基于LED光源的色温可调摄影灯设计

基于LED光源的色温可调摄影灯设计

李慧林1,安彪2

杭州宇中高虹照明电器有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：近些年来，随着摄影技术的飞速发展，摄影布光由最初靠单一光色布光转变为不同色温的灯具相组合来对被拍摄场景进行布光。为克服传统镝灯类灯具色温单一、体积大、不便运输、发光效率低、能耗高等问题。

关键词：LED光源；色温可调；摄影灯设计

引言

摄影一词源于希腊语，最初的意思是“以光线绘图”。摄影是指使用某种专门设备进行影像记录的过程，而摄影作为一门光的艺术，在摄影过程中对灯光的运用直接或者间接决定了摄影品质的优劣。

1LED光源的照明属性

LED背景墙技术是现在非常热门的电影虚拟化制作技术，而照明数字控制技术进入电影制作行业相对较早一些，这两项技术能够在电影行业迅速变成热门话题，在于它们带来了技术革新，很好地满足了某些特殊条件下拍摄的要求，当然根本原因还是得益于LED光源核心技术的提升。LED光源的核心技术发展至今，已经能够基本满足影视拍摄的高要求。区别于传统光源，LED光源可以实现全色温广色域，具有体积小、寿命长、发热低、稳定性高等特点。近几年来，影视专用LED光源的显色指数大多更是达到了95以上，光谱连续性也更好了，再加上LED光源本身的优势，在泛光灯、大面积柔光方面，LED光源取代传统光源几乎是大势所趋。而在聚光方面，LED光源也可以借助套筒等聚光附件，达到聚光效果，并且几乎可以避免多重影子。LED背景墙和使用照明数字控制后的LED光源的照明属性均建立在影视专用LED光源照明属性的基础之上。

1.1LED背景墙的照明属性

很多LED背景墙的初次使用者常常会忽略，LED背景墙本身除了能够显示内容之外，它也是一个非常大的面光源。在拍摄中使用了LED背景墙之后，屏幕墙本身的亮度和显色就可以提供丰富、细腻、真实的环境光照明，性质也是散射光，能够很好地模拟真实环境中丰富色彩的散射光直射、反射效果。但是目前的普遍显色性指数不高，除了部分品质极高的屏幕外，显色指数普遍不超过80。

1.2使用照明数字控制技术的LED光源的照明属性

本小节中提到的LED光源，指的是能够进行影视拍摄、显色指数通常达到95以上的灯具。使用数字照明控制技术后照明属性由组合内的灯具决定，可以使用平板灯具组合起来构成面光源，也可以将直射灯具单独控制，在拍摄空间中的位置也是由搭建之初就决定好了的。另外，依托了照明数字控制技术的LED光源在提供环境照明基础上，还能够添加更多艺术创作效果，通过DMX协议，可以实现诸如雷电、警灯、电视光、火光等特殊控制效果，辅助达成摄影师的艺术创作目标。

2LED光源系统介绍

2.1LED系统-散热

区别于传统的卤素光源，LED为俗称的“冷光源”。顾名思义，LED在热辐射方面相对于卤素灯泡较小，所以LED在发光时所产生的热量主要通过热传导的方式向外导出，这是LED与传统光源不同的典型方面之一。尤其作为前照灯照明的应用，LED功率往往较高，发热功率也相应增加，LED产生的热量需要通过连接散热器的形式向外导热（必要时需要风扇强制对流）。另外，LED和卤素灯泡的差别还在于LED的热衰减现象非常明显。结温过高会直接导致光输出的减小，所以在前照灯照明系统里，对散热系统进行设计变得尤为重要。必须确保在空间和成本限制的条件下，最大限度地降低实际的LED工作结温。以上两个原因使得散热器设计成为了LED应用系统中的一个重要环节，对后期实际工况及可靠性影响很大。现主流前照灯散热器的形式主要有铸铝和冲压铝板等。根据实际的工作情况和灯具内部空间，可以针对设计散热器的大小、形状和鳍片间距。

2.2LED系统-电子

LED的封装会引出正负极，而正负极与电源的连接一般通过PCB板提供，所以LED一般会焊在PCB上。由于LED封装尺寸小，光学系统对于LED的公差要求也会相应提高，所以PCB作为LED的载体，除了连接电路外，还须承担精准定位的功能。为此，产生了较多的贴片工艺来控制LED在PCB上的位置公差。另外，PCB还是LED链接散热器的桥梁。PCB在散热方面需要满足高导热率的要求，尽可能将热量高效地传输出去。因此，不同基材形式的PCB板应运而生，满足不同的工况需求，针对上述走线、定位和导热等诸多功能，PCB成为系统中比较复杂的一部分，也有较宽的技术选择范围和价格区间。

2.3LED系统-光学系统定位

最后，LED所产生的光输出会被光学系统搜集，而光的利用效率往往与LED位置精度大大有关。通常LED会先基于PCB板基准孔定位，然后再和光学器件定位。

3色温可调LED摄影灯的设计

随着技术的发展，对应不同的使用场景，摄影灯发展出了不同的分支。例如，对便携性、续航等要求较高的棒灯和面板灯，对光通量要求较高的专业级点光源摄影灯。在大功率摄影灯中，LED摄影灯以可控性好、节能等优点，受到更多摄影师和剧组的青睐。LED摄影灯在开发过程中所运用的技术主要包括LED光源的应用技术、大功率散热技术、LED调光技术和智能控制技术。

3.1LED摄影灯的光源设计

在摄影行业按照LED光源的种类，可将摄影灯具分为点光源、线光源和面光源。摄影灯使用的点光源主要分为两类。一类是以SMD(SurfaceMountedDevices)光源为主，通常应用于小功率便携点光源摄影灯，另外一类是以COB(ChipOnBoard)和CSP(ChipScalePackage)光源为主，通常应用于大功率或者超大功率的点光源摄影灯。无论是何种光源，光源的质量是摄影灯研发中必须要考虑的问题。通常来说，评价光源质量的优劣一般从以下几个方面考虑:色温、显色指数(CＲI)、电视灯光一致性指数(TLCI)、黑体偏离(DUV)值、色彩保真度、色彩饱和度、额定电压以及耐压值。在众多指标中，TLCI和CＲI两个参数需要着重关注。因此在满足使用条件下，应选择高数值的TLCI和CＲI，例如选择TLCI在98以上，CＲI在96以上的光源。本文设计的摄影灯光源采用先进工艺的CSPLED光源，CSP-LED又称为芯片级封装LED，其具有热阻值低、电气稳定性高、体积小、结构简单、散热性能好、发光角度大、光色一致性好等优点，整个光源在额定工作时功率可达1200W，其中整个光源分为两部分，即1200W的冷白(6500K)色温和1200W的暖白(2700K)色温两个支路，以便于驱动电路的设计同时降低开发成本。

3.2LED摄影灯的散热器设计

LED是通过电子和空穴的复合释放光能和热能，产生的热能会导致LED芯片温度升高，高温将造成LED温漂、寿命缩短等问题，这一点在CSP光源上表现得尤为明显。以CSP光源为例，光源产生的热量会集中在一个很小的区域内，其热流密度可达250～500W/cm2，70%的非辐射热能使得LED光源的结温提升至120℃以上，高温会严重影响摄影灯的使用寿命。除此之外，会对摄影灯的光效、色温等产生比较明显的影响。LED常见的散热方式主要分为两种，即主动散热和被动散热，其中主动散热又可以分为风冷、水冷和半导体制冷等。对于小功率摄影灯光源来说，使用被动散热就足以满足散热需求，使光源在正常工作时其结温低于最高可承受结温。但是对于大功率CSP点光源，被动散热效果远远达不到光源正常工作的散热需求，所以使用大功率CSP光源时一般选择采用主动散热的方法。基于大功率CSP光源发热量高、体积大、工作环境相对复杂多变等情况，散热设计还需考虑成本问题，因此市面上选取较为成熟的风冷散热方式居多，即通过铜管、翅片以及风扇的配合，满足光源的散热需求。对于使用CSP光源的摄影灯，使用时的噪声影响要尽量降低，在选取散热组件时就要求所使用的风扇是无声或是低声的。

3.3协调器设计

在JenNet-IP网络中，协调器主要承担了网络“组建者”与“维护者”的角色。例如，可使用协调器进行网络的初始化设置，对网络各项参数进行设置；利用协调器提供的消息路由功能，对每个灯具、传感器的状态信息进行检测分析，实现故障识别功能。协调器上留有一个USB接口，能够与路由器连接，完成双向通信。本文在设计协调器时，除了必要的电源电路、外围电路外，还加入了RS232接口电路，该电路采用FT232RL芯片控制，内置12M晶振，无需外部振荡电路，减轻了设计工作量。同时，FT232RL芯片的D1、D2和CT等引脚，分别与JN5168微控制器的DIO7、DOP6、DIO5管脚连接，在传输数据或发送指令时，可以做到“一对一”传达，无须发送请求或建立通信网络，提高了通信效率，保证了系统的响应速度。

3.4遥控器设计

遥控器可用于调节灯具的照度值、场景模式、工作模式，并支持单独控制、组合控制、区域控制等多种调控方式。从结构组成上来看，本系统中使用的遥控器主要有5部分，除了JN5168芯片外，还有电源、键盘、射频收发器和其他外围器件。为了节约空间，在设计遥控器时选用了板载天线实现数据信息的收发。这里主要介绍电源模块和键盘模块的设计内容。在电源设计中，选用3.8V锂电池作为电源，为遥控器供电。在电源正极处串联一个二极管N5819，起到分压作用；在VCC和GND之间串联2个电容，一个为0.1μF，另一个为10μF，起到滤波作用。在键盘设计中，考虑到遥控器JN5168芯片的I/O口有限，键盘按键采用矩阵形式进行连接，不占用I/O。整个键盘共设计16个功能按键，采用4×4方格布置，另外加入1个唤醒键，可以将遥控器从“睡眠”模式唤醒。

3.5结合真实环境光线构成进行照明

这一点是进行光线照明的关键技巧，很多经验不足的摄影师和照明师在光线塑造过程中，往往被高新技术的使用迷惑，执着于摄影棚内的光线匹配，忽略了结合真实环境中的光效呈现，则得到的光线效果差强人意。尤其是在力求还原真实拍摄效果时，LED背景墙中显示素材的制作也会严格参照真实环境进行控制，甚至直接采用在严格的天气条件下实拍的环境素材。因此在背景墙提供的环境光构成中，就会已经存在一个指定的气氛。充分浏览素材，找到这个指定气氛，然后按照该指定气氛的真实环境光线进行照明创作设计。在照明数控方面，除了在显示素材中出现的色彩需要提炼之外，还应该对光源的性质、方向、亮度等信息进行提炼，在此基础上，更应当结合真实环境中的光线结构。尤其是作为强烈直射光的太阳的位置，需要找准，然后结合具体气氛，进行其他光线的布置。

3.6追求摄影真实感，建筑影像真实感

利用虚拟构建真实，这是棚内还原的理想追求。在达成这一追求的路上，方向目标应当确立为摄影真实感。摄影真实感是虚拟化制作中模拟真实摄影影像效果的追求，而在摄影棚内进行数字虚拟化拍摄时，只有素材中的摄影真实感基础牢固，才能进一步构筑影像的真实感。经过多年的观影体验，观众已经非常熟悉摄影真实感的存在，在进行拍摄时，LED背景墙显示技术需要提供与真实拍摄相应的环境光照，当然还有相应的清晰度、景深、视角、锐度、焦外模糊等。同时，在还原真实的基础上还应当充分利用电影摄影创作中的各种技法，充分发挥艺术创造力，为画面增添各种要素来进行艺术实践，完成正常电影摄影创作中应当完成的各个环节，丰富的影调细节、准确的造型控制等环节都不应当被忽略。当然，也可以脱离现实依据，建立完全艺术化、风格化的光效效果。

结语

基于LED光源的色温可调摄影灯采用模块化的结构设计，组装灵活，使用方便，上部为摄影灯灯体，下部为支架，结构合理、组装灵活、使用方便。光源一致性好、使用寿命长，随着使用时间的增加，相比传统摄影灯具，其色温漂移较小;具有多种遥控方式，使用更加智能、方便灵活。现如今，直播、拍短视频、摄像乃至影视作品制作过程中都不可缺少使用灯具来布光，本产品具有诸多优点，将其用于各类摄影和摄像过程中的布光，效果显著，推广前景广阔。

参考文献

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