大型舞台灯具的研发（上）

王宇钢+刘凤坤+宋超+朱麟

【摘 要】 介绍两款金卤灯光源灯具——固定光束角反射型金卤聚光灯与菲涅尔透镜金卤聚光灯的研发设计思路，阐述其 舞台应用及视觉呈现效果。

【关键词】 舞台灯具；金卤灯；光源；研发；布光；电脑灯

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.01.001

The Research and Development of Large-Scale Stage Lighting （Part 1）

WANG Yu-gang， LIU Feng-kun， SONG Chao， ZHU Lin

（The Central Academy of Drama， Beijing 100710， China）

【Abstract】Introduced two metal halide light source lamps and lanterns ——Research and development design thought of fixed beam Angle of reflective metal halide spotlights and Fresnel lens metal halide spotlights， explained its stage application and visual rendering effects.

【Key Words】stage lighting； metal halide lamp； light source； r&d； lighting arrangement； moving light

目前，随着中国经济的飞速发展和人民生活水平的提高，文化产业也随之获得了极大的发展，特别是科技进步给演出市场带来了很多前所未有的表现形式，全国各地演艺设施和各类演出大量涌现。众多演出多样化、个性化的发展模式，对未来的演艺设备技术性与艺术性的结合提出了更高的要求。随着科学技术的日新月异，越来越多的科技成果被应用在舞台灯光领域，极大地促进了舞台灯光事业的发展。比如，带有无级混色功能的电脑灯、具有迅速摇头功能的光束灯等新式设备，在近些年来都得到了迅速的发展，并大量出现在戏剧演出、晚会现场、综艺节目等多种舞台上。以往，灯光设计师在艺术创作时，经常会因为灯光设备的技术限制而妥协，使得演出的整体视觉效果大打折扣，降低作品的艺术性。然而，演艺设备的不断更新、技术与艺术的不断融合，可以使众多灯光设计师获得更多的创作灵感和更大的艺术空间。因此，从艺术创作出发，探索并开发在节能、减排、工作效率高的前提下，能实现更优艺术效果的新型舞台灯光演艺设备，具有十分重要的时代意义。

灯光设计师在舞台灯光创作中，要结合舞台空间尺寸选择灯具。因为，相同的灯具在不同规格的舞台空间中的空间表现和视觉体现是全然不同的。比如写毛笔字，同样的一首诗写在扇面上可选用中锋，而写在大条幅上就得选用楂笔了。舞台灯光设计也是一样，对于不同的空间场景需要完全不同的灯具设备。在实践演出中，有时会感到市场上现有的灯具在对较大空间内布光的纯粹感和力量感的表现上十分吃力。比如，在很多歌剧演出中，舞美布景体量经常很大，而灯光设计师要想在这个巨大体量的空间中模拟自然光线的效果会显得力不从心。因为要多只灯创作出自然界中平行光线是有难度的，且艺术效果也不是最好的。多只灯的使用会使得地面的影子不纯粹，影响舞台视觉效果。同时，很难保证多只灯色温、照度、调光曲线的统一性。在灯光的力量感方面，現有灯具的视觉表现往往与设计师的艺术要求相差甚远。比如，设计师想在舞台上呈现一束巨大的仿佛来自天堂的光时，现有的灯具根本无法实现。再如，在剧场进行逆光的布光，往往需要10只以上的灯共同塑造逆光效果，不仅使装台的工作量大大增加，同时很难保证这些灯具有一致性的输出效果；同样，多只灯的逆光使得舞台空间的视觉不够纯粹简约，降低了视觉观赏性。综上所述，针对现有的灯具设备，使用单只灯视觉力量感根本不够，使用多只灯会一定程度地破坏舞台的视觉。因此，有些国外的灯光设计师为了实现艺术设想，把目光投向了大功率影视聚光灯。虽然大功率影视聚光灯纯粹感和力量感都很可观，但是不能由灯光控制台控制其开启及亮度，在使用时引起诸多不便，增加演出的事故率。

所以，笔者希望研发一种新型的舞台灯具，在技术参数上可以获得更良好的发光效率、更稳定的色温、更长的使用寿命、更少的电能消耗。在灯光设计表现上，可以具有较好的线性调光特性、无级混色特性，同时能够尽可能满足大空间内舞台布光的纯粹性和光源统一性，并满足大空间内舞台灯光的力量感表现。

本文介绍研发的两款金卤灯光源的常规型灯具——固定光束角反射型金卤聚光灯与菲涅尔透镜金卤聚光灯，共同具备以下研发特点。首先，将金卤灯光源引入了舞台常规型灯具的研发和生产中，发挥了金卤灯光源发光效率高（75 lm/W以上）、光源色显色指数高（一般在82以上）、使用寿命长（700 h）、色温接近正午阳光色温（5 600 K）等光学优势，开拓了金卤灯光源塑造舞台视觉效果的巨大潜能。其次，利用DMX512信号控制的闭合式光栅的调光设计，基本克服了金卤灯光源非线性调光的缺点。再次，为其中一款灯具设计了CMY混色系统，使该灯具具备无级混色功能。最后，在两款灯具上分别采用了反射式光学结构与菲涅尔透射型聚光结构，较大地提高了光能的利用率。

在测试阶段，笔者将本次研发的试验灯型用于不同的真实演出中，本文将结合现场演出实际视觉呈现效果，对试验灯型的舞台艺术效果进行深入阐述。

1 光源

1.1 卤钨光源

目前，舞台常规型灯具大多采用卤钨光源。卤钨光源具备很好的显色性和调光曲线，但是由于它是热光源，需要大电流对灯丝进行加热发光，因此发光效率很低，电能耗费大，增加了剧场运营成本。同时，这种发光原理导致卤钨光源的使用寿命较低（大约在400 h），并且光源损耗明显。另外，卤钨光源的色温为3 200 K，与日光色温相差2 400 K，如果在舞台上表现日光效果的话，必须要使用色纸，这样一来，更加影响了卤钨光源灯具的出光效率。

通常，卤钨光源宜用在照度要求较高、显色性较好的场所，如剧场、体育馆、大会堂、宴会厅等，其色温尤其适用于话剧人物照明。

需要正确识别色彩，照度要求较高或进行长时间紧张视力工作的场所，宜采用卤钨灯。由于卤钨灯的光谱完整，且对于色彩的显色性好。尤其是戏剧舞台演出中，舞台灯具通过添加滤色片来达到想要的舞台光色效果，然而，卤钨灯的光色在空气中略微显“脏”，正是这种“脏”的光色，恰恰符合戏剧演出，尤其是现实主义戏剧演出所需要的情境。这种光色所涵盖的寓意更广泛，观众视觉感受更舒服。在舞台演出中，通过添加滤色片可以改变卤钨光源灯具的光色。然而，由于卤钨光源光谱的限制，对于蓝、紫等冷色的呈现效果并不太理想，其呈现的光色饱和度、纯度及明度都不够理想；同时，表现相应的舞台气氛和效果时，会有一定的折扣。在光质上，卤钨光源的舞台灯具所投射的光线的覆盖能力强，其舞台场景的灯光画面会相对统一、整体，其光源对景物的漫反射、折射起到了重要作用，使整个灯光画面更柔和的衔接。卤钨光源的舞台灯光感觉更有力量，这种力量的表现，并不是硬，而且厚重、有质感。

如图1所示，此摄影作品是舞台灯光布光练习的作业。画面中，只用了一盏2 000 W的聚光灯作为顶光来照明，其光源是卤钨光源，从画面中能看到，人物强烈的明暗对比，整个画面的暗区控制，以及白光下整个画面的色彩气氛，都有一种传统油画的视觉感受。卤钨光源的舞台灯具，对其人物的服装细节并没有多少呈现，甚至模糊了服饰。因为单灯投射，人物光比很大，脸部暗区全部靠服装和桌面的反射光来补光，然而并没有因为单灯投射而影响人物的面部表情的可视度。虽然光比强烈，但亮部与暗部的光影过渡非常柔和，人物的塑造感很强烈。因为是白光投射，整个画面的色彩气氛都是依靠红色服装的反射光来呈现，并且，红色的反射光映衬着女孩的面部更加妩媚，整个画面带来一种宁静、甜蜜的等待感受。这样的灯光画面和视觉感受，是卤钨光源的舞台灯具所能创造的，它营造的绘画效果的舞台空间画面，是其他灯具无法达到的艺术视觉。

如图2所示，同样是一张舞台灯光布光的摄影练习，作品的整个画面同样寻找一种绘画效果的表现方式，气氛与画面也完成了创作目的。画面的主光源使用成像灯加Gobo片，用来给人物及景物做照明；并交代了环境特点，其表现阳光穿过窗户和百叶窗照射在布景与人物身上，营造一种高雅和恬静的风格。成像灯属于卤钨光源灯具中光质较硬的舞台灯具，其照射在人物的背部，不仅呈现了女性肌肤细腻的质感，隐约中，表现了女性特有的一种力量感。在这种光源的照射下，光线并没有表现出特别强烈的硬度，人物的明暗对比过渡柔和、舒服，窗影接近自然，但是整体灯光画面又有一种艺术的提炼和升华。

1.2 金卤灯光源

金卤灯是一种高强度的交流气体放电光源，具有高光效、高显色性、长寿命的特点。自20世纪60年代，在白炽灯中使用卤钨原理获得成功的启发下。在高压汞灯放电管中充入金属卤化物的金属卤化物气体放电灯开始产生。在气体放电灯中充入卤化物，可以防止光源中充入的金属在放电时对石英管壁的腐蚀。同时，在高压汞灯中充入金属元素，使得光源放电时金属的原子被激发，可以辐射出大量该金属所固有的可见光谱成分，极大地提高了金卤灯的光效，获得了更好的显色性。

金卤灯光源在现代舞台演出中占有很大的市场。亮度高、纯度高、色彩鲜艳，是它最明显的特点。现阶段，演出中大量使用的电脑灯基本都采用金卤灯光源，由于电脑灯灵活、方便、快捷等特性，金卤灯光源在舞台演出中也得到了推广和应用。尤其在大型综艺演出、歌舞晚会以及话剧演出中，金鹵灯光源的电脑灯被大量使用，已成为不可或缺的舞台灯具。

图3是一张画面创作练习的作品，作品不仅表现了女孩的生活状态，并且通过光效，对人物肤色、服装材质、画面的色调，做了艺术的处理和加工。作品的灯具选用了两台金卤灯光源的电脑灯，作为人物和景物的照明和色彩渲染，整体画面细腻、明亮。金卤灯光源对于丝质材料的服装照明有自己的优势，因为它色温高，光谱偏蓝色，并且没有卤钨光源那样强的力量感光质，所以，在照射丝质服装时没那么硬，对其本身的色彩和材质也没有任何掩盖，反而能放大它的质感和色彩，使其色彩更鲜艳、明亮，反光效果更好。女性人物柔软的皮肤也得到了很好的呈现，视觉感受鲜嫩、透明，充满青春的气息。金卤灯光源本身亮度很高，对于黄色光的呈现显得饱和度更高、更明亮。尤其是强烈的阳光下，使人睁不开眼的那种感觉，金卤灯光源都能恰如其分地表达出来。

1.3 卤钨光源与金卤灯光源比较

在舞台上还未出现金卤灯光源时，卤钨光源为主要的照明光源和艺术处理手段，其在完全点亮的白光状态下光谱最接近日光，所以，使用卤钨光源的灯具作为舞台演出中人物以及景物的正面照明，呈现的视觉效果观众感觉最为舒服。尤其作为人物的面光照明，使其肤色最接近自然光下的肤色，观众视觉感受最自然，给人平静安详的感觉。同时，可以修饰演员脸部的一些瑕疵。在呈现戏剧情景和气氛的灯光画面上，卤钨光源的灯具有其显著的特点，它在空气中坚硬的质感以及特有的灯光色彩画面，使其具有很高的艺术照明价值。例如，在一些现实主义戏剧中，卤钨光源通过人物以及景物的照明和色彩渲染，可以达到类似于油画作品的画面质感，其光色使观众感受到厚重、力量、深度。

虽然卤钨光源由于调光曲线好、显色性高，成本低廉等优点被广泛应用于舞台演出中，但是它也有一些不足。首先，由于卤钨光源属于热光源，其在正常发光时有很大一部分电能转化成了热能，发光效率很低，对电能的损耗很大。其次，卤钨光源的色温随亮度的变化而变化，随着发光亮度的提高，其色温也会升高，因此在有些舞台场景需要较低的照度时，使用卤钨灯发光偏红，对画面造成一定的影响。再次，卤钨光源通过流过灯丝的电流控制其发光强度，因此在其收光的时候具有很柔和的调光曲线，但是也会使得其不具备快速的切光动作，切光会有延迟。此外，卤钨灯虽然显色性高，但是其光谱成分中蓝紫色的光较少，因此在舞台上要想利用卤钨光源投出蓝紫色的光，需要选用较大功率的灯具，对舞台安全和剧场供电能力都带来了相当大的压力。最后，卤钨光源热发光的原理，在高温下会加速灯丝的老化，使得其寿命较短，同时经常在演出中出现损坏现象，降低了演出的质量。

相对于卤钨光源来讲，金卤灯具有更高的发光效率（75 lm/W以上），因此欲达到相同的照度，金卤灯在低能耗的基础上比卤钨灯更具优势。并且，由于金卤灯中充入了不同的金属元素，因此，在灯光中的气体被击穿进行放电发光时，有相当多的一部分光谱成分来自这些金属元素，因此金卤灯具有相当均匀的可见光光谱成分。同时，在金卤灯光源前加上不同的色片可获得输出照度基本一致的色光。金卤灯光源属于气体放电光源，而卤钨灯属于热光源，因此，金卤灯光源工作时所发出的可见光具有相对稳定的色温，而且近似等于中午的日光色温5 600 K，相对于卤钨灯光源，金卤灯光源能在舞台上更好地塑造中午、阴天、夜晚等高色温的光环境。

金卤灯光源因为其亮度高、色温高、色彩鲜艳，饱和度高等特性，在综艺晚会、歌舞剧等舞台演出中运用广泛。首先，综艺晚会是最大众化的舞台演出，气氛活跃、画面鲜明，深受观众喜爱。在这种演出中，金卤灯光源所呈现的舞台灯光色彩画面恰恰能给观眾相应的视觉刺激和感官享受，在表现舞蹈、歌曲等演出内容上，更干净、鲜明。在舞台话剧演出中，运用金卤灯光源呈现内心独白、时空转换，与卤钨光源灯光效果结合使用，对于间离效果的体现、多空间的表达，都是很好的艺术表现手法。在音乐剧及歌剧的演出中，使用金卤灯光源表现舞蹈、歌唱，其色彩气氛和画面效果，都能完美地完成演出及剧目要求。示例如4、图5。

2 光学系统设计

在本次金卤灯光源舞台聚光灯灯具设计中，笔者针对金卤灯光源较好的点光源特性以及其不能改变颜色的特点，分别对该灯具的几何光学系统和混色系统进行了重点设计。

2.1 固定光束角反射型金卤聚光灯

固定光束角反射型金卤聚光灯采用了反光罩内罩为球面、外罩为抛物面的反射系统，球面反射镜是舞台常规灯具中普遍采用的反射系统，比如回光灯、聚光灯等。球面反射的原理如图6所示。

如图6所示，对于一个球状凹面镜，其圆心点为O点，顶点为A点，在主光轴上AO的中点F为此球面镜的焦点，本灯型将光源固定放置在球面的焦点F点处，则经过球面镜的反射可得到较为均匀的平行于主光轴的光线。

同时在球面内罩的外面，反光罩外罩为抛物面，并使该抛物面的焦点同样落在光源位置，如此一来，光源所发出的光经过外围抛物面反射罩，可获得更好的平行光效果。

笔者没有模仿回光灯的结构，在光源前方设计螺旋金属片结构遮挡光源向灯口前方投射的光线，因此，固定光束角反射型金卤聚光灯光束角较大，投光面积较广，投射出的光线中心为较高强度的平行光线，四周为从中心向外均匀渐弱的大角度泛光，更加适合本文前面所提到的舞台单灯铺光的效果。

固定光束角反射型金卤聚光灯同时还采用了CMY混色系统。众所周知，CMY无级混色系统是现代舞台高智能电脑灯中常用的混色系统，其最大的优势就是可以实现舞台灯具光色的无级变色，颜色与颜色的切换过程不会出现不必要的无关颜色的跳入，使颜色与颜色之间的转换在自然的渐变下完成。该灯型采用安置在灯口处通过电机控制的三个镀膜玻璃色片，在舞台灯光编程时可以通过灯光控制台调节每个色片对灯具出光口的覆盖程度，从而达到变色和混色的目的。

该灯样品如图7所示。

2.2 菲涅尔透镜金卤聚光灯

菲涅尔透镜金卤聚光灯采用了单一球面反射系统，并没有采用球面与抛物面组合式的反射系统。同时，该灯型与固定光束角反射型金卤聚光灯反射系统有所区别的是：本款灯型光源与反光罩的距离可调，灯光设计师可以通过调节光源与反光罩的距离，调节光束角大小，同时可以调节灯具投射的光通量。

球面反射原理及图片同图6。

如图8-1所示，将点光源的位置向球面镜的顶点A移动时，经球面镜反射的光束不再平行主光轴，球面镜对反射光线的汇聚作用变低。其中，C点与A点之间的距离越近，球面镜对反射光线的汇聚作用就越小，其光束角就越大。

如图8-2所示，将点光源的位置向球面镜的圆心O移动时，经球面镜反射的光束不再平行主光轴，而是向主光轴的方向进行汇聚。其中，C点与O点之间的距离越近，球面镜对反射光线的汇聚作用就越大，光线将汇聚在O点外侧的一点上。

该灯型的折射系统采用了菲涅尔透镜，不仅增大了灯具的发光效率、充分利用了光源通过灯口向前方直射的直射光，同时由于菲涅尔透镜上的磨砂处理，使得该灯具光区较为明显，并且保证光质十分均匀，十分适合舞台上需要强调特定光区的均匀铺光。

该灯样品如图9所示。