如何提高LED舞台照明灯具的光色性能？(2)
来源：互联网 作者：佚名 发布时间：2017-03-21 12:12
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对于照明灯具来说，由于显色指数是非常重要的一个指标，显色指数不合格会导致被照明的物体颜色出现明显差异，无法使用。因此，需要从众多混色比例中筛选出显色指数最佳的一组比例来使用。 为了改进灯具性能，从性能和成本方面对比了市场上的RGBW光源模组，最终确定使用一种特制的光源，如图2所示。 例如大中型剧场使用的面光灯，照射距离一般在30米以上，通常选用聚光性能非常好的长焦平凸透镜聚光灯，这样既可以很好的聚光，又能使杂散光得到有效控制。 舞台功能灯具要求对配光进行控制，不同的灯具对光束角有不同的要求，因此需要对LED进行二次光学设计。主要需要利用光学元件高效地改变LED的光强分布，使之达到灯具的设计要求。 目前，国内外的灯具制造企业均直接将白光LED光源用于舞台照明，白光LED国际通用的是蓝光激发荧光粉的发光模式，其显色性、光谱以及视觉效果同卤钨灯的光色指标存在明显差异。
图1 白光LED光源结构示意图 混色算法是控制光源调光混色，输出符合要求的色光的关键环节。 实测结果表明，灯具具备了拟合黑体曲线的白光连续色温调节能力，达到了替代卤钨灯具的水平，在实际应用中能够为演出行业提供具有良好光色质量的新型LED灯具。 针对白光LED光源照明技术的特点和不足，经过研究提出了以RGBW混色光源为基础，辅以基于PWM的混色算法控制系统、散热设计和二次配光设计，使LED基本光照明灯具的性能达到舞美灯光人员的要求。 由于卤钨灯是热辐射光源，发光原理与理想黑体相同，因此其色温变化时光色轨迹十分接近黑体轨迹。 目前较为成熟的白光LED的实现技术是蓝光LED 黄色YAG荧光粉的方式，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光，结构示意图如图1所示。 由于大功率LED芯片的光输出多为朗伯分布，50%光强角度为120度，不能满足舞台专业灯具的配光要求。 例如，卤钨灯从额定电压值下调光时，光参数的变化规律是：光亮度和色温逐渐降低，光色渐渐向红色方向变化，反之，当工作电压推升时，光亮度和色温都会提高，光色从红色向黄白色渐变。如同我们每天太阳升起时，东方的天边出现橘红色的太阳，而在中午，阳光变成一个白色的圆盘。 为了模拟卤钨灯光源的色温调节效果，计算出色品图中黑体轨迹上色温范围2300K~3200K的色品坐标，在显色指数最大的约束条件下计算出各色品坐标对应的RGBW混色比例和占空比，最终控制光源发出相应色温的白光。 图4 测试数据在色度坐标中的位置 在实际应用中，应采用了以热管技术为基础的散热设计，热管技术能使热量迅速传递到铝翅片散热器上，配合静音轴风扇将LED工作中产生的热能迅速的排出。 当需要进行色温或光色的转换时，则需要在光源前面配置滤光片，滤光片对光具有选择性吸收的特性，配置不同色品的滤光片就可以得到新的光色。
【中国安防展览网 视点跟踪】 传统的舞台灯具主要使用的是卤钨灯、氙灯等。以卤钨灯为例，其作为舞台照明光源的特点在于热辐射光源的光谱连续性，显色指数范围为95~100，接近理想光源。 测试表明LED光源发出的白光，在色温2300K至3200K之间光色达到了拟合黑体曲线的效果，并且在色温2800K~3200K可以获得理想的一般显色指数（Ra>85）。 散热和二次配光设计 在更注重舞台艺术表现力的场合下，长期以来舞美灯光人员使用的灯具均为卤钨灯具，其特点是当舞台灯光进行渐明渐暗调光时，光源的光色和色温会产生相应的变化，说明其光谱辐射相对能量分布都发生了改变。 在舞台应用中，对灯具色温的稳定性要求很高，因此根据LED光源的基本电气特性，应采用精确高效的恒流驱动方式，使光输出稳定可靠。 光源中的W（白光）部分选择色温3000K一般显色指数Ra≥85，将总功率接近300W的RGBW多种颜色LED光源均匀分布 1、LED光源的性能特点 虽然卤钨灯具可以达到令人满意的显色效果，满足艺术创作的色彩需求，其不足之处也是显而易见的。在卤钨灯的发光过程中发光效率低下，大部分的电能会以热辐射的形式散失，这会导致灯体温度大幅升高，应用过程中存在安全隐患。 尽管有的LED舞台聚光灯的一般显色指数可以高达90以上，但由于其频谱中的蓝光成分高，红色偏低，导致在使用过程中明显感到色彩还原、光色效果、艺术表现力等方面无法达到舞美灯光人员的要求，这也是目前演艺行业公认的LED舞台灯具在基本光照明方面存在严重缺憾。
“热光衰”是LED器件的特点之一，当温度上升超过一定数值时，其光效急剧下降或严重时导致整个LED提前失效。因此良好的散热设计是保证大功率LED灯具性能和寿命的必要条件。 但只利用RGB三种颜色混色，混出的光谱是不连续的，有很多可见光波段光谱能量为0，显色性会很差。而采用RGBW四种颜色混出某个色温点的白光，混色比例会有无穷多种，每种比例对应一种同色异谱光。 图3 RGBW混色光谱（色温3200K）
其中LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，其发出的光谱取决于选用的半导体材料特性。光源的色温由LED的光谱和荧光粉共同决定。 根据色度学计算，若采用确定的RGB三种LED光谱混出2300K~3200K范围某个色温的白光，只会有唯一的混色比例。 对于多颗RGBW混色技术的光色均匀性来说，单纯的光学组合无法满足光色均匀。需要在光学技术上有所突破。 |
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