舞台灯光照明如何保证灯具的光色性能

类别:行业新闻    发布时间:2019-03-12 08:47    浏览:

对于所有的灯具照明的一些应用场景来说,舞台灯光不仅仅是一种照明的简单灯具,更是一种艺术,一种利用灯光的效能达到的一种艺术感。那么对于灯的要求就不会仅仅定位于简单的光照性能,更是一种结合光源的亮度、光效、色温、显色性、调光性、光可控制和闪光特性结合于一种的艺术追求。那么如何在舞台灯光中保证其各方面性能进而达到艺术追求呢?

 

我们知道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,显色指数范围在95~100,最为接近理想光源。

 

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。

 

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。

 

本文提出一种利用RGBW四色光源混光技术改进LED舞台基本光照明灯具的光色性能的方法。

 

LED光源的性能特点

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,结构示意图如图所示。

 

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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。

 

因此,在通过电流调制对白光LED光源调光的过程中并不会导致色温的明显变化。白光LED的这种特性在对色温稳定性要求较高的场合例如影视拍摄现场受到了极大欢迎。

 

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。

 

LED舞台照明灯具光色性能改进的方法

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。

 

LED光源的选择

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。

 

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。

 

散热和二次配光设计

 “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。

 

在实际应用中,应采用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。

 

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。

 

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。对于远距离使用的聚光灯,要求10%光强角度小至10度左右。

 

散热和二次配光设计

 “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。

 

在实际应用中,应采用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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

基于PWM和RGBW混色算法的LED驱动控制

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。

 

调光方式应采用PWM(脉宽调制)的方式,保证在LED调光时的色温(白色)或波长(彩色)不致发生变化。

 

LED灯具与卤钨灯具调光过程色温变化对比如图3所示,可以看出LED灯具在调光过程中色温是不变的。

 

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。

 

根据PWM调光的基本原理,改变红光、绿光、蓝光和白光LED驱动电流的占空比,可以改变各自色光的强度,通过不同占空比的组合,就可以得到不同混合比例的光色。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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