（1．上海戲劇學院，上海 200040）

介紹LED燈具作為一種窄頻帶發射器在顏色顯現方面的特點，及其對舞臺燈光應用的意義。

LED燈具；顏色顯現；光譜；色質

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景。舞臺被低壓鈉燈發出的黃色光渲染，當合唱演員穿著街頭服裝奔上舞臺時，舞臺上的一切都呈現出黃色、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，舞臺上顯露出多種色彩，比如，雖然舞臺上的黃色光的強度保持不變，但是一位演員的黑色裙子變成了紅色。燈光設計師漢斯·托爾特德（Hans Toelstede）以白熾光源發出的光為背景，發揮了熒光燈、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、強度、分布與運動等常用的手段外，還把顏色顯現作為一種設計手段。

托爾特德在舞臺上應用了顯色指數低的光源，這種設計手段確實與眾不同，但卻不是獨一無二的。在馬克斯·凱勒（Max Keller）所著的《戲劇舞臺燈光設計》②一書中，描寫了低壓鈉燈與高壓鈉燈（這里指光源）在舞臺上的應用情況：在一個描述“工廠車間”的場景里，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英寸大小的機械式遮光板來調節明暗。然而，在舞臺上應用這些工業上使用的氣體放電光源并不那么容易。它們不能瞬間點亮，不能電調光，為其配置的燈具也不是想象中的聚光燈。此外，它們所能達到的照明效果也十分有限：低壓鈉燈發出幾乎單一的黃色光，在顏色顯現方面，它極大地抑制了除黃色以外的其他顏色；高壓鈉燈發出的光為偏黃的琥珀色（yellow-amber）；水銀蒸氣放電燈發出白光，但這是一種偏藍綠色的白光。這些燈具會給燈光設計帶來很多困擾。如果對窄頻帶發射器的選擇僅僅局限于氣體放電光源，那么對絕大多數的劇目而言，把顏色顯現作為一種設計手段就太困難、太受限制了。

LED也是一種窄頻帶發射器，如果燈光設計師意識到其獨特的光譜特性的話，設計師可以通過LED燈具的運用使顏色顯現作為一種設計手段。本文主要講述LED燈具在顏色顯現方面的一些原理與應用。

1 人眼對顏色的知覺

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

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，波長為680 nm的純紅色光刺激了L型錐體細胞，但是對M型與S型錐體細胞的刺激幾乎為零。來自L型錐體細胞的信號以及其他錐體細胞信號的缺失被大腦解釋成“紅色”。

對于光譜末端顏色的知覺機制理解起來相當容易，相比之下，光譜中段的顏色知覺更復雜、更有趣。例如，低壓鈉燈發出的黃色光由兩條緊靠在一起的589.0 nm與589.6 nm的波長組成。它刺激了L型與M型錐體細胞，然后來自錐體細胞的信號經視網膜與大腦的處理后產生“黃色”知覺。然而，同樣的感覺可以由兩個間隔比較大的波長來產生，比如550 nm與630 nm。這種相同的黃色知覺也能由大約以589 nm為中心的波段來產生，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型錐體細胞的相對刺激值相同，人眼對黃色的知覺就會相同。錐體細胞不具備發出其刺激值是任一特定波長的機制，它要么發出刺激信號要么不發出。

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

2 同色異譜與同色異譜性質遭到破壞

顏色是通過其刺激三類錐體細胞的數量即它的三刺激值來描述的，但是對于光譜中段的顏色而言，不同的光波長的組合、不同的光譜能量分布都可以產生一組特定的三刺激值，即一個特定的顏色。看上去相同但實際卻具有不同光譜能量分布的顏色被稱為“同色異譜色”。低壓鈉燈發出的黃色光與《摩西與亞倫》中面光發出的黃色光就是一個例子。日常生活中充滿了同色異譜色，可以這么說，人眼在任何時候看到的某個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，它們在所謂的“正常”光（比如，日光、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 人眼視網膜中的錐體細胞對光譜敏感度的標準分布曲線③

在一種照明條件下呈現相同顏色的兩個物體，改換到另一種照明條件下卻呈現不同的顏色，這時同色異譜色性質遭到了破壞。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，這是一個同色異譜色性質遭到破壞的例子，可能很多人不覺得這是“破壞”，而是燈光設計師故意制造的燈光效果。然而，同色異譜色性質遭到破壞確實存在不足，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，使其顏色顯現出來，而在另一種照明條件下不存在這種波長，這時同色異譜性質遭到了破壞。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色（princess blue）色片過濾的全光譜白光或白熾燈來照射（即讓一系列的波長通過，這無疑覆蓋了470 nm～525 nm以及更多的波長），這兩種水鴨色看上去相同；如果用LED變色燈具（通過彩色LED來獲得一系列色光，包括白光在內）來照射這兩種顏料，那么，結果將難以預測。cyan LED的主波長為505 nm，blue LED與green LED的主波長分別為470 nm與525 nm。LED變色燈具是否含有cyan LED，會影響到這兩個顏料的視覺效果；如果這盞LED燈具漸變到深藍色，那么，這兩個顏料呈現出的顏色變化肯定有差異，不是表現在色相上，就是表現在強度上。

我們通過實驗來說明在不同的單色LED混合光源照射下的不同的顏色顯現。為了便于比較，照相機的白平衡鎖定在“白熾燈”狀態，不同的照片只有曝光時間不同，明度與對比度經Photoshop軟件略微調整，以使它們之間的亮度級別具有可比性，但是不涉及對顏色的調整。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。實驗使用的燈具限定為彩色LED燈具。一些LED變色燈具含有經混合后發出白光的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實現。發出的白光是由blue LED發出的藍光與熒光粉受激發出的黃光混合而成。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，但是其光譜能量呈不平直分布，而且顏色顯現仍然取決于對LED與熒光混合物的選擇。因此，技術性問題幾乎是相同的，但是在經熒光粉轉化來的白光的照射下，照片呈現出的顏色顯現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（經白平衡調整）、RGB LED（經白平衡調整）。在圖2中，除白熾燈效果照片，其他三張照片都呈現出某種藍色調，這是由于照相機的白平衡為“白熾燈”狀態，考慮到這4張照片中背景呈現出的白色都相類似，我們暫且認可這種情況。那么，在這4張照片中，哪個光源照射下的物體的顏色顯現比較準確呢？現比較一下：

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

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

（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，而且綠色基本無法表現出來；

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

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照射下織物呈現的色彩，右圖展示了織物在blue LED與green LED混合光源（經調節后與前者的色相相匹配）照射下呈現出的色彩。可以看到兩張圖中的白色背景屏幕呈現出的顏色非常類似，盡管顏色顯現不盡相同。在這組照片中，cyan LED使圖像呈現出非常單調的青色，而blue LED與green LED混合光源使圖像展現出十分豐富的顏色變化，使綠色與藍色從水鴨色的混沌狀態顯現出來。

微量的光波變化可以引發人眼視覺的變化，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的色彩，右圖則在同樣的光源基礎上添加了很少量的red LED光，不到其他光的10%。令人驚奇的是，這點微量的紅光使織物的色彩顯現發生了明顯的變化，將左圖無法表現的紅色突顯出來。從白色背景可以看出，這點紅光不足以對整體色相產生真正的轉變，也不足以使兩條明顯的綠色條紋轉變為它們應該呈現的黃色，但是，人的眼睛感受到了那點紅光，使人眼在織物的相應位置識別出不同的色彩。

3 LED與顏色顯現

以上討論并不意味著LED燈具在顏色顯現方面的性能不好，通過這些實驗我們可以了解到，借助對LED燈具的靈活運用，顏色顯現可以成為舞臺燈光的一種設計手段，與氣體放電光源相比，LED燈具的優勢是使用起來更加方便。設計師可以利用它們獲得準確的顏色顯現，或者營造給人壓迫感或夢幻感的顏色，或者像托爾特德在《摩西與亞倫》中所做的那樣，利用LED燈具來抑制顏色。然而，設計師應該注意，即使不想有意識地對顏色顯現進行處理，舞臺上的顏色顯現也會受LED燈具的影響，采用不同顏色LED的燈具可以發出相同區域的白光，并使白色屏幕呈現幾乎相同的顏色，但會使有色物體顯現出不同的顏色。

就如何產生某一特定顏色的問題，RGB LED燈具沒有為設計師提供太多選擇。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，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）。這些燈具設計都發揮了作用，但是使用過不同顏色的LED燈具的設計師會發現這些光源對有色物體的顏色顯現不完全相同，即使把發出的色光投射到白色屏幕上時，屏幕呈現出相同的顏色。

在燈具中采用4種或更多顏色的LED，使設計師把顏色顯現作為一種設計手段成為可能。如圖5所示，當超出RGB系統能力時，通常首先添加的顏色是主波長約為590 nm的琥珀色（amber），以此來填補主波長分別為625 nm與525 nm的紅色與綠色之間的一大段間隔。現在，設計師可以通過點亮amber LED或者點亮red LED與green LED，或者點亮所有的LED，并調節它們之間的相對強度，以此來營造黃色效果。燈光設計師想要營造出任一特定的黃色，可以通過很多不同的方法實現，但是顏色顯現與這些方法都不同。另外，添加了red-orange LED（615 nm）之后，色光有了更多的選擇，燈光設計師花費在設置控制通道上的時間也增加了。

4 對控制方式的挑戰

隨著燈具中各種LED顏色數量的擴展，為獲得所需的色相、飽和度與強度（現在還應包括color rendering quality，即顏色顯現品質），對控制通道的設置也變得復雜起來。單個顏色通道為設計師提供了非常好的控制，但是就像在預選控制臺（preset desk）上通過移動推桿來設置電腦燈的參數那樣，操作非常繁瑣。許多先進的燈光控制臺都具有某種顏色選?。╟olor picker）功能，這有助于簡化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計師選擇色相、飽和度與強度，尚未見到具有色質選?。╟olor quality picker）功能的控制臺。

圖5 普通LED的相對光譜能量分布

CRI（顯色指數）的概念已經使用了很久，用它來描述諸如通用的熒光燈、白熾燈與HID（高強度氣體放電燈）發出的白光的顏色顯現是相當不錯的。然而，CRI并不適合用來描述色光的顏色顯現。相關專業機構希望能將色質（color quality）的概念引入專業燈光領域，關于顯色指數與色質指數，已有專門文章探討（見本刊2010年第11期第8頁、2010年第12期第16頁——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度量標準。而設計師要做的就是利用窄頻帶發射器發出的混合光源，為舞臺演出創造出更豐富的視覺效果。

（本文根據美國《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世紀著名的現代音樂作曲家之一，“表現主義”樂派的主要代表人物。

②《戲劇舞臺燈光設計》，根據《Light Fantastic：Art and Design of Stage Lighting》翻譯而成，孔慶堯、忻雁譯，上海人民美術出版社2009年4月出版。

③該圖摘自維基百科《錐體細胞》（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