解析MAC 350 Entour LED圖案電腦燈

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1．上海戲劇學院，上海 200040）

解析MAC 350 Entour LED圖案電腦燈

文/[美]邁克·伍德 編譯/姚涵春1

（1．上海戲劇學院，上海 200040）

通過測試和評價數據，從光學系統的結構和性能入手解析一款LED圖案電腦燈。

電腦燈；LED；高亮度；光學系統；測評

MAC 350 Entour雖然不是第一款市場化的LED圖案電腦燈，但它是較早出現的高亮度LED燈具之一，其亮度能與傳統的圖案電腦燈相媲美。圖1為受測燈具外觀。筆者沿著燈具的光學鏈，從光源到光輸出對其主要技術性能進行測試，并對燈具的優勢與不足進行簡要分析。受測燈具由生產企業提供，燈具配有通用電源，額定電壓范圍為：100 V ～ 240 V、50/60 Hz。測試過程中，該燈具在常規的115 V、60 Hz電壓下運行。

圖1 受測燈具

1 光源

1.1 光學設計

該燈具的光源額定壽命為60 000 h，理論上，若每天開啟24 h，該光源可以使用7年；若每天開啟8 h，則可使用20年以上。對于使用傳統光源的燈具來說，更換光源是非常重要的常規工作，而對于MAC 350 Entour 來說，短期內可以不必考慮更換光源。這也意味著，這種燈具的光源不是使用者可以隨意擺弄的部件，它的維護與保養需要專門的技術支持。

MAC 350 Entour 的光源采用了7個CBT-90 LED模組，每個模組額定功率為50 W。它們體積小，且功率密度高，與其熱傳導系統一起被整合在光源組件中。這種LED模組由美國Luminous Devices公司生產，因其良好的特性而備受燈具生產企業的歡迎。這7個LED模組被固定在銅質和陶瓷材料的基板上，基板安裝在一塊大的鋁質熱沉上，這種結構可以有效控制LED芯片的溫度，這對保持光源壽命有重要作用。圖2是透過主孔徑觀察到的光源布局情況，1個模組位于光源中央，另外6個在其周圍環繞排布。每個LED管芯覆以定制模塑的TIR透鏡，透鏡的直徑約為20 mm。從圖中很難辨別它們的安裝面是否為一個平面；可以看出散熱器是如同凹形碟面一樣的鑄件。中央的LED模組相對于孔徑按標準被常規安裝，而四周的6個模組都是傾斜成一定角度安裝的，以使7個模組都對準孔徑的中心。光源模組的細節如圖3所示，可以看見在底部右邊的透鏡以及底部左邊有兩個0.25英寸的刀形電源接觸。審視TIR透鏡的功用，筆者認為，透鏡將發自各LED管芯的光匯聚起來，并穿越整個孔徑，以構成總體亮度，而并不是構成其影像的一部分。雖然來自每個單獨的LED管芯的光束可能不是那么柔順平滑，但是7個光束疊加及其平均值提供了片門處完全可接受的均勻分布。TIR透鏡的開發與設計是Martin Professional公司的專利，筆者獲悉，它是由該公司和丹麥一所大學合作設計的。

1.2 光源的優勢與不足

MAC 350 Entour只采用白光LED，這說明該燈具只能依靠二向色性色片產生色光，而不是用RGB色光加法混合法。只采用白光LED，有以下幾點好處：

（1）光效高

白光LED是目前可采用的最有效率的LED光源，大型半導體制造企業的絕大多數資源和研發力量都投入到如何提高白光LED的光效方面，其主要原因是：在照明領域，白光燈具的市場需求占絕大多數，只有演藝、娛樂、會展等少數行業才需要彩色光燈具。目前，市場上的大功率白光LED的光效可達到100 lm/W以上，相比之下，通過RGB混色產生白光的LED光源，光效要低得多，有的只能達到白光LED的一半。

圖2 透過主孔徑觀察到的光源布局圖3 LED模組的細節

（2）光損小

與RGB LED光源相比，單一的白光LED不需要考慮組合、均質各種色彩以構成單一光束的問題，也避免了因其造成的高光損情況。

（3）色彩一致性好

該燈具使用單一的白光LED，通過換色片來獲取色光，色彩一致性較好。而使用RGB LED光源的燈具，在光學設計中要考慮各色光LED不同的熱敏感特性，以保證較好的色彩一致性。

采用單一的白光LED對該燈具的光學設計來說也有不利之處。由于燈具是靠換色片獲取色光，無法采用加法混色的方法得到高效率的色光，相反，必須運用傳統的低效率減法混色。比如，當運用加法混色方法來構成藍光時，只需藍光LED，紅光和綠光LED則完全被關閉了。用減法混色時，燈具的所有LED都始終運行著，使用藍色片使燈具產生藍光。在這種情況下，任何紅光和綠光被色片反射回去，這部分光就被浪費了。

1.3 頻閃

該燈具的頻閃效果完全是電子式控制的——不需要借助運動的部件來實現。MAC 350 Entour提供寬泛的頻閃選擇范圍和不同的模式，頻率可達8.25 Hz。這包括脈沖調制的頻閃，此時，以25 Hz高頻脈沖串調制低速頻閃。

2 熱管理

在MAC 350 Entour中，LED的散熱器相當復雜。其內表面構成前文提到過的凹形碟面，而外表面是散熱器翅片的曲徑，如此設計是為了達到表面積最大化，將熱量傳導出來，排向周邊的空氣。對于350 W熱耗散的需求來說，對流冷卻是不充足的，該燈具配置了一只大口徑風扇，使燈具內部的熱量經由散熱器翅片的曲徑排出。圖4為風扇，圖5為風扇被拆卸后的散熱器。在運行時，有兩種風扇運行模式可供選擇：選擇常規運行模式，風扇速度恒溫地受控運行，允許LED滿功率運行；將風扇設置于“靜音”模式，它們以很低或靜音速度運行——但是，燈具的光輸出顯著地減少了。在測試中，靜音模式的光輸出降低到全部輸出的55%。

3 光學與光輸出

上述內容幾乎包括了該燈具的全部光學系統。每個光發射器配置的單個TIR透鏡，采用了除光輸出物鏡之外的光學系統。MAC 350 Entour具有特定的光束角，光輸出透鏡是一個復合透鏡組，透鏡組借助蝸輪來回移動，作為調焦功能的調控。蝸桿傳動相當緩慢，聚焦透鏡從行程的一端移動到另一端需時5.5 s。圖6為光學模塊和前透鏡。圖7是進入透鏡后面觀察到的情況，從中只能看見LED陣列。

筆者測得MAC 350 Entour在25.1°光斑角時的光通量為8 719 lm。圖8為該燈具的光強分布曲線圖。對于功耗剛剛超過460 W的小型自動化燈具來說，其光輸出是非常易用的，且相當高，它傳達出的燈具發光效能接近19 lm/W。這個數據是在該燈具點亮并升溫約30 min后測得的；連續運行幾小時后，驅使溫度達到最高值時，其光輸出下降到原光輸出的94%上下。在光束中心測得的色溫是6 600 K，隨著測試點的移動，光束各處的色溫略微有點變化。

筆者用FBA系統捕獲、分析了光斑的光分布狀況，測試結果如圖9所示，其中左圖以虛擬色彩表示光輸出的亮度分布狀況，右圖則表示相同照度連線的等照度曲線圖，有點類似等高線圖。表面上，這些圖像并沒有說明什么問題，但是用肉眼可以觀察到一些“瑕疵”，比如LED光輸出在交疊、混合處有點輕微的花紋，顯露出如同有人在光束四周走動一樣的不均勻現象。好在這種現象并不太明顯，而且對于這款燈具的應用市場也不是什么問題。圖像質量是可以接受的，沒有色差，但有點輕微的球差（見本次測評中的圖案部分）。

圖4 后置風扇

圖5 LED熱沉

圖6 光學模塊和前透鏡

圖7 前透鏡后面的細節

筆者還測試了該燈具的光譜，圖10為光譜分布曲線，圖中附有標準黑體在6 500 K時的光譜分布曲線作為對比。如同大多數產品一樣，Luminous Devices公司生產的LED是借助藍光LED光輸出與黃綠熒光粉受激輻射的光輸出相混合而產生出白光，我們能看到光譜分布曲線上有兩個波峰，一個較窄的波峰位于波長約為460 nm的藍色波段，另一個較寬的波峰則位于波長約為560 nm處。與大多數白光LED一樣，它留下了一個位于藍/綠或青色的能量縮減的缺口，同時，也稍稍缺少紅色能量。導致相當低的CRI值，約為70。

圖8 MAC 350 Entour的光強分布曲線

圖9 光斑的光分布狀況

4 調光

MAC 350 Entour提供了可選擇的調光曲線，可通過菜單或DMX控制通道自主選擇。可選用的調光曲線有：線性、平方定律、反平方定律以及S曲線。筆者偏好平方定律調光器，因為這也是MAC 350 Entour的標準曲線，因此，筆者運用這條調光曲線進行所有的測試。圖11為MAC 350 Entour按平方定律模式的調光曲線，在大多數區域中，調光是平滑的，但是在調光低端的10%或20%的區位內，有點可察覺的跳步，這在許多LED燈具中是常見的現象。測得PWM頻率是610 Hz，盡管有點低，但對大多數視頻系統還是可行的。筆者發現MAC 350 Entour對強度級值變化的響應方式存在問題，Martin Professional公司告訴筆者他們已經知曉這個問題，并將在該產品發貨之前通過軟件升級加以改進。

5 色輪

在光源和主孔徑之后的第一個光學器件是色輪，它附有8種可替換的色彩和一個開孔。它采用常見的Martin可拆卸的梯形二向色性濾色片，色片嵌入中心輪轂中。通過艙口小門，色片的拆卸和替換是很簡便的。這個小門采用了磁性碰鎖，十分靈巧，小門結合采用了傳感器，在改變色彩或圖案之后，當小門被關閉時，該燈具會自動地使系統重新恢復原位。圖12顯示了圖案片和色片更換的出入艙口。圖13顯示了更換的圖案片盒和色片。表1列出了固定色輪8種色彩的透射率。

所有色彩都相當飽和，在大多數狀況下，都有良好的光輸出；紅色和品紅色光輸出稍低些，可能是由于LED光源缺少紅光能量的緣故。

在MAC 350 Entour燈具上有菜單可供選用，用戶在選擇色輪時，可運用快速通道算法，在兩種色彩之間采取最短路線，或者避免運行路徑跨越白/開孔。表2為色輪的主要參數。

色彩變化和旋轉都非常平穩順滑，并無抖動，具有良好的雙拼色彩，圖14為紅色和剛果藍兩色相拼時的情況。在色輪上，梯形色彩之間幾乎沒有間隙，采用梯形色片有助于產生這種雙拼色彩效果。

6 圖案輪

緊接著色輪后的光學器件是旋轉圖案輪，它有6個可更換的、可加索引的旋轉圖案片，外加一個開孔。與色輪上的色片一樣，更換圖案片很簡便，整個組件，連同行星齒輪一起，只是在安裝于圖案輪上的兩個彈簧之間滑進和滑出。從燈具中一經拆卸下來，原先使用的圖案片就能在傳動裝置內被替換。

圖12 圖案片和色片更換的出入艙口圖13 圖案片盒和色片

表1 固定色輪8種色彩的透射率

表2 色輪參數

在光學系統中存在一些球面像差，會引起圖案邊緣和中心聚焦狀態的細微差異，圖15顯示了這種差異，在這兩個相同的圖案中，左圖顯示圖案被聚焦于中心，右圖則是圖案被聚焦于邊緣。表3為旋轉圖案的主要參數。

與色輪一樣，圖案輪在低速旋轉運動時情況非常好。定位精度和滯后性能也是極好的，測得誤差僅為0.07°，或在20英尺射距處誤差僅約為0.3英寸。

7 光圈

MAC 350 Entour有一個光圈，它緊挨在旋轉圖案輪之后。它們在光學上彼此間靠得非常近，因此，可以假設光圈在圖案片位置上，盡管光圈實際上處于軟焦點的位置上。光圈可將光束大小減小至最大尺寸的17%，這會產生4.4°光斑角的燈光效果。全部打開或關閉光圈只需很短的時間，僅為0.1 s 。光圈的DMX512通道具有遞變/速動效果，這些效果也調控著LED的光輸出，以致在調變周期的速動階段LED燈光被關閉了。圖16為MAC 350 Entour的光圈。

8 水平和垂直旋轉

MAC 350 Entour可水平旋轉630°，垂直旋轉約290°。水平全程旋轉需時4.5 s ，而更具代表性的180°旋轉需時2.4 s 。垂直全程旋轉需時2.7 s ，而180°旋轉需時2.2 s 。水平和垂直旋轉定位復現精度良好，誤差為0.07°，即在20英尺射距處的誤差約為0.3英寸。水平方向在全速運動時呈現過沖現象，在糾正措施實施之前，它會超越設定的目標，在20英尺射距處超出6英寸。

9 噪音

燈尾后置的LED冷卻風扇是MAC 350 Entour中噪音最大的部件。在“常規”風扇模式下，風扇的噪音非常大，筆者只給出測得離風扇1m處的噪音為53 dB（A），它與燈具運行什么功能沒有多大關聯。當風扇處于“靜音”模式時，風扇運轉速度降低，噪音也隨之降低，同時，燈具的光輸出降低至55%上下（這依環境溫度而變化）。在靜音模式，筆者測試噪音情況如表4所示。

10 電子參數

MAC 350 Entour具有全功率因數校正的自適應電源（100 V ～240 V，50/60 Hz），當燈具處于滿功率運行、使用常規風扇模式、并在常規115 V電源下工作時，其功耗為463 W，電流為4.08 A，功率因數為0.99。一位讀者最近寫信建議筆者提供LED燈具的待機功率等參數，以此判斷燈具節能的潛力。筆者認為這是一個好主意，在待機情況下，MAC 350 Entour功耗為44 W，電流為0.42 A，功率因數為0.92（LED光源的功耗不計在內時）。

接通電源后的初始化時間大約是37 s ，而通過DMX512控制通道發出復位指令后的復位時間是26 s 。MAC 350 Entour在復位期間被嚴格規范化，在完成復位之前，LED光源一直被關閉。

圖17 主控制電子設備圖18 LED電源

圖19 MAC 350 Entour的菜單系統

圖20 電源和5針XLR與底座的連接

圖21 易被拆卸的光學組件

11 電子設備與控制

與當前市場上的絕大多數燈具一樣，電子設備被裝于燈具的多個部位。主LED和馬達電源安裝在燈具底座中，馬達系統的電子設備和驅動器安裝于一個燈弓臂內，如圖17所示。另一個燈弓臂內則安裝著LED光源的主電流源，而臨近燈尾散熱器上的LED光源部位安裝有設置溫度控制的電路板，如圖18所示。

MAC 350 Entour提供基于字符的LED顯示器和菜單系統，可提供寬泛功能和配置的選擇，如圖19所示。用作DMX512數據的電源和5針XLR設置于燈具底座連接面板上，如圖20所示。

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12 結構

該燈具的結構是很常見的，沿襲了Martin公司同類產品的傳統結構，即以薄鋼底盤、注射模塑蓋板和壓鑄散熱器的結合構成引人注目、制造精良的燈具。主光學組件易被拆卸和滑出以便于清潔保養，如圖21所示。LED光源被深深地埋入燈具中，如前文所述，這樣做并不考慮用戶自行更換光源的問題。

以上是MAC 350 Entour的大致情況。該燈具非常清晰地證明，LED圖案電腦燈是有潛力的，而且它們也能與傳統光源的同類燈具展開有力的競爭。在產品壽命期間不必更換光源，這是一個非常引人注目的觀念，特別是當我們談論永久性裝置和建筑照明應用時，更有價值。

筆者希望所提供的基本信息和測試數據，能對用戶作出應用MAC 350 Entour的決定有所幫助。感興趣的用戶，可以運用這些基本信息進行調研和試驗。

（本文根據美國《Lighting & Sound America》雜志2010年9月刊《Martin MAC 350 Entour》一文編譯。）

（編輯 張 淼 張冠華）

Martin MAC 350 Entour

Original / [USA]Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Based on the testing and evaluating data, a specif i c LED pattern moving light was analyzed from the aspects of structure of optical system and relevant properties.

moving light; LED; high light; optical system; evaluation

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.001