LED光源舞台灯具的光色调控实验

中国艺术研究院文化科研课题组

[摘要]记录和分析LED光源舞台灯具与传统卤钨光源的光色表现实验，验证白光LED灯具、彩光LED灯具和卤钨灯具不同的色彩特点。

[关键词]LED光源；舞台灯具；光谱；实验；色彩特性

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.08.008

引言

对舞台演出而言，LED光源灯具较卤钨光源灯具的光色变化多，可调控特性高。然而，对于灯光的使用者来说，过多的应用变化反而造成使用上的困扰，因此，无法有效将LED光源特性发挥到极致。LED光源目前最大的问题是：没有一套有效且完整的光色定量管理系统与之配合，以方便灯光师使用与控制；缺少对LED光源应用的正确认知，一些质疑LED光源的声音就随之产生；加上行业内已有多年使用传统卤钨灯具的经验，对其光色效果非常熟悉，更让LED灯具的光色效果倍受质疑。

如何能将LED灯具的光色性能完全有效发挥，并将LED灯具的光色与卤钨灯具的光色调整接近甚至更好，是一个值得探讨的问题。本篇实验报告如实记录了传统卤钨光源与LED光源灯具光色表现的实验过程，将实验测试过程与所得相关数据进行整合，力图对LED光源灯具的光色表现做出简洁明了的描述。

1 实验概述

目前，在国内推动节能降耗、环保用电的趋势下，剧场与演播厅等专业场所已经大量采用LED光源灯具，除了节能减排因素外，艺术照明中光色选择的多样性更是重要因素。国内LED舞台灯具已经成为生产厂家的主线产品，除特殊需求外，几乎很难再看到传统卤钨光源的舞台灯具的新产品开发。这里就LED光源在舞台灯具上的使用介绍，对本次实验的重点做简单说明。

（1）LED光源光谱与使用认知；

（2）相关基本参数定义与使用介绍；

（3）LED光源灯具色域变化与光色调控的定量依据；

（4）测试实验相关设备及其特性说明；

（5）LED光色调整的可行方式与光色调整结果。

本文力图通过现场取样测量与实验所得参数，呼应此行业的相关报告理论说明，得到尽可能翔实的验证结果。

2 LED光源光谱特性与使用的基本认知

光源的光谱是决定该光源使用特性的重要参数。光是电磁波，可以是单一频率，也可以是许多频率的组合，这一组合的模式叫做光谱功率分布（spectral powerdistribution，SPD）。

人眼可以观察到的光色是电磁波中380nm～780nm的光，颜色随波长的变化而变化；光是看得见、摸不着的，颜色只存在于生物的眼睛和大脑之中，影响明亮感知的除了颜色的色相，还有色彩的面积大小和其他视觉因素。正是人眼，才导致同样的物体在不同人眼中呈现不同颜色。因此，对于自己能发光的物体（例如太阳），人们能看到它的颜色，取决于它发射出的SPD和人眼的光色感度；而不能自发光的物体，就只能反射光线，此时物体的颜色，与光线的SPD有很大关系。阳光的SPD很全，照射出的草莓是红色的，因为它吸收了其他颜色的光，反射出红光。如果光源的光谱功率分布（SPD）没有红色，那么无论什么颜色光的照射，草莓都是黑色的，确切说应该是暗色的。

在舞台上，可以有以下两种主要的分类参考。

（1）照明用白光光源：适用于舞台成像灯等常规类灯具。

（2）特效用彩色光源：适用于舞台天地排、聚光等效果灯具。

光源在色彩使用分类上，有很明确的分类定义：以人的视觉感官来看，非白即彩、非彩即白。所以，其光色在不同应用上，也会有很清楚而不同的参数，通过实验，以其光源的光谱特性，以物理的意义做分类的定义说明。人工照明光源，其光谱的主要特征是具有涵盖红、蓝、绿各光谱波段的混合光源。其以显色指数作为白光评价的基准；而彩色光源与白光的定义是相反对应的，因此，彩色光源的光谱就以单一纯色波段光谱范围为主。一般常使用色相（Hue）及彩度（Chroma）作为其色彩光源的评价参数。关于其光谱的差异性，参考图1的光谱图形做比较就会更清楚。

LED光源为一典型的量子光谱（QuantumSpectrum）型光源，光谱范围窄光彩度（Purity%；Chroma）高的特性；此光谱特性适合作为光源调色的三原色光（RGB）源使用，可使用在光色直接相加的方式调整光色，减少光源不必要的损耗。

颜色有三个属性：色相、明度和纯度。在此，以自然的太阳光谱（A）作为参考来看：毋庸置疑，太阳光谱是最典型也是高显色指数的白光。此外，人工光源以卤钨灯黑体光谱（B）作为参考，以此光谱来看：同样也是具备一个作为白光光谱的必要条件，其也具有高显色指数特性。但以LED单色光源（C）及卤钨灯经过滤色器处理的光源光谱（D），在光谱的谱型上就很明显可以看出，其光谱范围比白光光谱波长范围窄，主要是在其特定的单色光波长范围内。特定的彩色光源，必须以色相及彩度的数据作为其评价参数。

光源的评价方式与光谱的参数有直接关系，对灯光师来说：了解一种简单的光源评价方式在实际舞台照明的应用上会有很大帮助。总体来讲：这些都是光谱与人眼视觉的关系。因此，建议灯光师应以该光源应用状况，选择其最适当的参数作为该光源的评价方式，如此才能使该光源发挥最大的光色效用。

3 相关基本参数定义与应用介绍

光谱是决定光源特性的重要技术参数依据，但是，在协助灯光使用者判断该光源光色应如何使用时，会产生许多技术性的困扰。为使光色特性判断更方便、更直观，产生一些协助判定的视觉光色参数；依据光源的特性，各种光色参数依应用不同的光源作分类，有图2中分类使用的区别。

以往使用卤钨灯的时代，因为卤钨灯是个近似标准的黑体光谱，其光谱的稳定性与重复性也较好，所以其光色不会随环境有太大的变化。因为是单纯的白光源，也没有其他光源可替代选择，因此其评价的方式也不需要太多：一般亮度单位及色温就足够完成相关的评价。相比之下，LED光源的光谱变化大，因此对于光源的评价需要更多的参数辅助；对于这些辅助评价的参数也要进一步了解相关定义，才能有效掌握所使用的光源特性。各项光色评价参数及相关的分类使用介绍与物理单位上的定义参考表1的说明。

光色评价参数里的重要概念：就是确定该光源是属于白光还是单（彩）色光源，在色彩学上有一个分类，如同以上所讲的非白即彩、非彩即白，这就要从光色的构成原理上作简单的说明。

由图3的三原色结构图，配上光色相加定则及光色相减定则来看，白光就是万色之源；不论是光色相加及光色相减，都必须要有白光的存在。因此，白光与其他单（彩）色光有明确的光色功能区别。好的白光必须要有较宽的光谱范围，满足物体色表面的显色完整度的需求；而其他单（彩）色光就必须表现光色的彩色鲜艳特质。即：白光与单（彩）色光在应用上有不同的任务要求，因此必须要有一个简单的方式去判定该光源是否白光？若不是白光，那就是单（彩）色光。这需要一个参数作为判别依据；在CIE的规范下，采用了相对色温参数作为判定光源是否白光的依据参数。因此，只要被判定光源的色度坐标没有进入相对色温的判定区域内，该光源就不会产生相对色温参数，参考图4。

白光依其色度坐标对照黑体及色温区间范围判定其K值大小，同时也依其相对色温值判定该光源是否属于白光。若是没有得到相对色温参数，后续显色指数就会停止对该光源进行判定。参考图5范例中的蓝光（深蓝802（常熟））其相对色温参数是0，也就是说：该光源色度坐标不属于相关色温判断区间内，所以该光源不属于白光，因此后续显色判定就停止进行。

深蓝802（常熟）灯光色片所产生的光色，是由卤钨灯透过颜色片产生的光色。其光色的色度坐标（x：0.1757，y：0.117）已经超出了色温区间的色度坐标范围，无法被视为白光而进行相关的显色指数的评价。

针对白光的评价方式必须要跟单（彩）色光的评价方式有区别，在此以图6现场试验测试结果的范例作为参考。

从以上两组光源：ETC（750W-26）及（FDL-EPL250-26B）的光色特性来看；都是属于一个相对色温3000K的白光，但两者问可以对比光谱的特性来看：ETC（750W-26）是属于传统的卤钨光源黑体光谱，而（FDL-EPL250-26B））的光谱是属于典型的LED白光光谱。一般在显色评价上，因为光谱的波长宽度及光谱波形变化等先天因素，LED白光光谱的显色指数表现都比传统卤钨灯光谱还要差。但目前在光谱材料的努力下：在显色指数表现上，两者已相当接近：ETC（750W-26）Ra：99.5、（FDL-EPL250-26B）Ra：97.7，此外在最新的IES TM30-15的评价上：（FDL-EPL250-26B）Rf.93.5Rg：100.6、ETC（750W-26）Rf.99.0Rg：99.6，同时若再配合显指R1～R15分布表，及TM30的光色向量图（Color Vector Graphic）来看；这两组白光在其显色的能力上基本没有太大的差异。白光是光色结构里的中心光色，因此，不能只以相对色温及平均显色指数这样的简单参数来评价该白光的特性，必须要综合参数分布及光色向量统计等评价方法，才能有效找到该白光的重要特性。

4 LED光源色域变化与光色调控的定量依据

卤钨光源灯具通过加装滤色片产生彩色光，但其透光率很差，蓝色滤色片透过大概只有4%～5%，90%以上都被滤色片挡掉或者吸收掉了。彩色LED光源的优势在于，需要颜色光时，可通过光色加减定则直接获得。若需要蓝光，可将绿、红色的LED光源关闭，只开启蓝光LED光源，光色的效率几乎没有浪费。本次实验主要针对LED聚光灯（FDL-J300L-X）的光色调控能力进行了解，进而调出灯光师常用光色。使该光源灯具在舞台上的光色变化调控，能够达到卤钨光源灯具配合换色器展现的效果。在进行色彩调控前，需要对该光源进行两项重要参数的确定。

A.LED光源色域变化：本次使用LED聚光灯（FDL-J300L-X）作为这次光色调整的实验平台，在使用该聚光灯调整光色前必须清楚，其可调白光与单（彩）色光变化能力。在此以CIEl931色度坐标空间作为其色域变化范围的基础，配合聚光灯（FDL-J300L-X）内建的七组高彩度LED光源，定位其色度坐标作为其色域范围，参考图7以七组单（彩）色光色坐标点内色域范围的形状大小，作为该光源系统可调光色的能力范围。

B.光色调控的定量依据：考虑以往舞台使用卤钨灯具光色的历史因素，确定LED聚光灯（FDL-J300L-X）光色调控有明确的光色调控方向。本实验团队决定初步先以卤钨灯（ADB C103）与11组换色器（新画佳光电子SB P64）所内建的11组换色片，作为本次聚光灯（FDL-J300L-X）的光色调整的目标光色，相关对应的光色如表2。

综合以上两项参数的确认，将其整合到同一色度坐标上进行评估。可以清楚地判定LED聚光灯（FDL-J300L-X）其光色变化色域可涵盖卤钨灯（ADB C103）与换色器所内建的11组换色片的色度坐标，确认具有准确调出此11组目标光色的能力，参考图8的比较说明。

5 测试实验相关设备及其特性说明

5.1 本次实验相关设备架构及检测的方式可以参考图9的详细说明

5.2 主要设备系统装备及功能

（1）调光台

本次实验是使用领焰Z2i，调光台功能主要是透过DMX信道控制光源变化。调试设备是七色可调LED光源灯具，因此需要7组DMX通道来进行调整。通过七色可调LED光源灯具内建的光脉冲驱动方式（PWM；PulseWidth Modulation）与DMX整合调光台控制光源变化，因此其调光的光色线性变化对于光色的控制会有直接的影响。通过这次实验，有机会了解到：七色可调LED光源灯具由调光台的设定输出，与其实际的光色输出是否达到其线性的吻合。

图10为本次调光器（Z2i）设定不同的输出与实际光源输出的光照度、光谱及光色信号的变化。

对光色调整要求：光输出要达到以下三点的线性变化：

（1）实际照度输出要与调光器设定输出成正比的线性变化；

（2）光谱的实际输出与调光器设定输出的光谱信号要保持一致；

（3）光色的实际输出与调光器设定输出的光色信号要保持一致。

很显然，由图10的结果可以看出；线性变化不如预期，这样的线性变化状况只能将其光源的变化通过照度计（光照度单位，1x）测试照度单位；作为七色可调LED光源灯具的变化指标参数。

（2）光谱式色彩照度计

因为LED光源光谱具有多样变化的特性，因此需要使用光谱系统来监控其光谱变化与光色改变的线性关系；同时，以上的调光台与七色可调LED光源灯具的光源控制无法达到使用上的线性要求，也必须用本光谱式色彩照度计作为光照度变化的参考指标。本次使用的MK350S系统，除了可以达到以上光谱测试要求外，其主机软件具有可直接进行光谱比对分析的功能和调色的实时修正能力，可以用最短的时间将需要的光色调出。

（3）灯具

A.聚光灯：本次实验选用灯具。

Ⅰ.卤钨光源聚光灯（ADB C103）结合11组换色器。本灯依照其换色器设定的变化，建立调整光色的目标。

Ⅱ.白光COB LED光源聚光灯（FDL-J200L）与11组换色器。评估该灯是否具有可调光色的能力，其准确性及效率。

Ⅲ.七组高彩度LED聚光灯（FDL-J300L-X）。评估该灯是否具有可调光色的能力，其准确性及效率。本灯也是LED光色调整的唯一平台。

B.成像灯：本次实验白光参数选用的灯具。

Ⅰ.ETC（750W-26）

Ⅱ.（FDL-EPL250-26B）

6 LED光色调整的可行方式与光色调整结果

在确认这次相关的实验结果前，这里先进行换色动作对比。

以白光COB LED灯（FDL-J200L）配合相同的11组换色器所内建的11组换色片进行换色，以卤钨灯（ADB C103）与11组换色器所内建的11组换色片进行相同的换色动作。图11是比较两者所产生的色度坐标上的差异。

在同样被动换色条件下：白光COB LED与换色器很明确没有机会调到同样光色，参考图11。这里最大的问题是出自于：两者基础白光刚好是完全不相同的光谱光源，若是要采用相同的换色片做光色调控，这里会因光色相减定则的减数差异，而产生不同光色，可以参考图12。

图12显示，分别以卤钨灯及COB LED白光做光色相减基础白光源，配合相同的换色片，并各自测量其CIEl931色度坐标上的差异，明显产生不同的光色。

在使用聚光灯（FDL-J300L-X）内建的7组高彩度LED作调色光源，因LED单色光的光谱具有各自独立主动的特性，因此，其调色须采用光色相加定则的方式做调色。只要确认目标光色在其光色变化的色域内，配合其所需的光谱变化，就可以将其目标的光色调整出来，请参考图13说明。

聚光灯（FDL-J300L-X）内建的7组高彩度LED光源作调色光源，针对表2所定的光色坐标目标，以光色相加定则方式比照图13的光谱调色方式，将所有光色坐标调出，并放在CIEl931色坐标系统做色差相比较，参考图14。

图14中，聚光灯（FDL-J300L-X）调色后的色度坐标，与卤钨灯（ADB C103）与11组换色器所内建的11组换色片的色度坐标相比较。确认聚光灯（FDL-J300L-X）可达到卤钨灯（ADB C103）内建的11组换色片的色度坐标的要求。

综合所有比较效果，请参考表3。在此表中可以确认三种不同类型灯源调控模拟光色对照精准度，及其输出光电转换效率。

参与比较的灯源有：卤钨灯（ADB C103）与11组换色器、七色LED聚光灯（FDL-J300L-X）与白光COB（FDL-J200L）聚光灯配合相同的11组换色器。

表3内的结果不出乎意料；只是以往有关研究报告，很少有提出这样具体的实测数据，让更多的灯光使用者明确了解可调LED光源特性。如上述各项分析：COB LED（FDL-J200L）在光色复制与模拟的相近程度，最少都有5%以上的光色差。有些光色的色差甚至可以达到15%以上误差。若使用COB白光LED灯具结合换色器做光色调控，所调光色的差异，给灯光师在营造舞台效果上造成了诸多不适应和困惑。

而七色LED可调色聚光灯（FDL-J300L-X）依照表3的数据，可以确认以下结论。

（1）模拟光色精准度高：在这次与卤钨灯（ADBC103）与11组换色器所内建的11组换色片模拟调色相比对，其光色差最多不会超过2%。同时，只要掌握在其色域内的任何光色，都可以被模拟，若能有持续的对应的光色产生出来，未来换色器有可能会被取代。

（2）光电转换效率高：七色LED可调色聚光灯（FDL-J300L-X）的光电转换效率，是卤钨灯效率的10倍以上；是COB LED灯效率的1.5倍以上。因此，未来在使用上，除了可节省用电外，扣除因电力产生的热排放，也相对会减少10倍以上。对大部分采用封闭式设计的剧场来说：减少灯具的热排放，就等于直接提高空调的节能效率，达到省电的效果。

在这些比较参数分析下，显然可控光色灯具的使用，会是未来在舞台上灯光调控光色的主流方式。根据这次实际调整光色的经验，使用可调色LED聚光灯在以实际投影照射面来看：七色LED可调色聚光灯（FDL-J300L-X）仍有可以改善的空间。参考图15。

综合来看，还有以下几点改善建议。

（1）长短波长光谱信号不足：这是LED光源特性，建议可以考虑加装白光LED等光谱范围较宽的组件，弥补其光谱波长的不足。

图16中，黄色光谱线是桃红212（常熟）在卤钨灯（ADB C103）与换色器所产生光谱波，其光谱范围在350nm～780nm；绿色光谱线是七色LED可调色聚光灯（FDL-J300L-X）模拟桃红212（常熟）在卤钨灯（ADB C103）的光色，其光谱范围是420Bin～720nm。

（2）光斑均匀性改善：从图15中的4组照片来看：这4组聚光灯有光斑不均匀的问题，应该是LED光源的高指向性的原因所造成的现象。光斑均匀性可使用扩散片等方式改善，其光源指向性会随之降低，这样可解决光斑不均匀的问题。

（3）亮度过高需要适当降低亮度使用：依照光色三要素（亮度、色相、彩度）来看，人眼因为光照度的高低变化差异，会影响到视觉上的光色判断的差异。因此，在实际与卤钨灯比较的使用上，尽量以相近较低的光照度值使用，以确保视觉上有相近的光照度做判定。

7 结论

本次实验以实测数据验证出以LED光源灯具调整光色的可行性，验证了业内多篇报告提出的光色复制（PLASA ANSI E1.54）与调整的可行性；新旧光源虽然在其发光的特性上有明显的不同，但两者在特定光色产生上有相同色度坐标的交集。LED光源在光色调整方式上为主动光色相加定则方式产生（参考图1与图3的说明）；在控制光色上更有效率。问题在不同的二极管芯片的光色发光材料光谱（色）变化控制上；未来需要整合以往卤钨灯与换色器产生的光色，建立相关对应的光色坐标数据；让灯光师在使用LED光源时，可延续先前常规的光色于实际舞台上使用.使LED光源的舞台灯具能够更有效率，更适应灯光师的使用习惯，未来能够在舞台上使用更多的光色变化。期望与业内同行进行交流，能对灯光师在LED灯具的光色运用方面起到些帮助，使得我国的LED舞台灯具能更加规范，促进LED灯具的成熟和推广。

（编辑 张冠华）