姚涵春

（上海戲劇學院， 上海 200040）

在群星璀璨的演藝照明電光源家族中，又一顆新星——等離子體光源（Plasma Source）正冉冉升起，其卓越的性能引發(fā)了演藝燈光界的企業(yè)家、技術專家和設計師越來越多的興趣和關注。

近兩年來，有關等離子體光源的信息和報道日見增多：2008年4月，美國LUXIM公司在法蘭克福舉行的“國際樂器、舞臺燈光及音響貿(mào)易展覽會”上首次發(fā)布并展示了LIFI-STA-40-01等離子體光源；同年5月，該產(chǎn)品獲得“美國國際照明展覽會”的LIA創(chuàng)新獎；[1]2008年9月，LUXIM公司又成功開發(fā)出LIFI-ENT-31-02等離子體光源（適用于娛樂、演藝燈光產(chǎn)業(yè)）；2009年4月，捷克Robe公司開發(fā)的新型搖頭電腦燈——Robin 300 Plasma Spot在法蘭克福舉行的“國際樂器、舞臺燈光及音響貿(mào)易展覽會”上亮相，這是電腦燈家族中最先采用等離子體光源的燈具；同年9月，Robin 300 Plasma Series電腦燈在倫敦舉行的“英國國際專業(yè)舞臺燈光音響技術展覽會”上展出，并獲得該展會創(chuàng)新獎；2009年5月，在北京“中國國際專業(yè)音響·燈光·樂器及技術展覽會”上，我們又一次見到了這款新型電腦燈。

筆者曾隨同中國演藝設備技術協(xié)會考察團拜訪Robe公司，第一次看到了等離子體光源組件。2009年5月，在北京舉辦的“第七屆中國國際演藝設備與科技論壇”上，燈光領域的幾位專家學者都曾著重推介這款新型照明電光源。新光源開發(fā)的力度，新燈具研制的速度，新產(chǎn)品、新技術宣傳的頻度，都在持續(xù)不斷地提升，強力地敲打著演藝燈光業(yè)界。

本文根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)、相關企業(yè)提供的信息進行整理，結(jié)合筆者的見聞和思考，對等離子體光源及其應用作初步探究。

1 等離子體光源及其發(fā)光原理

1.1 等離子體

等離子體是離子、電子和未電離的中性粒子的集合，整體上呈現(xiàn)中性的物質(zhì)狀態(tài)；它是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的一種物質(zhì)存在狀態(tài)，也稱為第四物質(zhì)狀態(tài)，即一種高度電離了的、整體呈中性的氣體。

等離子體并不稀少，也并不神秘。它在宇宙中是一種常見的物質(zhì)，例如太陽、恒星和閃電中都有等離子體，它占了整個宇宙的99%。借助各種人工方法，例如核聚變、核裂變、輝光放電及其他各種放電形式都可產(chǎn)生等離子體。

等離子體具有不同于普通氣體的特性，它是一種很好的導電體，利用巧妙設計的電場可以捕捉、移動和加速等離子體，開發(fā)出許許多多“特異”的功能。等離子體物理是一門發(fā)展中的新型學科，它的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間、空間物理、地球物理等科學的進一步發(fā)展提供了新的技術和工藝。

等離子體可分為兩種：高溫等離子體和低溫等離子體。現(xiàn)在低溫等離子體廣泛運用于多種生產(chǎn)領域，例如：等離子電視、電腦芯片的蝕刻等等。等離子體光源運用的是高溫等離子體。

1.2 等離子體光源組件

等離子體光源組件如圖1所示，其組件構(gòu)成示意圖如圖2所示。整個光源由燈泡、RF（radio-frequency）功率放大器、控制電路板和外殼所組成。

1.2.1 燈泡

燈泡形似一顆藥丸大小的透明體，如圖3所示，與同功率的金鹵燈比較，它的體積小得多。在其泡殼內(nèi)充有惰性氣體和金屬鹵化物，但沒有金鹵燈泡殼內(nèi)那樣的電極。這種創(chuàng)新設計比傳統(tǒng)氣體放電燈更為可靠，更為耐用。

燈泡被嵌入非導電物質(zhì)之中（圖2光源組件中的白色部分）。非導電物質(zhì)起兩個作用：其一，作為RF功率放大器發(fā)送高頻微波能量的波導；其二，作為燈泡內(nèi)聚焦能量的電場聚集器。

1.2.2 RF功率放大器

高頻、微波信號由固態(tài)功率放大器產(chǎn)生，并在燈泡周邊形成電場。電場能量高度集中，蒸發(fā)燈泡內(nèi)的物質(zhì)，在燈泡中心形成等離子體。這個受控等離子體發(fā)出強烈的白光。

1.2.3 控制電路板

電路板控制RF功率放大器的輸入和輸出，并用來控制燈泡不同性能的運作。它是一只微型控制器。

1.2.4 外殼

由鋁材制成；RF功率放大器、控制電路板等部件都包納在鋁殼之中。

1.3 等離子體光源的發(fā)光原理

高頻微波誘導型等離子體光源的發(fā)光原理和過程的示意圖如圖4、圖5所示，具體闡述如下：

（1）RF功率放大器反饋電路在燈泡周邊產(chǎn)生電場；

（2）電場高能電離泡殼內(nèi)惰性氣體，形成氣體等離子體，產(chǎn)生紫色輝光輻射；

（3）氣體等離子體的熱量蒸發(fā)金屬鹵化物，產(chǎn)生藍光輻射；

（4）金屬鹵化物電離加入等離子體，產(chǎn)生強烈的白光輻射。

2 等離子體光源的性能

LUXIM公司專為娛樂和舞臺燈光產(chǎn)業(yè)推出了LIFI品牌兩個型號的等離子體光源，即LIFI-ENT-31-01和LIFIENT-31-02，通過這兩款等離子體光源，我們可以分析出等離子體所具有的卓越性能。

2.1 顯色性好

等離子體光源是色彩豐富、全光譜、高顯色性的優(yōu)質(zhì)光源，其顯色指數(shù)（CRI）達到94～96，均高于目前電腦燈配用金鹵燈的顯色指數(shù)，其顯色性已非常接近鹵鎢燈和標準日光的高品質(zhì)。等離子體光源高顯色性源于其具有優(yōu)良的光譜輻射相對能量分布，如圖6所示，由圖可見，在其光譜能量輻射中，光譜分布十分寬廣，連續(xù)特性非常好，紅、藍光的輻射能量更顯均衡、和諧。

2.2 色溫高

等離子體光源是高色溫、日光型、色光均衡的照明光源。目前，新型電腦燈和成像燈中均應用31-02型等離子體光源，相關色溫為5 300 K，十分接近標準日光的色溫5 600 K。從圖6可見，其能量輻射中，包含豐富的藍、紫光成分；等離子體光源輻射中的藍、紅光之比值與鹵鎢燈的比值相對照，有很大的提高，其高色溫量值已充分反映出這一點。

2.3 發(fā)光效率高

等離子體光源是節(jié)能、高效的綠色照明光源。LIFI系列的光效在60 lm/W～140 lm/W，其數(shù)值取決于燈泡內(nèi)所充入的氣體和金屬鹵化物的量值，取決于RF耦合及其控制，取決于效率與CRI之間的平衡和取舍。LIFI-ENT-31-02的光效約為67 lm/W，約是鹵鎢燈光效的3倍，約是氙燈光效的2倍，也高于同功率、同色溫金鹵燈的光效。

2.4 大功率、大光通

目前，等離子體光源的功率已達到266 W，與演藝照明傳統(tǒng)光源相比，雖然等離子體光源是小功率燈具，但如果綜合考慮其高發(fā)光效率的話，它就不是“小字輩”了。等離子體光源的總光通約為17 800 lm，相當于400 W金鹵燈的總光通，或750 W鹵鎢燈的總光通。此外，與近來發(fā)展迅速的LED光源相比，等離子體光源的總光通相當于幾十顆、乃至幾百顆“大功率”LED集成的總光通。從這個意義上說，單顆等離子體光源確實已達到大功率、大光通的實效。

目前，等離子體光源正處于快速成長的發(fā)展階段，據(jù)Robe公司研發(fā)部介紹，不久的將來，等離子體光源的總光通可達到700 W金鹵燈，甚至1 200 W金鹵燈的發(fā)光水平。

演藝舞臺需要高照度照明，需要高光通的燈具，單顆大光通、高顯色性等離子體光源恰好迎合演藝專業(yè)照明的需求，規(guī)避了LED光源大集成的難題。

2.5 壽命長

等離子體光源的壽命可長達10 000 h～30 000 h，LIFIENT-31-02的壽命是10 000 h，是金鹵燈的幾倍或十幾倍，是鹵鎢燈的30多倍。如果按每天使用4 h計算，它可以運行近7年之久。

等離子體的泡殼中既沒有燈絲，也沒有電極，不會發(fā)生這類物質(zhì)因高溫導致蒸發(fā)或濺射而耗蝕的情況，導致發(fā)光性能和壽命的下降，同時又能使泡殼始終保持清潔、透亮，光損極小，因而，它具有超長的壽命。

這里所說的壽命，既不是指燈泡的全壽命，也不是指通常所說的燈泡有效壽命，而是指燈泡的光輸出衰減至初始光通量的50%時所累計的工作時間。這種設定燈泡壽命的“新概念”，對于諸如等離子體光源一類的高光效光源是完全切合實際的。

2.6 電調(diào)光幅度大

等離子體光源電調(diào)光幅度很大，調(diào)整范圍在100%～20%之間，可由控制系統(tǒng)實施燈泡極快或極緩慢地大幅度調(diào)光。其調(diào)光范圍遠大于HID放電燈的調(diào)光范圍，例如，金鹵燈為100%～60%，氙燈在100%～50% 。

2.7 啟動和熱啟動性能好

等離子體燈泡由高頻、微波誘導啟動，只需1 s～2 s時間即可點燃達到正常工作狀態(tài)，發(fā)出耀眼的白光。它具有半熱再啟動（Semi-hot Restrike Function）特性，即燈泡熄滅后，在半熱狀態(tài)下就可迅速再啟動點燃發(fā)光，無需要求燈具完全冷卻一定時間后方能再啟動點亮。它的再啟動點燃的間隔時間少于120 s。

可見，等離子體光源是啟動性能優(yōu)良的放電燈，這種及時啟動點燃、節(jié)能效應對于演藝照明具有很大的實用價值。

2.8 燈泡泡殼小

等離子體燈泡的殼體極小，大小類似普通規(guī)格的膠囊藥丸，這給與之匹配的光學系統(tǒng)優(yōu)化設計、提高燈具效率及其燈具小型化良性發(fā)展創(chuàng)造了極好的條件。

2.9 光強分布特性好

等離子體光源具有向前指向性光強分布的特性，這極其有利于燈具光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計，易于達到更高的燈具效率和燈具發(fā)光效能。等離子體光源本身是高效、節(jié)能的綠色照明光源，應用等離子體光源開發(fā)的新型燈具同樣也易于成為高效、節(jié)能的綠色照明燈具。

圖7是LIFI-ENT-31-02等離子體光源的兩種光強度分布曲線圖，其左半部分是直角坐標式光強度分布曲線；其右半部分是極坐標式光強度分布曲線，即配光曲線。由圖可見，其輻射的能量集中分布在以光軸為中心對稱軸的半圓錐角65°的圓錐空間內(nèi)。我們可以設計高透射率的透鏡組以最大限度地收集、聚合這個空間的光通量，力求達到最大的燈具效率和燈具發(fā)光效能。

3 等離子體光源的研發(fā)生產(chǎn)

目前，市場上等離子體燈具新產(chǎn)品采用的大多是LUXIM公司的LIFI光源。LUXIM公司位于美國加利福尼亞州硅谷，創(chuàng)立于2000年，是一家創(chuàng)新型的高新技術研發(fā)企業(yè)，是固態(tài)等離子體照明光源的全球領導者。其研發(fā)制造的LIFI品牌等離子體光源現(xiàn)有4個系列產(chǎn)品，即LIFI-PRJ-20系列，光強分布為聚焦型，應用于小型投影儀；LIFIINT-30系列，光強分布也為聚焦型，應用于醫(yī)學和生物檢測；LIFI-STA-40系列，光強分布為向前指向型，應用于商業(yè)、街道、工廠和小區(qū)等的照明；LIFI-ENT-31系列，光強分布也為向前指向型，應用于娛樂、舞臺、攝影、攝像等高光強聚光照明的場合。

已有兩家國際公司針對娛樂演出和舞臺燈光應用領域，研發(fā)了采用等離子體光源的新產(chǎn)品，它們是Robe公司和Ocean Optics公司。

3.1 Robin 300 Plasma Series電腦燈

Robe公司采用LIFI等離子體光源LIFI-ENT-31-02開發(fā)出新型電腦燈系列——Robin 300 Plasma Spot和Robin 300 Plasma Wash。從外觀上看，它們與采用金鹵燈的傳統(tǒng)電腦燈——Robe 300E Spot一模一樣，但經(jīng)過“換芯”手術后，新產(chǎn)品的光學性能提升到一個更高、更強的層面上。

（1）燈具“傳承”了等離子體光源的某些優(yōu)異特性，例如：燈具“顯色指數(shù)”高達94，表明該燈具的顯色性非常接近于日光和鹵鎢燈的高品質(zhì)；燈具壽命長達10 000 h。無論是燈具顯色性能，還是其使用壽命都大大超越了傳統(tǒng)電腦燈。

（2）燈具光通量輸出達到10 000 lm。經(jīng)計算，燈具效率已達到55%以上。該產(chǎn)品說明書提供的數(shù)據(jù)顯示，燈具功耗為390 W，可計算出燈具發(fā)光效能為25.6 lm/W。這些數(shù)據(jù)究竟反映出怎樣的燈具性能呢？我們可將其與同為Robe公司研發(fā)的傳統(tǒng)電腦燈——Robe Spot 1200E AT進行比較，這款電腦燈采用了1 200 W金鹵光源，光通量輸出略高于14 200 lm，經(jīng)計算可得其燈具發(fā)光效能為8.88 lm/W（經(jīng)查，其總功耗為1 600 W）。可見，采用等離子體的新型電腦燈，其發(fā)光效能比傳統(tǒng)電腦燈約提高了188%，突顯出等離子體電腦燈高效、節(jié)能的品質(zhì)，是一款更高水平的綠色照明燈具。正是等離子體光源的高光效、小燈體和向前指向性光分布等諸多優(yōu)異特性造就了新型燈具的高性能、高指標、高質(zhì)量。

（3）光斑極其均勻（1.3:1）。這得益于燈泡中電弧十分穩(wěn)定，無閃爍，無飄動；得益于光源向前指向性光強分布的特性；得益于其透鏡組的精良設計。等離子體光源的應用大大改善了投射光斑的均勻性，如將等離子體光源移植到舞臺聚光燈、追光燈、投影燈等演藝燈具中同樣可以提升各自光斑的品質(zhì)。

（4）電調(diào)光幅度大，可在100%～20%之間進行數(shù)字調(diào)控，極大改善了傳統(tǒng)氣體放電光源燈具的調(diào)光性能。新燈具再配置上機械調(diào)光，并與電調(diào)光有機銜接，可實現(xiàn)全程調(diào)光。同樣一個光闌現(xiàn)在只需完成最后20%左右的調(diào)光量，故而在調(diào)光低端可以達到更細膩、平滑的調(diào)控效果，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)電腦燈通常在低端調(diào)光不勻、時有閃爍的問題。

（5）熱輻射量少。等離子體光源每瓦熱輻射量與HID光源一樣多，但在相同的有效光通量情況下，使用等離子體光源的功率小了，輻射的總熱量也減少了許多，燈具配置的散熱風扇的功率也會相應地減小，達到較靜音的效果。由于熱輻射總量減少，通風散熱性能好，這款新燈在環(huán)境溫度45℃的使用條件下，燈體最高溫度僅為60℃。

3.2 SeaChanger Nemo自動換色成像燈

Ocean Optics公司是一家國際著名的光學產(chǎn)品研發(fā)制造企業(yè)，因?qū)镋TC Source Four 橢球成像燈設計配置了CMYG換色器而揚名于娛樂、演藝燈光界。該公司也采用LIFI品牌等離子體光源開發(fā)出新型燈具——Nemo自動換色成像燈。這款燈具是在ETC公司Source Four成像燈配置OceanOptics公司的SceaChanger自動換色器的構(gòu)架基礎上開發(fā)出來的，采用LIFI等離子體光源取代了HPL鹵鎢燈，使新燈具的性能大為改觀。其使用壽命提高了30多倍，燈光色彩更為豐富、艷麗。燈具光通量輸出達到10 000 lm，經(jīng)計算得出其燈具發(fā)光效能高達33 lm/W（總功耗以300 W計算），是此前采用高性能鹵鎢燈泡的傳統(tǒng)成像燈發(fā)光效能的3倍。通常，燈具發(fā)光效能如能在原有基礎上再提高20%、30%，已屬不易，而Nemo自動換色成像燈一下子提高了200%之多，實為難能可貴。

這款新型成像燈是更為高效、節(jié)能的綠色照明燈具。它不僅適用于劇場舞臺照明，其防水型款式的成像燈還可以應用于主題公園、建筑、景觀等室外照明，能經(jīng)受大雨的沖淋。這款新型燈具在2009年曾獲得LFI劇場和特種燈具的發(fā)明獎。

4 等離子體光源存在的問題

金無足赤，人無完人。任何事物總有其所長，也必有其所短。鹵鎢燈、氙燈、金鹵燈和LED光源是如此，等離子體光源也并不例外，等離子體光源在實際應用中還存在一些不足之處。

4.1 色溫遷移問題

等離子體光源在壽命期間，其色溫會有相當緩慢的增加（向藍色方向遷移），每使用1 h，其色溫平均增加約0.08 K。照此推算，如果該燈具工作2 000 h，色溫就會增加160 K。但人眼很難辨別出5 300 K和5 460 K的燈光顏色有什么變化，而且，在長達10 000 h的壽命期間，其色溫只升高了800 K，這與初始色溫5 300 K相比，只是一個很小的變化，對娛樂和演藝照明的影響不大。但對于攝影、視頻錄像等場合的用光就不同了，這類場合對色溫要求很高，既要準確，又要保證同一照明場合、不同使用周期的所有新老光源的色溫一致性，那就必須對光源進行定期校正。據(jù)LUXIM公司的工程師說，目前，校正LIFI光源幾百K色溫是可能的，可采用光源數(shù)據(jù)鏈來改變RF激勵的振幅。

4.2 調(diào)光問題

如前所述，等離子體光源可以實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光，達到100%～20%大幅度的電調(diào)光，這是傳統(tǒng)HID放電燈（如氙燈、金鹵燈）所達不到的。如同鹵鎢燈的電調(diào)光特性一樣，在實現(xiàn)調(diào)光的同時，也伴隨著色溫的變化。等離子體光源在整個調(diào)光范圍內(nèi)，將伴隨100%～50%色溫的變化。

針對這種調(diào)光特性，可實施3種不同調(diào)光配置的解決方案：

（1）電調(diào)光方案。適用于對色溫變化和調(diào)光幅度要求不太高的使用場合；

（2）電調(diào)光加機械調(diào)光的方案。適用于全程調(diào)光需求的使用場合。兩種調(diào)光方式的接合點（不一定在20%調(diào)光接合）應能按需靈活地再設置，以調(diào)整調(diào)光時色溫變化的幅度所產(chǎn)生的視覺影響；

（3）機械調(diào)光方案。適用于對色溫、顏色恒定要求很高的使用場合。

4.3 價格問題

來自互聯(lián)網(wǎng)的信息顯示：Nemo自動換色成像燈的美國訂貨價是3 800美金， Robin 300 Plasma Spot 電腦燈的美國訂貨價是9 500美金，價格的確非常昂貴。不過，綜合考慮等離子體光源燈具高效、節(jié)能的因素，及其擁有很長的使用壽命（其燈泡壽命為10 000 h，而光源電子包的設計壽命是60 000 h），等離子體光源燈具的長期性價比是很高的。況且，隨著生產(chǎn)量的提高，研發(fā)成本的逐漸消化，其銷售價格也會逐漸下降，產(chǎn)品的性價比也會持續(xù)提高。成像燈、電腦燈發(fā)展的軌跡是這樣，現(xiàn)在，LED燈具和等離子體燈具的發(fā)展走向也會是如此。

等離子體光源正在向更大功率（1 kW）的方向發(fā)展，正在逐漸被移植到各個燈光應用領域，取代傳統(tǒng)的電光源——鹵鎢燈和HID光源，將開發(fā)出越來越多高性能的新燈具。國內(nèi)已有公司率先與LUXIM公司建立伙伴合作關系，生產(chǎn)出新型路燈；不少公司正摩拳擦掌，打算引進等離子體光源，將老產(chǎn)品更新?lián)Q代，打造新一代高顯色性、高效能、高品質(zhì)的綠色照明燈具。而舞臺藝術照明領域也在以更大的熱情密切關注著等離子體光源的新發(fā)展。

5 歸納與思考

綜上所述，等離子體光源幾乎具有鹵鎢燈一樣的優(yōu)質(zhì)顯色性和調(diào)光特性，具有金鹵燈和LED光源相同或更高的發(fā)光效率，具有金鹵燈和鹵鎢燈一樣的大光通，具有LED光源一樣持久的壽命、小燈體、指向性的光分布和數(shù)字化調(diào)光，擁有比金鹵燈更佳的啟動和熱啟動性能，等等。簡而言之，等離子體光源幾乎集聚鹵鎢燈、金鹵燈和LED光源之優(yōu)點于一身，真無愧為演藝照明電光源中的一顆更為璀璨奪目的新星，它似乎是一款專為舞臺燈光量身定做的理想照明光源。毫無疑問，它在眾多演藝照明電光源中，最具競爭力，最有發(fā)展前景。

高性能的等離子體光源已打入演藝照明領域，Robe公司和Ocean Optics公司率先引進等離子體光源，革新傳統(tǒng)的演藝照明燈具，兩款新燈具以卓越的光學性能初次亮相，就引來了人們極大的關注和興趣，產(chǎn)生了很大的反響。兩家公司始終瞄準著電光源科技的最前沿和最新成果，開發(fā)、利用更可持續(xù)發(fā)展的新技術，著眼于高效節(jié)能減排，實施長遠科學發(fā)展的戰(zhàn)略思想，值得我們演藝設備產(chǎn)業(yè)的企業(yè)家借鑒、學習。

縱觀演藝照明光源和燈具的發(fā)展歷史，每當照明光源出現(xiàn)新的突破，每一款新型光源開發(fā)成功，都會引發(fā)一輪演藝照明燈具的創(chuàng)新和變革，鹵鎢燈、氙燈、金鹵燈的研發(fā)成功都曾掀起一陣演藝照明燈具的創(chuàng)新浪潮。近年來，LED光源被引進演藝照明的殿堂，一場轟轟烈烈開發(fā)LED燈具的新浪潮正在如火如荼地風卷全世界演藝燈光產(chǎn)業(yè)界。演藝照明理想光源——等離子體光源必定緊隨LED光源之后，又將激發(fā)起新一輪演藝照明燈具的創(chuàng)新和重組。這一次變革或許更為猛烈，更為深刻。

結(jié)束語

2009年，筆者在演藝燈光活動中多次引薦、推介等離子體光源，本文又一次綜述和解析這款新光源及其在演藝燈光中的應用，其素材均來源于LUXIM、Robe、Ocean Optics等公司的網(wǎng)站，來源于Robe等公司的產(chǎn)品說明書，來源于廣州勵豐聲光科技有限公司等工程商和代理商，等等。公開發(fā)布的文章、信息很多，引用的數(shù)據(jù)、參數(shù)可能不盡相同，況且，等離子體光源及其應用還處于快速發(fā)展期，各種信息更新很快，故本文中采用的數(shù)據(jù)和參數(shù)，以及其由此引發(fā)的分析、推論和設想，難免會產(chǎn)生差錯，敬請大家指正。本文旨在引發(fā)大家對等離子體光源及其應用進一步的關注和討論，推動我國演藝燈光設備的創(chuàng)新和現(xiàn)代化進程。

注釋：

[1]LIA創(chuàng)新獎，即LFI Innovation Awards，由美國國際照明展覽會（LFI，Light Fair International）組織評選的年度最具創(chuàng)新性的產(chǎn)品設計和照明項目的獎項。LFI展會由美國北美照明工程協(xié)會和國際照明設計協(xié)會主辦，每年一屆，在紐約和拉斯維加斯巡回舉辦，迄今已舉辦20屆。