LED灯具在影视照明领域应用的分析

郭亮 发表于 2011-03-01 10:54:52 收藏 已收藏
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LED灯具在影视照明领域应用的分析

郭亮 发表于 2011-03-01 10:54:52

随着半导体技术的迅猛发展,LED灯具以其高光效、低能耗、长寿命、多功能等技术优势在照明行业掀起了革命性浪潮。LED在公共照明领域已经得到广泛的认同和运用,在影视照明专业也同样引起了积极的关注和响应。对比分析LED灯具与传统影视灯具的性能特点,了解探索LED灯具在影视照明领域的应用规律,对我们做好影视照明工作有着积极意义。结合近年来浙江广电集团在LED灯具运用的实践体会,我们对LED灯具在影视照明领域的应用提出以下特性分析。

  (一) 照度
  对影视照明的灯具而言,照度是我们第一个要求考量的特性。相比于传统钨丝聚光灯,照度不够一直是LED灯最大的问题。灯具照度低、作用距离近也是过去LED灯具不被业内认可的最主要原因。但随着LED元器件发光效率的不断提升,LED灯具的实用照度一直以惊人的速度在赶超传统灯具。我们2005年第一次使用90WLED小型聚光灯,2米距离的照度不及聚光灯系列中最小功率的500W灯具。但到2007年,我们选用散光型LED变色灯,虽然只有136W的总功率,但在白光及各种色光的照度上都不输给常用的1000W地排灯了。到了2009年,浙江广电集团电视演播化改造后的音乐厅选用了红绿蓝三色灯珠组合而成的450WLED灯,在组合白光、色光功能上都强于2000W钨丝聚光灯和1200W金属卤钨灯光源的电脑染色灯。到了2010年,在浙江广电集团180平米复式新闻演播厅用了100W、200W白光LED灯具,在白光照度上已经相当于传统1000W、2000W钨丝聚光灯了。

  一旦突破了大功率、高亮度的技术瓶颈,LED灯具在色光、节能等方面的优势才能得以全面的发扬光大。

  表一:LED柔光灯与传统柔光灯(三基色冷光灯)照度比较

灯具类型 色温 2m 距离照度 4m 距离照度 6m 距离照度 8m 距离照度
220W三基色冷光灯 3120 k 380 lux 130 lux 68 lux 52 lux
330W三基色冷光灯 3140 k 580 lux 160 lux 96 lux 64 lux
100W LED 柔光灯 3050 k 1000 lux 320 lux 180 lux 110 lux
100W LED 柔光灯(加柔光片) 3000 k 840 lux 260 lux 130 lux 80 lux
100W LED 柔光灯(加蜂窝罩) 3050 k 770 lux 300 lux 150 lux 90 lux

  表二:LED聚光灯与传统聚光灯照度比较

灯具类型 色温 2m 距离照度 4m 距离照度 6m 距离照度 8m 距离照度
1000W 传统聚光灯 2770 k 3300 lux 1200 lux 620 lux 430 lux
2000W 传统聚光灯 2900 k 7300 lux 2500 lux 1100 lux 610 lux
100W LED 聚光灯(单色白光) 3050 k 3600 lux 1220 lux 700 lux 410 lux
200W LED 聚光灯(单色白光) 3050 k 5900 lux 1800 lux 880 lux 520 lux
450W LED 聚光灯(三色混白 ) 6500 k     1600 lux 840 lux

  (二) 色光
  早在LED技术刚刚涉及影视照明领域时,LED灯具细腻优质的色光功能就让人震惊,当然,当时的价格也是高得让人震惊,只是由于功率小照度低,实在无法与传统灯具相匹敌,才未能引起足够的关注。而现阶段,当照度不成问题后,LED灯具在色光变换上的优越性是传统灯具无以伦比的,有着压倒性的优势。

  对于以白光为主的单一颜色光源的传统灯具,无论是钨丝灯光源聚光灯、散光灯、光束灯,还是金属卤化物光源的电脑灯,要想产生色光,都是采用在灯具的输出光线通道中加色纸、色片的方式。各种色纸、色片的透光性有高有低,但原理上是一种减色法叠加,要想产生非光源本色的色光,必然要以吸收部分光谱成分、降低有效光通量为代价。而用于变色的LED灯具通常采用多颗红绿蓝三色(或更多色)灯珠的合理排列,通过开启不同原色灯珠合成不同效果的色光。由于LED灯具色光产生是一种加色法混合,所有灯珠产生的光通量都有效地转化为实际光效,不存在打出色光效果后的无效吸收、减损。

从“表三”可以看到, 1000W地排灯在白光时还是亮过LED灯,但加上色纸后,就比不过加色法混合的LED灯了。

  相比于传统灯具,LED不仅在色光的光通量实际效用上有明显提高,产生色光的种类也更为丰富,色别的精确度更为细腻。除了加配CMY混色功能的高端的电脑灯,其他传统灯具无论是灯具前加装换色器还是光源前加玻璃色轮,一台灯能产生的色光一般只有7至11种。而以红绿蓝三原色或更多色灯珠组合而成的LED灯具,在对各颗灯珠精确的电子控制下,不同种类的纯色光以不同亮度的加色法混合,便能线性地产生任意色光效果。

  再者,色纸、玻璃色片都不可避免地存在褪色现象,尤其是色纸,几个钨丝聚光灯就算同时加上同一批次的色纸,也会因为灯具间光斑聚焦精度的差异引起色纸褪色程度的不同,从而影响色光色别的一致性。电脑灯中的玻璃色片虽然比聚光灯前的色纸抗衰性好很多,但金属卤化物灯管在使用过程中会出现亮度和色温的降低衰减,实际工作中,同一型号的电脑灯打出的色光也会因灯管的使用时间不同出现色光的一致性差异。在色光的稳定性上,LED灯具在色光发光原理上就解决了这个问题,只要在灯珠正常使用寿命(标称都是上万小时)内是不会出现任何衰减变化。就目前我们使用的情况,也没有出现过LED灯有色光衰减的现象。

  所以,从色光的亮度、多样性、稳定性比较,LED灯具都非常明显地优于传统灯具。

  表三:LED变色灯与传统散光灯的色光照度比较

灯具类型

颜色

色温

1m 距离照度

2m 距离照度

4m 距离照度

1000W 卤钨灯管地排灯

白光

2790 k

8500 lux

2500 lux

900 lux

谈红 106

1600 k

2000 lux

640 lux

180 lux

中绿 603

2200 k

3100 lux

1100 lux

270 lux

原色蓝 804

11500 k

770 lux

220 lux

64 lux

金橙 404

1750 k

4600 lux

1400 lux

350 lux

玫红 205

2290 k

3100 lux

970 lux

260 lux

136WLED

变色灯

三色混白

7200 k

7100 lux

2000 lux

450 lux

单色红

1600 k

2000 lux

500 lux

150 lux

单色绿

8700 k

4100 lux

1200 lux

350 lux

单色蓝

40000 k

2800 lux

950 lux

450 lux

混色橙

1980 k

5900 lux

1650 lux

510 lux

混色玫红

6700 k

3200 lux

900 lux

300 lux

  表四:LED聚光灯与传统聚光灯的色光照度比较

灯具类型

颜色

色温

6m 距离照度

8m 距离照度

2000W 石英卤钨灯泡聚光灯

白光

2900 k

1100 lux

610 lux

谈红 106

1610 k

210 lux

130 lux

中绿 603

2250 k

380 lux

240 lux

原色蓝 804

19000 k

80 lux

52 lux

黄 504

1920 k

840 lux

510 lux

金橙 404

1770 k

480 lux

300 lux

玫红 205

2300 k

350 lux

210 lux

雷登 82

4800 k

200 lux

130 lux

450WLED

聚光灯

三色混白

6500 k

1600 lux

840 lux

单色红

1600 k

550 lux

300 lux

单色绿

5600 k

1000 lux

600 lux

单色蓝

40000 k

250 lux

150 lux

混色黄

1700 k

1520 lux

980 lux

混色橙

1750 k

650 lux

400 lux

混色玫红

2800 k

580 lux

320 lux

三) 显色性

  在评价一种光源的品质好坏时,除了经常提到的发光效率,还有一个重要的显色性感念。光源的显色性(Color Rendering Index)是指在某种光源照射下,物体各种颜色的还原再现情况与该物体在标准昼光照射下呈现的色彩效果的相近程度,是一个0到100%的比较值。光源的发光光谱越接近于标准昼光的连续光谱,该光源的显色性就越好,也称显色指数(Ra)越高。

  表五:不同光源的主要性能比较表

光源

发光效率( lm/w )

色温( k )

显色指数 (Ra)

真空白炽灯

7-10

2000-2800

97-99

充气白炽灯

10-15

2000-2800

97-99

卤钨灯

20-30

2800-3200

97-99

普通荧光灯

30-40

5000-6000

65-75

三基色荧光灯

50-80

3200-5500

85-90

镝灯

70-80

5500-6500

75-85

氙灯

40-50

6000-8000

90-95

高压钠灯

90-110

1800-2200

20-25

LED

70-100

3000-6000

70-90

  表中列举了常见光源的显色指数,可以发现,不同光源的显色指数差别很大,但在一般的日常生活中,我们并没有感觉出光源显色性高低对我们观察判断物体颜色有很大影响,这主要是因为人眼具有色觉守恒的视觉特性。人们一旦形成了对某一物体颜色的认识,会产生一种对该物体颜色的认识定式,会自觉地修正由于照明条件改变造成的物体颜色再现的偏差。

  相比于发光效率、功率照度、色光等看得见测得出的显性指标,光源的显色性很容易被忽视淡忘。但在影视照明专业,显色性必须引起高度的重视。在电视节目制作中,摄像机成为观众感知事物的信息传递者,而摄像机对光线感知特性与人眼有很多的不同,其中摄像机对光源光谱成份的严格量化读取是与人眼在色光感知方面最大的差别。只要有稍微的光谱成份变化,摄像机就能在电视屏幕上对应地反映出物体颜色的再现变化。所以高压钠灯虽然有着很高的发光效率,但过低的显色指数使高压钠灯无法用于影视拍摄。

  LED灯具之前没能在影视照明领域得以认可,除了照度不够,另一个关键欠缺就是显色指数不高。以前LED的白光技术不过关,以红绿蓝三色或多色混合的合成白光,由于在可见光谱段上的不连续分布,显色性不够好。现在LED在显色性上已经有长足的改进,但就目前的技术水平还是无法达到传统钨丝灯与太阳光谱的接近程度。虽然已经能够用于影视照明,但LED显色指数的进一步改良是我们必须持续关注的重要指标。

  (四) 耗电量

  当照度还不能满足影视照明基本要求时,LED灯无论有多低的耗电量,多好的节能效益,我们都不为所动。但随着LED发光效率不断提升,尤其是单颗功率不断创新高,以及集成工艺的越来越好,目前LED灯的实用光效已经与传统灯具不相上下了。在功能用途可以相提并论的时候,能耗的高低自然成为大家关注的重点。尤其是在全球大力推广节能减排、绿色照明的大环境下,一场以更为环保节能的LED灯具替代高能耗传统灯具的绿色革命正在全球范围蓬勃展开。相比于大规模民用照明领域,低耗节能在我们影视专业虽然没有表现得那么关键,但节能环保意识的竖立培养对今后事业发展还是至关重要的。仔细算一笔能耗的帐,也会惊喜的发现,LED真的能带来巨大的电能节约。

  另外,由于LED耗电量低,用于电力传输的电缆线径可以大大减小,整个灯光系统的配电容量可以大大降低。再者,由于LED灯具工作时的热量产生低,还能带来演播厅与之配套的空调系统的低配置要求。所以,LED灯具的低功率、低热量还能带来一系列配套成本的降低。

  表六:浙江广电集团音乐厅LED灯替代传统聚光灯用电比较

 

传统 2KW 聚光灯

450WLED 摇头灯

节省电能 / 费用

数量

60 台

60 台

 

总功率( KW )

120 KW

27 KW

93 KW

每周工作 32 小时

3840 KW

864 KW

2976 KW

一年工作 1664 小时

199680 KW

44928 KW

154752 KW

一年电费( 1 元 / 度)

199680 元

44928 元

154752 元

百分比

100%

22.5%

77.5%

  表七:浙江广电集团180平米演播厅LED灯替代传统灯具用电比较

 
传统灯具
LED 灯具

节省

电能 / 费用

 
330W 三基色冷光灯
1KW 聚光灯
2KW 聚光灯
100W 柔光灯
100W 聚光灯
200W 聚光灯

数量

38

18

12

38

18

12

 

功率 (KW)

1.254

18

24

3.8

1.8

2.4

 

总功率 (KW)

43.254 KW

8 KW

35.254 KW

每天工作 8 小时

346.032 KW

64 KW

282.032 KW

每月工作 240 小时

10380.96 KW

1920 KW

8460.96 KW

一年工作 2880 小时

124571.52 KW

23040 KW

101531.52KW

一年电费( 1 元 / 度)

124571.52 元

23040 元

101531.52 元

百分比

100%

18.5%

81.5%

(五) 安全性

  对于大批量使用高功率灯具的影视照明工作,消防用电安全一直是大家时刻警惕的事情。大功率钨丝灯和金属卤化物灯工作时产生的大量热效应会使灯体处于高温状态,工作时必须保持灯具与易燃物品足够的安全距离。长时间大功率用电也会引起系统电力线路上的老化发热现象。高温灯体和发烫电缆线都是传统光源下影视照明主要的安全隐患。

  而LED光源由于具有非常好的光电转化效率,消耗的电能几乎全部转化为光能,热效应很低,从源头上解决了灯体高温的问题。高光效带来的低功率也使得供电线路的低负载,当然线路安全性就好。在用LED灯具替代传统地排灯、光束灯、聚光灯后,我们在对布质、木质等易燃材料打光时就安心多了。当然,LED灯具工作时也不是一点热量没有的,控制电路等也会产生一定的热量,长时间点亮,灯体还是会有一定温度的,安全用灯的警惕性还是时刻不能放松的。

  另外,目前LED灯具的灯体制作工艺普遍优于传统聚光灯。电子产品封闭式的构架使得LED灯具防护等级大多能达到IP 65。相比于传统聚光灯,LED灯具的使用安全性有很大的提高。

  (六) 控制方式

  传统聚光灯使用中主要通过输入电源电压的变化来控制光线的强弱,而LED灯具在提供基本电源后,是通过DMX512信号实现各项性能变化控制的。从灯具的控制方式看,LED灯具更像是电脑灯,DMX512信号容量的大规模增加是LED替代常规钨丝灯后对灯光控制系统提出的最明显要求。220V直通供电方式、大容量DMX512信号传输回路、大容量多功能灯光控制台将构成今后电视演播厅灯光控制系统。

  (七)问题和不足

  LED灯具在颜色、节能等方面的卓越特性大家有目共睹,但在影视照明领域进一步推广应用还是有不少问题和不足,有待于进一步改进和提高。

  首先,高成本、高价格是制约LED迅速推广使用的关键因素。相比于传统钨丝灯、三基色冷光灯几百、一千左右的售价,LED灯动辄几千、上万的价格,的确难以大规模购买。虽然仔细算一笔长远的使用维护成本,LED一次性投入长久享用的模式可能比经常要换灯泡、色纸的传统灯具要合算。但LED灯具刚刚入市不久,理论上的长寿命、高效率还没有得到实际使用时间的真正验证,一次性过大的投入还是会让人很多用户犹豫不决。

  第二,LED灯具的显色性还是大家最为担心的问题。虽然目前主流品牌的LED灯具基本上达到了80以上的显色指数,但大量廉价LED灯具生产商为追求利益,常常会忽视显色性这个不易迅速验证的隐形指标。由于没有一个统一可信的标准值要求,一句“LED灯显色指数低”就很容易否定LED灯具在影视照明领域的进一步推广运用。

  第三,不同厂家LED灯具在颜色、亮度等光线品质上难以达到统一的数值。不同于传统灯具,灯具可以由不同厂家生产,但光源是用户二次购买加装的,只要认准统一品质的光源,不同厂家的灯具是可以产生相同品质的光效的。而LED灯具光源和灯具是一体的,灯具的光效完全由出厂时的状况决定,同样的红光,可能因为红色LED管芯批次的不同、电路设计的不同、灯具工艺水平的不同,最后打出的红光会存在色别上的差异。标注功率值相同的灯具,也会因为驱动电路设计的不同,亮度上出现差别。所以,分批购买的不同厂商、甚至同一厂商的LED灯具,在亮度、色度上都难免存在细微的差别。

  第四,相比于传统灯具,LED灯具与其说是一台灯具,更确切地应该是一个电子产品。高集成化的灯体使用户很难进行一些灯具故障的预判和常规维修。故障的突发性难以预见,什么时候会出现问题你不知道,出现了故障一般你也修不了。使灯具在稳定性和故障检修上对产品本身的质量和厂家的售后服务的依赖性很高,这也是LED灯具用户普遍担心的问题。

  第五,由于核心技术是一种电子产品,LED灯具的更新换代速度一定会比传统灯具快很多,这又往往会使用户不知所措,难以把握合适的购买时机。如果高价买来的灯具,不多久就面临更新更好的替代品,那会是怎样的沮丧心情啊。

  LED技术代表着节能环保、绿色低碳的发展趋势,在影视照明领域,LED灯具目前虽然还处在发展完善阶段,但凭借其独特的原理性优势,必将逐步取代传统钨丝灯具。作为电视灯光专业工作者,及时了解LED灯具工作特性,对我们电视节目灯光制作具有十分重要的现实意义。借助于LED灯具的技术优势,充分发挥灯光艺术创作积极性,为广大电视观众奉献画质一流、富有艺术感染力的电视节目是我们每一位电视灯光工作者的神圣使命。

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