【特约】LED舞台照明灯具的性能测评研究[1]

　　1 引言

　　舞台灯光作为一种艺术照明，光源的亮度、光效、色温、显色性、调光性、光可控制和闪光特性都必须满足一定的要求。传统舞台照明通常采用卤钨灯做光源，耗能高、发光效率低，其消耗的电能 95%都转化为热，使舞台演员在长时间的高温状态下产生疲劳感，影响演出效果。LED 光源借助其节能高效、色彩亮艳、可调光等优点[1,2]，正逐渐被舞台灯光设计师所接受，LED 灯具进入舞台照明的全新发展时期。然而 LED 舞台灯具是一种新型光源的灯具，上市时间较短，还没有制定配套的标准，市场尚难以规范。市面上的灯具性能差异悬殊、鱼目混杂，舞台灯具的性能要求有哪些方面[3,4]，如何评判舞台灯具的优劣是一项全新的工作。灯具的应用效果及对观众的主观视觉感受是评价灯具优劣的重要因素，主观评估是舞台灯具验收中不可忽视的一个环节。本文从实际灯具验收角度出发，详细讲述客观检测与主观评估相结合的测评思路与方法。

　　2 测评工作内容与思路

　　灯具的测评工作包含客观和主观两部分内容，首先我们对灯具测评任务进行分解细化，如图1 所示。客观包括安全、光学、电学、温度及噪声等检测工作，主要通过仪器来完成;主观评估项目包括光斑质量(边缘形态、均匀度)、调光性能、显色性，通过搭建实验场景、设计问卷及仪器辅助检测亮度或照度数据来完成。

　　测评对象为一款大功率白光 LED 成像灯，并选取相应光通量、光束角的卤钨灯为替代灯具参照，表一所示。

　　图1 测评工作分类及细分

　　表1 LED白光测评灯具的基本信息

　　2.1 场景搭建

　　主观评估实验在暗室内进行，两种灯具分别设置成独立的隔间，将灯具按照实际使用场景进行放置，如图 2 所示。通过调节两种灯具的光输出，保证两者幕布上在有效光斑内的平均照度为200Lx。

　　图2 主观评估场景

　　2.2 问卷设计

　　问卷设计包含三部分内容：光斑质量、调光性能及显色性。在光斑质量与调光性能评估中，量表设定为 5 个等级，从-2 到+2，其中，-2 对应很差，0 对应一般，+2 对应很好。在显色性评价中，问卷设计为颜色偏好度和色差两项。第一项为颜色偏好度的评估，包括对水果、花朵、肤色的测试，表现为：-2 对应非常不喜欢，0 对应一般，+2 对应非常喜欢。第二项为色差的评估，表现方式为：VL(Very Large)对应非常大，L(Large)对应大，M(Medium)对应中等，S(Small)对应小，VS Very Small)对应非常小。

　　实验选取 12 名被试，其中 6 男 6 女，年龄在 25-35 之间，均具有正常视力或矫正视力，且没色盲等其他眼疾，每位被试者均参与所有条件下的所有实验任务。

　　3 主观评估原理方法

　　3.1 光斑质量

　　就光斑质量而言，不同类型的灯具其优劣评判的标准不尽相同。比如天排灯或地排灯等用于照射天幕的大功率散光灯，其光斑要求照射面积大、灯具间光斑衔接均匀;聚光灯、成像灯等人物、造型照明用聚光类灯具，不能有花光斑现象，这类灯具光束比较集中，边缘的逸散光较小，亦光斑界限分明。考虑到人眼对亮度变化识别的有限性，主观评估中借助成像亮度计对亮度进行客观检测。

　　3.2 调光性能

　　由于 LED 光源发光响应速度极快，达到纳秒级，光亮度从一个数量级跃变到另一个数量级，都是瞬间完成，合理的调光对灯具的整体性能影响重大。PWM 调光目前被认为是最有前景的LED 调光技术，其中调光频率的选择直接关系灯具频闪现象的有无，尤其在灯具点亮起步阶段现象更为明显。本次评估中主要观察在调光过程中光斑的明亮变化是否线性输出、是否有闪烁现象。

　　另外，卤钨灯具在调光过程中由于电压的变化，会导致光源色温发生变化，电压偏高，光源的色温也偏高，电压偏低，光源的色温也偏低。然而 PWM 调光则可以保证 LED 始终工作在满幅度电流和 0 之间，光源不会产生任何色谱的偏移，能够保证灯具在调光过程中色温的恒定。采集不同状态下的色温数据，为主观评估提供客观数据的参考。

　　3.3 显色性

　　白光灯具的显色性是主观评估中的重要工作。在过去的数十年，国际照明学会( CIE) 制定的显色指数(CRI) 是最常用的评价颜色质量的指数。其最初的意图是为了评估荧光灯的显色性能，选取 8 种中低饱和度的色样来代表物体的平均色相，将这些颜色样品在测试光源与参考光源(太阳光和白炽灯)下做对比实验，通过计算对这 8 种色样偏差的算数平均值，从而得到 CRI 的数值。CIE 规定了显色性的定义为：与参考照明体下的色相比较，一个光源对于物体色相所产生的效果。用于评价的指数即显色指数[5-6]。

　　基于 LED 新光源特殊的光谱分布，CRI 计算方法存在的问题也日益凸显[5]。主要体现在：高的 CRI 数值不能保证实现好的饱和度色彩;对于能够增强颜色饱和度的光源，CRI 的数值反而得到了“处罚”;当光源对其中某一个或某几个颜色实现较大偏差时，CRI 的计算方法不能很好的做出反应。除此之外，CIE 在 2007 年的技术报告中明确提出: 目前的显色指数 CRI 不能有效反映包括白光 LED 在内的白光照明光源的显色性优劣[7]。

　　目前为止国际上尚未形成统一的光源颜色质量评价体系，但有一点可以肯定：人的视觉感受是光源颜色质量的决定性因素。美国国家标准技术研究所(NIST)研究的一套新的评价系统CQS(Color Quality Scale)，试图寻找一种能够衡量所有光源显色性的评价方法。CQS[8]相比于 CRI有四点提高的地方：即选取 15 种高饱和度色样，扩大了色域(可近似代表所有物体的颜色);计算公式改为均方根公式，对任意颜色的微小偏差，CQS 数值都可以得到体现;选用 CIELAB坐标系统，取代原来的 CIE-uv 坐标系统;考虑颜色还原性、色调区分度和颜色偏好度三种因素影响。虽然 CQS 评价方法目前仍有一定的缺陷，但是相比于 CRI，前者对 LED 光源的评价有一定的改善，且考虑了人的视觉感受是其另一大进步。

　　因此，在本课题的研究中，我们借鉴色品质数(CQS)的研究思想[9-10]，设计主观评估分别观察所研发的 LED 白光灯具与对应的卤钨灯两种灯具颜色偏好度和色差两方面的特性。

　　色差实验采用 MCC 色卡即 CIE 规定的用以比较待测光源与参考光源色差的标准方法。将两组色卡分别放置在两种灯具下观察，规定卤钨灯为参考光源，被试者观察 LED 灯具照射下色卡中的 24 对颜色样品，并对每一对的色差进行评价打分。

　　4 结果分析与数据处理

　　4.1 光斑质量

　　图 3 为 LED 灯具与对应卤钨灯具对比的照片，LED 灯具的光斑边缘清晰，且无花光斑现象，基本可以达到卤钨灯的效果。图 4 为两种灯具对应的亮度分布情况，200W 的 LED 灯具与 750W的卤钨灯具相比，相同功率输出时 LED 灯具能够达到更高的亮度值，LED 灯具替换卤钨灯具，可以实现节能效果。

　　图3：LED 与卤钨灯具的光斑对比

　　图4：LED 与卤钨灯具的亮度分布