基于RGBW四色LED光源的舞台灯具光色性能改进研究

高建忠，吕继凯,2,3，刘　章,2,3，任　慧,2,3，王小红

(1.中国传媒大学，北京　100024；2.视听技术与智能控制系统文化部重点实验室，北京　100024；3.现代演艺技术北京市重点实验室，北京　100024;4.北京中照捷瑞光电科技有限责任公司，北京　102600)



基于RGBW四色LED光源的舞台灯具光色性能改进研究

高建忠1，吕继凯1,2,3，刘章1,2,3，任慧1,2,3，王小红4

(1.中国传媒大学，北京100024；2.视听技术与智能控制系统文化部重点实验室，北京100024；3.现代演艺技术北京市重点实验室，北京100024;4.北京中照捷瑞光电科技有限责任公司，北京102600)

根据舞台艺术创作的需求，针对现有白光LED光源对比传统卤钨灯具在艺术表现力方面的不足，本文从光源选择、光源散热设计、二次配光设计以及基于PWM的RGBW四色混光控制算法的设计四个方面提出了舞台灯具光色性能的改进方法。实验表明特殊排布的RGBW四色LED光源配合良好的二次配光设计，展现出良好的光色均匀性。灯具在色温2300K至3200K之间调节过程中，色品坐标能够拟合黑体轨迹，良好的重现了传统舞台灯具的使用效果。

LED舞台灯具；RGBW四色LED光源；光色改性；拟合黑体轨迹

引言

对于优秀的灯光师，灯光不仅是照明工具，而且是利用光与色进行舞台艺术创作的技术手段。传统的舞台灯具主要使用的是卤钨灯、氙灯等。以卤钨灯为例，其作为舞台照明光源的特点在于热辐射光源的光谱连续性，显色指数范围为95～100，接近理想光源[1]。当需要进行色温或光色的转换时，则需要在光源前面配置滤光片，滤光片对光具有选择性吸收的特性，配置不同色品的滤光片就可以得到新的光色。虽然卤钨灯具可以达到令人满意的显色效果，满足艺术创作的色彩需求，其不足之处也是显而易见的。卤钨灯的发光发光效率低下，大部分的电能会以热辐射的形式散失，这导致灯体温度大幅升高，应用过程中存在安全隐患。

随着LED照明技术的迅速发展，LED灯具凭借在丰富的色彩、耗电量低、寿命长等方面的巨大优势迅速成为照明市场的主体。在舞台剧场中，LED照明技术目前基本用在效果照明方面，各种色彩丰富的电脑灯、光束灯等由于其便于控制、光色性能好，已在娱乐演出时广泛的应用，成为众多演艺机构在娱乐节目的首选。尽管优势明显，白光LED灯具却没有得到专业灯光师的全面肯定。目前，国内外的灯具制造企业均直接将白光LED光源用于舞台照明。白光LED通常采用蓝光激发荧光粉的发光模式，其显色性、光谱以及视觉效果同卤钨灯的光色指标存在明显差异。尽管有的LED舞台聚光灯的一般显色指数可以高达90以上，但由于其频谱中的蓝光成份高，红光成份偏低，导致在使用过程中明显感到色彩还原、光色效果、艺术表现力等方面无法达到舞美灯光人员的要求，这也是目前演艺行业公认的LED舞台灯具在基本光照明方面存在严重缺憾。为此，本文提出一种利用RGBW四色光源混光技术改进LED舞台基本光照明灯具的光色性能的方法。

1　LED光源的性能特点

目前较为成熟的白光LED的实现技术是蓝光LED+黄色YAG荧光粉的方式，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光，结构示意图如图1所示[3]。

图1　白光LED光源结构示意图Fig.1　The structure of white LED light source

其中LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，其发出的光谱取决于选用的半导体材料特性。光源的色温由LED的光谱和荧光粉共同决定。因此，在通过电流调制对白光LED光源调光的过程中并不会导致色温的明显变化。白光LED的这种特性在对色温稳定性要求较高的场合例如影视拍摄现场受到了极大欢迎。

在更注重舞台艺术表现力的场合下，长期以来舞美灯光人员使用的灯具均为卤钨灯具，其特点是当舞台灯光进行渐明渐暗调光时，光源的光色和色温会产生相应的变化，说明其光谱辐射相对能量分布都发生了改变。例如，卤钨灯从额定电压值下调光时，光参数的变化规律是：光亮度和色温逐渐降低，光色渐渐向红色方向变化，反之，当工作电压推升时，光亮度和色温都会提高，光色从红色向黄白色渐变。如同我们每天太阳升起时，东方的天边出现橘红色的太阳，而在中午，阳光变成一个白色的圆盘。在舞台灯光的应用过程中，这种使用方式和习惯很容易表现生活场景和情绪，进而满足灯光师和观众的心里和生理需求。这种需求对白光LED光源的光色性能提出了挑战。

2　LED舞台照明灯具光色性能改进的方法

针对白光LED光源照明技术的特点和不足，经过研究提出了以RGBW混色光源为基础，辅以基于PWM的混色算法控制系统、散热设计和二次配光设计，使LED基本光照明灯具的性能达到舞美灯光人员的要求。

2.1LED光源的选择

对于多颗RGBW混色技术的光色均匀性来说，单纯的光学组合无法满足光色均匀。需要在光学技术上有所突破。为了改进灯具性能，从性能和成本方面对比了市场上的RGBW光源模组，最终确定使用一种特制的光源，如图2所示。光源中的W(白光)部分选择色温3000K一般显色指数Ra≥85，将总功率接近300W的RGBW多种颜色LED光源均匀分布在不到20mm的圆形面积内，解决了光源问题，为之后的光色性能改进打下基础。

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

2.2散热和二次配光设计

“热光衰”是LED器件的特点之一，当温度上升超过一定数值时，其光效急剧下降或严重时导致整个LED提前失效。因此良好的散热设计是保证大功率LED灯具性能和寿命的必要条件[4]。在实际应用中，应采用了以热管技术为基础的散热设计，热管技术能使热量迅速传递到铝翅片散热器上，配合静音轴风扇将LED工作中产生的热能迅速的排出。

由于大功率LED芯片的光输出多为朗伯分布，50%光强角度为120度，不能满足舞台专业灯具的配光要求。舞台功能灯具要求对配光进行控制，不同的灯具对光束角有不同的要求，因此需要对LED进行二次光学设计。主要需要利用光学元件高效地改变LED的光强分布，使之达到灯具的设计要求。

对于远距离使用的聚光灯，要求10%光强角度小至10度左右。例如大中型剧场使用的面光灯，照射距离一般在30m以上，通常选用聚光性能非常好的长焦平凸透镜聚光灯，这样既可以很好的聚光，又能使杂散光得到有效控制。

2.3基于PWM和RGBW混色算法的LED驱动控制

在舞台应用中，对灯具色温的稳定性要求很高，因此根据LED光源的基本电气特性，应采用精确高效的恒流驱动方式，使光输出稳定可靠。调光方式应采用PWM(脉宽调制)的方式，保证在LED调光时的色温(白色)或波长(彩色)不发生变化。LED灯具与卤钨灯具调光过程色温变化对比如图3所示，可以看出LED灯具在调光过程中色温是不变的。

图3　卤钨灯及LED光源色温随调光值变化曲线Fig.3　Color temperature varying with the dimming value

混色算法是控制光源调光混色，输出符合要求的色光的关键环节。根据PWM调光的基本原理，改变红光、绿光、蓝光和白光LED驱动电流的占空比，可以改变各自色光的强度，通过不同占空比的组合，就可以得到不同混合比例的光色。根据色度学计算，若采用确定的RGB三种LED光谱混出2300K～3200K范围某个色温的白光，只会有唯一的混色比例。但只利用RGB三种颜色混色，混出的光谱是不连续的，有很多可见光波段光谱能量为0，显色性会很差。而采用RGBW四种颜色混出某个色温点的白光，混色比例会有无穷多种，每种比例对应一种同色异谱光。对于照明灯具来说，由于显色指数是非常重要的一个指标[6]，显色指数不合格会导致被照明的物体颜色出现明显差异，无法使用。因此，需要从众多混色比例中筛选出显色指数最佳的一组比例来使用。如图4所示是利用RGBW(其中W光源色温3200K，Ra=90)四种LED光源进行混色实现的3200K白光光谱。

图4　RGBW混色光谱(色温3200K)Fig.4　RGBW mixed spectrum(Tc=3200K)

图4中光谱一般显色指数为Ra=95.0708，其中特殊显色指数R1到R15分别为：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，完全满足舞台影视灯具照明需求。

2.4拟合黑体轨迹LED光源的调节效果

黑体轨迹又称普朗克轨迹，定义为理想黑体在加热过程中随温度升高发出的光色在色品坐标下形成的轨迹线。由于卤钨灯是热辐射光源，发光原理与理想黑体相同，因此其色温变化时光色轨迹十分接近黑体轨迹。为了模拟卤钨灯光源的色温调节效果，计算出色品图中黑体轨迹上色温范围2300K～3200K的色品坐标，在显色指数最大的约束条件下计算出各色品坐标对应的RGBW混色比例和占空比，最终控制光源发出相应色温的白光。测试表明LED光源发出的白光，在色温2300K至3200K之间光色达到了拟合黑体曲线的效果，并且在色温2800K～3200K可以获得理想的一般显色指数(Ra>85)。部分测试数据如表1所示，测试数据在色品坐标中的位置如图5所示。

图5　测试数据在色度坐标中的位置Fig.5　The positions of testing data in the color coordinates

表1　色温与对应色坐标和显色指数

3　结论

针对目前市场上白光LED灯具的光色不能充分满足舞台艺术表现力的缺陷，本文根据舞台艺术创作需求，提出了一套LED舞台灯具性能改进方法。选用特殊排布的RGBW四色光源、散热和二次配光设计，并设计了基于PWM和RGBW混色算法的LED驱动控制系统。实测结果表明，该LED灯具具备了拟合黑体曲线的白光连续色温调节能力，达到了替代卤钨灯具的水平，在实际应用中能够为舞台照明提供良好的光色性能。

[1] 徐海松. 颜色信息工程[M]. 杭州：浙江大学出版社，2015.

[2] 周志敏，纪爱华. LED照明技术与应用电路(第二版)[M]. 北京：电子工业出版社，2013.

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

[4] 柳得安，陈阔家. LED影视舞台专业灯具设计要点[J]. 演艺科技，2013, 12.

[5] 光源显色性评价方法：GB/T 5702—2003[S].北京：中国标准出版社，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

国家文化科技提升计划项目“LED舞台基本光照明灯具光色改性技术研究与应用”资助

RM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.009