LED照明灯具在电视演播室应用研究（上）

王京池

（中央电视台 技术制作中心，北京 100859）

引言

近几年，LED照明技术得到了飞速发展，在城市景观照明等多个领域得到广泛应用，LED染色灯、LED筒子灯等效果照明灯具在电视综艺节目和广场演出中使用也很普遍。虽然由于光源光效、显色性等原因，用于人物照明的LED灯具目前尚处于起步阶段，但整体来说，LED光效不断提高，显色指数也能达到85以上，LED照明灯具已经具备用于电视照明的基本条件。

2009年12月，中央电视台立项，聘请了国内的15位专家学者，在北京星光影视设备科技股份有限公司的大力协助下，开展“LED照明灯具在电视演播室应用研究”工作。

2010年6月24日，中央电视台组织专家组对“LED照明灯具在电视演播室应用研究”项目进行了验收评审。专家组听取了课题组的汇报并实地考察了有关实验设施，审查了相关的文件，经充分讨论，一致认为：

（1）该项目对LED照明灯具在电视演播室应用中所涉及的主要问题进行了研究、测试和评估。研究表明，电视演播室采用LED照明灯具，节能效果明显；显色性能满足电视色彩还原的需要，调光时色温和显色性基本保持不变，适合用于电视演播室照明；LED光辐射不会对人皮肤产生危害。该项目取得了很有价值的研究成果。

（2）该项目采用实验性研究、调查性研究和理论分析研究相结合的形式，通过LED光源灯具与传统卤钨灯具比较的方法，按照预定技术方案对LED照明灯具应用中可能遇到的问题得出了重要的研究结论。研究方法合理、科学。

（3）该项目得出的结论能够反映当前国内LED灯具在电视演播室应用的实际情况，为LED灯具在电视领域的应用和推广提供了重要的依据。

（4）该项目验收材料齐全，达到了项目的预期目标。

为了让大家共享研究成果，特根据研究的主要内容和总体研究报告改编成本文。

1 研究的目的和意义

影视舞台照明（包括剧场、电视演播室、电影摄影棚、礼堂及其他文艺演出场所）耗电量很大，如90 min的舞台演出耗电量为2 250度，相当于一栋5层办公楼一天的耗电总量，其中75%为照明耗电。全国共有4 000多家电视台，平均每个电视台有10个以上的演播室，演播室因灯光照明产生的耗电量（包括灯具耗电和空调耗电）占70%～80%；全国共有舞台、剧场、礼堂及其他文艺活动演出场所上万家，照明耗电十分巨大。可见，影视舞台照明的节电具有非常重要的意义。

过去影视舞台灯具所使用的光源主要为卤钨灯以及气体放电灯（低气压放电灯－荧光灯和高强度气体放电灯－金卤灯、氙灯）等。这些光源虽然在发光性能上能满足影视照明的需要，但存在诸如光效低、寿命短、耗电量大、工作不稳定等问题，由热光源灯具产生的红外辐射会造成环境温度过高，不得不用强力空调来降温。因此，需要寻找新型光源来代替上述光源。

半导体灯具属于固态照明，采用LED（发光二极管）作为新的照明光源，它具备诸多传统照明光源不具备的优点。LED最大的优点具有节能环保、寿命长、光效高、光色纯正、响应速度快、耐震动等特点，而这些正是大部分传统光源灯具的缺点。以之逐步取代部分传统光源，是发展的必然趋势。在世界范围内，LED照明技术已经被广泛认为是21世纪最具发展潜力和发展前景的一种高效照明节能产品，被称为“半导体绿色照明”。

LED灯具应用于演播室照明正处于起步阶段，作为新一代光源，用于演播室照明灯具，其显色性、色温特性、是否对主持人有伤害、是否满足拍摄优质图像的要求等问题，在国内外也没有相关的实验数据和结论可参考，需要在推广应用上做全面深入的研究探讨，以保证LED灯具在演播室能够安全有效地运行。

为向中央电视台新址演播室全面推广应用LED照明灯具提供科学的依据，引导我国LED影视照明灯具的发展，中央电视台开展了专项研究。项目对LED光源用于影视照明作了开创性研究，填补了国内外在该领域的空白，对推动我国LED电视照明灯具的发展，推动LED灯具的普及和应用，具有十分重要的现实意义。

2 研究内容与形式

研究对象是LED普通照明灯具，是指由白光LED作为光源，在电视节目制作过程中用于人物或景物照明的灯具，主要包括LED聚光灯、LED柔光灯，不包含用于效果照明的各种LED效果灯具，如各种LED染色灯、LED Par灯、LED电脑灯等。

根据当时大家普遍关注的问题，课题组确定的具体研究内容为：

（1）LED灯具的显色性和电视图像色彩还原。

（2）灯具的色温特性和使用中的稳定性、一致性。

（3）灯具的热效应对光输出质量的影响。

（4）灯具光辐射对人体皮肤的影响。

（5）灯具对演播室的电磁干扰。

（6）灯具频闪对电视图像的影响。

（7）聚光灯具光学系统的设计（消色差）。

（8）灯具光源的更换及维护维修。

（9）灯具的应用对传统演播室的影响问题。

另外，为了能向用户提供更多的产品信息，课题组建议在完成这些问题的同时，尽可能地搜集更多的资料信息。对LED照明灯具产品的生产现状和应用情况进行调研，对LED照明灯具应用前景进行分析展望，对几款LED灯具进行常规参数的测量与分析，对灯具的使用性能进行测评，以达到为企业提供产品生产建议，为用户产品选型提供科学依据的目的。

3 研究实验条件

3.1 实验灯具品种数量

研究过程中，实验用灯具品种、数量见表1。

3.2 实验设备

实验所需要的测试设备名称、数量见表2。

3.3 实验场地

本次实验在多个场地同时展开，具体场地见表3。

表1 实验选用的灯具品种数量

表2 测试设备一览表

表3 实验场地一览表

3.4 参加实验人员

课题组全体人员15人，主观测评专家10人，项目评审专家28人次，实验人员、测试志愿人员和辅助人员若干。

4 实验过程

4.1 实验室实验

4.1.1 灯具光电参数测试

灯具光参数包括光度参数和色度参数。测试是在四周墙壁、屋顶、地面及测试设备均为无光泽黑色的环境中进行。测试设备是杭州远方光电信息有限公司生产的GO1900分布光度计和PMS-50（增强型）紫外－可见光－近红外光谱分析系统，见图1。

表4 实验设备明细表

测试内容：

电气参数：输入电压、电流、功率、功率因数；

光度参数：峰值光强、有效效率、有效光通、灯具效率、总光通量、10%光斑角；

色度参数：色品坐标、相关色温、显色指数等。

4.1.2 灯具常规参数测试

4.1.2.1 实验设备

实验设备均经过计量校准，符合实验的要求，使用设备型号见表4。

4.1.2.2 实验方法步骤

（1）首先将编号为1、2、3、4、5、6的实验灯具进行100 h老化实验，环境温度控制在21℃～25℃之间，使之达到热平衡。

（2）选择编号为0、1、2、3、4、5、6的灯具各2只，作为实验样品。

（3）将2只相同型号（如1号灯的1-1、1-2）的灯具置于实验平台，光斑投射到距离6.6 m的白墙上，见图2左，利用调光台0～100%调光，测量灯具光输出各照度状态下的色温、色坐标、照度、功率，测试点分别为10%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。

（4）检查聚光灯的遮扉能否有效控制光斑投射范围，见图2右。

表5 实验设备明细表

（5）目测检查被测灯具在各状态下，同一型号灯具上述参数的一致性，通过投影检查光影是否有重影现象。

（6）将不同品牌的同类灯具放置在同一实验平台上，通过目测的方式，进行一致性对比实验，见图3。

4.1.3 高温实验

4.1.3.1 实验设备

实验设备均经过计量校准，符合实验的要求，使用设备型号见表5。

4.1.3.2 实验方法步骤

（1）编号为1、2、3、4、5、6、7的灯具，作为实验灯具。

（2）分别将上述灯具1只（例如1-1）置于恒温恒湿箱内，点亮灯具通过高温箱的玻璃窗口投射光斑到测试距离5.9 m的白墙面上，测试初始状态下光斑的色温、色坐标、照度值，记录灯具功率数值。

（3）按照5℃或10℃的温度升幅逐渐升高箱体的温度，分别在25℃、35℃、45℃使箱体达到热平衡后，测量各温度状态下实验样品的色温、色坐标、照度、功率，通过温度巡检仪测高温箱内各温度点的变化值。

（4）选择7号灯具置于高温箱内进行热效应破坏实验，按照5℃的步幅逐渐升高箱体的温度，在每一温度下，使其达到平衡。利用温度巡检仪的热藕丝探头分别连接到灯具外壳、模组基板及箱内左右2个实际温度测试点，监测LED灯具各点温度的实际变化，通过高温箱加温直至灯具光效急剧下降，甚至烧坏为止。最终灯具外壳温度升高到120.1℃、基板部位153.3℃，箱内环境温度最高点115.2℃，由于实验温度已经超过高温箱规定的额定最高温度， 此时，聚光灯仍在正常点燃，因此，此项实验最终未出现灯具烧毁现象。

4.1.4 长期稳定性实验

长期稳定性实验测试有两种：

常温下长期不间断点燃灯具197天（4 728 h），每隔一周测试一组数据，记录照度、色温、色坐标的变化数值。

在高温老化室（温度45℃～50℃）长期不间断点燃灯具点亮74天（1 776 h），每隔半个月测试一组数据，记录照度、色温的变化数值。

4.1.5 光辐射对人体皮肤的影响实验

模拟主持人在实际工作中接受的照射剂量——照度2 800 lx，照射时间15 min，每天照射一次，连续照射30天。

选用受试者30名，均为女性，年龄25～48岁，平均年龄36.67岁，皮肤类型II-IV。选用上臂屈侧作为照射部位，见图4。对LED光源照射前后人体皮肤的L*a*b*值、M值和E值、角质层含水量、TEWL含水量采用配对t检验进行处理。

4.1.6 电磁干扰实验

实验方法步骤按照下述两个标准执行。

按国家标准GB 17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》测试灯具各高次谐波分量，找出调光过程中产生的最大骚扰点，测量该点的无线电骚扰值，见图5。

按国家标准GB17625.1-2003《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》的要求，将灯具在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，测试各级段的谐波分量。

4.2 演播室测评

4.2.1 电视图像采录与图像评价

4.2.1.1 测试灯具

测试需要的灯具类型、数量和场景编号见表6。

表6 场景编号和灯具一览表

表7 摄录设备一览表

4.2.1.2 视频测试设备

演播室测评需要的主要摄录设备见表7。

4.2.1.3 灯位布置

请专业灯光师进行现场布光，不同品牌不同类型的灯具尽量按相同灯位图布置录制现场，见图6。

4.2.1.4 摄录及图像评价内容

场景布光完成后，测量用电量，记录灯位参数，测量人物面光、逆光、侧光、背景光的照度、色温参数。摄像机在同个场景中分别拍摄人物、水果、花篮、色卡记录图像，现场专家对采录图像作主观评价，见图7。

4.2.2 灯具使用性能评价

在演播室现场布光（吊挂灯具、控制灯具光束效果）的同时，请现场的灯光专家就灯具的使用性能现场评价打分，见图8。

数据整理出来后，课题组要与相应的生产企业沟通，以便改进灯具技术和提高质量水平，为用户提供更好用的产品。

4.2.3 灯具频闪实验

使用表1中编号为10的特制灯具1台，灯具PWM（脉宽调制）调光的脉冲频率可调。使用表7中所列摄录设备组成的视频系统。

不使用摄像机电子快门，灯具PWM频率从2 kHz向下调节，直到摄像机图像出现闪烁时，得出临界频率值。记录图像及数据。

使用电子快门时，选择6档电子快门（60 Hz、75 Hz、84.98 Hz、100.1 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz），测试出电子快门速度与脉冲频率的配合关系，灯具PWM频率从245 Hz依次向上调节，记录各测试点摄像机图像状况和实际效果。

4.3 主观评价室评价

将演播室拍摄的内容，按人物1、水果、花篮、色卡、人物2分类，编制不同场景下的画面，打乱顺序，请主观评价专家对比传统灯具录制图像，在主观评价室对LED光源照明下拍摄的图像色彩还原情况评价打分（见图9）。主观评价人员由中央电视台的各专业专家组成，包括美术师2人、灯光师2人、视频工程师2人、灯光工程师1人、导演1人、编辑1人、化妆师1人。

采用5分制标准来衡量图像色彩还原性能，具体分值标准见表8。

表8 图像色彩还原主观评分标准