舞台灯具技术的发展与趋势

蒋伟楷　彭颖茹　林永强　唐露新

【摘要】以国际灯光博物馆的收藏为主要依据，根据光源类型，分析火焰光源、电光源和节能电光源舞台灯的历史和发展状况，介绍舞台灯具技术、内外结构和光路，重点分析舞台灯具的各个时期电光源和节能电光源的性能特点，介绍相关功能的控制技术，最后对舞台灯具的发展趋势进行分析。

【关键词】舞台灯光；火焰光源；电光源；LED

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.07.001

1引言

舞台灯光与音乐、布景、服装、道具、化装等相互配合，让观众享受完美的舞台综合艺术。舞台灯光起初只是用于舞台照明，调节光的明暗度和照射距离，现在发展到明暗变化、动感图案、多彩图案、3D立体等效果。灯具的功能和控制技术在不断创新进步，传统模拟控制已被数字化、智能化、网络化的控制所替代。为了达到安全、高效、节能、降低成本和丰富多彩的效果，舞台灯具不断创新和优化，采用新的光源、灯体结构和光路设计等。

最早记载的舞台灯具起源于15世纪欧洲，“广州浩洋国际灯光博物馆”珍藏了500多件舞台灯具实物，这些藏品包括从15世纪到当代的舞台灯光书籍和产品。据记载，15世纪在西方剧场内开始使用蜡烛进行演出照明，但是蜡烛照明有油烟且不够明亮，无法满足当时豪华舞台演出要求。1783年，瑞士化学家艾梅-阿尔干（Ami Argand）发明了阿尔干油灯，比传统蜡烛亮10倍，当时只有王公贵族才买得起，后来才逐渐普及。作为原始舞台灯具光源，蜡烛和油灯虽然基本满足舞台表演照明需要，但由于产生浓烟和刺鼻的味道，18世纪电灯发明后逐渐退出舞台灯光的历史。卤钨灯、高强度气体放电灯（HID）、金卤灯等电光源的发明，更好地满足舞台灯光的需要，但是也存在耗能大、发热、寿命短和安全性差等缺点。近年来，节能、环保理念深入，耗能低、发热少的LED光源逐渐地显露出优势，随着功率提高、光电转换效率和色度等性能改善，LED舞台灯得到迅速发展。本文主要从灯具类别、灯体结构、舞台灯光源与光学特性、控制技术等方面介绍舞台灯具的技术发展历程和发展趋势。

2舞台灯具光源的发展及其光学特性

舞台灯光发展一直与光源密切相关。新光源的发明对人类照明贡献巨大，也极大地推动了舞台灯光的发展。

2.1火焰光源

火焰光源时代是以蜡烛、油灯、气灯为代表的时代。在18世纪后期之前，蜡烛是舞台灯光最普遍的光源，带来舞台灯光设计的突破，形成了舞台脚光、侧光为主的灯光设计体系，为现代舞台灯光灯位设计提供了实践基础。但是蜡烛照度低、成本高、污染环境。后来，光效大大提高的阿尔干灯出现，油灯开始真正普及用于舞台。随后发明的气体火焰灯是人类利用火作为照明光源的最高水平，这种气灯能够充分燃烧使光通量更大。

15世纪后期，蜡烛就应用在西方剧场演出中，在1580年～1618年期间，意大利的奥林匹克剧院和法尔内塞剧院内，首先在演出过程中将蜡烛悬挂在布景的街道、塔楼和屋顶之上。由于演出需要，后人想出各种附加装置来增加蜡烛灯具的功能，如调节光的明暗度、颜色、方向等。1640年出现的反光灯——在锡制的反光板前面放置蜡烛，这样烛光在照亮演员时不会直射到观众——为后来演出光源的隐藏开了先例，如图1（a）所示。1640年出现聚光灯——在三块围起来的镜子中间放置蜡烛，利用镜子的反射原理将光效聚集，大大提高了烛光效率。但是，蜡烛烟雾大、气味浓、光效低、照明距离短，人们极力寻找新的舞台光源。18世纪初开始出现油灯，但最早期的油灯以敞开式为主，燃烧时会产生较浓的雾和气味，很长一段时间都没能取代蜡烛舞台灯。1783年阿尔干灯出现，蜡烛才逐渐退出了舞台。图1（b）所示为阿尔干灯，在油灯外加装玻璃灯罩，并配用空芯灯芯，光效比传统敞开式油灯提高10倍；同时，大大减少了烟雾和气味，改善了演员的演出环境和表演效果。

18世纪末到19世纪初，光源变化迅速，1784年，煤气开始在欧洲作为照明燃料使用；1792年，威廉·默克多（William Murdoch）发明了气体火焰灯，自此舞台灯光光源进入了气灯时代。1803年，第一个开放式的煤气燃烧器在伦敦兰新剧场首次使用。气体火焰灯相较于油灯光通量更大，亮度更强，且由于携带有储气罐，因而能提供更长的照明时间，图1（c）所示是一种通过化学反应产生可燃气体的气灯。除此之外，有些气灯不像蜡烛和油灯那样整个装置都是独立的，为了提高灯的续航能力，会预先把可燃气体装在气囊里，通过人工改变挤压气囊的力度能调节光的亮度和距离等。

2.2传统电光源

传统电光源时代是以白炽灯、卤钨灯、气体放电灯为代表的舞台灯时代。1879年，爱迪生发明碳丝白炽灯开创了人类电光源照明新时代，图2（a）所示为碳丝白炽灯。1901年美国GE公司William D·Coolidge研制出钨丝白炽灯，大大提高了光效和寿命，图2（b）为10 000 W的钨丝电影灯泡，是目前最大功率的舞台灯泡，其功率大、发光强，价格昂贵。白炽灯发热温度高、寿命短，难以满足舞台需求。1956年，美国GE公司发明卤钨灯，令灯泡的体积大大缩小。荧光灯标志节能光源出现，最初荧光灯采用卤粉材料，性能一般。1974年，飞利浦研制了稀土元素三基色荧光粉，发光效率、显色指数和色温都比较高，这种荧光灯节能效果显著，但荧光粉价格昂贵。图2（c）为气体放电光源的金卤灯，具有高显色性、高光效和长寿命的特点，在多种照明灯具中得到广泛应用。

1881年，英国物理学家和化学家约瑟夫·威尔逊·斯旺发明了世界上最早的白炽灯舞台灯，并应用在英国萨博伊剧场，这是世界上第一座完全靠电来点亮的剧院和公共建筑。图3是使用钨丝白炽灯做光源的回光灯。白炽灯光色柔和且价格便宜、电路简单，但效率低、发热高、寿命短。20世纪50年代后期出现的荧光灯具有光效高、发热温度低等优点，但不能调节明暗度，不利于舞台灯具功能设计。后来出现光效高、色温高、显色性好的高强度气体放电灯，广泛应用于舞台灯具，如图4所示的光束灯。舞台灯光需要根据演出要求做到渐明渐暗、突明突暗的变化，而作为第二代和第三代的荧光灯和高强度气体放电灯都无法做到即开即关和渐明渐暗。目前，以高强度气体放电光源为基础的电脑灯虽然采用机械调光的方法解决了渐明渐暗的要求，但是在演出中一直点亮光源，所以节能效果不佳。图5是20世纪80年代的聚光灯，用卤钨灯做光源，视距离调焦。

2.3 LED光源

1962年，LED光源问世，但当时的LED光效不高，只能用于做指示灯，都无法用于交通灯。直到20世纪末，LED光源开始用于照明，使人类照明产生了显著进步。高显色性、高光效的氙灯和金卤灯等气体放电光源在舞台影视照明中优势独特。金卤灯于20世纪60年代问世，其原理是将金属卤化物充人电弧管内，利用金属原子电离激发发光，是一种接近日光色的节能新光源，效率高、色温高、显色性好，目前广泛应用于舞台影视照明。近年来，半导体照明显现出独特的优势，LED的光效高、调光性能好，初期单体功率小、光通量不大，无法用于舞台灯。图6是常见LED光源模块，舞台上常用的单台灯具功率从几百瓦到几千瓦，光通量达到几千流明至几万流明。为了满足舞台灯具所需光通量要求，光源专家不断研发多颗LED模块，LED模块从单基色、四基色，再到现在的七基色，所有可见光光谱都有对应的LED发光，图7为七基色LED光源。现在单个功率达上百瓦的灯泡，舞台灯功率可以达数百瓦至上千瓦。图8为OLED照明示例，1987年美籍华裔教授邓青云发明OLED。OLED具有自发光特性，采用非常薄的有机材料涂层和基板，当电流通过时，有机材料发光，且OLED显示屏可视角度大，更加节省电能，但是它是一种面光源，目前功率和光效都较小，近期难以作为舞台灯光的新光源。

近代技术创新一直围绕新型节能光源以及机械、控制技术展开，先后发明高压钠灯、金卤灯等。高压钠灯光效虽高，可惜显色性太差，尚未见应用于舞台灯具。金卤灯的发明使舞台灯光效、寿命和控制技术有了显著提高。20世纪60年代初，第一只LED灯诞生，同样亮度的LED灯耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长10多倍，具有色彩丰富、节能、重量轻、温度低、寿命长、安全性高等优点。图9是世界第一台LED摇头灯，192颗20 mW LED，图10所示为世界第一台无限方向旋转的LED摇头矩阵灯。虽然，LED舞台灯具价格偏高，但由于这种灯具的效果更好，并且可以起到一种渲染舞台感染力的效果，让舞台表演者看起来更加具有魅力，所以特别适合应用于舞台灯光。当然，LED用作舞台灯具也具有一个很大的弱点，即单体功率小，为了达到舞台灯具所需要的大光通量的要求，LED舞台灯具大多采用大功率的LED或LED集成模块。另外，LED光谱的完整性在不断增加，图11是一种七基色LED模块的舞台灯具，所有可见光光谱都有对应的LED发光，可以直接控制几种基色的LED不同亮度配色舞台彩色，不需要传统灯配的滤色片和换色器。

2.4光学特性

蜡烛、油灯、煤气灯等早期使用的火焰光源都是全色光，且光效很低。现对不同电光源的光学特性进行分析，从表1分析可知，白炽灯光效最低、寿命最短，但显色指数高于其他大部分光源；高压钠灯显色指数最低，不及白炽灯1/4，但光效次高；这些节能灯泡中只有金卤灯和LED灯较适合作为舞台灯。LED灯虽然显色指数不算最好，但单灯消耗低，发热温度低，LED色温范围较广，能发出从红外光到紫外光任意颜色光，整体性能最优。舞台灯在大功率情况下使用，实际寿命远小于表1标明值，例如一般金卤灯寿命750 h，飞利浦铂金光源可达2 000 h。

3舞台灯结构的发展

舞台灯具按照光学结构可分为投光灯具、散光灯具、效果灯具三大类。投光灯具包括各类聚光灯、柔光灯、追光灯、回光灯等。能发出定向光并能控制光区范围，一般是用折射原理，通过透镜投出不同的光斑。散光灯又称为泛光灯，漫射光线柔和、均匀，可作为影视表演或观众席的背景照明。广泛适用于舞台脚光、天幕、衬底布光或染色，用来做辅光和顶光。主要包括散光灯、天幕灯、演播室冷光源等。舞台效果灯可以投射出多彩光束效果、各种所需图案，提供现场灯光频闪效果，可以实现混色、旋转彩虹、频闪、雾化、柔光、重影、自旋和色彩校正等多种特效，还可以用于人物和景物各方位照明。效果灯具包括光束灯、成像灯、频闪灯、激光灯、投景幻灯、天幕效果灯、电脑灯等。

不同光源、不同功能的灯具其内外结构都大不相同，以下从灯体内外结构两个方面进行叙述。

3.1灯体外部结构

舞台灯具结构决定了其机械性能、散热、强度、噪声、重量等要素。随着光源和机电控制技术的发展，灯体结构也在不断变化，其外观专利也是最多的。

最初，火焰类舞台灯具功能不多、结构简单，多为铜质金属结构。电灯的简洁高效使得舞台灯光束、色彩和图案丰富多彩，如回光灯采用组合式金属反射器，具有射程远、照度高、光质硬的特点；光束灯的独特小口径杯泡设计和精确的焦距定位，使得其光效利用率极高。传统舞台灯具功能较多、体积大，为减轻重量，后来采用塑料外壳，内部则根据受力要求，采用钢、铝合金等材料。千瓦以上的舞台灯具的材料主要有钢材、塑料、铝合金。在考虑满足灯具的总体功能的前提下，设计灯的结构模型，分不同部位，采用不同的材料。LED光源使得舞台灯结构发生很大变化，体积小、温度低、噪声小，安装和控制更加方便。

随着现代工艺技术的发展，灯体机械性能越来越好，主要体现在不变形、耐磨损、耐腐蚀、抗震、抗压等。室外灯还有防水、防尘、防静电、防潮等要求。

3.2灯体内部结构

早期舞台灯具是直线光，但经后人对光路的设计，发明出了各种不同光线路径的灯具，例如，利用反射原理制成了反光灯、利用透镜的聚焦原理制作成聚光灯等。电光源时代使舞台灯具的光路发生了重大变化，从最初的调节光通量的大小到改变灯具光的颜色，再到改变灯具的图案和通过切割光斑来变换不同图案，其内部结构也变得越来越复杂，功能更加强大。三大类灯具中，效果灯具功能最多、最复杂，也最能体现舞台灯光的技术。图12是目前常用的舞台效果灯具光路原理结构示意图，按光传播方向，由光源、透镜、CMY色片、光圈、图案盘、色片盘、棱镜、调焦透镜、雾化镜以及镜头等组成。光圈用于调节出光量的大小；图案盘是一种上面刻有图案的金属或玻璃，两个电机分别控制图案片切换和图案片的旋转；色片盘的驱动原理与图案盘类似，调焦透镜用于调节焦距；而雾化镜用于产生均匀和柔和光斑的效果。如今的LED舞台灯具已不再使用色片盘，因为其采用灯内几种基色的LED不同亮度配色来产生舞台需要的各种色光。

4舞台灯控制技术发展

实现舞台灯光丰富多彩的效果，需要有精密灵巧的控制机构和相应控制。从手工到机械控制，到近代的机电控制，再到现在的计算机与网络控制，控制技术在不断变革发展。

4.1机械控制

火焰光源时代的蜡烛、油灯和汽灯的控制大都是人工方法和机械式调节。17世纪的萨巴提尼调光器是利用绳子移动遮光罩在光源上实现对光源明暗度调节，在电气时代，长期采用变压器调压，但是一般都用人工控制，速度慢、设备笨重、效率低，因此机械式调光效果差、耗费人力。

4.2机电控制

电光源时代后期，电子技术发展迅速。舞台灯控制也趋向于电子化，初期电子控制是模拟的，如图13，为早期的电阻调光器，虽然能够弥补机械调光耗费人力的缺点，但效率低、精确度不高，不适合大型表演舞台。随着数字集成电路的出现和发展，数字化的控制技术逐渐应用在灯光舞台上，图14是早期的可控硅电子调光器，后来采用三极管线性调压，目前大部分采用高效三极管PMW调压。图15是第一个使用DMX512传输协议的控制台，它可以同时控制自动灯光设备和调光器。图案盘、色片、调焦和光斑切光片等大大增强了舞台灯功能，都是机械和电子一体化的控制装置，含有机构、电机和电子电路。调光台一般采用单片机控制，很多采用嵌入式单片机，高端电脑灯控制台多采用功能更加强大的PC级主板，比如intel i5系列。

4.3计算机和网络控制

计算机产业正在以惊人的速度发展，使用以太网和TCP/IP作调光控制意味着拥有大量现成的低价且众多的网络产品和软件资源，例如，交换机、电缆、光纤和无线连接产品以及远程控制和监测技术。传统灯具使用DMX512协议来控制，主要规格是每路传输512个通道，速度是250 kb/s。DMX512在灯光行业内一直表现优良，但是随着现在灯具的通道数量越来越多，已经超出了预期。为了克服DMX512的局限性，Artistic Licence公司提出了基于以太网技术的Art-Net控制协议。这使得单根网线上可以传输多个DMX数据链。Art-Net与传统的DMX512相比较，能获得最直接的利益是传输带宽、传输距离、可靠性和双向通信等功能的实现。这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，网络传输控制协议使调光控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测和控制更有效，因而构筑大规模可靠的调光网络成本更低。这是以现代计算机网络技术为支持的必然结果。

5舞台灯发展趋势

随着材料、控制和智能化等现代科技发展，舞台灯光技术也不断进步，采用更加节能的光源，灯具小型化、舞台效果多功能化、控制智能化和网络化。

虽然LED舞台灯的照明效率和寿命得到很大提高，但是不断探索新的光源是舞台灯光源今后最重要的研发方向，2009年美国夏洛特将量子点的涂料涂在蓝光LED上，制成了世界第一个实验室的、能发射出全光谱的量子点LED灯泡——QLED灯，效率可达90%，QLED光源具有很大的发展潜力。

舞台灯小型化是发展方向，如今舞台灯具由于功能多，大都体积大且较笨重，但是随着集成电路技术的发展，舞台灯具的各种部件也将向小型化发展，最终也将会出现轻便小巧的便携式舞台灯具。

舞台效果需求也促使舞台灯具向多功能化发展。集合多种功能于一体的灯具是一个发展方向，在一些小型应用场所可以方便使用。为了能够自动视觉追踪，可以利用如今的图像处理技术，通过高频采集图像数据并对图片进行比较，从而实现对舞台上角色的追光。虚拟现实（VR）技术也能方便消费者通过网络虚拟舞台灯具的效果而实现对舞台灯具效果的体验，从而便于客户选取灯具。

舞台灯具趋向于智能化和网络化，可通过移动终端如手机、平板电脑来进行检测和控制。灯光师只要通过移动终端控制相关灯具，并查看灯具发出的效果是否达到预期而进行相应调节而无需亲手操作。通过互联网监控，可以实现多台舞台灯的监测管理，达到统一、实时、有效控制。技术人员可以通过云技术及时采集灯具的大量运行参数分析，便于对灯具状态跟踪、维护和设计。

6结论

至今，舞台灯具已有5个多世纪的历史。舞台灯光技术的发展始终是为了满足人们更高的物质文化需求。近代的科技进步，使舞台灯光技术飞速发展；20世纪以来，新材料不断出现，人类照明方式在这100多年中发生了重要的变革。照明光源从第一代白炽灯和卤钨灯、第二代荧光灯、第三代气体放电灯，发展到第四代半导体LED光源，照明效率提高了100倍，光源的变革和机电控制技术进步，也产生了品种繁多的各类舞台灯具，极大地丰富了舞台灯具琳琅满目的图案、光线、动感功能。这些使舞台灯具的体积、寿命和质量有了极大提升，价格下降，性价比大大提高，高性能舞台灯具得以不断普及。科技发展永无止境，随着新一代更高光效、节能、高显色性光源的出现以及新的控制技术的发展，舞台灯光也必然会不断迎来新的技术革命。