王玉昌;魏庆超;王宇飞;王一川
【摘 要】柔性霓虹灯在大功率白光LED出现之前,放映机、投影机采用溴钨灯、金卤灯、氙灯等做为电光源来获得高亮度的方法已经延续了几十年.近几年来,大功率白光LED器件的研制和生产有了较大进展,直接推动了我国节能减排、绿能源产业的发展,而且已被纳入国家中、长期科技发展规划,得到了国家的大力支持,并在很多领域取得了可喜的成果.本文对大功率白光LED在电影放映机(含数字放映机、投影机)照明光学系统中的应用问题进行了初步探究.
【期刊名称】《现代电影技术》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】8页(P36-43)
【关键词】大功率白光LED;电影放映机;照明光学系统;电光源
【作 者】王玉昌;魏庆超;王宇飞;王一川
【作者单位】;;;
【正文语种】中 文
1 放映机照明光学系统的历史与现状
绝缘法兰1.1电光源
放映光源是决定电影放映画面质量的主要因素之一。先后有早期的白炽灯；20 世纪60 年代的全反射灯；70年代中期的溴钨灯、氙灯；以及80年代先后推出的铟灯、锡灯、高效灯 （这三种其实都是现在所称的金卤灯的一种）作为放映光源。表1列出了上述各种光源的主要特性及在部分流动放映机上应用的实际效果。 表1所列的各种电光源中，白炽灯和全反射灯由于温和有效光通量都较低，被后来的溴钨灯替代；铟灯、锡灯、高效灯虽然放映效果比较好，但由于国内厂家的产品不稳定、一致性差、寿命太短、价格相对较高以及只能场触发等种种原因，也没能在市场中立足。而显性效好、亮度高、价格相对低廉、使用方便的溴钨灯和氙灯，自问世以来就受到厂家和用户的青睐，在流动电影放映领域中一直被大量使用。值得注意的是，国外的金卤灯由于 发光效果好、寿命长，几乎代替了国产的金卤灯，独占了民用投影机的市场。
表1 各种放映光源的主要特性及在部分流动放映机上的应用效果灯泡种类白炽灯全反射灯溴钨灯氙灯铟灯锡灯高效灯温 2800～3000K 3000K 3200K 5500K 5000K 5000K±500 5000K±500显指数99～100 99～100 99～100 94 90～93 93～95 92～94光效 10～20Lm／w 25Lm／w 30Lm／w 25～30Lm／w 40～50Lm／w 50～60Lm／w 100～113Lm／w 30v／400w 16mm／250Lm 22v／250w 16mm／450Lm 24v／250w 16mm／600Lm 350w 1200Lm 350w 1200Lm 350w 1500m 400w 2000Lm 30v／400w 35mm／400Lm灯泡功率和有效光通量30v／400w 35mm／700Lm 30v／400w 35mm／900Lm 500w 2500Lm 500w 2800Lm 12v／100w 8.75mm／200Lm 12v／50w 8.75mm／80Lm 750w 2200Lm 500w 1500Lm 800w 3800Lm 12v／75w 8.75mm／100Lm 15v／150w 8.75mm／300Lm 1000w 3000Lm寿命25h 25h 50h 800～1000h 50h 100h 100～150h
1.2 照明光学系统 （聚光装置）
鉴于电影放映机结构特点，不论采用什么光源，发出的光都需要通过各种聚光装置，将其聚集在片门孔处，所形成的光斑根据片门孔的形状一般呈圆形或椭圆形，直径略大于片门 孔对角线，光线分布的均匀度应达到65%以上。根据放映机和光源的结构不同，聚光系统的结构分为三类6 种形式 （如图1 所示）。
图1 聚光系统的结构氢气炉
其中A 类装置由于光损失较多，形体大，结构复杂等原因已经被淘汰；B－2 立式点燃的氙灯结构也趋于淘汰，目前使用较少；C－1 结构由于具有效率高、结构简单、形体相对较小等优点，被各种光源的放映机和数字放映机普遍采用。
2 大功率白光LED 简介
20世纪60 年代，人们利用半导体PN 结发光原理，研制出了LED。当时生产的LED 只能发红光，经过40 年的发展，目前已经有能够发出红、橙、绿、蓝等多种颜光的产品，但是照明需要的白光LED，尤其是大功率白光LED，是近几年才发展起来的，其性能正逐步被完善。下面仅以LUMINUS 公司生产的大功率白光LED 为例，对大功率白光LED 的基本结构和主要特性进行介绍，其中多项指标各厂家也都在逐步完善和改进之中。它的发光机理由于篇幅所限在此不多做介绍，本文仅对其在流动电影放映机上的应用进行探讨。
金属圆锯片图2 大功率白光LED
图3 LED 发光强度分布曲线图
从图2 中可见，LED 是通过焊锡与金属导热片（PCB）贴焊在一起的，金属散热片的形状可以根据需要自行设计。散热片是一个转接过渡件，通过它再与较大的散热器或其它 （热管或水冷）散热装置连接。图中的树脂透镜是为了进一步收拢LED 的发光角度而设的，根据实际需要，也可选用不带透镜的产品。氢氧化钙生产
图3 是LED 的发光强度分布曲线图 （配光曲线），可以看出，LED 的发光强度分布与一般光源的环周对称分布不同，而是由一个平面向单一方向发射的，其发射堆角较大，不加透镜时将达到120°～140°，光线分布比较均匀。
图4 LED 的I—V 特性曲线
图4是LED 的I—V 特性曲线，其正反向I—V特性曲线与二极管很相似，分正反向死区和正向工作区及反向击穿区。正向开启电压随半导体材料工艺不同从1V～2.5V 不等。正向工作电压一般不超过4V，从LED 的I—V 特性曲线可以看出，正向电压的细微变化，就会引起
电流的较大变化，并且环境温度、老化程度等因素也将影响LED 的电器性能。所以，在实际应用中必须严格实时控制LED 的工作电流，否则，电源电压变化或温度变化都会使LED 的电流失控，严重影响LED 的可靠性和寿命，甚至使之失效。扩管机
图5 LED温度特性曲线
图6 LUMINUS公司的几种大功率白光LED产品及其参数表
图5反映的是LED 温度特性曲线。LED 的PN结温度很高，当温度超过35℃时，允许通过的电流随之减小，温度越高，允许通过的电流就越小。根据PN 结特性，一般情况下将60℃设为工作极限，如温度再升高，可能会造成LED 永久性损坏或寿命骤减。当然，这种情况一般是不允许出现的，所以大功率LED 工作时，必须采用良好的散热装置和温度保护措施，以免发生意外。
大功率白光LED 的温目前可以做到3000K～10000K，但是其光谱成份与日光相比，还有一定差距，表现 （显指数）指标还达不到相对理想的90以上，各厂家都在为此努力改进产品。用单LED 发出的RGB 三基光合成的白光已相当理想，只是应用结构和驱动电路复杂一些。
目前大功率白光LED 产品的形式一般有单体式和点阵模块式以及贴片式。另外，合成白光方式的产品还有RGB三个单体组合式和将RGB 做在一个基板上的组合式以及 “RGB＋白光”的四光做在一个基板上的复合型产品 （LUMINUS 公司的CBM－380型）。
图6是LUMINUS公司的几种大功率白光LED产品及其参数表。
点阵模块式产品一般是将1W 的LED 以行列的形式进行组合，使产品的功率达到几十瓦到几百瓦，图7是笔者定制的一片在16mm×20mm 的面积上排列8行10列的80瓦白光LED，其参数如下：
型号：FZ－9080STJC－4500E
功率：80W 温：5535K
光通量：4812lm 电压：32.8V
电流：2.8A 结构：10串8并
作为一种半导体固体电光源的大功率白光LED，近年来各大公司和研究机构对其的研究方
兴未艾，使其光效大大提高。目前，有些产品达100lm／W 以上，温覆盖从暖白→自然白→冷白（3000K～10000K）范围，在可见光区域外没有红外线和紫外线，是比较纯净的绿照明光源。单芯片的白光产品的显指数也在逐步接近理想水平，体型小、寿命长，小功率的可达10万小时，大功率的综合寿命起码也在5000小时到上万小时以上。LED的驱动电路结构简单，可以是多种形式的恒流源。基于LED 的诸多优点，使其在众多的领域得到了推广应用。
图7 定制的白光LED
3 大功率白光LED 在电影放映机 （投影机）中的应用
通过以上对传统放映机照明光学系统和大功率白光LED （以下简称W－LED）的了解，基本可以总结出W－LED 用于电影放映机 （投影机）时必须具备的以下几个条件：
（1）针对W－LED 的发光强度曲线 （配光曲线），放映机必须具有一个高效、小巧的照明光学系统（聚光装置），其中聚光装置把W－LED 所发出的光最大限度地汇聚到片门孔，形成理想的光斑。其照射的角度必须与放映镜头的纳光角相近，只有这样，W－LED发出的光才能被充分利用。
（2）根据W－LED 的电压、电流特性，必须采用具有恒流特性的电源驱动，用以保证W－LED 正常可靠地工作。如果采用恒压源驱动，则必须串联合适的限流电阻或串联恒流电路装置。其电源根据需要既可取自原机的溴钨灯的电源 （一般为：8.75／AC12V、16mm／AC24V、35mm／AC30V），也可以直接取自AC220V 市电。电源装置有很多种类，一般选用效率高、体积小的PWM 开关型电源，控制电源的输出电流，就可以直接对W－LED 进行调光。
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