解析Vari-Lite VLX WASH电脑灯

文/[美]迈克·伍德 编译/姚涵春

（1. 上海戏剧学院，上海 200040）

Vari-Lite VLX WASH电脑灯（以下简称“VLX”）是一款新型的LED染色灯（见图1）。本文将展示笔者对这款灯具进行的各项试验，测试灯具由生产企业提供。VLX配置有通用电源，其额定电压范围为：100 V～240 V、50/60 Hz。对这款染色灯进行测试时，该灯均运行于115 V、60 Hz的常规电压之下。

1 光源及其光学

光源是这款灯具的关键，我们将比以往的灯具花更多的时间来论述光源部分。VLX采用Luminus Devices公司制造的7个LED模组，每个模组包含4个LED模块，即红、绿、蓝和白色LED模块，如图2所示。每个模组的总功率通常额定为120 W，这个额定值是一个参照值，但更具有指导意义，因为它能被推升或降低，依据配置的冷却系统处于何等良好的运行状态而定。虽然LED确实具有最大的电流额定值，但通常会受到温度因素的制约。如果能维持LED低温运行，就能获得大功率、高输出。

Luminus Devices公司专门研究高光通LED模组的开发应用，开发适用于演艺产业、具有优良特性的模组。其中有两个特性非常重要：第一，将LED芯片直接安装于热传导基板上（常常更冷些），为了达到最大热传导效果，尽可能地减少热量导入半导体或隔热层；第二，在中级制配中，每个LED芯片被光子晶格层所覆盖。这个晶格层就像一系列小光管，可以控制辐射光的光束角度，从通常的180°减小到更易控制、改变的光输出角，在其中心120°区域内拥有更多的光能（每个色光的光束角度都改变，而且红光和白光比蓝、绿光有更大的变化）。Vari-Lite公司声称，LED具有10000多小时的长寿命。Luminus的数据表暗示，这是留有余地的估计数据，而获得更长的使用寿命是有希望的，虽然其间伴随着光通量缓慢的减小。

Vari-Lite 公司将这些LED模组安装在各自的热扩散板上，而后，直接将光输出导入长条六角形玻璃集成棒或光管中，光管被封装在防护铝管里，如图3所示。实际情况是，Luminus Devices LED的窄出射角能进入发射；当芯片的出射角被减小到与充分导入玻璃棒所需要的那个角度很接近时，致使进入玻璃棒内的所有光束都在TIR（全内反射）角内，并在棒内来回反射而几乎没有任何光损失。在光管内的这些反射有助于均匀所有4色模块的光输出，以构成均匀一致的色彩光束。在集成玻璃棒（光管）的每一个光管的另一端是一个镜深很大的组合式抛物线状聚光型反光镜，如图4所示，反光镜通过模压塑料菲涅耳透镜来收集和聚合这个被均匀了的光束，菲涅耳透镜覆盖反光镜，并产生出光斑角约22°的光束。图5显示了这些反光镜，每一个反光镜都配置了相对应的光输出透镜。

2 热管理

LED光源成功应用的关键在于良好的热管理。LED对温度非常敏感，使LED保持在80℃之下时，其运行状态最好。当然，温度更低些，会运行得更好。在这款灯具中， Vari-Lite公司已将来自LED和驱动马达的1000 W以上的热能排出灯体，这不是一件容易的事情。LED所在的铜制热扩散器实际上是热收集器，是热管和散热系统的结合体。从图6中可以看到，每个铜制部件有3个热管。通过它将产自LED的热能传送掉，并传入7个翼型散热器中。其中6个散热器被安装成环形，围绕着灯具的外缘，第7个散热器恰好被安装在灯具中央的钢板上。6个外围散热器有各自的风扇，使强劲空气流经散热片。这还不是散热设计的全部，如图7所显示，还有第二个由更传统的铝制翼型散热器形成的内环，该装置位于风扇的后侧，风扇又与主要的热扩散器钢板相连接，而圆盘对于所有7个LED模组是共有的。风扇将空气从一个散热器吸出，而后再将它从另一个散热器推出。通过灯具尾部的大出气孔，可以看见灯具后盖上的热管理系统，如图8所示。

这个复杂的散热系统有成效吗？笔者在自己工作间里运行这款灯具很长时间，恒温调控的风扇使一切都保持在平稳运行之中。LED光输出对温度十分敏感，而红色LED最为敏感，如果灯具不能为此采取有效措施的话，那么，它的红光输出量将不成比例地提升和降低，当温度变化时，色彩混合效果会发生改变。Vari-Lite公司通过测量温度和相应地调整，对这种变化做些补偿，使所有色彩协同调整，并保持色彩混合效果恒定不变。在笔者的测试中，从冷启动到热平衡状态，其光输出的降低仅仅是百分之几，这表明了VLX 的温度管理相当良好。

3 光学

我们已经讨论过VLX光源的光学构成，它产生出光源本体的窄光束。VLX还配备可调的光学系统，安装在光源的透镜之后。Vari-Lite公司把这个系统称为光束扩散器，它采用两个相邻的透镜圆盘，通过3个小型线性传动的步进马达，可以调节两者之间的距离。其中一个圆盘拥有凹透镜阵列，而另一个则拥有与之相匹配的凸透镜阵列。当两个圆盘被推近时，凹透镜与凸透镜排成一列，有效地抵消了凹、凸透镜两个器件的光学特性，所以，它们的组合对光束不产生单一器件的光学作用。然而，在开始分离两个圆盘时，凹凸透镜之间的空气间隙扩展、拉大，而它们每一个间隙都起着透镜的功用，产生扩束的光学效果。两个圆盘分得越开，其光束也越宽大。图9显示了两个圆盘弥合在一起的侧视图（左）和分开时的侧视图（右）。圆盘可移动的距离虽然不大，但引发的光斑角的变化却不小。光斑角变化范围23°～57°，放大率约为2.5倍。图10显示的是灯具的前视图，此时光束扩散器被合拢。在这个图像中能看到的每个小方格实际上是一对相互套合起来的凹凸透镜。

4 光输出

用户未必真正地关注Vari-Lite公司如何实施热管理，但该公司依旧把热管理做得很好，以致光持续不断地从灯具前端发送出来。然而，光输出有多大呢？光的质量又如何呢？在4色LED光源一起满额运行时，笔者测得光输出为13 120 lm，此时光束的窄光斑角为22.6°；而在宽光斑角57.2°时，测得光输出有所下降，约为11 700 lm。这是笔者迄今测试过的LED灯具的最高光输出。所有通道满额运行所混合产生的光色稍稍偏绿色，其色度坐标相当偏离黑体辐射轨迹。这个色温的变化很明显，但笔者用仪器尚不能测量出相关数据。虽然如此，通过减小绿色和蓝色通道的量值，笔者也能混合得到5 600 K的白光，尽可能地接近了黑体辐射轨迹。在这种混合状态，其光输出会降低到上述量值的90%，这个量值仍属很高的光输出了。

图11和图12显示宽光斑角和窄光斑角时的光束分布图，图中各条曲线都很平滑柔顺，而且非常合用。有趣的是，窄光斑角比宽光斑角拥有更为平坦的光分布——光束扩散器的光学功用，这一点很重要。在图13和图14中可以看到由网络摄像机摄取的模拟色彩照片所表示的光束分布状态，图13是窄光斑角时的光分布状况，它显示光斑中央区域的光分布非常均衡，而图14所显示的宽光斑角的光分布表明它呈现峰值型光分布，在小于20英尺的近射距时，其色彩的均匀性也很好。在混合中，有可能看到光斑稍带环状红色的镶边，但是，这是很微小的，笔者认为，在实际应用中，这一点很难察觉。在远射距时，它被融合在一起，一点儿也不会产生有色暗影的现象。

此前，我们在其他LED灯具测试时了解到，很多企业都在进行4色LED通道之间功率均衡的研究，Vari-Lite公司也是如此，该公司力求每个色彩混合的光输出达到最大化，同时不会超出灯具热管理的总能力。当蓝色通道拥有最低流明效率时，笔者将蓝色通道减小50%，即可增加光输出。此时，蓝色LED削减了的电能将由其他更高效率的LED所共享，因此，总光输出会提升约6%。

5 调光

图15是VLX在4色LED满额运行混合时的调光曲线和在单一色彩LED运行时的调光曲线，表明该灯的调光按平方定律模式运行。这条曲线极佳，调光质量非常好。Vari-Lite公司做了了不起的工作，提供平滑的调光，同时又维持色彩混合均匀一致。通常，在调光曲线的末端，从最后10%到切光，调光特别困难，实际上也难以做得很好。该灯采用16 bit调光模式，笔者发觉调光曲线上任何区位都没有阶梯式变化，甚至在以非常低的速度调光时，也没有发生这种不良现象。VLX也提供频闪模式，笔者测得频闪范围为0～47 Hz。笔者不能确定，如此快速的频闪在实际工作中会有怎样的应用，这或许能为使用者提供一些新的设计思路。

6 色彩系统

以上的光输出测量是针对白光的，而RGBW LED灯具真正注重的是产生色光。VLX能混合产生实用的RGB色域内的大量色彩。尽管白光通道无助于扩展这个可用的色域，但是它既填补了可见光谱中的波段间隙，又有助于产生许多低饱和度的色彩。在以往的灯具测试中，笔者发现RGB色彩混合范围有一小小的限制，然而，VLX针对这种限制进行了出色的工作。图16表明所有LED满额运行时辐射光的光谱分布，图17和图18分别表示RGB和白光的光谱分布。表1列出了VLX几种主要色彩的光输出与白光总光输出相比的百分比。

前文提到，Vari-Lite公司正运用动态功率均衡技术，以使各色光输出总是能达到最大化，这也解释了这些数值为什么并不显现出相互累计等于白光总量的对应关系。

在以往的灯具测试中，笔者一般会提供LED灯具驱动器的PWM频率，但是这次难以提供VLX的相应测量值，因为该灯具显然采用了一些相当复杂的系统，以柔滑调光性能。其主频率约为1 500 Hz，此频率很高，足以避免视频系统的任何混淆频闪现象。这个网络摄像机的光分布系统十分可靠，它对光输出相当敏感。

表1 几种主要色彩的光输出与白光总光输出相比的百分比

7 水平与垂直旋转

VLX具有水平560°和垂直270°的旋转范围。全程水平旋转需时5.72 s，具有代表的180°旋转需时4 s；垂直全程旋转需时2.7 s，180°旋转需时2.4 s。水平和垂直复位精度约为0.8°，即在10 m射距处偏离约为130 mm。水平和垂直旋转精度稍微有点差别：水平约有1.2°过量，而后又在1 s～2 s内复位；垂直几乎没有过量，但是出现稍微糟糕的滞后现象。笔者推测，这是施加在两个轴上的不同阻尼和平衡所产生的结果。

水平和垂直都采用配置有编码器和皮带传动机构的三相马达。以最快速度的运转是平稳的，但是以最慢速度运转时，则呈现一些较小的摇摆。对于染色灯，这一点是无关紧要的。

8 噪音

VLX总共安装了8个风扇，其中6个风扇安装在摇头中，用作LED冷却；而另2个风扇安装在机座中，用作电源冷却。一切都是为了温度的调控，按通常方式，风扇将随热负荷量而加速或减速。表2为笔者在所有器件都满功率运行时测得的噪音水平。

按通常的模式满负荷运作时，风扇的噪音是相当高的，但是用户也可以在配置的菜单中选择静音模式，此时最大功率将受到制约。在静音模式中，笔者测得最大光输出下降了30%，而来自风扇的噪音则降低了8 dB（A），即从48 dB（A）降至40 dB（A），这个变化非常有实际意义。

9 电子参数

VLX配置有自适应电源（100 V～240 V、50/60 Hz）,按通常模式，在4色LED通道满负荷运行时，该灯耗费电流11.2 A、功率1 290 W。

从通电或从DMX512控制通道发出重置命令算起，初始化时间是45 s。VLX在重置过程中表现良好，在开始运转之前会先行切光，在重置程序完成之前，它不再打开并发出光线。

表2 在所有器件都满功率运行时测得的噪音水平

10 电子设备与控制

电子设备被分配安装在灯具的各个部位。电源安装在机座中；用作3个马达系统——水平、垂直和光束扩散器的驱动器装置于灯弓臂内；7块LED驱动电路板围绕着LED及其光管被安装成一圈。每个LED模组都有驱动器，它们看来似乎不会同时运行（这进一步干扰了笔者测量PWM频率的尝试）。那些LED驱动器在高功率和高频率状态运作，它们被金属网所包围以屏蔽电磁干扰（EMI）。VLX提供LED显示和菜单系统，它提供通用的灯具功能和图形的选择范围。用作DMX512数据的电源和5针XLR进入机座两侧的连接通道。

11 结构

VLX的结构采用钢底架、塑注模盖板和用作机座的一对大型的铝压铸件（部分考虑了强度，部分考虑了电源的散热）的组合结构。打开盖板可直接进入该灯的基本结构，固定用户需要定期打开盖板以进行日常性的维护和清洁工作（磁性螺丝刀对重新安装是必不可少的）。笔者认为，散热器的窄小散热片需要清洁，清除表面上的污垢，以避免阻碍冷却系统的工作。然而，Vari-Lite公司的工作人员告诉笔者，如果这种情况确实发生了，该灯就会稍稍减速以保持安全运行状态。水平和垂直旋转都装配有锁定推压式开关，用来锁定传动机构。

通过本文，我们已初步了解了这款新型的LED灯具——Vari-Lite VLX染色电脑灯，它非常有趣，业已进入专业LED照明产品的采购目录。VLX提供了不亚于现有传统电脑灯的光通量，完全经得起与后者功能上的逐项比较。白光与采用传统光源的电脑灯相比，效率或许是低了一些，但是，在色光方面，尤其是高饱和度色光的光效率，它表现得非常优秀。相信用户在实际使用中还能不断探索出VLX的更多优点。