Театральное освещение / Театральное освещение
.pdf
ПРИЁМНИКИ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Источник излучения |
Средний глаз |
Цвет излучения |
|
ощущение цвета |
|
1. |
Яркость — |
количественная |
1. Светлота |
|
|
характеристика |
|
2. |
Цветность — |
качественная |
2. Цветоощущение |
|
|
характеристика |
(ощущение цветности) |
цветовой тон |
|
цветовая тональность |
|
чистота цвета |
|
цветовая насыщенность |
|
Цветовая насыщенность определяется степенью различия ощущения цветности заданного излучения от ощущения цветности белого. Цвето вой тон излучения применим для оценки качества не только монохро матических излучений, но и любого излучения со сложным спектром.
Экспериментально установлено, что возможно тождественное вос произведение любого цвета смесью белого с монохроматическим. В со ответствии с этим цветовой тон любого излучения обозначают длиной волны того монохроматического излучения, которое в определённой пропорции смеси с белым обеспечивает зрительное тождество с иссле дуемым излучением. Долю монохроматического излучения, которое обеспечивает в смеси с белым зрительное тождество с исследуемым из лучением, называют чистотой цвета «p».
Трёхмерность цвета излучения и ощущения цвета определяется трёх компонентностью органа зрения как приёмника излучения. Разработа ны специальные математические системы для оценки и записи цвета как некоторой трёхмерной величины, характеризующей действие излу чения на средний глаз.
278
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
§ 4. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Источник света — излучатель электромагнитной энергии в оптичес ком диапазоне спектра.
Различают естественные источники света — небесные светила, при родные явления (атмосферный электрический разряд) — и искусствен ные источники.
Искусственным источником оптического излучения называют уст ройство, предназначенное для превращения какого либо вида энергии в электромагнитное излучение оптического диапазона: (λ= 1 106 нм).
Напомним:
В зависимости от изменения длин волн и частот значительно меня ются свойства излучений, определяемые энергией фотона (Wф=h·ν). Объ единение излучений в группу оптического диапазона объясняется единством принципов возбуждения оптических излучений и общнос тью методов их преобразования и использования. Границы этого объ единения условны и могут иметь небольшие разночтения в разных ли тературных источниках.
Наибольшей частью оптической области является участок инфра красных излучений с малыми значениями энергии фотона. Вследствие этого инфракрасные излучения (ИК) в основном обнаруживаются по их тепловому действию. ИК излучения широко используются для на грева и сушки, для приготовления пищи. С помощью электронно опти ческих преобразователей ИК излучения возможно зрительное воспри ятие в темноте — приборы ночного видения. В отличие от ИК, ультра фиолетовые излучения (УФ) обладают наибольшими значениями энер гии фотонов. УФ излучения очень активно вступают во взаимодействие с веществом.
Электромагнитное излучение всех длин волн обусловливается коле баниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т.е. элек тронов и ионов. При этом колебания ионов, составляющих вещество,
279
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
соответствуют излучению низкой частоты (инфракрасному; малая час тота длинные волны) вследствие значительной массы колеблющихся зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов, может иметь высокую частоту (видимое и ультрафиолетовое излуче ние), если эти электроны входят в состав атомов или молекул и удержи ваются около своего положения равновесия значительными силами.
В металлах, где много свободных электронов, излучения последних соответствуют иному типу движения; здесь нельзя говорить о колебани ях около положения равновесия. Свободные электроны, приведённые в движение, испытывают нерегулярное торможение, и их излучение при обретает характер импульсов, т.е. характеризуется спектром различных длин волн, среди которых могут быть представлены и волны низкой ча стоты.
Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо пополнять её убыль: в противном случае излучение будет сопровож даться какими либо изменениями внутри тела, и состояние излучаю щей системы будет непрерывно изменяться. Указанные процессы могут быть весьма разнообразны, и, следовательно, характер свечения может быть различным.
Оптическое излучение возникает в результате перехода частиц веще ства (атомов, ионов, молекул, валентных электронов) из возбуждённых состояний, в которые они попадают в результате поглощения энергии извне, в состояния с меньшей энергией. Частота возникающего излуче ния определяется разностью энергий этих состояний. Пусть W1 — энер гия начального (до излучения) состояния, W2 — энергия конечного (после излучения) состояния, тогда частота испускаемых электрома гнитных волн будет ν = (W1 – W2)/h.
Пусть W1 – энергия начального (до излучения) состояния, W2 – энергия конечного (после излучения) состояния, тогда частота испус каемых электромагнитных волн ν = (W1 – W2)/h:
где h = 6,626 · 10L34 Дж·с — постоянная Планка.
КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ
В основе классификации лежит физический механизм генерации оп тического излучения (ОИ).
280
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
1. Тепловые источники.
Источники, основанные на преобразовании тепловой энергии в энер гию ОИ. Нагревая тело, его можно заставить светиться. Если убыль энер гии восполнять непрерывным сообщением соответствующего количест ва тепла, то излучение можно поддерживать неизменным.
Примеры тепловых источников: все пламенные источники (свечи, масляные лампы и др.), простые угольные дуги, лампы накаливания.
Собственно говоря, любое тело, если его температура отлична от аб солютного нуля,* излучает. При комнатной температуре тело излучает очень длинные инфракрасные волны.
Тепловые источники имеют низкий коэффициент полезного дей ствия. Энергия, подводимая к тепловому излучателю для компенсации энергии излучения и тепловых потерь в окружающее пространство, мо жет иметь любую форму. Например, вольфрамовая спираль электричес кой лампы накаливания поглощает энергию электрического тока.
2. Люминесценция.
Как уже указывалось, любое тело при температуре выше абсолютного нуля посылает в окружающее пространство излучение, возникшее в ре зультате неупорядоченного теплового движения молекул. Количествен ные и качественные характеристики такого излучения определяются тер модинамическими законами.
Внекоторых случаях тело дополнительно к тепловым излучениям по сылает в пространство излучения, возникающие в результате локализо ванного возбуждения частиц (центров люминесценции). Как показывает опыт, люминесцировать могут тела, находящиеся в любом агрегатном со стоянии. Твёрдые и жидкие вещества, способные излучать свет под дей ствием различного рода возбуждений, называются люминофорами. Спектр люминесценции может состоять из отдельных линий (излучения отдельных атомов и ионов), полос (излучение молекул) и непрерывных участков (излучение твёрдых тел и жидкостей). При люминесценции воз можно более эффективное преобразование подводимой энергии в ОИ, чем при тепловом возбуждении, поскольку люминесценция в принципе не требует нагрева тел.
Взависимости от способа передачи энергии люминесцирующим час тицам или, как принято говорить, от способа их возбуждения различают некоторые разновидности люминесценции.
1) Электролюминесценция — электрическое воздействие на излучаю щую систему. Это свечение паров или газов под действием проходящего через них электрического разряда. Поток электронов возбуждает нор мальные атомы газа или пара, и те начинают светиться, отдавая избыточ ную энергию.
Применение электролюминесценции: излучение разрядных источни ков света, электролюминесцентные панели и светоизлучающие диоды. Свечение люминофоров под действием пучка электронов достаточной
* Так называемым абсолютным нулём является 273 градуса по шкале Цельсия, 0 градусов по Кельвину или 460° по Фаренгейту.
281
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
скорости называют катодолюминесценцией. Она используется в элек тронно лучевых трубках.
2)Фотолюминесценция — излучение под действием другого возбужда ющего излучения (одновременного или предварительного). Свечение люминесцентных красок (краски облучают УФ излучением, и они све тятся), свечение люминофоров под действием УФ. Фотолюминесценция люминофоров широко применяется в люминесцентных и других разряд ных лампах.
3)Радиолюминесценция — оптическое излучение некоторых веществ (люминофоров) под действием продуктов радиоактивного распада.
Источники этого типа не требуют внешних источников питания, взрывобезопасны, имеют большой срок службы, но дают малые световые потоки и яркости, достаточные только для освещения шкал приборов, создания светящихся знаков и т.п. Светосоставы постоянного действия представляют собой люминофор, смешанный с радиоактивными вещес
твами. В настоящее время для возбуждения используют радиоактивные изотопы — тритий и прометий 147, дающие только β излучение. Их до стоинство в том, что электроны малой энергии полностью задерживают ся даже тонкими защитными слоями вещества и не разрушают основу
люминофора. Яркость в зависимости от цвета состава достигает от 0,05 до 2 кд/м2. Яркость свечения падает по мере распада трития. Период полу распада трития 12 лет, фактическая яркость падает за 6—7 лет. Светосос
тавы употребляются для изготовления самосветящихся красок. Они без вредны, так как тонкий слой лака полностью поглощает β излучение.
4)Хемилюминесценция и биолюминесценция — оптическое излучение, сопровождающее химические превращения внутри вещества или живого организма. В этом случае испускание энергии идёт параллельно с изме нением химического состава испускающей системы и уменьшением за паса её внутренней энергии. Примеры: свечение гниющего дерева, свече ние фосфора, медленно окисляющегося на воздухе, свечение светлячков, глубинных рыб и др.
5)Триболюминесценция — оптическое излучение возникает в результа те трения веществ друг о друга.
Существуют и другие виды люминесценции.
3.Источники смешанного излучения.
Здесь сочетаются механизмы как тепловых, так и люминесцентных источников.
В театре в качестве источников света чаще всего используются элек трические лампы: лампы накаливания (ЛН) и разрядные лампы (РЛ).
Рассмотрим подробнее принцип их действия.
Параметры электрических ламп:
технические;
эксплуатационные.
Технические параметры:
светотехнические;
электрические;
282
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
геометрические и конструктивные.
1. Светотехнические параметры: L Световой поток Ф [лм].
L Сила света I [кд = лм/ср] — распределение силы света в простран стве, задаваемое диаграммой направленности (кривая силы света).
L Яркость L [кд/м2] характеризует излучение поверхности светящего ся тела по направлениям. Чем компактнее тело накала, тем выше его га баритная яркость.
283
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
L Спектр излучения ∆λУказываются спектральные плотности вышепе речисленных величин, т. е. распределение их по спектру.
Цвет излучения лампы дополнительно характеризуется цветовыми паL
раметрами:
координатами цветности x, y;
цветовой температурой Тцв;
индексами цветопередачи Ra, Ri.
Цвет излучения ламп типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная) оценивается так называемым «красным отношением».*
2. Электрические параметры:
мощность лампы Р [Вт];
рабочее напряжение на лампе, на которое она рассчитана Uл [В];
напряжение питания Uп [В];
ток I [А] и код тока (постоянный, переменный с частотой f).
Для разрядных ламп вводят ещё ряд параметров, характеризующих ра боту пускорегулирующего аппарата (ПРА).
3. Геометрические и конструктивные параметры:
габаритные и присоединительные размеры;
высота светового центра, размеры и форма излучающего тела;
форма колбы, её оптические свойства;
тип цоколя, конструкция и размеры электродов и др.
4.Эксплуатационные параметры:
L коэффициент полезного действия лампы (КПД) η[%]; L световая отдача η[лм/Вт];
L срок службы τ[час];
L условия эксплуатации.
КПД лампы ηe [%] характеризует энергетическую эффективность лампы:
Фe — весь энергетический поток в [Вт], даваемый лампой, — это УФ
+свет + ИК;
Р— мощность, потребляемая лампой.
Световая отдача лампы η [лм/Вт] показывает, какая часть потребля
* «Красное отношение» — относительное содержание красного излучения, т. е. отношение светового потока в красной области спектра (600 — 780 нм) к общему световому потоку лампы, выраженное в %. Данный параметр характеризует разрядные источники с низкой цветопередачей. Используется для «характеристики зрительной работы по требованиям к цветоразличению». (Нормативы по естественному и искусственному освещению — СНиП 23 05 95).
«Красное отношение» считается высоким, если Фк > 10 %.
284
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
емой электрической энергии преобразуется в видимый спектр:
Ф — световой поток в [лм], Р — мощность, потребляемая лампой. Лампы накаливания — η= 10 
20 [лм/Вт], Галогенные ЛН — η= 25 [лм/Вт], Газоразрядные лампы — η= 30 
200 [лм/Вт], Люминесцентные — η= 50 
80 [лм/Вт].
Задачей конструкторских разработок при проектировании новых ламп является максимальное увеличение световой отдачи лампы — это один из важных параметров экономичности лампы.
Для ламп накаливания:
1) Световая отдача увеличивается с увеличением мощности лампы.
2) При галогенном наполнении лёгким газом (криптон) — световая отдача выше,
тяжёлым газом (аргон) — световая отдача ниже.
3) При понижении рабочего напряжения на лампе световая отдача повышается, т. е. низковольтные лампы имеют большую световую отда чу.
Схематично преобразование энергии в лампе можно представить так:
Увеличивая светоотдачу, мы увеличиваем долю видимого излучения в общем излучении лампы.
Срок службы лампы — основной показатель долговечности работос пособности лампы. Зависит:
от конструкторской разработки,
от соблюдения технологического процесса изготовления лампы,
от соблюдения условий эксплуатации.
Различают:
τф — полный срок службы (физический срок службы):
продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до полной или частичной утраты работоспособности (в ЛН — перегорание нити, в РЛ — потеря способности зажигаться).
285
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
τг — гарантированный срок службы:
паспортная характеристика — время, в течение которого свето вые параметры лампы не выходят за пределы номинальных значений.
τп — полезный срок службы:
время, когда спад светового потока достигает 50% от номи нального значения;
продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до момента ухода за установленные пределы одного из параметров, опре деляющих целесообразность использования ламп данного типа;
экономически оправданное выгодное время эксплуатации ис точника; не надо ждать, пока перегорит лампа, её выгоднее сменить (порой почерневшая ЛН продолжает работать, т. е. потреблять энергию,
как и прежде, но света почти не даёт).
τср — средняя продолжительность горения:
отрезок времени, в течение которого вышло из стоя 50% ламп из партии.
Кривая выхода ЛН из строя при испытании на срок службы называ ется «кривой смертности ламп».
Количество
испытываемых
ламп
В процессе эксплуатации источника света наблюдается спад свето вого потока. После 100 часов работы величина светового потока достигаL ет номинального значения. Именно это значение указывается в катало гах, по нему будут рассчитывать световой прибор, работающий с дан ным источником.
Начальный световой поток
Номинальный световой поток
286
ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
ЛН — τп = 1000 час , η = 10—20 лм/Вт ГЛН — τп = 2000 час , η= 25 лм/Вт РЛ — τп = 10 000 час η= 200 лм/Вт
Условия эксплуатации ламп. В технической документации на лампы указываются:
наличие механических воздействий при эксплуатации (нельзя тряс ти или, наоборот, эксплуатация на транспорте предполагает наличие вибраций);
климатические условия:
температура окружающей среды,
атмосферное давление;
L рабочее положение лампы — допустимый рабочий угол.
О цветности света лампы свидетельствует её цветовая температура, которая выражается по шкале Кельвина (0°К = 273°С).
287