Театральное освещение / Театральное освещение

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

роструктуры на основе нитрида индия галлия InGaN. В синеLзелёной области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20% и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лам пам (световая отдача 60—80 лм/Вт).

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB круг»: теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка бело го цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использова ны как отдельные светодиоды разных цветов, так и трёхкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зелёного свечения в одном корпусе. Если синий светодиод покрыть специаль ным жёлтым люминофором, мы получим белый свет. Белые светодиоды намного дешевле трёхкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по световой отдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накалива ния («мировые рекорды» яркости, мощности и эффективности, похо же, начали сыпаться, как из рога изобилия; на последней Lightfair 2002 Lumileds Lighting показала белый Luxeon мощностью 5 Вт с потоком 120 лм). Еще один метод — возбуждение трёхслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ светодиод в данном случае «заменяет» элек тронную пушку кинескопа).

Кристалл светодиода — практически точечный источник света, по этому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при вы ходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном уг ле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространённая конструкция светодиода — тради ционный 5 миллиметровый корпус. Конечно, это не единственный ва риант «упаковки» кристалла. Например, для сверхъярких светодиодов, рассчитанных на большие токи, требуется массивный теплоотвод.

Три способа получить белый свет:

318

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОДИОДА

ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕТОДИОДОВ

Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и воз можности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств. Отсутствие нити накалива ния благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловли вает фантастический срок службы. Производители светодиодов декла рируют срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной рабо ты, — срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных ус тановок. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую ме ханическую прочность и надежность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно вы сокое быстродействие (например, для стоп сигналов).

Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются компактными, плоскими и удобными в уста новке.

СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Обычно в справочных данных указывается осевая сила света Io све тодиода в милликанделлах для заданного значения прямого тока Jпр. Для современных сверхъярких светодиодов значение Io колеблется в пределах 200—5000 мКд (здесь речь идет о стандартных 5 миллиметро вых светодиодах, для приборов большего размера прямой ток может из меряться сотнями миллиампер и даже амперами, а сила света — десят ками канделл).

Характер светораспределения определяется углом излучения. Естес твенно, чем меньше угол излучения, тем больше осевая сила света при том же световом потоке. Обычно указываются цвет свечения и длина волны излучения. Цветовая температура и общий индекс цветопереда чи весьма актуальны для белых светодиодов, применяемых в целях ос вещения.

319

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Производители декларируют Ra до 75—85 (хорошая цветопередача). Еще больших результатов можно добиться, «синтезируя» белый цвет пу тем смешения нескольких цветов; при этом белые светодиоды могут ис пользоваться совместно с «цветными».

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Электрические характерис тики светодиодов очень важны по двум причинам. Во первых, светодиод должен работать в правильном режиме, чтобы полностью реализовать свой ресурс; во вторых, яркостью светодиодов можно легко уп равлять, а если применять сме шение цветов, таким же лег ким становится управление цветом прибора, в состав кото

рого входят светодиоды разных цветов.

Полную информацию о поведении светодиода даёт его вольтампер ная характеристика (ВАХ), повторяющая по форме ВАХ обычного кремниевого диода. В случае обратного включения светодиода через не го протекает малый ток утечки Ioбр, светодиод при этом не излучает све та. Обратное напряжение, приложенное к светодиоду, не должно пре вышать предельно допустимого обратного напряжения Uoбр, иначе воз можен пробой p n перехода. Очень важно, чтобы ток, протекающий че рез светодиод, не превышал предельно допустимый прямой ток, в про тивном случае светодиод выйдет из строя. Току Iпр соответствует прямое напряжение Uпр.

Светодиоды допускается «запитывать» в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импуль сов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью све тодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно импульсная модуляция (ШИМ) — метод, очень распространённый в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с воз можностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колор чейнджеры).

320

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

§ 8. ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

Совокупность оптических деталей, установленных в положении, за данном расчётом и конструкцией, составляет оптическую систему приL бора.

Существуют следующие виды оптических деталей: линзы, зеркала, призмы и клинья, дифракционные решётки, сетки, экраны, светофиль тры, защитные стёкла, поляризационные призмы, компенсаторы, све товоды и др.

ПЛОСКИЕ ОТРАЖАЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ (ПЛОСКИЕ ЗЕРКАЛА)

Отражением называется возвращение излучения объектом без изме нения длин волн составляющих его монохроматических излучений.

Существуют следующие виды отражения:

а) зеркальное отражение без рассеивания отражённого потока:

падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с перпен дикуляром к элементу отражающей поверхности в точке падения луча;

угол падения луча равен углу его отражения;

закон квадратов расстояний для отражённого пучка соблюдается от

источника света, а не от отражающей поверхности;

∆Ωi = ∆Ωρ; Lρ = Lи ·ρз = const, где Lи — яркость источника в преде ∆Ωi, ρз — коэффициент отражения зеркала;

б) равномерно диффузное отражение, при котором отражённый поток излучения рассеивается так, что яркость во всех направлениях полупро

321

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

странства одинакова:

∆Ωi << ∆Ωρ = 2π; L = E·ρ/π; где L и E — яркость и освещённость поверхности, равномерно отражающей свет; ρ— её коэффициент отра жения;

в) диффузное смешанное отражение, при котором наблюдается час тично зеркальное и частично диффузное отражение:

при смешанном отражении индикатрису силы света можно разде лить на две составляющие, одна из которых описывает равномерно диффузное отражение, другая — приближённо зеркальное. Напомним, что индикатрисой называют функцию, выражающую зависимость от носительных значений фотометрической величины от направления;

г) направленноLрассеянное отражение, при котором фотометрическое тело отражённых от участка поверхности сил света можно приближён но описать вытянутым эллипсоидом вращения, большая ось которого располагается в направлении зеркального отражения.

∆Ωi < ∆Ωρ. В пределах ∆Ωρ яркость отражающей поверхности не постоянна. Максимальная яркость наблюдается в направлении зер кального отражения.

ПЛОСКИЕ ПРЕЛОМЛЯЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Пропусканием называется прохождение излучения света сквозь сре ду без изменения длин волн составляющих его монохроматических из лучений.

Возможны следующие виды пропускания:

322

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

а) направленное отражение без рассеивания; б) равномерно диффузное отражение, при котором прошедший поток

излучения рассеивается так, что яркость во всех направлениях полупро странства одинакова:

L=E·τ/π=const, где L — яркость поверхности, пропустившей световой поток, E — освещённость поверхности, на которую падает световой по ток, τ— коэффициент пропускания слоя среды;

в) смешанное отражение, при котором наблюдается частично направ ленное, частично равномерное диффузное пропускание;

г) направленноLрассеянное отражение, при котором индикатриса силы света приближённо описывается вытянутым эллипсоидом вращения.

Монохроматический поток излучения Ф(λ), падающий на тело, де лится на три части: отражённую, поглощённую и прошедшую. Отноше ние каждой из этих составляющих к падающему потоку называется, со ответственно, спектральным коэффициентом отражения — ρ(λ), погло щения — α(λ) и пропускания — τ(λ). Очевидно, что:

ρ(λ)+ α(λ) + τ(λ) = 1.

Оптическая плотность среды D = lg(1/τ).

ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ПЛАСТИНА

При прохождении света через плоскопараллельную пластину прелом ление происходит на двух параллельных границах. Поэтому при прохож дении через пластину световой луч не меняет направление распростране ния, а только смещается параллельно самому себе.

а — величина смещения луча; d — толщина пластины;

α — угол падения на первую границу раздела; β— угол преломления на первой границе раздела, равный углу паде

ния на вторую границу раздела; n — показатель преломления.

Предполагается, что среда по обе стороны пластины одна и та же.

ПРИЗМА

В призме световой луч дважды испытывает преломление на прелом ляющих гранях и изменяет своё направление. Полное отклонение луча

323

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

зависит от угла падения света на призму и от преломляющего угла приз мы.

δ — угол отклонения луча призмой; α1 — угол падения на первую грань;

β2 — угол преломления на второй грани; ω — преломляющий угол призмы;

n — показатель преломления.

Призмы применяются в следующих целях: изменение хода лучей в приборах, изменение направления оптической оси системы; изменение направления линии визирования; оборачивание изображения; умень шение габаритного хода лучей; разделение пучков лучей; вращение изо бражения или компенсация поворота изображения; разложение света; поляризация света и др.

Примеры хода лучей в призмах

Сферические преломляющие поверхности

324

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

Если изображение образовано пересечением самих лучей, то оно на зывается действительным, а если изображение образовано пересечением геометрических продолжений лучей, то оно называется мнимым.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЛУЧЕЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

n1 — коэффициент преломления первой среды (nвоздуха = 1); n2 — коэффициент преломления второй среды.

Пространство предметов — пространство, расположенное слева от преломляющей поверхности (при ходе лучей слева направо).

Пространство изображений — пространство, расположенное справа от преломляющей поверхности (в случае хода лучей справа налево про странства предметов и изображений меняются местами).

C — центр сферической поверхности;

R — радиус кривизны поверхности;

L L’ — оптическая ось, проходящая через центр сферы; О — вершина сферической поверхности;

F’ — задний фокус сферической поверхности — точка, в которой схо дятся после преломления параллельные лучи, идущие слева направо;

F — передний фокус сферической поверхности — точка, в которой сходятся после преломления параллельные лучи, идущие справа налево (обратный ход лучей);

f – переднее фокусное расстояние; f’— заднее фокусное расстояние.

Фокусные расстояния зависят от радиуса кривизны поверхности R и

325

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

от материала сред — n1, n2. Фокусные расстояния сферической поверх ности различны по знаку и не равны по абсолютной величине, т. к.

n1 n2.

Правила знаков для расчёта оптических систем:

положительным направлением вдоль оптической оси считается наL правление света слева направо;

оптическую систему принято изображать так, чтобы её первая (входная) поверхность располагалась на рисунке слева;

угол луча с оптической осью считается положительным, если луч, пересекая ось, идёт сверху вниз, и отрицательным — снизу вверх;

линейные величины предмета и изображения, а также отрезки высот лучей считаются положительными, если они расположены над осью, и отрицательными — под осью;

радиус кривизны поверхности считается положительным, если её центр кривизны находится справа от поверхности, и отрицательным — слева от поверхности, т.е. отсчёт производится от поверхности к центру;

величины толщин и воздушных промежутков между преломляющи ми поверхностями при движении света слева направо всегда считаются положительными;

фокусные расстояния считаются положительными по направлению света от главных плоскостей;

углы между лучом и нормалью к поверхности в точках падения луча (углы падения и преломления) считаются положительными, если нор маль должна быть повёрнута по ходу часовой стрелки, чтобы совпасть с направлением луча;

угол между нормалью и оптической осью считается положительным, если оптическая ось должна быть повёрнута по направлению движения часовой стрелки, чтобы совпасть с нормалью;

при преломлении или отражении лучей на сферической поверхно сти за начало отсчёта отрезка принимается вершина поверхности (точ

Правило обозначения размеров и угловых величин

326

ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

ка О). Отрезки считаются положительными, если они откладываются вдоль оси справа от точки О по направлению распространения света, и отрицательными, когда откладываются слева от точки О.

В случае отрицательных значений указанных выше величин перед ними ставится знак минус.

Соответственные (одноимённые) и сопряжённые точки, отрезки и углы в пространстве предметов и пространстве изображений указыва ются одинаковыми буквами, но обозначения, относящиеся к простран ству изображений, отличаются знаком «штрих» вверху каждой буквы.

Случай преломления на одной сферической поверхности сравни тельно редок. Большинство реальных преломляющих систем содержит по крайней мере две преломляющие поверхности (линза) или большее их число.

Система сферических поверхностей считается центрированной, ес ли центры всех поверхностей лежат на одной прямой, которая называ ется главной оптической осью системы.

Если лучи выходят из одной точки или сходятся в одной точке, то та кой пучок называется гомоцентрическим.

ЛИНЗЫ

Линзами называют детали из оптически прозрачных однородных материалов, ограниченные двумя преломляющими поверхностями, из которых по крайней мере одна является поверхностью тела вращения (сфера, асферическая или цилиндрическая поверхность). В соответ ствии с этим различают линзы сферические, асферические и цилиндри ческие.

Проходящие через линзу лучи преломляются дважды. При построе нии хода лучей преломление на обеих границах заменяют одним пре ломлением в так называемой главной плоскости линзы. Все расстояния (фокусное расстояние, расстояния до предмета и изображения) отсчи тываются от главной плоскости линзы.

О О’ — главная оптическая ось, проходит через центры кривизны обеих поверхностей;

327