2.3. Источники света для кино- и видеопроекции

2.3.1. Разновидности, основные параметры и требования

В настоящее время для кино- и видеопроекции используются следующие источники света:

- кварцево-галогенные лампы накаливания;

- ксеноновые дуговые лампы;

- металлогалогенные лампы;

- ртутные лампы сверхвысокого давления.

При оценке различных источников света следует в первую очередь анализировать следующие их параметры [12]:

- фотометрические (световые);

- радиометрические (энергетические);

- колориметрические (спектральные);

- гониометрические (угловые);

- эксплуатационные (срок службы).

Фотометрия – это раздел физической оптики, занимающийся измерениями электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра (длины волн 380 – 780 нм). Существует множество фотометрических величин, но основными являются: световой поток, сила света, яркость и освещенность.

Световой поток (Ф) – это полное количество излучения, производимого данным источником в видимой области спектра. Единицей измерения светового потока является люмен (лм), численно равный световому потоку, излучаемому в телесном угле один стерадиан (ср) точечным источником с силой света в одну канделу (кд): 1 лм = 1 кд х 1 ср. Величина светового потока характеризует излучающий источник и её нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем может сводиться лишь к перераспределению светового потока в пространстве, например большей концентрации его по некоторым избранным направлениям.

Сила света (I) – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении или отношение светового потока, направленного от источника света в пределах телесного угла к величине этого телесного угла. То есть сила света характеризует восприятие источника света наблюдателем. Единицей измерения силы света является кандела: 1 кд = 1 лм / 1 ср.

Яркость (L) – это отношение силы света элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению. Единицей измерения яркости служит нит (1 нит = 1 кд/м²). Яркость характеризует пространственное и поверхностное распределение светового потока. Из всех фотометрических величин яркость наиболее близко связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны именно яркости этих предметов.

Освещенность (Е) – это плотность падающего светового потока на поверхности, или отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. За единицу освещенности – люкс (лк) принимают освещенность, создаваемую световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности в 1 м² (1 лк = 1 лм/м²). В Англии и США освещенность измеряют в фут-свечах (f_c) – 1 лм на 1 кв. фут (1f_c = 10,76 лк); в некоторых странах  в «фотах»  1 лм на 1 см² (1 фот = 10⁴ лк). Освещенность характеризует уровень освещения поверхности, создаваемый световым потоком, падающим на эту поверхность. С увеличением дистанции от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При падении световых лучей наклонно к освещаемой поверхности освещенность падает пропорционально косинусу угла падения лучей.

Радиометрия занимается измерениями полного электромагнитного излучения во всех оптических диапазонах (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основными величинами радиометрии являются:

- световая эффективность преобразования энергии в свет, которая определяется отношением величины излучаемого светового потока к потребляемой электрической мощности и измеряется в люменах на ватт (лм/Вт);

- поток излучения определяется количеством энергии, излучаемой за единицу времени и измеряется в ваттах (Вт).

Колориметрические (спектральные) параметры источников света обычно выражены в координатах цветности или в значении коррелированной цветовой температуры Т_ц, которая измеряется в градусах Кельвина (К).

Цветовая температура – это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение с той же цветностью, что и рассматриваемое излучение. Это мера объективного впечатления от цвета данного источника света. Цветовые координаты характеризуют цвет по диаграмме цветности, принятой Международной комиссией по освещению (CIE) в 1931 году. Цветовая температура и координаты цветности используются главным образом для характеристики оттенков излучения источником света белого цвета.

Как известно, при нагревании все тела излучают в соответствии с законом Вина так, что максимум излучения абсолютно черного тела сдвигается из красной области в синюю как λ_max=2886/Т, где Т – температура [12]. Это означает, что нагреваемые тела изменяют свой цвет в зависимости от температуры от красного до голубовато-синего. Для стандартного излучателя, которым является абсолютно черное тело, можно точно указать положение цветности при разных температурах. На рис. 2.6 показан цветовой график в системе XY, на котором представлено положение цветов, соответствующих излучению абсолютно черного тела при различных температурах (кривая Планка).

Рис. 2.6. Цветовой график в системе ХУ по DIN 5033

Цветовая температура источника света определяется сравнением с абсолютно черным телом и отображается кривой Планка. Меньшая цветовая температура соответствует желтовато-красным (теплым) оттенкам белого, характерного для ламп накаливания, а большая – голубовато-синим (холодным) оттенкам газоразрядных дуговых ламп.

Государственный стандарт ГОСТ 721-76 устанавливает четыре источника света, излучение которых близко к излучению абсолютно черного тела. Это источники со сплошным спектром, т.е. излучают непрерывное по длинам волн излучение, а отличаются различным спектральным распределением. Соответственно излучению стандартных источников соответствует разная цветовая температура и разное положение точек на кривой Планка диаграммы цветности (рис. 2.6).

Источник типа А – норма среднего искусственного света. Он имеет то же распределение даваемого им потока излучения в видимой области спектра, что и абсолютно черное тело при температуре 2856 К. Это средняя цветовая температура ламп накаливания. Координаты цветности источника типа А: Х = 0,4475; Y = 0,4074.

Источник типа В – норма прямого солнечного света. Для источника типа В цветовая температура близка к 4800 К. Координаты цветности излучения: Х = 0,348; Y = 0,352.

Источник типа С – норма рассеянного дневного света. Цветовая температура приблизительно соответствует 6500 К. Координаты цветности: Х = 0,310; Y = 0,316.

Источник типа D – норма излучения люминесцентных источников света. В зависимости от типа люминофора цветовая температура источников типа D может быть разной. Для дополнительной информации о характере спектрального распределения источников типа D указывают первые две цифры значения цветовой температуры. Например, обозначение D₆₅ означает, что цветовая температура данного источника света близка к 6500 К. Координаты цветности источника D₆₅: Х = 0,313; Y = 0, 329.

Следует отметить, что термин «цветовая температура» можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный спектр. Электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а также солнце излучают световую энергию, дающую непрерывный спектр, поэтому можно сравнивать их цветовую температуру. Лампы тлеющего разряда, так называемые газосветные (ртутные, неоновые, аргоновые, натриевые и др.), имеют характерный линейный спектр и термин «цветовая температура» к ним неприменим.

Лампы с одинаковой цветовой температурой могут иметь весьма различные характеристики цветопередачи, что объясняется спектральным составом излучаемого ими света. Поэтому, кроме указанных колориметрических параметров, для источников света часто используется коэффициент (индекс) цветопередачи.

Коэффициент цветопередачи обозначается как R_a или CRI и отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Для определения значения R_a используются восемь эталонных цветов, указанных в стандарте DIN6169. При этом фиксируется сдвиг цвета, который наблюдается при направлении света тестируемого или эталонного источника света на эти цвета. Чем меньше отклонение цвета, излучаемого тестируемой лампой света, от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы.

Источник света с коэффициентом цветопередачи R_a = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, так же как свет эталонного источника света, за один из которых принимается солнце. Чем ниже значение R_a, тем хуже цветопередача. Например, при R_a 91-100 очень хорошая цветопередача, при R_a 81-90 – хорошая, при R_a 51-80 – средняя и при R_a < 51 – плохая цветопередача.

Гониометрические (угловые) параметры источников света характеризуются главным образом диаграммой пространственного распределения силы света или углом излучения. Эти параметры необходимы для более эффективного выбора типа источника света при проектировании конкретной светооптической системы.

Основной характеристикой надежности источников света является срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Поэтому различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока источник света не выйдет из строя). Правильный выбор корпуса источника света, показателями которого являются оптические и тепловые свойства, а также способ установки, во многом влияет на эффективность работы проектируемых светооптических систем.

Источники света для кино- и видеопроекции должны удовлетворять следующим требованиям [13]:

- высокая яркость светящегося тела и степень равномерности яркости по его площади и в различных направлениях пространства в пределах угла охвата светооптической системы;

- большая световая эффективность;

- концентрация возможно большей части излучаемого светового потока в пределах угла охвата осветительной системы;

- близость спектрального состава видимого излучения к спектральному составу дневного солнечного излучения с Т_ц = 5500-6500 К и R_a = 90-100;

- постоянство величины излучаемого светового потока и его спектрального состава в течение всего срока службы источника света;

- длительный срок службы;

- рациональная форма и размеры светящегося тела и самого источника света;

- простота и безопасность обслуживания.

В настоящее время подавляющее большинство источников света для кино- и видеопроекции производится компаниями Osram, Philips, Ushio, ASL, Christie.