基于RGBW四色LED光源的舞臺燈具光色性能改進研究

高建忠，呂繼凱,2,3，劉　章,2,3，任　慧,2,3，王小紅

(1.中國傳媒大學，北京　100024；2.視聽技術與智能控制系統文化部重點實驗室，北京　100024；3.現代演藝技術北京市重點實驗室，北京　100024;4.北京中照捷瑞光電科技有限責任公司，北京　102600)

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基于RGBW四色LED光源的舞臺燈具光色性能改進研究

高建忠1，呂繼凱1,2,3，劉章1,2,3，任慧1,2,3，王小紅4

(1.中國傳媒大學，北京100024；2.視聽技術與智能控制系統文化部重點實驗室，北京100024；3.現代演藝技術北京市重點實驗室，北京100024;4.北京中照捷瑞光電科技有限責任公司，北京102600)

根據舞臺藝術創作的需求，針對現有白光LED光源對比傳統鹵鎢燈具在藝術表現力方面的不足，本文從光源選擇、光源散熱設計、二次配光設計以及基于PWM的RGBW四色混光控制算法的設計四個方面提出了舞臺燈具光色性能的改進方法。實驗表明特殊排布的RGBW四色LED光源配合良好的二次配光設計，展現出良好的光色均勻性。燈具在色溫2300K至3200K之間調節過程中，色品坐標能夠擬合黑體軌跡，良好的重現了傳統舞臺燈具的使用效果。

LED舞臺燈具；RGBW四色LED光源；光色改性；擬合黑體軌跡

引言

對于優秀的燈光師，燈光不僅是照明工具，而且是利用光與色進行舞臺藝術創作的技術手段。傳統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性，顯色指數范圍為95～100，接近理想光源[1]。當需要進行色溫或光色的轉換時，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，滿足藝術創作的色彩需求，其不足之處也是顯而易見的。鹵鎢燈的發光發光效率低下，大部分的電能會以熱輻射的形式散失，這導致燈體溫度大幅升高，應用過程中存在安全隱患。

隨著LED照明技術的迅速發展，LED燈具憑借在豐富的色彩、耗電量低、壽命長等方面的巨大優勢迅速成為照明市場的主體。在舞臺劇場中，LED照明技術目前基本用在效果照明方面，各種色彩豐富的電腦燈、光束燈等由于其便于控制、光色性能好，已在娛樂演出時廣泛的應用，成為眾多演藝機構在娛樂節目的首選。盡管優勢明顯，白光LED燈具卻沒有得到專業燈光師的全面肯定。目前，國內外的燈具制造企業均直接將白光LED光源用于舞臺照明。白光LED通常采用藍光激發熒光粉的發光模式，其顯色性、光譜以及視覺效果同鹵鎢燈的光色指標存在明顯差異。盡管有的LED舞臺聚光燈的一般顯色指數可以高達90以上，但由于其頻譜中的藍光成份高，紅光成份偏低，導致在使用過程中明顯感到色彩還原、光色效果、藝術表現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公認的LED舞臺燈具在基本光照明方面存在嚴重缺憾。為此，本文提出一種利用RGBW四色光源混光技術改進LED舞臺基本光照明燈具的光色性能的方法。

1　LED光源的性能特點

目前較為成熟的白光LED的實現技術是藍光LED+黃色YAG熒光粉的方式，熒光粉被激發后產生的黃光與原先用于激發的藍光互補而產生白光，結構示意圖如圖1所示[3]。

圖1　白光LED光源結構示意圖Fig.1　The structure of white LED light source

其中LED的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，其發出的光譜取決于選用的半導體材料特性。光源的色溫由LED的光譜和熒光粉共同決定。因此，在通過電流調制對白光LED光源調光的過程中并不會導致色溫的明顯變化。白光LED的這種特性在對色溫穩定性要求較高的場合例如影視拍攝現場受到了極大歡迎。

在更注重舞臺藝術表現力的場合下，長期以來舞美燈光人員使用的燈具均為鹵鎢燈具，其特點是當舞臺燈光進行漸明漸暗調光時，光源的光色和色溫會產生相應的變化，說明其光譜輻射相對能量分布都發生了改變。例如，鹵鎢燈從額定電壓值下調光時，光參數的變化規律是：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。在舞臺燈光的應用過程中，這種使用方式和習慣很容易表現生活場景和情緒，進而滿足燈光師和觀眾的心里和生理需求。這種需求對白光LED光源的光色性能提出了挑戰。

2　LED舞臺照明燈具光色性能改進的方法

針對白光LED光源照明技術的特點和不足，經過研究提出了以RGBW混色光源為基礎，輔以基于PWM的混色算法控制系統、散熱設計和二次配光設計，使LED基本光照明燈具的性能達到舞美燈光人員的要求。

2.1LED光源的選擇

對于多顆RGBW混色技術的光色均勻性來說，單純的光學組合無法滿足光色均勻。需要在光學技術上有所突破。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。光源中的W(白光)部分選擇色溫3000K一般顯色指數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，解決了光源問題，為之后的光色性能改進打下基礎。

圖2　定制的集成光源平面示意圖Fig.2　Integrated light source distribution

2.2散熱和二次配光設計

“熱光衰”是LED器件的特點之一，當溫度上升超過一定數值時，其光效急劇下降或嚴重時導致整個LED提前失效。因此良好的散熱設計是保證大功率LED燈具性能和壽命的必要條件[4]。在實際應用中，應采用了以熱管技術為基礎的散熱設計，熱管技術能使熱量迅速傳遞到鋁翅片散熱器上，配合靜音軸風扇將LED工作中產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進行二次光學設計。主要需要利用光學元件高效地改變LED的光強分布，使之達到燈具的設計要求。

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30m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。

2.3基于PWM和RGBW混色算法的LED驅動控制

在舞臺應用中，對燈具色溫的穩定性要求很高，因此根據LED光源的基本電氣特性，應采用精確高效的恒流驅動方式，使光輸出穩定可靠。調光方式應采用PWM(脈寬調制)的方式，保證在LED調光時的色溫(白色)或波長(彩色)不發生變化。LED燈具與鹵鎢燈具調光過程色溫變化對比如圖3所示，可以看出LED燈具在調光過程中色溫是不變的。

圖3　鹵鎢燈及LED光源色溫隨調光值變化曲線Fig.3　Color temperature varying with the dimming value

混色算法是控制光源調光混色，輸出符合要求的色光的關鍵環節。根據PWM調光的基本原理，改變紅光、綠光、藍光和白光LED驅動電流的占空比，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。根據色度學計算，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，每種比例對應一種同色異譜光。對于照明燈具來說，由于顯色指數是非常重要的一個指標[6]，顯色指數不合格會導致被照明的物體顏色出現明顯差異，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光源進行混色實現的3200K白光光譜。

圖4　RGBW混色光譜(色溫3200K)Fig.4　RGBW mixed spectrum(Tc=3200K)

圖4中光譜一般顯色指數為Ra=95.0708，其中特殊顯色指數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。

2.4擬合黑體軌跡LED光源的調節效果

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出的光色在色品坐標下形成的軌跡線。由于鹵鎢燈是熱輻射光源，發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節效果，計算出色品圖中黑體軌跡上色溫范圍2300K～3200K的色品坐標，在顯色指數最大的約束條件下計算出各色品坐標對應的RGBW混色比例和占空比，最終控制光源發出相應色溫的白光。測試表明LED光源發出的白光，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(Ra>85)。部分測試數據如表1所示，測試數據在色品坐標中的位置如圖5所示。

圖5　測試數據在色度坐標中的位置Fig.5　The positions of testing data in the color coordinates

表1　色溫與對應色坐標和顯色指數

3　結論

針對目前市場上白光LED燈具的光色不能充分滿足舞臺藝術表現力的缺陷，本文根據舞臺藝術創作需求，提出了一套LED舞臺燈具性能改進方法。選用特殊排布的RGBW四色光源、散熱和二次配光設計，并設計了基于PWM和RGBW混色算法的LED驅動控制系統。實測結果表明，該LED燈具具備了擬合黑體曲線的白光連續色溫調節能力，達到了替代鹵鎢燈具的水平，在實際應用中能夠為舞臺照明提供良好的光色性能。

[1] 徐海松. 顏色信息工程[M]. 杭州：浙江大學出版社，2015.

[2] 周志敏，紀愛華. LED照明技術與應用電路(第二版)[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[3] STEVE TERRY. Good, Better, Best-Understanding Performance Characteristics of LED Entertainment Lighting[J]. Entertainment Technology，2011,6.

[4] 柳得安，陳闊家. LED影視舞臺專業燈具設計要點[J]. 演藝科技，2013, 12.

[5] 光源顯色性評價方法：GB/T 5702—2003[S].北京：中國標準出版社，2003.

Study on Color Improvement of Stage Lights Based on RGBW LED Light Source

GAO Jianzhong1, LV Jikai1,2,3, LIU Zhang1,2,3,REN Hui1,2,3, WANG Xiaohong4

(1.CommunicationUniversityofChina，Beijing100024,China; 2.KeyLaboratoryofAcousticVisualTechnologyandIntelligentControlSystem,MinistryofCulture，Beijing100024,China; 3.BeijingKeyLaboratoryofModernEntertainmentTechnologyBeijing100024,China;4.BeijingZhongzhaoJieruiLightingTechnologyCo.,Ltd，Beijing102600,China)

According to the need of stage art creation, this paper has proposed an improvement method for LED stage lights with light source choosing, design of heat radiator, design of light distribution, and dimming method of RGBW LED based on four channels’ PWM. Our experiment results showed that the light were well-distributed, and when dimming between 2300K to 3200K, the locus of color coordinate fits well with the black-body locus on the chromaticity diagram.

LED stage lights; RGBW LED light; lighting performance improvement; fitting the blackbody locus

國家文化科技提升計劃項目“LED舞臺基本光照明燈具光色改性技術研究與應用”資助

RM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.009