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LED舞台灯具的现状及应用分析
来源:灵创照明   作者:灵创照明   时间:2015-07-21    浏览次数:

 

有发光效率高、可调光,但是单体功率小、价格高的特点。随着技术的进步,LED舞台灯具在演出中的应用日渐增多。本文分析LED灯具的优点和存在的问题,展望其良好的应用前景。
  1 LED舞台灯具的现状
  1.1 技术发展概况
  自20世纪90年代蓝光、白光及高亮度LED出现以来,LED的发光效率不断提高,商品化的LED管目前已经达到50 lm/W~100 lm/W的发光效率,并且它的光效仍在不断提高,估计最终能够达到200 lm/W左右,不仅大大高于10 lm/W~30 lm/W的白炽灯(包括卤钨灯),也大大高于目前的所有光源。但是单个LED功率很小,只有1 W~5 W,光效再高也才几百流明,而舞台灯具动辄上千瓦功率、上万流明的光通量,所以,以前许多人从未想到将LED用到舞台灯具上。
  本世纪初,蓝光LED得到普及,白光LED技术逐渐成熟,LED的光效比白炽灯成倍提高,大功率(瓦级)LED的寿命可达到几万小时,同时,它还具备开关快速、调光方便的优点,将多个LED组合以提高总光通量的新型L E D 舞台灯具开始出现。起初,由于技术的原因和昂贵的价格,这种灯具少人问津,近年来由于LED灯具光效的提高,聚光杯、管芯、外壳等零配件的普及,许多厂商开始组装生产。LED灯具以其鲜艳的色光、节能环保等优点吸引了人们去尝试。
  一些演出中使用了LED灯具,取得了较好的效果。
  目前,LED用于白光照明的模式有两种:一种是用发蓝光的管芯中加上荧光粉,使发出的部分蓝光通过荧光粉转换为黄光,部分蓝光和黄光混合成为白光;另一种是将分别发红、绿、蓝光的三个LED管组合使用,混合后形成白光。用于电视照明的以前一种方式居多,用于舞台照明的以后一种方式为主。
  1.2 LED用于舞台照明的优势
  LED灯具能够用于舞台照明,得益于它的几个主要特点:
  (1)节能高效。
  与白炽光源(包括卤钨光源)灯具相比,LED灯具节能高效的特点十分突出,我们可以通过两种灯具结构的比较来观察这一点。
  a.白炽灯具的光效。目前常用的白炽灯聚光灯具中,作为光源的白炽灯泡体积较大,常采用反光镜和聚光透镜结构。其中一种为球面反光镜,灯丝位于球面反光镜球心,球面将射向灯具后方的光线反射回灯丝一起向前,由于灯丝位于前部聚光透镜焦点附近,灯丝发出的光线将由聚光透镜会聚成一束接近平行的光束,如图1所示。该光路只能利用灯泡发出的一部分光线,加上反光镜和透镜的损耗,整个灯具的光效只有百分之十几。1.jpg
b.卤钨灯具的光效。目前效率较高的椭球反光镜成像聚光灯,得益于卤素灯泡的小型化,如图2所示,灯丝位于椭球形反光镜内部的一个焦点上。
  由于椭球的特点,它有两个焦点,从一个焦点发出的光线经过椭球面的反射后,将会聚于另一个焦点。将灯具前方的聚光透镜的焦点与椭球反光镜的第二焦点接近,可将光源发出经过反射通过第二焦点的光线汇聚成一束平行光线。由于灯泡中充填卤素,灯丝、泡壳的工艺和材料得到改进,灯泡尺寸缩小,灯泡被深深包裹在椭球反光镜内,椭球反光镜对灯泡的包容角很大,因此,灯泡发出的光大部分被利用,该灯的光效比上一种灯具高,可达40%~50%.

c.LED灯具的光效。目前常见的L E D 光束灯, 使用专用的聚光杯,LED发光二极管安装于全透明的聚光杯中。聚光杯中部为一个凸透镜,将位于凸透镜焦点的LED管向前发射的光束聚集成平行光束,而LED管侧面发射的光束进入聚光杯的内侧面后进过折射到达聚光杯外侧面,由于聚光杯外侧面与内侧面经过设计有一定的夹角,光线到达外侧面时,该光线在外侧面的入射角将大于制作聚光杯材质的临界入射角,因而不可能再发生折射,只能产生全反射由前方射出,经过合理的设计,出射光将成为平行于灯具光轴的平行光线,如图3所示

大功率LED管内部有一个效率很高的反光镜,是一个单向发光的光源。‖
  一个小小的聚光杯,可将LED管发出的光线几乎全部利用并形成平行光束,光源的利用率非常高。由于LED管发出的光线不包含红外线,LED工作时温度也不太高,虽然聚光杯紧贴LED,仍然可以用高透光的聚酯塑料制作,也不会因高温变形。精心设计、模压成型的聚光杯,成批生产,一致性很好。
 LED 管与聚光杯组合成一个模组,但是光通量还不够,一般是将一个个相同的模组再一次组合,成为一个平面的LED阵列,如图4所示,这样一来,一个一百多瓦的LED灯具发出的光,相当于几百瓦的钨丝白炽灯灯具的亮度,已经能满足舞台应用的需要,符合节能的要求。

有人将LED内部的光学设计称为一次设计,聚光杯设计为二次设计,聚光杯模组的组合为第三次设计。平面型的聚光杯模组组合工艺相对简单。由于在同一个平面上,每个模组发出的平行光束是重叠的,因此,整个灯具射出的是一束略微发散的平行光,通过大量的LED发光,产生符合舞台需要的强光。
  将LED 灯具与白炽灯的灯具比较,一方面,目前LED管的发光效率比白炽灯高出两倍以上;其次,发光二极管利用它体积小和温度低的特点,采用了更为高效的光路设计,对光源光通量的利用率比白炽灯舞台灯具要高好几倍。两个因素相叠加,同样的光通量,白炽灯灯具要比LED灯具的功率大好几倍。所以,较小功率的LED灯具可以达到舞台所需要的光线强度的要求。
  (2)色光亮艳。
  在舞台演出中, 灯光要用于为舞台布景、道具、服装染色,或创造特定的舞台气氛,舞台演出大量使用彩色光。与目前舞台灯具常用的彩色光比较,LED灯具在色彩方面的性能要优于传统光源。以前,舞台照明所用的色光,是采用在发白光的灯具前加上彩色的滤色纸或其他滤色片的方法,即挡住不需要的色光,只通过需要的色光光谱。由于大量不需要的色光被阻挡,射出的色光就相当弱了,尤其是常用的蓝色光,它的光谱位于可见光谱的高端,由于人眼的特点,对可见光谱两端的红色和蓝紫色特别不敏感,大量人眼敏感的光线被挡掉,灯具的发光效率就更低了。
  同时,为了防止滤色片高温褪色,滤色片要透过光谱中大量的红外成分,在蓝色滤色片透过短波长的蓝光的同时,也有些长波段的红光透过。因此,通过白炽灯前加蓝色滤色片的方法得到的蓝光不但亮度减弱,颜色也不纯,很难使灯光师满意。
  LED灯具则相反,它的红、绿、蓝三色光由三个发光管发出,白光由三基色混合,需要某一色光时,只减少不需要的光谱发出,并发出所需光谱的色光即可,这样一来,灯具发光效率大大提高。尤其是蓝光,LED灯的蓝光亮度相当于功率大于其十倍的白炽灯灯具加蓝色色纸的亮度。LED灯具的色光在实际使用中有时显得太过纯亮鲜艳,为了降低色光的饱和度,有的LED灯具还加上发白光的LED灯珠,以产生淡雅的色光。
  由于L E D 的发光效率比白炽灯高,灯具的光效比普通白炽灯灯具高,色光的效率更是高得多,LED灯具用于舞台演出产生所需的彩色光,能充分发挥出LED的长处。
  (3)寿命超长。
  LED的寿命长达几万小时,而白炽灯的寿命仅为几百、上千小时。但是早期研发LED灯具时,LED装入灯具后出现了难以解决的散热问题,使LED的寿命大大缩短,影响了LED灯具的推广。LED管为半导体发光,以目前的工艺水平,LED工作时输入的电能10%~20%转化为可见光发出,剩余的80%~90%的电能将转化为热能,这些热能必须及时散发,否则,将导致管芯温度升高。如在常温下工作,LED的寿命可达五到十万小时。
  做成舞台灯具,许多LED管集中在一起,LED管的温度就会升高,由此将导致 LED管发光效率降低,寿命缩短。
  目前,一般的功率型LED管结构上已经得到大大改进,不仅本身有导热基板,还配有铝基金属芯印刷线路板(MCPCB)作为散热基板,便于将内部芯片产生的热量导出。除了足够散热面积的散热板或带有散热翼片,从LED管体到灯体外部整个导热通道也设计得十分科学,若将内部LED芯片的工作温度控制在100℃以内(LED的极限温度是150℃左右),LED的寿命就能达到几万小时。
  (4)使用方便。
  LED舞台灯具的使用十分方便。
  LED的工作电压为3 V~5 V的直流电,若想将LED舞台灯具自带220 V交流电变为可调光的低压直流电源,只需要一台发出DMX信号的灯光控制台,不需要一般舞台灯具必须外加的调光器。通过控制台发出的DMX512信号分别控制红、绿、蓝三色LED管的亮度,可调出红橙黄绿青蓝紫各种色彩及亮度的光束。一个灯可代替多个不同颜色的常规舞台灯具,免除了换色器。而且,灯体没有一般白炽灯的玻璃灯泡和灯丝等易碎品,搬运、日常维护等都简单得多,特别适合经常拆装台的演出场合。
  2 LED舞台灯具目前存在的问题
  L E D 舞台灯具优点很多, 很先进,但是目前还未能在舞台演出中普及,主要存在以下问题:
  (1)目前价格比较高。
  目前,LED舞台灯具的使用受到限制,与常规舞台灯具价格上的较大差距是推广的一个重要阻力。
  LED灯具成本较高主要有以下原因:高质量的发光二极管管芯主要来源于美、日等国外生产厂商,需要进口,价格较高;新灯具光路和灯具结构开发费用、高性能材料产生的成本也很高;将常用的220 V交流市电在灯具内部高效地转换为LED所需要的低压直流电所用开关电源,为调节灯内各路LED的色彩亮度需要的调光控制电路,以及与控制台连接的DMX512信号接收与解码处理的电路等等,在增加了功能的同时,也增加了灯具的成本。LED灯具目前还属于一种高技术的产品,在尚未大批量得到应用的状况下,成本的大幅下降有待时日。
  (2)品种比较单一。
  目前LED灯具品种单一,主要是一种光学结构:多个LED加聚光杯在一个平面排列而成的方形或圆形的发光面,组成LED光束灯。大量的LED光源制作在一个平面上,形成一个平面的发光体,照在对象上,除了中心区域一个均匀的光斑外,外围是柔和渐变的光圈,形成由亮到暗的衰减区,难以形成边缘清晰的硬光斑,更难用成像片切割产生各种不同形状的光斑。这样的LED灯具作为泛光灯或要求不高的光束灯尚可,要适应舞台演出对光束的不同要求,例如要求边缘清晰的硬光斑场合,或在光区要求严格、光束要成像切割控制的场合难以适用。一般舞台聚光灯具(除了PAR灯)都有一个光束角大小或光斑柔硬可调节的范围,上述的LED光束灯就无法实现了。如果作为泛光灯具,舞台常用的天幕云灯中的碘钨灯管加非对称反光板可在舞台天幕上方或下方向天幕投射均匀的光线,而LED模组平面布置的灯具均为对称配光,所以,LED灯具作为天幕灯也有欠缺。
 (3)质量参差不齐。
  由于近年来关于" 第四代电光源"、"节能高光效"的概念炒作不断,国内外的LED灯具生产企业大幅增加,一时间LED灯具产品铺天盖地。
  目前,生产LED管成品的国内外企业很多,产品质量、价格差别很大。有许多厂商生产或仿制聚光杯,还有一些厂家不加设计,只是采购元件,组装成灯具。因此,同样的LED灯具,外形相似,由于采用不同的生产工艺、元器件,发光效率差别很大。
  事实上,LED的生产工艺要求很高,并不是所有企业都具备相应的实力,因而造成市场上LED灯具的质量良莠不齐。LED灯具的光学系统设计要求十分精密,LED管和聚光杯的尺寸都很小,两者的相对位置配合要求较高,小小的偏差,光线到达舞台的位置将会有很大的差距。为了达到设计要求,工艺要求严格的厂家会对大批LED管的一致性进行筛选,考虑到LED管在线路板上焊浆的厚薄产生的差距,厂家会采用自动化的激光焊接工艺。
  另外, 如前所述, 散热问题直接影响LED的发光效率。目前优质的LED灯具从设计上和工艺上解决了散热问题,可以有三万小时以上的寿命,但是设计或工艺差的LED灯具则可能只有几千小时甚至更短的寿命。
  专业的研制、设计,严格的生产管理,企业从元器件、材料的选用,从先进的自动化操作机械到生产过程的严格质量控制(包括中间部件的老化处理),每个环节都影响着LED灯具的质量。
  3 LED舞台灯具的应用前景
  尽管存在一些问题,但是LED舞台灯具的前景还是为人们一致看好。
  (1)LED的光效不断提高,价格不断降低。
  单一管芯LED的功率和发光效率在不断提高,实验室中已经能够达到超过160 lm/W(也有称超过190 lm/W),商品化的产品也有每瓦上百流明的效率,科学家的目标是200 lm/W.单个管芯产品的功率也会有成倍的提高。
  发光效率和单管功率的提高有助于灯具中LED管数量的减少,进一步提高灯具的光效。随着科研的进展和应用的不断扩展,LED的成本和价格也在不断下降。比较电脑等微电子技术产品发展的过程,LED技术的发展速度以及它应用推广速度之快,超出很多人的想象。
  虽然LED舞台灯具价格较高,但即使在目前仍然有使用的价值:一是电能的节约符合节能的国策;二是光源几倍于白炽灯的长寿命对价格的分摊;三是减少了外围器件(调光器、换色器)的使用,节约了成本;四是维护工作量减少,降低了使用成本。
  综合分析比较而言,LED灯具的高价格主要体现在一次性的投资上,从长期使用和使用效果的角度看,价格高还是可以理解的。国家政策的扶持和用户观念的更新,会扩大LED灯具的应用面。更重要的是,随着应用的扩大和LED灯具产业的发展,大量的生产将进一步促使成本和价格的下降,成本的下降和应用的扩大相互促进形成一个良性循环,将产生积极的作用。当然,这需要厂商和用户的共同合作和努力。
  (2)新的组合式管芯的出现,单个LED管(模块)的功率不断提高。
  "单个LED光源的功率"的提法目前看来有些模糊,原来的LED管是单个芯片制成,由于电流、发热、出光效率等限制,单个LED管的功率不可能做得很大,影响到LED管的光通量。为此,已有厂商将多个LED管芯组合做在一个散热基片上,内部串联或并联成为一个更大功率的模块。目前,已经可以看到20 W、60 W甚至300 W的组合管芯LED管,组合管芯的LED管的总光通量大大增加。图5为一个100 W的LED管,表1为它的技术参数。

组合大功率LED管虽然功率增大,总光通量变大,但是由于众多管芯高度集中,散热问题的解决更加困难,发光效率也有所降低。另外,多个管芯排列成一个平面,发光面积也增大,面发光的光源在灯具设计过程中,光线的汇聚和控制将变得困难,光的利用率也会降低。目前人们对这类组合管芯进行研究和开发,一是解决好大功率光源的散热问题和发光效率,二是开发新的光学结构,提高灯具效率。
  由于单一的光源和聚光镜结构,调节两者的相对位置,可以方便地改变光束角度的大小和光斑边缘的虚实,满足舞台布光的要求,LED在舞台灯具方面的应用将有新的突破。
  (3)新型光学设计的突破,新灯种的开发。
  舞台演出多种多样, 各种风格的舞台演出样式对光区的控制要求各不相同,舞台灯具从条灯、天幕泛光灯、柔光灯、光束灯、舞台聚光灯、成像灯、追光灯对灯具的聚光效果要求逐渐严格。目前,LED舞台灯具的聚光性能可部分满足从条灯到光束灯的要求,尚不能满足舞台聚光灯到追光灯的要求。
  发光二极管与聚光杯模组的组合方式,光效较高,但是光束形式单一,难以如常规舞台灯具般对光束进行控制和调节。科研人员还需进一步改进光学设计,即"三次设计".有人提出过两种方案,图6、图7分别为纳入普通舞台聚光灯的思路增加聚光镜或反光镜的方案,这种方案可利用聚光镜或反射镜的位置移动改变光束角大小和光斑虚实,更适合目前舞台灯具应用的习惯。但是,由于反射和折射的加入,灯具的光效会有所降低,这些都是研发人员需要解决的问题。我们也可以跳出这一思路,直接用前文提到的LED模组非平面排列产生可调节的光束。相信未来的LED新灯具将不断创新,更适合舞台演出的需要。

4)控制软件的改进使得LED舞台灯具使用更加便利。
  L E D 亮度不断提高、单个功率不断提高,以及灯具光路结构的改进,使得现有的灯具的亮度和光学性能将更好。在控制方面,调光和调色也会更方便。未来的L E D 灯具可产生更加丰富的色彩, 在红、绿、蓝的混合过程,国内外已经有超过三色的L E D 组成的灯具, 多色混合后的色彩更加丰富。调光模式也由一种颜色的LED一个调光通道,改为经过灯具内部编码由色度(H)、饱和度(S)和亮度(B)三个通道调制的更便于使用的模式。国内也有厂商作了类似的尝试,增加了配色的LED管种类,增加了多种调光模式。但如何使灯具设计更为科学合理、使用更方便,还有待进一步的改进。相信,随着技术的进步和应用的普及,LED灯具的控制技术还可进一步改进。
  总之,LED灯具已经走上舞台,它的前景是光明的。它已经能替代一部分的白炽灯舞台灯具,它还将替代更多的舞台灯具。这一替代的过程规模多大,替代的速度多快,目前还难以预料,但是,这一过程有利于人类节能减排、保护环境的要求,也有利于舞台灯光艺术的发展,希望生产厂商与舞台灯光工作者共同努力,加快这一过程的发展。

 

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