LED舞臺照明燈具的性能測評研究

羅曉霞,劉 佳,榮浩磊

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 光環(huán)境設(shè)計(jì)研究所,北京 100085)

1 引言

舞臺燈光作為一種藝術(shù)照明，光源的亮度、光效、色溫、顯色性、調(diào)光性、光可控制和閃光特性都必須滿足一定的要求。傳統(tǒng)舞臺照明通常采用鹵鎢燈做光源，耗能高、發(fā)光效率低，其消耗的電能95%都轉(zhuǎn)化為熱，使舞臺演員在長時(shí)間的高溫狀態(tài)下產(chǎn)生疲勞感，影響演出效果。

LED光源借助其節(jié)能高效、色彩亮艷、可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，正逐漸被舞臺燈光設(shè)計(jì)師所接受，LED燈具進(jìn)入舞臺照明的全新發(fā)展時(shí)期。然而LED舞臺燈具是一種新型光源的燈具，上市時(shí)間較短，還沒有制定配套的標(biāo)準(zhǔn)，市場尚難以規(guī)范。市面上的燈具性能差異懸殊、魚目混雜，舞臺燈具的性能要求有哪些方面[3,4]，如何評判舞臺燈具的優(yōu)劣是一項(xiàng)全新的工作。燈具的應(yīng)用效果及對觀眾的主觀視覺感受是評價(jià)燈具優(yōu)劣的重要因素，主觀評估是舞臺燈具驗(yàn)收中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。本文從實(shí)際燈具驗(yàn)收角度出發(fā)，詳細(xì)講述客觀檢測與主觀評估相結(jié)合的測評思路與方法。

2 測評工作內(nèi)容與思路

燈具的測評工作包含客觀和主觀兩部分內(nèi)容，首先我們對燈具測評任務(wù)進(jìn)行分解細(xì)化，如圖1所示?？陀^包括安全、光學(xué)、電學(xué)、溫度及噪聲等檢測工作，主要通過儀器來完成；主觀評估項(xiàng)目包括光斑質(zhì)量(邊緣形態(tài)、均勻度)、調(diào)光性能、顯色性，通過搭建實(shí)驗(yàn)場景、設(shè)計(jì)問卷及儀器輔助檢測亮度或照度數(shù)據(jù)來完成。

測評對象為一款大功率白光LED成像燈，并選取相應(yīng)光通量、光束角的鹵鎢燈為替代燈具參照，表1所示。

圖1 測評工作分類及細(xì)分Fig.1 Classification and segmentation of evaluation work

表1 LED白光測評燈具的基本信息Table 1 The basic information of the evaluation white LED lamp

2.1 場景搭建

主觀評估實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)進(jìn)行，兩種燈具分別設(shè)置成獨(dú)立的隔間，將燈具按照實(shí)際使用場景進(jìn)行放置，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)兩種燈具的光輸出，保證兩者幕布上在有效光斑內(nèi)的平均照度為200Lx。

圖2 主觀評估場景Fig.2 The scene of subjective assessment

2.2 問卷設(shè)計(jì)

問卷設(shè)計(jì)包含三部分內(nèi)容：光斑質(zhì)量、調(diào)光性能及顯色性。在光斑質(zhì)量與調(diào)光性能評估中，量表設(shè)定為5個等級，從-2到+2，其中，-2對應(yīng)很差，0對應(yīng)一般，+2對應(yīng)很好。在顯色性評價(jià)中，問卷設(shè)計(jì)為顏色偏好度和色差兩項(xiàng)。第一項(xiàng)為顏色偏好度的評估，包括對水果、花朵、膚色的測試，表現(xiàn)為：-2對應(yīng)非常不喜歡，0對應(yīng)一般，+2對應(yīng)非常喜歡。第二項(xiàng)為色差的評估，表現(xiàn)方式為：VL(Very Large)對應(yīng)非常大，L(Large)對應(yīng)大，M(Medium)對應(yīng)中等，S(Small)對應(yīng)小，VS Very Small)對應(yīng)非常小。

實(shí)驗(yàn)選取12名被試，其中6男6女，年齡在25～35之間，均具有正常視力或矯正視力，且沒色盲等其他眼疾，每位被試者均參與所有條件下的所有實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3 主觀評估原理方法

3.1 光斑質(zhì)量

就光斑質(zhì)量而言，不同類型的燈具其優(yōu)劣評判的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。比如天排燈或地排燈等用于照射天幕的大功率散光燈，其光斑要求照射面積大、燈具間光斑銜接均勻；聚光燈、成像燈等人物、造型照明用聚光類燈具，不能有花光斑現(xiàn)象，這類燈具光束比較集中，邊緣的逸散光較小，亦光斑界限分明?？紤]到人眼對亮度變化識別的有限性，主觀評估中借助成像亮度計(jì)對亮度進(jìn)行客觀檢測。

3.2 調(diào)光性能

由于LED光源發(fā)光響應(yīng)速度極快，達(dá)到納秒級，光亮度從一個數(shù)量級躍變到另一個數(shù)量級，都是瞬間完成，合理的調(diào)光對燈具的整體性能影響重大。PWM調(diào)光目前被認(rèn)為是最有前景的LED調(diào)光技術(shù)，其中調(diào)光頻率的選擇直接關(guān)系燈具頻閃現(xiàn)象的有無，尤其在燈具點(diǎn)亮起步階段現(xiàn)象更為明顯。本次評估中主要觀察在調(diào)光過程中光斑的明亮變化是否線性輸出、是否有閃爍現(xiàn)象。

另外，鹵鎢燈具在調(diào)光過程中由于電壓的變化，會導(dǎo)致光源色溫發(fā)生變化，電壓偏高，光源的色溫也偏高，電壓偏低，光源的色溫也偏低。然而PWM調(diào)光則可以保證LED始終工作在滿幅度電流和0之間，光源不會產(chǎn)生任何色譜的偏移，能夠保證燈具在調(diào)光過程中色溫的恒定。采集不同狀態(tài)下的色溫?cái)?shù)據(jù)，為主觀評估提供客觀數(shù)據(jù)的參考。

3.3 顯色性

白光燈具的顯色性是主觀評估中的重要工作。在過去的數(shù)十年，國際照明學(xué)會( CIE) 制定的顯色指數(shù)(CRI) 是最常用的評價(jià)顏色質(zhì)量的指數(shù)。其最初的意圖是為了評估熒光燈的顯色性能，選取8種中低飽和度的色樣來代表物體的平均色相，將這些顏色樣品在測試光源與參考光源(太陽光和白熾燈)下做對比實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算對這8種色樣偏差的算數(shù)平均值，從而得到CRI的數(shù)值。CIE規(guī)定了顯色性的定義為：與參考照明體下的色相比較，一個光源對于物體色相所產(chǎn)生的效果。用于評價(jià)的指數(shù)即顯色指數(shù)[5～6]。

基于LED新光源特殊的光譜分布，CRI計(jì)算方法存在的問題也日益凸顯[5]。主要體現(xiàn)在：高的CRI數(shù)值不能保證實(shí)現(xiàn)好的飽和度色彩；對于能夠增強(qiáng)顏色飽和度的光源，CRI的數(shù)值反而得到了“處罰”；當(dāng)光源對其中某一個或某幾個顏色實(shí)現(xiàn)較大偏差時(shí)，CRI的計(jì)算方法不能很好的做出反應(yīng)。除此之外，CIE 在2007 年的技術(shù)報(bào)告中明確提出: 目前的顯色指數(shù)CRI不能有效反映包括白光LED 在內(nèi)的白光照明光源的顯色性優(yōu)劣[7]。

目前為止國際上尚未形成統(tǒng)一的光源顏色質(zhì)量評價(jià)體系，但有一點(diǎn)可以肯定：人的視覺感受是光源顏色質(zhì)量的決定性因素。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)研究的一套新的評價(jià)系統(tǒng)CQS(Color Quality Scale)，試圖尋找一種能夠衡量所有光源顯色性的評價(jià)方法。CQS[8]相比于CRI有四點(diǎn)提高的地方：即選取15種高飽和度色樣，擴(kuò)大了色域(可近似代表所有物體的顏色)；計(jì)算公式改為均方根公式，對任意顏色的微小偏差，CQS數(shù)值都可以得到體現(xiàn)；選用CIELAB坐標(biāo)系統(tǒng)，取代原來的CIE-uv坐標(biāo)系統(tǒng)；考慮顏色還原性、色調(diào)區(qū)分度和顏色偏好度三種因素影響。雖然CQS評價(jià)方法目前仍有一定的缺陷，但是相比于CRI，前者對LED光源的評價(jià)有一定的改善，且考慮了人的視覺感受是其另一大進(jìn)步。

因此，在本課題的研究中，我們借鑒色品質(zhì)數(shù)(CQS)的研究思想[9～10]，設(shè)計(jì)主觀評估分別觀察所研發(fā)的LED白光燈具與對應(yīng)的鹵鎢燈兩種燈具顏色偏好度和色差兩方面的特性。

色差實(shí)驗(yàn)采用MCC色卡即CIE 規(guī)定的用以比較待測光源與參考光源色差的標(biāo)準(zhǔn)方法。將兩組色卡分別放置在兩種燈具下觀察，規(guī)定鹵鎢燈為參考光源，被試者觀察LED燈具照射下色卡中的24對顏色樣品，并對每一對的色差進(jìn)行評價(jià)打分。

4 結(jié)果分析與數(shù)據(jù)處理

4.1 光斑質(zhì)量

圖3為LED燈具與對應(yīng)鹵鎢燈具對比的照片，LED燈具的光斑邊緣清晰，且無花光斑現(xiàn)象，基本可以達(dá)到鹵鎢燈的效果。圖4為兩種燈具對應(yīng)的亮度分布情況，200W的LED燈具與750W的鹵鎢燈具相比，相同功率輸出時(shí)LED燈具能夠達(dá)到更高的亮度值，LED燈具替換鹵鎢燈具，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

圖3 LED與鹵鎢燈具的光斑對比Fig.3 Compare to the spot between halogen and LED lamp

圖4 LED與鹵鎢燈具的亮度分布Fig.4 The distribution of luminance of halogen and LED lamp

4.2 調(diào)光性能

在0～10S內(nèi)燈具點(diǎn)亮起步階段，光強(qiáng)由0～20%輸出時(shí)，LED燈具未出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，近乎線性輸出；且在0～10s內(nèi)，光強(qiáng)由20%～100%輸出時(shí)，光斑穩(wěn)定，未見花光斑現(xiàn)象。圖5、圖6分別為LED燈具與鹵鎢燈具在調(diào)光過程中的光斑變化情況及對應(yīng)的亮度分布情況。主觀視覺感受為：LED燈具僅表現(xiàn)為明暗變化，而鹵鎢燈具在功率逐漸降低的過程中，光斑逐漸發(fā)紅。圖7為實(shí)測不同調(diào)光時(shí)燈具的色溫值。

圖5 LED成像燈Fig.5 LED lamp

圖6 鹵鎢成像燈Fig.6 Halogen lamp

圖7 不同調(diào)光時(shí)色溫值Fig.7 The value of Color temperature in different dimming

4.3 顯色性

LED光源與對應(yīng)鹵鎢光源的相關(guān)信息見表2。圖8～圖10是不同照明對象下的效果圖片，為顏色偏好度的評估。圖11是兩種光源照射下MCC色卡的效果圖片，體現(xiàn)對色差的評估。

表2 實(shí)驗(yàn)用光源相關(guān)信息Table 2 The information about the experiment source

圖8 光源對水果的偏好度評估Fig.8 The color preference experiment to fruit of different source

圖9 光源對花朵的偏好度評估Fig.9 The color preference experiment to flower of different source

圖10 光源對膚色的偏好度評估Fig.10 The color preference experiment to skin of different source

圖11 光源對MCC色卡的色差評估Fig.11 The aberration experiment to MCC color chart of different source

4.4 數(shù)據(jù)處理

將各位被試的問卷進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，并通過專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件，對兩種類型燈具進(jìn)行均值和方差的計(jì)算。圖12為LED燈具與鹵鎢燈具在光斑質(zhì)量、調(diào)光性能和顏色偏好度評估中的均值比對圖，其中題目1、2為光斑質(zhì)量，兩者基本相當(dāng)；題目3、4、5體現(xiàn)調(diào)光性能，LED燈具表現(xiàn)出優(yōu)越性能；題目6、7、8為光源顏色偏好度的評估，數(shù)據(jù)顯示鹵鎢燈具照射時(shí)物體色彩更受喜歡，但是差距不大。

圖12 LED燈具與鹵鎢燈具均值對比表Fig.12 The comparison of mean value between LED and Halogen

圖13為對MCC卡中24種色樣的色差評估結(jié)果，可見LED燈具的色差范圍均位于“M”與“S”之間，色差偏小，基本可達(dá)到鹵鎢燈具的顯色性能。

圖13 LED燈具對MCC卡色差的統(tǒng)計(jì)表Fig.13 The Statistical table about aberration experiment to MCC color chart of LED source

以上分析表明：新開發(fā)的LED白光燈具能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)鹵鎢燈具的光斑效果；LED燈具在調(diào)光過程中可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光，且在調(diào)光過程中色溫基本保持一致；LED燈具的顯色性在偏好度和色差評估中均表現(xiàn)較好的效果。

5 結(jié)論

本文以實(shí)際開發(fā)的燈具為例，講述了LED舞臺燈具測評工作，包含主觀評估和客觀參數(shù)的測試工作。從光斑質(zhì)量、調(diào)光性能和顯色性三方面講述主觀評估的測評方法，并在顯色性的評估中引入顏色偏好度，更符合觀眾主觀感受。通過專業(yè)分析軟件對評估結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果科學(xué)可靠。LED燈具與對應(yīng)鹵鎢燈具的對比測評，旨在給出一種驗(yàn)證新研發(fā)的LED燈具能否替代傳統(tǒng)鹵鎢燈具的方法，在實(shí)際工程操作中具有實(shí)用價(jià)值。

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