解析一款新型LED電腦燈
——High End Systems Shapeshifter

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

解析一款新型LED電腦燈
——High End Systems Shapeshifter

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春1

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

通過(guò)對(duì)Shapeshifter LED燈具的檢測(cè)，解析燈具的構(gòu)成、功能及其性能和特點(diǎn)。

LED電腦燈；測(cè)評(píng)；光束效果；模塊運(yùn)轉(zhuǎn)；宏指令

近來(lái)，筆者測(cè)試了一些不同尋常的燈具，解決了通常的測(cè)試體系的困難。超窄光束效果燈具、可操控的光學(xué)系統(tǒng)以及LED光源帶來(lái)了一系列全新的問(wèn)題。我們?cè)撊绾握J(rèn)識(shí)哪些測(cè)量工作是值得做的，并在實(shí)際中反映出該產(chǎn)品如何使用？具體說(shuō)明和測(cè)量用作基本光和背逆光的燈具很簡(jiǎn)單，三個(gè)問(wèn)題就能使用戶(hù)獲得滿意的大部分答案，即：燈具有多亮？其光斑有多均勻？顯色性有多好？然而，在談?wù)摽罩泄馐Ч?、圖案投影以及其他效果燈具時(shí)，這些參量可能沒(méi)有哪一個(gè)是有用的。然而，筆者仍堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，試圖提供一些有用的數(shù)據(jù)以論述受測(cè)試燈具的適用性，以及與它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比較，其基準(zhǔn)參數(shù)表現(xiàn)如何。

本次考察的燈具幾乎具體體現(xiàn)了筆者以上提及的所有難以測(cè)量的特性，所以對(duì)燈具分類(lèi)也提出了一些挑戰(zhàn)。這款燈具就是High End System的產(chǎn)品Shapeshifter（以下簡(jiǎn)稱(chēng)該燈具）。High End System從事自動(dòng)化照明設(shè)備制造有很多年頭，是一家頗受尊敬的制造商。多年來(lái)公司的命運(yùn)幾經(jīng)起伏，最近它在控制系統(tǒng)（Wholehog range，飛豬系列）上的投入顯然要大于在燈具上的投入。然而，隨著LED光源的到來(lái)，它似乎激發(fā)出一些新思維。作為一家公司，它總是喜歡與其競(jìng)爭(zhēng)者有點(diǎn)不同，而很明確，該燈具就是這樣一款標(biāo)新立異的產(chǎn)品。可以將它看作一款燈具，或者可以將其看作7個(gè)半獨(dú)立的燈具：它有點(diǎn)二者兼而有之。

High End System給筆者提供該燈具的兩種不同型號(hào)的產(chǎn)品：C1 RGB混色燈具和W1白光LED燈具。筆者試圖檢測(cè)從光源直至光輸出的每一項(xiàng)性能及參數(shù)，并提供相關(guān)的結(jié)果以有助于用戶(hù)作出自己的決定。它安裝有通用電源，其額定電壓范圍為100 V～240 V 50/60 Hz；然而，在這次檢測(cè)中，該燈具始終在115 V 60 Hz標(biāo)稱(chēng)電壓下運(yùn)行，見(jiàn)圖1。

1 光源

W1和C1都配置有126個(gè)Cree XPE 2 LED光源。這些光源被分成7個(gè)模塊，每一個(gè)模塊由18個(gè)LED光源組成。在C1型號(hào)中，每一個(gè)模塊包含6個(gè)紅、6個(gè)綠和6個(gè)藍(lán)光LED光源。在W1型號(hào)中，126個(gè)光源全是白光LED光源。Cree XPE-2是標(biāo)稱(chēng)功率3 W的光源，然而筆者此前說(shuō)過(guò)多次，LED標(biāo)稱(chēng)值不是絕對(duì)的。冷卻的效能和LED光源的工作環(huán)境是其額定功率的實(shí)際驅(qū)動(dòng)器。7個(gè)LED光源模塊被排列成中心一個(gè)模塊和外圓環(huán)6個(gè)模塊。中心模塊是六邊形的，相對(duì)于搖頭而言，它是固定不動(dòng)的。然而就是在這個(gè)點(diǎn)位，開(kāi)創(chuàng)出有趣的事：18個(gè)LED光源組成的6個(gè)外圍梯形模塊的每一個(gè)都被安裝在各自獨(dú)立的水平—垂直旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上，該系統(tǒng)提供相當(dāng)于燈具搖頭和中心模塊的二次運(yùn)動(dòng)選擇。126個(gè)LED器件中的每一個(gè)都配置有各自的窄角TIR（totall inner reflecter：全反射聚光透鏡）初級(jí)光學(xué)器件。圖1清晰地顯示7個(gè)LED模塊，從照片中可見(jiàn)，它們被設(shè)置在同一個(gè)平面內(nèi)。稍后我們?cè)俜祷氐剿鼈兊倪\(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)在先看看LED光源及其冷卻系統(tǒng)。

由于6個(gè)外圍模塊相對(duì)于搖頭的運(yùn)動(dòng)的空間需要，所以不能配置一個(gè)大型的散熱器，因而每一個(gè)模塊不得不配置各自的冷卻系統(tǒng)和散熱器。圖2顯示其中一個(gè)模塊的后視圖，從照片中可以清晰地看見(jiàn)形成每一個(gè)模塊后表面的壓鑄散熱器（安裝在燈具后側(cè)的一個(gè)大的自動(dòng)調(diào)溫控制的風(fēng)扇將空氣吸進(jìn)并吹過(guò)這些散熱器以保持它們冷卻）。圖3顯示在搖頭后面的這只風(fēng)扇以及3個(gè)電路板。其中最大的電路板（見(jiàn)圖3中左上側(cè)）包含著LED驅(qū)動(dòng)器，而較小的兩個(gè)電路板（圖3中右側(cè)和底部）則包含著各個(gè)模塊的水平—垂直旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。其冷卻系統(tǒng)工作良好，雖然有那么一點(diǎn)噪聲（后面再論述）。在筆者的測(cè)試中，在所有LED光源滿功率運(yùn)行時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)開(kāi)機(jī)30 min后達(dá)到熱平衡狀態(tài)的光輸出僅僅下降約9%。這是一個(gè)很好的結(jié)果，許多LED燈具將損失更多的光輸出，因?yàn)闊艟邥?huì)變得更熱（注意：在這次考察中的所有光輸出測(cè)試都是在燈具運(yùn)行30 min之后進(jìn)行的。）

2 光輸出

筆者測(cè)得C1在所有LED光源滿功率運(yùn)行時(shí)的光輸出為9 195 lm，見(jiàn)圖4?，F(xiàn)在，隨之而來(lái)的第一個(gè)問(wèn)題是：在模塊可以運(yùn)動(dòng)的狀況下，如何定義燈具的光斑角？筆者決定測(cè)量和報(bào)告所有模塊處于同一個(gè)平面時(shí)的總光斑角和單個(gè)模塊的光斑角。因?yàn)樗](méi)有通常的光束角控制，每一個(gè)模塊有固定的焦距，所以這似乎是合理的方法。筆者測(cè)得所有模塊處于同一平面時(shí)C1的光斑角為16.5°。單個(gè)模塊的光斑角，也近似為整臺(tái)燈具聚焦成一個(gè)聚光斑時(shí)的最小光斑角，其角度是15°。寬光斑角很大程度上由用戶(hù)決定。外圍6個(gè)模塊可以向外垂直旋轉(zhuǎn)，有效光斑角將增加，然而在一些模塊過(guò)度偏離的定位時(shí)，它們產(chǎn)生的7個(gè)光束將分離成各個(gè)單獨(dú)的光束。一個(gè)光束變成7個(gè)光束，很大程度上，這是不同操控產(chǎn)生不同效果的問(wèn)題。

注釋1：在報(bào)告光束和光斑角時(shí)有一個(gè)令人感興趣的問(wèn)題。對(duì)于這些數(shù)字意味著什么，不得不走出近光場(chǎng)而進(jìn)入適用平方反比定律的遠(yuǎn)光場(chǎng)。對(duì)于通常的燈具，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單而明確的，經(jīng)驗(yàn)法則是確保所有測(cè)量所選取的射距至少10倍于燈具燈口的直徑，因此身處遠(yuǎn)光場(chǎng)中會(huì)相當(dāng)自信。對(duì)于像Shapeshifter（以及采用多種超窄角光源的其他燈具）一類(lèi)的燈具，這是一個(gè)棘手的問(wèn)題?？梢哉{(diào)整Shapeshifter模塊的位置，以在燈具前方較遠(yuǎn)處獲得外部的光束交叉點(diǎn)，遠(yuǎn)光場(chǎng)也可以離得很遠(yuǎn)。對(duì)于像Shapeshifter的一款燈具，在筆者工作室里，在遠(yuǎn)光場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量不是切實(shí)可行的，因?yàn)楣ぷ魇覍?shí)在不夠大?？尚械姆椒ㄊ莾H僅測(cè)量單一的發(fā)射器或模塊，然后將其按比例增加。單一模塊按慣例運(yùn)作而遠(yuǎn)光場(chǎng)離開(kāi)僅僅只有幾英尺。

圖2 水平和垂直旋轉(zhuǎn)裝置

圖3 電路板

注釋2：如同以往的考察一樣，筆者應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光斑的光通量來(lái)報(bào)告燈具總的光輸出。High End System應(yīng)用它自己專(zhuān)有的流明版本，它不具有可比性。

較遠(yuǎn)射距上的顏色均勻性是很好的。然而這是一款效果燈具，所以像有色陰影的事情并不是很重要。對(duì)于全白的W1，其性能稍有不同。如預(yù)期的那樣，其總光輸出更高，差點(diǎn)不到15 000 lm，見(jiàn)圖5。其平面光斑角是相同的，也是16.5°；而單個(gè)模塊所匯聚成的光斑角小于C1，為12.3°。

3 調(diào)光

該燈具的調(diào)光曲線如圖6所示。它幾乎是理論上平方定律曲線的完美組合。在曲線上方的85%部分，其調(diào)光性能是良好的；雖然燈具采用16 bit調(diào)光控制，但調(diào)光曲線底部15%部分仍出現(xiàn)可察覺(jué)的步進(jìn)現(xiàn)象。在調(diào)光全過(guò)程中顏色一致性是良好的，其間，所有三種顏色通道一起跟蹤良好，并且混合顏色保持不變。

它配置有單獨(dú)的頻閃通道，可提供一系列不同的頻閃類(lèi)型，其中包括漸變和突變。筆者測(cè)得其有規(guī)律頻閃的速度范圍是0.3 Hz～12 Hz。

筆者測(cè)得其PWM頻率是1.95 kHz。這應(yīng)該已足夠快速，可以適用于大多數(shù)TV系統(tǒng)。

注釋?zhuān)阂话愣?，PWM越快越好。配置有卷簾式快門(mén)的現(xiàn)代CMOS攝影機(jī)對(duì)于任何閃爍都非常敏感。然而，當(dāng)頻率提高時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)刺痛用戶(hù)的新問(wèn)題。為了試圖避免這些攝影機(jī)問(wèn)題，選用的PWM頻率將進(jìn)入kHz級(jí)別，然而這又引發(fā)新的問(wèn)題：PWM將產(chǎn)生可聽(tīng)得見(jiàn)的來(lái)自于燈具電源或驅(qū)動(dòng)器的似歌唱似鈴聲的噪聲，在5 kHz～10 kHz范圍內(nèi)這種現(xiàn)象特別顯著。在尋求越來(lái)越合適的PWM頻率時(shí)，必須跳越音頻范圍，因而徑直將PWM提升到20 kHz甚至更高。

4 顏色系統(tǒng)

C1提供傳統(tǒng)的三色RGB加法混合顏色系統(tǒng)，其運(yùn)行性能如預(yù)期的那樣。圖7顯示C1在所有發(fā)射器滿功率運(yùn)行時(shí)的光譜。發(fā)射器的峰值大約位于450 nm、515 nm和635 nm。在這個(gè)模式中，光色并非是純白色；而具有明顯的藍(lán)色色調(diào)。減少藍(lán)色以調(diào)整混合色，直至獲得黑體輻射軌跡上的純白色，此時(shí)的光輸出約為燈具最大光輸出的80%，其色溫約為10 000 K。

圖4 C1光強(qiáng)分布曲線

圖5 W1光強(qiáng)分布曲線

圖6 調(diào)光曲線

表1 顏色混合

主要原色的光輸出占整個(gè)光輸出的百分比見(jiàn)表1。

這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的顏色分析，因?yàn)樗雎粤藛我荒K的控制；筆者猜想，實(shí)際上不太可能同時(shí)應(yīng)用C1的全部顏色，而更可能利用模塊創(chuàng)造顏色效果。C1可以以許多不同的顏色模式運(yùn)行，可以選取7個(gè)模塊中的每一個(gè)各自單獨(dú)控制的模式，或者以生成顏色圖案的宏指令來(lái)運(yùn)行。圖9顯示由顏色宏指令通道生成的顏色圖案的一些例子。如果有時(shí)間和足夠的DMX512通道，用戶(hù)可以打造自己的顏色圖案庫(kù)。

返回到W1，如同圖8所示的光譜是常見(jiàn)的熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED的光譜，其藍(lán)色波峰位于445 nm，而寬大的黃色波峰的居中峰值則位于550 nm。筆者測(cè)得W1的色溫差點(diǎn)不到7 000 K，CRI為74，而CQS為68。

5 模塊運(yùn)轉(zhuǎn)

模塊運(yùn)轉(zhuǎn)是該燈具的主要亮點(diǎn)。如前所述，外圍6個(gè)模塊中的每一個(gè)都被安裝在水平—垂直旋轉(zhuǎn)臂上，在這些設(shè)計(jì)方面非常傳統(tǒng)，類(lèi)似于掃描器。（見(jiàn)圖2）水平（切向或x軸向運(yùn)行，如同High End System在該燈具中所稱(chēng)呼它的）是驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)的單一固定的步進(jìn)馬達(dá)，而垂直（徑向或y軸）則由第二個(gè)步進(jìn)馬達(dá)通過(guò)皮帶被驅(qū)動(dòng)，并偕同模塊一起運(yùn)轉(zhuǎn)。將一個(gè)平面鏡替代這個(gè)LED模塊，就會(huì)認(rèn)出它是掃描器的機(jī)械裝置。和掃描器一樣，在這兩個(gè)軸之間的相互關(guān)系是復(fù)雜的。圖10顯示每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)平面的范圍。對(duì)于這種相當(dāng)輕量的模塊，這種類(lèi)型系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。筆者測(cè)得x軸運(yùn)轉(zhuǎn)的全范圍是32°，而y軸運(yùn)轉(zhuǎn)的全范圍是28°，從一端運(yùn)轉(zhuǎn)到另一端，兩個(gè)軸向運(yùn)轉(zhuǎn)均需時(shí)約0.4 s。相比整體的水平和垂直旋轉(zhuǎn)臂運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，這顯得更快速。和模塊的顏色控制一樣，用戶(hù)擁有一起運(yùn)轉(zhuǎn)所有x和y通道或分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇。此外，和顏色一樣，提供許多運(yùn)轉(zhuǎn)宏功能。實(shí)際上，超出筆者使用過(guò)的燈具，其內(nèi)置的宏功能對(duì)于它在合理時(shí)間內(nèi)完成程序編制工作是非常至關(guān)重要的。

圖9 圖案實(shí)例

圖7 C1光譜分布

圖8 W1光譜分布

圖10 變形

6 水平和垂直旋轉(zhuǎn)

C1和W1具有水平旋轉(zhuǎn)范圍540°和垂直旋轉(zhuǎn)范圍270°。水平全程運(yùn)轉(zhuǎn)需時(shí)3.6 s，而更典型的180°旋轉(zhuǎn)則需時(shí)1.8 s。垂直全程運(yùn)轉(zhuǎn)需時(shí)2.1 s，而180°旋轉(zhuǎn)則需時(shí)1.5 s。其運(yùn)轉(zhuǎn)是非常準(zhǔn)確的。水平定位重復(fù)精度是0.09°，相當(dāng)于在20英尺射距上偏差約0.4英寸（或在10 m射距上偏差16 mm）。燈具機(jī)械系統(tǒng)的阻尼性能很好，所以其運(yùn)轉(zhuǎn)是平滑的，只出現(xiàn)少量的過(guò)沖現(xiàn)象。

7 靛藍(lán)色背光

新近在幾個(gè)其他的High End System的產(chǎn)品中已經(jīng)看見(jiàn)，該燈具配置了靛藍(lán)色LED光源，作為其輔助的照明系統(tǒng)。其文件材料提到它們是用作背光。有6個(gè)電路板，每一個(gè)電路板連接3個(gè)LED光源，LED光源的頭部倒置著精確安裝在飾有酒窩的鋁質(zhì)漫射型發(fā)射器中。圖11和圖12顯示LED光源及其發(fā)射器。這些背光可以獨(dú)立于主光源受控，或連同主光源一起受控而隨同主輸出漸亮或漸暗。如果從燈具搖頭直接看進(jìn)去，這種效果是看得見(jiàn)的，它并不是用作投影效果的。圖9中3個(gè)例子顯示使用中的靛藍(lán)色背光。

表2 聲強(qiáng)

8 噪聲

風(fēng)扇是該燈具相當(dāng)喧鬧的一個(gè)部件。滿功率運(yùn)行燈具，自動(dòng)調(diào)溫控制風(fēng)扇達(dá)到最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度，因而成為噪聲最大的部件，見(jiàn)表2。

9 電參數(shù)

該燈具被規(guī)定在100 V～240V AC 50/60 Hz額定電壓范圍內(nèi)自動(dòng)切換運(yùn)作。在使用115 V標(biāo)稱(chēng)電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，筆者測(cè)得燈具靜態(tài)功耗為497 W，此時(shí)光輸出最大，功率因數(shù)為0.99。所有LED關(guān)閉時(shí)的燈具維持功耗為47 W，而功率因數(shù)為0.86。在最大光輸出時(shí)，C1的發(fā)光效能是18.5 lm/W，而W1的發(fā)光效能則是30 lm/W。

燈具初始化時(shí)間是63 s，經(jīng)由DMX512控制通道發(fā)出復(fù)位指令起，其初始化時(shí)間約為50 s。在復(fù)位時(shí)，燈具運(yùn)作得很糟糕：在運(yùn)動(dòng)重置結(jié)束之前，它又漸亮起來(lái)。

圖11 靛藍(lán)色光源

圖12 靛藍(lán)色發(fā)射器

10 電子設(shè)備與控制

該燈具主要的電子設(shè)備被安裝在搖頭中，如圖3所示。DMX512電子設(shè)備和電源，以及菜單系統(tǒng)及其顯示器被安裝在底座內(nèi)。燈具配置有彩色液晶顯示器和菜單按鈕，可以設(shè)置所有通常的參數(shù)和選擇，包括編程獨(dú)立操作的模式。圖13顯示燈具的顯示器和菜單按鈕。也可以被安裝蓄電池以便在燈具被懸吊并接通電源前能設(shè)置DMX512地址和燈具參數(shù)。筆者測(cè)試的這臺(tái)燈具沒(méi)有配置這些蓄電池，所以筆者不能檢測(cè)這個(gè)特性。置頂盒上提供5針和3針XLR連接器以及powerCON連接器，見(jiàn)圖14。

11 結(jié)構(gòu)

其搖頭安裝有3個(gè)大驅(qū)動(dòng)器電路板和7個(gè)LED模塊。它的拆卸很簡(jiǎn)單，僅需要移除幾個(gè)螺絲即可卸下主要的燈蓋。而后直截了當(dāng)?shù)靥鎿Q模塊組件。筆者想象，沒(méi)有那么多低水平的維修需要普通用戶(hù)自己去做或能做的。燈弓臂和置頂盒部件是當(dāng)下燈具非常標(biāo)準(zhǔn)化的部件。圖15顯示安裝有水平和垂直旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和水平旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的燈弓臂。

結(jié)論

6個(gè)可運(yùn)轉(zhuǎn)的模塊是整個(gè)燈具的精華。每個(gè)模塊產(chǎn)生相當(dāng)狹窄、明亮的光束，能夠單獨(dú)地移動(dòng)每一個(gè)模塊，并仍然能控制整個(gè)燈具的水平和垂直旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)空中效果和直視圖案。這是一款專(zhuān)為觀眾視覺(jué)效果而不是為照明演員而設(shè)計(jì)的燈具。其他制造商正以不同的方法制造相似的產(chǎn)品，但是它提供了有趣的可供選擇方案，因?yàn)槊總€(gè)模塊具有完全獨(dú)立的控制。它有點(diǎn)像一口氣同時(shí)操作和控制7個(gè)較小的LED掃描器。那么，何時(shí)使用這款燈具來(lái)設(shè)計(jì)由用戶(hù)自己決定。這款燈具有人喜歡有人討厭（筆者不得不承認(rèn)通常不喜歡現(xiàn)存的效果），使用內(nèi)置的宏功能對(duì)于迅速編程是必不可少的，但是如果用戶(hù)有時(shí)間的話，就可以利用工具菜單巧妙處理所有的圖案。High End做了很好的工作，提供許多這些必不可少的宏功能；它將它們分解成單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度和顏色，因此增加了選項(xiàng)的數(shù)目。High End System Shapeshifter C1或W1將成為你燈光設(shè)備中的一款燈具嗎？選擇由用戶(hù)自己決定。

（本文編譯自美國(guó)《Lighting & Sound America》雜志2015年1月刊《High End System Shapeshifter》一文，http://www.lightingandsoundamerica.com/LSA.html）

（編輯 張冠華）

High End Systems Shapeshifter

Original / [USA]Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

By detecting Shapeshifter LED, the author analyzed the composition, function, performance and features of the new product.

LED computer lights; evaluation; beam effect; module movement; macro

圖13 菜單

圖14 連接器

圖15 燈弓臂

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.001

圖1 受檢燈具