1、1第 1 章 光源光线是舞台表演和影像摄制最基本的物质基础，也是塑造人物形象、渲染场景气氛的基本造型元素。因此，谈到舞台照明和影视照明，就不能不谈及光线。产生光线的“源头”叫做光源(Light Source)。光源的种类可谓众多，但基本可以分为两大类，一类是自然光源，另一类是人造光源。火是最为常见的一种自然光源，人类早期的晚间娱乐活动都是用火来照明的。太阳、星星、闪电、天空光、极光等宇宙天体和自然现象当然也属于自然光源。萤火虫、磷虾等则属于生物体发光的自然光源。人造光源也可分为电光源和非电光源两类，本书只探讨电光源。1.1 电光源的类别根据构造和发光机理的不同，电光源可分为三大类：热辐射型电光
2、源、气体放电型电光源和固态光源。下面对电光源的类别、构造、基本原理及光色特点等作详细介绍。1.1.1 热辐射型电光源热辐射型光源主要有白炽灯和卤钨灯两种，其发光体俗称灯丝，当有电流流过灯丝时，产生热辐射的同时，发出光线。因此，热辐射型光源的最大缺点是发光效率很低，大约80-90%的电能会转换为热能，其余的电能转变为光能，这也是这类光源被称为热光源的根本原因。1白炽灯（Incandescent Light）白炽灯是电光源中最古老、最普遍的品种，由此派生的光源种类繁多。最早的商用化白炽灯是爱迪生 1880 年发明的用竹子炭化作灯丝的竹炭丝白炽灯（Bamboo Filament Lamp） ，后来出
3、现了使用寿命更长一些的用纤维素作灯丝的白炽灯（Cellulose Filament Lamp） ，如图 1.1 所示。为了进一步提高工作寿命，人们采用高熔点的金属钨代替竹炭作为灯丝，这就是应用最为广泛的光源之一钨丝白炽灯。二十世纪初和目前广泛采用的钨丝白炽灯外观结构图 1.1 竹炭丝和纤维素丝白炽灯2分别如图 1.2 和图 1.3 所示。钨丝白炽灯在工作过程中如遇氧气会产生氧化，进而迅速烧坏，所以必须将钨丝置于高度真空的透明玻壳内，以提高工作寿命。金属钨在高温下会产生升华现象，久之灯丝变细，玻壳内壁发黑，光效降低，寿命减短。为了减弱这一现象，通常在灯泡内加入适量的惰性气体以抑制钨的蒸发。尽管如
4、此，因钨丝蒸发使寿命偏短仍然是钨丝白炽灯的最大缺点之一。2卤钨灯（Halogen Tungsten Lamp）卤钨灯是在普通钨丝灯的基础上，充入少量的卤族元素（一般是碘或溴）制造而成的，加入碘元素的叫碘钨灯，加入溴元素的叫溴钨灯，碘钨灯和溴钨灯都是卤族元素灯的家庭成员，统称卤钨灯，又称卤素（Halogen）灯。在卤钨灯中，钨蒸气在玻壳内壁附近温度较低的区域与卤素化合成卤化钨，再通过对流和扩散到达温度最高的灯丝处，分解成钨和卤元素，这样蒸发的金属钨就又再生回到灯图 1.2 二十世纪初的钨丝白炽灯图 1.3 目前广泛采用的钨丝白炽灯3丝上，而卤元素则被扩散到温度较低的灯壳内壁附近继续与蒸发的钨化合
5、，这一过程叫卤钨再生循环(Tungsten-Halogen Regeneration-Cycle)，可以有效地克服白炽灯泡玻壳内壁易黑化和寿命偏短的缺点。虽然在玻壳内加入了部分卤族元素，但卤钨灯在本质上还是钨丝白炽灯。不过，和普通的钨丝白炽灯相比，卤钨灯具有更紧凑小巧的体积，更高的发光效能和更长的使用寿命，在影视、家庭、工业、商业、娱乐等领域获得了极为广泛的照明应用。另外，卤钨灯可以承受更高的工作温度，色温的稳定性和显色性能也优于普通白炽灯，是影视演播室最常用的照明光源之一。卤钨灯的外观结构主要有双端管形、单端柱形及双壳体封装形等，如图1.4 所示。由于卤钨灯比普通钨丝白炽灯工作于更高的温度下
6、，所以其外壳不能采用普通玻璃，而是采用石英（Quartz）材料，所以有时候也将卤钨灯叫做石英卤钨灯（ Quartz-Halogen）或简称石英灯。热辐射型电光源的优点是制造工艺成熟，成本低，光线柔和，显色性能好，不需要附加启动装置，调光控制简单。主要缺点是光效偏低，发热量大，寿命较短。大功率的热辐射型电光源在工作过程中或切断电源后的短时间内，不得用手直接碰触光源的外壳。这是因为这类光源在工作过程中，其外壳温度非常高，用手触摸会灼伤手指。另外，残留的手指印会造成壳体局部过热，轻则缩短使用寿命，重则产生壳体爆裂。在维护时，要垫上干净的纸巾拆卸或安装。如壳体脏污，可用纸巾蘸少许外用酒精彻底擦除，等完
7、全干燥后再投入使用。1.1.2 气体放电型电光源气体放电型光源通过气体放电发光，有时也统称为弧光灯(Arc Light) 。和热辐射型电光源相比，其优点是光效高，工作温升相对较小，所以习惯上认为气体放电光源属于冷光源（尽管如此，大功率的气体放电光源在工作时其温升也非常高，需要有效的降温措施） 。和白炽灯、卤钨灯相比，气体放电光源的缺点是结构复杂，制造成本高，另外色彩还原能力较差。气体放电型光源的种类繁多，大致可分为两类，一类是低压气体放电光源，如低图 1.4 形态各异的卤钨灯4压汞灯（含荧光灯）和低压钠灯，另一类是高压气体放电光源，如高压钠灯、高压汞灯、金卤灯和氙灯。1荧光灯（Fluoresc
8、ent Lamp）荧光灯是低压汞灯的一种，其管内气压小于一个大气压，壳体内壁涂有一层荧光粉，呈不透明状态。荧光灯的基本工作原理是利用一定的高压激励汞（水银）蒸发为低 气 压 的汞蒸气，汞蒸汽在放电过程中辐射短波紫外线，诱发荧光粉产生可见光。荧光粉的类别不同，发光颜色不同。荧光灯在点亮时需要启动器，工作时需要镇流器稳定工作电流以抑制光线的闪烁。镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种，采用电感镇流器的荧光灯启动前需要预热阴极，启动较慢，采用电子镇流器可实现即时启动或快速启动。三基色荧光灯（Tri-Phosphor Fluorescent Lamp）是一种新型的荧光灯，采用可以发出红、绿、蓝三种基色光的
9、稀 土 元 素 取代普通荧光灯中的荧光粉，当三种颜色按一定比例同时发光时，即可通过混色产生白光。三基色荧光灯的发光效率和色彩还原效果远好于普通荧光灯，配合电子镇流器时，基本没有闪烁现象，是理想的家庭和演播室用照明光源，使用非常普遍。三基色荧光灯的管径可以做得比较细，因而通常做成紧凑型的外观形式，除此之外和普通荧光灯的构造差别不大。常见的荧光灯有直管形、单 U 形、双 U 形、环形、H 形及双D 形等，影视演播室照明以单 U 型三基色荧光灯最为常见，部分外形如图 1.5 所示，图中的单 U 形、双 U 形、H 形均为紧凑形，属于三基色荧光灯。在家庭和办公场所使用的紧凑形荧光灯通常将启动器、电子镇
10、流器和灯管作进行一体化封装，形成所谓的紧凑形自镇流（Self-Ballasted）荧光灯，使用方法如白炽灯一样，直接旋装到灯座上即可，如图 1.6 所示。图 1.5 几种常见的荧光灯外观结构52汞灯（Mercury-Vapor Lamp）汞灯即汞汽灯，是一种利用汞蒸气放电发光的气体放电灯，分低压汞灯（Low-Pressure Mercury Lamp）和高压汞灯（High-Pressure Mercury Lamp）两种，前面介绍的普通荧光灯及三基色荧光灯都属于低压汞灯。还有一种直接通过汞蒸汽放电发光的低压汞灯，外壳内壁上没有荧光粉涂层，主要通过产生紫外线应用于医疗仪器、厨房设备等领域，不适于
11、作影视照明。图 1.7 是Philips（飞利浦）和 Osram（欧司朗）管状无荧光粉涂层低压汞灯的结构外观。 （Osram 中文译为欧司朗，是德国西门子旗下的一家著名电光源企业，在 世界范围内与飞利浦公司并称为最负盛名的两家光源企业。高压汞灯的内部大气压在 10 个左右，所以属于高压气体放电灯。根据石英壳体内壁是否有磷涂层，有透明和不透明两种，外观有管形、球形、梨形等多种形状。高压汞灯和荧光灯一样，具有负阻特性，需要启动器才能工作，并且工作过程中也需要镇流器稳定工作电流。高压汞灯的启动器、镇流器与光源部分也可做成一体化结构，形成所谓的自镇流汞灯，其光色比较柔和，接近白光，可直接取代白炽灯，适
12、用于街道、广场及一般工业场所的照明。还有一种叫做 UHP（Ultra High Performance：超高性能）的高压汞灯，由飞利浦公司率先投入商业应用，具有极高的光效和工作寿命，起初主要用作大型投影仪和背投电视的光源，近来出现在多媒体数字灯（详见第二章相关内容）这类高端的舞台灯具上，如图 1.8所示。3钠灯（Sodium-Vapor Lamp）钠灯即钠汽灯，是主要以钠蒸气放电而发光的电光源，有低压钠灯(Low Pressure Sodium)和高压钠灯（ High Pressure Sodium Lamp）两种。低压钠灯利用低压钠蒸气放电产生可见光，优点是光衰小、寿命长、发光效率很高。图
13、1.6 形态各异的紧凑形自镇流荧光灯6低压钠灯发出的是单色黄光，透雾性强，可分辨度高，特别适合对光色没有要求的道路、公圆及院落等场所的照明，同时低压钠灯以其低能高效的优点成为太阳能路灯照明系统的最佳光源，但由于其显色性极差，不适于影视照明领域。低压钠灯的结构多为直管形，如图 1.9 所示。压钠灯内充有钠元素和汞元素，加电启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，电弧的高温作用使管内的钠元素和汞元素受热蒸发为钠蒸气和汞蒸气，阴极发射的电子向阳极运动过程中，撞击钠、汞蒸气，产生气体放电，发出金白色可见光。虽然高压钠灯的发光效率稍低于低压钠灯，但某些品牌和型号的高压钠灯可以具有较高的显色性能，是体育场馆及
14、娱乐场所的常用照明光源之一。高压钠灯的外观结构如图 1.10 所示。高压钠灯、汞灯及大部分气体放电灯一样，在工作于弧光放电状态时具有负阻特性，即光源电流上升时，其两端电压不升反降。因此在恒定电源条件下，为了保证光源稳定地工作，必须在电路中串联专用镇流器，利用其正阻特性抵消光源的负阻特性，以稳定工作电流。4金属卤化物灯（Metal Halide Lamp）金属卤化物灯简称金卤灯，是在高压汞灯的基础上添加卤化物元素（这一点类似白炽灯添加卤化物变成卤钨灯）制成的一种性能优异的电光源，属于高强度气体放电灯家庭中的一个重要成员。由于汞是金属，灯内又添加了卤化物元素，所以叫金属卤化物灯。金卤灯有陶瓷金卤灯
15、和石英金卤灯两种，陶瓷金卤灯将石英金卤灯和钠灯的陶瓷管技术结合在一起，集两者优点于一身，具有更优异的光色指标、更长的工作寿命和更低的维护费用。金卤灯有低色温和高色温两种，高色温金卤灯的光色非常接近日光，在影视拍摄中可以非常逼真地模拟日光效果。另外，由于发光效率高，色彩还原好，金卤灯还广泛用于广场、商场和体育场馆的大面积照明，也是电影放映机、投影仪和电脑灯、追光灯的理想光源，另外在新闻摄像和影视外景拍摄中也获得广泛应用。另外，金卤灯也有长弧和短弧两种，长弧金卤灯主要发蓝光，发光过程中伴有大量的紫外线辐射。电影放映机和影视照明领域一般采用短弧金卤灯，功率从几十瓦到几千瓦不等。金卤灯的缺点是启动困难
16、，需专用触发器。另外，为防止工作过程中的亮度闪烁现象，还需要电子镇流器维持弧光放电电流的稳定，同时消除闪烁现象。所以，金卤灯整体构造比较复杂，制造成本较高，另外寿命也相对较短。绝大多数通过气体弧光放电发光的电光源，都存在亮度闪烁问题，虽然这种亮度闪烁的频率是市电频率的两倍，用肉眼觉察不到，但如果摄像机的快门速度和光源的闪烁7节奏不能同步的话，拍摄出来的画面也将有闪烁现象。用正弦波交流电供电的气体放电光源之所以存在闪烁现象，原因是正弦波交流电压是从零伏到最大值之间连续变化的，从而导致光源发光亮度以交流电两倍的速率作跟随变化。图1.13给出了用正弦波交流电供电的气体放电灯亮度闪烁的原因。 （热辐射
17、型光源的发光亮度与其灯丝温度呈正相关的关系，由于电网的频率为50Hz或60Hz，灯丝温度的变化远跟不上电流大小的变化，所以不会出现闪烁现象。 ）不但是金卤灯，包括荧光灯在内的所有气体放电类光源都需要镇流器，而且在影视照明领域，全部采用电子镇流器。电子镇流器非常类似电脑、彩电和工业仪器中所采用的开关电源，其主要功能是交流直流交流变换，首先将频率为50Hz或60Hz 的正弦波市电变换为直流电压，然后通过振荡，输出频率为200-250Hz的矩形方波交流电供给光源工作，这样光源的发光强度就以200-250Hz的频率在正负两个等大的峰值上跳变，不但发光亮度本身趋于平稳，而且即使还存在微弱的闪烁现象，由于
18、闪烁的频率很高，不管是我们眼睛，还是摄像机的成像系统，都基本不会再感知到亮度的变化。因此借助电子镇流器的波形变换（正弦波变方波）和升频作用，保证了光源发光亮度的恒定，原理如图1.14所示。金卤灯有一个派生品种，叫做镝灯，当然也属于高强度气体放电灯，保持了金卤灯发光效率高、显色性能好的优点，同时比金卤灯具有更长的使用寿命。日光色镝灯利用充入的碘化镝或汞等物质发出特有的密集型光谱，其光色成分十分接近太阳光谱，可以非常理想地作为影视外景拍摄的照明光源。镝灯有球形、管形、椭球形等多种结构形态，使用时和金卤灯一样，也需要专用镇流器和触发器，其外观如图 1.15 所示。图 1.14 电子镇流器防止亮度闪烁
19、的原理示意图8当金属卤化物灯中的金属为汞（Hydrargyrum） ，卤化物为碘化物（Iodide）时，在业内通常叫做 HMI 光源。HMI 是 Hydrargyrum Medium-Arc Iodide 的缩写，是特指金卤灯的一个具体类别金属为汞（Hydrargyrum） ，卤元素为碘化物（Iodide） ，以弧光为媒介（Medium-arc）的一种金卤灯。为了提高光色性能的稳定性，飞利浦公司对 HMI 光源进行了改进，采用双层壳体设计，并将这种光源命名为 MSR (Medium Source Rare-Earth：意为以某种稀土元素的氧化物作为介质源的金卤灯)。很明显 HMI、MSR 都是
20、金卤灯的一种，HMI 由欧司朗公司研发，MSR 由由飞利浦公司研发。目前，绝大多数的电脑灯、追光灯等舞台灯具都采用 HMI 或 MSR 金卤灯。另外，金卤灯还因其效率高、光色好，特别适宜于电影、电视的外景拍摄或充作大型电影放映机及投影仪的光源。金卤灯虽然理论上属于冷光源，但大功率的金卤灯在工作过程中其壳体的温升很高，在使用和安装维护时不得用手直接触摸，以免灼伤手指。另外，如果指印留在光源的壳体上，指印中的油性成分会吸收光源发出的热量，在石英壳体上形成“易脆点” ，极易引起光源的外壳爆裂，引发危及人身安全和光源损坏的双重后果。5氙灯（Xenon Arc Lamp）氙灯即氙弧灯，是利用氙气放电发光
21、的一种高强度放电灯，属于惰性气体光源的一种。氙灯在石英灯管内填充惰性气体氙气，在其两端的电极上有水银和碳素化合物，以高压刺激氙气在两极间发出白光，光谱能量分布与日光相接近，可模拟日光效果，有小太阳之称。氙灯的亮度高，光质好，穿透力强，工作状态受外界条件变化的影响小，上世纪 40 年代率先由欧期朗公司推向市场，最早是在电影放映机内取代炭弧灯作为放映机光源，目前在电影放映机、大型投影仪、高档轿车、大功率舞台追光灯及影视外景照明等领域获得广泛应用。氙灯有长弧氙灯（Xenon Long- Arc Lamps）和短弧氙灯（Xenon Short-Arc Lamps）之分，长弧氙灯的弧光放电部分明显长于短
22、弧灯，功率可以做得更大，伏安特性具有正阻特性，只需附加启动装置，不需要自带镇流器，适于远距离、大面积的高强度照明场合，现已逐步被光色更好、光效更高、体积相对小巧的短弧氙灯所取代。为了获得更高的发光效能，短弧氙灯内部有高达 300 个大气压，因此大功率的短弧灯在运输和安装过程中需要附加特制的防爆屏，安装完毕后再将防爆屏去掉，往下拆卸时，要装上防爆屏，对于寿命终结的氙灯要妥善地进行报废处理。在维护和装卸过程中，要对眼睛甚至是全身进行安全保护。图 1.15 镝灯9前面介绍的金卤灯均属于高压气体放电灯，其内部气体压强虽然没有短弧氙灯高，但如果操作不当，使其壳体爆裂，也具有相当的危险性，所以也应注意规范
23、操作并采取必要的防护措施。氙灯的功率可从上百瓦到几万瓦，工作时会散发大量的热量，需要做好散热处理。一般小功率的可采用自然冷却，中等功率的采用风冷，而大功率的则有必要采用水冷。短弧氙灯内部填充的材料有两类，一类是纯氙气，还有一种除氙气外还充有少量的特殊金属元素。短弧氙灯采用低电压、大电流的直流电源工作（比如 450 瓦的短弧氙灯用 18 V 的直流电压供电，工作电流为 25 A） 。短弧氙灯都配有一个复杂精密的专用电源装置，其作用有三，一是具有镇流作用，以平衡氙灯的负阻特性，二是向氙灯提供一个稳定的工作电流，以保证光源长时间的可靠工作，三是向光源的触发电极提供一个高达数万伏的高压脉冲，对光源进行
24、触发启动。1.1.3 固态光源固体光源属于最新一代光源，具有极高的发光效率和优异的光色性能，主要有 LED 和OLED 两种。1LED (Light-Emitting Diode) 光源LED 即发光二极管，是一种半导体器件，有正负两个电极，加上适当的正向偏压后处于导通状态，电流从正极流向负极的过程中，电子转变为光子，形成可见光。LED 的类别很多，按发光颜色分有红色、橙色、绿色、蓝色等。另外，有的 LED 包含二种或三种颜色的管芯，可实现“变色”发光效果。根据出光面是否掺有散射剂及有无颜色，LED 可分为有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型 LED 适合做指示灯用，尖头的或
25、是带有金属反射腔封装的非散射型 LED，具有很高的指向性，适合局部或定向照明。另外，按发光面的特征分，LED 有圆形、方形、矩形等。圆形 LED 的直径最小的不足有 1mm，大的在 20mm 以上。在舞台灯光领域所采用的 LED 功率大（单玫功率一般为 3 瓦，也有 5 瓦的），发光效率高（达 100 流明 /瓦），具有红绿蓝等多种颜色，通过相加混色，可产生各种艳丽的色彩。LED 除了可作成照明灯具外，还能以点阵的形式做成 LED 显示屏，用来显示文字、图形、视频等各种信息。大型的 LED 显示屏由尺寸相对较小的 LED 矩阵块组成，有低清屏和高清屏、单色屏和真彩屏、图文屏和视频屏等多种类型，
26、广泛应用于车站、商场、体育场馆等公共场所作图文信息显示。近些年来，大型的 LED 显示屏还广泛地用于影视演播室、大型运动会及综艺演出等领域，如 CCTV 春晚舞台的背景屏幕、舞台地面及两侧的立柱，2008 北京奥运会开幕式上的巨幅画卷及画轴，都是由 LED 点阵构成的显示屏来完成文字和图像显示的。2OLED(Organic Light Emitting Diode)光源OLED 即有机发光二极管，其发光层由有机化合物（一种聚合体）构成，发光单元本质上和发光二极管类似，但不是用电流驱动发光，而是由电场驱动发光，所以 OLED 属于场致发光器件。发光聚合体采用印刷工艺以点阵的形式沉积于一块很薄的平
27、板上，在电场的驱动下，每个点阵就是一个像素，可以发出各种色光，所以 OLED 可以广泛地用于电视、电脑的显示屏及各种手持数码产品上，如手机、PDA 及各种音视频播放器等，其外观图 1.20所示。OLED 的优点是轻薄、省电、视角大、发光效率更高，目前来看，其主要缺点是寿命不如 LED 和 LCD，大尺寸屏幕的量产困难，另外色彩的艳丽程度也有待改善。由于OLED 目前在舞台和影视照明领域还基本没有获得应用，不再详细探讨10根据发光原理的不同，光源主要有热辐射型、气体放电型和固态型三种。热辐射型电光源主要有白炽灯和卤钨灯两种，气体放电型电光源则有荧光灯、汞灯、钠灯、氙灯和金卤灯等众多类型，固态光源
28、主要有发光二极管（LED）和电致发光器件（OLED）两类。在气体放电型电光源中，汞灯、钠灯都有低压和高压之分，荧光灯最终是借助紫外线刺激荧光粉发光，是低压汞灯的一种，也是较早的一类气体放电灯。三基色荧光灯是荧光灯家族中的一个重要成员，有取代普通荧光灯的趋势。氙灯和金卤灯都有长弧和短弧之分，短弧型应用较多，是今后的发展趋势。另外，即使是同一类型的光源，其色温往往也有高低之分，适用于不同的领域。在气体放电光源中，发光效率特别高、可以把功率做得很大的光源，如高压汞灯、高压钠灯、金卤灯和氙灯等，被认为是高强度气体放电灯（High-Intensity Discharge Lamps：HID ） 。在演播
29、室照明、综艺演出舞台、电影放电机、投影仪、影视外景拍摄等应用领域，最常采用的三种电光源是三基色荧光灯、卤钨灯和金卤灯。业内通常将热辐射型光源看成是第一代电光源，荧光灯是第二代，气体放电型中的HID 是第三代，而固态型则被认为是最新型的第四代电光源。1.2 电光源的基本参数 电光源的主要参数有额定电压、额定功率、额定寿命、光通量输出、发光效率、色温、显色指数和光谱能量分布等。对于一般的民用及工业照明，发光效率、光通量输出和额定寿命等指标具有重要意义，但对于舞台和影视照明，最重要的参数则是光通量、色温和显色指数等。1.2.1 额定电压额定电压（Rated Voltage）即光源的标称工作电压，因光
30、源的构造、型号和应用领域等不同，光源的供电电压有直流和交流两种形式。直流供电的光源一般采用电池、电瓶或稳压电源供电，电压从几伏到几十伏不等。汽车用光源一般是通过电瓶供电，工作电压多为 12V。LED 必须用直流供电，单只 LED 的工作电压一般是 2V 左右（当 n 个 LED 串联工作时，供电电压为 2nV） 。采用交流供电的光源，其额定电压通常等于或略高于本国的电网电压，在市电为 110V 的国家，光源的额定工作电压多为 110-130V。在我国，用市电供电的光源，额定工作电压多为 220-240V。这只是一般的规律，实际情况下，由于光源的应用情况极为复杂，额定工作电压也是多种多样，应以光
31、源上的电压标识或说明书上给定的额定电压标称值为依据，正确选用和控制光源的工作电压。注意，虽然大部分光源当工作电压超过额定电压时，发光效率和光通量输出有所增加，但同时也会造成光源寿命大幅缩短，比如热辐射型电光源，工作电压每超过标称电压5%，使用寿命将降低一倍。另外，像卤钨灯这类光源，当工作电压偏高时，其卤钨再生循环速度将加快，导致内部的卤元素数量不足，进而出现和普通钨丝灯一样的壳体黑化、寿命缩短的现象。因此，在使用中一定要做到供电电压与电源的额定电压相符，以保证光源的使用寿命和稳定的光色指标。1.2.2 额定电流额定电流（Rated Current）即光源的标称工作电流。对于给定功率的光源，在额
32、定电11压下工作时，其额定工作电流将随之是一个定数额定电流和额定电压的乘积等于额定功率。1.2.3 额定功率电光源在额定电压下所消耗的功率叫额定功率（Rated Power），单位是瓦（W）。在发光效率和色温等一定的前提下，光源的功率越大，其光通量输出也越大。舞台和影视照明光源的功率从几十瓦到几千瓦不等，LED 灯具中采用的发光二极管一般功率为 1W 左右。1.2.4 光通量光通量（Luminous Flux）是指光源在额定工作条件下，单位时间内辐射出去的光能量。光通量表征着光源的发光能力，单位是 lm（流明） 。多数光源的光通量输出随工作时间的增长而不同程度地降低。1.2.5 发光效率发光效
33、率（Luminous Efficacy）简称光效，定义是光源发出的光通量与其功率之比，即单位功率下辐射出去的光通量，单位是 lm/W（流明/瓦）。发光效率是评价电光源用电效率的技术指标，光源的发光效率越高，则电能转换为光能的比值越大，不但意味着同等功率的光源具有更高的照明指标，而且光源的温升还会相应变低。在各种光源中，固态光源、低压钠灯和金卤灯具有很高的发光效率。热辐射光源的发光效率都很低，绝大部分电能都无谓地转换为热能，导致光源的工作温度很高，所以是名符其实的热光源。1.2.6 额定寿命从电光源开始工作到严重老化或烧毁前的累计工作时间叫电光源的额定寿命（Rated Lifetime），单位是
34、小时。因构造和工作原理不同，光源的寿命相差很大，有的光源寿命只有几十个小时，而半导体光源的寿命则能达到数万个小时。当然，因使用条件或操作不当，也能严重地影响光源的使用寿命。一般像卤钨灯这类光通量衰减较小的光源通常用平均寿命作为其额定寿命指标，这是因为光源的寿命有相当大的离散性，即使是同一批光源，其实际工作寿命也会参差不齐。平均寿命一般通过老化实验获得，方法是取一组同型号的光源作为样本，同时点燃，到 50% 的光源损坏时所经过的时间，即平均寿命。像金卤灯这类光源，当累计工作时间达到其寿命值的一半时，其光通量输出将下降，光色指标也会发生一定程度的变化。因此，在金卤灯应用于电脑灯、追光灯这类对光通量
35、和色温指标要求较高的舞台灯具时，厂家通常会建议在累计工作时间达到额定寿命的一半时，更换新光源。1.2.7 启动与重启时间（Warm-up & Re-strike Time）电光源的启动时间（Warm-up Time）是指从接通电源到光源产生额定光通量输出所需要的最短时间，而重启时间（Re-strike Time）是指达到稳定工作状态的光源突然熄灭，然后再次点亮并达到额定光通量输出所需要的时间。大部分高压气体放电光源的重启时间比启动时间略长，这是因为重启的前提条件是光源的温升必须降低到一定程度，因此和启动时间相比，重启时间增加了一个光源冷却所需要的时间部分。热辐射光源基本是瞬时启动的，所以厂家一
36、般不再给出启动和重启时间这个指标。气体放电光源的启动和重启时间，根据光源的具体种类不同，从几十秒分钟到十多分钟不等,比如采用金卤灯作为光源的电脑灯在突然断电后，必须等待十分钟左右才能再次启动。1.2.8 色温12色温（Color Temperature）是用来定量分析光源颜色成分的一个量化指标，在照明、摄影、摄像、印刷出版等领域具有极为重要的意义。色温的定义是当绝对黑体在某一温度时发出的光与某光源的光色相同时，就把此时绝对黑体的温度叫做该光源的色温。色温的表示符号是 CCT，单位是 K（kelvins ：凯尔文） ，和光源的温度及光线的亮度没有什么关系，但色温有冷暖之分：色温高时，颜色偏冷，给
37、人以理性、冷静的感觉；色温低时，颜色偏暖，给人以温暖、松弛之感。蓝色、青色是冷色，黄色、红色及橙色是暖色。很多光源，如卤钨灯、三基色荧光灯、汞灯、钠灯和金卤灯都有低色温和高色温之分，电视演播室照明要选用 3200K 的低色温品种，而外景照明或模拟日光效果时，要选用 5600K 左右的高色温品种。1.2.9 显色指数显色指数(Color Rendering Index:CRI)用来定量描述光源的显色性能，与色温共同决定着色彩的还原能力。有些光源，例如高压汞灯，在远处看，又白又亮，但在近处，人脸在其光线照射下，却明显地偏于青色，这是因为其发出的光谱中青色部分的能量偏大，或者说青色的补色红色的能量不
38、足。也就是说，显色指数与光线的光谱构成密切相关，显色指数相同的两种光源同样用作摄像照明时，其色彩还原能力可能会表现出很大的差异。显色指数的缩写是 CRI 表示，单位是百分数，表示符号是 Ra，比如物体在全色光谱的太阳光照射下，色彩还原最为真实，其 Ra=100，即显色指数为 100%。需要注意的是，光源对物体真实色彩的还原能力并非与其显色指数总是成正比关系，比如，白炽灯的显色指数接近 100，但其光谱中冷色成分较少，所以显色偏暖，在其光线照射下，呈像偏于橙红色。另外，显色指数相同的两种电光源，如果其光谱能量构成和分布不同，其色彩还原能力也会有明显的差别。表 1.1 给出了炭丝白炽灯、钨丝白炽灯
39、和影视演播室用卤钨灯的几个主要参数，不难看出三种光源在光通量、发光效率和色温方面的明显差别。需要注意的是，虽然三种光源的色温有所不同，在同等条件下拍摄时，色彩还原效果存在着较为明显的差异，但厂家给出的显色指数却均为 100。这是因为虽然三种光源的色温不同，或者说偏于暖色的程度不同，但它们发出的都是连续光谱，光线中包含的色彩可以说是“应有尽有” ，因此只要正确地调整摄像机的白平衡，对偏暖的光线部分进行不同程度的衰减，完全可以获得同样真实的色彩还原效果（参见图 1.22 三种热辐射光源的光谱功率分布） 。表 1.2 是给出了几种气体放电光源的几个主要参数，不能看出，其发光效率均明显高于热辐射光源，
40、但显色性能却不及热辐射光源。因填充的气体材料不同及工艺构造等方面的差异，即使同一类别的气体放电光源（比如金卤灯） ，其色温差别也很大。不管是低压钠灯还是高压钠灯，其色温普遍偏低。表 1.2 中给出的金卤灯和氙灯是专门用于舞台灯具或影视外景照明的类型，其色温和中午日光的色温基本相同，有“人造太阳”之称，特别适表 1.2 几种气体放电光源的主要参数对比三基色荧光灯 高压贡灯 低压钠灯 高压钠灯 金卤灯 氙灯光通量 1200 lm 1000 lm 5700lm 7000 lm 110000 lm 80000 lm发光效率 66.7 lm/W 40 lm/W 95 lm/W 46.7 lm/W 91
41、lm/W 40 lm/W色温 3000 K 5900K 1700K 2500K 5600K 5600K显色指数 85 16 -44 80 95 未知额定寿命 1000 小时 1000 小时 4000 小时 8000 小时 1000 小时 2000 小时13合模拟日光的光效。由于具体到某一品牌和种类的光源时，其型号众多，表 1.1 和表 1.2 是从舞台和影视照明应用出发，选取了部分有代表性的型号进行排列对比，在用光实践中，应以光源的使用手册上的参数为准。1.2.10 光谱能量分布光谱能量分布(Spectral Power Distribution)是指电光源所发出的光波中，在各波长点的能量构成
42、和相对能量分布，通常用光谱能量分布曲线来表示。光源的光谱能量分布直接决定着光源的色温和显色指数，其色彩还原性效果如何，可以从其光谱能量分布曲线中作出大概的判断。光源发出的光谱有连续光谱、线状光谱和点状光谱三种。连续光谱是指光源发出的光线波长在整个可见光范围内是连续的，能占满可见光的全部区域。线状光谱是指光源发出的光线波长不连续，因而不能占满可见光的全部区域。点状光谱则是指光源发出的光线波长是单一的，或只占据整个可见光范围极窄的一段区域。连续光谱意味着光源可以发出各种颜色的光线，因而显色指数很高，具有近乎理想的色彩还原能力。线状光谱由于不能覆盖整个可见光范围，所以光线中缺少部分颜色，因而显色指数
43、较低，不能全部还原所有色彩。点状光谱颜色十分单一，显色指数极低，基本上谈不上色彩还原能力，但具有点状光谱的光线，其色彩具有极高的色纯度，是色彩最为饱和、鲜艳的纯色。纯色光又叫谱色光，不能再分解，其它由两种以上的谱色光混色而成的叫做复合光。特别需要说明的是，产生复合光的情况有两种，以白色光为例：一种情况是光源本身辐射的是连续光谱，且连续光谱中各谱色光的能量是相等的，即连续光谱的能量分布曲线是平坦的，这样的光线色温基本在 5600K 左右，光色效果和太阳光基本相同。当然目前世界上还没有这样理想的人造光源，不过通过在热辐射光源前面加滤色片的方法可以得到十分接近的理想效果。另一种情况是用两个以上的谱色
44、光混色，比如将红色与青色或红色、绿色和蓝色进行混色，只要各谱色光的能量比例恰当，理论上总能混色出白光。同样都是白光，但其谱色构成不同，这就是光学上的同色异谱现象。虽然用肉眼看上去，这两种情况下产生的白色光是一样的，甚至它们的色温也是相同的，但其光谱能量分布是不同的。用两种以上的谱色光混色而成的复合白光并不是全色光，其显色性能不如由连续光谱产生的白光。前面所说的高压贡灯发出的光线，虽然在远处看是白色的，色温也在 5600K 左右，但还原出的物体色彩却偏于青色，原因高压贡灯产生的白光是由不连续光谱中的多个谱色光混色而来的，其光谱中的红色的成分偏少，所以出现显色失真的现象。热辐射光源的光谱是连续光谱
45、，大部分气体放电光源的光谱都是线状光谱。图 1.22 给出了点状、线状和连续光谱光谱的功率分布曲线，从图 1.22 中可以看出，低压钠灯的光谱是标准的点状光谱，波长约 590nm，因而其光线呈鲜艳的黄色；三基色荧光灯的光谱是线状光谱，通过不同波长，即不同色光的混合，最终呈现暖白、冷白或中性白光线；热辐射光源的光谱，在可见光范围的各点上，能量呈连续分布，只是暖色光区域的能量高一些，所以光线呈偏暖的红橙色。14图 1.23 是三种热辐射光源的光谱功率分布曲线，虽然均为连续光谱，但炭丝白炽灯的光谱中，高色温的能量较弱，所以其色温偏低，只有 2000K，而卤钨灯的光谱能量中，高色温部分的能量相对较强一
46、些，所以其色温稍高，达到了 3200K，这是演播室中最为标准的色温，拍摄时只需将摄像机的白平衡开关直接置于 3200K 档位，即可得到真实的色彩表现。同样的是线状光谱，但因谱线的位置、数量、密度和幅度的不同，光源的色温和显色指数也会明显不同，表现为显色效果上的明显差异。为两种不同型号高压贡灯的光谱功率分布曲线，很明显，其光谱的数量、密度及分布等是不同的，不难判断出哪一种具有相对更好的显色效果。最后给出可见光中几种典型色光的波长，如表 1.3 所示，供参考。【本章重点】1. 根据发光原理的不同，电光源主要有热辐射型、气体放电型和固态型三种。2. 热辐射型电光源属于热光源，主要有白炽灯和卤钨灯两种
47、，卤钨灯又称卤素灯，是在普通钨丝白炽灯的基础上，充入少量碘或溴等卤族元素而制成，本质上还是钨丝白炽灯，图 1.22 点状、线状和连续光谱图 1.23 三种热辐射光源的光谱能量分布曲线表 1.3 几种典型色光的波长颜色 红色 橙色 黄色 绿色 青色 蓝色 紫色波长范围(nm) 630-780 600-630 580-600 510-580 450-510 430-450 380-430典型波长(nm) 700 620 590 550 480 440 41015但其光色性能更好，在影视照明领域获得广泛应用。3. 气体放电型电光源有荧光灯、贡灯、钠灯、氙灯和金卤灯等类型，除荧光灯外，都是利用气体放电
48、形成的电弧发光，灯的类别名称一般由灯体内充得的气体类型决定。4. 固态光源即半导体光源，主要是指 LED（发光二极管） ，具有极高的工作寿命、发光效率和优异的光色性能。5. 金属卤化物灯简称金卤灯，其主要发光材料是金属汞和卤元素。镝灯、HMI 和MSR 都是金卤灯的变种，可逼真地模拟日光效果，是电脑灯、追光灯的常用光源，也是新闻摄像和影视户外拍摄的常用光源。6. 贡灯、钠灯都有低压和高压之分，氙灯和金卤灯都有长弧和短弧之分。7. 高压贡灯、高压钠灯、金卤灯和氙灯等，发光效率特别高，并且可以做成超大功率的光源，被认为是高强度气体放电灯（HID） 。8. 在演艺舞台和影视照明领域，最常采用的光源有
49、三基色荧光灯、卤钨灯、金卤灯和 LED，其次是 氙灯和 UHP 高压贡灯。9. 根据电光源进入商用领域的时间早晚，习惯上将热辐射型光源看成是第一代，荧光灯是第二代，HID 是第三代，LED 固态型则被认为是第四代电光源。10. 包括卤钨灯、三基色荧光灯、钠灯和金卤灯在内的大多数光源，其色温都有高低之分，电视演播室照明要选用 3200K 的低色温品种，而外景照明或模拟日光效果时，要选用 5600K 左右的高色温品种。11. 电光源的主要参数有额定电压、额定功率、光通量输出、发光效率、色温、显色指数和光谱能量分布等，对于舞台和影视照明，一般需要重点关注的参数有光通量、色温和显色指数等。12. 光源的色温和显色指数决定于光源的光谱能量构成和分布规律，由于光源的构造和工作原理不同，光源的光谱有点状光谱、线状光谱和连续光谱三种情况，连续光谱的显色效果最好。【本章思考】1. 卤钨灯和普通白炽灯的主要异同有哪些？2. 和普通荧光灯相比，三基色荧光灯的主要优点是什么？3. 为什么有些光源发出的光线看上去是白光，但有时候还原物体色彩时存在偏色现象？4. 为什么同样是发白光，色温也相同的两种光源，但色彩还原效果却不同？试用同色异谱理论给出解释。5. 通过对表 1.2 中给出的几种气体放电光源的主要参数进行对比，你认为哪一种光源最适合用作影视外景照
