浅谈演播室LED灯光系统的设计

王京池

（中央电视台 技术制作中心制作部，北京 100859）

LED照明灯具在其他领域的应用已经有多年的历史，但在电视演播室中使用则处于刚刚起步的阶段。目前灯具功率还不能做得很大，还只能应用于中小型演播室（400 m2以下），然而，如何针对LED灯具与传统灯具的区别，如何面对LED灯具与其他灯具在电视演播室使用上的巨大差异，设计出可以全部采用LED灯具照明的绿色节能演播室，是所有电视灯光工作者共同关心的问题。为了叙述方便，本文暂将“全部采用LED灯具照明的电视演播室”称为“全LED灯具演播室”。

1 LED电视灯具的发展与照明灯具的形成

2004年， LED筒子灯（PAR灯，见图1）开始在国内专业展会上出现， LED开启了电视灯光的新领域。虽然，这只是LED作为电视灯具的开始，但已经彰显出LED将从单纯的显示设备向舞美装饰装潢、舞台效果灯，以及各类照明设备的方向发展的迹象。

随着LED筒子灯在电视演播室作为效果灯使用，各种各样的用于电视节目制作的LED效果灯如雨后春笋般发展起来。从2008北京奥运会开闭幕式，到国庆60周年庆典晚会，再到第十一届全运会开闭幕式，以及这两年的中央电视台春节晚会，LED效果灯的应用达到了一个高峰。随着LED技术的进一步成熟，LED电视灯具在设计开发应用中也取得了很大的进展， 2009年，在专业展会中出现了1 000 W的LED图案电脑灯。

随着LED光源发光效率的大幅提升，以及灯具制作工艺水平的提高，在北京奥运会的国外电视转播中和国内的一些专业展会上，出现了专门用于电视照明的灯具。这种灯具已经可以替代传统的专门用于新闻类节目照明的三基色冷光灯。可以说，LED电视照明灯具已经从单纯的效果照明，进入到人物照明领域。

2009年5月，在“第18届中国国际专业音响·灯光·乐器及技术展览会”上，一款真正意义上的LED聚光灯出现，吸引了广大专业人士的眼球。这种灯具具有10°～60°的光束角变化，聚光效果良好，其功能完全能够替代传统的影视聚光灯，只是功率稍低，一些功能需要完善，如遮扉、杆控功能等。这款灯具的出现使电视演播室照明全部采用LED灯具的设想成为可能。很快，形式多样的LED灯具纷纷涌入市场。

2 LED电视照明灯具的特点

2.1 LED的优势

（1）绿色节能

由于LED是冷光源，半导体材料对环境没有任何污染，在同样亮度下，理论上LED耗电量仅为普通白炽灯的1/10、荧光灯管的1/2。如果用LED取代我国目前传统民用照明的50%，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观。这也符合“节能减排”实现“低碳经济”的要求。

表1 不同光源的照明灯具的参数比较

（2）灯具发光效能高

LED的光效能够达到每瓦数百流明，比传统光源高出很多，由LED做光源制成的LED灯具的光效自然也会很高。由于LED 光源的半空间发光的特点，使得LED 灯具的光通量输出可以做到很高。又由于LED的冷光特性，使得灯体、灯具的光学系统，可使用非玻璃制品，做成特殊形状，以利于光线的充分利用。表1列出了电视照明常用的三种不同光源照明灯具的参数比较。

（3）辐射热量少

LED光源发出的光线是单一的颜色，几乎不含有红外热辐射，白光LED的光谱成分中几乎不存在红外线（见图2）。与传统的卤钨灯相比，LED属于冷光源。LED在小电流下，温升不明显。但是，若环境温度较高，LED的主波长就会发生小的偏移，亮度会下降，发光均匀性、一致性会变差。尤其是点阵的大功率模块温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以，LED的散热设计也很关键。

虽说发光效率越来越高，但目前LED 芯片还不可能将电能全部转换为光能，有很大一部分还是以热能的形式释放出来，因此，它的发热量还很大，在做成大功率灯具时遇到了困难。现阶段正在努力解决的课题之一就是“散热”。如果不采取恰当的散热措施，LED 芯片的温度就会过高，导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。LED 最具优势的性能就是“长寿命”，为了不影响这一指标，就需要设法将芯片上产生的热量散出去。改善LED 的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。

（4）体积小

由于LED的发光效率高和光线的可控性能好，灯具效率可以做到很高，在达到同样的照度要求下，其灯具相对于传统的电视灯具可以做得很小。另外，由于目前单个发光体的功率不能做大，可以根据不同的要求，将LED组合成不同的发光模块，以提升灯具整体的发光效能。灯具设计师可根据照明对象和光通量的需求，决定灯具光学系统的形状、LED的数目和功率的大小；也可以将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”，根据组合成的“二次光源”来设计灯具。

（5）色温可调

LED照明灯具不仅能取代白光照明，而且还能实现调节色温的功能。色温数值范围即能做到在2 900 K～6 000 K之间可调，也可以根据需要制成固定色温（如3 200 K或5 600 K）的灯具。传统灯具只能进行调光功能，LED照明灯具可调节白光色温，为电视灯光艺术效果的创作提供了一种新的手段。

（6）不需要传统的调光器

LED的亮度调光是通过改变LED的导通时间来改变亮度的，单位时间内LED的导通时间越长，亮度越高。实际应用中是通过改变占空比来控制的。LED灯具都采用数字信号DMX512协议控制亮度调光，不需要传统的可控硅调光器，并且它的调光性能好，调光变化时光源的色温基本保持不变，这一点比传统灯具有很大优势。灯具的控制也和控制电脑效果灯一样方便，大大简化了灯光控制系统。

2.2 有待改善之处

（1）显色指数需要提高

近几年，LED白光的显色指数已经有了很大的提高，目前已经达到90以上，已经接近卤钨灯的指数，但还需要进一步提高，以使电视节目制作要求的肤色还原效果更为理想。显色指数与光谱成分有关，越接近自然光谱（或者说是标准光谱），显色指数越高。要改善，那就要添加原来缺少的光谱成分。现在的LED多采用芯片发蓝光加发黄光的荧光粉获得白光，其光谱与自然光谱（或者说是标准光谱）差异较大，所以，显色性稍差。但是，随着电视照明灯具的大量使用，高显色指数LED光源的研发已经得到广泛关注，相信高显色性的LED照明灯具就在眼前。

（2）价格较高

目前LED的价格仍然很高，这是其进入电视照明的障碍之一，但成本近几年下降得非常快。以1 W LED光源为例，2008年春的价格是2006年春的价格三分之一，2009年春已降至2006年的四分之一。最近一年下降的幅度也很大。用LED替换白炽灯泡的价位渐渐被消费者接受。过去LED价格昂贵的主要原因是其制造专利大都控制在日本厂商手里，而且，他们不愿意对外授权这些制造专利，从而导致LED的供应商至今只有屈指可数的几家。不过，这些专利的失效期已到，相信中国大陆和台湾地区将会很快出现大量LED制造商，并进一步快速拉低LED的售价。

（3）单灯功率较小

由于大功率散热问题难以解决，目前LED白光照明的单灯功率相对较低，因此，只适合在中小演播室使用，要真正用于大型综艺类节目的远距离基础照明，还有待于制作工艺水平和LED发光效率的进一步提高。

3 用于演播室的LED灯具基本形式

根据传统电视灯具的具体使用情况，在中小型演播室（特别是400 m2以下的演播室）一般采用1 000 W/2 000 W影视聚光灯和4×55 W/6×55 W三基色柔光灯。因此，在建立全LED灯具电视演播室时，我们首要考虑的是能够替代上述两种灯具的LED灯，即LED聚光灯和LED柔光灯。

3.1 LED聚光灯

LED聚光灯具是随着LED光源发光效率和工艺水平的提高，最新开发出来的，真正意义上的影视聚光灯，出现在2009年5月。后来许多厂家积极开发LED聚光灯，出现了许多品种。

LED聚光灯和传统聚光灯一样，具有10°～60°的光束角变化，聚光效果良好。其功能完全能够替代传统的影视聚光灯，只是功率比较低，目前只有100 W和200 W两种规格。但随着技术水平的不断提高，更大功率的灯具一定会相继出现。

与传统聚光灯相比，LED聚光灯不需要可控硅调光系统，色温还能够根据需要调整。100 W的光效与传统卤钨灯1 000 W的基本相当。一些灯具沿袭了传统的专业卤钨菲涅耳透镜聚光灯的设计理念和使用方法（见图3），配合高功率密度的LED模组和高效的非球面聚光系统，具备聚光灯的调焦系统、遮扉等功能。

LED聚光灯与卤钨聚光灯相比较，具有以下显著的特点：

（1）采用高显色指数LED作为发光元件；

（2）固体发光器件，寿命长达50 000 h，是新一代绿色环保光源；

（3）高功率密度的LED模组和高效的非球面聚光系统，灯具光效高，比传统卤钨聚光灯节能90%；

（4）内置DMX512信号解码和PWM调光电源，亮度调节范围：0～100%；

（5）沿袭了传统聚光灯的设计理念和使用方法，灯光师使用驾轻就熟。

影响LED聚光灯向大功率发展的主要障碍是光源光效、面光源（大功率LED光源单元为平面结构）的点聚和光源散热问题等。

3.2 LED柔光灯

近几年，随着LED光源发光效率的大幅提升，以及灯具制作工艺水平的提高，可以替代传统的专门用于人物照明的三基色冷光灯的LED柔光灯进入到电视演播室照明领域。

LED平板柔光灯（见图4）一般采用高显色指数小功率LED作为发光元件，形成大面积矩阵发光形式，具有光效高、显色性好、眩光值低和寿命长等诸多优点。完全能够替代传统的三基色冷光灯。

LED平板柔光灯与传统的三基色冷光灯相比较，具有以下显著的特点：

（1）采用高显色指数LED作为发光元件；

（2）LED光源为固体发光器件，寿命长达50 000 h；

（3）利用小功率LED形成面光源照明，配以高透光率柔光板，光输出柔和、均匀，无红外线、紫外线；

（4）配有光栅、柔光片，使光照无眩光，不刺眼；

（5）灯具光效高，比传统三基色荧光灯节能50%；

（6）采用DMX512信号控制和本地控制两种方式控制亮度和色温，亮度调节范围0～100%。

（7）色温可以是固定的3 200 K或5 600 K，也可以是可调节的，范围在2 700 K～6 000 K之间。

4 LED照明灯具对传统电视演播室灯光系统的影响

LED照明灯具的应用对电视演播室灯光系统会产生革命性的变化。在提倡舞台节能、绿色照明的大环境下，LED灯具节能的特点，能够把电视灯光用电降到很低的水平，使其在影视舞台照明的应用前景更加光明。归结起来，有以下几点。

（1）配电系统的变化

在电视台整个用电系统中，电视演播室灯光的用电量占相当大的比重。例如，每年的中央电视台春节联欢晚会，使用传统灯具用电量在1 000 kW左右，如果用节电80%的LED照明灯具来替代，其结果可想而知。由此带来的还有配电机房的减小或取消，节省了灯光机房的占用面积。

（2）取消调光立柜

LED灯具的调光控制采用的是DMX512通讯协议，可通过调光台DMX512输出口直接控制灯具的亮暗。这样一来，在演播室使用了几十年用来控制卤钨灯具的、且对演播室其他设备造成干扰的、不得已而使用的可控硅调光技术将退出历史舞台，刚刚起步的正弦波调光在电视台也没了市场，调光立柜随之取消，专门的调光机房也就可以挪作他用。

（3）空调系统的变化

过去电视演播室内的空调系统主要是为灯光设备设置的，这样说一点也不过分。传统的卤钨灯泡消耗的电能有很大一部分要转化为红外辐射，因此，在演播室内要产生大量的热量。如果没有空调系统的及时排热，演播室内在数十上百盏灯具的产生的高温使人无法正常工作。而LED几乎不产生红外热辐射，虽然LED灯具还存在散热问题，但由于其发光效率高等特点，使得采用LED照明灯具的电视演播室环境温度会大大降低，因而，可以取消设在电视演播室的空调系统或降低其功率。

（4）增大演播室空间

根据传统电视演播室的高度要求，须给空调风筒留出很大空间，如果采用LED照明灯具，省去了巨大的换风系统，演播室的高度可以减低许多，演播室的有效使用面积也会得到扩充，能提高演播室的空间利用率。

（5）综合布线的变化

现代电视演播室的综合布线系统的主要部分是电力布线。考虑到使用方便和安全因素，灯具电源线缆一般采用3×6 mm2阻燃电缆，且需要“一路一线”方式（调光原因），还需要经过很多连线接口。例如一个设置500路的演播室，如果每路长度30 m，就需要15 000 m电缆线。且不说价格因素，其敷设难度也不小。采用LED照明灯具后用电量大大降低，使用的线缆自然要变细，或者采用多个灯具使用一条线的供电方式，使得演播室电力布线简单容易，会大大降低安装成本和运行成本。

（6）灯具一次性投入较大，但总体成本并不高

LED照明灯具的价格与卤钨灯具相比还很高，这使得电视演播室的灯具一次性资金投入会变大，但考虑到配电系统、调光系统等因素的简化或取消，综合起来也不会增加太多。另外，LED照明灯具的长寿命，使得演播室的运行维护成本会大大降低。

5 全LED灯具演播室设计要点

根据LED灯具的特点，全LED灯具演播室的设计除了满足传统演播室的一些基本要求（如双路供电、演区垂直照度等）外，还有其独特的一些设计内容。

5.1 演播室高度

关于传统演播室设备层高度的经验值，由于使用LED灯具而失去意义。与以前的传统灯具比，LED灯具体积较小，这样一来，灯具的运动空间比以前有所增加；LED热辐射的明显减少，可以减少空调的送风量，在一些小型演播室甚至可以不用专业空调，从而省出了安装空调的高度空间，使得演播室的高度利用率大幅提高。如果专业设计师计算出演播室空调所占用的高度，在建设全LED灯具演播室时就可以降低高度，原先高10 m的演播室至少可降低2 m，进而增加整个建筑的使用率。

5.2 空调设施

演播室空调的配置容量（送风量）是根据演播室灯光的用电量乘以一个固定参数得到的。因此，随着LED灯具用电量的大幅减少（能减少50%～80%），空调的配置容量也能够大幅减少。容量的减少自然对空调设施的要求减低，从而减少空调资金的投入，包括空调机房的减少或取消，空调设备的减少及购置费的降低，空调能源损耗的降低等等。

5.3 配电设施

电视台的用电大户是灯光配电系统，而LED灯具的最大优势在于其节电。因此，全LED灯具演播室的建立能为电视台节省大量电力资源，除了节约电费支出外，演播室建设前期的投入，如配电站、电缆、配电柜、配电闸、箱等等一系列与灯光配电有关的设施，都将大大简化甚至取消。

以一个250 m2演播室为例，使用传统卤钨灯具，一般灯光配电在150 kW左右，属于大负荷电力配置。如果采用LED灯具，按节能70%计算，只需要45 kW，就只能属于一般电力配置。节约效果明显可见。

5.4 调光设备

LED灯具与传统灯具非常重要的区别是采用低压直流供电模式，可以很方便地用DMX512信号完成电子调光。

这样一来，传统的可控硅调光方式就完成了其历史使命，原来演播室那种繁琐的由调光台和调光立柜组成调光控制系统，也会由电脑效果灯控制系统所代替。原来的两套控制系统合二为一，取消功能单一的调光台，由一台电脑效果灯控制台完成整个演播室灯光系统的控制，既可减少控制设备的成本投入，也可取消专设的调光控制机房，简化演播室的运行操作程序和人员配置。

目前普遍采用的DMX512通讯协议和分布式、模块化的计算机网络技术控制系统，向上：基于以太网的TCP/IP方式； 向下：标准DMX512 / 1990信号。通过这种方式就能够完成LED灯具的调光控制。

有些演播室为了灯具直通电源开关的方便，和沿袭过去的使用习惯，特意设计了一种由DMX512信号控制的智能配电柜为LED灯具提供电源，这也是一种不错的选择。

5.5 综合布线

LED灯具的使用统一了灯光的控制系统，同时，简化了演播室的综合布线；灯具的大量节电，使得电源线缆的数量减少或线径变细，还可采用一线多灯的供电方式。因此，LED灯具能够大大减少演播室综合布线的成本投入，降低综合布线的工程难度。但为了使用的方便，实际工作中应尽量提供多的使用点，多设置灯具电源插座和控制信号接口。

5.6 灯具选择

在中小型演播室中可以采用LED光源灯具。大型演播室因投光距离较远，目前还不能完全用LED灯具照明，但可以采用混合灯具方式，对照度要求不高的区域（例如观众区等）采用LED灯具照明。

LED灯具应选用光效高、光斑质量好、无明显色差、光束效果好、无明显畸变的灯具。光源色温可根据要求采用固定模式和可调模式两种：固定模式3 050 K±150 K或5 600 K±200 K；可调模式：2 000 K～6 000 K可调。光源显色指数Ra≥85（连续光谱）。

（1）聚光灯技术要求：

a.灯具散热良好,连续工作LED温升＜35℃，在垂直使用时也能良好工作；

b.灯具采用DMX512信号调光，符合DMX512-A灯光控制数据传输协议要求；

c.灯具要求具有良好的调光一致性和光源色温的一致性；

d.灯具带有遮扉装置,遮挡时不能出现光影重叠现象；

e.灯具不能出现明显的漏光现象；

f.灯具馈入电源220 V～240 V，额定功率不小于100 W；输出光斑在3 m处光斑直径为1m时，平均照度不小于1 500 lx；

g.交错式通风口不能有杂散光；

h.灯具的水平、俯仰运动采用手动或杆调控方式，调焦采用手动或杆控或电动调控方式，调节机构应平滑连续、精度高、定位准确；

i.灯具光束角范围为10°～60°；

j.灯具噪声应该满足演播室环境噪声要求；

k.灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准。

（2）平板柔光灯技术要求：

a.灯具散热良好，连续工作LED温升＜35℃；

b.灯具要求光场均匀，光线柔和,无明显眩光，用作面光时不能刺眼；

c.灯具采用DMX512信号调光；符合DMX512-A灯光控制数据传输协议要求；

d.灯具要求具有良好的调光一致性和光源色温的一致性；

e.灯具的水平、俯仰运动采用手动或杆调控方式，调节机构应平滑连续，定位准确；

f.灯具不能出现明显的漏光现象；

g.灯具噪声演播室环境噪声要求；

h.灯具馈入电源220 V～240 V交流电，额定功率不小于100 W，灯具在3 m处照度不小于800 lx；

i.每台灯具配备遮光格栅一套；

j.灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准。

LED照明灯具在电视演播室的应用目前刚刚处于起步阶段，上述内容是笔者根据收集的资料和以往建设传统演播室的经验所进行的初步探讨，有些概念可能会被今后的实践证明存在不妥之处，但建设绿色节能全LED灯具演播室的趋势是无可质疑的。LED照明灯具在电视演播室推广使用，必将为电视灯光系统产生一次革命性的变化。可以相信半导体技术以其特有的优势高歌猛进，21世纪就是LED蓬勃发展的时代。