干货|如何更好地解决 LED 设备在使用中的潜在问题?

6月10日 17:03

本文摘自ASC杂志 2021年1月刊

作者:杰伊·霍尔本

原文标题:《未来照明——LED的历史流变、核心理念和技术本源》


当前LED在电影制作领域已是屡见不鲜,因而了解其发展轨迹及技术渊源正当适时,唯有知其然、明其策才能在相关突发问题面前有所应对。

 

核心理念

想要更好地解决 LED 设备在使用中的潜在问题,第一要务就是明确色谱、色阶、普朗克黑体曲线、相关色温以及各种 LED 生成彩色光线的原理。

 

色温

 

色温是最基础的一环。太阳、火焰或传统钨丝灯等自然白炽光源发出的光线涵未来照明——LED的历史流变、核心理念和技术本源当前 LED 在电影制作领域已是屡见不鲜,因而了解其发展轨迹及技术渊源正当适时,唯有知其然、明其策才能在相关突发问题面前有所应对。盖平滑过渡组合的彩虹色(赤橙黄绿蓝紫)。

传统的圆顶形双色二极管,可发出日光(无色或白色)和钨丝灯光(黄色)。

 

艾萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士就曾将棱镜置于太阳光下,将该光的光谱分解成了不同组成部分,从而应证了这一点。此项结论与英国科学家威廉·汤姆森(William Thompson)的研究成果之间也有着千丝万缕的联系。

 

这位“开尔文第一男爵”开辟性地引入了开尔文温度的概念,它以绝对零度(摄氏-273.15°C)作为计算起点,在该起始温度下所有分子活动都处于停摆状态(迄今有数学领域研究证明,任何材料都不可能达到这一温度)。此后,德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)提出了“黑体辐射体”理论。这是一种理论上存在的辐射材料,既不反射也不折射光线。

 

在缓慢加热的条件下,它会发光,一开始是红色,而后逐渐过渡为橘色、黄色、白色和蓝色。这一概念融合了光谱和开尔文温度的知识体系,奠定了色温的理论形成发端,即将整个光谱的色彩波长与黑体辐射体的物理温度通过开尔文温度联系在一起。 

 

19 世纪末,同样来自德国的物理学家马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)在这一领域继续迈进,确定了此后的普朗克轨迹(或曲线),串起了开尔文温度、黑体辐射体和人类视力色阶之间的关系纽带。至此,这三位伟大的奠基者便构建了我们当下所知的色温(或开尔文色温)概念。本文且称其为开尔文温标,该温标阈值为 0 到 20000K左右。在此阈值内,钨丝白炽灯光的色温约为 3200K(属于橙红光范围),来自太阳和周围天空的自然光色温约在 6500K(属于蓝光)。

 

彩色胶片面世迄今,摄影画面的关键点就在于界定那个特殊的“白点”。尽管人的眼和脑在颜色分辨方面十分灵活,可以自动将某一系列的光线识别为“白光”或是“自然光”,但是胶片和数字传感器在这方面却相差甚远,它们需要一个确定的“白点”才能还原出人眼中世界的色彩。因此,我们最开始就是根据两个数字来标定这个点的,即钨丝灯光的 3200K 和日光的 6500K (后者有时在不同标准下会设定为 5500K 和 5600K)。

 

CIE 1931

 

为了确定出人眼能见的所有色彩,国际照明委员会(法国组织,法文名为 Commission Internationale de l’éclairage,CIE)历经多年研究与测试于 1931 年创立了 CIE 1931 XYZ 色彩空间。该空间用图像来表征电磁波谱中的可见部分,即我们说所的“光线”,波长范围约从 400 纳米到 700 纳米,囊括了人眼可见的所有光线波长(或色彩)。

 

这片半椭圆形的曲线范围从左侧底部的深蓝紫色,沿着外轮廓逐渐过渡为各种彩虹色(蓝、绿、黄、橙),直至最后化为右下角的红色。半椭圆曲线顶端有一大部分都由绿色波长构成,因为人眼对这个颜色最为敏感。越趋向中心,颜色的交融程度越高,产生了次生色彩,并在下方三分之一处最终叠加形成白光。

 

理论交汇

 

沿着 CIE 图像下方三分之一处这片区域观察,我们会发现一段特殊的色彩曲线,它以最左端的 600 纳米为起始点,弧线蜿蜒至图像中心。这就是普朗克曲线,沿着这条曲线分布的就是开尔文色温范围。

 

不论是电影胶片的感光乳剂,还是数字摄影传感器,它们在设计上都要对普朗克色温曲线感应灵敏,并参照 6500K 日光(即 D65)或 3200K 色温为基础值。光线色温处于这个 CIE XYZ 色彩空间普朗克曲线内的光源在胶片或者数字传感器中的色彩保真度都是极高的。

 

LED 的突出优点之一就是可以用单个灯具展现多种色彩。

 

LED 三足鼎立

 

双色 LED

LED 的突出优点之一就是可以用单个灯具展现多种色彩。相较于在钨丝灯和 HMI 镝灯之间交互切换,或者不停更换荧光灯灯管,只要一个 LED 就能同时实现日光和钨丝灯光的色彩。甚至有声称通过混合双色 LED里的两种色彩,既能达成 3200K 到 6500K 之间任意色温值。但它并不是无所不能的。

 

如前所述,普朗克曲线是弯曲的,一个灯具里面如果有两种颜色的二极管,那么可以代表 CIE 色彩空间中的两点(每个都有一个二维坐标),但是两者以各种强度进行混合之后的色彩图像只会是一条直线。这意味着当混合结果越趋向于两者的色温中间值时,它们就离普朗克曲线上对应的真实色彩越远,而更加趋向于品红色。为了矫正这一现象,大多数情况下都需要增加滤纸以增加或弱化绿色的程度,将偏色重新拉回到曲线上。

 

RGB LED

 

RGB LED 是双色 LED 的进一步升级,它的作用主要是实现叠加色彩,通过混合红绿蓝光模拟出整个可见光谱。虽然有人说三色刺激值系统只能模拟出三原色的峰值,而非整个色谱,但是支持者却主张数字摄影机其实只对红色蓝三色中很窄的一段波长区间较为灵敏,拜尔阵列滤色镜尤为如此,从这个意义上来说,RGB 灯能够契合摄影机的灵敏度,制造出精准的色彩。

 

RGB+ LED部分生产商认为,RGB LED仍然无法给出足够精准的色彩,所以他们会在这一组合当中加入更多二极管进一步混合,以“填补”色谱空缺。一开始都会从“白色”二极管入手,而实际上它们是带有荧光粉的蓝色二极管,能够创造日光的色温,有些厂商还会加一些“琥珀色”二极管来弥合色谱中暖色端的部分。

荧光粉涂层的日光和钨丝灯光二极管

 

你会发现这些灯具的备注名为 RGB+W或RGB+AW,有时是RGB+WW,后者的意思就是增加了日光和钨丝灯光二 极管。某些LED公司会更进一步,尝试添加其他色彩的二极管,尤其是石灰绿、青色和深红色。当然,有得必有失,任何灯具中可以装载的二极管数量是有限的,所以虽然其可以更准确的反映过渡均匀的色谱,但却削弱了光照强度。

现代的饱和色彩二极管,可呈现红色、石灰绿色、蓝色、琥珀色和白色。

 

LED 的优势

 

改变光照强度却没有色偏是 LED 灯具的一大优点,很多LED灯内都加上了DMX控制器或Multiverse组件以取代外置调光设备及减少布线,另一些则支持装配电池以提升整体便携性。其电力消耗远远小于钨丝灯或HMI灯,发热情况对比白炽灯和HMI 镝灯几乎可以忽略不计,这样一来也减省了对于空调的需求。

 

不仅如此,有些 LED 灯具可以“马赛克式布阵”,使得这个矩阵的各个独立区域可以生成不同的色彩。独立区域越多,画面分辨率也就越高。在某些矩阵中,每部分RGB+ LED 集群都可以独立调整,从而整体生成一个画面,就像电视机屏幕一样。这一特点让马赛克布阵灯具成为了虚拟制作技术的有力支撑。

 

以上种种因素使得 LED在越来越多的电影制作中得到使用。虽然色彩保真度依然是一个关键问题,但是厂商们也在基于市场需求不断精进技术,提升LED的光照强度和色彩精确度。除此之外,LED的选择类型很多,从软屏到菲涅尔镜聚光灯和其他强光灯,种种皆有,且不乏顶尖厂家,包括Aputure、Arri、Astera、Cineo Lighting、Creamsource、Digital Sput-nik、ETC、LiteGear、Kino Flo、Quasar Science 和 Rosco。

 

自电影艺术起源以来,电影照明技术就一直在发展。  

 

《美国电影摄影师》档案室资料:1922 年库珀·休伊特汞蒸气灯管开始运用在电影工作室的图片

 

来自 1937 年、1932 年和 1991 年的老式灯具广告。


 

 

对灵活度和多样性的需求催生了人工灯具的诞生。



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