LED舞台照明灯具的性能测评研究

罗晓霞,刘 佳,荣浩磊

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司 光环境设计研究所,北京 100085)

1 引言

舞台灯光作为一种艺术照明，光源的亮度、光效、色温、显色性、调光性、光可控制和闪光特性都必须满足一定的要求。传统舞台照明通常采用卤钨灯做光源，耗能高、发光效率低，其消耗的电能95%都转化为热，使舞台演员在长时间的高温状态下产生疲劳感，影响演出效果。

LED光源借助其节能高效、色彩亮艳、可调光等优点[1,2]，正逐渐被舞台灯光设计师所接受，LED灯具进入舞台照明的全新发展时期。然而LED舞台灯具是一种新型光源的灯具，上市时间较短，还没有制定配套的标准，市场尚难以规范。市面上的灯具性能差异悬殊、鱼目混杂，舞台灯具的性能要求有哪些方面[3,4]，如何评判舞台灯具的优劣是一项全新的工作。灯具的应用效果及对观众的主观视觉感受是评价灯具优劣的重要因素，主观评估是舞台灯具验收中不可忽视的一个环节。本文从实际灯具验收角度出发，详细讲述客观检测与主观评估相结合的测评思路与方法。

2 测评工作内容与思路

灯具的测评工作包含客观和主观两部分内容，首先我们对灯具测评任务进行分解细化，如图1所示。客观包括安全、光学、电学、温度及噪声等检测工作，主要通过仪器来完成；主观评估项目包括光斑质量(边缘形态、均匀度)、调光性能、显色性，通过搭建实验场景、设计问卷及仪器辅助检测亮度或照度数据来完成。

测评对象为一款大功率白光LED成像灯，并选取相应光通量、光束角的卤钨灯为替代灯具参照，表1所示。

图1 测评工作分类及细分Fig.1 Classification and segmentation of evaluation work

表1 LED白光测评灯具的基本信息Table 1 The basic information of the evaluation white LED lamp

2.1 场景搭建

主观评估实验在暗室内进行，两种灯具分别设置成独立的隔间，将灯具按照实际使用场景进行放置，如图2所示。通过调节两种灯具的光输出，保证两者幕布上在有效光斑内的平均照度为200Lx。

图2 主观评估场景Fig.2 The scene of subjective assessment

2.2 问卷设计

问卷设计包含三部分内容：光斑质量、调光性能及显色性。在光斑质量与调光性能评估中，量表设定为5个等级，从-2到+2，其中，-2对应很差，0对应一般，+2对应很好。在显色性评价中，问卷设计为颜色偏好度和色差两项。第一项为颜色偏好度的评估，包括对水果、花朵、肤色的测试，表现为：-2对应非常不喜欢，0对应一般，+2对应非常喜欢。第二项为色差的评估，表现方式为：VL(Very Large)对应非常大，L(Large)对应大，M(Medium)对应中等，S(Small)对应小，VS Very Small)对应非常小。

实验选取12名被试，其中6男6女，年龄在25～35之间，均具有正常视力或矫正视力，且没色盲等其他眼疾，每位被试者均参与所有条件下的所有实验任务。

3 主观评估原理方法

3.1 光斑质量

就光斑质量而言，不同类型的灯具其优劣评判的标准不尽相同。比如天排灯或地排灯等用于照射天幕的大功率散光灯，其光斑要求照射面积大、灯具间光斑衔接均匀；聚光灯、成像灯等人物、造型照明用聚光类灯具，不能有花光斑现象，这类灯具光束比较集中，边缘的逸散光较小，亦光斑界限分明。考虑到人眼对亮度变化识别的有限性，主观评估中借助成像亮度计对亮度进行客观检测。

3.2 调光性能

由于LED光源发光响应速度极快，达到纳秒级，光亮度从一个数量级跃变到另一个数量级，都是瞬间完成，合理的调光对灯具的整体性能影响重大。PWM调光目前被认为是最有前景的LED调光技术，其中调光频率的选择直接关系灯具频闪现象的有无，尤其在灯具点亮起步阶段现象更为明显。本次评估中主要观察在调光过程中光斑的明亮变化是否线性输出、是否有闪烁现象。

另外，卤钨灯具在调光过程中由于电压的变化，会导致光源色温发生变化，电压偏高，光源的色温也偏高，电压偏低，光源的色温也偏低。然而PWM调光则可以保证LED始终工作在满幅度电流和0之间，光源不会产生任何色谱的偏移，能够保证灯具在调光过程中色温的恒定。采集不同状态下的色温数据，为主观评估提供客观数据的参考。

3.3 显色性

白光灯具的显色性是主观评估中的重要工作。在过去的数十年，国际照明学会( CIE) 制定的显色指数(CRI) 是最常用的评价颜色质量的指数。其最初的意图是为了评估荧光灯的显色性能，选取8种中低饱和度的色样来代表物体的平均色相，将这些颜色样品在测试光源与参考光源(太阳光和白炽灯)下做对比实验，通过计算对这8种色样偏差的算数平均值，从而得到CRI的数值。CIE规定了显色性的定义为：与参考照明体下的色相比较，一个光源对于物体色相所产生的效果。用于评价的指数即显色指数[5～6]。

基于LED新光源特殊的光谱分布，CRI计算方法存在的问题也日益凸显[5]。主要体现在：高的CRI数值不能保证实现好的饱和度色彩；对于能够增强颜色饱和度的光源，CRI的数值反而得到了“处罚”；当光源对其中某一个或某几个颜色实现较大偏差时，CRI的计算方法不能很好的做出反应。除此之外，CIE 在2007 年的技术报告中明确提出: 目前的显色指数CRI不能有效反映包括白光LED 在内的白光照明光源的显色性优劣[7]。

目前为止国际上尚未形成统一的光源颜色质量评价体系，但有一点可以肯定：人的视觉感受是光源颜色质量的决定性因素。美国国家标准技术研究所(NIST)研究的一套新的评价系统CQS(Color Quality Scale)，试图寻找一种能够衡量所有光源显色性的评价方法。CQS[8]相比于CRI有四点提高的地方：即选取15种高饱和度色样，扩大了色域(可近似代表所有物体的颜色)；计算公式改为均方根公式，对任意颜色的微小偏差，CQS数值都可以得到体现；选用CIELAB坐标系统，取代原来的CIE-uv坐标系统；考虑颜色还原性、色调区分度和颜色偏好度三种因素影响。虽然CQS评价方法目前仍有一定的缺陷，但是相比于CRI，前者对LED光源的评价有一定的改善，且考虑了人的视觉感受是其另一大进步。

因此，在本课题的研究中，我们借鉴色品质数(CQS)的研究思想[9～10]，设计主观评估分别观察所研发的LED白光灯具与对应的卤钨灯两种灯具颜色偏好度和色差两方面的特性。

色差实验采用MCC色卡即CIE 规定的用以比较待测光源与参考光源色差的标准方法。将两组色卡分别放置在两种灯具下观察，规定卤钨灯为参考光源，被试者观察LED灯具照射下色卡中的24对颜色样品，并对每一对的色差进行评价打分。

4 结果分析与数据处理

4.1 光斑质量

图3为LED灯具与对应卤钨灯具对比的照片，LED灯具的光斑边缘清晰，且无花光斑现象，基本可以达到卤钨灯的效果。图4为两种灯具对应的亮度分布情况，200W的LED灯具与750W的卤钨灯具相比，相同功率输出时LED灯具能够达到更高的亮度值，LED灯具替换卤钨灯具，可以实现节能效果。

图3 LED与卤钨灯具的光斑对比Fig.3 Compare to the spot between halogen and LED lamp

图4 LED与卤钨灯具的亮度分布Fig.4 The distribution of luminance of halogen and LED lamp

4.2 调光性能

在0～10S内灯具点亮起步阶段，光强由0～20%输出时，LED灯具未出现频闪现象，近乎线性输出；且在0～10s内，光强由20%～100%输出时，光斑稳定，未见花光斑现象。图5、图6分别为LED灯具与卤钨灯具在调光过程中的光斑变化情况及对应的亮度分布情况。主观视觉感受为：LED灯具仅表现为明暗变化，而卤钨灯具在功率逐渐降低的过程中，光斑逐渐发红。图7为实测不同调光时灯具的色温值。

图5 LED成像灯Fig.5 LED lamp

图6 卤钨成像灯Fig.6 Halogen lamp

图7 不同调光时色温值Fig.7 The value of Color temperature in different dimming

4.3 显色性

LED光源与对应卤钨光源的相关信息见表2。图8～图10是不同照明对象下的效果图片，为颜色偏好度的评估。图11是两种光源照射下MCC色卡的效果图片，体现对色差的评估。

表2 实验用光源相关信息Table 2 The information about the experiment source

图8 光源对水果的偏好度评估Fig.8 The color preference experiment to fruit of different source

图9 光源对花朵的偏好度评估Fig.9 The color preference experiment to flower of different source

图10 光源对肤色的偏好度评估Fig.10 The color preference experiment to skin of different source

图11 光源对MCC色卡的色差评估Fig.11 The aberration experiment to MCC color chart of different source

4.4 数据处理

将各位被试的问卷进行汇总统计，并通过专业数据分析软件，对两种类型灯具进行均值和方差的计算。图12为LED灯具与卤钨灯具在光斑质量、调光性能和颜色偏好度评估中的均值比对图，其中题目1、2为光斑质量，两者基本相当；题目3、4、5体现调光性能，LED灯具表现出优越性能；题目6、7、8为光源颜色偏好度的评估，数据显示卤钨灯具照射时物体色彩更受喜欢，但是差距不大。

图12 LED灯具与卤钨灯具均值对比表Fig.12 The comparison of mean value between LED and Halogen

图13为对MCC卡中24种色样的色差评估结果，可见LED灯具的色差范围均位于“M”与“S”之间，色差偏小，基本可达到卤钨灯具的显色性能。

图13 LED灯具对MCC卡色差的统计表Fig.13 The Statistical table about aberration experiment to MCC color chart of LED source

以上分析表明：新开发的LED白光灯具能够实现对应卤钨灯具的光斑效果；LED灯具在调光过程中可实现平滑调光，且在调光过程中色温基本保持一致；LED灯具的显色性在偏好度和色差评估中均表现较好的效果。

5 结论

本文以实际开发的灯具为例，讲述了LED舞台灯具测评工作，包含主观评估和客观参数的测试工作。从光斑质量、调光性能和显色性三方面讲述主观评估的测评方法，并在显色性的评估中引入颜色偏好度，更符合观众主观感受。通过专业分析软件对评估结果进行统计分析，结果科学可靠。LED灯具与对应卤钨灯具的对比测评，旨在给出一种验证新研发的LED灯具能否替代传统卤钨灯具的方法，在实际工程操作中具有实用价值。

[1] 马路，钟馨磊. 舞台灯光设计中的光色运用.演艺科技，2012.

[2] 汤孝楣. 舞台影视卤钨光源的现状与改进.灯与照明，2003.

[3] 中国演艺设备技术协会演出场馆设备专业委员会. 演艺灯光技术发展报告·LED舞台灯具篇, 2013.

[4] 柳得安. 舞台灯具性能与功能测评.演艺科技，2011.

[5] 程雯婷，孙耀杰，童立青，林燕丹.白光LED 颜色质量评价方法研究.照明工程学报，2011.

[6] 迈克.伍德，柳得安. 显色指数CRI与色品质数CQS.演艺科技，2010.

[7] CIE Technical Report 177: 2007. Color rendering of white LED light sources，ISBN 9783901906572.

[8] Wendy Davis, Yoshi Ohno. Development of a Color Quality Scale.

[9] Wendy Davis，Yoshi Ohno. Towards an improved color rendering metric，Proc. of SPIE Vol. 5941 59411G.

[10] Nicolas Pousset, et al. Visual experiment on LED lighting quality with color quality scale colored samples. CIE 2010: Lighting Quality and Energy Efficiency, 2010.