解析MAC 350 Entour LED图案电脑灯

文/[美]迈克·伍德 编译/姚涵春

（1．上海戏剧学院，上海 200040）

解析MAC 350 Entour LED图案电脑灯

文/[美]迈克·伍德 编译/姚涵春1

（1．上海戏剧学院，上海 200040）

通过测试和评价数据，从光学系统的结构和性能入手解析一款LED图案电脑灯。

电脑灯；LED；高亮度；光学系统；测评

MAC 350 Entour虽然不是第一款市场化的LED图案电脑灯，但它是较早出现的高亮度LED灯具之一，其亮度能与传统的图案电脑灯相媲美。图1为受测灯具外观。笔者沿着灯具的光学链，从光源到光输出对其主要技术性能进行测试，并对灯具的优势与不足进行简要分析。受测灯具由生产企业提供，灯具配有通用电源，额定电压范围为：100 V ～ 240 V、50/60 Hz。测试过程中，该灯具在常规的115 V、60 Hz电压下运行。

图1 受测灯具

1 光源

1.1 光学设计

该灯具的光源额定寿命为60 000 h，理论上，若每天开启24 h，该光源可以使用7年；若每天开启8 h，则可使用20年以上。对于使用传统光源的灯具来说，更换光源是非常重要的常规工作，而对于MAC 350 Entour 来说，短期内可以不必考虑更换光源。这也意味着，这种灯具的光源不是使用者可以随意摆弄的部件，它的维护与保养需要专门的技术支持。

MAC 350 Entour 的光源采用了7个CBT-90 LED模组，每个模组额定功率为50 W。它们体积小，且功率密度高，与其热传导系统一起被整合在光源组件中。这种LED模组由美国Luminous Devices公司生产，因其良好的特性而备受灯具生产企业的欢迎。这7个LED模组被固定在铜质和陶瓷材料的基板上，基板安装在一块大的铝质热沉上，这种结构可以有效控制LED芯片的温度，这对保持光源寿命有重要作用。图2是透过主孔径观察到的光源布局情况，1个模组位于光源中央，另外6个在其周围环绕排布。每个LED管芯覆以定制模塑的TIR透镜，透镜的直径约为20 mm。从图中很难辨别它们的安装面是否为一个平面；可以看出散热器是如同凹形碟面一样的铸件。中央的LED模组相对于孔径按标准被常规安装，而四周的6个模组都是倾斜成一定角度安装的，以使7个模组都对准孔径的中心。光源模组的细节如图3所示，可以看见在底部右边的透镜以及底部左边有两个0.25英寸的刀形电源接触。审视TIR透镜的功用，笔者认为，透镜将发自各LED管芯的光汇聚起来，并穿越整个孔径，以构成总体亮度，而并不是构成其影像的一部分。虽然来自每个单独的LED管芯的光束可能不是那么柔顺平滑，但是7个光束叠加及其平均值提供了片门处完全可接受的均匀分布。TIR透镜的开发与设计是Martin Professional公司的专利，笔者获悉，它是由该公司和丹麦一所大学合作设计的。

1.2 光源的优势与不足

MAC 350 Entour只采用白光LED，这说明该灯具只能依靠二向色性色片产生色光，而不是用RGB色光加法混合法。只采用白光LED，有以下几点好处：

（1）光效高

白光LED是目前可采用的最有效率的LED光源，大型半导体制造企业的绝大多数资源和研发力量都投入到如何提高白光LED的光效方面，其主要原因是：在照明领域，白光灯具的市场需求占绝大多数，只有演艺、娱乐、会展等少数行业才需要彩色光灯具。目前，市场上的大功率白光LED的光效可达到100 lm/W以上，相比之下，通过RGB混色产生白光的LED光源，光效要低得多，有的只能达到白光LED的一半。

图2 透过主孔径观察到的光源布局图3 LED模组的细节

（2）光损小

与RGB LED光源相比，单一的白光LED不需要考虑组合、均质各种色彩以构成单一光束的问题，也避免了因其造成的高光损情况。

（3）色彩一致性好

该灯具使用单一的白光LED，通过换色片来获取色光，色彩一致性较好。而使用RGB LED光源的灯具，在光学设计中要考虑各色光LED不同的热敏感特性，以保证较好的色彩一致性。

采用单一的白光LED对该灯具的光学设计来说也有不利之处。由于灯具是靠换色片获取色光，无法采用加法混色的方法得到高效率的色光，相反，必须运用传统的低效率减法混色。比如，当运用加法混色方法来构成蓝光时，只需蓝光LED，红光和绿光LED则完全被关闭了。用减法混色时，灯具的所有LED都始终运行着，使用蓝色片使灯具产生蓝光。在这种情况下，任何红光和绿光被色片反射回去，这部分光就被浪费了。

1.3 频闪

该灯具的频闪效果完全是电子式控制的——不需要借助运动的部件来实现。MAC 350 Entour提供宽泛的频闪选择范围和不同的模式，频率可达8.25 Hz。这包括脉冲调制的频闪，此时，以25 Hz高频脉冲串调制低速频闪。

2 热管理

在MAC 350 Entour中，LED的散热器相当复杂。其内表面构成前文提到过的凹形碟面，而外表面是散热器翅片的曲径，如此设计是为了达到表面积最大化，将热量传导出来，排向周边的空气。对于350 W热耗散的需求来说，对流冷却是不充足的，该灯具配置了一只大口径风扇，使灯具内部的热量经由散热器翅片的曲径排出。图4为风扇，图5为风扇被拆卸后的散热器。在运行时，有两种风扇运行模式可供选择：选择常规运行模式，风扇速度恒温地受控运行，允许LED满功率运行；将风扇设置于“静音”模式，它们以很低或静音速度运行——但是，灯具的光输出显著地减少了。在测试中，静音模式的光输出降低到全部输出的55%。

3 光学与光输出

上述内容几乎包括了该灯具的全部光学系统。每个光发射器配置的单个TIR透镜，采用了除光输出物镜之外的光学系统。MAC 350 Entour具有特定的光束角，光输出透镜是一个复合透镜组，透镜组借助蜗轮来回移动，作为调焦功能的调控。蜗杆传动相当缓慢，聚焦透镜从行程的一端移动到另一端需时5.5 s。图6为光学模块和前透镜。图7是进入透镜后面观察到的情况，从中只能看见LED阵列。

笔者测得MAC 350 Entour在25.1°光斑角时的光通量为8 719 lm。图8为该灯具的光强分布曲线图。对于功耗刚刚超过460 W的小型自动化灯具来说，其光输出是非常易用的，且相当高，它传达出的灯具发光效能接近19 lm/W。这个数据是在该灯具点亮并升温约30 min后测得的；连续运行几小时后，驱使温度达到最高值时，其光输出下降到原光输出的94%上下。在光束中心测得的色温是6 600 K，随着测试点的移动，光束各处的色温略微有点变化。

笔者用FBA系统捕获、分析了光斑的光分布状况，测试结果如图9所示，其中左图以虚拟色彩表示光输出的亮度分布状况，右图则表示相同照度连线的等照度曲线图，有点类似等高线图。表面上，这些图像并没有说明什么问题，但是用肉眼可以观察到一些“瑕疵”，比如LED光输出在交叠、混合处有点轻微的花纹，显露出如同有人在光束四周走动一样的不均匀现象。好在这种现象并不太明显，而且对于这款灯具的应用市场也不是什么问题。图像质量是可以接受的，没有色差，但有点轻微的球差（见本次测评中的图案部分）。

图4 后置风扇

图5 LED热沉

图6 光学模块和前透镜

图7 前透镜后面的细节

笔者还测试了该灯具的光谱，图10为光谱分布曲线，图中附有标准黑体在6 500 K时的光谱分布曲线作为对比。如同大多数产品一样，Luminous Devices公司生产的LED是借助蓝光LED光输出与黄绿荧光粉受激辐射的光输出相混合而产生出白光，我们能看到光谱分布曲线上有两个波峰，一个较窄的波峰位于波长约为460 nm的蓝色波段，另一个较宽的波峰则位于波长约为560 nm处。与大多数白光LED一样，它留下了一个位于蓝/绿或青色的能量缩减的缺口，同时，也稍稍缺少红色能量。导致相当低的CRI值，约为70。

图8 MAC 350 Entour的光强分布曲线

图9 光斑的光分布状况

4 调光

MAC 350 Entour提供了可选择的调光曲线，可通过菜单或DMX控制通道自主选择。可选用的调光曲线有：线性、平方定律、反平方定律以及S曲线。笔者偏好平方定律调光器，因为这也是MAC 350 Entour的标准曲线，因此，笔者运用这条调光曲线进行所有的测试。图11为MAC 350 Entour按平方定律模式的调光曲线，在大多数区域中，调光是平滑的，但是在调光低端的10%或20%的区位内，有点可察觉的跳步，这在许多LED灯具中是常见的现象。测得PWM频率是610 Hz，尽管有点低，但对大多数视频系统还是可行的。笔者发现MAC 350 Entour对强度级值变化的响应方式存在问题，Martin Professional公司告诉笔者他们已经知晓这个问题，并将在该产品发货之前通过软件升级加以改进。

5 色轮

在光源和主孔径之后的第一个光学器件是色轮，它附有8种可替换的色彩和一个开孔。它采用常见的Martin可拆卸的梯形二向色性滤色片，色片嵌入中心轮毂中。通过舱口小门，色片的拆卸和替换是很简便的。这个小门采用了磁性碰锁，十分灵巧，小门结合采用了传感器，在改变色彩或图案之后，当小门被关闭时，该灯具会自动地使系统重新恢复原位。图12显示了图案片和色片更换的出入舱口。图13显示了更换的图案片盒和色片。表1列出了固定色轮8种色彩的透射率。

所有色彩都相当饱和，在大多数状况下，都有良好的光输出；红色和品红色光输出稍低些，可能是由于LED光源缺少红光能量的缘故。

在MAC 350 Entour灯具上有菜单可供选用，用户在选择色轮时，可运用快速通道算法，在两种色彩之间采取最短路线，或者避免运行路径跨越白/开孔。表2为色轮的主要参数。

色彩变化和旋转都非常平稳顺滑，并无抖动，具有良好的双拼色彩，图14为红色和刚果蓝两色相拼时的情况。在色轮上，梯形色彩之间几乎没有间隙，采用梯形色片有助于产生这种双拼色彩效果。

6 图案轮

紧接着色轮后的光学器件是旋转图案轮，它有6个可更换的、可加索引的旋转图案片，外加一个开孔。与色轮上的色片一样，更换图案片很简便，整个组件，连同行星齿轮一起，只是在安装于图案轮上的两个弹簧之间滑进和滑出。从灯具中一经拆卸下来，原先使用的图案片就能在传动装置内被替换。

图12 图案片和色片更换的出入舱口图13 图案片盒和色片

表1 固定色轮8种色彩的透射率

表2 色轮参数

在光学系统中存在一些球面像差，会引起图案边缘和中心聚焦状态的细微差异，图15显示了这种差异，在这两个相同的图案中，左图显示图案被聚焦于中心，右图则是图案被聚焦于边缘。表3为旋转图案的主要参数。

与色轮一样，图案轮在低速旋转运动时情况非常好。定位精度和滞后性能也是极好的，测得误差仅为0.07°，或在20英尺射距处误差仅约为0.3英寸。

7 光圈

MAC 350 Entour有一个光圈，它紧挨在旋转图案轮之后。它们在光学上彼此间靠得非常近，因此，可以假设光圈在图案片位置上，尽管光圈实际上处于软焦点的位置上。光圈可将光束大小减小至最大尺寸的17%，这会产生4.4°光斑角的灯光效果。全部打开或关闭光圈只需很短的时间，仅为0.1 s 。光圈的DMX512通道具有递变/速动效果，这些效果也调控着LED的光输出，以致在调变周期的速动阶段LED灯光被关闭了。图16为MAC 350 Entour的光圈。

8 水平和垂直旋转

MAC 350 Entour可水平旋转630°，垂直旋转约290°。水平全程旋转需时4.5 s ，而更具代表性的180°旋转需时2.4 s 。垂直全程旋转需时2.7 s ，而180°旋转需时2.2 s 。水平和垂直旋转定位复现精度良好，误差为0.07°，即在20英尺射距处的误差约为0.3英寸。水平方向在全速运动时呈现过冲现象，在纠正措施实施之前，它会超越设定的目标，在20英尺射距处超出6英寸。

9 噪音

灯尾后置的LED冷却风扇是MAC 350 Entour中噪音最大的部件。在“常规”风扇模式下，风扇的噪音非常大，笔者只给出测得离风扇1m处的噪音为53 dB（A），它与灯具运行什么功能没有多大关联。当风扇处于“静音”模式时，风扇运转速度降低，噪音也随之降低，同时，灯具的光输出降低至55%上下（这依环境温度而变化）。在静音模式，笔者测试噪音情况如表4所示。

10 电子参数

MAC 350 Entour具有全功率因数校正的自适应电源（100 V ～240 V，50/60 Hz），当灯具处于满功率运行、使用常规风扇模式、并在常规115 V电源下工作时，其功耗为463 W，电流为4.08 A，功率因数为0.99。一位读者最近写信建议笔者提供LED灯具的待机功率等参数，以此判断灯具节能的潜力。笔者认为这是一个好主意，在待机情况下，MAC 350 Entour功耗为44 W，电流为0.42 A，功率因数为0.92（LED光源的功耗不计在内时）。

接通电源后的初始化时间大约是37 s ，而通过DMX512控制通道发出复位指令后的复位时间是26 s 。MAC 350 Entour在复位期间被严格规范化，在完成复位之前，LED光源一直被关闭。

图17 主控制电子设备图18 LED电源

图19 MAC 350 Entour的菜单系统

图20 电源和5针XLR与底座的连接

图21 易被拆卸的光学组件

11 电子设备与控制

与当前市场上的绝大多数灯具一样，电子设备被装于灯具的多个部位。主LED和马达电源安装在灯具底座中，马达系统的电子设备和驱动器安装于一个灯弓臂内，如图17所示。另一个灯弓臂内则安装着LED光源的主电流源，而临近灯尾散热器上的LED光源部位安装有设置温度控制的电路板，如图18所示。

MAC 350 Entour提供基于字符的LED显示器和菜单系统，可提供宽泛功能和配置的选择，如图19所示。用作DMX512数据的电源和5针XLR设置于灯具底座连接面板上，如图20所示。

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12 结构

该灯具的结构是很常见的，沿袭了Martin公司同类产品的传统结构，即以薄钢底盘、注射模塑盖板和压铸散热器的结合构成引人注目、制造精良的灯具。主光学组件易被拆卸和滑出以便于清洁保养，如图21所示。LED光源被深深地埋入灯具中，如前文所述，这样做并不考虑用户自行更换光源的问题。

以上是MAC 350 Entour的大致情况。该灯具非常清晰地证明，LED图案电脑灯是有潜力的，而且它们也能与传统光源的同类灯具展开有力的竞争。在产品寿命期间不必更换光源，这是一个非常引人注目的观念，特别是当我们谈论永久性装置和建筑照明应用时，更有价值。

笔者希望所提供的基本信息和测试数据，能对用户作出应用MAC 350 Entour的决定有所帮助。感兴趣的用户，可以运用这些基本信息进行调研和试验。

（本文根据美国《Lighting & Sound America》杂志2010年9月刊《Martin MAC 350 Entour》一文编译。）

（编辑 张 淼 张冠华）

Martin MAC 350 Entour

Original / [USA]Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Based on the testing and evaluating data, a specif i c LED pattern moving light was analyzed from the aspects of structure of optical system and relevant properties.

moving light; LED; high light; optical system; evaluation

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.001