窄频带发射器与颜色显现的手段

文 / [美]卡尔·G·鲁林，迈克·伍德 编译/施 端审校/ 姚涵春

（1．上海戏剧学院，上海 200040）

窄频带发射器与颜色显现的手段

文 / [美]卡尔·G·鲁林，迈克·伍德 编译/施 端1审校/ 姚涵春1

（1．上海戏剧学院，上海 200040）

介绍LED灯具作为一种窄频带发射器在颜色显现方面的特点，及其对舞台灯光应用的意义。

LED灯具；颜色显现；光谱；色质

20年前，纽约市歌剧院（New York City Opera）排演的歌剧《摩西与亚伦》①在灯光的作用下展示了一幕幕让人惊叹的场景。舞台被低压钠灯发出的黄色光渲染，当合唱演员穿着街头服装奔上舞台时，舞台上的一切都呈现出黄色、黄灰色或黑色，基本为单一色彩。随着面光（前部装有凸透镜的白炽光源）的亮起，舞台上显露出多种色彩，比如，虽然舞台上的黄色光的强度保持不变，但是一位演员的黑色裙子变成了红色。灯光设计师汉斯·托尔特德（Hans Toelstede）以白炽光源发出的光为背景，发挥了荧光灯、低压钠灯、高压钠灯与水银蒸气放电灯的作用，他除了利用光的色相、饱和度、强度、分布与运动等常用的手段外，还把颜色显现作为一种设计手段。

托尔特德在舞台上应用了显色指数低的光源，这种设计手段确实与众不同，但却不是独一无二的。在马克斯·凯勒（Max Keller）所著的《戏剧舞台灯光设计》②一书中，描写了低压钠灯与高压钠灯（这里指光源）在舞台上的应用情况：在一个描述“工厂车间”的场景里，使用了4光源灯组（four-lamp）、低压钠灯（这里指灯具）、敞开式（open-face）灯具，它们都需要一块20英寸大小的机械式遮光板来调节明暗。然而，在舞台上应用这些工业上使用的气体放电光源并不那么容易。它们不能瞬间点亮，不能电调光，为其配置的灯具也不是想象中的聚光灯。此外，它们所能达到的照明效果也十分有限：低压钠灯发出几乎单一的黄色光，在颜色显现方面，它极大地抑制了除黄色以外的其他颜色；高压钠灯发出的光为偏黄的琥珀色（yellow-amber）；水银蒸气放电灯发出白光，但这是一种偏蓝绿色的白光。这些灯具会给灯光设计带来很多困扰。如果对窄频带发射器的选择仅仅局限于气体放电光源，那么对绝大多数的剧目而言，把颜色显现作为一种设计手段就太困难、太受限制了。

LED也是一种窄频带发射器，如果灯光设计师意识到其独特的光谱特性的话，设计师可以通过LED灯具的运用使颜色显现作为一种设计手段。本文主要讲述LED灯具在颜色显现方面的一些原理与应用。

1 人眼对颜色的知觉

人眼的视网膜中含有两种感光细胞：杆体细胞与锥体细胞。杆体细胞在非常暗的条件下起作用，本质上它不会引发人眼产生颜色知觉。锥体细胞在光亮的条件下起作用，是颜色感受器。锥体细胞分成三类，通常称为L、M与S（long、medium与short）型，它们具有不同的光谱敏感特性。锥体细胞的实际光谱能量吸收曲线与我们通常所说的光的三原色不一致，且曲线之间有许多重叠部分，但是视网膜与大脑会进行大量的信号处理，这提高了人眼对颜色的分辨能力。

图1展示的敏感度曲线示意了人眼是如何看见颜色的。比如，波长为680 nm的纯红色光刺激了L型锥体细胞，但是对M型与S型锥体细胞的刺激几乎为零。来自L型锥体细胞的信号以及其他锥体细胞信号的缺失被大脑解释成“红色”。

对于光谱末端颜色的知觉机制理解起来相当容易，相比之下，光谱中段的颜色知觉更复杂、更有趣。例如，低压钠灯发出的黄色光由两条紧靠在一起的589.0 nm与589.6 nm的波长组成。它刺激了L型与M型锥体细胞，然后来自锥体细胞的信号经视网膜与大脑的处理后产生“黄色”知觉。然而，同样的感觉可以由两个间隔比较大的波长来产生，比如550 nm与630 nm。这种相同的黄色知觉也能由大约以589 nm为中心的波段来产生，前面提到的《摩西与亚伦》中的面光就属这种情况。只要L型与M型锥体细胞的相对刺激值相同，人眼对黄色的知觉就会相同。锥体细胞不具备发出其刺激值是任一特定波长的机制，它要么发出刺激信号要么不发出。

这套三类锥体细胞的感色系统能让我们看见那些不存在单一对应光波长的颜色，比如品红色。L型与S型锥体细胞受到光谱两端的长波与短波的刺激，引发我们看见了这个颜色，但是几乎不存在用于刺激M型锥体细胞的光谱中段的波长。因此，品红色滤色片有时被称为“减绿色”。

2 同色异谱与同色异谱性质遭到破坏

颜色是通过其刺激三类锥体细胞的数量即它的三刺激值来描述的，但是对于光谱中段的颜色而言，不同的光波长的组合、不同的光谱能量分布都可以产生一组特定的三刺激值，即一个特定的颜色。看上去相同但实际却具有不同光谱能量分布的颜色被称为“同色异谱色”。低压钠灯发出的黄色光与《摩西与亚伦》中面光发出的黄色光就是一个例子。日常生活中充满了同色异谱色，可以这么说，人眼在任何时候看到的某个表面涂覆与染色织物相匹配的颜料的物体，其颜色都是同色异谱色，颜料与染色织物不可能反射完全相同的光谱，它们在所谓的“正常”光（比如，日光、白炽灯或其他一些通用的白光光源）的照射下，只是看上去相同。

图1 人眼视网膜中的锥体细胞对光谱敏感度的标准分布曲线③

在一种照明条件下呈现相同颜色的两个物体，改换到另一种照明条件下却呈现不同的颜色，这时同色异谱色性质遭到了破坏。在《摩西与亚伦》中，一位演员的裙子与另一位演员的牛仔裤的色彩在低压钠灯的照射下是相匹配的，在前部装有凸透镜的白炽光源的照射下却不匹配，这是一个同色异谱色性质遭到破坏的例子，可能很多人不觉得这是“破坏”，而是灯光设计师故意制造的灯光效果。然而，同色异谱色性质遭到破坏确实存在不足，如在日光照射下汽车的装饰材料与颜料相匹配，但在路灯照射下却不匹配。

在一种照明条件下光源中存在与颜料或染料相匹配的波长，使其颜色显现出来，而在另一种照明条件下不存在这种波长，这时同色异谱性质遭到了破坏。例如，有一种水鸭色颜料，反射峰值为505 nm的光波段，另一种不同的水鸭色颜料，反射峰值为470 nm与525 nm的光波段。如果用青色或公主蓝色（princess blue）色片过滤的全光谱白光或白炽灯来照射（即让一系列的波长通过，这无疑覆盖了470 nm～525 nm以及更多的波长），这两种水鸭色看上去相同；如果用LED变色灯具（通过彩色LED来获得一系列色光，包括白光在内）来照射这两种颜料，那么，结果将难以预测。cyan LED的主波长为505 nm，blue LED与green LED的主波长分别为470 nm与525 nm。LED变色灯具是否含有cyan LED，会影响到这两个颜料的视觉效果；如果这盏LED灯具渐变到深蓝色，那么，这两个颜料呈现出的颜色变化肯定有差异，不是表现在色相上，就是表现在强度上。

我们通过实验来说明在不同的单色LED混合光源照射下的不同的颜色显现。为了便于比较，照相机的白平衡锁定在“白炽灯”状态，不同的照片只有曝光时间不同，明度与对比度经Photoshop软件略微调整，以使它们之间的亮度级别具有可比性，但是不涉及对颜色的调整。样品是一块带有不同颜色条纹的织物，置于一块纯白色投影屏幕前。实验使用的灯具限定为彩色LED灯具。一些LED变色灯具含有经混合后发出白光的white LED，通常，可以通过在blue LED管芯中加入一种波段较宽的黄色荧光粉的方式来实现。发出的白光是由blue LED发出的蓝光与荧光粉受激发出的黄光混合而成。与各种单色LED组合使用后混合出的白光相比，它的光谱更加连续，但是其光谱能量呈不平直分布，而且颜色显现仍然取决于对LED与荧光混合物的选择。因此，技术性问题几乎是相同的，但是在经荧光粉转化来的白光的照射下，照片呈现出的颜色显现的可变性不如另一种方式显著。

图2展示了织物在4种光源照射下呈现的不同颜色效果，这4种光源分别为白炽灯、冷白色荧光灯、amber LED与cyan LED（经白平衡调整）、RGB LED（经白平衡调整）。在图2中，除白炽灯效果照片，其他三张照片都呈现出某种蓝色调，这是由于照相机的白平衡为“白炽灯”状态，考虑到这4张照片中背景呈现出的白色都相类似，我们暂且认可这种情况。那么，在这4张照片中，哪个光源照射下的物体的颜色显现比较准确呢？现比较一下：

（1）初看之下，似乎白炽灯的效果好一些，但是由于它缺少蓝色波长，因此，对织物底部的各种粉红色与品红色条纹的显现表现得不好；

（2）荧光灯可以将织物底部的色彩突显出来，但对黄色的显现表现得不好，而且过分提高了蓝色的饱和度；

（3）从视觉上看，琥珀色与青色的混合光源的效果令人满意，但是原本黄色、红色或粉红色条纹都蒙上了一层琥珀色，而且绿色基本无法表现出来；

（4）从总体上看，RGB LED的效果还不错，但是红色丢失了特有的使人感到温暖的感觉，给人一种略带超现实与卡通的感觉。

图3展示的是同一织物在青色的同色异谱色灯光下的差异。左图展示了仅在cyan LED照射下织物呈现的色彩，右图展示了织物在blue LED与green LED混合光源（经调节后与前者的色相相匹配）照射下呈现出的色彩。可以看到两张图中的白色背景屏幕呈现出的颜色非常类似，尽管颜色显现不尽相同。在这组照片中，cyan LED使图像呈现出非常单调的青色，而blue LED与green LED混合光源使图像展现出十分丰富的颜色变化，使绿色与蓝色从水鸭色的混沌状态显现出来。

微量的光波变化可以引发人眼视觉的变化，如图4所示，左图是织物在blue LED与green LED混合光源照射下呈现的色彩，右图则在同样的光源基础上添加了很少量的red LED光，不到其他光的10%。令人惊奇的是，这点微量的红光使织物的色彩显现发生了明显的变化，将左图无法表现的红色突显出来。从白色背景可以看出，这点红光不足以对整体色相产生真正的转变，也不足以使两条明显的绿色条纹转变为它们应该呈现的黄色，但是，人的眼睛感受到了那点红光，使人眼在织物的相应位置识别出不同的色彩。

3 LED与颜色显现

以上讨论并不意味着LED灯具在颜色显现方面的性能不好，通过这些实验我们可以了解到，借助对LED灯具的灵活运用，颜色显现可以成为舞台灯光的一种设计手段，与气体放电光源相比，LED灯具的优势是使用起来更加方便。设计师可以利用它们获得准确的颜色显现，或者营造给人压迫感或梦幻感的颜色，或者像托尔特德在《摩西与亚伦》中所做的那样，利用LED灯具来抑制颜色。然而，设计师应该注意，即使不想有意识地对颜色显现进行处理，舞台上的颜色显现也会受LED灯具的影响，采用不同颜色LED的灯具可以发出相同区域的白光，并使白色屏幕呈现几乎相同的颜色，但会使有色物体显现出不同的颜色。

就如何产生某一特定颜色的问题，RGB LED灯具没有为设计师提供太多选择。黄色光可由一定量的red LED与green LED混合而成，然而，不是所有的RGB LED灯具都采用相同的red LED与green LED。为了获得更漂亮的黄色以及更淡雅的颜色显现，一些RGB LED灯具没有采用red LED（625 nm），而是采用了red-orange LED（615 nm）；为了获得更浓烈的蓝色，一些RGB LED灯具没有采用blue LED（467 nm），而是采用了royal blue LED（460 nm）。这些灯具设计都发挥了作用，但是使用过不同颜色的LED灯具的设计师会发现这些光源对有色物体的颜色显现不完全相同，即使把发出的色光投射到白色屏幕上时，屏幕呈现出相同的颜色。

在灯具中采用4种或更多颜色的LED，使设计师把颜色显现作为一种设计手段成为可能。如图5所示，当超出RGB系统能力时，通常首先添加的颜色是主波长约为590 nm的琥珀色（amber），以此来填补主波长分别为625 nm与525 nm的红色与绿色之间的一大段间隔。现在，设计师可以通过点亮amber LED或者点亮red LED与green LED，或者点亮所有的LED，并调节它们之间的相对强度，以此来营造黄色效果。灯光设计师想要营造出任一特定的黄色，可以通过很多不同的方法实现，但是颜色显现与这些方法都不同。另外，添加了red-orange LED（615 nm）之后，色光有了更多的选择，灯光设计师花费在设置控制通道上的时间也增加了。

4 对控制方式的挑战

随着灯具中各种LED颜色数量的扩展，为获得所需的色相、饱和度与强度（现在还应包括color rendering quality，即颜色显现品质），对控制通道的设置也变得复杂起来。单个颜色通道为设计师提供了非常好的控制，但是就像在预选控制台（preset desk）上通过移动推杆来设置电脑灯的参数那样，操作非常繁琐。许多先进的灯光控制台都具有某种颜色选取（color picker）功能，这有助于简化LED变色灯具的颜色选取，但是到目前为止这些功能都是让设计师选择色相、饱和度与强度，尚未见到具有色质选取（color quality picker）功能的控制台。

图5 普通LED的相对光谱能量分布

CRI（显色指数）的概念已经使用了很久，用它来描述诸如通用的荧光灯、白炽灯与HID（高强度气体放电灯）发出的白光的颜色显现是相当不错的。然而，CRI并不适合用来描述色光的颜色显现。相关专业机构希望能将色质（color quality）的概念引入专业灯光领域，关于显色指数与色质指数，已有专门文章探讨（见本刊2010年第11期第8页、2010年第12期第16页——编者注），此处不再赘述。

下一步工作就是要制定出有效的色质度量标准。而设计师要做的就是利用窄频带发射器发出的混合光源，为舞台演出创造出更丰富的视觉效果。

（本文根据美国《PROTOCOL》杂志2010年春季刊《Color rendering: Narrow-band emitters give designers another tool》一文编译。）

注释：

①《摩西与亚伦》（Moses und Aron），是阿诺德·勋伯格的一部未完成的三幕歌剧作品，取材自《旧约·出埃及记》。前两幕创作于1930～1932年。阿诺德·勋伯格（Arnold Schoenberg，1874～1951），美籍奥地利作曲家、音乐教育家和音乐理论家，是20世纪著名的现代音乐作曲家之一，“表现主义”乐派的主要代表人物。

②《戏剧舞台灯光设计》，根据《Light Fantastic：Art and Design of Stage Lighting》翻译而成，孔庆尧、忻雁译，上海人民美术出版社2009年4月出版。

③该图摘自维基百科《锥体细胞》（Cone cell）一文。

（编辑 张 淼 张冠华）

Color Rendering: Narrow-Band Emitters Give Designers Another Tool

Original / [USA]Karl G.Ruling, Mike Wood Translate / SHI Duan1Emendate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Features of color rending were introduced for LED lamps and lanterns as narrow brand launcher. Meanwhile, the importance of stage lighting was addressed as well.

LED lamps and lanterns; color rending; spectrum; chromaticness

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.003