如何提升LED舞臺照明光色性能？RGBW四色光源混光技術(shù)解析

舞臺燈光作為一種藝術(shù)照明，光源的亮度、光效、色溫、顯色性、調(diào)光性、光可控制和閃光特性都必須滿足一定的要求。

傳統(tǒng)的舞臺燈具主要使用的是鹵鎢燈、氙燈等。以鹵鎢燈為例，其作為舞臺照明光源的特點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)需要進行色溫或光色的轉(zhuǎn)換時，則需要在光源前面配置濾光片，濾光片對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，大部分的電能會以熱輻射的形式散失，這會導(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光源用于舞臺照明，白光LED國際通用的是藍光激發(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舞臺聚光燈的一般顯色指數(shù)可以高達90以上，但由于其頻譜中的藍光成分高，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LED舞臺基本光照明燈具的光色性能的方法。

LED光源的性能特點

目前較為成熟的白光LED的實現(xiàn)技術(shù)是藍光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)的藍光互補而產(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)制對白光LED光源調(diào)光的過程中并不會導(dǎo)致色溫的明顯變化。白光LED的這種特性在對色溫穩(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，其特點是當(dāng)舞臺燈光進行漸明漸暗調(diào)光時，光源的光色和色溫會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，說明其光譜輻射相對能量分布都發(fā)生了改變。

例如，鹵鎢燈從額定電壓值下調(diào)光時，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，光亮度和色溫都會提高，光色從紅色向黃白色漸變。如同我們每天太陽升起時，東方的天邊出現(xiàn)橘紅色的太陽，而在中午，陽光變成一個白色的圓盤。

在舞臺燈光的應(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，進而滿足燈光師和觀眾的心理和生理需求。這種需求對白光LED光源的光色性能提出了挑戰(zhàn)。

LED舞臺照明燈具光色性能改進的方法

針對白光LED光源照明技術(shù)的特點和不足，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)計和二次配光設(shè)計，使LED基本光照明燈具的性能達到舞美燈光人員的要求。

LED光源的選擇

對于多顆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。

為了改進燈具性能，從性能和成本方面對比了市場上的RGBW光源模組，最終確定使用一種特制的光源，如圖2所示。

圖2 定制的集成光源平面示意圖

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。

散熱和二次配光設(shè)計

“熱光衰”是LED器件的特點之一，當(dāng)溫度上升超過一定數(shù)值時，其光效急劇下降或嚴(yán)重時導(dǎo)致整個LED提前失效。因此良好的散熱設(shè)計是保證大功率LED燈具性能和壽命的必要條件。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)采用以熱管技術(shù)為基礎(chǔ)的散熱設(shè)計，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%光強角度為120度，不能滿足舞臺專業(yè)燈具的配光要求。

舞臺功能燈具要求對配光進行控制，不同的燈具對光束角有不同的要求，因此需要對LED進行二次光學(xué)設(shè)計。主要需要利用光學(xué)元件高效地改變LED的光強分布，使之達到燈具的設(shè)計要求。

對于遠距離使用的聚光燈，要求10%光強角度小至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。

基于PWM和RGBW混色算法的LED驅(qū)動控制

在舞臺應(yīng)用中，對燈具色溫的穩(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、藍光和白光LED驅(qū)動電流的占空比，可以改變各自色光的強度，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)計算，若采用確定的RGB三種LED光譜混出2300K~3200K范圍某個色溫的白光，只會有唯一的混色比例。

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，顯色性會很差。而采用RGBW四種顏色混出某個色溫點的白光，混色比例會有無窮多種，每種比例對應(yīng)一種同色異譜光。

對于照明燈具來說，由于顯色指數(shù)是非常重要的一個指標(biāo)，顯色指數(shù)不合格會導(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光源進行混色實現(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算出各色品坐標(biāo)對應(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

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，以及設(shè)計了基于PWM和RGBW混色算法的LED驅(qū)動控制系統(tǒng)。

實測結(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，達到了替代鹵鎢燈具的水平，在實際應(yīng)用中能夠為演出行業(yè)提供具有良好光色質(zhì)量的新型LED燈具。