激光照明技术在影视拍摄领域的应用前景分析

罗瑞珍 孙 略

(北京电影学院影视技术系,北京 100088)

目前影视照明行业最常用的三种光源分别是卤钨灯、金属卤化灯和LED。LED作为最近几年兴盛起来的光源类型,具有节能、高效、便捷和控制方便等诸多优点,因此一经问世便好评如潮,得到广大从业人员的认可。但LED受限于其发光原理,属于柔光光源,一般适合用来铺设大面积的底子光。另外LED芯片效率骤降问题的研究目前处于瓶颈期,短时间内无法获得解决,因此大功率LED暂时无法商业化生产,导致其使用上还是有一定的局限性。传统的卤钨灯和金属卤化灯,同样受限于自身的发光原理,普遍具有发光效率低、能耗高、体积笨重、不方便控制等问题。虽然从业人员已经习惯了传统灯具的各种问题,但是如果能有一种节能高效、便于控制且光质不输于传统影视照明灯具的新型光源出现,想必是大家喜闻乐见的。

激光 (LASER),即受激辐射光扩大 (Light Amplification by Sti mulated Emission of Radiation),最早由爱因斯坦提出。1960年美国科学家Theodore Mai man发明了世界上第一台红宝石激光器,从此之后激光科学和技术不断发展进步。近些年来随着科技的进步,激光技术逐渐走进大众视野,激光照明技术也被 “蓝光LED之父”、诺贝尔物理学奖得主中村修二认可为可以替代LED光源的新一代优质照明光源。作为20世纪最伟大的发明之一,激光技术目前已经广泛应用到军事、医疗、科研、工业加工、照明等各个领域。

1 激光的物理特性

自然界中光子和原子的相互作用,有三种不同的过程,分别是受激吸收 (Sti mulated Absor ption)、自发辐射 (Spontaneous Emission)和受激辐射(Sti mulated Emission)。三种过程均伴随着相应的能量变化,其结果之一就是发光现象。激光的工作原理是基于受激辐射,因此激光也是一种光,具有普通光源所具有的折射、反射等特性。激光的产生需要借助激光器,激光器主要由工作物质、泵浦源和谐振腔等三部分组成,其中谐振腔的结构和受激发射的过程共同决定了激光有别于其他光源的独特的物理特性,即高方向性、高单色性、高相干性。

所谓高方向性,是指激光的发散角度小、方向性强、传播距离远、能量损失小；高单色性是指激光的谱线窄、单色性强、便于控制；高相干性是指激光的相位差相对固定,相干性好。

2 激光照明的优势及研发现状

2.1 优势分析

2.1.1 节能高效

通常我们以光束发散角的大小来评定光束方向性的好与坏。日常生活中常见的火光、灯泡和日光的光线是发散的,因此这些光源的方向性都较差。相比之下,激光的发散角度极小,近似平行光,是高方向性光束。方向性高意味着激光在传播较远的距离后依然能保持很高的亮度,因此光的衰减问题在实际使用中将会得到极大的改善。所谓光的衰减,是指光线随着传播距离的增大而逐渐减弱,但其所能照亮的面积与照明距离的平方成正比。正是因为这一现象,导致在实际拍摄工作中,当照明灯具远距离照射拍摄对象时,在保证照明亮度的前提下,只能增加照明灯具的数量,或者使用更大功率的灯具,随之而来的便是工作量的增大和拍摄成本的提高。激光光源的高方向性和高强度,可以有效解决上述光线衰减带来的问题,提高工作效率。

电费支出是摄制组拍摄需要考虑到的成本之一,尤其是当对照明灯具的使用数量要求较多时,此项开销的数目将不容小觑。从各商家给出的相关技术指标来看,目前影视照明行业常用的卤钨灯最高发光率可达28l m/W,金属卤化灯最高可达96l m/W,LED最高可达80l m/W。激光灯的发光效率根据不同的光转换材料会有所不同,有些材料的理论效率可达498l m/W。虽然目前实际可获得的转换效率还远达不到理论数值,但是在实验环境下得到200 l m/W以上的转换效率已经不是太难的事情了。从国内外各科研机构和高校披露的各项试验数据来看,即使在目前技术尚不成熟的情况下,激光灯优于其他照明灯具的光转换效率已显露无疑。更高的光转换效率意味着更低的能耗,也就意味着更低的使用成本,这对摄制组来说无疑是利好的事情。

除了电费以外,拍摄过程中还有另外两项重要的消耗品:灯泡和色纸。

灯泡是传统照明灯具必不可少的消耗品。通常功率较大的灯泡售价都比较贵,一只18k W的H MI单端灯泡单价高达1.7～1.8万元,器材租赁公司通常按照1∶1.5～1∶2的比例来为灯具配备灯泡。常用的H MI灯泡官方标称的使用寿命大多在400～500h(主要指功率在2 K以上的灯泡),卤钨灯灯泡的官方标称使用寿命大多在300～400h(主要指功率在1 K以上的灯泡),但是在实际使用中,灯泡的使用寿命远远低于上述标称时间。再加上灯泡属于高度易受损的物品,在长途运输和更换灯泡的时候,都需要格外小心谨慎。因此,当拍摄使用的照明灯具数量较多时,因灯泡损耗产生的成本费用不论对摄制组还是器材租赁公司来讲都是不能忽视的。目前激光二极管的使用寿命都在上万小时以上,当然最终激光光源的使用寿命取决于整个系统的综合情况,但是相比于现在常用的各类光源,其长使用寿命已经无可厚非。

AFK：是英文Away From Keyboard的缩写，分别由英语“Away”、“From”、“Keyboard”的首字母组成，表示“不在电脑前”。

色纸是拍摄过程中又一项消耗支出。根据剧组拍摄需求的不同,色纸的需求量各不相同。通常在较大型的拍摄项目中,色纸的消耗成本有时可高达数十万元。LED照明光源的普及在一定程度上减少了剧组对色纸的需求量,随着激光多基色混色技术的发展,剧组对色纸的需求将会进一步降低。

2.1.2 激光照明对比LED的优势

LED的效率骤降问题早已不是一个新的议题,但是相关的研究目前都进入了瓶颈期。效率骤降是指随着工作电流的增大,LED的光电转换效率在达到一定程度后出现急剧下降的现象。例如,一只由2个面积均为1 mm的LED芯片组成的2 W的LED灯泡,各通350 mA的电流实现共计700 mA电流的发光效率。当去掉1个芯片,仅用1个芯片工作,且预期希望得到与之前相同的700 mA电流的发光效率时,实验结果却发现实际发光效率大大降低。因此,为了保证光源的发光稳定性,在增大电流的方法不可行的情况下,只能通过增加LED照明器件的数量来提高照明亮度,而这无疑会增加更多的生产成本和加工难度。与LED相比,激光照明技术不存在效率骤降现象。激光二极管 (LD)在电流超过阈值后,仍有较高的转换效率,保证了光源的高效性和显色稳定性。

图1 LED和LD转换效率对比[4]

另外从尺寸上来看,LD器件远小于LED。LD的器件尺寸约10μm,是1 mm的LED器件尺寸的1/100,更加便于LD器件的集成和加工。众所周知,影视拍摄中所用照明器材及其附件数量繁多、体积庞大,灯光部门是摄制组拍摄过程中工作最繁重、辛苦的部门之一。因此如果能减小照明器材的体积或重量,无疑将会节省布光时间、提高工作效率。

2.1.3 方便可控和高效性

谱线宽度 (简称线宽)是衡量一束光线单色性好坏的指标。线宽也可以简单理解为激光的纯度,线宽越窄,即激光的纯度越高,单色性越好,光线质量越佳,也更便于控制。激光是目前已知的线宽最窄的光源,可以近似认为是单一频率的光。与LED光源的工作原理相同,激光光源利用混色原理,同样可以得到白光和其他任意颜色的光。再结合照明数字控制技术,即可实现复杂多变的控光效果。照明数字控制,是对一组或多组照明灯具进行远距离数字管理和自动控制的技术,目前已成为很多好莱坞电影制作的标准配置。近年来,随着国内电影工业的发展和进步,电影照明控制技术越来越受到国内从业人员的认可和接受。高效集中的控制方式,为摄影师掌控复杂布光提供了便利的工具,相信在未来的照明控制工作流程中,我们将会看到激光照明系统很好地融入其中。

金属卤化灯、卤钨灯等常用照明灯具启动工作时通常需要一定的响应时间,才能达到正常工作状态,因此对于面临频繁变换光线的拍摄场景,需要花费一定的时间等待灯具启动工作,工作效率受到一定影响。从目前的样品激光灯和激光汽车大灯的响应时间 (汽车激光大灯的响应时间可达ns级别)来看,相信未来的激光照明系统的启动时效将不会令人失望。

综合上述各项分析,我们不难看出激光照明技术有别于其他照明灯具的高效性、低能耗、小体积、寿命长、易控制等优势,这也是激光照明光源前景为大家普遍看好的重要原因。

2.2 研发现状

温度猝灭现象是指激光在光转换过程中,因短时间内产生大量废热,导致温度急速升高,光转换效率急速下降,从而又导致更多热量集聚,引起激光器件的急速升温、碳化,带来毁灭性的破坏。因此想要获得高流明光源,就需要解决发光材料的温度猝灭问题。这也是目前各高校和科研机构重点研究的方向。

激光白光光源的合成方式分为两种:一是激光激发发光材料产生的光线与原激光光线混合产生白光；二是多基色激光混色生成白光。第一种方式相对技术比较成熟,是目前商业上普遍使用的方法。但是受限于发光材料的研发现状及其与激发激光匹配度问题,此种方式产生的白光光源显色指数相对较差,且存在较为严重的偏色现象,而且转换效率较低。目前实验可得的最高显色指数是95,色温4000 K。但当色温升高到5200K时,显色指数仅有70。多基色激光合成方式产生的白光光源显色指数相对较高,色域广、亮度高,因此是较为理想的获得白光光源的方式。但是多基色混色产生的激光因能量叠加的效果对人体具有较高的伤害性,因此需要非常精准的封装技术以确保激光不会泄露。另外此种方式的电路结构设计复杂,生产控制要求较高,因此目前的研发暂时处于停滞状态。

在激光照明系统的研发过程中,即使未来温度猝灭现象得以解决,在设计大功率照明灯具时,散热依然是一个需要重点关注的问题。

最后还有一个需要关注的问题是激光对人体的危害。当视网膜上的能量密度达到15 mJ/c m,即可对人眼产生损害,损害程度从发红、短时间失明到永久失明,甚至烧坏视网膜,造成眼底大面积出血。激光对人眼的伤害取决于波长、输出功率、脉冲宽度和光斑直径等。目前国际、国内都有相关组织和机构就激光应用的相关安全问题制定相对应的规范和标准。

3 激光照明系统的应用分析和预测

3.1 激光照明技术的应用现状

图2 汽车激光大灯图片

激光照明技术目前应用较多的是汽车大灯,走在前沿的是宝马和奥迪两家公司。早在2011年,宝马公司就推出了配备激光大灯的i8概念车。从目前两家公司披露的数据来看,表现更优的是宝马公司。宝马激光车灯的照射范围是600 m,亮度是LED的5倍,奥迪激光车灯照射范围为500 m,亮度是LED的3倍。宝马激光大灯的LD模组,由3个4 W半导体激光器组成,光通量3200l m(12 W),光电转换效率约为30%,系统整体效率达80l m/W。

除了汽车激光大灯外,目前北京市已有部分街道的照明路灯替换为激光灯,相信在不久的将来,激光照明灯具将会成为人们日常生活中随处可见的事物。

图3 汽车激光大灯照射范围示意图

3.2 未来激光照明技术的应用预测

光纤传输与激光照明相结合是激光照明系统研发的一大亮点。激光沿光纤传输的能量损耗几乎为零,也就意味着激光照明灯具将摆脱普通照明灯具灯头和镇流器无法长距离分开工作的现状,实现更为灵活、便捷的操作方式,从而改变现有的工作流程和思路。

图4 光纤结构照明系统简单示意图

在狭小的拍摄空间范围内,如果想实现层次丰富的布光效果,则要在一定程度上限制演员的走位和摄影机的移动范围,以避免灯具的穿帮。而光纤结构连接的激光照明灯具可将电学器件部分移出拍摄空间,仅留下光学器件部分,加之激光在远距离传播的情况下依然可以保持很高的亮度,因此隐藏留下的光学器件避免穿帮较易实现,同时还可以最大限度地保障演员和摄影机的活动范围。

另外一个可以更好地发挥光纤结构激光照明系统的应用场景是水下拍摄。现代水下拍摄照明系统虽然已经相对成熟,但是仍然有一个不可忽视的问题—— “水中的电”。裸露在水中的电缆在形成一个闭合电路时会在其周围形成一个电场,该电场在电缆不慎断裂的情况下会变得非常强大,并向四周散播。水中人员如果不慎接近了该电场,轻则会感受到电击的刺痛感,重则会出现呼吸困难、肌肉僵硬、心脏震颤以及心跳停止。而如果使用光纤连接的激光照明灯具,则完全可以将电学部分留在水面上,从而规避 “水中的电”带来的风险。对光学部分的防水处理相比电学部分要简单很多,从成本控制的角度来讲也是十分利好的。除此之外,现代水下照明系统是利用水冷的方式散热,因此无法离开水面使用或者只能短暂的使用,影响利用率。相对来讲,控制激光照明灯具的光学部分的散热则较为简单,可实现水上水下同时使用。

4 结语

目前的激光照明技术还不够成熟,存在着很多需要攻克的难题,但是已经显示出的优势为将来的应用前景奠定了良好的基础,众多行业一线工作人员也普遍看好这一技术。国内外多家影视照明灯具制造厂商也都在加紧投入研发,以期尽快将产品投放市场。相信随着激光技术的关注度和研发投入的持续增加,在不久的将来,激光照明系统将会成为影视拍摄现场重要的组成部分。