基于RGBW四色LED光源的舞臺(tái)燈具光色性能改進(jìn)研究

高建忠，呂繼凱,2,3，劉　章,2,3，任　慧,2,3，王小紅

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)，北京　100024；2.視聽(tīng)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100024；3.現(xiàn)代演藝技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100024;4.北京中照捷瑞光電科技有限責(zé)任公司，北京　102600)

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基于RGBW四色LED光源的舞臺(tái)燈具光色性能改進(jìn)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(guó)傳媒大學(xué)，北京100024；2.視聽(tīng)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；3.現(xiàn)代演藝技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024;4.北京中照捷瑞光電科技有限責(zé)任公司，北京102600)

根據(jù)舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作的需求，針對(duì)現(xiàn)有白光LED光源對(duì)比傳統(tǒng)鹵鎢燈具在藝術(shù)表現(xiàn)力方面的不足，本文從光源選擇、光源散熱設(shè)計(jì)、二次配光設(shè)計(jì)以及基于PWM的RGBW四色混光控制算法的設(shè)計(jì)四個(gè)方面提出了舞臺(tái)燈具光色性能的改進(jìn)方法。實(shí)驗(yàn)表明特殊排布的RGBW四色LED光源配合良好的二次配光設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出良好的光色均勻性。燈具在色溫2300K至3200K之間調(diào)節(jié)過(guò)程中，色品坐標(biāo)能夠擬合黑體軌跡，良好的重現(xiàn)了傳統(tǒng)舞臺(tái)燈具的使用效果。

LED舞臺(tái)燈具；RGBW四色LED光源；光色改性；擬合黑體軌跡

引言

對(duì)于優(yōu)秀的燈光師，燈光不僅是照明工具，而且是利用光與色進(jìn)行舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的舞臺(tái)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(tái)照明光源的特點(diǎn)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[1]。當(dāng)需要進(jìn)行色溫或光色的轉(zhuǎn)換時(shí)，則需要在光源前面配置濾光片，濾光片對(duì)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(dá)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(jiàn)的。鹵鎢燈的發(fā)光發(fā)光效率低下，大部分的電能會(huì)以熱輻射的形式散失，這導(dǎo)致燈體溫度大幅升高，應(yīng)用過(guò)程中存在安全隱患。

隨著LED照明技術(shù)的迅速發(fā)展，LED燈具憑借在豐富的色彩、耗電量低、壽命長(zhǎng)等方面的巨大優(yōu)勢(shì)迅速成為照明市場(chǎng)的主體。在舞臺(tái)劇場(chǎng)中，LED照明技術(shù)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(lè)演出時(shí)廣泛的應(yīng)用，成為眾多演藝機(jī)構(gòu)在娛樂(lè)節(jié)目的首選。盡管優(yōu)勢(shì)明顯，白光LED燈具卻沒(méi)有得到專業(yè)燈光師的全面肯定。目前，國(guó)內(nèi)外的燈具制造企業(yè)均直接將白光LED光源用于舞臺(tái)照明。白光LED通常采用藍(lán)光激發(fā)熒光粉的發(fā)光模式，其顯色性、光譜以及視覺(jué)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(tái)聚光燈的一般顯色指數(shù)可以高達(dá)90以上，但由于其頻譜中的藍(lán)光成份高，紅光成份偏低，導(dǎo)致在使用過(guò)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(wú)法達(dá)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(tái)燈具在基本光照明方面存在嚴(yán)重缺憾。為此，本文提出一種利用RGBW四色光源混光技術(shù)改進(jìn)LED舞臺(tái)基本光照明燈具的光色性能的方法。

1　LED光源的性能特點(diǎn)

目前較為成熟的白光LED的實(shí)現(xiàn)技術(shù)是藍(lán)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(lán)光互補(bǔ)而產(chǎn)生白光，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[3]。

圖1　白光LED光源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The structure of white LED light source

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(guò)電流調(diào)制對(duì)白光LED光源調(diào)光的過(guò)程中并不會(huì)導(dǎo)致色溫的明顯變化。白光LED的這種特性在對(duì)色溫穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合例如影視拍攝現(xiàn)場(chǎng)受到了極大歡迎。

在更注重舞臺(tái)藝術(shù)表現(xiàn)力的場(chǎng)合下，長(zhǎng)期以來(lái)舞美燈光人員使用的燈具均為鹵鎢燈具，其特點(diǎn)是當(dāng)舞臺(tái)燈光進(jìn)行漸明漸暗調(diào)光時(shí)，光源的光色和色溫會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，說(shuō)明其光譜輻射相對(duì)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(shí)，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(shí)，光亮度和色溫都會(huì)提高，光色從紅色向黃白色漸變。如同我們每天太陽(yáng)升起時(shí)，東方的天邊出現(xiàn)橘紅色的太陽(yáng)，而在中午，陽(yáng)光變成一個(gè)白色的圓盤。在舞臺(tái)燈光的應(yīng)用過(guò)程中，這種使用方式和習(xí)慣很容易表現(xiàn)生活場(chǎng)景和情緒，進(jìn)而滿足燈光師和觀眾的心里和生理需求。這種需求對(duì)白光LED光源的光色性能提出了挑戰(zhàn)。

2　LED舞臺(tái)照明燈具光色性能改進(jìn)的方法

針對(duì)白光LED光源照明技術(shù)的特點(diǎn)和不足，經(jīng)過(guò)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(jì)和二次配光設(shè)計(jì)，使LED基本光照明燈具的性能達(dá)到舞美燈光人員的要求。

2.1LED光源的選擇

對(duì)于多顆RGBW混色技術(shù)的光色均勻性來(lái)說(shuō)，單純的光學(xué)組合無(wú)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(jìn)燈具性能，從性能和成本方面對(duì)比了市場(chǎng)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(shù)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(nèi)，解決了光源問(wèn)題，為之后的光色性能改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

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(shè)計(jì)

“熱光衰”是LED器件的特點(diǎn)之一，當(dāng)溫度上升超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，其光效急劇下降或嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)LED提前失效。因此良好的散熱設(shè)計(jì)是保證大功率LED燈具性能和壽命的必要條件[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用了以熱管技術(shù)為基礎(chǔ)的散熱設(shè)計(jì)，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(qiáng)角度為120度，不能滿足舞臺(tái)專業(yè)燈具的配光要求。舞臺(tái)功能燈具要求對(duì)配光進(jìn)行控制，不同的燈具對(duì)光束角有不同的要求，因此需要對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。主要需要利用光學(xué)元件高效地改變LED的光強(qiáng)分布，使之達(dá)到燈具的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于遠(yuǎn)距離使用的聚光燈，要求10%光強(qiáng)角度小至10度左右。例如大中型劇場(chǎng)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(zhǎng)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(qū)動(dòng)控制

在舞臺(tái)應(yīng)用中，對(duì)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(dòng)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(shí)的色溫(白色)或波長(zhǎng)(彩色)不發(fā)生變化。LED燈具與鹵鎢燈具調(diào)光過(guò)程色溫變化對(duì)比如圖3所示，可以看出LED燈具在調(diào)光過(guò)程中色溫是不變的。

圖3　鹵鎢燈及LED光源色溫隨調(diào)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(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(lán)光和白光LED驅(qū)動(dòng)電流的占空比，可以改變各自色光的強(qiáng)度，通過(guò)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(jì)算，若采用確定的RGB三種LED光譜混出2300K～3200K范圍某個(gè)色溫的白光，只會(huì)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(jiàn)光波段光譜能量為0，顯色性會(huì)很差。而采用RGBW四種顏色混出某個(gè)色溫點(diǎn)的白光，混色比例會(huì)有無(wú)窮多種，每種比例對(duì)應(yīng)一種同色異譜光。對(duì)于照明燈具來(lái)說(shuō)，由于顯色指數(shù)是非常重要的一個(gè)指標(biāo)[6]，顯色指數(shù)不合格會(huì)導(dǎo)致被照明的物體顏色出現(xiàn)明顯差異，無(wú)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(lái)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(jìn)行混色實(shí)現(xiàn)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(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(tái)影視燈具照明需求。

2.4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(guò)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(shí)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(jì)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(jì)算出各色品坐標(biāo)對(duì)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(cè)試表明LED光源發(fā)出的白光，在色溫2300K至3200K之間光色達(dá)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(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試數(shù)據(jù)在色品坐標(biāo)中的位置如圖5所示。

圖5　測(cè)試數(shù)據(jù)在色度坐標(biāo)中的位置Fig.5　The positions of testing data in the color coordinates

表1　色溫與對(duì)應(yīng)色坐標(biāo)和顯色指數(shù)

3　結(jié)論

針對(duì)目前市場(chǎng)上白光LED燈具的光色不能充分滿足舞臺(tái)藝術(shù)表現(xiàn)力的缺陷，本文根據(jù)舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作需求，提出了一套LED舞臺(tái)燈具性能改進(jìn)方法。選用特殊排布的RGBW四色光源、散熱和二次配光設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了基于PWM和RGBW混色算法的LED驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該LED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(dá)到了替代鹵鎢燈具的水平，在實(shí)際應(yīng)用中能夠?yàn)槲枧_(tái)照明提供良好的光色性能。

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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(guó)家文化科技提升計(jì)劃項(xiàng)目“LED舞臺(tái)基本光照明燈具光色改性技術(shù)研究與應(yīng)用”資助

RM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.009