Krzysztof ZAREMBA

Politechnika Białostocka, Katedra Promieniowania Optycznego

Bezpieczne oświetlenie muzealne – światłowody czy diody LED?

Streszczenie.

Promieniowanie optyczne: nadfiolet (UV), promieniowanie widzialne (VIS) i podczerwień (IR), niszczy eksponaty muzealne.

Wymagania konserwatorskie, dotyczące szczególnie wrażliwych eksponatów muzealnych, ograniczają poziom natężenia oświetlenia do 50÷150 lx.
Światło powinno być pozbawione zarówno promieniowania UV, jak i IR. Powyższe wymagania w pełni spełniają światłowodowe systemy
oświetleniowe. Słabe parametry światła diod świecących LED nie pozwalają, jak dotychczas, na oświetlanie nimi wrażliwych obiektów muzealnych.

Abstract.

Ultraviolet (UV), visible (VIS) and infrared (IR) optical radiation damages the museum exhibits. The requirements of the exhibit

conservation, regarding the illuminance levels for particularly sensitive museum objects, strictly limit the illuminance value to 50÷150 lx. Additionally,
the resulting lighting beams should be devoid of both UV and IR components. The optical fibre lighting systems are perfectly suited to meet all the
aforementioned requirements. Poor lighting parameters of LED diodes do not allow for direct irradiation of sensitive museum objects. (Safe
museum lighting - optical fibres or LED diodes?

)

Słowa kluczowe: oświetlenie muzealne, oświetlenie światłowodowe, diody LED.
Keywords: museum lighting system, optical fibre lighting system, LED diodes.

Wprowadzenie

Jednym z czynników mających duży wpływ na

niszczenie eksponatów muzealnych jest promieniowanie
optyczne: nadfioletowe (UV), widzialne (VIS) oraz
podczerwone (IR) [1]. Zdecydowanie najgroźniejszy jest
nadfiolet, gdyż powoduje największe niszczenie obiektów,
nie wnosząc nic do procesu widzenia. Niebezpieczne jest
też fioletowo-niebieskie promieniowanie widzialne.
Promieniowanie podczerwone, choć mniej szkodliwe, też
nie wnosi nic do procesu widzenia, a powoduje nagrzewanie
się powierzchni obiektów muzealnych, co może prowadzić
do pękania ich powierzchni. Promieniowanie VIS, służące
do oświetlania obiektów muzealnych, powinno być
pozbawione promieniowania UV i IR. Oświetlenie muzealne
stanowi kompromis między wrażeniem wzrokowym
zwiedzającego, tzn. możliwością dokładnego obejrzenia
obiektów, a wymaganiami konserwacji eksponatów. Komfort
widzenia zwiedzającego wymaga od oświetlenia
określonego poziomu natężenia oświetlenia, jego rozkładu,
temperatury barwowej i wskaźnika oddawania barw. System
oświetleniowy nie powinien zmieniać również czynników
środowiskowych takich jak temperatura otoczenia i jego
wilgotność.
Wymagania konserwatorskie dotyczące różnych
obiektów muzealnych są zróżnicowane. Artykuł poświęcony
jest analizie sposobów oświetlania najbardziej wrażliwych
obiektów muzealnych, takich jak miniatury malarskie,
akwarele, tkaniny jedwabne, itp. Eksponaty te są
szczególnie cenne i jednocześnie niezwykle wrażliwe na
wszystkie warunki środowiskowe występujące w muzeum.
Analizę różnych sposobów oświetlenia takich eksponatów
oparto na doświadczeniach zdobytych podczas realizacji
systemu oświetleniowego gablot w Galerii Miniatur Muzeum
Narodowego w Warszawie. Gabloty te charakteryzowały się
bardzo małą głębokością wynoszącą 120 mm, przy
wymiarach powierzchni wystawienniczej wynoszących
900x1100 mm. Z boku powierzchni wystawienniczej
praktycznie nie było miejsca do usytuowania elementów
świecących (30 mm), natomiast ponad i pod istniał obszar o
szerokości ok. 100 mm. Średnia wartość natężenia
oświetlenia na powierzchni miniatur, ze względu na
wymagania konserwatorskie, miała wynosić 100 lx. Światło
miało być pozbawione promieniowania IR i UV. Urządzenia
oświetleniowe nie mogły spowodować podniesienia
temperatury w gablocie o więcej niż 3ºC.

Szczegółowa analiza wymagań oświetleniowych

W celu uzyskania wymaganego średniego natężenia

oświetlenia (100 lx) należało do gabloty wprowadzić
strumień świetlny wynoszący tylko ok. 100 lm. Teoretycznie
nie stanowi to problemu, gdyż taki strumień świetlny
wytwarzany jest przykładowo przez źródło światła o
skuteczności świetlnej 100 lm/W i mocy 1 W lub też źródło o
skuteczności świetlnej 20 lm/W i mocy 5 W. Jednak w tym
drugim przypadku temperatura w szczelnej gablocie o
objętości ok. 0,15 m

3

wzrosłaby powyżej założonej wartości

3ºC.

Ze względu na swoją budowę gabloty wymagały

zastosowania urządzeń

oświetleniowych o jak

najmniejszych wymiarach. Urządzenia takie mogły być
zamontowane w jak największej odległości od powierzchni
oświetlanej tak, aby światło padało na oświetlane obiekty
pod jak najmniejszym kątem. Wtedy oświetlenie jest
najbardziej równomierne, a oprawy miniatur rzucają
najmniejsze cienie. Zdawano sobie jednak sprawę, że przy
tak małej głębokości gablot światło i tak będzie padało pod
bardzo dużym kątem (szczególnie na obszar środkowy), a
osiągnięcie dużej równomierności oświetlenia może być
bardzo trudne lub też niemożliwe.

Opisana geometria gablot wymagała również

zastosowania co najmniej kilku, zamontowanych z różnych
stron, elementów świecących tak, aby wszystkie eksponaty
były podobnie oświetlone. Światło wysyłane przez
poszczególne oprawy musiało być przy tym mocno ukierun-
kowane. Należało jednak pamiętać, że zastosowanie w tym
przypadku elementów optycznych kształtujących wiązkę
świetlną było ograniczone ilością miejsca w gablocie.

Do oświetlenia miniatur należało zastosować światło o

ciepłej barwie o temperaturze barwowej na poziomie 2900-
3200 K i wskaźniku oddawania barw Ra wynoszącym co
najmniej 85.

Światłowodowy system oświetleniowy

Typowy system światłowodowy składa się z oświetlacza

światłowodowego, wiązki światłowodowej i opcjonalnie
końcówek oświetleniowych, służących do zmiany krzywej
rozsyłu światłości strumienia świetlnego wychodzącego ze
światłowodów (rys. 1). Oświetlacz znajduje się poza
gablotą, do której wprowadza się tylko światłowody
przewodzące bezpieczne światło. Światłowodami można
doprowadzić światło w dowolne miejsce gabloty, a świecące
końcówki mogą mieć małe wymiary.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

70

Odbłyśnik

elipsoidalny

Filtr optyczny

Wiązka

światłowodowa

Wymienne końcówki

oświetleniowe

Oświetlacz

Lampa

Rys. 1. Budowa systemu oświetlenia światłowodowego

Powszechne

mniemanie,

że promieniowanie optyczne

wychodzące ze światłowodu jest promieniowaniem
bezpiecznym dla eksponatów muzealnych, jest
mniemaniem błędnym. Światłowody oświetleniowe dzielą
się ze względu na materiał, z którego są wykonane, na:
plastikowe (Plastic Optical Fiber – najczęściej z
polimetakrylanu metylu PMMA) [2] i szklane (Glass Optical
Fiber) [3]. Materiał, z jakiego wykonany jest światłowód
decyduje o jego parametrach. Analiza krzywych
tłumienności światłowodów POF i GOF pokazuje, że mają
one podobną średnią tłumienność w zakresie widzialnym
(strata strumienia świetlnego ok. 3%/m), lecz przenoszą też
promieniowanie szkodliwe, choć w różnym stopniu w
zależności od materiału, z którego są wykonane (rys. 2).
Światłowody POF słabo tłumią krótsze długości fali, tzn.
promieniowanie niebieskie, zielone, dobrze przewodzą też
promieniowanie UV. Przeciwnie, światłowody GOF dobrze
przewodzą promieniowanie czerwone i IR. Porównanie
branych pod uwagę parametrów przestawia tabela 1. Z
analizy tej wynika, że dopiero zastosowanie w oświetlaczu
światłowodowym, odpowiednio dobranych do typu źródła
światła i światłowodów, filtrów może pozbawić światło
szkodliwego promieniowania IR i UV.

Rys. 2. Rozkłady widmowe tłumienności światłowodów szklanych
(GOF) i plastikowych (POF-PMMA)

Tabela 1. Porównanie wybranych parametrów światłowodów z
polimetakrylanu metylu (POF-PMMA) i szkła (GOF)

Cecha POF-PMMA

GOF

Przewodnictwo IR
(podczerwień)

małe duże

Przewodnictwo UV (nadfiolet)

duże małe

Przewodnictwo z zakresu 400-
480 nm (niebieskie)

dobre słabe

Przewodnictwo z zakresu 660-
740 nm (czerwone)

słabe dobre

Zmiana temperatury barwowej
światła na wyjściu z kabla

szybko
rośnie

maleje

Zmiana wskaźnika oddawania
barw na wyjściu z kabla

maleje maleje

Dopuszczalna temperatura
pracy

-40º÷ +70ºC

-60º÷
+130ºC

Starzenie materiału (w suchym
otoczeniu)

powolne brak

Obróbka (poza fabryką)

możliwa bardzo

trudna

Dowolność długości i średnicy
kabli w wiązce

duża

mała

Do

oświetlenia eksponatów muzealnych, ze względu na

ciepłą barwę światła i bardzo wysoki wskaźnik oddawania
barw, stosuje się zazwyczaj oświetlacze światłowodowe z
żarówkami halogenowymi. Charakteryzują się one małą
skutecznością świetlną (ok. 20 lm/W), co wpływa na
konieczność stosowania w oświetlaczu źródeł o większej
mocy. Nie wpływa to jednak na zwiększenie mocy
promieniowania widzialnego, doprowadzanego do gabloty
światłowodami. Promieniowanie żarówek halogenowych,
które zawiera duże ilości promieniowania UV i bardzo dużo
IR, jest bowiem filtrowane w oświetlaczu.

Oświetlenie diodami świecącymi LED
Ze

względu na szybką poprawę parametrów diod

świecących LED i spadek ich ceny, diody te zaczęły być
stosowane również w oświetleniu muzealnym. Podkreśla się
przy tym fakt, że diody LED wytwarzają promieniowanie
widzialne, którego nie trzeba dodatkowo filtrować, gdyż
pozbawione jest promieniowania UV i IR. Chcąc dokonać
analizy możliwości zastosowania w oświetleniu wrażliwych
obiektów muzealnych diod LED, należy wstępnie dokonać
ich podziału. Ze względu na pobieraną moc, diody można
podzielić na te o małej mocy, wynoszącej maksymalnie
100÷150 mW (fot. 1a) i diody o dużej mocy, wynoszącej 1,
3, 5 (fot. 1b), a nawet 10 W. Diodę dużej mocy celowo
przedstawiono zamocowaną na radiatorze, bez którego nie
może pracować. Diody dużej mocy nie są bowiem, tak jak
diody małej mocy, zimnymi źródłami światła. Konieczność
stosowania radiatora zwiększa wymiary oprawy
oświetleniowej.

(a) (b)

Fot. 1. Widok diod LED o małej mocy i średnicy 5 mm (a) oraz
zamocowanej na radiatorze diody LED o dużej mocy (b)

Doniesienia o dochodzącej do 100 lm/W skuteczności

świetlnej diod LED o świetle białym i ich trwałości sięgającej
100 tys. godzin, dotyczą tylko i wyłącznie diod LED o dużej
mocy [4]. Diody o małej mocy, choć mogą wysyłać
potrzebną w prezentowanym rozwiązaniu ukierunkowaną
wiązkę świetlną, mają niską skuteczność świetlną
wynoszącą tylko ok. 20 lm/W i trwałość ok. 10-15 tys.
godzin. Ich światło jest barwy dziennej, ma wysoką
temperaturę barwową i odcień niebieski oraz niski wskaźnik
oddawania barw wynoszący 70-80. Wyraźnie wynika z tego,
że choć ze względu na moc, ilość wysyłanego światła i jego
ukierunkowanie diody LED o małej mocy mogłyby być
zastosowane, to słabe parametry emitowanego przez nie
światła białego wykluczają to rozwiązanie.

Większość produkowanych obecnie diod dużej mocy

również charakteryzuje się wysoką temperaturą barwową i
wskaźnikiem oddawania barw nieprzekraczającym 80 i z
tego powodu, pomimo dużej skuteczności świetlnej, nie
powinny być stosowane w oświetleniu muzealnym.
Produkowane sporadycznie diody o ciepłej barwie światła i
wysokim wskaźniku barw charakteryzują się natomiast
skutecznością świetlną wynoszącą tylko 20 lm/W, czyli
porównywalną z żarówkami halogenowymi [4].
Dodatkową wadą diod o dużej mocy jest lambertowski
rozsył strumienia świetlnego, czyli konieczność stosowania
dodatkowych elementów optycznych skupiających wiązkę
świetlną.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

71

Nie należy spodziewać się, że prezentowane

ograniczenia zmienią się w przyszłości. Wprawdzie nowe
rozwiązania diod posiadają coraz większą skuteczność
świetlną oraz możliwość wyboru barwy światła i na pewno
powstaną diody o wysokim wskaźniku oddawania barw i
większej skuteczności świetlnej, to i tak dotyczyć to będzie
tylko diod o dużej mocy. Diody te, zastosowane do
oświetlania wrażliwych obiektów muzealnych, wytwarzają
jednak punktowo zbyt duże ilości strumienia świetlnego,
który wysyłany jest we wszystkich kierunkach
półprzestrzeni.

Realizacja systemu oświetlenia gablot z miniaturami

Na podstawie przedstawionej analizy do oświetlania

gablot wybrano światłowodowy system oświetleniowy. Ze
względu na możliwości łatwiejszej obróbki podczas
przeprowadzania prób, a następnie realizacji instalacji, w
wiązkach światłowodowych użyto światłowodów POF. W
instalacji nie zastosowano dodatkowych końcówek
oświetleniowych, głównie ze względu na ich duże gabaryty.
Wybrane światłowody oświetleniowe POF-PMMA, o
aperturze numerycznej NA wynoszącej 0,5, charakter-
ryzowały się połówkowym kątem świecenia ±18º, co bardzo
dobrze odpowiadało wymaganiom oświetleniowym.
Zakładano możliwość niewielkich zmian bryły fotom-trycznej
poprzez odpowiednią obróbkę ich powierzchni czołowych
[5]. Każda końcówka światłowodowa miała możliwość
regulacji kierunku świecenia tak, aby skompensować
rozrzuty bryły fotometrycznej poszcze-gólnych końcówek
oraz dostosować położenia plam świetlnych do
umiejscowienia poszczególnych miniatur.

W każdej z gablot zastosowano oświetlacz wyposażony

w żarówkę halogenową o mocy 50 W z zimnym
zwierciadłem elipsoidalnym. W oświetlaczu światłowodo-
wym zastosowano podwójny szklany filtr absorpcyjny IR
oraz interferencyjny filtr UV. Zastosowanie podwójnego filtru
IR, choć podnosiło temperaturę barwową światła do 3400 K
i zmniejszało wskaźnik oddawania barw Ra do 87,
podyktowane było głównie ochroną eksponatów przed
promieniowaniem IR, którego bardzo duże ilości wytwarzają
żarówki halogenowe. Dodatkowo filtry IR chroniły przed
stopieniem powierzchnię wejściowej wiązki światłowodowej
POF, która nie była chłodzona wentylatorem. Oświetlacz
umieszczony był ponad pionową gablotą i odizolowany
termicznie tak, aby jego ciepło nie wpływało na temperaturę
wewnątrz gabloty.

Fot. 2. Widok 2 wybranych gablot z miniaturami oświetlonych
światłowodami

Każda z gablot była oświetlona 9 wiązkami
światłowodowymi od góry i 5 od dołu. Każda wiązka
składała się z 7 światłowodów POF o średnicy 1 mm.
Światłowody w wiązkach dobrano w taki sposób, aby
parametry świetlne wiązek nie różniły się znacząco. U góry
5 wiązek oświetla górną część powierzchni wystawienniczej,
natomiast 4 wiązki położone pomiędzy nimi doświetlają

słabo oświetlony obszar środkowy gabloty. Od dołu
zastosowano tylko 5 wiązek oświetlających dolną część
gabloty. W porównaniu z krótszymi wiązkami górnymi w
dłuższych wiązkach zauważono wyraźny spadek strumienia
świetlnego.

Osiągnięte efekty oświetleniowe można ocenić na

podstawie analizy fotografii wybranych 2 gablot (fot. 2). W
gablotach uzyskano średnie natężenie oświetlenia na
zakładanym poziomie 100 lx. Światło oświetlające miniatury
pozbawione jest szkodliwego promieniowania UV i IR. W
wyniku zainstalowania światłowodowego systemu
światłowodowego temperatura w gablotach wzrosła tylko o
1ºC. Spełniono więc wszystkie założenia oświetleniowe.
Pomimo małej głębokości gablot, dzięki maksymalnemu
oddaleniu końcówek światłowodowych oraz możliwości
indywidualnej regulacji kierunku świecenia każdej z nich,
osiągnięto zadowalającą równomierność oświetlenia.

Wnioski

Przeprowadzona analiza wskazuje, że do oświetlenia

wrażliwych obiektów muzealnych powinny być obecnie
stosowane systemy światłowodowe, a nie diody świecące
LED. Światłowodami można doprowadzić światło w dowolne
miejsce gabloty. Światło to, pozbawione w oświetlaczu
światłowodowym szkodliwego promieniowania UV i IR, jest
bezpieczne dla eksponatów. Przefiltrowane światło
charakteryzuje się dużą skutecznością świetlną promienio-
wania, zachowując wysokie parametry jakościowe.

Światło diod LED nie wymaga filtrowania, gdyż

pozbawione jest szkodliwego promieniowania UV i IR.
Jednak, na obecnym etapie rozwoju, światło diod LED o
dużej skuteczności świetlnej posiada zbyt wysoką
temperaturę barwową i zbyt niski wskaźnik oddawania barw.
Odwrotnie, światło diod LED o niskiej temperaturze
barwowej i wysokim wskaźniku oddawania barw ma niską
skuteczność świetlną. Prowadzone prace, mające na celu
polepszenie parametrów świetlnych diod LED, dotyczą diod
o dużej mocy wynoszącej 1÷5 W. Do oświetlania
wrażliwych obiektów muzealnych diody takie wytwarzają
punktowo zbyt duże ilości strumienia świetlnego.
Lambertowski rozsył strumienia świetlnego diod dużej mocy
też nie jest korzystny w oświetleniu muzealnym. Wysyłane
przez diody dużej mocy światło musi być wstępnie
rozdzielone i ukierunkowane. Można zatem spodziewać się,
że w przyszłości zastosowane zostaną systemy będące
połączeniem analizowanych rozwiązań, tzn. z diodami LED
wytwarzającymi bezpieczne światło i światłowodami
rozdzielającymi i rozprowadzającymi strumień świetlny.

Źródło finansowania: praca własna – W/WE/11/06

LITERATURA

[1] A y d i n l i S . , H i l b e r t G . S . , K r o c h m a n n J . : On the

detoriation of exibited museum objects by optical radiation“,
CIE Technical Raport, 1994

[2] N a r e n d r a n N . , M a l i y a g o d a N . , L e v i n R . : Propagation

characteristics of polychromatic light through polymer optical
fibers, Journal of the Illuminating Engineering Society. Winter
2000; 29(1): 81-9

[3] T i m s o n P . , G r e g s o n B .: Fibre Optics Lighting & Sensing

Technology Book, Schott 1994

[4] Katalogi oraz dane techniczne diod firmy LUMILEDS

(

www.lumileds.com

)

[5] Z a r e m b a K . , Influence of the processing method for surfaces

of plastic optical fibres on their luminous parameters,
Proceedings of SPIE - The International Society for Optical
Engineering, vol.5576, 2004, s.243-245

Autor

: dr inż. Krzysztof Zaremba, Politechnika Białostocka, Wydział

Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego,
ul. Wiejska 45D, 15-351 Białystok, E-mail:

[e-mail]

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

72