Systemy oświetleniowe. Podstawy oświetlenia

2018-03-15
Systemy oświetleniowe. Podstawy oświetlenia

Pomimo tego że obecnie systemy oświetleniowe na koncertach, eventach i innych wydarzeniach często biją na głowę systemy nagłośnieniowe – pod względem użytych urządzeń, potrzebnych kilowatów mocy i możliwości kreowania „kosmicznych” wręcz efektów wizualnych – wciąż ciężko znaleźć szkołę, uczelnię czy inną instytucję, która w sposób rzetelny i kompleksowy szkoliłaby ludzi, którzy chcą w przyszłości pracować „w świetle”.

Osoby, które interesuje praca z dźwiękiem, mają wiele sposobności nabyć, utwierdzić czy pogłębić wiedzę z zakresu realizacji live czy studyjnej, podczas gdy ci, którym od wrażeń słuchowych bliższe są wrażenia wizualne, niestety często uczą się... na własnych błędach. 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 już przez innych drzwi. W zasadzie jedyną instytucją, jaką przychodzi mi do głowy, gdzie można zdobyć konkretną dawkę wiedzy i umiejętności na ten temat, jest Lightschool. Nie każdy jednak może sobie pozwolić – czy to finansowo, czy czasowo – na uczestniczenie w kursach organizowanych przez Lightschool (aczkolwiek gorąco zachęcam do zapoznania się z ich ofertą w tej materii), aby więc wyjść naprzeciw tym osobom, które chciałby się dowiedzieć czegoś o świetle i systemach oświetleniowych, postaramy się na łamach LSI przekazać co nieco podstawowej (ale też i trochę bardziej rozbudowanej) wiedzy na ten temat.

Dziś porozmawiamy o bardzo podstawowych, ale niezbędnych do pracy oświetleniowca rzeczach.

ROZCHODZENIE SIĘ ŚWIATŁA

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 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 ostrych 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 „skoncentrowaną” wiązką 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 rysunku 1: 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 oświetlający go snop światła. Przy oświetleniu przedmiotu źródłem typu „światło słoneczne” jednoznacznie można określi 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 określenia za pomocą światła danego przedmiotu czy osoby. 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 rozszczepiona, tworząc 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 2, 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 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 stopniach 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 1K, czyli jeden Kelwin, a w powszechnym użytku 1ºC (jeden stopień Celsjusza) lub 1ºF (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 3.300K odpowiada ciepłobiałej barwie światła. W przedziale 3.300-5.000K mieści się neutralna barwa światła, natomiast wartość wyższa od 5.000K odpowiada dziennej, zimnej barwie światła. I tak, przykładowo, wschód i zachód słońca charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 1.600K, 1.800K to temperatura barwowa świeczki, 2.700K – żarówki, 3.200K – światła żarowego, barwa czystego, błękitnego nieba to 10.000K, zaś błyskawicy – od 28.000 do 30.000K. Natomiast słońce emituje światło, które na Ziemi ma temperaturę barwową ok. 4.800K. 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. 5.600K. Dlatego też w urządzeniach oświetleniowych, np. ruchomych głowicach z lampami wyładowczymi (które charakteryzują się wysoką temperaturą barwową, a więc emitują 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

Teraz coś bardziej z matematyki niż fizyki, ale to naprawdę nic trudnego, a przydatnego. Dotyczy bowiem zmiany natężenia światła wraz z odległością, która 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 (rysunek 3).

PODSTAWOWE PARAMTRY OŚWIETLENIA

Podstawowymi parametrami oświetleniowymi są:
– strumień świetlny Φ, wyrażany w lumenach [lm],
– światłość I, wyrażana w kandelach [cd],
– natężenie oświetlenia E, wyrażane w luksach [lx],
– luminancja L, wyrażana w kandelach na metr kwadratowy [cd/m2].

Spójrzmy na schematyczny rysunek 4. Strumień świetlny jest całkowitą mocą światła emitowaną przez źródło światła (lampę). Światłość określa ilość światła wysyłanego w konkretnym kierunku. Za pomocą światłości tworzy się krzywe rozsyłu oprawy oświetleniowej. Natężenie oświetlenia jest z kolei tą ilością światła, które, wysłane ze źródła, dociera do powierzchni pracy. To światło, które odbije się od powierzchni i dotrze do oka obserwatora, nazywamy luminancją. Ogólnie luminancja jest ilością światła, wysyłanego z określonej powierzchni. Luminancję ma wszystko, co widzimy. Również źródło światła ma luminancję, gdyż światło wysyłane jest zawsze z konkretnej powierzchni, czasami bardzo małej. Różnica jest tylko taka, że jest to duża luminancja, która razi oczy, i mówimy wtedy o zjawisku zwanym olśnieniem.

Jak widać, dwa pierwsze parametry związane są ze źródłem światła, kolejny z samym światłem, a ostatni, de facto, z odbiorcą światła. Na pierwszy rzut weźmiemy więc

STRUMIEŃ ŚWIETLNY

Parametrem określającym całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła jest strumień świetlny. Wielkość tę wyprowadza się ze strumienia energetycznego (moc wysyłana, przenoszona lub przejmowana w postaci promieniowania, tzw. moc promienista) na podstawie stopnia jego oddziaływania na oko obserwatora normalnego (odniesieniowego). Podarujmy sobie jednak wzorek – jeśli ktoś będzie go potrzebował, znajdzie w literaturze fachowej. Dodać należy, ze strumień świetlny jest to tylko część promieniowania optycznego emitowanego przez źródło światła, którą widzi oko ludzkie w jednostce czasu. Na przykład żarówka emituje, oprócz promieniowania widzialnego, widocznego dla oka, dużą ilość promieniowania podczerwonego, czyli cieplnego. Podobnie jest z żarówką halogenową, która oprócz promieniowania widzialnego emituje zarówno promieniowanie podczerwone, jak i nadfioletowe – oba niewidoczne dla naszego oka.

Co ciekawe, podobnie jak to jest z uchem ludzkim, dla którego wyznaczone są charakterystyki jego czułości w zależności od częstotliwości i poziomu docierającego doń dźwięku, również dla ludzkiego oka wyznaczono krzywą czułości widmowej oka. Została ona (w postaci znormalizowanej) przedstawiona na rysunku 5.

Przyglądając się uważnie wykresowi z rysunku 5 możemy zauważyć, iż najlepiej i najwyraźniej postrzeganym jest kolor zielony. Dzięki temu wyjaśnia się kwestia, dlaczego łatwiej jest uzyskać mocniejsze źródła światła emitujące kolor zielony niż np. czerwony – moc obu źródeł i ich sprawność może być dokładnie taka sama, ale nasze oko postrzega zielony znacznie lepiej, niż czerwony.

W odniesieniu do źródeł światła strumień świetlny oznaczany może być symbolem Φźr.. Natomiast moc światła wysyłanego przez oprawę określa strumień świetlny oprawy Φopr.

Skoro poruszyliśmy temat oprawy – wiadomo bowiem, że rzadko kiedy stosujemy „gołe”, wszechkierunkowe źródła światła – wspomnieć należy o parametrze zwanym

SPRAWNOŚĆ OPRAWY

Parametr ten określa jaka część strumienia świetlnego źródła światła, po przetworzeniu, jest wysyłana przez oprawę, i jest to stosunek strumienia świetlnego oprawy do strumienia świetlnego źródła światła. Wróćmy jednak do parametrów źródła.

ŚWIATŁOŚĆ

Jest to gęstość kątowa strumienia świetlnego źródła światła w danym kierunku. Określa ona więc ilość światła wychodzącego ze źródła światła lub oprawy w ściśle określonym kierunku.

Aby przedstawić, jakim rozsyłem światła charakteryzuje się źródło, bądź oprawa, dokonywane są pomiary światłości w różnych kierunkach. Po przeliczeniu uzyskanych wyników na wartości, jakie uzyskałoby się przy zastosowaniu źródeł światła o łącznym strumieniu 1.000 lm, tworzona jest krzywa światłości oprawy (rysunek 6). Przeliczenie na 1.000 lm umożliwia porównanie krzywych światłości tworzonych dla opraw z różnymi źródłami światła.

Oprócz krzywej światłości wykorzystuje się czasem parametr zwany kątem rozwarcia wiązki β. Jest to kąt w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wiązki, w zakresie którego światłość spada do określonej wartości procentowej swojej maksymalnej wartości, np. do 50% Imax.

Przyglądając się bliżej parametrowi „światłość” dochodzimy do wniosku, iż taki sam strumień świetlny, emitowany w węższym obszarze (a więc skupiony, np. za pomocą soczewki), generuje większą światłość. Jest on szczególnie często zauważalny w przypadku, kiedy na diodę LED, emitującą promieniowanie w szerokim kącie, nałoży się soczewkę skupiającą, która zawęża kąt emisji. Dzięki temu uzyskujemy z jednej strony mniejszą plamę świetlną, natomiast z drugiej wzmacniamy efekt świetlny. Kolejnym przykładem jest umieszczenie żarówki w reflektorze. Weźmy dla przykładu chyba wszystkim znany reflektor samochodowy. Mając standardową żarówkę samochodową o strumieniu świetlnym 1.100 lm (co daje 87,6 cd), umieszczając ją w reflektorze możemy uzyskać światłość rzędu 50.000 cd!

Kolejnym parametrem stosowanym w technice świetlnej jest

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA

Jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego padającego na daną płaszczyznę, czyli stosunek strumienia świetlnego padającego na płaszczyznę do jej pola powierzchni. Inaczej mówiąc, natężenie oświetlenia jest to ilość światła padająca na powierzchnię, liczona w konkretnym punkcie. Natomiast

LUMINANCJA

jest to fizyczna miara jaskrawości. Zależy ona od natężenia oświetlenia na obserwowanym obiekcie, właściwości odbiciowych powierzchni obiektu (barwa, stopień chropowatości) oraz od jego pola pozornej powierzchni świecącej. Pozorna powierzchnia świecąca jest to wielkość postrzeganej przez obserwatora powierzchni płaszczyzny świecącej, uzależniona od kierunku jej obserwacji. Pozorna powierzchnia świecąca jest to zarówno płaszczyzna świecąca w sposób bezpośredni (np. oprawa oświetleniowa), jak i płaszczyzna świecąca w sposób pośredni, np. ściana, przez odbicie światła. Oko ludzkie widzi powierzchnię, na którą pada światło. Odbija się ono od niej i trafia do oka obserwatora. Tak więc powierzchnia wysyłająca światło ma określoną luminancję, którą widzi człowiek.

Ciekawym parametrem stosowanym w oświetleniu jest

WSKAŹNIK ODDAWANIA BARW

Jest on miarą stopnia zgodności wrażenia barwy przedmiotu oświetlonego danym źródłem światła z wrażeniem barwy tego samego przedmiotu oświetlonego odniesieniowym źródłem światła, w określonych warunkach. Maksymalna możliwa wartość tego wskaźnika wynosi 100. Przyjmuje się ją dla światła dziennego i większości źródeł żarowych. Wartości zbliżone do 100 charakteryzują najlepsze właściwości oddawania barw. Im większe jest wymaganie dotyczące właściwego postrzegania barw, tym wskaźnik oddawania barw powinien być większy.

INNE PARAMETRY

Innymi parametrami, o których warto również wspomnieć, są: skuteczność świetlna i trwałość użyteczna. Trwałość użyteczna jest określana najczęściej czasem świecenia źródła światła do chwili, kiedy wartość jego strumienia świetlnego zmniejszy się o 20-30 % w stosunku do wartości początkowej. Natomiast

SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA

jest to stosunek strumienia świetlnego, emitowanego przez źródło światła, do pobieranej przez nie mocy. Jednostką skuteczności świetlnej jest lm/W.

Parametr ten jest najczęściej wykorzystywany do porównywania źródeł światła bądź określenia, w jaki sposób można zastąpić jedno źródło innym, np. iloma diodami LED można zastąpić standardową, 100-watową żarówkę? Owszem, możemy przyrównać całkowite strumienie świetlne żarówki i diody, a następnie wyznaczyć ile diod daje taki strumień świetlny, jak żarówka. Jednak dalej nic nam to nie powie o wydajności zarówno diody, jak i żarówki, ani nie będziemy wiedzieć, czy taka zamiana się opłaca. Skuteczność świetlna określa wartość strumienia świetlnego przekształcanego z jednego wata pobranej mocy elektrycznej. Żarówka, jako jedno z najmniej wydajnych źródeł światła, ma skuteczność świetlną rzędu 10 lm/W, natomiast diody mocy o temperaturze barwowej zbliżonej do „żarówkowej” (ok. 3.200K) charakteryzują się skutecznością świetlną rzędu 100-200 lm/W. Po przemnożeniu skuteczności świetlnej przez pobieraną moc otrzymujemy całkowity strumień świetlny danego źródła:

Oznacza to, że 8-9 diod LED o niezbyt wyśrubowanych parametrach może z powodzeniem zastąpić żarówkę 100 W.

To samo dowiedzielibyśmy się porównując sam strumień, natomiast tutaj wiemy również, że dioda jest prawie dziesięć razy bardziej wydajna. Oczywiście w przypadku oświetlenia konkretnego podłoża czy przedmiotu takie porównanie jest przybliżone, ponieważ żarówka świeci prawie we wszystkich kierunkach (oprócz gwintu oprawki), natomiast dioda jest bardziej ukierunkowana, co daje zdecydowanie więcej światła skierowanego w stronę oświetlanej powierzchni.

W tabeli poniżej, dla przykładu, pokazano skuteczność świetlną wybranych źródeł światła.

POWIĄZANE ARTYKUŁY