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    LED演藝燈具的色彩特性

    2014-09-03 10:44:51陳國義
    演藝科技 2014年5期
    關(guān)鍵詞:顯色性光譜

    陳國義

    【摘 要】 闡述LED光源的光譜、色彩混合、顯色性等特性,LED光源燈具與傳統(tǒng)光源燈具在彩色光形成等方面的差異, 白光LED和彩色光LED燈具的不同特點。

    【關(guān)鍵詞】 LED;演藝燈具;色彩特性;光譜;彩色效率;色度圖;顯色性

    文章編號: 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.05.003

    【Abstract】The spectrum, color mixing, color rendering of LED light source were introduced, along with the differences between the LED lamps and traditional lamps in the formation of colored lighting as well as the characteristics of White lighting LED lamps and colored lighting LED lamps.

    【Key Words】LED; performing lamps; color characteristics; spectrum; color efficiency; chromaticity diagram; color rendering

    LED是21世紀最新一代的光源,以節(jié)能降耗、色彩艷麗而廣受好評。但同時,一些質(zhì)疑聲音也隨之出現(xiàn):為何RGB燈具漂亮的白光射到舞臺上,演員的臉色卻灰暗沒有生氣?彩色光LED燈具調(diào)出的黃光為什么不能照亮黃色的景物?多種色彩LED光源的燈具如何更方便地調(diào)出所需要的色光……一系列問題之出現(xiàn),是由于LED光源與傳統(tǒng)光源不同的發(fā)光原理和光譜特點而導致。本文試圖解釋兩者的一些不同之處,希望能引起LED演藝燈具使用者的重視,為更好發(fā)揮LED這一新光源的作用提供一些幫助。

    1 LED光譜簡介

    “光”是一種電磁波,人們見到的光只是電磁波中波長為380 nm(納米)到780 nm之間一段范圍的電磁波,其隨著波長的不同而呈現(xiàn)不同的顏色,如460 nm波長的呈現(xiàn)為藍光,660 nm波長的呈現(xiàn)為紅光。

    人們?nèi)粘S玫阶钇胀ǖ墓庠?,如太陽光,它的光譜包含有可見光的全部光譜,從波長最長的紅色光,到波長最短的紫色光;它們的光譜是連續(xù)的,光譜分布曲線也比較平坦。白熾燈,人們使用的最普通的電光源,它的光譜也是連續(xù)的,齊全的;只是,白熾燈發(fā)出功率最強的波長在波長較長的紅色光譜外面的紅外線部分,另一端波長較短的藍色和紫色光譜成分比較弱。激光的特點是光譜特別窄,基本上只有一個波長。LED光源的光譜比激光的光譜寬一些,有一個主波長(不同色光的LED光源的主波長不同),和兩側(cè)相臨近的一些波長的光。白光LED光源是藍光LED加黃色熒光粉的方案,由藍光LED的窄光譜,加上黃色熒光粉轉(zhuǎn)換藍光后發(fā)出很寬的黃色光譜組成。從顏色上看,用于演藝照明的光源中,白熾燈和太陽光兩種最好:它們的光譜很全,一般用光也是以它們?yōu)闃藴实?;如果使用的光源跟它們的光譜分布一樣,那是最好的(圖1為幾種光源的光譜)。

    2 彩色效率

    影視和舞臺演出中常常會用到彩色光。傳統(tǒng)光源燈具要產(chǎn)生彩色光的方案是在光源前面加濾色片。如果要得到紅光,就用紅色的濾色片,它的特點是將光源發(fā)出的大部分藍光和綠光擋掉或吸收,然后將紅光的部分透過(如圖2)。藍色的濾色片,透過白光中藍光的部分,其他部分如綠光、黃光、紅光的大部分被阻擋,但是紅外線也要透過,因為紅外線被濾色片阻擋或吸收會轉(zhuǎn)化為熱量,使濾色片溫度升高褪色或烤壞(如圖3)。而要透過紅外線,有少量的紅光也透出來了。所以,人們看到舞臺上的藍光不僅很暗,而且偏一點紫色,就是這個原因。

    傳統(tǒng)燈具通過加裝濾色片產(chǎn)生彩色光。濾色片的光透過率較低:一般藍色濾色片透過大概只有4%~5%,90%以上都被濾色片擋掉或者吸收掉了;綠色到黃色濾色片透過多一點,因為黃色的濾色片可以把紅光、綠光都透過來(紅光和綠光混合最后也形成黃光),單獨波長的黃光經(jīng)濾色后也是黃光,所以黃色濾色片透過的光波長范圍最寬,透過率最高;深顏色濾色片的光透過率就更低了,像深藍色濾色片的透過率還不到1%;紅色濾色片也是這樣,透過率不到10%,效率非常低。但是彩色光LED燈具就不一樣了,需要什么顏色,它內(nèi)部的光源就能發(fā)出什么顏色的光:若需要藍光,可把綠色和紅色的LED光源關(guān)閉,只開啟藍光LED光源,沒有浪費掉的光。

    LED燈具的“彩色效率”高?!安噬省笔且粋€新詞,在綜藝節(jié)目或者舞臺演出中,大量用到彩色光的時候,不管是溴鎢燈泡還是電腦燈,光的利用效率都極低,如上述傳統(tǒng)光源燈泡原始發(fā)光,100%供電,加上濾色片以后只能用到可見光里面百分之幾的彩色光,效率更低。LED不僅本身發(fā)光效率高,而且是用到什么顏色的光,它發(fā)出什么顏色的光,需要多少光通量發(fā)出多少光通量(包括不同顏色光的混合),用不到的顏色光不發(fā)出(不耗電),彩色光效率特別高。“彩色效率”是兩種燈具同樣的彩色光的發(fā)光效能相比較,將LED與傳統(tǒng)光源相比不只是相差幾倍,會相差到十多倍。特別是藍光、紅光,效率會相差幾十倍,就是因為LED燈具沒有被濾色片擋掉或吸收而在燈具內(nèi)部變成熱量的這部分能量。

    3 色度圖

    自然界的顏色太多,怎樣把每種顏色定位是一個問題。比如玫瑰紅、桃紅,這些顏色的講法,每個人的理解都不一樣,難以準確。為此,國際照明委員會( CIE )提出了一個色度圖:用一個坐標系,橫坐標是X軸,縱坐標是Y軸,人眼能看到的顏色都在這個色度圖上定位,每一種顏色對應上面一個點,這個點稱為這種顏色的色坐標。自然界中所有的顏色在這個色坐標系上反映,每一種顏色用一個坐標點來表示,X、Y是多少,就可以準確表達出來了。自然界人眼可見的顏色在色坐標系上組成一個舌型的區(qū)域(如圖4)。endprint

    舌型區(qū)域周邊形成的一條馬蹄形的曲線是光譜軌跡,從馬蹄形一端的700 nm的紅色沿曲線到380 nm的紫色,分別是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種最純(飽和度最高)的顏色。越往舌型區(qū)域中部,飽和度越低(顏色越淺),直到中間白色區(qū)域飽和度為零。

    我們所看到的自然界的白光是在色度圖中部一條彎曲的線上,叫黑體輻射軌跡。高溫的發(fā)光體如太陽、白熾燈等可近似看作理想“黑體”。例如,燈泡中的鎢絲(近似理想黑體)隨電流加大溫度升高,顏色會變化,它發(fā)出的光對應的點就到曲線上某一位置。比如說溫度2 000 K是一個點,3 000 K就到另一點了,都在這條線上。物體高溫發(fā)光雖然都稱為白光,但是有一點顏色傾向:如果是溫度低一點,它發(fā)光是偏紅色的,溫度升高變?yōu)槠壬?,到? 000 K的時候有點偏黃,如果有發(fā)光體的溫度到了6 000 K時就有點偏藍色了;溫度越高光的顏色越往藍色的方向變化。不同溫度的黑體發(fā)出的白光有不同的顏色偏向,對應的黑體的溫度稱為這種白光的色溫(用絕對溫度單位“K”表示)。圖4中還有幾條跟黑體輻射軌跡相垂直的直線段,稱為等色溫線,表示這條線上各點的色溫相同。因為氣體放電光源不是熱發(fā)光,所以,它發(fā)出的“白光”色坐標不在黑體輻射軌跡上,而在曲線附近,看起來與黑體白光差不多,我們就稱其色溫是相同的,比如4 000 K這樣一條直線上的點,其色溫都稱為4 000 K,但是可能偏綠色一點(在色度圖黑體線上方),也可能偏紅色一點(在色度圖黑體線下方)。熒光燈、金鹵燈發(fā)出的白光都是這樣,這叫相關(guān)色溫,跟黑體色溫有點差距,會在色坐標上下偏一點,所以同一個色溫、不同光源的顏色會有點差別。色溫表測出來,相關(guān)色溫如果是4 000 K,有的燈就偏綠色,有的燈就偏紅色。白光LED會出現(xiàn)這種情況,LED紅綠藍三種色光混合出來的白光,也會出現(xiàn)這種情況。

    4 色彩混合

    RGB LED發(fā)出的紅光、綠光、藍光在色度圖上分別對應三個點,三點形成一個三角形(如圖5)。如果把三種光按各種不同比例混合起來,就能混出三角形范圍內(nèi)所有的顏色光。紅光和綠光兩種光以不同比例可以混出從偏綠色到黃色、橙色,一直到偏紅的顏色。紅、綠、藍三種色光加在一起可以混出白光,也可以混出三角形中間各種各樣的色光。

    彩色電視機,包括現(xiàn)在我們看到的LED大屏,只用三基色,RGB顏色三角形中每一個點的顏色可由紅、綠、藍三種色光混合組成。三種顏色的光以不同亮度混合,帶給人的就是完美的彩色感覺。電視畫面的彩色顏色非常豐滿,人們不會感覺它缺少什么顏色,有時甚至感覺比實物的顏色還要漂亮。

    自然界的顏色有那么多種:紅橙黃綠青藍紫,攝像機怎么來處理呢?攝像機就是攝取畫面上各點不同的顏色,取這點顏色去對照色度坐標是那一點,然后按照電視顯像管的特性(因為最后要到電視顯像管里面把它重放出來),這個色度坐標需要用紅光、綠光、藍光各多少,把這個顏色分解成三種基色的數(shù)據(jù),然后把這三個數(shù)據(jù)變成編碼保存起來,一個點就保存這三個編碼。把各個點的顏色分別分解成三種基色的編碼,組成電視信號播放。電視機收到這個信號以后再還原,每個點紅光多少、綠光多少、藍光多少,在電視機顯示屏上顯示出來,就是原來的彩色圖像,這個過程是攝像(編碼)、傳播、再到電視(解碼)的過程。電視熒光屏和LED顯示屏的彩色光只有紅綠藍三種顏色就夠了,能還原出自然界各種顏色。LED燈具有紅、綠、藍三種顏色的LED光源,也可以混出各種色光,是不是就夠了呢,行不行?答案是“否”!因為LED燈具派什么用場呢?是照明用的,不是直接顯示的,直接顯示用三種基色就夠了,但用于照明三種基色明顯不夠。

    5 物體顏色

    人眼看到的物體顏色是怎么產(chǎn)生的呢?太陽光的白光照到彩色物體的表面上,或者電燈光照到彩色物體的表面上,物體表面吸收一部分波長(顏色)的光譜,然后把其余波長的光譜反射出來。顏色不一樣的物體,吸收各種波長光譜的性能是不一樣的,它反射出來不同波長的光譜,混合起來就是人們看到的顏色。反射光進入人的眼睛,人的眼睛再把這些反射的不同波長的色光混合,就產(chǎn)生了彩色的感覺。比如,紅顏色的物體放在白熾燈下,白熾燈發(fā)出的各種波長混合而成的白光照到這紅色表面,物體表面把藍色吸收了,把綠色吸收了,只把紅色一段波長的光反射出來,人們看到的就是紅顏色。人們看到的顏色,實際上是物體表面反射出來的光波混合的顏色。

    這里要強調(diào)兩個概念:第一,一個物體的顏色就是物體表面的反射光混合而成的顏色;第二,“同色異譜”現(xiàn)象。什么是“同色異譜”呢?人眼看到的顏色是由物體反射出來的光譜決定的,但是,同一種顏色,組成它的光譜可以是不一樣的,即可以由不同波長的光譜組成。比如白光,R(紅)G(綠)B(藍)三種顏色混合出來的白光,照在白墻上是白色的;包含紅橙黃綠青藍紫七種色光的太陽光,照在這面白墻上也是白色的;調(diào)到色度圖上相同的一點時,就看不出這兩種白色的區(qū)別了。到底白光是由三種顏色組成的,還是由七種顏色組成的,人眼是看不出來的。又如黃色光,可能是紅光和綠光混合出來的黃光,也可能是單獨的一種波長的黃光,人眼只看到了混合的結(jié)果,卻不可能辨別出是紅光和綠光混合的黃色還是單獨波長的黃光。

    紅綠藍三基色可以混合出人眼能辨別的絕大部分顏色,但是最終的顏色必須是各基色光符合一定的比例,比例變了,顏色就偏了,不同了。比如,按照不同的比例混合出白光,一部分綠光、一部分藍光、一部分紅光混出一種白光,這個比例確定了就混合出這種白光;如果藍光偏少了一點,混合光的色坐標點就順著它的對面偏過去了;如果藍光完全沒有了,就偏到紅、綠這條線上面變成黃顏色了,紅光加綠光就變成黃色光了。七種顏色混出的白光,任何一種光占的比例改變一點,最終的色坐標點就會偏掉,就不是原先的白色了,偏紅、偏綠或偏黃都有可能。也就是說,七種色光混合,可以混出各種各樣的顏色,如果缺了一種色光就偏到色度圖中的對面去了。

    6 光源的顯色性endprint

    前面介紹,有七種顏色組成的白光和三種顏色組成的白光,同樣顏色的白光照在物體上,反射的光譜情況是不一樣的:白色表面的特點是它對各種波長的光都均勻地反射,什么波長的光照上去都能反射出來,白光照射反射還是白光,彩色光照射到白色表面,反射的還是相同的彩色。但是照在彩色的表面上,相差就巨大了。不同光譜組成的白光如果照在顏色的上面,如照在人的皮膚上面,那反射出來就可能是不同的顏色,是太陽光的白光還是紅綠藍三色光組成的白光,反射光差別非常大。這個區(qū)別就叫光源的“顯色性”。光源的顯色性就是這個光源的光照在彩色表面上,產(chǎn)生的顏色呈現(xiàn)效果跟太陽光照在上面的效果有什么差別,如果完全一樣說明顯色性好,如果差別大說明顯色性差。

    要區(qū)別“光色”和“物體色”。LED燈具發(fā)出來的光,如果照在彩色的表面上,顏色效果要參考物體表面對光譜的吸收和反射的特性,能夠反射出什么光譜來,人們就看到什么顏色。所以,物體的顏色由兩個因素決定,一個是物體對各種色光的不同反射特性,另外光源由哪些光譜組成。這兩者決定物體反射出來的顏色。物體表面的反射(或透射)特性和光源的光譜特性兩者結(jié)合,決定了物體的顏色。

    人們?nèi)粘Uf的物體的顏色,就是在日光下看到的顏色。對于LED燈具,如果紅綠藍合成了白光,照在白色物體表面,人們看到的顏色是白色的;如果照在彩色的物體表面,顏色效果要參考這個物體表面的特性而不同。最明顯的就是,照在黃色的物體表面上,是不是能看到黃顏色,就要根據(jù)此表面的特點,會出現(xiàn)幾種不同情況。如果本來此表面黃色是直接反射紅光和綠光的,那RGB LED燈具照上去還是會看到黃光,因為物體表面的紅光和綠光都反射了。如果物體表面的黃顏色本來只反射黃光的,即紅光、綠光、藍光都吸收,只反射黃光的那種情況,那LED燈具紅綠藍光照在上面全部被吸收掉了,沒有黃光反射出來,人們能看到什么顏色呢?極端的情況下它沒有反射光,人們看到是黑色的。紅綠藍的光源能混合出黃光,而照在黃色的表面就變成黑的了,這個結(jié)論有點奇怪,這是極端情況;實際情況是看到暗一點的黃色,不會是全黑的。為什么呢?就是說物體一般沒有絕對只反射黃光的表面特性,可能有的黃色表面,主要反射黃光,紅光和綠光反射少一點,由于光源沒有純粹的黃光,而反射的紅光和綠光又很少,結(jié)果就顯示稍微暗一點的黃色?;蛘?,如人們看到紅光LED的光譜有一個尾巴拖出去,可能帶點黃光的成分,綠光LED的光譜也帶點黃色的,說明還會有一點點黃色的反射光,但是看到這個顏色很暗。而當太陽光或白熾燈照射時,七種顏色中有黃光,反射后產(chǎn)生的黃色亮度就高多了。

    顯色性問題最明顯的是人的膚色,幾萬年來,人類對膚色的認識是源于太陽光。太陽光照在人的皮膚上面,會反射出各種波長的光。黃種人的皮膚不只是反射黃光,紅光、黃光、綠光、藍光都會反射。皮膚反射的各種波長(顏色)的光按各自不同的比例,最后混合出來就是人的皮膚的顏色,它包含很豐富的光譜成分。不管甲的皮膚跟乙的皮膚顏色有何區(qū)別,人們都有一個長期形成的習慣記憶,有一個記憶認可的膚色范圍。人工光源里的白熾燈光中紅橙黃綠青藍紫光都有,但是RGB LED光源的光譜不連續(xù),顏色不全,照在皮膚上反射出來的光譜也會有缺失,如黃色光、橙色光、藍綠色(青色)光和紫色光都沒有。本來,人們看到膚色在色坐標的上面就這一點,但是現(xiàn)在反射色光的成分少了以后,混合后的色光與陽光照射后的組成變了,色坐標就偏了,就與原來的顏色不同了。人眼對皮膚顏色最敏感,稍微偏一點色馬上就能感覺到不對。所以,RGB LED燈在舞臺上作為基本照明時,演員的膚色會與白熾燈照射看到的習慣的顏色有很大的差別,觀眾會明顯感覺到很別扭,因此它顯色性太差了。

    用于演播室時,因為反射光缺少某些色光成分,光色偏了,那攝像機接收到的就是另外一個色坐標點的顏色,不是原來皮膚的顏色了。一個電視畫面,其他部分顏色偏一點問題不是太大,因為觀眾沒有看到現(xiàn)場的場景,但是皮膚的顏色是習慣記憶的,是最敏感的,很容易覺察出來。所以,RGB LED燈具,只有紅綠藍三種顏色的光譜,大量光譜的缺失就會產(chǎn)生不可容忍的顯色偏差。

    7 顯色指數(shù)

    關(guān)于光源的顯色指數(shù)問題,國際照明委員會規(guī)定了15種樣板色。前面的8種都是中間色(包含很多波長光譜的顏色),作為測試用的,后面7種是特殊的。用人工光源照射這些樣板,照射的結(jié)果跟標準光源的照射結(jié)果比較,相似度分別為R1、R2……R15,對前8種常見顏色的指數(shù)(R1 ~ R8)取平均數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra,表示這個光源的顯色性。一般地,Ra最好的就是接近100的日光,或者鎢絲燈,這兩者可作為標準光源,所有其他的燈具都要跟它們?nèi)ケ容^。根據(jù)人眼辨色的實際要求,電視演播廳光源的顯色指數(shù)Ra要求達到85以上;一般民用白光LED燈具的標準,顯色指數(shù)達到80就夠了。

    LED出現(xiàn)后,國際上有些人感到原來的顯色指數(shù)標準與LED特點有點不太合適,已提出了很多表示光源顯色性的新方案,但是都還未獲得一致權(quán)威的認可,現(xiàn)行的方案還是相對通用的。

    LED燈具包括白光LED燈具和彩色光LED燈具。白光LED是由藍光LED加黃色熒光粉組成,由于熒光粉的化學成分和用量的不同,轉(zhuǎn)換的藍光數(shù)量和轉(zhuǎn)換后黃光的光譜(如圖6)組成會不同,合成的白光色溫、顯色性也不同。目前,市場上的白光LED不僅色溫各不相同,顯色性差別更大,顯色指數(shù)區(qū)間從五十多到九十多。

    彩色光的LED燈具目前有很多種,有紅綠藍(RGB)三色的燈具顯色指數(shù)差了一些,于是有的燈具中加了一個白(W - white)光LED,前面提到白光LED的光譜里有黃色光,彌補了原RGB光譜的部分欠缺。這個方案中,燈具的黃色光還嫌不夠,對黃色光的控制也不夠方便,又有的燈具專門增加了一種發(fā)黃色光的LED成為RGBWA,增加的一個A(A - amber)是琥珀色(黃色),顯色指數(shù)就又提高了一點。燈具最好是紅橙黃綠青藍紫七種顏色的LED光源都有,這樣,顯色指數(shù)就能達到很高,白光顯色指數(shù)可以達到90以上,同一臺燈具還能調(diào)出各種不同顏色的彩色光,使用的范圍也大大增加,成為色彩上的全能燈具。endprint

    8 LED燈具彩色光的可調(diào)性

    解決LED燈具顯色性的辦法,是補全燈具中各種顏色LED光源的光譜組成。這個問題解決后,還要用到LED燈具的彩色光表現(xiàn),因為舞臺演出需要高效率地產(chǎn)生各種細膩的彩色光,這是LED舞臺燈具最重要的特點。與演播室不同的是,舞臺除了基本照明光以外更多用到彩色的氣氛光和效果光,需要燈具能發(fā)出各種不同的、可變的彩色光。由于彩色光LED燈具不用濾色片,一臺燈具即可自由地產(chǎn)生各種色光,為舞臺燈具的特色功能。某些電視演播室專用的高顯色性LED燈具,由少數(shù)幾種色彩的LED光源組成,雖然其顯色指數(shù)很高,但是其中的LED光源以白光為主,色彩可調(diào)范圍很小,與本文所指的用于舞臺的彩色光LED燈具的概念是不同的。

    彩色光LED燈具中基色種類不斷增加,顯色性也不斷提高,但也加大了色彩調(diào)控和管理的難度:七種顏色怎么調(diào)出所需要的色彩?目前,國內(nèi)彩色光LED燈具基本使用的模式是:每種基色LED用一個DMX通道調(diào)節(jié)亮度,燈具用幾種基色,就有幾個DMX 通道。如果有七種基色,就用七個通道。每臺燈都要調(diào)七種顏色混合出一種顏色來,這里產(chǎn)生一個技術(shù)難題,如果對混合的比例掌握不好,要調(diào)出所要求的色光確實很難。另外,如果有幾批相同或者不同的彩色光LED燈具,要將幾臺燈具調(diào)出相同的彩色光,就更難了。參照上述色度圖,對各種不同的彩色用另一種彩色表達模式——HSI模式就比較方便了(如圖7)。

    HSI模式中的H(Hue)為色調(diào),在色度圖上就是表示舌型圖外圍一周的軌跡,這條曲線上每一點代表一種不同波長的純色;S(Saturation)為飽和度,表示一種彩色的純度,飽和度為0表示純度為0,即白色,在色度圖上表示為中部白色的一點。而由中部這個白色點到舌型圖邊緣純色的一條直線表示一種顏色的飽和度變化,到邊上為飽和度最高,即這種彩色達到最純;I(Intensity)為亮度,表示一種色光的明暗,在上述圖中表示不出來。有了這種調(diào)節(jié)模式,各種色光只要3個參數(shù)即可確定。不管燈具中有幾種彩色LED光源,只要內(nèi)部軟件將各種彩色LED光源的發(fā)光都按照上述原則編碼為3個DMX通道,使用就方便多了。當然,由于彩色LED光源色坐標包圍的彩色區(qū)域范圍不同,S參數(shù)值的變化不能到舌型區(qū)域的邊緣,但是,各種LED燈具的相同H值色光的色調(diào)應該是相同的。要做到這一點,燈具廠家應當在軟件上下工夫,對每一批LED光源的進貨都要測試標定,編制不同的算法將各色LED控制參數(shù)編碼到H、S、I等3個DMX通道。為了保證每臺燈具色彩特性的一致性,每臺燈具都要進行專門的色度調(diào)試后才能合格出廠,彩色光LED燈具的技術(shù)含量會大大增加。

    使用這種模式,對LED燈具調(diào)色與傳統(tǒng)燈具選濾色片很相似,先調(diào)色調(diào)(H)選顏色,如同選濾色片紅色為1XX系列,藍色為8XX系列;然后調(diào)飽和度,如同選濾色片的深淺,紅色的101、102、103……藍色的801、802、803……都逐步變淺;再調(diào)亮度(I),如同傳統(tǒng)燈具用可控硅調(diào)光器調(diào)節(jié)出光的明暗。

    值得注意的是,由于各色光LED的熱特性不同,調(diào)出的顏色會隨著光源溫度改變而變化,紅光、黃光、藍光、綠光LED,隨著溫度升高發(fā)光效率都會降低,而降低的比例不一樣,調(diào)整好顏色以后,燈具運行過程內(nèi)部溫度改變,各色LED發(fā)光比例變化,此顏色又會偏色,這必須要有燈具內(nèi)部軟件來測試溫度,調(diào)整工作電流,保證色彩的穩(wěn)定,因此,彩色光LED燈具要保持色光的穩(wěn)定,控制要求比白光LED燈具要復雜。

    9 彩色光LED燈具和白光LED燈具的不同應用

    白光LED燈具和彩色光LED燈具的結(jié)構(gòu)和特性不同,各適用于不同的場合。例如,綜藝娛樂節(jié)目需要彩色光營造空間彩色氣氛,就用彩色光的LED燈具。它們的特點是:白光顏色純;彩色光彩色效率高,一臺燈具不用濾色片就可以不間斷地調(diào)出各種色光,特別適合舞臺演出。

    白光LED燈具經(jīng)過不斷改進,光源發(fā)光效率提高了(超過100 lm/W),顯色指數(shù)也提高了,甚至可以達到90以上。另外,它的白光LED光源以藍光作為基礎,對溫度變化相對來說穩(wěn)定性比較好,內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)都相對簡單一點,成本比較低。

    白光LED燈具還有一個好處就是調(diào)光過程色溫不變,發(fā)光效率也不變。調(diào)光過程調(diào)暗一點,耗電也會少一點,發(fā)光效率基本不變,所以效率保持很高。傳統(tǒng)燈具用的溴鎢泡,調(diào)暗一點不只色溫低了,溫度降低也使得鎢絲發(fā)光效率也大大降低。對于電腦燈的氣體放電光源,暗一點只不過把機械光閘片關(guān)小一點,里面的發(fā)光用電是不變的;相比之下,LED燈具效率高多了。高顯色性的白光LED,用于新聞、訪談以人物為主的場合,人物的膚色認可度比較高。市場上白光的LED燈具顯色性差異很大,差的顯色指數(shù)達50以上,高的達90以上。電視臺驗收的時候,需要檢測顯色指數(shù),要求達到85以上,但也不要要求太高。因為若LED燈具顯色指數(shù)要求太高,光源成本會增加,發(fā)光效率會降低,達到85以上就夠了。

    總之,不同的LED燈具適應于不同用途:白光LED燈具適用于基本的人物照明,彩色光的LED燈具適用于彩色氣氛和特殊照明需求。

    參考文獻:

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    [3][德]海因維希.朗格. 色度學與彩色電視[M]. 北京:中國電影出版社,1985.endprint

    8 LED燈具彩色光的可調(diào)性

    解決LED燈具顯色性的辦法,是補全燈具中各種顏色LED光源的光譜組成。這個問題解決后,還要用到LED燈具的彩色光表現(xiàn),因為舞臺演出需要高效率地產(chǎn)生各種細膩的彩色光,這是LED舞臺燈具最重要的特點。與演播室不同的是,舞臺除了基本照明光以外更多用到彩色的氣氛光和效果光,需要燈具能發(fā)出各種不同的、可變的彩色光。由于彩色光LED燈具不用濾色片,一臺燈具即可自由地產(chǎn)生各種色光,為舞臺燈具的特色功能。某些電視演播室專用的高顯色性LED燈具,由少數(shù)幾種色彩的LED光源組成,雖然其顯色指數(shù)很高,但是其中的LED光源以白光為主,色彩可調(diào)范圍很小,與本文所指的用于舞臺的彩色光LED燈具的概念是不同的。

    彩色光LED燈具中基色種類不斷增加,顯色性也不斷提高,但也加大了色彩調(diào)控和管理的難度:七種顏色怎么調(diào)出所需要的色彩?目前,國內(nèi)彩色光LED燈具基本使用的模式是:每種基色LED用一個DMX通道調(diào)節(jié)亮度,燈具用幾種基色,就有幾個DMX 通道。如果有七種基色,就用七個通道。每臺燈都要調(diào)七種顏色混合出一種顏色來,這里產(chǎn)生一個技術(shù)難題,如果對混合的比例掌握不好,要調(diào)出所要求的色光確實很難。另外,如果有幾批相同或者不同的彩色光LED燈具,要將幾臺燈具調(diào)出相同的彩色光,就更難了。參照上述色度圖,對各種不同的彩色用另一種彩色表達模式——HSI模式就比較方便了(如圖7)。

    HSI模式中的H(Hue)為色調(diào),在色度圖上就是表示舌型圖外圍一周的軌跡,這條曲線上每一點代表一種不同波長的純色;S(Saturation)為飽和度,表示一種彩色的純度,飽和度為0表示純度為0,即白色,在色度圖上表示為中部白色的一點。而由中部這個白色點到舌型圖邊緣純色的一條直線表示一種顏色的飽和度變化,到邊上為飽和度最高,即這種彩色達到最純;I(Intensity)為亮度,表示一種色光的明暗,在上述圖中表示不出來。有了這種調(diào)節(jié)模式,各種色光只要3個參數(shù)即可確定。不管燈具中有幾種彩色LED光源,只要內(nèi)部軟件將各種彩色LED光源的發(fā)光都按照上述原則編碼為3個DMX通道,使用就方便多了。當然,由于彩色LED光源色坐標包圍的彩色區(qū)域范圍不同,S參數(shù)值的變化不能到舌型區(qū)域的邊緣,但是,各種LED燈具的相同H值色光的色調(diào)應該是相同的。要做到這一點,燈具廠家應當在軟件上下工夫,對每一批LED光源的進貨都要測試標定,編制不同的算法將各色LED控制參數(shù)編碼到H、S、I等3個DMX通道。為了保證每臺燈具色彩特性的一致性,每臺燈具都要進行專門的色度調(diào)試后才能合格出廠,彩色光LED燈具的技術(shù)含量會大大增加。

    使用這種模式,對LED燈具調(diào)色與傳統(tǒng)燈具選濾色片很相似,先調(diào)色調(diào)(H)選顏色,如同選濾色片紅色為1XX系列,藍色為8XX系列;然后調(diào)飽和度,如同選濾色片的深淺,紅色的101、102、103……藍色的801、802、803……都逐步變淺;再調(diào)亮度(I),如同傳統(tǒng)燈具用可控硅調(diào)光器調(diào)節(jié)出光的明暗。

    值得注意的是,由于各色光LED的熱特性不同,調(diào)出的顏色會隨著光源溫度改變而變化,紅光、黃光、藍光、綠光LED,隨著溫度升高發(fā)光效率都會降低,而降低的比例不一樣,調(diào)整好顏色以后,燈具運行過程內(nèi)部溫度改變,各色LED發(fā)光比例變化,此顏色又會偏色,這必須要有燈具內(nèi)部軟件來測試溫度,調(diào)整工作電流,保證色彩的穩(wěn)定,因此,彩色光LED燈具要保持色光的穩(wěn)定,控制要求比白光LED燈具要復雜。

    9 彩色光LED燈具和白光LED燈具的不同應用

    白光LED燈具和彩色光LED燈具的結(jié)構(gòu)和特性不同,各適用于不同的場合。例如,綜藝娛樂節(jié)目需要彩色光營造空間彩色氣氛,就用彩色光的LED燈具。它們的特點是:白光顏色純;彩色光彩色效率高,一臺燈具不用濾色片就可以不間斷地調(diào)出各種色光,特別適合舞臺演出。

    白光LED燈具經(jīng)過不斷改進,光源發(fā)光效率提高了(超過100 lm/W),顯色指數(shù)也提高了,甚至可以達到90以上。另外,它的白光LED光源以藍光作為基礎,對溫度變化相對來說穩(wěn)定性比較好,內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)都相對簡單一點,成本比較低。

    白光LED燈具還有一個好處就是調(diào)光過程色溫不變,發(fā)光效率也不變。調(diào)光過程調(diào)暗一點,耗電也會少一點,發(fā)光效率基本不變,所以效率保持很高。傳統(tǒng)燈具用的溴鎢泡,調(diào)暗一點不只色溫低了,溫度降低也使得鎢絲發(fā)光效率也大大降低。對于電腦燈的氣體放電光源,暗一點只不過把機械光閘片關(guān)小一點,里面的發(fā)光用電是不變的;相比之下,LED燈具效率高多了。高顯色性的白光LED,用于新聞、訪談以人物為主的場合,人物的膚色認可度比較高。市場上白光的LED燈具顯色性差異很大,差的顯色指數(shù)達50以上,高的達90以上。電視臺驗收的時候,需要檢測顯色指數(shù),要求達到85以上,但也不要要求太高。因為若LED燈具顯色指數(shù)要求太高,光源成本會增加,發(fā)光效率會降低,達到85以上就夠了。

    總之,不同的LED燈具適應于不同用途:白光LED燈具適用于基本的人物照明,彩色光的LED燈具適用于彩色氣氛和特殊照明需求。

    參考文獻:

    [1]周太明等編著. 光源原理與設計(第二版)[M]. 上海:復旦大學出版社,2006.

    [2]荊其誠等編著. 色度學[M]. 北京:科學出版社,1979.

    [3][德]海因維希.朗格. 色度學與彩色電視[M]. 北京:中國電影出版社,1985.endprint

    8 LED燈具彩色光的可調(diào)性

    解決LED燈具顯色性的辦法,是補全燈具中各種顏色LED光源的光譜組成。這個問題解決后,還要用到LED燈具的彩色光表現(xiàn),因為舞臺演出需要高效率地產(chǎn)生各種細膩的彩色光,這是LED舞臺燈具最重要的特點。與演播室不同的是,舞臺除了基本照明光以外更多用到彩色的氣氛光和效果光,需要燈具能發(fā)出各種不同的、可變的彩色光。由于彩色光LED燈具不用濾色片,一臺燈具即可自由地產(chǎn)生各種色光,為舞臺燈具的特色功能。某些電視演播室專用的高顯色性LED燈具,由少數(shù)幾種色彩的LED光源組成,雖然其顯色指數(shù)很高,但是其中的LED光源以白光為主,色彩可調(diào)范圍很小,與本文所指的用于舞臺的彩色光LED燈具的概念是不同的。

    彩色光LED燈具中基色種類不斷增加,顯色性也不斷提高,但也加大了色彩調(diào)控和管理的難度:七種顏色怎么調(diào)出所需要的色彩?目前,國內(nèi)彩色光LED燈具基本使用的模式是:每種基色LED用一個DMX通道調(diào)節(jié)亮度,燈具用幾種基色,就有幾個DMX 通道。如果有七種基色,就用七個通道。每臺燈都要調(diào)七種顏色混合出一種顏色來,這里產(chǎn)生一個技術(shù)難題,如果對混合的比例掌握不好,要調(diào)出所要求的色光確實很難。另外,如果有幾批相同或者不同的彩色光LED燈具,要將幾臺燈具調(diào)出相同的彩色光,就更難了。參照上述色度圖,對各種不同的彩色用另一種彩色表達模式——HSI模式就比較方便了(如圖7)。

    HSI模式中的H(Hue)為色調(diào),在色度圖上就是表示舌型圖外圍一周的軌跡,這條曲線上每一點代表一種不同波長的純色;S(Saturation)為飽和度,表示一種彩色的純度,飽和度為0表示純度為0,即白色,在色度圖上表示為中部白色的一點。而由中部這個白色點到舌型圖邊緣純色的一條直線表示一種顏色的飽和度變化,到邊上為飽和度最高,即這種彩色達到最純;I(Intensity)為亮度,表示一種色光的明暗,在上述圖中表示不出來。有了這種調(diào)節(jié)模式,各種色光只要3個參數(shù)即可確定。不管燈具中有幾種彩色LED光源,只要內(nèi)部軟件將各種彩色LED光源的發(fā)光都按照上述原則編碼為3個DMX通道,使用就方便多了。當然,由于彩色LED光源色坐標包圍的彩色區(qū)域范圍不同,S參數(shù)值的變化不能到舌型區(qū)域的邊緣,但是,各種LED燈具的相同H值色光的色調(diào)應該是相同的。要做到這一點,燈具廠家應當在軟件上下工夫,對每一批LED光源的進貨都要測試標定,編制不同的算法將各色LED控制參數(shù)編碼到H、S、I等3個DMX通道。為了保證每臺燈具色彩特性的一致性,每臺燈具都要進行專門的色度調(diào)試后才能合格出廠,彩色光LED燈具的技術(shù)含量會大大增加。

    使用這種模式,對LED燈具調(diào)色與傳統(tǒng)燈具選濾色片很相似,先調(diào)色調(diào)(H)選顏色,如同選濾色片紅色為1XX系列,藍色為8XX系列;然后調(diào)飽和度,如同選濾色片的深淺,紅色的101、102、103……藍色的801、802、803……都逐步變淺;再調(diào)亮度(I),如同傳統(tǒng)燈具用可控硅調(diào)光器調(diào)節(jié)出光的明暗。

    值得注意的是,由于各色光LED的熱特性不同,調(diào)出的顏色會隨著光源溫度改變而變化,紅光、黃光、藍光、綠光LED,隨著溫度升高發(fā)光效率都會降低,而降低的比例不一樣,調(diào)整好顏色以后,燈具運行過程內(nèi)部溫度改變,各色LED發(fā)光比例變化,此顏色又會偏色,這必須要有燈具內(nèi)部軟件來測試溫度,調(diào)整工作電流,保證色彩的穩(wěn)定,因此,彩色光LED燈具要保持色光的穩(wěn)定,控制要求比白光LED燈具要復雜。

    9 彩色光LED燈具和白光LED燈具的不同應用

    白光LED燈具和彩色光LED燈具的結(jié)構(gòu)和特性不同,各適用于不同的場合。例如,綜藝娛樂節(jié)目需要彩色光營造空間彩色氣氛,就用彩色光的LED燈具。它們的特點是:白光顏色純;彩色光彩色效率高,一臺燈具不用濾色片就可以不間斷地調(diào)出各種色光,特別適合舞臺演出。

    白光LED燈具經(jīng)過不斷改進,光源發(fā)光效率提高了(超過100 lm/W),顯色指數(shù)也提高了,甚至可以達到90以上。另外,它的白光LED光源以藍光作為基礎,對溫度變化相對來說穩(wěn)定性比較好,內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)都相對簡單一點,成本比較低。

    白光LED燈具還有一個好處就是調(diào)光過程色溫不變,發(fā)光效率也不變。調(diào)光過程調(diào)暗一點,耗電也會少一點,發(fā)光效率基本不變,所以效率保持很高。傳統(tǒng)燈具用的溴鎢泡,調(diào)暗一點不只色溫低了,溫度降低也使得鎢絲發(fā)光效率也大大降低。對于電腦燈的氣體放電光源,暗一點只不過把機械光閘片關(guān)小一點,里面的發(fā)光用電是不變的;相比之下,LED燈具效率高多了。高顯色性的白光LED,用于新聞、訪談以人物為主的場合,人物的膚色認可度比較高。市場上白光的LED燈具顯色性差異很大,差的顯色指數(shù)達50以上,高的達90以上。電視臺驗收的時候,需要檢測顯色指數(shù),要求達到85以上,但也不要要求太高。因為若LED燈具顯色指數(shù)要求太高,光源成本會增加,發(fā)光效率會降低,達到85以上就夠了。

    總之,不同的LED燈具適應于不同用途:白光LED燈具適用于基本的人物照明,彩色光的LED燈具適用于彩色氣氛和特殊照明需求。

    參考文獻:

    [1]周太明等編著. 光源原理與設計(第二版)[M]. 上海:復旦大學出版社,2006.

    [2]荊其誠等編著. 色度學[M]. 北京:科學出版社,1979.

    [3][德]海因維希.朗格. 色度學與彩色電視[M]. 北京:中國電影出版社,1985.endprint

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