舞臺燈具技術的發展與趨勢

蔣偉楷　彭穎茹　林永強　唐露新

【摘要】以國際燈光博物館的收藏為主要依據，根據光源類型，分析火焰光源、電光源和節能電光源舞臺燈的歷史和發展狀況，介紹舞臺燈具技術、內外結構和光路，重點分析舞臺燈具的各個時期電光源和節能電光源的性能特點，介紹相關功能的控制技術，最后對舞臺燈具的發展趨勢進行分析。

【關鍵詞】舞臺燈光；火焰光源；電光源；LED

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.07.001

1引言

舞臺燈光與音樂、布景、服裝、道具、化裝等相互配合，讓觀眾享受完美的舞臺綜合藝術。舞臺燈光起初只是用于舞臺照明，調節光的明暗度和照射距離，現在發展到明暗變化、動感圖案、多彩圖案、3D立體等效果。燈具的功能和控制技術在不斷創新進步，傳統模擬控制已被數字化、智能化、網絡化的控制所替代。為了達到安全、高效、節能、降低成本和豐富多彩的效果，舞臺燈具不斷創新和優化，采用新的光源、燈體結構和光路設計等。

最早記載的舞臺燈具起源于15世紀歐洲，“廣州浩洋國際燈光博物館”珍藏了500多件舞臺燈具實物，這些藏品包括從15世紀到當代的舞臺燈光書籍和產品。據記載，15世紀在西方劇場內開始使用蠟燭進行演出照明，但是蠟燭照明有油煙且不夠明亮，無法滿足當時豪華舞臺演出要求。1783年，瑞士化學家艾梅-阿爾干（Ami Argand）發明了阿爾干油燈，比傳統蠟燭亮10倍，當時只有王公貴族才買得起，后來才逐漸普及。作為原始舞臺燈具光源，蠟燭和油燈雖然基本滿足舞臺表演照明需要，但由于產生濃煙和刺鼻的味道，18世紀電燈發明后逐漸退出舞臺燈光的歷史。鹵鎢燈、高強度氣體放電燈（HID）、金鹵燈等電光源的發明，更好地滿足舞臺燈光的需要，但是也存在耗能大、發熱、壽命短和安全性差等缺點。近年來，節能、環保理念深入，耗能低、發熱少的LED光源逐漸地顯露出優勢，隨著功率提高、光電轉換效率和色度等性能改善，LED舞臺燈得到迅速發展。本文主要從燈具類別、燈體結構、舞臺燈光源與光學特性、控制技術等方面介紹舞臺燈具的技術發展歷程和發展趨勢。

2舞臺燈具光源的發展及其光學特性

舞臺燈光發展一直與光源密切相關。新光源的發明對人類照明貢獻巨大，也極大地推動了舞臺燈光的發展。

2.1火焰光源

火焰光源時代是以蠟燭、油燈、氣燈為代表的時代。在18世紀后期之前，蠟燭是舞臺燈光最普遍的光源，帶來舞臺燈光設計的突破，形成了舞臺腳光、側光為主的燈光設計體系，為現代舞臺燈光燈位設計提供了實踐基礎。但是蠟燭照度低、成本高、污染環境。后來，光效大大提高的阿爾干燈出現，油燈開始真正普及用于舞臺。隨后發明的氣體火焰燈是人類利用火作為照明光源的最高水平，這種氣燈能夠充分燃燒使光通量更大。

15世紀后期，蠟燭就應用在西方劇場演出中，在1580年～1618年期間，意大利的奧林匹克劇院和法爾內塞劇院內，首先在演出過程中將蠟燭懸掛在布景的街道、塔樓和屋頂之上。由于演出需要，后人想出各種附加裝置來增加蠟燭燈具的功能，如調節光的明暗度、顏色、方向等。1640年出現的反光燈——在錫制的反光板前面放置蠟燭，這樣燭光在照亮演員時不會直射到觀眾——為后來演出光源的隱藏開了先例，如圖1（a）所示。1640年出現聚光燈——在三塊圍起來的鏡子中間放置蠟燭，利用鏡子的反射原理將光效聚集，大大提高了燭光效率。但是，蠟燭煙霧大、氣味濃、光效低、照明距離短，人們極力尋找新的舞臺光源。18世紀初開始出現油燈，但最早期的油燈以敞開式為主，燃燒時會產生較濃的霧和氣味，很長一段時間都沒能取代蠟燭舞臺燈。1783年阿爾干燈出現，蠟燭才逐漸退出了舞臺。圖1（b）所示為阿爾干燈，在油燈外加裝玻璃燈罩，并配用空芯燈芯，光效比傳統敞開式油燈提高10倍；同時，大大減少了煙霧和氣味，改善了演員的演出環境和表演效果。

18世紀末到19世紀初，光源變化迅速，1784年，煤氣開始在歐洲作為照明燃料使用；1792年，威廉·默克多（William Murdoch）發明了氣體火焰燈，自此舞臺燈光光源進入了氣燈時代。1803年，第一個開放式的煤氣燃燒器在倫敦蘭新劇場首次使用。氣體火焰燈相較于油燈光通量更大，亮度更強，且由于攜帶有儲氣罐，因而能提供更長的照明時間，圖1（c）所示是一種通過化學反應產生可燃氣體的氣燈。除此之外，有些氣燈不像蠟燭和油燈那樣整個裝置都是獨立的，為了提高燈的續航能力，會預先把可燃氣體裝在氣囊里，通過人工改變擠壓氣囊的力度能調節光的亮度和距離等。

2.2傳統電光源

傳統電光源時代是以白熾燈、鹵鎢燈、氣體放電燈為代表的舞臺燈時代。1879年，愛迪生發明碳絲白熾燈開創了人類電光源照明新時代，圖2（a）所示為碳絲白熾燈。1901年美國GE公司William D·Coolidge研制出鎢絲白熾燈，大大提高了光效和壽命，圖2（b）為10 000 W的鎢絲電影燈泡，是目前最大功率的舞臺燈泡，其功率大、發光強，價格昂貴。白熾燈發熱溫度高、壽命短，難以滿足舞臺需求。1956年，美國GE公司發明鹵鎢燈，令燈泡的體積大大縮小。熒光燈標志節能光源出現，最初熒光燈采用鹵粉材料，性能一般。1974年，飛利浦研制了稀土元素三基色熒光粉，發光效率、顯色指數和色溫都比較高，這種熒光燈節能效果顯著，但熒光粉價格昂貴。圖2（c）為氣體放電光源的金鹵燈，具有高顯色性、高光效和長壽命的特點，在多種照明燈具中得到廣泛應用。

1881年，英國物理學家和化學家約瑟夫·威爾遜·斯旺發明了世界上最早的白熾燈舞臺燈，并應用在英國薩博伊劇場，這是世界上第一座完全靠電來點亮的劇院和公共建筑。圖3是使用鎢絲白熾燈做光源的回光燈。白熾燈光色柔和且價格便宜、電路簡單，但效率低、發熱高、壽命短。20世紀50年代后期出現的熒光燈具有光效高、發熱溫度低等優點，但不能調節明暗度，不利于舞臺燈具功能設計。后來出現光效高、色溫高、顯色性好的高強度氣體放電燈，廣泛應用于舞臺燈具，如圖4所示的光束燈。舞臺燈光需要根據演出要求做到漸明漸暗、突明突暗的變化，而作為第二代和第三代的熒光燈和高強度氣體放電燈都無法做到即開即關和漸明漸暗。目前，以高強度氣體放電光源為基礎的電腦燈雖然采用機械調光的方法解決了漸明漸暗的要求，但是在演出中一直點亮光源，所以節能效果不佳。圖5是20世紀80年代的聚光燈，用鹵鎢燈做光源，視距離調焦。

2.3 LED光源

1962年，LED光源問世，但當時的LED光效不高，只能用于做指示燈，都無法用于交通燈。直到20世紀末，LED光源開始用于照明，使人類照明產生了顯著進步。高顯色性、高光效的氙燈和金鹵燈等氣體放電光源在舞臺影視照明中優勢獨特。金鹵燈于20世紀60年代問世，其原理是將金屬鹵化物充人電弧管內，利用金屬原子電離激發發光，是一種接近日光色的節能新光源，效率高、色溫高、顯色性好，目前廣泛應用于舞臺影視照明。近年來，半導體照明顯現出獨特的優勢，LED的光效高、調光性能好，初期單體功率小、光通量不大，無法用于舞臺燈。圖6是常見LED光源模塊，舞臺上常用的單臺燈具功率從幾百瓦到幾千瓦，光通量達到幾千流明至幾萬流明。為了滿足舞臺燈具所需光通量要求，光源專家不斷研發多顆LED模塊，LED模塊從單基色、四基色，再到現在的七基色，所有可見光光譜都有對應的LED發光，圖7為七基色LED光源?，F在單個功率達上百瓦的燈泡，舞臺燈功率可以達數百瓦至上千瓦。圖8為OLED照明示例，1987年美籍華裔教授鄧青云發明OLED。OLED具有自發光特性，采用非常薄的有機材料涂層和基板，當電流通過時，有機材料發光，且OLED顯示屏可視角度大，更加節省電能，但是它是一種面光源，目前功率和光效都較小，近期難以作為舞臺燈光的新光源。

近代技術創新一直圍繞新型節能光源以及機械、控制技術展開，先后發明高壓鈉燈、金鹵燈等。高壓鈉燈光效雖高，可惜顯色性太差，尚未見應用于舞臺燈具。金鹵燈的發明使舞臺燈光效、壽命和控制技術有了顯著提高。20世紀60年代初，第一只LED燈誕生，同樣亮度的LED燈耗電僅為普通白熾燈的1/10，而壽命卻可以延長10多倍，具有色彩豐富、節能、重量輕、溫度低、壽命長、安全性高等優點。圖9是世界第一臺LED搖頭燈，192顆20 mW LED，圖10所示為世界第一臺無限方向旋轉的LED搖頭矩陣燈。雖然，LED舞臺燈具價格偏高，但由于這種燈具的效果更好，并且可以起到一種渲染舞臺感染力的效果，讓舞臺表演者看起來更加具有魅力，所以特別適合應用于舞臺燈光。當然，LED用作舞臺燈具也具有一個很大的弱點，即單體功率小，為了達到舞臺燈具所需要的大光通量的要求，LED舞臺燈具大多采用大功率的LED或LED集成模塊。另外，LED光譜的完整性在不斷增加，圖11是一種七基色LED模塊的舞臺燈具，所有可見光光譜都有對應的LED發光，可以直接控制幾種基色的LED不同亮度配色舞臺彩色，不需要傳統燈配的濾色片和換色器。

2.4光學特性

蠟燭、油燈、煤氣燈等早期使用的火焰光源都是全色光，且光效很低。現對不同電光源的光學特性進行分析，從表1分析可知，白熾燈光效最低、壽命最短，但顯色指數高于其他大部分光源；高壓鈉燈顯色指數最低，不及白熾燈1/4，但光效次高；這些節能燈泡中只有金鹵燈和LED燈較適合作為舞臺燈。LED燈雖然顯色指數不算最好，但單燈消耗低，發熱溫度低，LED色溫范圍較廣，能發出從紅外光到紫外光任意顏色光，整體性能最優。舞臺燈在大功率情況下使用，實際壽命遠小于表1標明值，例如一般金鹵燈壽命750 h，飛利浦鉑金光源可達2 000 h。

3舞臺燈結構的發展

舞臺燈具按照光學結構可分為投光燈具、散光燈具、效果燈具三大類。投光燈具包括各類聚光燈、柔光燈、追光燈、回光燈等。能發出定向光并能控制光區范圍，一般是用折射原理，通過透鏡投出不同的光斑。散光燈又稱為泛光燈，漫射光線柔和、均勻，可作為影視表演或觀眾席的背景照明。廣泛適用于舞臺腳光、天幕、襯底布光或染色，用來做輔光和頂光。主要包括散光燈、天幕燈、演播室冷光源等。舞臺效果燈可以投射出多彩光束效果、各種所需圖案，提供現場燈光頻閃效果，可以實現混色、旋轉彩虹、頻閃、霧化、柔光、重影、自旋和色彩校正等多種特效，還可以用于人物和景物各方位照明。效果燈具包括光束燈、成像燈、頻閃燈、激光燈、投景幻燈、天幕效果燈、電腦燈等。

不同光源、不同功能的燈具其內外結構都大不相同，以下從燈體內外結構兩個方面進行敘述。

3.1燈體外部結構

舞臺燈具結構決定了其機械性能、散熱、強度、噪聲、重量等要素。隨著光源和機電控制技術的發展，燈體結構也在不斷變化，其外觀專利也是最多的。

最初，火焰類舞臺燈具功能不多、結構簡單，多為銅質金屬結構。電燈的簡潔高效使得舞臺燈光束、色彩和圖案豐富多彩，如回光燈采用組合式金屬反射器，具有射程遠、照度高、光質硬的特點；光束燈的獨特小口徑杯泡設計和精確的焦距定位，使得其光效利用率極高。傳統舞臺燈具功能較多、體積大，為減輕重量，后來采用塑料外殼，內部則根據受力要求，采用鋼、鋁合金等材料。千瓦以上的舞臺燈具的材料主要有鋼材、塑料、鋁合金。在考慮滿足燈具的總體功能的前提下，設計燈的結構模型，分不同部位，采用不同的材料。LED光源使得舞臺燈結構發生很大變化，體積小、溫度低、噪聲小，安裝和控制更加方便。

隨著現代工藝技術的發展，燈體機械性能越來越好，主要體現在不變形、耐磨損、耐腐蝕、抗震、抗壓等。室外燈還有防水、防塵、防靜電、防潮等要求。

3.2燈體內部結構

早期舞臺燈具是直線光，但經后人對光路的設計，發明出了各種不同光線路徑的燈具，例如，利用反射原理制成了反光燈、利用透鏡的聚焦原理制作成聚光燈等。電光源時代使舞臺燈具的光路發生了重大變化，從最初的調節光通量的大小到改變燈具光的顏色，再到改變燈具的圖案和通過切割光斑來變換不同圖案，其內部結構也變得越來越復雜，功能更加強大。三大類燈具中，效果燈具功能最多、最復雜，也最能體現舞臺燈光的技術。圖12是目前常用的舞臺效果燈具光路原理結構示意圖，按光傳播方向，由光源、透鏡、CMY色片、光圈、圖案盤、色片盤、棱鏡、調焦透鏡、霧化鏡以及鏡頭等組成。光圈用于調節出光量的大小；圖案盤是一種上面刻有圖案的金屬或玻璃，兩個電機分別控制圖案片切換和圖案片的旋轉；色片盤的驅動原理與圖案盤類似，調焦透鏡用于調節焦距；而霧化鏡用于產生均勻和柔和光斑的效果。如今的LED舞臺燈具已不再使用色片盤，因為其采用燈內幾種基色的LED不同亮度配色來產生舞臺需要的各種色光。

4舞臺燈控制技術發展

實現舞臺燈光豐富多彩的效果，需要有精密靈巧的控制機構和相應控制。從手工到機械控制，到近代的機電控制，再到現在的計算機與網絡控制，控制技術在不斷變革發展。

4.1機械控制

火焰光源時代的蠟燭、油燈和汽燈的控制大都是人工方法和機械式調節。17世紀的薩巴提尼調光器是利用繩子移動遮光罩在光源上實現對光源明暗度調節，在電氣時代，長期采用變壓器調壓，但是一般都用人工控制，速度慢、設備笨重、效率低，因此機械式調光效果差、耗費人力。

4.2機電控制

電光源時代后期，電子技術發展迅速。舞臺燈控制也趨向于電子化，初期電子控制是模擬的，如圖13，為早期的電阻調光器，雖然能夠彌補機械調光耗費人力的缺點，但效率低、精確度不高，不適合大型表演舞臺。隨著數字集成電路的出現和發展，數字化的控制技術逐漸應用在燈光舞臺上，圖14是早期的可控硅電子調光器，后來采用三極管線性調壓，目前大部分采用高效三極管PMW調壓。圖15是第一個使用DMX512傳輸協議的控制臺，它可以同時控制自動燈光設備和調光器。圖案盤、色片、調焦和光斑切光片等大大增強了舞臺燈功能，都是機械和電子一體化的控制裝置，含有機構、電機和電子電路。調光臺一般采用單片機控制，很多采用嵌入式單片機，高端電腦燈控制臺多采用功能更加強大的PC級主板，比如intel i5系列。

4.3計算機和網絡控制

計算機產業正在以驚人的速度發展，使用以太網和TCP/IP作調光控制意味著擁有大量現成的低價且眾多的網絡產品和軟件資源，例如，交換機、電纜、光纖和無線連接產品以及遠程控制和監測技術。傳統燈具使用DMX512協議來控制，主要規格是每路傳輸512個通道，速度是250 kb/s。DMX512在燈光行業內一直表現優良，但是隨著現在燈具的通道數量越來越多，已經超出了預期。為了克服DMX512的局限性，Artistic Licence公司提出了基于以太網技術的Art-Net控制協議。這使得單根網線上可以傳輸多個DMX數據鏈。Art-Net與傳統的DMX512相比較，能獲得最直接的利益是傳輸帶寬、傳輸距離、可靠性和雙向通信等功能的實現。這意味著在一個網絡里可同時連接的設備更多，且連接的距離更長，網絡傳輸控制協議使調光控制質量和可靠性更高，雙向通訊使設備的遠程監測和控制更有效，因而構筑大規?？煽康恼{光網絡成本更低。這是以現代計算機網絡技術為支持的必然結果。

5舞臺燈發展趨勢

隨著材料、控制和智能化等現代科技發展，舞臺燈光技術也不斷進步，采用更加節能的光源，燈具小型化、舞臺效果多功能化、控制智能化和網絡化。

雖然LED舞臺燈的照明效率和壽命得到很大提高，但是不斷探索新的光源是舞臺燈光源今后最重要的研發方向，2009年美國夏洛特將量子點的涂料涂在藍光LED上，制成了世界第一個實驗室的、能發射出全光譜的量子點LED燈泡——QLED燈，效率可達90%，QLED光源具有很大的發展潛力。

舞臺燈小型化是發展方向，如今舞臺燈具由于功能多，大都體積大且較笨重，但是隨著集成電路技術的發展，舞臺燈具的各種部件也將向小型化發展，最終也將會出現輕便小巧的便攜式舞臺燈具。

舞臺效果需求也促使舞臺燈具向多功能化發展。集合多種功能于一體的燈具是一個發展方向，在一些小型應用場所可以方便使用。為了能夠自動視覺追蹤，可以利用如今的圖像處理技術，通過高頻采集圖像數據并對圖片進行比較，從而實現對舞臺上角色的追光。虛擬現實（VR）技術也能方便消費者通過網絡虛擬舞臺燈具的效果而實現對舞臺燈具效果的體驗，從而便于客戶選取燈具。

舞臺燈具趨向于智能化和網絡化，可通過移動終端如手機、平板電腦來進行檢測和控制。燈光師只要通過移動終端控制相關燈具，并查看燈具發出的效果是否達到預期而進行相應調節而無需親手操作。通過互聯網監控，可以實現多臺舞臺燈的監測管理，達到統一、實時、有效控制。技術人員可以通過云技術及時采集燈具的大量運行參數分析，便于對燈具狀態跟蹤、維護和設計。

6結論

至今，舞臺燈具已有5個多世紀的歷史。舞臺燈光技術的發展始終是為了滿足人們更高的物質文化需求。近代的科技進步，使舞臺燈光技術飛速發展；20世紀以來，新材料不斷出現，人類照明方式在這100多年中發生了重要的變革。照明光源從第一代白熾燈和鹵鎢燈、第二代熒光燈、第三代氣體放電燈，發展到第四代半導體LED光源，照明效率提高了100倍，光源的變革和機電控制技術進步，也產生了品種繁多的各類舞臺燈具，極大地豐富了舞臺燈具琳瑯滿目的圖案、光線、動感功能。這些使舞臺燈具的體積、壽命和質量有了極大提升，價格下降，性價比大大提高，高性能舞臺燈具得以不斷普及?？萍及l展永無止境，隨著新一代更高光效、節能、高顯色性光源的出現以及新的控制技術的發展，舞臺燈光也必然會不斷迎來新的技術革命。