LED舞臺(tái)燈具的現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

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，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)到幾萬小時(shí)，同時(shí)，它還具備開關(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，這種燈具少人問津，近年來由于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

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，我們可以通過兩種燈具結(jié)構(gòu)的比較來觀察這一點(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)過反射通過第二焦點(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，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簡單。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，它的光譜位于可見光譜的高端，由于人眼的特點(diǎn)，對可見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。

同時(shí)，為了防止濾色片高溫褪色，濾色片要透過光譜中大量的紅外成分，在藍(lán)色濾色片透過短波長的藍(lán)光的同時(shí)，也有些長波段的紅光透過。因此，通過白熾燈前加藍(lán)色濾色片的方法得到的藍(lán)光不但亮度減弱，顏色也不純，很難使燈光師滿意。

LED燈具則相反，它的紅、綠、藍(lán)三色光由三個(gè)發(fā)光管發(fā)出，白光由三基色混合，需要某一色光時(shí)，只減少不需要的光譜發(fā)出，并發(fā)出所需光譜的色光即可，這樣一來，燈具發(fā)光效率大大提高。尤其是藍(lán)光，LED燈的藍(lán)光亮度相當(dāng)于功率大于其十倍的白熾燈燈具加藍(lán)色色紙的亮度。LED燈具的色光在實(shí)際使用中有時(shí)顯得太過純亮鮮艷，為了降低色光的飽和度，有的LED燈具還加上發(fā)白光的LED燈珠，以產(chǎn)生淡雅的色光。

由于L E D 的發(fā)光效率比白熾燈高，燈具的光效比普通白熾燈燈具高，色光的效率更是高得多，LED燈具用于舞臺(tái)演出產(chǎn)生所需的彩色光，能充分發(fā)揮出LED的長處。

（3）壽命超長。

LED的壽命長達(dá)幾萬小時(shí)，而白熾燈的壽命僅為幾百、上千小時(shí)。但是早期研發(fā)LED燈具時(shí)，LED裝入燈具后出現(xiàn)了難以解決的散熱問題，使LED的壽命大大縮短，影響了LED燈具的推廣。LED管為半導(dǎo)體發(fā)光，以目前的工藝水平，LED工作時(shí)輸入的電能10%~20%轉(zhuǎn)化為可見光發(fā)出，剩余的80%~90%的電能將轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能必須及時(shí)散發(fā)，否則，將導(dǎo)致管芯溫度升高。如在常溫下工作，LED的壽命可達(dá)五到十萬小時(shí)。

做成舞臺(tái)燈具，許多LED管集中在一起，LED管的溫度就會(huì)升高，由此將導(dǎo)致 LED管發(fā)光效率降低，壽命縮短。

目前，一般的功率型LED管結(jié)構(gòu)上已經(jīng)得到大大改進(jìn)，不僅本身有導(dǎo)熱基板，還配有鋁基金屬芯印刷線路板（MCPCB）作為散熱基板，便于將內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。除了足夠散熱面積的散熱板或帶有散熱翼片，從LED管體到燈體外部整個(gè)導(dǎo)熱通道也設(shè)計(jì)得十分科學(xué)，若將內(nèi)部LED芯片的工作溫度控制在100℃以內(nèi)（LED的極限溫度是150℃左右），LED的壽命就能達(dá)到幾萬小時(shí)。

（4）使用方便。

LED舞臺(tái)燈具的使用十分方便。

LED的工作電壓為3 V~5 V的直流電，若想將LED舞臺(tái)燈具自帶220 V交流電變?yōu)榭烧{(diào)光的低壓直流電源，只需要一臺(tái)發(fā)出DMX信號(hào)的燈光控制臺(tái)，不需要一般舞臺(tái)燈具必須外加的調(diào)光器。通過控制臺(tái)發(fā)出的DMX512信號(hào)分別控制紅、綠、藍(lán)三色LED管的亮度，可調(diào)出紅橙黃綠青藍(lán)紫各種色彩及亮度的光束。一個(gè)燈可代替多個(gè)不同顏色的常規(guī)舞臺(tái)燈具，免除了換色器。而且，燈體沒有一般白熾燈的玻璃燈泡和燈絲等易碎品，搬運(yùn)、日常維護(hù)等都簡單得多，特別適合經(jīng)常拆裝臺(tái)的演出場合。

2 LED舞臺(tái)燈具目前存在的問題

L E D 舞臺(tái)燈具優(yōu)點(diǎn)很多， 很先進(jìn)，但是目前還未能在舞臺(tái)演出中普及，主要存在以下問題：

（1）目前價(jià)格比較高。

目前，LED舞臺(tái)燈具的使用受到限制，與常規(guī)舞臺(tái)燈具價(jià)格上的較大差距是推廣的一個(gè)重要阻力。

LED燈具成本較高主要有以下原因：高質(zhì)量的發(fā)光二極管管芯主要來源于美、日等國外生產(chǎn)廠商，需要進(jìn)口，價(jià)格較高；新燈具光路和燈具結(jié)構(gòu)開發(fā)費(fèi)用、高性能材料產(chǎn)生的成本也很高；將常用的220 V交流市電在燈具內(nèi)部高效地轉(zhuǎn)換為LED所需要的低壓直流電所用開關(guān)電源，為調(diào)節(jié)燈內(nèi)各路LED的色彩亮度需要的調(diào)光控制電路，以及與控制臺(tái)連接的DMX512信號(hào)接收與解碼處理的電路等等，在增加了功能的同時(shí)，也增加了燈具的成本。LED燈具目前還屬于一種高技術(shù)的產(chǎn)品，在尚未大批量得到應(yīng)用的狀況下，成本的大幅下降有待時(shí)日。

（2）品種比較單一。

目前LED燈具品種單一，主要是一種光學(xué)結(jié)構(gòu)：多個(gè)LED加聚光杯在一個(gè)平面排列而成的方形或圓形的發(fā)光面，組成LED光束燈。大量的LED光源制作在一個(gè)平面上，形成一個(gè)平面的發(fā)光體，照在對象上，除了中心區(qū)域一個(gè)均勻的光斑外，外圍是柔和漸變的光圈，形成由亮到暗的衰減區(qū)，難以形成邊緣清晰的硬光斑，更難用成像片切割產(chǎn)生各種不同形狀的光斑。這樣的LED燈具作為泛光燈或要求不高的光束燈尚可，要適應(yīng)舞臺(tái)演出對光束的不同要求，例如要求邊緣清晰的硬光斑場合，或在光區(qū)要求嚴(yán)格、光束要成像切割控制的場合難以適用。一般舞臺(tái)聚光燈具（除了PAR燈）都有一個(gè)光束角大小或光斑柔硬可調(diào)節(jié)的范圍，上述的LED光束燈就無法實(shí)現(xiàn)了。如果作為泛光燈具，舞臺(tái)常用的天幕云燈中的碘鎢燈管加非對稱反光板可在舞臺(tái)天幕上方或下方向天幕投射均勻的光線，而LED模組平面布置的燈具均為對稱配光，所以，LED燈具作為天幕燈也有欠缺。

（3）質(zhì)量參差不齊。

由于近年來關(guān)于 第四代電光源、節(jié)能高光效的概念炒作不斷，國內(nèi)外的LED燈具生產(chǎn)企業(yè)大幅增加，一時(shí)間LED燈具產(chǎn)品鋪天蓋地。

目前，生產(chǎn)LED管成品的國內(nèi)外企業(yè)很多，產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格差別很大。有許多廠商生產(chǎn)或仿制聚光杯，還有一些廠家不加設(shè)計(jì)，只是采購元件，組裝成燈具。因此，同樣的LED燈具，外形相似，由于采用不同的生產(chǎn)工藝、元器件，發(fā)光效率差別很大。

事實(shí)上，LED的生產(chǎn)工藝要求很高，并不是所有企業(yè)都具備相應(yīng)的實(shí)力，因而造成市場上LED燈具的質(zhì)量良莠不齊。LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求十分精密，LED管和聚光杯的尺寸都很小，兩者的相對位置配合要求較高，小小的偏差，光線到達(dá)舞臺(tái)的位置將會(huì)有很大的差距。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工藝要求嚴(yán)格的廠家會(huì)對大批LED管的一致性進(jìn)行篩選，考慮到LED管在線路板上焊漿的厚薄產(chǎn)生的差距，廠家會(huì)采用自動(dòng)化的激光焊接工藝。

另外， 如前所述， 散熱問題直接影響LED的發(fā)光效率。目前優(yōu)質(zhì)的LED燈具從設(shè)計(jì)上和工藝上解決了散熱問題，可以有三萬小時(shí)以上的壽命，但是設(shè)計(jì)或工藝差的LED燈具則可能只有幾千小時(shí)甚至更短的壽命。

專業(yè)的研制、設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的生產(chǎn)管理，企業(yè)從元器件、材料的選用，從先進(jìn)的自動(dòng)化操作機(jī)械到生產(chǎn)過程的嚴(yán)格質(zhì)量控制（包括中間部件的老化處理），每個(gè)環(huán)節(jié)都影響著LED燈具的質(zhì)量。

3 LED舞臺(tái)燈具的應(yīng)用前景

盡管存在一些問題，但是LED舞臺(tái)燈具的前景還是為人們一致看好。

（1）LED的光效不斷提高，價(jià)格不斷降低。

單一管芯LED的功率和發(fā)光效率在不斷提高，實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)能夠達(dá)到超過160 lm/W（也有稱超過190 lm/W），商品化的產(chǎn)品也有每瓦上百流明的效率，科學(xué)家的目標(biāo)是200 lm/W.單個(gè)管芯產(chǎn)品的功率也會(huì)有成倍的提高。

發(fā)光效率和單管功率的提高有助于燈具中LED管數(shù)量的減少，進(jìn)一步提高燈具的光效。隨著科研的進(jìn)展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，LED的成本和價(jià)格也在不斷下降。比較電腦等微電子技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展的過程，LED技術(shù)的發(fā)展速度以及它應(yīng)用推廣速度之快，超出很多人的想象。

雖然LED舞臺(tái)燈具價(jià)格較高，但即使在目前仍然有使用的價(jià)值：一是電能的節(jié)約符合節(jié)能的國策；二是光源幾倍于白熾燈的長壽命對價(jià)格的分?jǐn)偅蝗菧p少了外圍器件（調(diào)光器、換色器）的使用，節(jié)約了成本；四是維護(hù)工作量減少，降低了使用成本。

綜合分析比較而言，LED燈具的高價(jià)格主要體現(xiàn)在一次性的投資上，從長期使用和使用效果的角度看，價(jià)格高還是可以理解的。國家政策的扶持和用戶觀念的更新，會(huì)擴(kuò)大LED燈具的應(yīng)用面。更重要的是，隨著應(yīng)用的擴(kuò)大和LED燈具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量的生產(chǎn)將進(jìn)一步促使成本和價(jià)格的下降，成本的下降和應(yīng)用的擴(kuò)大相互促進(jìn)形成一個(gè)良性循環(huán)，將產(chǎn)生積極的作用。當(dāng)然，這需要廠商和用戶的共同合作和努力。

（2）新的組合式管芯的出現(xiàn)，單個(gè)LED管（模塊）的功率不斷提高。

單個(gè)LED光源的功率的提法目前看來有些模糊，原來的LED管是單個(gè)芯片制成，由于電流、發(fā)熱、出光效率等限制，單個(gè)LED管的功率不可能做得很大，影響到LED管的光通量。為此，已有廠商將多個(gè)LED管芯組合做在一個(gè)散熱基片上，內(nèi)部串聯(lián)或并聯(lián)成為一個(gè)更大功率的模塊。目前，已經(jīng)可以看到20 W、60 W甚至300 W的組合管芯LED管，組合管芯的LED管的總光通量大大增加。圖5為一個(gè)100 W的LED管，表1為它的技術(shù)參數(shù)。

組合大功率LED管雖然功率增大，總光通量變大，但是由于眾多管芯高度集中，散熱問題的解決更加困難，發(fā)光效率也有所降低。另外，多個(gè)管芯排列成一個(gè)平面，發(fā)光面積也增大，面發(fā)光的光源在燈具設(shè)計(jì)過程中，光線的匯聚和控制將變得困難，光的利用率也會(huì)降低。目前人們對這類組合管芯進(jìn)行研究和開發(fā)，一是解決好大功率光源的散熱問題和發(fā)光效率，二是開發(fā)新的光學(xué)結(jié)構(gòu)，提高燈具效率。

由于單一的光源和聚光鏡結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)兩者的相對位置，可以方便地改變光束角度的大小和光斑邊緣的虛實(shí)，滿足舞臺(tái)布光的要求，LED在舞臺(tái)燈具方面的應(yīng)用將有新的突破。

（3）新型光學(xué)設(shè)計(jì)的突破，新燈種的開發(fā)。

舞臺(tái)演出多種多樣， 各種風(fēng)格的舞臺(tái)演出樣式對光區(qū)的控制要求各不相同，舞臺(tái)燈具從條燈、天幕泛光燈、柔光燈、光束燈、舞臺(tái)聚光燈、成像燈、追光燈對燈具的聚光效果要求逐漸嚴(yán)格。目前，LED舞臺(tái)燈具的聚光性能可部分滿足從條燈到光束燈的要求，尚不能滿足舞臺(tái)聚光燈到追光燈的要求。

發(fā)光二極管與聚光杯模組的組合方式，光效較高，但是光束形式單一，難以如常規(guī)舞臺(tái)燈具般對光束進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)?？蒲腥藛T還需進(jìn)一步改進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)，即三次設(shè)計(jì).有人提出過兩種方案，圖6、圖7分別為納入普通舞臺(tái)聚光燈的思路增加聚光鏡或反光鏡的方案，這種方案可利用聚光鏡或反射鏡的位置移動(dòng)改變光束角大小和光斑虛實(shí)，更適合目前舞臺(tái)燈具應(yīng)用的習(xí)慣。但是，由于反射和折射的加入，燈具的光效會(huì)有所降低，這些都是研發(fā)人員需要解決的問題。我們也可以跳出這一思路，直接用前文提到的LED模組非平面排列產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的光束。相信未來的LED新燈具將不斷創(chuàng)新，更適合舞臺(tái)演出的需要。

（4）控制軟件的改進(jìn)使得LED舞臺(tái)燈具使用更加便利。

L E D 亮度不斷提高、單個(gè)功率不斷提高，以及燈具光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得現(xiàn)有的燈具的亮度和光學(xué)性能將更好。在控制方面，調(diào)光和調(diào)色也會(huì)更方便。未來的L E D 燈具可產(chǎn)生更加豐富的色彩， 在紅、綠、藍(lán)的混合過程，國內(nèi)外已經(jīng)有超過三色的L E D 組成的燈具， 多色混合后的色彩更加豐富。調(diào)光模式也由一種顏色的LED一個(gè)調(diào)光通道，改為經(jīng)過燈具內(nèi)部編碼由色度（H）、飽和度（S）和亮度（B）三個(gè)通道調(diào)制的更便于使用的模式。國內(nèi)也有廠商作了類似的嘗試，增加了配色的LED管種類，增加了多種調(diào)光模式。但如何使燈具設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理、使用更方便，還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的普及，LED燈具的控制技術(shù)還可進(jìn)一步改進(jìn)。

總之，LED燈具已經(jīng)走上舞臺(tái)，它的前景是光明的。它已經(jīng)能替代一部分的白熾燈舞臺(tái)燈具，它還將替代更多的舞臺(tái)燈具。這一替代的過程規(guī)模多大，替代的速度多快，目前還難以預(yù)料，但是，這一過程有利于人類節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的要求，也有利于舞臺(tái)燈光藝術(shù)的發(fā)展，希望生產(chǎn)廠商與舞臺(tái)燈光工作者共同努力，加快這一過程的發(fā)展。