Systemy oświetleniowe - Zasady oświetlenia

Zebranie samemu całej wiedzy potrzebnej współczesnemu projektantowi czy realizatorowi światła staje się wręcz niemożliwe, a jeśli już, zajęłoby to mnóstwo czasu i konieczność wyważania dawno otwartych przez innych drzwi. Wychodząc naprzeciw tym oczekiwaniom rozpoczynamy dłuższy cykl traktujący o systemach oświetleniowych, od podstaw teoretycznych poczynając, na praktycznych wskazówkach dotyczących pracy z różnorakimi urządzeniami oświetleniowymi kończąc.

PODSTAWY NA DOBRY POCZĄTEK

Jako że jest to pierwszy odcinek cyklu, toteż poruszymy w nim właśnie podstawowe tematy, a konkretnie dotyczące zasad oświetlenia. Zrozumienie zasad rozchodzenia się światła w przestrzeni i zjawisk, jakie w związku z tym występują jest kluczowe dla wyboru rodzaju i prawidłowej lokalizacji źródeł światła do oświetlenia danego obiektu. Najprościej można zrozumieć naturę światła, gdy w słoneczny dzień wyjdziemy na zewnątrz i poobserwujemy, w jaki sposób naturalnym światłem dziennym oświetlone są wybrane obiekty. Od razu zauważymy, że to, co oświetlone jest bezpośrednio światłem słonecznym charakteryzuje się wyraźnymi, ostro zarysowanymi krawędziami oraz – w zależności od kierunku padania promieni słonecznych – nieodłącznym cieniem. Cień powstaje w wyniku obecności na drodze promienia światła obiektu, który będzie blokował dalszą drogę tego promienia, w efekcie czego powstaje za nim ciemny, nieoświetlony obszar. Ale bezpośrednie światło pochodzące od słońca to nie wszystko – mamy też inny składnik sumarycznego oświetlenia obiektów w przestrzeni otwartej – światło „z nieba”, czyli odbite i rozproszone w atmosferze ziemskiej światło słoneczne. W przeciwieństwie do bezpośrednich promieni słonecznych ten typ oświetlenia daje miękkie, rozproszone światło, które nie powoduje powstawania cienia. Dlatego jeśli ten sam obrazek zobaczymy w pochmurny dzień, nie zauważymy już takich ostro zarysowanych krawędzi obiektów wokół nas oraz cieni. Słońce i niebo tworzą oświetlenie zbalansowane. Samo słońce będzie tworzyć niezbalansowany typ oświetlenia, które jest bardziej „dramatyczne”, jak snop światła z latarki, ale w takiej sytuacji nie mamy światła drugiego planu czy też otoczenia.

Światło „ostre” lub „miękkie” jest efektem wielkości źródła światła względem obiektu oświetlanego, a także odległości między nimi. Słońce jest relatywnie małym źródłem, bo oświetla obiekt z jednego kierunku, podczas gdy światło nieba jest źródłem o bardzo dużej powierzchni, oświetlającym obiekt w półsferze, a więc z szerokiego kąta. Przykładowo zostało to zaprezentowane na rysunkach obok, gdzie na pierwszym duży obiekt (w stosunku do wymiarów źródła) jest oświetlony przez źródło emitujące światło „ostre”. Na drugim rysunku mamy ten sam obiekt, ale oświetlony przez źródło emitujące światło „miękkie”, umieszczone w znacznej odległości od oświetlanego obiektu (stąd, dla zachowania proporcji, różna wielkość obiektu oznaczonego na czerwono, choć w rzeczywistości ma on takie same wymiary). Na kolejnym rysunku widzimy efekt przesunięcia źródła „miękkiego” na znacznie mniejszą odległość, niż w przykładzie powyżej.

Generalnie źródła światła typu „czyste niebo” sprawiają, że oświetlony przezeń obiekt jest płaski, słabo zarysowany, oraz nie można określić kierunku, z którego pada oświetlające go światło. Przy oświetleniu przedmiotu źródłem typu „światło słoneczne” jednoznacznie można określić kierunek jego padania, a obiekt jest wyraźnie zarysowany, co pozwala naszym oczom zinterpretować widziany obraz z większą dokładnością szczegółów.

ODBICIE ŚWIATŁA

Jest sporo fundamentalnych zasad dotyczących światła, a pierwszą i najważniejszą z nich jest to, że światło rozchodzi się po liniach prostych. Jednak ten schemat może być zakłócony przez kilka czynników. Jeśli cofniemy się myślą do naszego słonecznego dnia, to zauważymy, że gdy promienie słoneczne napotkają na swej drodze szyby w domach czy samochodach albo powierzchnię wody, np. w kałużach, tworzą się refleksy, co jest spowodowane odbijaniem od nich światła słonecznego. Odbijanie światła jest kolejnym istotnym zjawiskiem z punktu widzenia oświetlenia i rysowania danego przedmiotu lub osoby za pomocą światła. Najprostszym „urządzeniem” służącym do dobijania światła jest lustro (tudzież zwierciadło), za pomocą którego światło jest odbijane z takim samym kątem, jak kąt, pod jakim promień świetlny dociera do powierzchni odbijającej lustra.

ZAŁAMANIE (REFRAKCJA) ŚWIATŁA

Kolejnym ważnym zjawiskiem dotyczącym transmisji światła jest interakcja promienia świetlnego z otoczeniem, podczas przechodzenia przez warstwę powietrza lub szkła, np. soczewkę. Zjawisko to zwie się refrakcją lub – po naszemu – załamaniem i wykorzystywane jest do wytwarzania specjalnych soczewek służących do skupiania, a także rozpraszania światła czy też zmiany kierunku jego padania. Przyjrzyjmy się przechodzeniu promienia światła przez powietrze. Jeśli jest to czyste powietrze, to w zasadzie nic specjalnego się nie dzieje. Jeśli jednak w powietrzu unoszą się jakieś drobinki w postaci kurzu, dymu czy mgły, światło przebijające się przez taką warstwę powietrza może być rozproszone lub ugięte, czyniąc tym samym owe drobiny widocznymi. Natomiast linia prosta, po jakiej pierwotnie poruszała się wiązka światła, zostaje rozbita na wiele nowych, małych źródeł światła.

TEMPERATURA BARWOWA

Każdy obiekt, gdy jest nagrzewany, emituje promieniowanie o określonej długości fali (a w zasadzie w danym zakresie długości fal). W przypadku emisji światła widzialnego im ciało ma wyższą temperaturę, tym długości emitowanych przezeń fal stają się krótsze, tzn. zbliżają się do zakresu ultrafioletu (a wcześniej do barwy niebieskiej). Oczywiście im większa temperatura ciała, tym większa też będzie jego emisja.

Każde źródło emituje więc światło o pewnej, określonej dla niego temperaturze. Sam zakres światła widzialnego jest stosunkowo wąski, biorąc po uwagę całe znane nam spektrum długości fal elektromagnetycznych, mieszczący się w granicach od 400 (fiolet) do 700 nm (czerwień). Obrazowo prezentuje to rysunek na poprzedniej stronie, w którym zaznaczono długości fal dla typowych kolorów. Światło białe z kolei, które jest złożeniem trzech podstawowych kolorów RGB (red, green, blue – czyli czerwonego, zielonego i niebieskiego), w zależności od proporcji tych składników może przyjmować różnorakie „barwy”, tj. bardziej zbliżone do czerwieni (światło ciepłe) lub bardziej do barwy niebieskiej (światło zimne). By bardziej precyzyjnie określić ten „odcień bieli” stosuje się parametr nazwany „temperaturą barwową”, wyrażany w stopniach Celsjusza lub Kelwinach.

Skoro już jesteśmy przy temperaturze i jej jednostkach, rozprawmy się może bezwzględnie z powszechnym, acz błędnym, ich definiowaniem. Otóż jednostek temperatury mamy kilka. W Polsce i Europie najpopularniejsza jest skala Celsjusza, wyrażona w stopniach Celsjusza, podczas gdy w Stanach wszyscy używają skali Fahrenheita (temperatura w stopniach Fahrenheita). Co do innych, mniej popularnych, jednostek, to temperaturę można też wyrażać np. w stopniach Reaumura czy Rankina. Jednak w technice używamy innej skali i innej jednostki, będącej oficjalną jednostką układu miar SI, a mianowicie Kelwina lub, z angielska, Kelvina, ale na pewno nie stopni Kelwina. Zapamiętajmy więc, że jednostką temperatury (również tej barwowej) w układzie SI jest 1 K, czyli jeden Kelwin, a w powszechnym użytku 1 °C (jeden stopień Celsjusza) lub 1 °F (stopień Fahrenheita), ale coś takiego jak „stopień Kelwina” nie istnieje.

Wróćmy do naszej temperatury barwowej. Źródła, które emitują białą barwę światła można podzielić, w zależności od ich temperatury barwowej, na trzy grupy: ciepłobiałą (ciepłą), neutralną (chłodno-białą) i dzienną (zimną). Temperatura barwowa równa 3.300 K odpowiada ciepłobiałej barwie światła. W przedziale 3.300-5.000 K mieści się neutralna barwa światła, natomiast wartość wyższa od 5.000 K odpowiada dziennej, zimnej barwie światła. I tak, przykładowo, wschód i zachód słońca charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 1.600 K, 1.800 K to temperatura barwowa świeczki, 2.700 K – żarówki, 3.200 K – światła żarowego, barwa czystego, błękitnego nieba to 10.000 K, zaś błyskawicy – od 28.000 do 30.000 K. Natomiast słońce emituje światło, które na Ziemi ma temperaturę barwową ok. 4.800 K. W normalnych warunkach w lecie otaczające nas światło jest miksturą światła słonecznego i światła błękitnego nieba, w efekcie czego tego typu „oświetlenie” charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 5.600 K. Dlatego też w urządzeniach oświetleniowych, np. ruchomych głowicach z lampami wyładowczymi (które charakteryzują się wysoką temperaturą barwową, a więc emitujące światło zimne), stosuje się filtry korygujące temperaturę barwową światła białego CTO, a najczęściej spotykane to CTO3200 (temperatura światła żarowego) i CTO5600 (światło „dzienne”, naturalne).

PRAWO ODWROTNOŚCI KWADRATÓW

Na koniec coś bardziej z matematyki niż fizyki, ale to naprawdę nic trudnego, a przydatne. Dotyczy bowiem zmiany natężenia światła wraz z odległością, którą to zależność opisuje właśnie prawo odwrotności kwadratów. Zgodnie z nim jeśli oświetlimy obiekt umieszczony w danej odległości od źródła światła emitującego określony strumień świetlny, a następnie przesuniemy nasz oświetlany obiekt na odległość dwa razy większą, natężenie światła tegoż obiektu zmniejszy się czterokrotnie. Mówiąc zaś językiem matematycznym natężenie oświetlenia elementu jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości tego elementu od źródła.

Na początek to tyle podstawowych, acz niezbędnych informacji o świetle i jego naturze. Po kolejną porcję wiedzy z dziedziny oświetlenia i systemów oświetleniowych zapraszam za miesiąc.

Jacek Sitarski

Zawodowo Jacek Sitarski zajmuje się szeroko pojętą optyką, a jego pasją jest współczesne oświetlenie architektoniczne i teatralne. Kontakt poprzez redakcję: redakcja@livesound.pl