三亿体育漫谈灯光 1:从火把到电灯从核聚变到钨丝从胶片到拜尔滤镜

  新闻资讯     |      2024-04-17 09:35

  远古的人类点亮了火把,划开了文明的序幕,黑暗的夜空中闪耀的不再只有繁星与皓月,也有着属于我们自己的明亮与温暖。时间快进到 19 世纪,点亮希望的火把被替换成了更加高效也更加安全的煤油和汽油灯,它们不再释放出木头燃烧的芳香,但却着实安全了许多。

  那些拖着车奔驰在伦敦街道的马儿,或许想象不到,在不久的将来,照亮它们脚下“马路”的能量,和愤怒天神的电闪雷鸣将师出同源。

  人类对电的了解,和对火的运用并没有离得太远,在随后的一千多年内,一群聪明人们将我们对电的了解从“神迹”推进到了“科学”。

  19 世纪爱迪生改进白炽灯的故事,想必大家都耳熟能详,一条碳化棉丝,点亮了长达 2 天,而此后,或许是因为来自东方的神秘力量,由竹制碳丝制成的灯泡寿命长达一千余小时,将电灯从实验室里的玩具带到了千家万户。

  白炽灯发明后不久,远隔重洋的一位法国人马雷开始用 12 幅每秒的速度拍摄连续画面,电影技术初见雏形。

  这两个岁数相差无几的技术,在随后的岁月里也是形影不离,没有电影技术,我们无法捕获短暂而又美妙的光影和技术,而没有光,所有的细节都只能淹没在胶卷的颗粒或者数码的 noise floor 里。

  爱迪生发明竹丝灯泡后不久,一款更加强大、寿命更长的灯泡被发明出来,使用了自然界中熔点最高的金属——钨(Tungsten)来作为灯丝。

  通过在钨丝两端施加电压,让电流并不那么愉快地通过这根细细的导体,大量的能量被转化成热能,迅速将钨丝加热到数千摄氏度,钨丝白炽化,通过高温辐射发出光线,这也就是白炽灯名称的由来(incandescent light bulb)。

  发光原理此处我们并不需要详细展开,一个聪明人普朗克用这条公式向我们阐释了黑体辐射。

  你并不需要去背这条公式,你只需要知道黑体辐射的电磁波频谱只取决于黑体的温度,它们或许是红外或者更低的频率,可能是我们能用肉眼感知的可见光,也有可能是更高频的紫外线甚至更加高能的频率。

  作为被加热到约 3000K 的近似黑体,钨丝灯的发光表现和图中 3000K 的曲线相近,有大量的红外频谱,因此发热巨大,可见光波段也集中在红黄波段,因此给我们的主观观感就是它暖。

  显然这种加热发光的方式并不优雅,根据频谱不难推断,大约 90% 的电能会变成热能(IR 波段辐射)释放出来,如果灯泡的玻璃球内部真空度不够,那这条钨丝不出几次就会和残存的氧气剧烈反应给你表演光速嗝屁。

  为了让这条钨丝持续发光,我们只能把玻璃球内部尽可能抽真空。真空又带来了钨的蒸发问题,如果放任它蒸发,这条钨丝在日复一日的发光发热后会日渐消瘦,直到有一天不堪重负,把自己累趴。现代灯泡常在灯泡中充入卤素气体(VIIA 族),把蒸发的钨给踢回去,由此,卤素灯泡得以工作在更高的温度下,寿命也更长。为了应对更高的温度,玻璃会被换成熔点更高的石英材质,石英灯的说法也由此而来。

  美妙的是,离我们最近的恒星,那颗高挂在天上的核聚变氢灯——太阳,发光原理同样遵循黑体辐射,不过它的能量要高得多,表面温度可达 5800K 左右,它的黑体辐射频谱会更接近图内 6000K 的那条曲线,不难发现它的频谱强度最高的地方位于约 500nm 处——对我们来说叫做绿色的波段。

  也正是因为这个原因,地球上的植物们为了防止自己光合作用的时候被热效应烤坏,纷纷选择了将这个能量最高的波段反射回来,也正因如此我们的身边才会遍布绿色的植物。三亿体育

  需要利用光合作用的植物们在进化中拒绝了能量最高的绿光,而作为捕食者的人类则进化出了对绿色更加敏感的视觉系统,在我们的视锥细胞中,对绿色敏感的数量也是最多的,毕竟,能利用多一个光子,或许就能更好地看清猎物,更早地躲避天敌,就能在大自然的优胜劣汰中占据多一份优势。

  事实上,我们的绿色视锥细胞几乎是红蓝的两倍还多,在我们向数码时代过渡时,设计 CFA 的 Bryce Bayer 先生也敏锐地注意到了这一点,因此将 CFA 中的绿色像素设计成了红色和蓝色的两倍,这就是现在几乎所有数码相机都在使用的 Bayer CFA 设计。

  在光源相对单一的年代,拍摄环境远没有今天这么复杂,最聪明也最省事的办法显然就是为白天和夜晚各打造一款符合主流光源的胶片。

  于是我们就有了胶片/胶卷年代的日光和灯光卷,日光卷的标准色温为 5500K(部分标准 5600K),以日光照明的曝光平衡为基准,灯光卷的标准色温为 3200K,以卤素钨丝灯的照明曝光平衡为基准。

  在胶片巨人柯达的系统里,这两种卷分别用 D 后缀(Daylight)和 T 后缀(Tungsten)标注。

  虽然这两种胶卷能很好地适应 5500K(5600K) 和 3200K 的色温,但是创作者们总是想要更多,我们无法改变氢灯(太阳)和卤素灯泡的发光特性,又要怎么样才能获得介于 3200-5500K 色温的灯光呢?

  通过在灯光,或者窗户前添加滤色片(Color Correction Gel),我们可以拦截掉部分波长的光线,或者降低部分波长的强度,尽管它并不是一个截止关系,但通过改变光谱的分布,我们就能获得两者(3200-5500K)之间的色温。

  把色温从日光向钨丝调整的,本质上是让灯光变“橙”了,因此这类滤色片被我们称作 CTO(Color Temperature Orange),而反过来把色温从钨丝向日光调整的,本质是让灯光变蓝“了,它们则被我们称作 CTB(Color Temperature Blue)。

  至此,我们已经成功获得 3200-5500K 范围内的色温,只需在卤素灯前叠加对应的滤色片即可。

  非也,卤素灯光谱有接近 90% 的 IR 频率,红外线的热效应那可不是闹着玩的。

  为了获得更冷的色温,这张 CTB Gel 可能会吃掉 1/3EV - 1EV 的光线,不仅会导致最终观感变暗,还会导致大量的 IR 辐射需要被强吃,而要保持原有的亮度,这站白炽灯的功率就需要翻倍。

  这也是为什么在影视灯具中,白炽灯少则 800W 1kW,多则数千瓦都有,不仅是因为影视拍摄时需要大量的光线,更因为要为滤色片导致的减光留出余量。

  影视人希望能拥有更高效的灯具,也希望拥有更方便调节色温的灯具,于是,一个全新的世代呼之欲出。

  现在的影视灯具,比如我手中的南光 Forza 300B,可以无缝提供 2700-6500K 的宽色温选择,0-100% 的精确调光,无需繁琐地添加滤色片,更仅仅使用 300W 的能耗就实现了传统钨丝灯 3000W 才能实现的亮度。

  这接近 10 倍的发光效率是怎么来的,COB LED 又是如何实现无棱角灯珠光斑的?为什么说现在大家手里的影视灯具背后是一个诺奖级别的突破?