等离子体光源及其应用

姚涵春

（上海戏剧学院， 上海 200040）

在群星璀璨的演艺照明电光源家族中，又一颗新星——等离子体光源（Plasma Source）正冉冉升起，其卓越的性能引发了演艺灯光界的企业家、技术专家和设计师越来越多的兴趣和关注。

近两年来，有关等离子体光源的信息和报道日见增多：2008年4月，美国LUXIM公司在法兰克福举行的“国际乐器、舞台灯光及音响贸易展览会”上首次发布并展示了LIFI-STA-40-01等离子体光源；同年5月，该产品获得“美国国际照明展览会”的LIA创新奖；[1]2008年9月，LUXIM公司又成功开发出LIFI-ENT-31-02等离子体光源（适用于娱乐、演艺灯光产业）；2009年4月，捷克Robe公司开发的新型摇头电脑灯——Robin 300 Plasma Spot在法兰克福举行的“国际乐器、舞台灯光及音响贸易展览会”上亮相，这是电脑灯家族中最先采用等离子体光源的灯具；同年9月，Robin 300 Plasma Series电脑灯在伦敦举行的“英国国际专业舞台灯光音响技术展览会”上展出，并获得该展会创新奖；2009年5月，在北京“中国国际专业音响·灯光·乐器及技术展览会”上，我们又一次见到了这款新型电脑灯。

笔者曾随同中国演艺设备技术协会考察团拜访Robe公司，第一次看到了等离子体光源组件。2009年5月，在北京举办的“第七届中国国际演艺设备与科技论坛”上，灯光领域的几位专家学者都曾着重推介这款新型照明电光源。新光源开发的力度，新灯具研制的速度，新产品、新技术宣传的频度，都在持续不断地提升，强力地敲打着演艺灯光业界。

本文根据互联网、相关企业提供的信息进行整理，结合笔者的见闻和思考，对等离子体光源及其应用作初步探究。

1 等离子体光源及其发光原理

1.1 等离子体

等离子体是离子、电子和未电离的中性粒子的集合，整体上呈现中性的物质状态；它是固态、液态和气态之外的一种物质存在状态，也称为第四物质状态，即一种高度电离了的、整体呈中性的气体。

等离子体并不稀少，也并不神秘。它在宇宙中是一种常见的物质，例如太阳、恒星和闪电中都有等离子体，它占了整个宇宙的99%。借助各种人工方法，例如核聚变、核裂变、辉光放电及其他各种放电形式都可产生等离子体。

等离子体具有不同于普通气体的特性，它是一种很好的导电体，利用巧妙设计的电场可以捕捉、移动和加速等离子体，开发出许许多多“特异”的功能。等离子体物理是一门发展中的新型学科，它的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

等离子体可分为两种：高温等离子体和低温等离子体。现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域，例如：等离子电视、电脑芯片的蚀刻等等。等离子体光源运用的是高温等离子体。

1.2 等离子体光源组件

等离子体光源组件如图1所示，其组件构成示意图如图2所示。整个光源由灯泡、RF（radio-frequency）功率放大器、控制电路板和外壳所组成。

1.2.1 灯泡

灯泡形似一颗药丸大小的透明体，如图3所示，与同功率的金卤灯比较，它的体积小得多。在其泡壳内充有惰性气体和金属卤化物，但没有金卤灯泡壳内那样的电极。这种创新设计比传统气体放电灯更为可靠，更为耐用。

灯泡被嵌入非导电物质之中（图2光源组件中的白色部分）。非导电物质起两个作用：其一，作为RF功率放大器发送高频微波能量的波导；其二，作为灯泡内聚焦能量的电场聚集器。

1.2.2 RF功率放大器

高频、微波信号由固态功率放大器产生，并在灯泡周边形成电场。电场能量高度集中，蒸发灯泡内的物质，在灯泡中心形成等离子体。这个受控等离子体发出强烈的白光。

1.2.3 控制电路板

电路板控制RF功率放大器的输入和输出，并用来控制灯泡不同性能的运作。它是一只微型控制器。

1.2.4 外壳

由铝材制成；RF功率放大器、控制电路板等部件都包纳在铝壳之中。

1.3 等离子体光源的发光原理

高频微波诱导型等离子体光源的发光原理和过程的示意图如图4、图5所示，具体阐述如下：

（1）RF功率放大器反馈电路在灯泡周边产生电场；

（2）电场高能电离泡壳内惰性气体，形成气体等离子体，产生紫色辉光辐射；

（3）气体等离子体的热量蒸发金属卤化物，产生蓝光辐射；

（4）金属卤化物电离加入等离子体，产生强烈的白光辐射。

2 等离子体光源的性能

LUXIM公司专为娱乐和舞台灯光产业推出了LIFI品牌两个型号的等离子体光源，即LIFI-ENT-31-01和LIFIENT-31-02，通过这两款等离子体光源，我们可以分析出等离子体所具有的卓越性能。

2.1 显色性好

等离子体光源是色彩丰富、全光谱、高显色性的优质光源，其显色指数（CRI）达到94～96，均高于目前电脑灯配用金卤灯的显色指数，其显色性已非常接近卤钨灯和标准日光的高品质。等离子体光源高显色性源于其具有优良的光谱辐射相对能量分布，如图6所示，由图可见，在其光谱能量辐射中，光谱分布十分宽广，连续特性非常好，红、蓝光的辐射能量更显均衡、和谐。

2.2 色温高

等离子体光源是高色温、日光型、色光均衡的照明光源。目前，新型电脑灯和成像灯中均应用31-02型等离子体光源，相关色温为5 300 K，十分接近标准日光的色温5 600 K。从图6可见，其能量辐射中，包含丰富的蓝、紫光成分；等离子体光源辐射中的蓝、红光之比值与卤钨灯的比值相对照，有很大的提高，其高色温量值已充分反映出这一点。

2.3 发光效率高

等离子体光源是节能、高效的绿色照明光源。LIFI系列的光效在60 lm/W～140 lm/W，其数值取决于灯泡内所充入的气体和金属卤化物的量值，取决于RF耦合及其控制，取决于效率与CRI之间的平衡和取舍。LIFI-ENT-31-02的光效约为67 lm/W，约是卤钨灯光效的3倍，约是氙灯光效的2倍，也高于同功率、同色温金卤灯的光效。

2.4 大功率、大光通

目前，等离子体光源的功率已达到266 W，与演艺照明传统光源相比，虽然等离子体光源是小功率灯具，但如果综合考虑其高发光效率的话，它就不是“小字辈”了。等离子体光源的总光通约为17 800 lm，相当于400 W金卤灯的总光通，或750 W卤钨灯的总光通。此外，与近来发展迅速的LED光源相比，等离子体光源的总光通相当于几十颗、乃至几百颗“大功率”LED集成的总光通。从这个意义上说，单颗等离子体光源确实已达到大功率、大光通的实效。

目前，等离子体光源正处于快速成长的发展阶段，据Robe公司研发部介绍，不久的将来，等离子体光源的总光通可达到700 W金卤灯，甚至1 200 W金卤灯的发光水平。

演艺舞台需要高照度照明，需要高光通的灯具，单颗大光通、高显色性等离子体光源恰好迎合演艺专业照明的需求，规避了LED光源大集成的难题。

2.5 寿命长

等离子体光源的寿命可长达10 000 h～30 000 h，LIFIENT-31-02的寿命是10 000 h，是金卤灯的几倍或十几倍，是卤钨灯的30多倍。如果按每天使用4 h计算，它可以运行近7年之久。

等离子体的泡壳中既没有灯丝，也没有电极，不会发生这类物质因高温导致蒸发或溅射而耗蚀的情况，导致发光性能和寿命的下降，同时又能使泡壳始终保持清洁、透亮，光损极小，因而，它具有超长的寿命。

这里所说的寿命，既不是指灯泡的全寿命，也不是指通常所说的灯泡有效寿命，而是指灯泡的光输出衰减至初始光通量的50%时所累计的工作时间。这种设定灯泡寿命的“新概念”，对于诸如等离子体光源一类的高光效光源是完全切合实际的。

2.6 电调光幅度大

等离子体光源电调光幅度很大，调整范围在100%～20%之间，可由控制系统实施灯泡极快或极缓慢地大幅度调光。其调光范围远大于HID放电灯的调光范围，例如，金卤灯为100%～60%，氙灯在100%～50% 。

2.7 启动和热启动性能好

等离子体灯泡由高频、微波诱导启动，只需1 s～2 s时间即可点燃达到正常工作状态，发出耀眼的白光。它具有半热再启动（Semi-hot Restrike Function）特性，即灯泡熄灭后，在半热状态下就可迅速再启动点燃发光，无需要求灯具完全冷却一定时间后方能再启动点亮。它的再启动点燃的间隔时间少于120 s。

可见，等离子体光源是启动性能优良的放电灯，这种及时启动点燃、节能效应对于演艺照明具有很大的实用价值。

2.8 灯泡泡壳小

等离子体灯泡的壳体极小，大小类似普通规格的胶囊药丸，这给与之匹配的光学系统优化设计、提高灯具效率及其灯具小型化良性发展创造了极好的条件。

2.9 光强分布特性好

等离子体光源具有向前指向性光强分布的特性，这极其有利于灯具光学系统的优化设计，易于达到更高的灯具效率和灯具发光效能。等离子体光源本身是高效、节能的绿色照明光源，应用等离子体光源开发的新型灯具同样也易于成为高效、节能的绿色照明灯具。

图7是LIFI-ENT-31-02等离子体光源的两种光强度分布曲线图，其左半部分是直角坐标式光强度分布曲线；其右半部分是极坐标式光强度分布曲线，即配光曲线。由图可见，其辐射的能量集中分布在以光轴为中心对称轴的半圆锥角65°的圆锥空间内。我们可以设计高透射率的透镜组以最大限度地收集、聚合这个空间的光通量，力求达到最大的灯具效率和灯具发光效能。

3 等离子体光源的研发生产

目前，市场上等离子体灯具新产品采用的大多是LUXIM公司的LIFI光源。LUXIM公司位于美国加利福尼亚州硅谷，创立于2000年，是一家创新型的高新技术研发企业，是固态等离子体照明光源的全球领导者。其研发制造的LIFI品牌等离子体光源现有4个系列产品，即LIFI-PRJ-20系列，光强分布为聚焦型，应用于小型投影仪；LIFIINT-30系列，光强分布也为聚焦型，应用于医学和生物检测；LIFI-STA-40系列，光强分布为向前指向型，应用于商业、街道、工厂和小区等的照明；LIFI-ENT-31系列，光强分布也为向前指向型，应用于娱乐、舞台、摄影、摄像等高光强聚光照明的场合。

已有两家国际公司针对娱乐演出和舞台灯光应用领域，研发了采用等离子体光源的新产品，它们是Robe公司和Ocean Optics公司。

3.1 Robin 300 Plasma Series电脑灯

Robe公司采用LIFI等离子体光源LIFI-ENT-31-02开发出新型电脑灯系列——Robin 300 Plasma Spot和Robin 300 Plasma Wash。从外观上看，它们与采用金卤灯的传统电脑灯——Robe 300E Spot一模一样，但经过“换芯”手术后，新产品的光学性能提升到一个更高、更强的层面上。

（1）灯具“传承”了等离子体光源的某些优异特性，例如：灯具“显色指数”高达94，表明该灯具的显色性非常接近于日光和卤钨灯的高品质；灯具寿命长达10 000 h。无论是灯具显色性能，还是其使用寿命都大大超越了传统电脑灯。

（2）灯具光通量输出达到10 000 lm。经计算，灯具效率已达到55%以上。该产品说明书提供的数据显示，灯具功耗为390 W，可计算出灯具发光效能为25.6 lm/W。这些数据究竟反映出怎样的灯具性能呢？我们可将其与同为Robe公司研发的传统电脑灯——Robe Spot 1200E AT进行比较，这款电脑灯采用了1 200 W金卤光源，光通量输出略高于14 200 lm，经计算可得其灯具发光效能为8.88 lm/W（经查，其总功耗为1 600 W）。可见，采用等离子体的新型电脑灯，其发光效能比传统电脑灯约提高了188%，突显出等离子体电脑灯高效、节能的品质，是一款更高水平的绿色照明灯具。正是等离子体光源的高光效、小灯体和向前指向性光分布等诸多优异特性造就了新型灯具的高性能、高指标、高质量。

（3）光斑极其均匀（1.3:1）。这得益于灯泡中电弧十分稳定，无闪烁，无飘动；得益于光源向前指向性光强分布的特性；得益于其透镜组的精良设计。等离子体光源的应用大大改善了投射光斑的均匀性，如将等离子体光源移植到舞台聚光灯、追光灯、投影灯等演艺灯具中同样可以提升各自光斑的品质。

（4）电调光幅度大，可在100%～20%之间进行数字调控，极大改善了传统气体放电光源灯具的调光性能。新灯具再配置上机械调光，并与电调光有机衔接，可实现全程调光。同样一个光阑现在只需完成最后20%左右的调光量，故而在调光低端可以达到更细腻、平滑的调控效果，不会出现传统电脑灯通常在低端调光不匀、时有闪烁的问题。

（5）热辐射量少。等离子体光源每瓦热辐射量与HID光源一样多，但在相同的有效光通量情况下，使用等离子体光源的功率小了，辐射的总热量也减少了许多，灯具配置的散热风扇的功率也会相应地减小，达到较静音的效果。由于热辐射总量减少，通风散热性能好，这款新灯在环境温度45℃的使用条件下，灯体最高温度仅为60℃。

3.2 SeaChanger Nemo自动换色成像灯

Ocean Optics公司是一家国际著名的光学产品研发制造企业，因专为ETC Source Four 椭球成像灯设计配置了CMYG换色器而扬名于娱乐、演艺灯光界。该公司也采用LIFI品牌等离子体光源开发出新型灯具——Nemo自动换色成像灯。这款灯具是在ETC公司Source Four成像灯配置OceanOptics公司的SceaChanger自动换色器的构架基础上开发出来的，采用LIFI等离子体光源取代了HPL卤钨灯，使新灯具的性能大为改观。其使用寿命提高了30多倍，灯光色彩更为丰富、艳丽。灯具光通量输出达到10 000 lm，经计算得出其灯具发光效能高达33 lm/W（总功耗以300 W计算），是此前采用高性能卤钨灯泡的传统成像灯发光效能的3倍。通常，灯具发光效能如能在原有基础上再提高20%、30%，已属不易，而Nemo自动换色成像灯一下子提高了200%之多，实为难能可贵。

这款新型成像灯是更为高效、节能的绿色照明灯具。它不仅适用于剧场舞台照明，其防水型款式的成像灯还可以应用于主题公园、建筑、景观等室外照明，能经受大雨的冲淋。这款新型灯具在2009年曾获得LFI剧场和特种灯具的发明奖。

4 等离子体光源存在的问题

金无足赤，人无完人。任何事物总有其所长，也必有其所短。卤钨灯、氙灯、金卤灯和LED光源是如此，等离子体光源也并不例外，等离子体光源在实际应用中还存在一些不足之处。

4.1 色温迁移问题

等离子体光源在寿命期间，其色温会有相当缓慢的增加（向蓝色方向迁移），每使用1 h，其色温平均增加约0.08 K。照此推算，如果该灯具工作2 000 h，色温就会增加160 K。但人眼很难辨别出5 300 K和5 460 K的灯光颜色有什么变化，而且，在长达10 000 h的寿命期间，其色温只升高了800 K，这与初始色温5 300 K相比，只是一个很小的变化，对娱乐和演艺照明的影响不大。但对于摄影、视频录像等场合的用光就不同了，这类场合对色温要求很高，既要准确，又要保证同一照明场合、不同使用周期的所有新老光源的色温一致性，那就必须对光源进行定期校正。据LUXIM公司的工程师说，目前，校正LIFI光源几百K色温是可能的，可采用光源数据链来改变RF激励的振幅。

4.2 调光问题

如前所述，等离子体光源可以实现数字调光，达到100%～20%大幅度的电调光，这是传统HID放电灯（如氙灯、金卤灯）所达不到的。如同卤钨灯的电调光特性一样，在实现调光的同时，也伴随着色温的变化。等离子体光源在整个调光范围内，将伴随100%～50%色温的变化。

针对这种调光特性，可实施3种不同调光配置的解决方案：

（1）电调光方案。适用于对色温变化和调光幅度要求不太高的使用场合；

（2）电调光加机械调光的方案。适用于全程调光需求的使用场合。两种调光方式的接合点（不一定在20%调光接合）应能按需灵活地再设置，以调整调光时色温变化的幅度所产生的视觉影响；

（3）机械调光方案。适用于对色温、颜色恒定要求很高的使用场合。

4.3 价格问题

来自互联网的信息显示：Nemo自动换色成像灯的美国订货价是3 800美金， Robin 300 Plasma Spot 电脑灯的美国订货价是9 500美金，价格的确非常昂贵。不过，综合考虑等离子体光源灯具高效、节能的因素，及其拥有很长的使用寿命（其灯泡寿命为10 000 h，而光源电子包的设计寿命是60 000 h），等离子体光源灯具的长期性价比是很高的。况且，随着生产量的提高，研发成本的逐渐消化，其销售价格也会逐渐下降，产品的性价比也会持续提高。成像灯、电脑灯发展的轨迹是这样，现在，LED灯具和等离子体灯具的发展走向也会是如此。

等离子体光源正在向更大功率（1 kW）的方向发展，正在逐渐被移植到各个灯光应用领域，取代传统的电光源——卤钨灯和HID光源，将开发出越来越多高性能的新灯具。国内已有公司率先与LUXIM公司建立伙伴合作关系，生产出新型路灯；不少公司正摩拳擦掌，打算引进等离子体光源，将老产品更新换代，打造新一代高显色性、高效能、高品质的绿色照明灯具。而舞台艺术照明领域也在以更大的热情密切关注着等离子体光源的新发展。

5 归纳与思考

综上所述，等离子体光源几乎具有卤钨灯一样的优质显色性和调光特性，具有金卤灯和LED光源相同或更高的发光效率，具有金卤灯和卤钨灯一样的大光通，具有LED光源一样持久的寿命、小灯体、指向性的光分布和数字化调光，拥有比金卤灯更佳的启动和热启动性能，等等。简而言之，等离子体光源几乎集聚卤钨灯、金卤灯和LED光源之优点于一身，真无愧为演艺照明电光源中的一颗更为璀璨夺目的新星，它似乎是一款专为舞台灯光量身定做的理想照明光源。毫无疑问，它在众多演艺照明电光源中，最具竞争力，最有发展前景。

高性能的等离子体光源已打入演艺照明领域，Robe公司和Ocean Optics公司率先引进等离子体光源，革新传统的演艺照明灯具，两款新灯具以卓越的光学性能初次亮相，就引来了人们极大的关注和兴趣，产生了很大的反响。两家公司始终瞄准着电光源科技的最前沿和最新成果，开发、利用更可持续发展的新技术，着眼于高效节能减排，实施长远科学发展的战略思想，值得我们演艺设备产业的企业家借鉴、学习。

纵观演艺照明光源和灯具的发展历史，每当照明光源出现新的突破，每一款新型光源开发成功，都会引发一轮演艺照明灯具的创新和变革，卤钨灯、氙灯、金卤灯的研发成功都曾掀起一阵演艺照明灯具的创新浪潮。近年来，LED光源被引进演艺照明的殿堂，一场轰轰烈烈开发LED灯具的新浪潮正在如火如荼地风卷全世界演艺灯光产业界。演艺照明理想光源——等离子体光源必定紧随LED光源之后，又将激发起新一轮演艺照明灯具的创新和重组。这一次变革或许更为猛烈，更为深刻。

结束语

2009年，笔者在演艺灯光活动中多次引荐、推介等离子体光源，本文又一次综述和解析这款新光源及其在演艺灯光中的应用，其素材均来源于LUXIM、Robe、Ocean Optics等公司的网站，来源于Robe等公司的产品说明书，来源于广州励丰声光科技有限公司等工程商和代理商，等等。公开发布的文章、信息很多，引用的数据、参数可能不尽相同，况且，等离子体光源及其应用还处于快速发展期，各种信息更新很快，故本文中采用的数据和参数，以及其由此引发的分析、推论和设想，难免会产生差错，敬请大家指正。本文旨在引发大家对等离子体光源及其应用进一步的关注和讨论，推动我国演艺灯光设备的创新和现代化进程。

注释：

[1]LIA创新奖，即LFI Innovation Awards，由美国国际照明展览会（LFI，Light Fair International）组织评选的年度最具创新性的产品设计和照明项目的奖项。LFI展会由美国北美照明工程协会和国际照明设计协会主办，每年一届，在纽约和拉斯维加斯巡回举办，迄今已举办20届。