解析一款新型LED电脑灯——High End Systems Shapeshifter

文/[美]迈克·伍德 编译/姚涵春

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

解析一款新型LED电脑灯
——High End Systems Shapeshifter

文/[美]迈克·伍德 编译/姚涵春1

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

通过对Shapeshifter LED灯具的检测，解析灯具的构成、功能及其性能和特点。

LED电脑灯；测评；光束效果；模块运转；宏指令

近来，笔者测试了一些不同寻常的灯具，解决了通常的测试体系的困难。超窄光束效果灯具、可操控的光学系统以及LED光源带来了一系列全新的问题。我们该如何认识哪些测量工作是值得做的，并在实际中反映出该产品如何使用？具体说明和测量用作基本光和背逆光的灯具很简单，三个问题就能使用户获得满意的大部分答案，即：灯具有多亮？其光斑有多均匀？显色性有多好？然而，在谈论空中光束效果、图案投影以及其他效果灯具时，这些参量可能没有哪一个是有用的。然而，笔者仍坚持自己的观点，试图提供一些有用的数据以论述受测试灯具的适用性，以及与它的竞争对手相比较，其基准参数表现如何。

本次考察的灯具几乎具体体现了笔者以上提及的所有难以测量的特性，所以对灯具分类也提出了一些挑战。这款灯具就是High End System的产品Shapeshifter（以下简称该灯具）。High End System从事自动化照明设备制造有很多年头，是一家颇受尊敬的制造商。多年来公司的命运几经起伏，最近它在控制系统（Wholehog range，飞猪系列）上的投入显然要大于在灯具上的投入。然而，随着LED光源的到来，它似乎激发出一些新思维。作为一家公司，它总是喜欢与其竞争者有点不同，而很明确，该灯具就是这样一款标新立异的产品。可以将它看作一款灯具，或者可以将其看作7个半独立的灯具：它有点二者兼而有之。

High End System给笔者提供该灯具的两种不同型号的产品：C1 RGB混色灯具和W1白光LED灯具。笔者试图检测从光源直至光输出的每一项性能及参数，并提供相关的结果以有助于用户作出自己的决定。它安装有通用电源，其额定电压范围为100 V～240 V 50/60 Hz；然而，在这次检测中，该灯具始终在115 V 60 Hz标称电压下运行，见图1。

1 光源

W1和C1都配置有126个Cree XPE 2 LED光源。这些光源被分成7个模块，每一个模块由18个LED光源组成。在C1型号中，每一个模块包含6个红、6个绿和6个蓝光LED光源。在W1型号中，126个光源全是白光LED光源。Cree XPE-2是标称功率3 W的光源，然而笔者此前说过多次，LED标称值不是绝对的。冷却的效能和LED光源的工作环境是其额定功率的实际驱动器。7个LED光源模块被排列成中心一个模块和外圆环6个模块。中心模块是六边形的，相对于摇头而言，它是固定不动的。然而就是在这个点位，开创出有趣的事：18个LED光源组成的6个外围梯形模块的每一个都被安装在各自独立的水平—垂直旋转系统上，该系统提供相当于灯具摇头和中心模块的二次运动选择。126个LED器件中的每一个都配置有各自的窄角TIR（totall inner reflecter：全反射聚光透镜）初级光学器件。图1清晰地显示7个LED模块，从照片中可见，它们被设置在同一个平面内。稍后我们再返回到它们的运转系统，现在先看看LED光源及其冷却系统。

由于6个外围模块相对于摇头的运动的空间需要，所以不能配置一个大型的散热器，因而每一个模块不得不配置各自的冷却系统和散热器。图2显示其中一个模块的后视图，从照片中可以清晰地看见形成每一个模块后表面的压铸散热器（安装在灯具后侧的一个大的自动调温控制的风扇将空气吸进并吹过这些散热器以保持它们冷却）。图3显示在摇头后面的这只风扇以及3个电路板。其中最大的电路板（见图3中左上侧）包含着LED驱动器，而较小的两个电路板（图3中右侧和底部）则包含着各个模块的水平—垂直旋转马达驱动器。其冷却系统工作良好，虽然有那么一点噪声（后面再论述）。在笔者的测试中，在所有LED光源满功率运行时，笔者发现开机30 min后达到热平衡状态的光输出仅仅下降约9%。这是一个很好的结果，许多LED灯具将损失更多的光输出，因为灯具会变得更热（注意：在这次考察中的所有光输出测试都是在灯具运行30 min之后进行的。）

2 光输出

笔者测得C1在所有LED光源满功率运行时的光输出为9 195 lm，见图4。现在，随之而来的第一个问题是：在模块可以运动的状况下，如何定义灯具的光斑角？笔者决定测量和报告所有模块处于同一个平面时的总光斑角和单个模块的光斑角。因为它并没有通常的光束角控制，每一个模块有固定的焦距，所以这似乎是合理的方法。笔者测得所有模块处于同一平面时C1的光斑角为16.5°。单个模块的光斑角，也近似为整台灯具聚焦成一个聚光斑时的最小光斑角，其角度是15°。宽光斑角很大程度上由用户决定。外围6个模块可以向外垂直旋转，有效光斑角将增加，然而在一些模块过度偏离的定位时，它们产生的7个光束将分离成各个单独的光束。一个光束变成7个光束，很大程度上，这是不同操控产生不同效果的问题。

注释1：在报告光束和光斑角时有一个令人感兴趣的问题。对于这些数字意味着什么，不得不走出近光场而进入适用平方反比定律的远光场。对于通常的灯具，这是相当简单而明确的，经验法则是确保所有测量所选取的射距至少10倍于灯具灯口的直径，因此身处远光场中会相当自信。对于像Shapeshifter（以及采用多种超窄角光源的其他灯具）一类的灯具，这是一个棘手的问题。可以调整Shapeshifter模块的位置，以在灯具前方较远处获得外部的光束交叉点，远光场也可以离得很远。对于像Shapeshifter的一款灯具，在笔者工作室里，在远光场中进行测量不是切实可行的，因为工作室实在不够大。可行的方法是仅仅测量单一的发射器或模块，然后将其按比例增加。单一模块按惯例运作而远光场离开仅仅只有几英尺。

图2 水平和垂直旋转装置

图3 电路板

注释2：如同以往的考察一样，笔者应用标准光斑的光通量来报告灯具总的光输出。High End System应用它自己专有的流明版本，它不具有可比性。

较远射距上的颜色均匀性是很好的。然而这是一款效果灯具，所以像有色阴影的事情并不是很重要。对于全白的W1，其性能稍有不同。如预期的那样，其总光输出更高，差点不到15 000 lm，见图5。其平面光斑角是相同的，也是16.5°；而单个模块所汇聚成的光斑角小于C1，为12.3°。

3 调光

该灯具的调光曲线如图6所示。它几乎是理论上平方定律曲线的完美组合。在曲线上方的85%部分，其调光性能是良好的；虽然灯具采用16 bit调光控制，但调光曲线底部15%部分仍出现可察觉的步进现象。在调光全过程中颜色一致性是良好的，其间，所有三种颜色通道一起跟踪良好，并且混合颜色保持不变。

它配置有单独的频闪通道，可提供一系列不同的频闪类型，其中包括渐变和突变。笔者测得其有规律频闪的速度范围是0.3 Hz～12 Hz。

笔者测得其PWM频率是1.95 kHz。这应该已足够快速，可以适用于大多数TV系统。

注释：一般而言，PWM越快越好。配置有卷帘式快门的现代CMOS摄影机对于任何闪烁都非常敏感。然而，当频率提高时，可能会出现刺痛用户的新问题。为了试图避免这些摄影机问题，选用的PWM频率将进入kHz级别，然而这又引发新的问题：PWM将产生可听得见的来自于灯具电源或驱动器的似歌唱似铃声的噪声，在5 kHz～10 kHz范围内这种现象特别显著。在寻求越来越合适的PWM频率时，必须跳越音频范围，因而径直将PWM提升到20 kHz甚至更高。

4 颜色系统

C1提供传统的三色RGB加法混合颜色系统，其运行性能如预期的那样。图7显示C1在所有发射器满功率运行时的光谱。发射器的峰值大约位于450 nm、515 nm和635 nm。在这个模式中，光色并非是纯白色；而具有明显的蓝色色调。减少蓝色以调整混合色，直至获得黑体辐射轨迹上的纯白色，此时的光输出约为灯具最大光输出的80%，其色温约为10 000 K。

图4 C1光强分布曲线

图5 W1光强分布曲线

图6 调光曲线

表1 颜色混合

主要原色的光输出占整个光输出的百分比见表1。

这是相当简单的颜色分析，因为它忽略了单一模块的控制；笔者猜想，实际上不太可能同时应用C1的全部颜色，而更可能利用模块创造颜色效果。C1可以以许多不同的颜色模式运行，可以选取7个模块中的每一个各自单独控制的模式，或者以生成颜色图案的宏指令来运行。图9显示由颜色宏指令通道生成的颜色图案的一些例子。如果有时间和足够的DMX512通道，用户可以打造自己的颜色图案库。

返回到W1，如同图8所示的光谱是常见的荧光粉转换型白光LED的光谱，其蓝色波峰位于445 nm，而宽大的黄色波峰的居中峰值则位于550 nm。笔者测得W1的色温差点不到7 000 K，CRI为74，而CQS为68。

5 模块运转

模块运转是该灯具的主要亮点。如前所述，外围6个模块中的每一个都被安装在水平—垂直旋转臂上，在这些设计方面非常传统，类似于扫描器。（见图2）水平（切向或x轴向运行，如同High End System在该灯具中所称呼它的）是驱动模块运转的单一固定的步进马达，而垂直（径向或y轴）则由第二个步进马达通过皮带被驱动，并偕同模块一起运转。将一个平面镜替代这个LED模块，就会认出它是扫描器的机械装置。和扫描器一样，在这两个轴之间的相互关系是复杂的。图10显示每一个运转平面的范围。对于这种相当轻量的模块，这种类型系统的优点是运转的速度。笔者测得x轴运转的全范围是32°，而y轴运转的全范围是28°，从一端运转到另一端，两个轴向运转均需时约0.4 s。相比整体的水平和垂直旋转臂运转的时间，这显得更快速。和模块的颜色控制一样，用户拥有一起运转所有x和y通道或分别单独驱动模块的选择。此外，和颜色一样，提供许多运转宏功能。实际上，超出笔者使用过的灯具，其内置的宏功能对于它在合理时间内完成程序编制工作是非常至关重要的。

图9 图案实例

图7 C1光谱分布

图8 W1光谱分布

图10 变形

6 水平和垂直旋转

C1和W1具有水平旋转范围540°和垂直旋转范围270°。水平全程运转需时3.6 s，而更典型的180°旋转则需时1.8 s。垂直全程运转需时2.1 s，而180°旋转则需时1.5 s。其运转是非常准确的。水平定位重复精度是0.09°，相当于在20英尺射距上偏差约0.4英寸（或在10 m射距上偏差16 mm）。灯具机械系统的阻尼性能很好，所以其运转是平滑的，只出现少量的过冲现象。

7 靛蓝色背光

新近在几个其他的High End System的产品中已经看见，该灯具配置了靛蓝色LED光源，作为其辅助的照明系统。其文件材料提到它们是用作背光。有6个电路板，每一个电路板连接3个LED光源，LED光源的头部倒置着精确安装在饰有酒窝的铝质漫射型发射器中。图11和图12显示LED光源及其发射器。这些背光可以独立于主光源受控，或连同主光源一起受控而随同主输出渐亮或渐暗。如果从灯具摇头直接看进去，这种效果是看得见的，它并不是用作投影效果的。图9中3个例子显示使用中的靛蓝色背光。

表2 声强

8 噪声

风扇是该灯具相当喧闹的一个部件。满功率运行灯具，自动调温控制风扇达到最高运转速度，因而成为噪声最大的部件，见表2。

9 电参数

该灯具被规定在100 V～240V AC 50/60 Hz额定电压范围内自动切换运作。在使用115 V标称电压进行检测时，笔者测得灯具静态功耗为497 W，此时光输出最大，功率因数为0.99。所有LED关闭时的灯具维持功耗为47 W，而功率因数为0.86。在最大光输出时，C1的发光效能是18.5 lm/W，而W1的发光效能则是30 lm/W。

灯具初始化时间是63 s，经由DMX512控制通道发出复位指令起，其初始化时间约为50 s。在复位时，灯具运作得很糟糕：在运动重置结束之前，它又渐亮起来。

图11 靛蓝色光源

图12 靛蓝色发射器

10 电子设备与控制

该灯具主要的电子设备被安装在摇头中，如图3所示。DMX512电子设备和电源，以及菜单系统及其显示器被安装在底座内。灯具配置有彩色液晶显示器和菜单按钮，可以设置所有通常的参数和选择，包括编程独立操作的模式。图13显示灯具的显示器和菜单按钮。也可以被安装蓄电池以便在灯具被悬吊并接通电源前能设置DMX512地址和灯具参数。笔者测试的这台灯具没有配置这些蓄电池，所以笔者不能检测这个特性。置顶盒上提供5针和3针XLR连接器以及powerCON连接器，见图14。

11 结构

其摇头安装有3个大驱动器电路板和7个LED模块。它的拆卸很简单，仅需要移除几个螺丝即可卸下主要的灯盖。而后直截了当地替换模块组件。笔者想象，没有那么多低水平的维修需要普通用户自己去做或能做的。灯弓臂和置顶盒部件是当下灯具非常标准化的部件。图15显示安装有水平和垂直旋转驱动器和水平旋转马达的灯弓臂。

结论

6个可运转的模块是整个灯具的精华。每个模块产生相当狭窄、明亮的光束，能够单独地移动每一个模块，并仍然能控制整个灯具的水平和垂直旋转以实现空中效果和直视图案。这是一款专为观众视觉效果而不是为照明演员而设计的灯具。其他制造商正以不同的方法制造相似的产品，但是它提供了有趣的可供选择方案，因为每个模块具有完全独立的控制。它有点像一口气同时操作和控制7个较小的LED扫描器。那么，何时使用这款灯具来设计由用户自己决定。这款灯具有人喜欢有人讨厌（笔者不得不承认通常不喜欢现存的效果），使用内置的宏功能对于迅速编程是必不可少的，但是如果用户有时间的话，就可以利用工具菜单巧妙处理所有的图案。High End做了很好的工作，提供许多这些必不可少的宏功能；它将它们分解成单独的运动、强度和颜色，因此增加了选项的数目。High End System Shapeshifter C1或W1将成为你灯光设备中的一款灯具吗？选择由用户自己决定。

（本文编译自美国《Lighting & Sound America》杂志2015年1月刊《High End System Shapeshifter》一文，http://www.lightingandsoundamerica.com/LSA.html）

（编辑 张冠华）

High End Systems Shapeshifter

Original / [USA]Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

By detecting Shapeshifter LED, the author analyzed the composition, function, performance and features of the new product.

LED computer lights; evaluation; beam effect; module movement; macro

图13 菜单

图14 连接器

图15 灯弓臂

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.001

图1 受检灯具