LED舞台灯具的现状和应用前景

【摘要】LED发光二极管有发光效率高、可调光，但是单体功率小、价格高的特点。随着技术的进步，LED舞台灯具在演出中的应用日渐增多。本文分析LED灯具的优点和存在的问题，展望其良好的应用前景。

1 LED舞台灯具的现状

1.1 技术发展概况

自20世纪90年代蓝光、白光及高亮度LED出现以来，LED的发光效率不断提高，商品化的LED 管目前已经达到50 lm/W~100 lm/W的发光效率，并且它的光效仍在不断提高，估计最终能够达到200 lm/W左右，不仅大大高于10 lm/W~30 lm/W的白炽灯(包括卤钨灯)，也大大高于目前的所有光源。但是单个LED功率很小，只有1 W~5 W,光效再高也才几百流明，而舞台灯具动辄上千瓦功率、上万流明的光通量，所以，以前许多人从未想到将LED用到舞台灯具上。

本世纪初，蓝光LED得到普及，白光LED技术逐渐成熟，LED的光效比白炽灯成倍提高，大功率(瓦级)LED的寿命可达到几万小时，同时，它还具备开关快速、调光方便的优点，将多个LED组合以提高总光通量的新型L E D 舞台灯具开始出现。起初，由于技术的原因和昂贵的价格，这种灯具少人问津，近年来由于LED灯具光效的提高，聚光杯、管芯、外壳等零配件的普及，许多厂商开始组装生产。LED灯具以其鲜艳的色光、节能环保等优点吸引了人们去尝试。

一些演出中使用了LED灯具，取得了较好的效果。

目前，LED用于白光照明的模式有两种：一种是用发蓝光的管芯中加上荧光粉，使发出的部分蓝光通过荧光粉转换为黄光，部分蓝光和黄光混合成为白光;另一种是将分别发红、绿、蓝光的三个LED管组合使用，混合后形成白光。用于电视照明的以前一种方式居多，用于舞台照明的以后一种方式为主。

1.2 LED用于舞台照明的优势

LED灯具能够用于舞台照明，得益于它的几个主要特点：

(1)节能高效。

与白炽光源(包括卤钨光源)灯具相比，LED灯具节能高效的特点十分突出，我们可以通过两种灯具结构的比较来观察这一点。

a.白炽灯具的光效。目前常用的白炽灯聚光灯具中，作为光源的白炽灯泡体积较大，常采用反光镜和聚光透镜结构。其中一种为球面反光镜，灯丝位于球面反光镜球心，球面将射向灯具后方的光线反射回灯丝一起向前，由于灯丝位于前部聚光透镜焦点附近，灯丝发出的光线将由聚光透镜会聚成一束接近平行的光束，如图1所示。该光路只能利用灯泡发出的一部分光线，加上反光镜和透镜的损耗，整个灯具的光效只有百分之十几。

b.卤钨灯具的光效。目前效率较高的椭球反光镜成像聚光灯，得益于卤素灯泡的小型化，如图2所示，灯丝位于椭球形反光镜内部的一个焦点上。

由于椭球的特点，它有两个焦点，从一个焦点发出的光线经过椭球面的反射后，将会聚于另一个焦点。将灯具前方的聚光透镜的焦点与椭球反光镜的第二焦点接近，可将光源发出经过反射通过第二焦点的光线汇聚成一束平行光线。由于灯泡中充填卤素，灯丝、泡壳的工艺和材料得到改进，灯泡尺寸缩小，灯泡被深深包裹在椭球反光镜内，椭球反光镜对灯泡的包容角很大，因此，灯泡发出的光大部分被利用，该灯的光效比上一种灯具高，可达40%~50%.

c.LED灯具的光效。目前常见的L E D 光束灯， 使用专用的聚光杯，LED发光二极管安装于全透明的聚光杯中。聚光杯中部为一个凸透镜，将位于凸透镜焦点的LED管向前发射的光束聚集成平行光束，而LED管侧面发射的光束进入聚光杯的内侧面后进过折射到达聚光杯外侧面，由于聚光杯外侧面与内侧面经过设计有一定的夹角，光线到达外侧面时，该光线在外侧面的入射角将大于制作聚光杯材质的临界入射角，因而不可能再发生折射，只能产生全反射由前方射出，经过合理的设计，出射光将成为平行于灯具光轴的平行光线，如图3所示。

大功率LED管内部有一个效率很高的反光镜，是一个单向发光的光源。

一个小小的聚光杯，可将LED管发出的光线几乎全部利用并形成平行光束，光源的利用率非常高。由于 LED管发出的光线不包含红外线，LED工作时温度也不太高，虽然聚光杯紧贴LED,仍然可以用高透光的聚酯塑料制作，也不会因高温变形。精心设计、模压成型的聚光杯，成批生产，一致性很好。

LED 管与聚光杯组合成一个模组，但是光通量还不够，一般是将一个个相同的模组再一次组合，成为一个平面的LED阵列，如图4所示，这样一来，一个一百多瓦的LED灯具发出的光，相当于几百瓦的钨丝白炽灯灯具的亮度，已经能满足舞台应用的需要，符合节能的要求。

有人将LED内部的光学设计称为一次设计，聚光杯设计为二次设计，聚光杯模组的组合为第三次设计。平面型的聚光杯模组组合工艺相对简单。由于在同一个平面上，每个模组发出的平行光束是重叠的，因此，整个灯具射出的是一束略微发散的平行光，通过大量的 LED发光，产生符合舞台需要的强光。

将LED 灯具与白炽灯的灯具比较，一方面，目前LED管的发光效率比白炽灯高出两倍以上;其次，发光二极管利用它体积小和温度低的特点，采用了更为高效的光路设计，对光源光通量的利用率比白炽灯舞台灯具要高好几倍。两个因素相叠加，同样的光通量，白炽灯灯具要比LED灯具的功率大好几倍。所以，较小功率的LED 灯具可以达到舞台所需要的光线强度的要求。

(2)色光亮艳。

在舞台演出中， 灯光要用于为舞台布景、道具、服装染色，或创造特定的舞台气氛，舞台演出大量使用彩色光。与目前舞台灯具常用的彩色光比较，LED灯具在色彩方面的性能要优于传统光源。以前，舞台照明所用的色光，是采用在发白光的灯具前加上彩色的滤色纸或其他滤色片的方法，即挡住不需要的色光，只通过需要的色光光谱。由于大量不需要的色光被阻挡，射出的色光就相当弱了，尤其是常用的蓝色光，它的光谱位于可见光谱的高端，由于人眼的特点，对可见光谱两端的红色和蓝紫色特别不敏感，大量人眼敏感的光线被挡掉，灯具的发光效率就更低了。