激光照明技術在影視拍攝領域的應用前景分析

羅瑞珍 孫 略

(北京電影學院影視技術系,北京 100088)

目前影視照明行業最常用的三種光源分別是鹵鎢燈、金屬鹵化燈和LED。LED作為最近幾年興盛起來的光源類型,具有節能、高效、便捷和控制方便等諸多優點,因此一經問世便好評如潮,得到廣大從業人員的認可。但LED受限于其發光原理,屬于柔光光源,一般適合用來鋪設大面積的底子光。另外LED芯片效率驟降問題的研究目前處于瓶頸期,短時間內無法獲得解決,因此大功率LED暫時無法商業化生產,導致其使用上還是有一定的局限性。傳統的鹵鎢燈和金屬鹵化燈,同樣受限于自身的發光原理,普遍具有發光效率低、能耗高、體積笨重、不方便控制等問題。雖然從業人員已經習慣了傳統燈具的各種問題,但是如果能有一種節能高效、便于控制且光質不輸于傳統影視照明燈具的新型光源出現,想必是大家喜聞樂見的。

激光 (LASER),即受激輻射光擴大 (Light Amplification by Sti mulated Emission of Radiation),最早由愛因斯坦提出。1960年美國科學家Theodore Mai man發明了世界上第一臺紅寶石激光器,從此之后激光科學和技術不斷發展進步。近些年來隨著科技的進步,激光技術逐漸走進大眾視野,激光照明技術也被 “藍光LED之父”、諾貝爾物理學獎得主中村修二認可為可以替代LED光源的新一代優質照明光源。作為20世紀最偉大的發明之一,激光技術目前已經廣泛應用到軍事、醫療、科研、工業加工、照明等各個領域。

1 激光的物理特性

自然界中光子和原子的相互作用,有三種不同的過程,分別是受激吸收 (Sti mulated Absor ption)、自發輻射 (Spontaneous Emission)和受激輻射(Sti mulated Emission)。三種過程均伴隨著相應的能量變化,其結果之一就是發光現象。激光的工作原理是基于受激輻射,因此激光也是一種光,具有普通光源所具有的折射、反射等特性。激光的產生需要借助激光器,激光器主要由工作物質、泵浦源和諧振腔等三部分組成,其中諧振腔的結構和受激發射的過程共同決定了激光有別于其他光源的獨特的物理特性,即高方向性、高單色性、高相干性。

所謂高方向性,是指激光的發散角度小、方向性強、傳播距離遠、能量損失小；高單色性是指激光的譜線窄、單色性強、便于控制；高相干性是指激光的相位差相對固定,相干性好。

2 激光照明的優勢及研發現狀

2.1 優勢分析

2.1.1 節能高效

通常我們以光束發散角的大小來評定光束方向性的好與壞。日常生活中常見的火光、燈泡和日光的光線是發散的,因此這些光源的方向性都較差。相比之下,激光的發散角度極小,近似平行光,是高方向性光束。方向性高意味著激光在傳播較遠的距離后依然能保持很高的亮度,因此光的衰減問題在實際使用中將會得到極大的改善。所謂光的衰減,是指光線隨著傳播距離的增大而逐漸減弱,但其所能照亮的面積與照明距離的平方成正比。正是因為這一現象,導致在實際拍攝工作中,當照明燈具遠距離照射拍攝對象時,在保證照明亮度的前提下,只能增加照明燈具的數量,或者使用更大功率的燈具,隨之而來的便是工作量的增大和拍攝成本的提高。激光光源的高方向性和高強度,可以有效解決上述光線衰減帶來的問題,提高工作效率。

電費支出是攝制組拍攝需要考慮到的成本之一,尤其是當對照明燈具的使用數量要求較多時,此項開銷的數目將不容小覷。從各商家給出的相關技術指標來看,目前影視照明行業常用的鹵鎢燈最高發光率可達28l m/W,金屬鹵化燈最高可達96l m/W,LED最高可達80l m/W。激光燈的發光效率根據不同的光轉換材料會有所不同,有些材料的理論效率可達498l m/W。雖然目前實際可獲得的轉換效率還遠達不到理論數值,但是在實驗環境下得到200 l m/W以上的轉換效率已經不是太難的事情了。從國內外各科研機構和高校披露的各項試驗數據來看,即使在目前技術尚不成熟的情況下,激光燈優于其他照明燈具的光轉換效率已顯露無疑。更高的光轉換效率意味著更低的能耗,也就意味著更低的使用成本,這對攝制組來說無疑是利好的事情。

除了電費以外,拍攝過程中還有另外兩項重要的消耗品:燈泡和色紙。

燈泡是傳統照明燈具必不可少的消耗品。通常功率較大的燈泡售價都比較貴,一只18k W的H MI單端燈泡單價高達1.7～1.8萬元,器材租賃公司通常按照1∶1.5～1∶2的比例來為燈具配備燈泡。常用的H MI燈泡官方標稱的使用壽命大多在400～500h(主要指功率在2 K以上的燈泡),鹵鎢燈燈泡的官方標稱使用壽命大多在300～400h(主要指功率在1 K以上的燈泡),但是在實際使用中,燈泡的使用壽命遠遠低于上述標稱時間。再加上燈泡屬于高度易受損的物品,在長途運輸和更換燈泡的時候,都需要格外小心謹慎。因此,當拍攝使用的照明燈具數量較多時,因燈泡損耗產生的成本費用不論對攝制組還是器材租賃公司來講都是不能忽視的。目前激光二極管的使用壽命都在上萬小時以上,當然最終激光光源的使用壽命取決于整個系統的綜合情況,但是相比于現在常用的各類光源,其長使用壽命已經無可厚非。

AFK：是英文Away From Keyboard的縮寫，分別由英語“Away”、“From”、“Keyboard”的首字母組成，表示“不在電腦前”。

色紙是拍攝過程中又一項消耗支出。根據劇組拍攝需求的不同,色紙的需求量各不相同。通常在較大型的拍攝項目中,色紙的消耗成本有時可高達數十萬元。LED照明光源的普及在一定程度上減少了劇組對色紙的需求量,隨著激光多基色混色技術的發展,劇組對色紙的需求將會進一步降低。

2.1.2 激光照明對比LED的優勢

LED的效率驟降問題早已不是一個新的議題,但是相關的研究目前都進入了瓶頸期。效率驟降是指隨著工作電流的增大,LED的光電轉換效率在達到一定程度后出現急劇下降的現象。例如,一只由2個面積均為1 mm的LED芯片組成的2 W的LED燈泡,各通350 mA的電流實現共計700 mA電流的發光效率。當去掉1個芯片,僅用1個芯片工作,且預期希望得到與之前相同的700 mA電流的發光效率時,實驗結果卻發現實際發光效率大大降低。因此,為了保證光源的發光穩定性,在增大電流的方法不可行的情況下,只能通過增加LED照明器件的數量來提高照明亮度,而這無疑會增加更多的生產成本和加工難度。與LED相比,激光照明技術不存在效率驟降現象。激光二極管 (LD)在電流超過閾值后,仍有較高的轉換效率,保證了光源的高效性和顯色穩定性。

圖1 LED和LD轉換效率對比[4]

另外從尺寸上來看,LD器件遠小于LED。LD的器件尺寸約10μm,是1 mm的LED器件尺寸的1/100,更加便于LD器件的集成和加工。眾所周知,影視拍攝中所用照明器材及其附件數量繁多、體積龐大,燈光部門是攝制組拍攝過程中工作最繁重、辛苦的部門之一。因此如果能減小照明器材的體積或重量,無疑將會節省布光時間、提高工作效率。

2.1.3 方便可控和高效性

譜線寬度 (簡稱線寬)是衡量一束光線單色性好壞的指標。線寬也可以簡單理解為激光的純度,線寬越窄,即激光的純度越高,單色性越好,光線質量越佳,也更便于控制。激光是目前已知的線寬最窄的光源,可以近似認為是單一頻率的光。與LED光源的工作原理相同,激光光源利用混色原理,同樣可以得到白光和其他任意顏色的光。再結合照明數字控制技術,即可實現復雜多變的控光效果。照明數字控制,是對一組或多組照明燈具進行遠距離數字管理和自動控制的技術,目前已成為很多好萊塢電影制作的標準配置。近年來,隨著國內電影工業的發展和進步,電影照明控制技術越來越受到國內從業人員的認可和接受。高效集中的控制方式,為攝影師掌控復雜布光提供了便利的工具,相信在未來的照明控制工作流程中,我們將會看到激光照明系統很好地融入其中。

金屬鹵化燈、鹵鎢燈等常用照明燈具啟動工作時通常需要一定的響應時間,才能達到正常工作狀態,因此對于面臨頻繁變換光線的拍攝場景,需要花費一定的時間等待燈具啟動工作,工作效率受到一定影響。從目前的樣品激光燈和激光汽車大燈的響應時間 (汽車激光大燈的響應時間可達ns級別)來看,相信未來的激光照明系統的啟動時效將不會令人失望。

綜合上述各項分析,我們不難看出激光照明技術有別于其他照明燈具的高效性、低能耗、小體積、壽命長、易控制等優勢,這也是激光照明光源前景為大家普遍看好的重要原因。

2.2 研發現狀

溫度猝滅現象是指激光在光轉換過程中,因短時間內產生大量廢熱,導致溫度急速升高,光轉換效率急速下降,從而又導致更多熱量集聚,引起激光器件的急速升溫、碳化,帶來毀滅性的破壞。因此想要獲得高流明光源,就需要解決發光材料的溫度猝滅問題。這也是目前各高校和科研機構重點研究的方向。

激光白光光源的合成方式分為兩種:一是激光激發發光材料產生的光線與原激光光線混合產生白光；二是多基色激光混色生成白光。第一種方式相對技術比較成熟,是目前商業上普遍使用的方法。但是受限于發光材料的研發現狀及其與激發激光匹配度問題,此種方式產生的白光光源顯色指數相對較差,且存在較為嚴重的偏色現象,而且轉換效率較低。目前實驗可得的最高顯色指數是95,色溫4000 K。但當色溫升高到5200K時,顯色指數僅有70。多基色激光合成方式產生的白光光源顯色指數相對較高,色域廣、亮度高,因此是較為理想的獲得白光光源的方式。但是多基色混色產生的激光因能量疊加的效果對人體具有較高的傷害性,因此需要非常精準的封裝技術以確保激光不會泄露。另外此種方式的電路結構設計復雜,生產控制要求較高,因此目前的研發暫時處于停滯狀態。

在激光照明系統的研發過程中,即使未來溫度猝滅現象得以解決,在設計大功率照明燈具時,散熱依然是一個需要重點關注的問題。

最后還有一個需要關注的問題是激光對人體的危害。當視網膜上的能量密度達到15 mJ/c m,即可對人眼產生損害,損害程度從發紅、短時間失明到永久失明,甚至燒壞視網膜,造成眼底大面積出血。激光對人眼的傷害取決于波長、輸出功率、脈沖寬度和光斑直徑等。目前國際、國內都有相關組織和機構就激光應用的相關安全問題制定相對應的規范和標準。

3 激光照明系統的應用分析和預測

3.1 激光照明技術的應用現狀

圖2 汽車激光大燈圖片

激光照明技術目前應用較多的是汽車大燈,走在前沿的是寶馬和奧迪兩家公司。早在2011年,寶馬公司就推出了配備激光大燈的i8概念車。從目前兩家公司披露的數據來看,表現更優的是寶馬公司。寶馬激光車燈的照射范圍是600 m,亮度是LED的5倍,奧迪激光車燈照射范圍為500 m,亮度是LED的3倍。寶馬激光大燈的LD模組,由3個4 W半導體激光器組成,光通量3200l m(12 W),光電轉換效率約為30%,系統整體效率達80l m/W。

除了汽車激光大燈外,目前北京市已有部分街道的照明路燈替換為激光燈,相信在不久的將來,激光照明燈具將會成為人們日常生活中隨處可見的事物。

圖3 汽車激光大燈照射范圍示意圖

3.2 未來激光照明技術的應用預測

光纖傳輸與激光照明相結合是激光照明系統研發的一大亮點。激光沿光纖傳輸的能量損耗幾乎為零,也就意味著激光照明燈具將擺脫普通照明燈具燈頭和鎮流器無法長距離分開工作的現狀,實現更為靈活、便捷的操作方式,從而改變現有的工作流程和思路。

圖4 光纖結構照明系統簡單示意圖

在狹小的拍攝空間范圍內,如果想實現層次豐富的布光效果,則要在一定程度上限制演員的走位和攝影機的移動范圍,以避免燈具的穿幫。而光纖結構連接的激光照明燈具可將電學器件部分移出拍攝空間,僅留下光學器件部分,加之激光在遠距離傳播的情況下依然可以保持很高的亮度,因此隱藏留下的光學器件避免穿幫較易實現,同時還可以最大限度地保障演員和攝影機的活動范圍。

另外一個可以更好地發揮光纖結構激光照明系統的應用場景是水下拍攝。現代水下拍攝照明系統雖然已經相對成熟,但是仍然有一個不可忽視的問題—— “水中的電”。裸露在水中的電纜在形成一個閉合電路時會在其周圍形成一個電場,該電場在電纜不慎斷裂的情況下會變得非常強大,并向四周散播。水中人員如果不慎接近了該電場,輕則會感受到電擊的刺痛感,重則會出現呼吸困難、肌肉僵硬、心臟震顫以及心跳停止。而如果使用光纖連接的激光照明燈具,則完全可以將電學部分留在水面上,從而規避 “水中的電”帶來的風險。對光學部分的防水處理相比電學部分要簡單很多,從成本控制的角度來講也是十分利好的。除此之外,現代水下照明系統是利用水冷的方式散熱,因此無法離開水面使用或者只能短暫的使用,影響利用率。相對來講,控制激光照明燈具的光學部分的散熱則較為簡單,可實現水上水下同時使用。

4 結語

目前的激光照明技術還不夠成熟,存在著很多需要攻克的難題,但是已經顯示出的優勢為將來的應用前景奠定了良好的基礎,眾多行業一線工作人員也普遍看好這一技術。國內外多家影視照明燈具制造廠商也都在加緊投入研發,以期盡快將產品投放市場。相信隨著激光技術的關注度和研發投入的持續增加,在不久的將來,激光照明系統將會成為影視拍攝現場重要的組成部分。