基于導(dǎo)光體技術(shù)的一種多用途舞臺燈光設(shè)計方案

廣州市浩洋電子有限公司　黃　成

基于導(dǎo)光體技術(shù)的一種多用途舞臺燈光設(shè)計方案

廣州市浩洋電子有限公司黃成

本文介紹了一種基于導(dǎo)光體技術(shù)的多用途舞臺燈光學(xué)系統(tǒng)變換的設(shè)計方案。結(jié)合理論基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用，通過相關(guān)光學(xué)仿真軟件分析了基于導(dǎo)光體技術(shù)的多用途舞臺燈的變換光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率、照度、光斑均勻度等效果。結(jié)果顯示，配合光源和導(dǎo)光體的機(jī)械運動，可實現(xiàn)舞臺燈在不同場合需求的光束、圖案的效果，即光斑中心亮度和均勻度的自動變換。分析結(jié)果很好的解決了現(xiàn)有氣泡燈光源光束燈要求中心照度高和圖案燈要求光斑均勻度的矛盾，也驗證了光線在導(dǎo)光體發(fā)生3-5次反射后能很好的平衡光學(xué)效率和光斑均勻度之間的矛盾。

舞臺燈；導(dǎo)光體；光束燈；圖案燈；光斑均勻度；光學(xué)效率

0　引言

舞臺燈光是利用燈光手段為舞臺照明并為人物景物造型的藝術(shù)，其作用是根據(jù)演出的要求，按照舞臺美術(shù)的整體構(gòu)思，運用舞臺燈光的技術(shù)設(shè)備及手段配合演員表演，塑造出舞臺上的視覺形象和感情色彩。

根據(jù)舞臺的表演需求和舞臺燈光發(fā)展的效果可分為以下幾種類型的燈具：光束燈、圖案燈、柔光燈等。其中，光束燈的投射角度較?。ā??），中心亮度較高（均勻度≤0.6），光斑邊緣截止明顯，并主要用于舞臺空間的分割以形成視覺的立體變換效果［1］。圖案燈側(cè)重于光斑均勻度（≥0.7），成像圖案清晰，投射光斑角度較大并可實現(xiàn)投射光斑的縮放（≥7?），用于舞臺各種預(yù)制場景，如閃電、流水、火焰等。而柔光燈則以較柔和，無明顯邊界的光斑對舞臺進(jìn)行照明，補(bǔ)光，渲染感情色彩等，如低色溫渲染溫暖，高色溫渲染感情高漲等［2］。

傳統(tǒng)舞臺燈上這三種燈具類型都只能實現(xiàn)單一的功能，不同場合的應(yīng)用需求往往需要眾多的燈具方能達(dá)到效果。這一新技術(shù)方案的提出，利用導(dǎo)光體配合氣泡燈光源的機(jī)械運動，能很好的實現(xiàn)光束燈與圖案燈多個類型燈具的一體化設(shè)計，節(jié)省了舞臺上燈具布局的空間，大大地降低舞臺的建設(shè)成本，給燈光設(shè)計師舞美設(shè)計提供了更大的發(fā)揮空間。

目前在舞臺燈行業(yè)內(nèi)，應(yīng)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，也有類似的燈具可實現(xiàn)光束效果和圖案效果。通過預(yù)設(shè)于燈泡和圖案花樣之間的一片柔光片（類似毛玻璃），通過柔光片的移入或移出光路光軸實現(xiàn)光束和圖案兩種燈具效果的模式。當(dāng)柔光片位于光路之外時，利用短弧燈泡光源的本身光線能量高度集中的特點，通過成像鏡頭把燈泡光線聚集的焦點成像投射出來（即燈泡焦點和成像焦點重合），形成較強(qiáng)的光束效果，此方式即燈泡的觸發(fā)點、燈泡焦點（成像鏡頭焦點）、投射面三者互為共軛。當(dāng)柔光片移入，把原高度密集的光線進(jìn)行擴(kuò)散，使光線的分布變得均勻，滿足圖案燈的需求。此類方法手段相對簡單，相對于移入柔光片之前光斑改善的均勻度不大（約0.7），而且柔光片本身的散射會導(dǎo)致光學(xué)效率損失較高，導(dǎo)致最終的光輸出降低。

1　導(dǎo)光體設(shè)計原理

在照明行業(yè)中，常用于改變二次配光中光分布均勻度手段同是使用光學(xué)積分器，而常用最常見的光學(xué)積分手段有柔光片、微透鏡陣列（亦稱復(fù)眼）和導(dǎo)光體。柔光片的特點是簡單直接，缺點是光學(xué)積分效果不好，且效率較低。微透鏡陣列積分效果可通過優(yōu)化設(shè)計改善，效率損失不高，缺點對復(fù)雜，對工藝要求極高，難以控制。

而導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)和工藝要求簡單，可通過優(yōu)化導(dǎo)光體的長度與截面尺寸的比值來平衡效率與均勻度的矛盾，而且效率損失相對比起微透鏡和柔光片的效果也更具優(yōu)勢。通常情況下，導(dǎo)光體的入口端設(shè)于氣泡燈的第二焦點上，然后導(dǎo)光體對進(jìn)入的光束進(jìn)行光學(xué)積分。如圖1所示。

四邊形空心導(dǎo)光體載面積為：

其中，D0為導(dǎo)光體的寬度。

進(jìn)入導(dǎo)光體的光線，其中輸出端D0寬度的光束未經(jīng)導(dǎo)光體的積分作用直接輸出，而輸出端超出D0寬度以D1、D2、-D1、-D2、Dn……（D0=D1=D2=-D1=-D2=Dn……）經(jīng)過導(dǎo)光體的一次或多次的反射，重新疊加到導(dǎo)光體的輸出端面上。

未經(jīng)導(dǎo)光體反射積分的部分光束角度β：

其中，L表示導(dǎo)光體的長度。

θ光束角范圍內(nèi)，經(jīng)導(dǎo)光體反射的次數(shù)n為：

其中，θ表示輸入導(dǎo)光體的發(fā)散角度；β表示未經(jīng)導(dǎo)體反射積分作用的光束；n表示輸入導(dǎo)光體光束被積分的次數(shù)。

由上述表達(dá)式可以知道，當(dāng)D0/L比值足夠小的時候，可以認(rèn)為β角范圍內(nèi)的光線是足夠均勻的，同理可認(rèn)為在導(dǎo)光體出口端等寬D0的光束D1、D2、-D1、-D2、Dn……范圍內(nèi)也可認(rèn)為是均勻的。Dn范圍的光束經(jīng)過導(dǎo)光體進(jìn)行n次的反射后重新疊加于導(dǎo)光體的出口端，以產(chǎn)生光學(xué)積分的作用，使從導(dǎo)光體輸出的光分布均勻度得到改善。

導(dǎo)光體端口的截面尺寸D0由燈泡相應(yīng)參數(shù)及設(shè)置相對燈泡距離決定，通常情況下，導(dǎo)光體的輸入端設(shè)于燈泡的第二焦點位置，導(dǎo)光體的內(nèi)切圓不小于燈泡于第二焦點的光斑尺寸。

由此可推斷出，導(dǎo)光體長度L越長，當(dāng)D0/L比值越小，取樣的光束β越小，導(dǎo)光體積分的次數(shù)n也就越多，由此積分作用后的光分布會越均勻，但同時由于反射次數(shù)增多，導(dǎo)光體的效率也會降低。

經(jīng)過光學(xué)軟件建模仿真和實踐證明，當(dāng)n=3～5時，得到的光斑均勻度U可達(dá)到0.8以上。

均勻度計算公式［3］：

其中，Iave表示光斑的平均照度，Imax表示光斑最大照度。

圖1　

圖2　

2　光學(xué)系統(tǒng)方案

多用途舞臺燈光系統(tǒng)，可實現(xiàn)光束燈效果和圖案燈效果的實時切換，其具體的技術(shù)方案包括沿光軸依次設(shè)置可沿光軸移動氣泡燈光源（含反光杯），可移入和移出光路系統(tǒng)的導(dǎo)光體，花樣組件、成像鏡頭如圖2所示。光源整個模組長可通過控制系統(tǒng)根據(jù)實時的需要控制其沿光軸進(jìn)行移動，以避讓出導(dǎo)光體移入光路中。成像鏡頭分三組態(tài)的變倍組成像系統(tǒng)，分別為調(diào)焦組、變倍組和固定組［4］。

當(dāng)整個燈具處于光束模式時，導(dǎo)光體位于光路系統(tǒng)外，花樣組件設(shè)于光源的第二焦點位置，與整個成像系統(tǒng)的焦點重合［5］。通過三組態(tài)的成像系統(tǒng)把光源第二焦點位置的光斑投射出來，第二焦點位置與投射目標(biāo)面互成共軛關(guān)系。由于燈泡本身的特性，被投射出來的光斑相對光線能量密度高度集中，中心照度非常強(qiáng)，光束邊緣截止明顯，光斑均勻度較差（U≤0.5），此時燈具可用于遠(yuǎn)距離照射，具備非常強(qiáng)的空中穿透能力。

需要切換切致圖案的模式時，通過導(dǎo)軌和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，光源開始沿著光軸方向相對成像系統(tǒng)和花樣組件往燈具底部移動距離L（即導(dǎo)光體的長度），避讓出導(dǎo)光體所需要的位置空間，同時導(dǎo)光體移入光路，即導(dǎo)光體的輸入端與光源的第二焦點重合，輸出端即為花樣組件。從燈泡輻射出來的光束，經(jīng)過導(dǎo)光體的光學(xué)積分后，所得光斑的照度均勻度，色溫均勻度均達(dá)到比較好的水平。實際驗證和測試，根據(jù)燈泡的特性，導(dǎo)光體尺寸D0=12mm，L=70mm時，光束經(jīng)導(dǎo)光體反射的次數(shù)n≈3.0時，所得光斑均勻度可達(dá)到0.8，已能滿足舞臺燈的圖案要求［6］。

3　結(jié)論

由此可見，本文所提出的基于導(dǎo)光體技術(shù)的多用途舞臺燈光設(shè)計方案通過對現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化和靈活運用，可以實現(xiàn)在光束燈模式和圖案燈模式之間快速切換，實現(xiàn)了一臺燈具多種功能的效果，推動了舞臺燈光技術(shù)的發(fā)展，也大大的增加了舞臺藝術(shù)設(shè)計的靈活性。

［1］劉艷波.光束燈在各類型演出中的設(shè)計及應(yīng)用［J］.藝術(shù)科技，2014（5）：56-56.

［2］王竹生.從電腦燈具光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)談光度參數(shù)和光斑效果的要求［J］.演藝科技，2006（6）：9-12.

［3］黃國明.一種改善光斑均勻性的舞臺照明系統(tǒng)［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016（8）：67-68.

［4］蔣偉楷.一種圖案與光束效果相互切換的舞臺燈光學(xué)系統(tǒng)［P］.中國專利：201410089184.3，2016-04-13.

［5］蔣偉楷，彭穎如，林學(xué)貴.高效UHP光源舞臺照明燈具研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（06）：50-53.

［6］孫惠，李湘寧，劉曉東.反射式大功率LED舞臺燈的設(shè)計［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013（04）：152-157.