LED舞臺(tái)燈具的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

【摘要】 LED發(fā)光二極管有發(fā)光效率高、可調(diào)光，但是單體功率小、價(jià)格高的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，LED舞臺(tái)燈具在演出中的應(yīng)用日漸增多。本文分析LED燈具的優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題，展望其良好的應(yīng)用前景。

1 LED舞臺(tái)燈具的現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)發(fā)展概況

自20世紀(jì)90年代藍(lán)光、白光及高亮度LED出現(xiàn)以來(lái)，LED的發(fā)光效率不斷提高，商品化的LED 管目前已經(jīng)達(dá)到50 lm/W~100 lm/W的發(fā)光效率，并且它的光效仍在不斷提高，估計(jì)最終能夠達(dá)到200 lm/W左右，不僅大大高于10 lm/W~30 lm/W的白熾燈(包括鹵鎢燈)，也大大高于目前的所有光源。但是單個(gè)LED功率很小，只有1 W~5 W,光效再高也才幾百流明，而舞臺(tái)燈具動(dòng)輒上千瓦功率、上萬(wàn)流明的光通量，所以，以前許多人從未想到將LED用到舞臺(tái)燈具上。

本世紀(jì)初，藍(lán)光LED得到普及，白光LED技術(shù)逐漸成熟，LED的光效比白熾燈成倍提高，大功率(瓦級(jí))LED的壽命可達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，同時(shí)，它還具備開(kāi)關(guān)快速、調(diào)光方便的優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)LED組合以提高總光通量的新型L E D 舞臺(tái)燈具開(kāi)始出現(xiàn)。起初，由于技術(shù)的原因和昂貴的價(jià)格，這種燈具少人問(wèn)津，近年來(lái)由于LED燈具光效的提高，聚光杯、管芯、外殼等零配件的普及，許多廠商開(kāi)始組裝生產(chǎn)。LED燈具以其鮮艷的色光、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)吸引了人們?nèi)L試。

一些演出中使用了LED燈具，取得了較好的效果。

目前，LED用于白光照明的模式有兩種：一種是用發(fā)藍(lán)光的管芯中加上熒光粉，使發(fā)出的部分藍(lán)光通過(guò)熒光粉轉(zhuǎn)換為黃光，部分藍(lán)光和黃光混合成為白光;另一種是將分別發(fā)紅、綠、藍(lán)光的三個(gè)LED管組合使用，混合后形成白光。用于電視照明的以前一種方式居多，用于舞臺(tái)照明的以后一種方式為主。

1.2 LED用于舞臺(tái)照明的優(yōu)勢(shì)

LED燈具能夠用于舞臺(tái)照明，得益于它的幾個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)節(jié)能高效。

與白熾光源(包括鹵鎢光源)燈具相比，LED燈具節(jié)能高效的特點(diǎn)十分突出，我們可以通過(guò)兩種燈具結(jié)構(gòu)的比較來(lái)觀察這一點(diǎn)。

a.白熾燈具的光效。目前常用的白熾燈聚光燈具中，作為光源的白熾燈泡體積較大，常采用反光鏡和聚光透鏡結(jié)構(gòu)。其中一種為球面反光鏡，燈絲位于球面反光鏡球心，球面將射向燈具后方的光線反射回?zé)艚z一起向前，由于燈絲位于前部聚光透鏡焦點(diǎn)附近，燈絲發(fā)出的光線將由聚光透鏡會(huì)聚成一束接近平行的光束，如圖1所示。該光路只能利用燈泡發(fā)出的一部分光線，加上反光鏡和透鏡的損耗，整個(gè)燈具的光效只有百分之十幾。

b.鹵鎢燈具的光效。目前效率較高的橢球反光鏡成像聚光燈，得益于鹵素?zé)襞莸男⌒突?，如圖2所示，燈絲位于橢球形反光鏡內(nèi)部的一個(gè)焦點(diǎn)上。

由于橢球的特點(diǎn)，它有兩個(gè)焦點(diǎn)，從一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)橢球面的反射后，將會(huì)聚于另一個(gè)焦點(diǎn)。將燈具前方的聚光透鏡的焦點(diǎn)與橢球反光鏡的第二焦點(diǎn)接近，可將光源發(fā)出經(jīng)過(guò)反射通過(guò)第二焦點(diǎn)的光線匯聚成一束平行光線。由于燈泡中充填鹵素，燈絲、泡殼的工藝和材料得到改進(jìn)，燈泡尺寸縮小，燈泡被深深包裹在橢球反光鏡內(nèi)，橢球反光鏡對(duì)燈泡的包容角很大，因此，燈泡發(fā)出的光大部分被利用，該燈的光效比上一種燈具高，可達(dá)40%~50%.

c.LED燈具的光效。目前常見(jiàn)的L E D 光束燈， 使用專用的聚光杯，LED發(fā)光二極管安裝于全透明的聚光杯中。聚光杯中部為一個(gè)凸透鏡，將位于凸透鏡焦點(diǎn)的LED管向前發(fā)射的光束聚集成平行光束，而LED管側(cè)面發(fā)射的光束進(jìn)入聚光杯的內(nèi)側(cè)面后進(jìn)過(guò)折射到達(dá)聚光杯外側(cè)面，由于聚光杯外側(cè)面與內(nèi)側(cè)面經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)有一定的夾角，光線到達(dá)外側(cè)面時(shí)，該光線在外側(cè)面的入射角將大于制作聚光杯材質(zhì)的臨界入射角，因而不可能再發(fā)生折射，只能產(chǎn)生全反射由前方射出，經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)，出射光將成為平行于燈具光軸的平行光線，如圖3所示。

大功率LED管內(nèi)部有一個(gè)效率很高的反光鏡，是一個(gè)單向發(fā)光的光源。

一個(gè)小小的聚光杯，可將LED管發(fā)出的光線幾乎全部利用并形成平行光束，光源的利用率非常高。由于 LED管發(fā)出的光線不包含紅外線，LED工作時(shí)溫度也不太高，雖然聚光杯緊貼LED,仍然可以用高透光的聚酯塑料制作，也不會(huì)因高溫變形。精心設(shè)計(jì)、模壓成型的聚光杯，成批生產(chǎn)，一致性很好。

LED 管與聚光杯組合成一個(gè)模組，但是光通量還不夠，一般是將一個(gè)個(gè)相同的模組再一次組合，成為一個(gè)平面的LED陣列，如圖4所示，這樣一來(lái)，一個(gè)一百多瓦的LED燈具發(fā)出的光，相當(dāng)于幾百瓦的鎢絲白熾燈燈具的亮度，已經(jīng)能滿足舞臺(tái)應(yīng)用的需要，符合節(jié)能的要求。

有人將LED內(nèi)部的光學(xué)設(shè)計(jì)稱為一次設(shè)計(jì)，聚光杯設(shè)計(jì)為二次設(shè)計(jì)，聚光杯模組的組合為第三次設(shè)計(jì)。平面型的聚光杯模組組合工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。由于在同一個(gè)平面上，每個(gè)模組發(fā)出的平行光束是重疊的，因此，整個(gè)燈具射出的是一束略微發(fā)散的平行光，通過(guò)大量的 LED發(fā)光，產(chǎn)生符合舞臺(tái)需要的強(qiáng)光。

將LED 燈具與白熾燈的燈具比較，一方面，目前LED管的發(fā)光效率比白熾燈高出兩倍以上;其次，發(fā)光二極管利用它體積小和溫度低的特點(diǎn)，采用了更為高效的光路設(shè)計(jì)，對(duì)光源光通量的利用率比白熾燈舞臺(tái)燈具要高好幾倍。兩個(gè)因素相疊加，同樣的光通量，白熾燈燈具要比LED燈具的功率大好幾倍。所以，較小功率的LED 燈具可以達(dá)到舞臺(tái)所需要的光線強(qiáng)度的要求。

(2)色光亮艷。

在舞臺(tái)演出中， 燈光要用于為舞臺(tái)布景、道具、服裝染色，或創(chuàng)造特定的舞臺(tái)氣氛，舞臺(tái)演出大量使用彩色光。與目前舞臺(tái)燈具常用的彩色光比較，LED燈具在色彩方面的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)光源。以前，舞臺(tái)照明所用的色光，是采用在發(fā)白光的燈具前加上彩色的濾色紙或其他濾色片的方法，即擋住不需要的色光，只通過(guò)需要的色光光譜。由于大量不需要的色光被阻擋，射出的色光就相當(dāng)弱了，尤其是常用的藍(lán)色光，它的光譜位于可見(jiàn)光譜的高端，由于人眼的特點(diǎn)，對(duì)可見(jiàn)光譜兩端的紅色和藍(lán)紫色特別不敏感，大量人眼敏感的光線被擋掉，燈具的發(fā)光效率就更低了。