傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈具主要使用的是鹵鎢燈、氙燈等。以鹵鎢燈為例，其作為舞臺(tái)照明光源的特點(diǎn)在于熱輻射光源的光譜連續(xù)性，顯色指數(shù)范圍為95~100，接近理想光源。
當(dāng)需要進(jìn)行色溫或光色的轉(zhuǎn)換時(shí)，則需要在光源前面配置濾光片，濾光片對(duì)光具有選擇性吸收的特性，配置不同色品的濾光片就可以得到新的光色。
雖然鹵鎢燈具可以達(dá)到令人滿意的顯色效果，滿足藝術(shù)創(chuàng)作的色彩需求，其不足之處也是顯而易見的。在鹵鎢燈的發(fā)光過程中發(fā)光效率低下，大部分的電能會(huì)以熱輻射的形式散失，這會(huì)導(dǎo)致燈體溫度大幅升高，應(yīng)用過程中存在安全隱患。
目前，國內(nèi)外的燈具制造企業(yè)均直接將白光LED光源用于舞臺(tái)照明，白光LED國際通用的是藍(lán)光激發(fā)熒光粉的發(fā)光模式，其顯色性、光譜以及視覺效果同鹵鎢燈的光色指標(biāo)存在明顯差異。
盡管有的LED舞臺(tái)聚光燈的一般顯色指數(shù)可以高達(dá)90以上，但由于其頻譜中的藍(lán)光成分高，紅色偏低，導(dǎo)致在使用過程中明顯感到色彩還原、光色效果、藝術(shù)表現(xiàn)力等方面無法達(dá)到舞美燈光人員的要求，這也是目前演藝行業(yè)公認(rèn)的LED舞臺(tái)燈具在基本光照明方面存在嚴(yán)重缺憾。
本文提出一種利用RGBW四色光源混光技術(shù)改進(jìn)LED舞臺(tái)基本光照明燈具的光色性能的方法。
1、LED光源的性能特點(diǎn)
目前較為成熟的白光LED的實(shí)現(xiàn)技術(shù)是藍(lán)光LED+黃色YAG熒光粉的方式，熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的黃光與原先用于激發(fā)的藍(lán)光互補(bǔ)而產(chǎn)生白光，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 白光LED光源結(jié)構(gòu)示意圖
其中LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，其發(fā)出的光譜取決于選用的半導(dǎo)體材料特性。光源的色溫由LED的光譜和熒光粉共同決定。
因此，在通過電流調(diào)制對(duì)白光LED光源調(diào)光的過程中并不會(huì)導(dǎo)致色溫的明顯變化。白光LED的這種特性在對(duì)色溫穩(wěn)定性要求較高的場合例如影視拍攝現(xiàn)場受到了極大歡迎。
在更注重舞臺(tái)藝術(shù)表現(xiàn)力的場合下，長期以來舞美燈光人員使用的燈具均為鹵鎢燈具，其特點(diǎn)是當(dāng)舞臺(tái)燈光進(jìn)行漸明漸暗調(diào)光時(shí)，光源的光色和色溫會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，說明其光譜輻射相對(duì)能量分布都發(fā)生了改變。
例如，鹵鎢燈從額定電壓值下調(diào)光時(shí)，光參數(shù)的變化規(guī)律是：光亮度和色溫逐漸降低，光色漸漸向紅色方向變化，反之，當(dāng)工作電壓推升時(shí)，光亮度和色溫都會(huì)提高，光色從紅色向黃白色漸變。如同我們每天太陽升起時(shí)，東方的天邊出現(xiàn)橘紅色的太陽，而在中午，陽光變成一個(gè)白色的圓盤。
在舞臺(tái)燈光的應(yīng)用過程中，這種使用方式和習(xí)慣很容易表現(xiàn)生活場景和情緒，進(jìn)而滿足燈光師和觀眾的心里和生理需求。這種需求對(duì)白光LED光源的光色性能提出了挑戰(zhàn)。
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2、LED舞臺(tái)照明燈具光色性能改進(jìn)的方法
針對(duì)白光LED光源照明技術(shù)的特點(diǎn)和不足，經(jīng)過研究提出了以RGBW混色光源為基礎(chǔ)，輔以基于PWM的混色算法控制系統(tǒng)、散熱設(shè)計(jì)和二次配光設(shè)計(jì)，使LED基本光照明燈具的性能達(dá)到舞美燈光人員的要求。
LED光源的選擇
對(duì)于多顆RGBW混色技術(shù)的光色均勻性來說，單純的光學(xué)組合無法滿足光色均勻。需要在光學(xué)技術(shù)上有所突破。
為了改進(jìn)燈具性能，從性能和成本方面對(duì)比了市場上的RGBW光源模組，最終確定使用一種特制的光源，如圖2所示。
光源中的W（白光）部分選擇色溫3000K一般顯色指數(shù)Ra≥85，將總功率接近300W的RGBW多種顏色LED光源均勻分布在不到20mm的圓形面積內(nèi)，解決了光源問題，為之后的光色性能改進(jìn)打下基礎(chǔ)。
圖2 定制的集成光源平面示意圖
散熱和二次配光設(shè)計(jì)
“熱光衰”是LED器件的特點(diǎn)之一，當(dāng)溫度上升超過一定數(shù)值時(shí)，其光效急劇下降或嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)LED提前失效。因此良好的散熱設(shè)計(jì)是保證大功率LED燈具性能和壽命的必要條件。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用了以熱管技術(shù)為基礎(chǔ)的散熱設(shè)計(jì)，熱管技術(shù)能使熱量迅速傳遞到鋁翅片散熱器上，配合靜音軸風(fēng)扇將LED工作中產(chǎn)生的熱能迅速的排出。
由于大功率LED芯片的光輸出多為朗伯分布，50%光強(qiáng)角度為120度，不能滿足舞臺(tái)專業(yè)燈具的配光要求。
舞臺(tái)功能燈具要求對(duì)配光進(jìn)行控制，不同的燈具對(duì)光束角有不同的要求，因此需要對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。主要需要利用光學(xué)元件高效地改變LED的光強(qiáng)分布，使之達(dá)到燈具的設(shè)計(jì)要求。
對(duì)于遠(yuǎn)距離使用的聚光燈，要求10%光強(qiáng)角度小至10度左右。
例如大中型劇場使用的面光燈，照射距離一般在30米以上，通常選用聚光性能非常好的長焦平凸透鏡聚光燈，這樣既可以很好的聚光，又能使雜散光得到有效控制。
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基于PWM和RGBW混色算法的LED驅(qū)動(dòng)控制
在舞臺(tái)應(yīng)用中，對(duì)燈具色溫的穩(wěn)定性要求很高，因此根據(jù)LED光源的基本電氣特性，應(yīng)采用精確高效的恒流驅(qū)動(dòng)方式，使光輸出穩(wěn)定可靠。
調(diào)光方式應(yīng)采用PWM（脈寬調(diào)制）的方式，保證在LED調(diào)光時(shí)的色溫（白色）或波長（彩色）不致發(fā)生變化。
LED燈具與鹵鎢燈具調(diào)光過程色溫變化對(duì)比如圖3所示，可以看出LED燈具在調(diào)光過程中色溫是不變的。
圖3 鹵鎢燈及LED光源色溫隨溫度變化曲線
混色算法是控制光源調(diào)光混色，輸出符合要求的色光的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
根據(jù)PWM調(diào)光的基本原理，改變紅光、綠光、藍(lán)光和白光LED驅(qū)動(dòng)電流的占空比，可以改變各自色光的強(qiáng)度，通過不同占空比的組合，就可以得到不同混合比例的光色。
根據(jù)色度學(xué)計(jì)算，若采用確定的RGB三種LED光譜混出2300K~3200K范圍某個(gè)色溫的白光，只會(huì)有唯一的混色比例。
但只利用RGB三種顏色混色，混出的光譜是不連續(xù)的，有很多可見光波段光譜能量為0，顯色性會(huì)很差。而采用RGBW四種顏色混出某個(gè)色溫點(diǎn)的白光，混色比例會(huì)有無窮多種，每種比例對(duì)應(yīng)一種同色異譜光。
對(duì)于照明燈具來說，由于顯色指數(shù)是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，顯色指數(shù)不合格會(huì)導(dǎo)致被照明的物體顏色出現(xiàn)明顯差異，無法使用。因此，需要從眾多混色比例中篩選出顯色指數(shù)最佳的一組比例來使用。
如圖4所示是利用RGBW(其中W光源色溫3200K，Ra=90）四種LED光源進(jìn)行混色實(shí)現(xiàn)的3200K白光光譜。
圖4 RGBW混色光譜（色溫3200K）
圖4中光譜一般顯色指數(shù)為Ra=95.0708，其中特殊顯色指數(shù)R1到R15分別為：99.5533 ，95.7185，85.2074，93.8084，97.6345，93.3711，94.3570，95.9162，99.4148，88.1205，92.9515，79.5729，98.4708，92.9175，99.4494，完全滿足舞臺(tái)影視燈具照明需求。
擬合黑體軌跡LED光源的調(diào)節(jié)效果
黑體軌跡又稱普朗克軌跡，定義為理想黑體在加熱過程中隨溫度升高發(fā)出的光色在色品坐標(biāo)下形成的軌跡線。
由于鹵鎢燈是熱輻射光源，發(fā)光原理與理想黑體相同，因此其色溫變化時(shí)光色軌跡十分接近黑體軌跡。
為了模擬鹵鎢燈光源的色溫調(diào)節(jié)效果，計(jì)算出色品圖中黑體軌跡上色溫范圍2300K~3200K的色品坐標(biāo)，在顯色指數(shù)最大的約束條件下計(jì)算出各色品坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的RGBW混色比例和占空比，最終控制光源發(fā)出相應(yīng)色溫的白光。
測試表明LED光源發(fā)出的白光，在色溫2300K至3200K之間光色達(dá)到了擬合黑體曲線的效果，并且在色溫2800K~3200K可以獲得理想的一般顯色指數(shù)（Ra>85）。
部分測試數(shù)據(jù)如表1所示，測試數(shù)據(jù)在色品坐標(biāo)中的位置如圖5所示。
圖5 測試數(shù)據(jù)在色度坐標(biāo)中的位置
3、結(jié)論
選用特殊排布的RGBW四色光源，散熱和二次配光設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)了基于PWM和RGBW混色算法的LED驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
實(shí)測結(jié)果表明，燈具具備了擬合黑體曲線的白光連續(xù)色溫調(diào)節(jié)能力，達(dá)到了替代鹵鎢燈具的水平，在實(shí)際應(yīng)用中能夠?yàn)檠莩鲂袠I(yè)提供具有良好光色質(zhì)量的新型LED燈具。
