本文根据LED的特点和影视舞台照明对专业灯具的要求，从光学系统、散热系统和驱动控制系统三个方面阐述LED影视舞台专业灯具的设计要点。
一.光学系统
常用的影视专业照明灯具可分为以下几类：
*柔光灯具
*聚光灯具
*成像灯具
*天幕灯具
1.1柔光灯具
柔光灯具主要用于演播室铺光，在led灯具出现以前，主要用三基色荧光灯具实现。光斑角一般要求在60°左右，光质柔和、均匀，无明显阴影，能有效控制照射区域。由于一般都是近距离使用，对眩光控制要求较高。三基色荧光灯具由于光源尺度大，眩光比较容易控制。而LED由于芯片面积小，功率密度高，很容易产生眩光。解决眩光问题最直接的方法就是分散光源，降低功率密度，主要通过采用大数量的小功率LED形成均匀的面光源，降低或消除眩光的影响。目前用于LED柔光灯具的光源，从20mA的直插式LED到0.2W〜1W的表面封装（SMD)LED芯片都有。直插式LED由于热量只能通过管脚导出，因此散热性能不好，光衰相对较大。表面封装LED具有散热性能好、寿命长、一致性好、技术先进等适多优点，得到越采越广泛的应用。但业内最早生产LED平板柔光灯具的国际知名品牌Litepanel，却一直采用5mm直插式小功率LED，如图1。为什么没有采用散热性能更好、寿命更长、技术更先逬的表面封装LED芯片呢？主要因为表面封装LED芯片都不带聚光透镜，出光角度很大，不加透镜达不到需要的照度，杂散光也无法控制，加之芯片一般功率较大，容易产生眩光。而5mm直插式LED功率仅为0.06W,头部自带的透镜能很好地控制出光角度，非常适合柔光灯具使用。
市场上有些产品采用1W甚至1W以上的LED,会产生刺眼的眩光。配置散射角很大的柔光板虽然能减少眩光，但会增大光斑角，降低照度，增加杂散光。有的灯具测试总光效不错、但照度很低，就是这个原因。例如采用小功率LED多点发光，有效地控制了眩光，同时配置柔光板，使光质更加柔和、均匀，见图2。在杂散光控制方面，可以选配多沖度数（30°、45°、60°、90°)的蜂窝状隔栅控制光区。蜂窝状隔棚通过选用不同的孔径和厚度的比例，能将大于一定角度的光线完全遮挡住，有效控制杂散光，基本不会影响中心照度。对于采用多光源和面光源的灯具，只能使用格栅遮档的方式控制照射区域，用遮扉是完全达不到效果的。如图3所示，遮扉只能挡住靠近遮扉的光线，远端的光线照样可以射出，这样不仅不能起到遮光作用，还会带来难看的重影。有人说三基色灯具也配备了遮扉，但仔细观察就会发现，三基色灯具用的是亮板，是作为反光板而不是遮扉使用，见图4。
目前，LED的光效和显色性都有很大的提高，能满足影视舞台色温和显色指数要求的LED光效已达到100lm/w左右，LED柔光灯具替代三基色柔光灯具已经没有技术保障。以100W平板柔光灯具为例，4m远照度为607lx,见图5;而4x55W三基色柔光灯具4m远照度仅为301lx，见图6。虽然LED平板柔光灯具的光通量低于三基色柔光灯具，但60°-70°的光束角正好适合大多数专业应用，而三基色柔光灯具由于光源较大，很难做到良好的聚光，因而光束角偏大，实际应用中大角度的光-般被视为无效的杂散光而用格棚去除掉。由此可见，100W的LED平板柔光灯具完全可以替代4x55W三基色柔光灯具。通过组合的方式，LED柔光灯具还可以替换大型的三基色柔光灯具，例如6x96W的大型灯具。
理想的平板柔光灯具发光的面光源应均匀，这样眩光最小，也不会产生阴影，同时应该能把光斑角控制在6°左右.远程荧光粉技术非常适合这种应用。这种技术是将LED和荧光粉分离，由宝石蓝LED激发一定距离的黄色荧光粉混合产生白光。由于荧光粉远离LED芯片，不会受高湿影响产生色坐标溧移、混光更均匀、光效更高、寿命更长。采用这项技术可以得到非常均匀的面光源，配合微透镜阵列技术，达到理想的柔光灯具配光效果，这将是影视舞台专业平板柔光灯具的发展方向。
图7显示的是不带微透镜阵列的远程荧光板的光学模似。光型为典型的朗伯分布，出光角度120°。
图8为带微透镜阵列的远程荧光板的光学模似。由于微透镜阵列的聚光作用，出光角度缩小为60°,得到了理想的柔光灯具配光曲线。
1.2聚光灯具
聚光灯具光质较硬、有力度，遮档时有较清晰阴影，常见的有螺纹透镜聚光灯具和平凸透镜聚光灯具。由于螺纹透镜聚光灯具的光斑边沿较为柔和，舞台应用中又将其称为舞台柔光灯具。聚光灯具要求杂散光少，光斑角可变、遮挡时有清晰或较清晰的阴影。为了达到構确布光的目的，聚光灯具一般还要求能用遮靡控制照射区域。
聚光灯具的光学系统相对比较简单。以螺纹聚光灯具为例，一般就是选用点性好的光源，82合一片螺纹透镜即可。有的产品茌靠近光源的位置增加了一片焦距很短的凸透镜，这样可以有效地会聚光线，提高聚光时的光效，但同时会影响灯具的变焦范围，造成聚光角度偏大、散光魚度偏小的缺陷，需要憤重采用。用遮靡控制光区在影视舞台照明中是非常重要的功能。有的led聚光灯具采用多镜头设计，同时还配备了遮扉，这完全是画蛇添足，见图9。
多镜头LED灯具配置遮扉不仅不能控制光区，还会带来难看的阴影，其原理与前述柔光灯具加遮靡相同。图10显示了上述灯具加遮屝的实拍效果。
多镜头LHD灯具还有产生多重阴影的缺点，图11和图12分别显示了螺纹透镜聚光灯具和多镜头LED幻具被遮档时的阴影情况，螺纹透镜緊光灯具产生的阴影较为清晰，多镜头LED灯具由子各光源产生各自独立的阴影，相互叠加产生了难看的重影和效果。
由于影视舞台聚光灯具需要几千甚至上万流明的总光通靈，同时要求光源点性要好，这就要求LED模组到达很高的功率密度。某LED摄影灯一款250W的LED模组，点性接近囟钨光源，发光面直径仅17mm，光通蠹大于150001m,显色指数大于85,色坐标能控制在3阶麦克亚当坏以内，非常适合聚光灯具使用，见图13。
图14为采用这款光源设计的LED螺纹聚光灯具。它具备传统囟钨聚光灯具的全部功能，光斑角范围达到l0-180°,光斑均匀性优于传统卤钨灯具。图15和图16分别为LED灯具和囟钨灯具的实测数据，LED灯具光通量为76601m,2kW卤钨聚光灯具仅为65561m。
由此可见，设计良好的LED聚光灯具替代1kW-2kW的囟钨聚光灯具已经没有问题，而且功能和性能都完全可以与传统灯具媲美。
1.3成像灯具
成像灯具要求光质很硬、有力度，能产生非常清晰的光斑，光斑均匀，杂散光极少，遮控时有清晰阴影，能用遮光片精确控制照射区域，还可以使用图案片，投射出文字和图案等，LED成像灯具由于温度很低，还可以用胶片投射出幻灯的效果。
ETC的SourceFour成像灯具是目前影视舞台行业成像灯具事实上的标准，由于采用了笼形排布的灯丝结构和高效的椭球反光碗的设计，750W的SourceFour成像灯具光效能达到101m/w左右，目前，市场上有的LED成像灯具甚至还达不到SourceFour囟钨成像灯具的光效，根本没有节能的效果。因此，如何提LED成像灯具的光效，达到足够的总光通置，成为设计师首先要考虑的问题。目前主流的LED摄影灯采用前述的高功率密度LED模组，设计了非球面聚光系统，通过光学模似软件进行了光线追踪和优化，并采用多层镀膜的工艺，提高了聚光系统的效率。
釆用优化设计的300WLED成像灯具，光效达到了20lm/W，照度已经非常接近750W的ETC source four成像灯具，见图18.,实测数据对比见图9和图20。
值得注意的是，市场上很多200W以内的LED成像灯具，包括ETC的LEDSourceFour,宣称能替代750WETCSourceFour，其实都还有不小的差距。
图21显示的是囟钨成像灯具和LED成像灯具光斑对比情况，左侧为卤钨成像灯具光斑，右侧为LED成像灯具光斑，可见LED成像灯具的光斑均匀性和成像清晰度也完全可以达到甚至超过囟钨成像灯具。
1.4天幕/地排灯具
天幕/地排灯具专用于天幕照明，是一种较为特硃的灯具。灯具一般距离天幕2m左右，要求均匀照亮8m-10m高的天幕，由于照射距离相差很大，若采用对称配光的泛光灯具作为天幕/地排灯具使用，会出现上下亮中间暗的情况。因此一般天幕/地排灯具都采用非对称配光设计，即靠近幕布的部分光强较弱，远离幕布的部分光强较强，藉此达到均匀照亮天幕的目的。
传统的非对称设计都是靠非对称的反光板实现的。由于天幕照明对均匀度要求很高，一般采用喷砂或锤印反光板，这样可以消除亮暗光带，但是同时也会带来很大的光效损失。在LED天幕/地排灯具设计中，自由曲面全反射设计，通过光学模似软件进行光线追迹，优化出了适合天幕照明的反光面型，会出现不错的效果。见图22。
为了减少光效损失，有的LED灯具没有采用传统的喷砂或锤印反光板.而是选用了一款各向异性的镜面反光材料，水平方向反射性能与普通镜面反光板无异，而垂直方向能产生一定程度的散射。这样既能获得高反射效率，又避免了产生难看的亮暗带，能够得到均包的照明效果。采用这顶技术设计的天薄/地排灯具.见图23,以350W的功率，光通鍾达到了10000lm以上，超出了传统1250W囟钨天幕灯具50%。图24显示了灯具的配光曲线，可以明显地看到非对称配光效果。
由于采用了各向异性的镜面反光板，非对称配光效果和光效都大为提高，图25展示了仅用天幕灯具均匀照亮4.5m高背景板的现场照片。
二.散热系统
LED灯具的散热系统设计是关系到灯具成败的重要环节，尤其对于大功率、高功率密度的LED模组，散热问题尤为突出。如果不能把LED模组的基板湿度控制在合理范围，灯具的性能和寿命都会大打折扣。
图26显示了LED灯具热能传递途径。可以看出，LED芯片产生的热堡(约占LED功率的70%),都会通过LED基板、导热装置、散热器传递到大气坏境中。灯具设计者所能做的，只有设法降低每个环节的热阻，以降低LED芯片的温度。
需要注意的是，每个环节的热阻是串联关系，必须同时降低各个环节的热阻，才能使系统热阻降低到合理范围。从LED芯片到散热器的三个环节都有很好的技术解决方案，例如陶瓷基板、铜基板、高效导热硅脂和热管技术等，可以把热阻降到很小的程度。但是最后一个环节，从散热器到大气环境，却没有十全十美的解决方案，只有通过加强对流和增加散热面积来实现，这会带来灯具曝声和灯具体积的增大。这里有个误区，有的厂商宣称采用了具有高导热能力的新技术，可以取消风扇，在很小的体积下做成大功率LED灯具，通过上面的分析可知，这是违反物理原理的。不管用什么导热技术，灯具功率的70%都要变成热量从灯体上散发出去，最有效的散热方式还是风扇不要取消风扇，必须大大地增加散热面积，表面积不够一定会导致湿度过高。
其实，只要选择优良的低曝声风机，降低转速运行，完全可以将噪声控制茌行业标准之内。LED灯具的噪声与电脑摇头灯具的噪声相比，可以忽略不计。一些新闻演播室对灯具曝声控制的要求很高，此时，可以配合采用高指向性传声器，实践证明，这样电视节目的制作几乎不受影响。
有的厂商的无风扇LED灯具中增加了功率控制装置，当LED光源温度太高时就会自动降低LED的功率，这时，灯具的出光量也会大为减少，这在专业演播室是不能被接受的。即将颁布的文化行业标准《LED舞台灯具通用技术条件》规定：灯具茌正常使用环境中，要求光输出稳定时，其波动不应大于5%。
无风扇LED灯具的惟一做法就是保证足够的散热面积。以某款无风扇100W的LED聚光灯具为例，散热器的体积达到了200mmx340mm，配合前后贯通的直径40mm的大型热柱，才能保证LED模组基板温度控制在60°C左右。图27显示了这款灯具散热器的红外测试图像。
三.驱动控制系统
在影视舞台专业应用中，对灯具色温的稳定牲要求很高。而led光源的色坐标和色温会随驱动电流、结温和使用时间等诸多因累而变化。因此，LED通常都要求恒流驱动和脉宽调制（PWM)调光方式，以保证在LED凋光时的色温（白色）或波长（彩色）不致发生变化。图28是LED灯具与卤钨灯具调光过程色混变化对比。可以看出，LED灯具在调光过程中色温非常稳定。
由于LED光源具有极高的响应速度，因而微小的电流变化都会产生明显的亮度跳变。采用传统的256级调光会带来极大的闪烁感，通过采用类囟钨灯具调光控制技术TLD(Tungsten-LikeDimmer)和高达65536级的亮度分辨率以及独特的调光曲线，保证了LED灯具在从完全关闭到100%亮度（渐明、渐暗）的过程中无闪烁和跳变现象，达到了传统热光源灯具的调光效栗，见图29,
用于影视舞台照明的LED灯具，为了避免摄像机拍摄的画面出现频闪现象，要求PWM频率达到20kHz以上，如果同时要求调光分辨率达到65536级，则PWM最小脉沖宽度为：1/20000/65536s=7.6E-10s,即0.76ns，如此窄的脉沖一般的MCU和器件是无法实现的。采用了带扰动的PWM算法（SPWM),基本原理是通过把一个周期内的单一PWM脉沖分解为多个等宽度的窄脉沖，从而等效提高PWM频率的方法，实现了65536级分辨率，频率高达29kHz的PWM调光算法，可保证无频闪和平滑调光控制。
为了便于操作者快速地用RGBW混光调出所需颜色，还硏发出了HSIC(H-色调，S-饱和度，I-亮度，C-色温）调色系统，调节原理如囹30所示。
调节H(色调）时，输出光的色坐标沿RGB三色构成的三角形移动，这样可以从连续变化的红橙黄绿壽蓝紫色彩中快速找到所需的色凋；然后司以用S(饱和度）调节颜色深浅，如图30中显示的线段，从草绿色连续变化过渡到白色。这样就可以方便地调出各种色调、不同饱和度的颜色了。需要白光输出时，可以将饱和度调到零，然后调节C(色温），就可以方便地沿黑体辐射线连续调节色湿了。图31显示了调节色溫时RGBW各色LED的PWM占空比变化情况。
由于LED的光效和色坐标还会随温度变化而变化，见图32所示，且不同颜色的LED热稳定性能不同，因此，为了提高混光_度，需要加入温度补偿，根据当前基板混度测量值实时调整计算参数。
目前，LED受生产工艺限制，色坐标、光效等参数的一致性较差，给混光控制的精度带来了不利影响，因此，LED的选型和筛选是个难题。为了提高灯具的一致性，达到 更高的质量要求，需要对每一台灯具做光学参数标定，通 过实测值修正计算参数，才能保证每台灯具都有一致的光 学性能。
综上所述，采用LED光源的影视舞台专业灯具，必须 对光学系统、散热系统和驱动控制系统等各个方面逬行针 对性的优化设计，充分发挥LED光源的优点，克服其不足， 才能设计出优质的专业灯具，推逬绿色照明在影视舞台领 域健康发展。
结语
现场录像的同时，音频工作室同时导出两轨音频文件，制作导演将音效和语言对白经过混音之后即播出。这些都保证了电视观众能够欣赏到高质量真实的音响效果。《中国好声音》的音响设计充分考虑了现场的环境因素，并以听觉感受为第一要累，从而达到声场谩盖均匀、一致，声音丰满、清晰、自然。同时，茌系统安全、可靠性方面也作了充分的设计，为现场观众和广大电视观众带来一场视听盛宴。
