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。

　　LED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。

　　图2 定制的集成光源平面示意图

　　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。

　　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。

　　在实际应用中，应采用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30米以上，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。

　　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)不致发生变化。

　　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。

　卤钨灯及LED光源色温随温度变化曲线

　　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。