LED舞臺燈具的現狀及應用分析
來源：本站 作者：admin 時間：2019-09-28 07:00:27 瀏覽次數：62
有發光效率高、可調光，但是單體功率小、價格高的特點。隨著技術的進步，LED舞臺燈具在演出中的應用日漸增多。本文分析LED燈具的優點和存在的問題，展望其良好的應用前景。 1 LED舞臺燈具的現狀 1.1 技術發展概況 自20世紀90年代藍光、白光及高亮度LED出現以來，LED的發光效率不斷提高，商品化的LED管目前已經達到50 lm/W~100 lm/W的發光效率，并且它的光效仍在不斷提高，估計最終能夠達到200 lm/W左右，不僅大大高于10 lm/W~30 lm/W的白熾燈（包括鹵鎢燈），也大大高于目前的所有光源。但是單個LED功率很小，只有1 W~5 W,光效再高也才幾百流明，而舞臺燈具動輒上千瓦功率、上萬流明的光通量，所以，以前許多人從未想到將LED用到舞臺燈具上。 本世紀初，藍光LED得到普及，白光LED技術逐漸成熟，LED的光效比白熾燈成倍提高，大功率（瓦級）LED的壽命可達到幾萬小時，同時，它還具備開關快速、調光方便的優點，將多個LED組合以提高總光通量的新型L E D 舞臺燈具開始出現。起初，由于技術的原因和昂貴的價格，這種燈具少人問津，近年來由于LED燈具光效的提高，聚光杯、管芯、外殼等零配件的普及，許多廠商開始組裝生產。LED燈具以其鮮艷的色光、節能環保等優點吸引了人們去嘗試。 一些演出中使用了LED燈具，取得了較好的效果。 目前，LED用于白光照明的模式有兩種：一種是用發藍光的管芯中加上熒光粉，使發出的部分藍光通過熒光粉轉換為黃光，部分藍光和黃光混合成為白光；另一種是將分別發紅、綠、藍光的三個LED管組合使用，混合后形成白光。用于電視照明的以前一種方式居多，用于舞臺照明的以后一種方式為主。 1.2 LED用于舞臺照明的優勢 LED燈具能夠用于舞臺照明，得益于它的幾個主要特點： （1）節能高效。 與白熾光源（包括鹵鎢光源）燈具相比，LED燈具節能高效的特點十分突出，我們可以通過兩種燈具結構的比較來觀察這一點。 a.白熾燈具的光效。目前常用的白熾燈聚光燈具中，作為光源的白熾燈泡體積較大，常采用反光鏡和聚光透鏡結構。其中一種為球面反光鏡，燈絲位于球面反光鏡球心，球面將射向燈具后方的光線反射回燈絲一起向前，由于燈絲位于前部聚光透鏡焦點附近，燈絲發出的光線將由聚光透鏡會聚成一束接近平行的光束，如圖1所示。該光路只能利用燈泡發出的一部分光線，加上反光鏡和透鏡的損耗，整個燈具的光效只有百分之十幾。
b.鹵鎢燈具的光效。目前效率較高的橢球反光鏡成像聚光燈，得益于鹵素燈泡的小型化，如圖2所示，燈絲位于橢球形反光鏡內部的一個焦點上。 由于橢球的特點，它有兩個焦點，從一個焦點發出的光線經過橢球面的反射后，將會聚于另一個焦點。將燈具前方的聚光透鏡的焦點與橢球反光鏡的第二焦點接近，可將光源發出經過反射通過第二焦點的光線匯聚成一束平行光線。由于燈泡中充填鹵素，燈絲、泡殼的工藝和材料得到改進，燈泡尺寸縮小，燈泡被深深包裹在橢球反光鏡內，橢球反光鏡對燈泡的包容角很大，因此，燈泡發出的光大部分被利用，該燈的光效比上一種燈具高，可達40%~50%.
c.LED燈具的光效。目前常見的L E D 光束燈， 使用專用的聚光杯，LED發光二極管安裝于全透明的聚光杯中。聚光杯中部為一個凸透鏡，將位于凸透鏡焦點的LED管向前發射的光束聚集成平行光束，而LED管側面發射的光束進入聚光杯的內側面后進過折射到達聚光杯外側面，由于聚光杯外側面與內側面經過設計有一定的夾角，光線到達外側面時，該光線在外側面的入射角將大于制作聚光杯材質的臨界入射角，因而不可能再發生折射，只能產生全反射由前方射出，經過合理的設計，出射光將成為平行于燈具光軸的平行光線，如圖3所示
大功率LED管內部有一個效率很高的反光鏡，是一個單向發光的光源。‖ 一個小小的聚光杯，可將LED管發出的光線幾乎全部利用并形成平行光束，光源的利用率非常高。由于LED管發出的光線不包含紅外線，LED工作時溫度也不太高，雖然聚光杯緊貼LED,仍然可以用高透光的聚酯塑料制作，也不會因高溫變形。精心設計、模壓成型的聚光杯，成批生產，一致性很好。 LED 管與聚光杯組合成一個模組，但是光通量還不夠，一般是將一個個相同的模組再一次組合，成為一個平面的LED陣列，如圖4所示，這樣一來，一個一百多瓦的LED燈具發出的光，相當于幾百瓦的鎢絲白熾燈燈具的亮度，已經能滿足舞臺應用的需要，符合節能的要求。
有人將LED內部的光學設計稱為一次設計，聚光杯設計為二次設計，聚光杯模組的組合為第三次設計。平面型的聚光杯模組組合工藝相對簡單。由于在同一個平面上，每個模組發出的平行光束是重疊的，因此，整個燈具射出的是一束略微發散的平行光，通過大量的LED發光，產生符合舞臺需要的強光。 將LED 燈具與白熾燈的燈具比較，一方面，目前LED管的發光效率比白熾燈高出兩倍以上；其次，發光二極管利用它體積小和溫度低的特點，采用了更為高效的光路設計，對光源光通量的利用率比白熾燈舞臺燈具要高好幾倍。兩個因素相疊加，同樣的光通量，白熾燈燈具要比LED燈具的功率大好幾倍。所以，較小功率的LED燈具可以達到舞臺所需要的光線強度的要求。 （2）色光亮艷。 在舞臺演出中， 燈光要用于為舞臺布景、道具、服裝染色，或創造特定的舞臺氣氛，舞臺演出大量使用彩色光。與目前舞臺燈具常用的彩色光比較，LED燈具在色彩方面的性能要優于傳統光源。以前，舞臺照明所用的色光，是采用在發白光的燈具前加上彩色的濾色紙或其他濾色片的方法，即擋住不需要的色光，只通過需要的色光光譜。由于大量不需要的色光被阻擋，射出的色光就相當弱了，尤其是常用的藍色光，它的光譜位于可見光譜的高端，由于人眼的特點，對可見光譜兩端的紅色和藍紫色特別不敏感，大量人眼敏感的光線被擋掉，燈具的發光效率就更低了。 同時，為了防止濾色片高溫褪色，濾色片要透過光譜中大量的紅外成分，在藍色濾色片透過短波長的藍光的同時，也有些長波段的紅光透過。因此，通過白熾燈前加藍色濾色片的方法得到的藍光不但亮度減弱，顏色也不純，很難使燈光師滿意。 LED燈具則相反，它的紅、綠、藍三色光由三個發光管發出，白光由三基色混合，需要某一色光時，只減少不需要的光譜發出，并發出所需光譜的色光即可，這樣一來，燈具發光效率大大提高。尤其是藍光，LED燈的藍光亮度相當于功率大于其十倍的白熾燈燈具加藍色色紙的亮度。LED燈具的色光在實際使用中有時顯得太過純亮鮮艷，為了降低色光的飽和度，有的LED燈具還加上發白光的LED燈珠，以產生淡雅的色光。 由于L E D 的發光效率比白熾燈高，燈具的光效比普通白熾燈燈具高，色光的效率更是高得多，LED燈具用于舞臺演出產生所需的彩色光，能充分發揮出LED的長處。 （3）壽命超長。 LED的壽命長達幾萬小時，而白熾燈的壽命僅為幾百、上千小時。但是早期研發LED燈具時，LED裝入燈具后出現了難以解決的散熱問題，使LED的壽命大大縮短，影響了LED燈具的推廣。LED管為半導體發光，以目前的工藝水平，LED工作時輸入的電能10%~20%轉化為可見光發出，剩余的80%~90%的電能將轉化為熱能，這些熱能必須及時散發，否則，將導致管芯溫度升高。如在常溫下工作，LED的壽命可達五到十萬小時。 做成舞臺燈具，許多LED管集中在一起，LED管的溫度就會升高，由此將導致 LED管發光效率降低，壽命縮短。 目前，一般的功率型LED管結構上已經得到大大改進，不僅本身有導熱基板，還配有鋁基金屬芯印刷線路板（MCPCB）作為散熱基板，便于將內部芯片產生的熱量導出。除了足夠散熱面積的散熱板或帶有散熱翼片，從LED管體到燈體外部整個導熱通道也設計得十分科學，若將內部LED芯片的工作溫度控制在100℃以內（LED的極限溫度是150℃左右），LED的壽命就能達到幾萬小時。 （4）使用方便。 LED舞臺燈具的使用十分方便。 LED的工作電壓為3 V~5 V的直流電，若想將LED舞臺燈具自帶220 V交流電變為可調光的低壓直流電源，只需要一臺發出DMX信號的燈光控制臺，不需要一般舞臺燈具必須外加的調光器。通過控制臺發出的DMX512信號分別控制紅、綠、藍三色LED管的亮度，可調出紅橙黃綠青藍紫各種色彩及亮度的光束。一個燈可代替多個不同顏色的常規舞臺燈具，免除了換色器。而且，燈體沒有一般白熾燈的玻璃燈泡和燈絲等易碎品，搬運、日常維護等都簡單得多，特別適合經常拆裝臺的演出場合。 2 LED舞臺燈具目前存在的問題 L E D 舞臺燈具優點很多， 很先進，但是目前還未能在舞臺演出中普及，主要存在以下問題： （1）目前價格比較高。 目前，LED舞臺燈具的使用受到限制，與常規舞臺燈具價格上的較大差距是推廣的一個重要阻力。 LED燈具成本較高主要有以下原因：高質量的發光二極管管芯主要來源于美、日等國外生產廠商，需要進口，價格較高；新燈具光路和燈具結構開發費用、高性能材料產生的成本也很高；將常用的220 V交流市電在燈具內部高效地轉換為LED所需要的低壓直流電所用開關電源，為調節燈內各路LED的色彩亮度需要的調光控制電路，以及與控制臺連接的DMX512信號接收與解碼處理的電路等等，在增加了功能的同時，也增加了燈具的成本。LED燈具目前還屬于一種高技術的產品，在尚未大批量得到應用的狀況下，成本的大幅下降有待時日。 （2）品種比較單一。 目前LED燈具品種單一，主要是一種光學結構：多個LED加聚光杯在一個平面排列而成的方形或圓形的發光面，組成LED光束燈。大量的LED光源制作在一個平面上，形成一個平面的發光體，照在對象上，除了中心區域一個均勻的光斑外，外圍是柔和漸變的光圈，形成由亮到暗的衰減區，難以形成邊緣清晰的硬光斑，更難用成像片切割產生各種不同形狀的光斑。這樣的LED燈具作為泛光燈或要求不高的光束燈尚可，要適應舞臺演出對光束的不同要求，例如要求邊緣清晰的硬光斑場合，或在光區要求嚴格、光束要成像切割控制的場合難以適用。一般舞臺聚光燈具（除了PAR燈）都有一個光束角大小或光斑柔硬可調節的范圍，上述的LED光束燈就無法實現了。如果作為泛光燈具，舞臺常用的天幕云燈中的碘鎢燈管加非對稱反光板可在舞臺天幕上方或下方向天幕投射均勻的光線，而LED模組平面布置的燈具均為對稱配光，所以，LED燈具作為天幕燈也有欠缺。 （3）質量參差不齊。 由于近年來關于" 第四代電光源"、"節能高光效"的概念炒作不斷，國內外的LED燈具生產企業大幅增加，一時間LED燈具產品鋪天蓋地。 目前，生產LED管成品的國內外企業很多，產品質量、價格差別很大。有許多廠商生產或仿制聚光杯，還有一些廠家不加設計，只是采購元件，組裝成燈具。因此，同樣的LED燈具，外形相似，由于采用不同的生產工藝、元器件，發光效率差別很大。 事實上，LED的生產工藝要求很高，并不是所有企業都具備相應的實力，因而造成市場上LED燈具的質量良莠不齊。LED燈具的光學系統設計要求十分精密，LED管和聚光杯的尺寸都很小，兩者的相對位置配合要求較高，小小的偏差，光線到達舞臺的位置將會有很大的差距。為了達到設計要求，工藝要求嚴格的廠家會對大批LED管的一致性進行篩選，考慮到LED管在線路板上焊漿的厚薄產生的差距，廠家會采用自動化的激光焊接工藝。 另外， 如前所述， 散熱問題直接影響LED的發光效率。目前優質的LED燈具從設計上和工藝上解決了散熱問題，可以有三萬小時以上的壽命，但是設計或工藝差的LED燈具則可能只有幾千小時甚至更短的壽命。 專業的研制、設計，嚴格的生產管理，企業從元器件、材料的選用，從先進的自動化操作機械到生產過程的嚴格質量控制（包括中間部件的老化處理），每個環節都影響著LED燈具的質量。 3 LED舞臺燈具的應用前景 盡管存在一些問題，但是LED舞臺燈具的前景還是為人們一致看好。 （1）LED的光效不斷提高，價格不斷降低。 單一管芯LED的功率和發光效率在不斷提高，實驗室中已經能夠達到超過160 lm/W（也有稱超過190 lm/W），商品化的產品也有每瓦上百流明的效率，科學家的目標是200 lm/W.單個管芯產品的功率也會有成倍的提高。 發光效率和單管功率的提高有助于燈具中LED管數量的減少，進一步提高燈具的光效。隨著科研的進展和應用的不斷擴展，LED的成本和價格也在不斷下降。比較電腦等微電子技術產品發展的過程，LED技術的發展速度以及它應用推廣速度之快，超出很多人的想象。 雖然LED舞臺燈具價格較高，但即使在目前仍然有使用的價值：一是電能的節約符合節能的國策；二是光源幾倍于白熾燈的長壽命對價格的分攤；三是減少了外圍器件（調光器、換色器）的使用，節約了成本；四是維護工作量減少，降低了使用成本。 綜合分析比較而言，LED燈具的高價格主要體現在一次性的投資上，從長期使用和使用效果的角度看，價格高還是可以理解的。國家政策的扶持和用戶觀念的更新，會擴大LED燈具的應用面。更重要的是，隨著應用的擴大和LED燈具產業的發展，大量的生產將進一步促使成本和價格的下降，成本的下降和應用的擴大相互促進形成一個良性循環，將產生積極的作用。當然，這需要廠商和用戶的共同合作和努力。 （2）新的組合式管芯的出現，單個LED管（模塊）的功率不斷提高。 "單個LED光源的功率"的提法目前看來有些模糊，原來的LED管是單個芯片制成，由于電流、發熱、出光效率等限制，單個LED管的功率不可能做得很大，影響到LED管的光通量。為此，已有廠商將多個LED管芯組合做在一個散熱基片上，內部串聯或并聯成為一個更大功率的模塊。目前，已經可以看到20 W、60 W甚至300 W的組合管芯LED管，組合管芯的LED管的總光通量大大增加。圖5為一個100 W的LED管，表1為它的技術參數。
組合大功率LED管雖然功率增大，總光通量變大，但是由于眾多管芯高度集中，散熱問題的解決更加困難，發光效率也有所降低。另外，多個管芯排列成一個平面，發光面積也增大，面發光的光源在燈具設計過程中，光線的匯聚和控制將變得困難，光的利用率也會降低。目前人們對這類組合管芯進行研究和開發，一是解決好大功率光源的散熱問題和發光效率，二是開發新的光學結構，提高燈具效率。 由于單一的光源和聚光鏡結構，調節兩者的相對位置，可以方便地改變光束角度的大小和光斑邊緣的虛實，滿足舞臺布光的要求，LED在舞臺燈具方面的應用將有新的突破。 （3）新型光學設計的突破，新燈種的開發。 舞臺演出多種多樣， 各種風格的舞臺演出樣式對光區的控制要求各不相同，舞臺燈具從條燈、天幕泛光燈、柔光燈、光束燈、舞臺聚光燈、成像燈、追光燈對燈具的聚光效果要求逐漸嚴格。目前，LED舞臺燈具的聚光性能可部分滿足從條燈到光束燈的要求，尚不能滿足舞臺聚光燈到追光燈的要求。 發光二極管與聚光杯模組的組合方式，光效較高，但是光束形式單一，難以如常規舞臺燈具般對光束進行控制和調節。科研人員還需進一步改進光學設計，即"三次設計".有人提出過兩種方案，圖6、圖7分別為納入普通舞臺聚光燈的思路增加聚光鏡或反光鏡的方案，這種方案可利用聚光鏡或反射鏡的位置移動改變光束角大小和光斑虛實，更適合目前舞臺燈具應用的習慣。但是，由于反射和折射的加入，燈具的光效會有所降低，這些都是研發人員需要解決的問題。我們也可以跳出這一思路，直接用前文提到的LED模組非平面排列產生可調節的光束。相信未來的LED新燈具將不斷創新，更適合舞臺演出的需要。
（4）控制軟件的改進使得LED舞臺燈具使用更加便利。 L E D 亮度不斷提高、單個功率不斷提高，以及燈具光路結構的改進，使得現有的燈具的亮度和光學性能將更好。在控制方面，調光和調色也會更方便。未來的L E D 燈具可產生更加豐富的色彩， 在紅、綠、藍的混合過程，國內外已經有超過三色的L E D 組成的燈具， 多色混合后的色彩更加豐富。調光模式也由一種顏色的LED一個調光通道，改為經過燈具內部編碼由色度（H）、飽和度（S）和亮度（B）三個通道調制的更便于使用的模式。國內也有廠商作了類似的嘗試，增加了配色的LED管種類，增加了多種調光模式。但如何使燈具設計更為科學合理、使用更方便，還有待進一步的改進。相信，隨著技術的進步和應用的普及，LED燈具的控制技術還可進一步改進。 總之，LED燈具已經走上舞臺，它的前景是光明的。它已經能替代一部分的白熾燈舞臺燈具，它還將替代更多的舞臺燈具。這一替代的過程規模多大，替代的速度多快，目前還難以預料，但是，這一過程有利于人類節能減排、保護環境的要求，也有利于舞臺燈光藝術的發展，希望生產廠商與舞臺燈光工作者共同努力，加快這一過程的發展。
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