文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

燈光技術(shù)

解析一款新型LED電腦燈
——Clay Paky A.LEDA B-EYE K20

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春1

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

B-EYE K20是一款充分體現(xiàn)LED特點的新型演藝燈具，通過對其測試，解析、闡述該LED燈具的構(gòu)成、功能及其特點。

RGBW LED；演藝燈具；測評；透鏡陣列；主波長；模具化

近些年，人們開始應(yīng)用LED燈具以獲得美妙而有創(chuàng)意的燈光效果。人們會提出問題：這些燈具是否有足夠的亮度可取代原有的常規(guī)燈具？繼而又會提出更有趣的問題：應(yīng)用這些LED光源能夠做些什么新的開發(fā)？

不久前，用LED光源革新和替代傳統(tǒng)光源的燈具還是件新鮮事，而現(xiàn)在我們就已開始看見完全嶄新的燈具種類，這種新型燈具是應(yīng)用先前的技術(shù)所不可能實現(xiàn)的。這是非常令人興奮的事！確實，筆者知道用低功率LED替代大功率白熾燈是一件非常了不起的事情。

在這次燈具考察中，筆者將測試來自于電腦燈制造領(lǐng)域里的成功企業(yè)之一——Clay Paky的嶄新產(chǎn)品。該公司進入LED領(lǐng)域比較晚，它的第一個產(chǎn)品是相當保守的。然而，此時的Clay Paky無疑被Sharpy系列電腦燈的成功所激勵，它已遠離保守，開發(fā)制造出可產(chǎn)生窄光束和染色效果的LED新型系列產(chǎn)品。

本次受檢測的產(chǎn)品是Clay Paky A.LEDA B-EYE K20（筆者將其縮寫成B-EYE K20，中文譯名為“蜂眼”），見圖1。看“蜂眼”的外貌，就能明白該產(chǎn)品名稱的起源：37個形如眼睛微鼓的透鏡盯著你，它們被排列成分別為18、12、6和1個透鏡的4個同心圓環(huán)。實際上只有中心透鏡是六角形蜂巢形狀，而其余的是五角形或四角形。稍后筆者將返回這些透鏡，解釋它們的用途是什么。

這次考察仍遵循筆者通常的程序，從光源開始并循序進行每一項檢測，盡可能客觀地測量每一個參數(shù)，直至光輸出測量結(jié)束。這次考察所有數(shù)據(jù)都來自于筆者對Clay Paky所提供的唯一樣燈的測試。筆者始終認為，看到燈光效果或光束燈時，這種燈具的數(shù)據(jù)并沒有說明它的全部。數(shù)據(jù)只是一個起點，提供一個參照系；不過在另一方面，在任意特定情況下，有很多成功的先例，這與良好的燈光設(shè)計、燈具的配置以及融入整體表演等因素有關(guān)?！胺溲邸笨蛇\行于100 V～240 V 50/60 Hz電壓下；這次考察，該燈具運行于115 V 60 Hz電源。LED光源不運行時，燈具的靜態(tài)電流為0.62 A，功耗為70 W。

1 LED光源

“蜂眼”采用37顆功率為15 W 的Osram Ostar RGBW LED光源。每一顆LED光源都能夠獨立地運行，所以這些LED光源共配置有37×4=148個驅(qū)動器。因此其功率非常大（37×15=555 W），并裝置有大量的驅(qū)動器。圖2顯示搖頭內(nèi)安裝的許多電路板中某個電路板上的一個四色LED芯片的特寫。一個電路板上安裝著兩個LED光源，所以整個燈具總計有19塊這樣的小電路板（位于中心的LED光源單獨使用一塊電路板）。在圖2中也許可以看見，LED芯片被直接安裝在金屬基印刷電路板上，以獲取良好的熱傳導(dǎo)效果，并直接與正方形塑料光導(dǎo)管的底端相接觸。圖3顯示燈具的后部，可以看見燈具的主電路板，在其邊緣附有引向各LED電路板的19條電纜連接線。這個主電路板也配置有19個垂直裝置的子插件板，每一個插件板都包含有用作這些LED電路板之一的驅(qū)動器。在這個小小的空間中配置有大量的電子線路。其整個系統(tǒng)由大容量的自動調(diào)溫控制風(fēng)扇來冷卻，在圖3的中央可以看見這個冷卻風(fēng)扇。

在上文中已提及光導(dǎo)管；每個四色LED組合發(fā)光后融入各自的光導(dǎo)管，光導(dǎo)管有助于均化四色（紅、綠、藍和白）混合光以及將光輸出傳送至出光透鏡。圖4顯示在墊板上的光導(dǎo)管陣列。每個光導(dǎo)管長約50 mm，此時這種光導(dǎo)管陣列看上去好像是一只奇怪的光學(xué)刺猬。在每個光導(dǎo)管的頂部配置了一個小的正方形光輸出透鏡，筆者認為這個透鏡是用作準直器和漫射器，以確保其光線被徹底地混合，見圖5。這些光導(dǎo)管的長度以及它們布排的方法，究其原因是雙重的。首先，光導(dǎo)管越長，通過光導(dǎo)管的光線的混合和均化效果就越好（根據(jù)經(jīng)驗，光導(dǎo)管的長度應(yīng)該至少是光源直徑的3倍，或者更多）。其次，在“蜂眼”中，這些光導(dǎo)管伸入透鏡陣列，而該陣列能提供光束角度控制和旋轉(zhuǎn)（其詳情稍后詳述）。

圖6顯示賦予該產(chǎn)品名稱（“蜂眼”）的透鏡陣列。它包含有37個大透鏡，每一個透鏡都配置有各自的光導(dǎo)管。這些透鏡的光學(xué)性能是完全相同的，但是在外部形狀上有所不同，以使它們盡可能地緊密裝配在各個同心圓環(huán)中。如果仔細觀察，就會看見透鏡外部形狀有7種變形體：6種透鏡如同切分餡餅的不同楔形物，其中3種定位于外圓環(huán)，2種位于中圓環(huán)，1種位于內(nèi)圓環(huán)，以及單一的中心透鏡。中心透鏡是惟一具有完全對稱形狀的透鏡；其余的透鏡形狀是復(fù)雜的，具有不規(guī)則的形狀。整個透鏡陣列被安裝在一個金屬環(huán)上，金屬環(huán)能沿著光軸前前后后來回移動，并能圍繞金屬環(huán)旋轉(zhuǎn)。圖7顯示其控制來回運動的三個線性驅(qū)動器和滑塊（桿）之一。當驅(qū)動器和滑塊運動時，金屬環(huán)攜帶所有37個透鏡一起移動，搭載著每個透鏡或趨近或遠離各自相關(guān)聯(lián)的光導(dǎo)管，其作用如同一個簡單的單透鏡變焦系統(tǒng)，可以單獨地改變每個光發(fā)射器的光束角。到此為止，這沒有什么不同尋常的地方：許多產(chǎn)品的功能都很相似。然而，該燈具與眾不同之處是：這個透鏡環(huán)能旋轉(zhuǎn)，并能使透鏡橫越光導(dǎo)管的頂部。圖8顯示其旋轉(zhuǎn)馬達和齒輪，該齒輪與繞著透鏡陣列的外圓周轉(zhuǎn)動的環(huán)形齒輪相結(jié)合。

圖2 LED芯片

圖3 主電路板

圖4 光導(dǎo)管

圖5 光導(dǎo)管輸出

圖6 透鏡

圖7 變焦電機

圖8 透鏡旋轉(zhuǎn)

現(xiàn)在讀者應(yīng)該明白了光導(dǎo)管為什么要那么長又那么狹窄而透鏡則很大的緣由。大的前透鏡在光導(dǎo)管出光口的前面，能從一邊被移動到另一邊，但并沒有超越大得多的透鏡邊緣。其移動的結(jié)果是將光線導(dǎo)向側(cè)面，而光輸出透鏡在光控制方式上則擔(dān)當起棱鏡的作用。轉(zhuǎn)動透鏡環(huán)越遠，移動每個透鏡偏離中心越遠，那么光線偏向側(cè)面就越多。注意，筆者始終強調(diào)光束被側(cè)向偏轉(zhuǎn)，并與同心圓環(huán)相切；這是一個重要的特征，要記住，因為其最終結(jié)果看上去并不像那個樣子！相反，這37個側(cè)向光束角向外調(diào)整角度，呈現(xiàn)放射狀，因而增加了燈具變焦角度。那確實是總體結(jié)果，只要讀者追隨其中一個光束，就會了解它實際上移動的方向！該系統(tǒng)有一個較小的限制，即當透鏡向后移動靠近光導(dǎo)管時，透鏡環(huán)不能非常便捷地被旋轉(zhuǎn)；否則，當它轉(zhuǎn)動時可能剪切所有光導(dǎo)管。因此，旋轉(zhuǎn)效果只有在窄光束角狀態(tài)時才有可能實現(xiàn)，即當透鏡環(huán)向前移動以及光導(dǎo)管擺脫了透鏡環(huán)的后部時。在廣角端，小量的旋轉(zhuǎn)可能產(chǎn)生稍稍增強了的最大變焦量。

圖9顯示透鏡環(huán)被旋轉(zhuǎn)時僅僅來自其內(nèi)圓環(huán)6個LED光輸出的照片剪輯。在照片的左邊，因透鏡被調(diào)整排列在光導(dǎo)管中心的上方，因而光束直通透鏡沒有一點側(cè)向偏轉(zhuǎn)。當透鏡環(huán)被漸進轉(zhuǎn)動時，6個光束中的每一個光束的偏轉(zhuǎn)都增大，結(jié)果將這些光束分離得越來越遠。注意，這種偏軸投射也使得被投射的光束形狀稍稍有點變形。在圖9的右邊，可看見轉(zhuǎn)動到毗鄰的光導(dǎo)管之間而又恰好定位中間位置時的透鏡影像。此時，每個透鏡能面對兩個光導(dǎo)管，因此可獲得來自每個光導(dǎo)管的兩個影像。如果繼續(xù)轉(zhuǎn)動，就會看見圖案反向，因為下一個透鏡橫越光導(dǎo)管，最后，圖案再一次以中心定位而結(jié)束。對于6個LED構(gòu)成的內(nèi)圓環(huán)，進進出出的這個循環(huán)在整個圓環(huán)旋轉(zhuǎn)中重復(fù)發(fā)生6次。與其類似，對于中圓環(huán)，它的循環(huán)是12次，而對于外圓環(huán)，其循環(huán)則是18次。結(jié)果是，光束的每個循環(huán)按各圓環(huán)的3:2:1之比而進進出出。因為這些光束是緊湊而狹窄的，所以其產(chǎn)生的效果猶如37支光束優(yōu)雅的加伏特舞（gavotte，法語）。

圖9 B-EYE效果

實際上它不是真正的變焦效果，因為每一個光束的光束角并不改變，但是各光束的總體輪廓確實被放大了。筆者花了一些時間思索究竟發(fā)生了什么。如果用戶打算使用“蜂眼”，花費一些時間對它們進行實驗是至關(guān)重要的。Clay Paky已經(jīng)在DMX通道中提供了大量的預(yù)編程宏指令幫助用戶進入以挑選LED光源、變焦和透鏡旋轉(zhuǎn)的優(yōu)良組合，因此，筆者建議用戶試一試這些宏指令以獲得一些可能效果的切身體會。圖10顯示其宏指令的一個樣品，其中發(fā)射器的色彩和旋轉(zhuǎn)是同時發(fā)生而導(dǎo)致的一種效果。

筆者測量變焦從窄角向廣角的移動最少需時1 s。從靜態(tài)定位移動到下一個產(chǎn)生相同效果（即60°分離）的靜態(tài)定位的旋轉(zhuǎn)需時1.5 s，它能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其速度上限為7 r/min（轉(zhuǎn)/分）。

2 光輸出

現(xiàn)在，回到可以理解和可以測量的概念：如圖11所示，筆者測量“蜂眼”所有發(fā)射器都全額運行時的光輸出，當它處于寬角變焦和透鏡充分退回時，其光輸出稍高于9 900 lm，此時光斑角為54°。該燈具的熱光衰相當??；筆者發(fā)現(xiàn)全功率運行15 min以上時燈具光輸出下降為初始光輸出的93%，而后止跌，到達穩(wěn)定狀態(tài)。

在變焦范圍的窄角端，光輸出是難以測量的；各個光束開始時發(fā)散分離，因而逐漸脫離近光場區(qū)域而進入遠光場區(qū)域，在此種情況下，要正確使用平方反比定律則要求比筆者可使用的測試射距更長一些。或許50英尺（約15 240 mm）將是必需的射距。其光束角被測得在5°和7.5°之間，光束角隨前透鏡的旋轉(zhuǎn)定位的不同而變化；筆者估算此時的總光通量約是其寬光束角時光通量的50%。

“蜂眼”可以設(shè)置白光輸出的色溫；表1顯示各個色溫值時光輸出的減少，以及實際測得的色溫值和設(shè)置的色溫值。較低的色溫非常接近于其額定的標準值，而較高的色溫則顯得有點偏高。（筆者使用光譜儀測量這些色溫。而不用三刺激值色溫計測量，因為它們對于LED光源是無用的）。

3 調(diào)光

圖12顯示“蜂眼”被設(shè)定于默認設(shè)置時的調(diào)光曲線。該燈具也提供一些其他的調(diào)光曲線，以及模擬白熾光源的調(diào)光曲線選項，在該選項中，其調(diào)光時間相對白熾光源變暖和冷卻的時間變慢了。筆者測得可能的頻閃速度范圍是1 Hz ～25 Hz。正如普遍所期待的，采用16 bit的調(diào)光是非常平滑的。調(diào)光時產(chǎn)生最小的顏色偏移，在底部幾個百分比的調(diào)光中出現(xiàn)向綠色輕微偏移的現(xiàn)象。筆者測得其PWM拆分成兩個相位的1.15 kHz頻率的電流供給不同LED管，實際頻率是2.3 kHz。

圖10 宏圖像

圖11 光束光強度分布曲線—最大值

表1 色溫與光輸出關(guān)系

圖12 調(diào)光曲線

4 顏色

它的顏色混合是熟悉的RGBW LED系統(tǒng)。筆者測得各發(fā)射器的主波長，藍色是450 nm，綠色是523 nm，而紅色是645 nm。三原色是為獲取混合效果而被選擇，而不是單純考慮顏色的淡柔，因此藍色相當深，在照度計上藍光讀數(shù)很小。對于人眼，藍色的光輸出所產(chǎn)生的視覺效果比這些數(shù)據(jù)顯示的要強得多。

5 水平和垂直旋轉(zhuǎn)

“蜂眼”具有完美的540°水平旋轉(zhuǎn)和207°垂直旋轉(zhuǎn)范圍。筆者測得水平全程540°旋轉(zhuǎn)需時3 s，而180°水平旋轉(zhuǎn)則需時1.8 s。垂直旋轉(zhuǎn)速度方面，207°全程旋轉(zhuǎn)需時1.6 s，而180°旋轉(zhuǎn)則需時1.5 s。水平和垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)都配置有光電編碼器以使燈具在被碰撞時能重新復(fù)位。筆者測得其滯后或可重復(fù)性為：水平0.25°，垂直0.12°，這相當于在20英尺（6 096 mm）射距上分別偏差1英寸（25.4 mm）和0.5英寸（12.7 mm），（即在10 m射距上分別偏差44 mm和22 mm）。其運轉(zhuǎn)是平滑和干凈利落的，沒有討厭的搖晃或過沖現(xiàn)象。

表2 顏色混合

表3 聲強（離燈1 m）

6 噪聲

“蜂眼”的冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生主要的恒定噪聲。變焦旋轉(zhuǎn)是最為喧鬧的運行元素，以某些速度運行時還有一些較顯著的共鳴聲。

7 復(fù)位/初始化時間

“蜂眼”通電后完成整個初始化運作需時64 s，而在運轉(zhuǎn)時完成系統(tǒng)復(fù)位則需時55 s。該燈具復(fù)位功能表現(xiàn)良好，在其所有運轉(zhuǎn)之前和之后LED光源都能緩慢地淡入和淡出。

8 功率、電子設(shè)備與控制

在標稱的115 V 60 Hz電源的運行中，該燈具所有LED光源全額發(fā)光并處以靜止狀態(tài)時消耗電流5.3 A，消耗功率622 W，而此時的功率因數(shù)為0.98。

圖13顯示包含水平—垂直馬達的驅(qū)動器和控制器的燈弓臂（在照片底部可以看見水平旋轉(zhuǎn)電機）。它似乎是Clay Paky公司給這個系統(tǒng)使用的獨特的從屬處理器。這種說法講得通，因為它很可能被應(yīng)用于該公司一系列不同的產(chǎn)品上。在搖頭中已經(jīng)看到LED驅(qū)動器，所以僅有的其他電子系統(tǒng)是主輸入系統(tǒng)。它設(shè)置在置頂盒中，提供DMX512和以太網(wǎng)連接系統(tǒng)的其余部分，以及驅(qū)動LCD顯示屏和菜單系統(tǒng)，見圖14和15。與最近的其他Clay Paky產(chǎn)品一樣，菜單系統(tǒng)配置有蓄電池，在燈具通電之前可以預(yù)先操作。

產(chǎn)品提供多種控制水平的選項。用戶可以選擇低通道數(shù)（如筆者所采用的），它提供了存取來自發(fā)射器以及應(yīng)用個別有色光束的大量宏指令的所有顏色。或者，用戶如有可利用的通道空間并有時間編程，可以選擇對每一個LED實施全面的個別控制并可以將燈具用作像素器具來繪制圖像。

燈具的連接器面板很常見，見圖16，它提供5針DMX XLRs連接器和3針XLR連接器，以及用作電源的Powercon和用作以太網(wǎng)的Ethercon。置頂盒中最后的一個部件是電源，見圖17。

9 結(jié)構(gòu)與可維護性

Clay Paky期望用戶將搖頭拆開以清潔透鏡，因此在手冊中提供使用說明。如同許多LED燈具一樣，它和電路板很可能是被設(shè)計成用戶可維護的唯一部件。結(jié)構(gòu)是整潔干凈的。關(guān)于結(jié)構(gòu)，筆者已發(fā)表過一般性評論，這不僅僅針對“蜂眼”，而且也針對筆者最近看到的許多其他燈具。筆者看到，電腦燈的模具水平有廣泛而較大的提升，涌現(xiàn)了許多更充分模具化和模塑化的部件以取代成品零件。筆者非常樂見這種變化，因為更為模具化的零部件通常可導(dǎo)致提高燈具的可靠性和一致性。筆者不能確定增加銷售量是其變革的原因，而筆者則認為這是因為不太昂貴的模具的實用性。無論什么原因，這總是好事，而“蜂眼”很好地將其展示出來。

圖13 燈弓臂

圖14 輸入電子設(shè)備

圖15 菜單

圖16 連接器

圖17 電源

這就是“蜂眼”的概況。正如筆者在開頭所說，看到制造商開始探索采用固態(tài)光源開發(fā)新產(chǎn)品是令人興奮的。但是不要盲目相信筆者的話，如果這些數(shù)據(jù)聽起來很有趣的話，那么讀者不妨去試試這款燈具。（本文編譯自美國《Lighting & Sound America》雜志2014年7月刊《Clay Paky A.LEDA B-EYE K20》一文，http://www.lightingandsoundamerica.com/LSA. html）

（編輯 張冠華）

Clay Paky A.LEDA B-EYE K20

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

B-EYE K20 is a new type perfomance light with full feature of LED. Based on testing, the paper introduced and analyzed its construction, function and characteristic.

RGBW LED; perfomance light; testing; lens array; dominant wave length; mould

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.04.002

圖1 受檢測燈具