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.上海戲劇學院，上海 200040）

通過對Shapeshifter LED燈具的檢測，解析燈具的構成、功能及其性能和特點。

LED電腦燈；測評；光束效果；模塊運轉；宏指令

近來，筆者測試了一些不同尋常的燈具，解決了通常的測試體系的困難。超窄光束效果燈具、可操控的光學系統以及LED光源帶來了一系列全新的問題。我們該如何認識哪些測量工作是值得做的，并在實際中反映出該產品如何使用？具體說明和測量用作基本光和背逆光的燈具很簡單，三個問題就能使用戶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，在談論空中光束效果、圖案投影以及其他效果燈具時，這些參量可能沒有哪一個是有用的。然而，筆者仍堅持自己的觀點，試圖提供一些有用的數據以論述受測試燈具的適用性，以及與它的競爭對手相比較，其基準參數表現如何。

本次考察的燈具幾乎具體體現了筆者以上提及的所有難以測量的特性，所以對燈具分類也提出了一些挑戰。這款燈具就是High End System的產品Shapeshifter（以下簡稱該燈具）。High End System從事自動化照明設備制造有很多年頭，是一家頗受尊敬的制造商。多年來公司的命運幾經起伏，最近它在控制系統（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，它似乎激發出一些新思維。作為一家公司，它總是喜歡與其競爭者有點不同，而很明確，該燈具就是這樣一款標新立異的產品。可以將它看作一款燈具，或者可以將其看作7個半獨立的燈具：它有點二者兼而有之。

High End System給筆者提供該燈具的兩種不同型號的產品：C1 RGB混色燈具和W1白光LED燈具。筆者試圖檢測從光源直至光輸出的每一項性能及參數，并提供相關的結果以有助于用戶作出自己的決定。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，在這次檢測中，該燈具始終在115 V 60 Hz標稱電壓下運行，見圖1。

1 光源

W1和C1都配置有126個Cree XPE 2 LED光源。這些光源被分成7個模塊，每一個模塊由18個LED光源組成。在C1型號中，每一個模塊包含6個紅、6個綠和6個藍光LED光源。在W1型號中，126個光源全是白光LED光源。Cree XPE-2是標稱功率3 W的光源，然而筆者此前說過多次，LED標稱值不是絕對的。冷卻的效能和LED光源的工作環境是其額定功率的實際驅動器。7個LED光源模塊被排列成中心一個模塊和外圓環6個模塊。中心模塊是六邊形的，相對于搖頭而言，它是固定不動的。然而就是在這個點位，開創出有趣的事：18個LED光源組成的6個外圍梯形模塊的每一個都被安裝在各自獨立的水平—垂直旋轉系統上，該系統提供相當于燈具搖頭和中心模塊的二次運動選擇。126個LED器件中的每一個都配置有各自的窄角TIR（totall inner reflecter：全反射聚光透鏡）初級光學器件。圖1清晰地顯示7個LED模塊，從照片中可見，它們被設置在同一個平面內。稍后我們再返回到它們的運轉系統，現在先看看LED光源及其冷卻系統。

由于6個外圍模塊相對于搖頭的運動的空間需要，所以不能配置一個大型的散熱器，因而每一個模塊不得不配置各自的冷卻系統和散熱器。圖2顯示其中一個模塊的后視圖，從照片中可以清晰地看見形成每一個模塊后表面的壓鑄散熱器（安裝在燈具后側的一個大的自動調溫控制的風扇將空氣吸進并吹過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扇以及3個電路板。其中最大的電路板（見圖3中左上側）包含著LED驅動器，而較小的兩個電路板（圖3中右側和底部）則包含著各個模塊的水平—垂直旋轉馬達驅動器。其冷卻系統工作良好，雖然有那么一點噪聲（后面再論述）。在筆者的測試中，在所有LED光源滿功率運行時，筆者發現開機30 min后達到熱平衡狀態的光輸出僅僅下降約9%。這是一個很好的結果，許多LED燈具將損失更多的光輸出，因為燈具會變得更熱（注意：在這次考察中的所有光輸出測試都是在燈具運行30 min之后進行的。）

2 光輸出

筆者測得C1在所有LED光源滿功率運行時的光輸出為9 195 lm，見圖4。現在，隨之而來的第一個問題是：在模塊可以運動的狀況下，如何定義燈具的光斑角？筆者決定測量和報告所有模塊處于同一個平面時的總光斑角和單個模塊的光斑角。因為它并沒有通常的光束角控制，每一個模塊有固定的焦距，所以這似乎是合理的方法。筆者測得所有模塊處于同一平面時C1的光斑角為16.5°。單個模塊的光斑角，也近似為整臺燈具聚焦成一個聚光斑時的最小光斑角，其角度是15°。寬光斑角很大程度上由用戶決定。外圍6個模塊可以向外垂直旋轉，有效光斑角將增加，然而在一些模塊過度偏離的定位時，它們產生的7個光束將分離成各個單獨的光束。一個光束變成7個光束，很大程度上，這是不同操控產生不同效果的問題。

注釋1：在報告光束和光斑角時有一個令人感興趣的問題。對于這些數字意味著什么，不得不走出近光場而進入適用平方反比定律的遠光場。對于通常的燈具，這是相當簡單而明確的，經驗法則是確保所有測量所選取的射距至少10倍于燈具燈口的直徑，因此身處遠光場中會相當自信。對于像Shapeshifter（以及采用多種超窄角光源的其他燈具）一類的燈具，這是一個棘手的問題。可以調整Shapeshifter模塊的位置，以在燈具前方較遠處獲得外部的光束交叉點，遠光場也可以離得很遠。對于像Shapeshifter的一款燈具，在筆者工作室里，在遠光場中進行測量不是切實可行的，因為工作室實在不夠大。可行的方法是僅僅測量單一的發射器或模塊，然后將其按比例增加。單一模塊按慣例運作而遠光場離開僅僅只有幾英尺。

圖2 水平和垂直旋轉裝置

圖3 電路板

注釋2：如同以往的考察一樣，筆者應用標準光斑的光通量來報告燈具總的光輸出。High End System應用它自己專有的流明版本，它不具有可比性。

較遠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。對于全白的W1，其性能稍有不同。如預期的那樣，其總光輸出更高，差點不到15 000 lm，見圖5。其平面光斑角是相同的，也是16.5°；而單個模塊所匯聚成的光斑角小于C1，為12.3°。

3 調光

該燈具的調光曲線如圖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，其調光性能是良好的；雖然燈具采用16 bit調光控制，但調光曲線底部15%部分仍出現可察覺的步進現象。在調光全過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。

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

筆者測得其PWM頻率是1.95 kHz。這應該已足夠快速，可以適用于大多數TV系統。

注釋：一般而言，PWM越快越好。配置有卷簾式快門的現代CMOS攝影機對于任何閃爍都非常敏感。然而，當頻率提高時，可能會出現刺痛用戶的新問題。為了試圖避免這些攝影機問題，選用的PWM頻率將進入kHz級別，然而這又引發新的問題：PWM將產生可聽得見的來自于燈具電源或驅動器的似歌唱似鈴聲的噪聲，在5 kHz～10 kHz范圍內這種現象特別顯著。在尋求越來越合適的PWM頻率時，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

C1提供傳統的三色RGB加法混合顏色系統，其運行性能如預期的那樣。圖7顯示C1在所有發射器滿功率運行時的光譜。發射器的峰值大約位于450 nm、515 nm和635 nm。在這個模式中，光色并非是純白色；而具有明顯的藍色色調。減少藍色以調整混合色，直至獲得黑體輻射軌跡上的純白色，此時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光強分布曲線

圖5 W1光強分布曲線

圖6 調光曲線

表1 顏色混合

主要原色的光輸出占整個光輸出的百分比見表1。

這是相當簡單的顏色分析，因為它忽略了單一模塊的控制；筆者猜想，實際上不太可能同時應用C1的全部顏色，而更可能利用模塊創造顏色效果。C1可以以許多不同的顏色模式運行，可以選取7個模塊中的每一個各自單獨控制的模式，或者以生成顏色圖案的宏指令來運行。圖9顯示由顏色宏指令通道生成的顏色圖案的一些例子。如果有時間和足夠的DMX512通道，用戶可以打造自己的顏色圖案庫。

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

5 模塊運轉

模塊運轉是該燈具的主要亮點。如前所述，外圍6個模塊中的每一個都被安裝在水平—垂直旋轉臂上，在這些設計方面非常傳統，類似于掃描器。（見圖2）水平（切向或x軸向運行，如同High End System在該燈具中所稱呼它的）是驅動模塊運轉的單一固定的步進馬達，而垂直（徑向或y軸）則由第二個步進馬達通過皮帶被驅動，并偕同模塊一起運轉。將一個平面鏡替代這個LED模塊，就會認出它是掃描器的機械裝置。和掃描器一樣，在這兩個軸之間的相互關系是復雜的。圖10顯示每一個運轉平面的范圍。對于這種相當輕量的模塊，這種類型系統的優點是運轉的速度。筆者測得x軸運轉的全范圍是32°，而y軸運轉的全范圍是28°，從一端運轉到另一端，兩個軸向運轉均需時約0.4 s。相比整體的水平和垂直旋轉臂運轉的時間，這顯得更快速。和模塊的顏色控制一樣，用戶擁有一起運轉所有x和y通道或分別單獨驅動模塊的選擇。此外，和顏色一樣，提供許多運轉宏功能。實際上，超出筆者使用過的燈具，其內置的宏功能對于它在合理時間內完成程序編制工作是非常至關重要的。

圖9 圖案實例

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

C1和W1具有水平旋轉范圍540°和垂直旋轉范圍270°。水平全程運轉需時3.6 s，而更典型的180°旋轉則需時1.8 s。垂直全程運轉需時2.1 s，而180°旋轉則需時1.5 s。其運轉是非常準確的。水平定位重復精度是0.09°，相當于在20英尺射距上偏差約0.4英寸（或在10 m射距上偏差16 mm）。燈具機械系統的阻尼性能很好，所以其運轉是平滑的，只出現少量的過沖現象。

7 靛藍色背光

新近在幾個其他的High End System的產品中已經看見，該燈具配置了靛藍色LED光源，作為其輔助的照明系統。其文件材料提到它們是用作背光。有6個電路板，每一個電路板連接3個LED光源，LED光源的頭部倒置著精確安裝在飾有酒窩的鋁質漫射型發射器中。圖11和圖12顯示LED光源及其發射器。這些背光可以獨立于主光源受控，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去，這種效果是看得見的，它并不是用作投影效果的。圖9中3個例子顯示使用中的靛藍色背光。

表2 聲強

8 噪聲

風扇是該燈具相當喧鬧的一個部件。滿功率運行燈具，自動調溫控制風扇達到最高運轉速度，因而成為噪聲最大的部件，見表2。

9 電參數

該燈具被規定在100 V～240V AC 50/60 Hz額定電壓范圍內自動切換運作。在使用115 V標稱電壓進行檢測時，筆者測得燈具靜態功耗為497 W，此時光輸出最大，功率因數為0.99。所有LED關閉時的燈具維持功耗為47 W，而功率因數為0.86。在最大光輸出時，C1的發光效能是18.5 lm/W，而W1的發光效能則是30 lm/W。

燈具初始化時間是63 s，經由DMX512控制通道發出復位指令起，其初始化時間約為50 s。在復位時，燈具運作得很糟糕：在運動重置結束之前，它又漸亮起來。

圖11 靛藍色光源

圖12 靛藍色發射器

10 電子設備與控制

該燈具主要的電子設備被安裝在搖頭中，如圖3所示。DMX512電子設備和電源，以及菜單系統及其顯示器被安裝在底座內。燈具配置有彩色液晶顯示器和菜單按鈕，可以設置所有通常的參數和選擇，包括編程獨立操作的模式。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置DMX512地址和燈具參數。筆者測試的這臺燈具沒有配置這些蓄電池，所以筆者不能檢測這個特性。置頂盒上提供5針和3針XLR連接器以及powerCON連接器，見圖14。

11 結構

其搖頭安裝有3個大驅動器電路板和7個LED模塊。它的拆卸很簡單，僅需要移除幾個螺絲即可卸下主要的燈蓋。而后直截了當地替換模塊組件。筆者想象，沒有那么多低水平的維修需要普通用戶自己去做或能做的。燈弓臂和置頂盒部件是當下燈具非常標準化的部件。圖15顯示安裝有水平和垂直旋轉驅動器和水平旋轉馬達的燈弓臂。

結論

6個可運轉的模塊是整個燈具的精華。每個模塊產生相當狹窄、明亮的光束，能夠單獨地移動每一個模塊，并仍然能控制整個燈具的水平和垂直旋轉以實現空中效果和直視圖案。這是一款專為觀眾視覺效果而不是為照明演員而設計的燈具。其他制造商正以不同的方法制造相似的產品，但是它提供了有趣的可供選擇方案，因為每個模塊具有完全獨立的控制。它有點像一口氣同時操作和控制7個較小的LED掃描器。那么，何時使用這款燈具來設計由用戶自己決定。這款燈具有人喜歡有人討厭（筆者不得不承認通常不喜歡現存的效果），使用內置的宏功能對于迅速編程是必不可少的，但是如果用戶有時間的話，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的運動、強度和顏色，因此增加了選項的數目。High End System Shapeshifter C1或W1將成為你燈光設備中的一款燈具嗎？選擇由用戶自己決定。

（本文編譯自美國《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