Недостающее звено

Мы «приручили» электричество 120 лет назад. С тех пор пользуемся лампами накаливания. И в то время, как технологии в других областях науки и жизни развивались семимильными шагами, лампы накаливания оставались всё такими же низкоэффективными, как и в начале. Обыкновенные бытовые лампочки преобразуют в свет всего лишь 3.5% потребляемой электроэнергии. Профессиональные лампы для сценического и студийного освещения обладают КПД в 7- 8% но, это до того, как они будут установлены в осветительные приборы (ОП), где общий КПД ощутимо падает из-за применения разных оптических приспособлений.

Лет 60 назад мы научились выращивать полупроводниковые кристаллы и делать из них светодиоды (LED). Первые поколения светодиодов были откровенно хилыми и производили так мало света, что годились в лучшем случае, как индикаторы для всякой электроники. Время шло, и развивающаяся технология стала открывать все новые возможности. К началу эпохи, которую мы называем третьим тысячелетием, т.е. порядка 15 лет назад, появились все предпосылки для того, чтобы начать использовать LED в сценических ОП.

Осенью 2003 года Роберт Герлак (Robert Gerlach) возглавил группу исследователей, работавшую над вопросом применения LED в театральном освещении. К тому времени уже существовали светодиодные ОП на основе эмиттеров красного, зеленого и синего цветов (RGB). Если смешать их свет, получалось нечто, что человеческий мозг воспринимал, как подобие белого света. Группа Герлака подтвердила то, что большинство из нас, находящихся в индустрии сценического освещения и так знали – такие ОП ущербны.

RGB светильники были вполне хороши для получения насыщенного красного, зеленого или синего цвета, но если пытаться смешать эти первичные цвета для получения цветов 2-го и 3-го порядков, LED ОП неизменно проигрывали. RGB LED освещение не позволяло передать другие цвета или натуральный оттенок человеческой кожи. Скажем, апельсин в таком освещении становится почти чёрным, потому что объект оранжевого цвета практически полностью поглощает чистый красный, зеленый и синий цвета. В то же время, объекты других цветов могли выглядеть феерично и ненатурально, в сравнении с тем, как они видны при естественном освещении. Отражённая яркость объектов разных цветов также не соответствовала действительности, т.к. уровень яркости не является постоянной величиной на всей ширине видимого спектра, как кто-то может подумать. И, самое печальное, качество белого света было очень далеко от желаемого, всегда присутствовала окраска и неестественность.

Герлак и его группа поставили перед собой задачу исправить такое положение вещей. Они стали исследовать возможности смешения цветов при разных сочетаниях цветных LED, для чего был изготовлен испытательный прототип ОП с 10 –ю цветами, равномерно расположенными по видимому спектру: красный 660нм, оранжево-красный 625нм, оранжевый 605нм, янтарный желтый 590нм, желто-зеленый 565нм, зеленый 530нм, циан 510нм, синий 475нм, индиго 450нм и фиолетовый 420нм.

Шесть из них, оранжево-красный, желтый, зеленый, циан, синий, индиго, были сверхяркими светодиодами Luxeon фирмы Lumileds, четыре же остальных были доступны только в виде слабомощных светодиодов общего назначения в корпусе диаметром 5 мм. Из последних пришлось делать кластеры по 50 LED одного цвета, чтобы как-то уровнять их световой поток со сверхъяркими LED Luxeon.

Этот прототип использовали в экспериментах, где 70-ти наблюдателям в возрасте от 15 до 65 лет предлагалось сравнить окрашенный и белый свет полученный смешением излучения RGB диодов, всех 10 LED и только шести Luxeon –ов повышенной яркости. Основываясь на этих исследованиях, Герлак с коллегами сконструировали ОП, который, по их мнению, хоть и был компромиссом, с учетом имевшихся в наличии LED технологий, но все же намного лучше подходил для задач театрального освещения, чем RGB LED ОП. Конечный продукт состоял из шести сверхярких светодиодов Luxeon и дополнительного красного светодиода, тоже повышенной яркости.

По окончании исследований, Герлак опубликовал статью (а фактически научный доклад), где описал свои изыскания — «LEDS TO LIGHT THE THEATRE» (Светодиоды для освещения в театре). Для производства были изготовлены рабочие чертежи и вместе с Новеллой Смит (Novella Smith), Герлак стал соучредителем компании Selador, которая начала производить целую линейку театральных ОП с использованием LED.

В 2009 –м ЕТС купила компанию, и присвоила одной из линий своей продукции бренд Selador. Тут бы и сказке конец. Все счастливы, продукты Selador, а затем ЕТС стали одними из лидеров в индустрии сценического цвета, их везде любят, а количество проданных изделий трудно подсчитать, но без сомнения цифра будет впечатляющей. Но история на этом не оканчивается.

В те годы, когда Герлак проводил свои исследования, выбор сверхярких LED, а точнее, с высокой световой отдачей, был сильно ограничен. Если бы в то время были яркие LED каких-то других цветов, вероятно, они были бы включены в окончательную конструкцию ОП. В сущности, докладе Герлака есть слова, просто пророческие для 2003 года: «когда будет больше цветов (светодиодов), мы сможем сделать матрицы, которые превзойдут по своим характеристикам наши нынешние светильники».

Одним из важных кусочков паззла, которого не хватало в 2003 году, был в частности, цвет Lime-Green, т.е. «зелёный лайм» или «зелёный лаймовый». Нашелся он только в феврале 2014 года, когда фирма Lumileds начала производство сверхъярких LED этого цвета.

Критической проблемой был провал в спектре между желтым и зеленым цветами. Но команде Герлака приходилось работать с тем, что было доступно на тот момент, поэтому чтобы заполнить этот пробел им и пришлось, за неимением лучшего, делать кластеры из слабых желто-зеленых светодиоды с подходящей длиной волны 565 нм. Сегодня же новый «зелёный лаймовый» светодиод фирмы Lumileds с излучением от 566 до 569нм точно попадает в ранее проблемный участок видимого спектра.

Со времени изысканий Герлака прошло 11 лет, что по масштабам технологического прогресса, огромный период времени. В компьютерной области закон Мура (Moore’s law) гласит, что количество транзисторов в процессорах удваивается каждые 24 месяца, а (удельная) цена падает. В LED индустрии есть похожий закон Хайца (Haitz’s Law), согласно которому яркость светодиодов удваивается каждые полтора – два года. Так что неудивительно, что новый LED цвета «лаймгрин» очень яркий. Поразительно то, насколько он яркий, его светоотдача – 200 люмен на ватт (лм/Вт).

А поскольку его излучение находится рядом с той частью спектра, к которой человеческое зрение наиболее чувствительно, это значит, что любой LED ОП, в состав которого входит такой светодиод, будет иметь преимущество в общей световой отдаче. Также это позволяет одновременно применять более мощные красные светодиоды, при этом сохраняя белый свет именно белым. В итоге интенсивность качественного белого света в ОП тоже намного выше.

Сравнение основных результатов исследования Герлака – цветовые охваты трех комбинаций разных светодиодов в модели CIE 1931. Белый треугольник – цветовой охват RGB LED. Сплошная черная линия – охват первого серийного 7-ми цветного LED ОП Selador. Прерывистая линия – цветовой охват 10-ти цветного прототипа, использовавшегося для экспериментов.

В конце 2014 года ЕТС запустила производство аппаратов Source Four LED Series 2, в которые … (барабанная дробь)… добавлен новый лаймгрин LED (удар тарелок!) Приборы ЕТС Source Four одни из самых эффективных и они есть везде, где требуется художественное освещение. А прожекторы Source Four LED Series 2 со светодиодами лаймгрин дают на выходе 48.8 лм/Вт против 18.3 лм/Вт у 750 ваттной версии с лампой накаливания.

Качество белого света и плавность изменения яркости практический неотличимы от галогеновых ламп с вольфрамовыми нитями накаливания. На сегодняшний день Source Four LED Series 2, пожалуй самое значительное достижение в индустрии сценического света, полученное благодаря «простой» идеи добавить светодиоды лаймгрин.

По иронии судьбы в театре не слишком жаловали зеленый цвет, но теперь его точно полюбят.

Ричард Кадена (Richard Cadena)
Перевод: Михаил Остапенко.