LED照明灯具在电视演播室应用研究（下）

王京池

（中央电视台 技术制作中心，北京 100859）

5 主要实验结果与分析

5.1 实验室实验结果分析

5.1.1 灯具光电参数

5.1.1.1 实验结果统计

根据实验室对实验灯具的测试结果，归纳整理出灯具参数统计表，见表9。

5.1.1.2 实验结果分析

通过分析表9、图10的实验结果和常规实验记录数据，对灯具的客观参数指标归纳总结如下：

（1）灯具色温基本能够达到3 200 K的要求，但有的灯具超出误差±150 K的范围。

（2）灯具显色指数有的较低，小于85的要求。

（3）柔光灯具光效普遍较高，都大于25 lm/W。

（4）因技术水平和生产工艺的差别，灯具能效存在较大的差异，有的聚光灯具能效太低，达不到节能效果。

（5）灯具的功率因数，除进口灯具外，都大于0.94。

（6）不同厂家的灯具在同一测试距离的照度差别很大，在6 m处测量，柔光灯照度低的仅为45 lx、高的为249 lx，相差5倍多；聚光灯在聚光状态下照度低的为462 lx、高的为1291 lx，相差近3倍。

（7）好的100 W LED聚光灯与传统1 000 W聚光灯比较，在同一测试距离的照度差别很小。如LED聚光灯：1 291 lx，卤钨聚光灯：1 319 lx。

5.1.2 调光状态下色温变化测试

5.1.2.1 数据采集整理

对于LED灯具调光过程色温变化，本次实验共选取7个型号，每种2个灯具，由于聚光灯可变光束角，分别在最小光斑（聚）和最大光斑（散）两种状态下测试。测得数据整理后如表10所示。

注：表中由于卤钨灯调光10%时色温太低，低于所用CP-200照度计的最低色度测试值，因此在上述0-1、0-2号灯具的10%一项数据实际是用20%的值替代。

将上述数据分柔光灯和聚光灯与卤钨灯对比，制出图表如下，见图10、图11。

5.1.2.2 数据分析

由上述图表可以看出：

（1）调光过程亮度由100%下降到10%，LED灯具除了6-2灯色温变化较大（最大达到183 K），其余均小于60 K，符合电视节目制作色温稳定性的要求。

（2）由于LED是内部电子能级跃迁发光，调暗时电流减少，各能级基本不变，因此，发射光波频率变化很小，色温也基本不变。

表9 实验灯具参数统计表

（3）调光亮度下降过程，LED灯具色温有升有降，是由于LED管的蓝光频率和荧光粉峰值转换频率的匹配决定，但是结果色温差异很小，对使用影响极小，可忽略。

（4）传统卤钨灯的色温在调光过程变化很大，调光亮度由100%降到20%时，色温下降值均在700 K以上。因为钨丝灯光本身是热发光，调暗时灯功率下降，灯丝温度降低，色温自然降低。

（5）LED灯具调光时色温几乎没有变化，而卤钨灯在调光到10%时，色温已下降了35%。由此可见，与卤钨灯相比，LED调光时色温的稳定性具有很大优势。

5.1.3 温度对灯具性能的影响

5.1.3.1 高温实验结果

以4号、6号和7号灯具为例，列出色温和照度随温度变化的曲线，见图12、图13、图14。

5.1.3.2 实验结果分析

从测试曲线图中可以看出：

（1）当环境温度升高时，光输出降低，色温升高或降低。

（2）从高温实验的结果看，在40℃～50℃的环境温度下，散热设计合理的LED灯具的性能变化不大，可以满足使用要求。

（3）高温破坏性实验表明，只要设计合理，灯具不会因演播室温度过高而失效。

（4）高温实验前后，灯具的显色性能基本不变。

5.1.4 灯具照度长期稳定性

这里列出具有代表性的2号（平板柔光灯）和4号（聚光灯）灯具的长期稳定性记录。图15为使用大功率LED模块的4号100 W聚光灯具在连续点亮197天（4 728 h）的光衰曲线图。图16为2号平板柔光灯在老化实验室（温度45℃～50℃）连续点亮74天（1 776 h）的光衰曲线图。

表10 调光过程色温变化表

通过对上述图表分析，可以得到如下实验结果：

（1）4号聚光灯在常温下连续点亮4 728 h，灯具照度输出几乎没有变化，从趋势图上看，光衰变化也不到1%。

（2）2号平板柔光灯在老化实验室连续点亮1 776 h，光衰仅有1.3%。

（3）这两款灯具的光通量输出是相当稳定的。

5.1.5 光辐射对人体皮肤的影响实验结果

5.1.5.1 照射前后皮肤颜色L*a*b值的变化

分别比较照射前、后反映皮肤颜色指标的L*a*b值的变化，结果照射前后的L*、a*、b值均无统计学差异（p>0.05）。

5.1.5.2 照射前后皮肤颜色M、E值的变化

分别比较照射前、后反映皮肤颜色指标的M、E值的变化，结果照射前后的M、E值均无统计学差异（p>0.05）。

5.1.5.3 照射前后皮肤角质层含水量的变化

比较照射前后皮肤角质层含水量的变化，两者之间无统计学差异（p>0.05）。

5.1.5.4 照射前后皮肤TEWL含水量的变化

比较照射前后皮肤TEWL的变化，两者之间无统计学差异（p>0.05）。

5.1.5.5 实验结果分析

在本实验中采用电视台演播室实际使用的LED灯具，模拟主持人在实际工作中接受的照射剂量——照度2 800 lx，照射时间15 min，每天照射一次，连续照射30天后：

（1）皮肤颜色未发生明显变化；（2）皮肤角质层含水量未发生明显变化；（3）皮肤经皮水分流失未发生明显变化。

5.1.6 电磁干扰测试结果

以1号灯具为例将测试结果整理如下。

5.1.6.1 无线电骚扰特性测量

（1）传导骚扰电压测试

灯具的电源端频率为9 kHz～30 MHz范围内传导骚扰电压（准峰值），见图17。

（2）辐射电磁骚扰测试

频率为9 kHz～30 MHz范围内的辐射电磁骚扰测试。

根据GB 17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》，灯具应在3个互相正交的环形天线系统中测试，每一环形天线分别测试辐射电磁骚扰，图18是其中水平环形天线测试的辐射电磁骚扰值。

以上测试是在全功率的42%左右（控制数据为十六进制6C，最大值为FF）、无线电骚扰最大时的测试数据。根据上述测试数据，1号灯具的电源端的传导骚扰电压和辐射电磁骚扰，达到国家标准GB 17743-2007的要求。

5.1.6.2 谐波电流测量

在各个调光值中找到谐波最大时的测试数据见图19。

根据以上测试数据，1号灯具的谐波电流达到GB 17625.1-2003《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流镇≤16 A）》的要求。

5.1.7 灯具的节电性能

5.1.7.1 节电量统计

在演播室录制实验中，分别用传统灯具与LED灯具搭建测试场景，并记录使用灯具数量，在达到基本相同的照明效果情况下，测量实际用电情况，实验记录见表11和图20。

5.1.7.2 灯具节电性能结果分析

从表11中我们可以得到LED灯具节电的具体数值。

（1）用实测值比较：

取三场平均用电量：（0.8+0.7+0.45）÷3=0.65（kW）

实测节电率：（5.6-0.65）÷5.6×100%=88%

取三场中最大用电量比较：（5.6-0.8）÷5.6×100%=85%

（2）用灯具额定值比较：

取三场平均额定值：（1.2+1.176+0.765）÷3=1.047（kW）

额定节电率：（5.32-1.047）÷5.32×100%=80%

（3）得出结果：用LED灯具节电能够达到80%以上。

5.1.8 灯具频闪实验结果分析

（1）PWM频率是摄像机快门频率的整数倍时，图像不闪烁。

（2）对于场频为50的摄像机，PWM频率是50的整数倍时，图像不闪烁；但由于频率误差会带来以差频为频率的极低频闪烁（呼吸现象），PWM频率较低时比较严重。

（3）常态（电子快门关闭）时，PWM频率大于1 200 Hz；电子快门60 Hz时和电子快门75 Hz时，PWM频率大于2 000 Hz；电子快门84.98 Hz和电子快门100.1 Hz时，PWM频率大于3 000 Hz；图像不闪烁。

（4）PWM频率高于30 kHz时，图像不闪烁。

表11 不同场景用电量统计表

5.2 主观评价结果与分析

5.2.1 灯具使用性能专家评价

5.2.1.1 灯具性能主观评价统计

根据专家在演播室实际使用情况的评价打分情况，归纳统计结果见表12和图21、图22。

5.2.1.2 灯具性能评价结果分析

根据实验数据分析和专家的主观评价，对灯具的使用性能评价归纳总结如下：

（1）专家对灯具外形结构基本满意，但个别灯具存在过重、过大问题。

（2）专家对灯具的光斑质量比较满意。

（3）除个别灯具外，参加实验的灯具大都很好地解决了眩光问题，满足演播室的使用要求。

（4）专家对不同灯具操作功能的评价不同，有些灯具没有杆控机构，需要增加；有些灯具虽然配有杆控机构，但性能很差，需要改进。

（5）因聚光灯具光源结构不同，有的聚光灯具使用多光点阵列光源存在遮扉不能控光的问题，对使用效果影响较大。

5.2.2 电视图像色彩还原主观评价

5.2.2.1 演播室现场评价统计

根据演播室现场10位专家的评价打分情况，统计结果见表13。

表12 演播室现场灯具使用性能评价统计表

表13 现场专家评分统计表

5.2.2.2 主观评价室评价统计

因篇幅的原因，这里只统计了6个场景中人物1。根据主观评价室10位专家对人物1的评价打分情况，统计结果见表14。

5.2.2.3 图像色彩还原评价结果分析

分析实验数据表明，LED灯具对图像色彩还原的主观评价归纳总结如下：

（1）LED灯具照明人物的色彩还原，与传统灯具比较还稍有差距，但能够得到让人满意的还原效果。

（2）LED灯具的显色性与传统灯具一样，都对还原有一定的影响。

（3）高色温与低色温录像对色彩还原区别不大。

6 结论和建议

6.1 结论

（1）LED灯具节能效果显著，在演播室使用比传统灯具节电80%以上。

（2）长期稳定性实验表明，LED灯具的光衰较小。

（3）LED灯具照明下电视画面色彩还原主观感觉良好，显色指数Ra≥85的LED灯具，电视画面色彩还原佳，完全满足电视台演播室灯光对色彩还原的要求。

（4）LED灯具调光过程色温稳定，变化很小，远优于传统的卤钨灯具，长期工作色温变化很小，稳定性很好，可以满足演播室使用要求。

（5）当环境温度升高时，光输出降低，色温升高或降低。从高温实验的结果看，在40℃～50℃的环境温度下，散热设计合理的LED灯具的性能变化不大，可以满足使用要求。

（6）在LED辐射光照射下，人体皮肤颜色未发生明显变化，皮肤角质层含水量未发生明显变化，皮肤经皮水分流失未发生明显变化。

（7）LED灯具工作时会产生一定程度的无线电骚扰和谐波，但只要在灯具中配置优质的电源装置，电磁干扰可以控制在标准许可的范围内，符合相关标准的灯具不会影响演播室其他设备的正常工作。

（8）LED灯具PWM频率只要避开一定范围，就不会产生电视图像闪烁问题。

（9）色差是在LED灯具应用中影响使用的重要因素，应加以消除。通过对两种实际使用的LED聚光灯的分析研究，经过消色差处理，LED灯具可以消除色差满足使用要求。

（10）更换LED灯具光源时，需要专业技术人员操作。

（11）全部使用LED灯具的演播室不需配置调光器，简化了系统的配置，提高了演播室灯光系统运行的安全性，并改善了演播室的工作环境；演播室的初期投入会有所增加，但节省了运行和维护费用，使整体成本下降。

表14 主观评价专家评分统计表（人物1）

6.2 建议

（1）LED灯具能够满足电视演播室人物照明色彩还原的要求，可以推广使用。

（2）对进口灯具和国产灯具测试表明，国产灯具的性能可以满足演播室照明的要求，建议优先选用国产品牌。

（3）对比原先使用的卤钨光源灯具，同型号的LED灯具色温离散性并不明显，但是不同厂商的产品之间还是有些差别，需引起足够重视。

（4）目前国内LED灯具生产厂商众多，产品质量良莠不齐，用户在选择灯具时需要严格把关，以保证灯具性能的一致性和稳定性。

（5）LED光源显色指数不必达到85就可正常色彩还原，需要制定演播室对应LED灯具的相关标准。

（6）不同品牌的灯具热稳定性能差别较大，用户选购时应慎重。

（7）采购LED灯具时，应在电磁干扰方面严格把关，供货方应提供相关标准的测试合格报告。

（8）LED灯具作为新型灯具，目前相关国家标准中检测规定不太明确，建议尽快制定相关标准，并明确对电磁干扰方面的质量指标。

（9）电视演播室摄像中，如需使用高速电子快门，灯具PWM频率应不低于30 kHz；如不使用高速电子快门，LED灯具可适当降低PWM频率，但应选择PWM频率为50（PAL制）或60（NTSC制）的倍数，最好选择50和60的公倍数。

（10）灯具的维护应制定相应的规范和标准；在演播室中要有备份LED灯具或者备用光源模块；要加快推进LED灯具模块化标准化设计，建议厂商生产易于维护的灯具。

（11）采用LED灯具后，建议演播室灯光的设计用电容量降为原来的三分之一或更低。

（12）建议生产厂家加大投入，研发适合在大中型演播室使用的LED照明灯具。

结束语

“LED照明灯具在电视演播室的应用研究”项目在行业内引起广泛关注，为电视演播室中使用节能环保的LED照明灯具提供了科学依据，打消了用户以前的种种顾虑。一年多来，研究结论得到进一步实践验证。中央电视台的229 m2和150 m2演播室等多个演播室已采用LED灯具，并已确定新址演播室一期工程24个演播室中全部采用LED照明灯具。

实践证明，LED照明灯具真正体现了节能环保、光效高、寿命长、无红外辐射等优点。LED光源色温稳定，显色性良好，完全能够满足电视节目制作的要求。