OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA
Praktyczne problemy optyki projektorów oświetleniowych
Stefan Brzozowski
Rys. 1. Podstawowy schemat układu optycznego
Napisanie niniejszego artykułu zostało sprowokowane
projektora paraboloidalnego
pewnym projektem konstrukcyjnym paraboloidalnego
z punktowym
projektora oświetleniowego, z zastosowaniem świetlówek
ciałem świecącym
kompaktowych. Oryginalność opracowania była zastrzeżona
uwagą, że zabrania się nawet częściowego jego kopiowania.
Projektor miał być przeznaczony do oświetlania estrady
z wysokości 7 m w pewnym obiekcie kulturalnym.
Pomimo mojej negatywnej opinii dotyczącej skuteczności sku- Rys. 2. Kąty rozproszenia
piania strumienia świetlnego, wykonano prototyp oprawy, który w projektorze przy z
ródle światła
o wymiarze rzeczywistym
zawierał zwierciadło paraboloidalne o średnicy 40 cm i głębokości
ok. 35 cm. W określonym przez konstruktorów ognisku tego ukła-
du optycznego zainstalowano cztery świetlówki kompaktowe, które
skutecznie zasłaniały znaczną część powierzchni zwierciadła oraz
nie znalazły się w jego ognisku rzeczywistym.
Podczas próbnego zaświecenia prototypu oprawy potwierdziła się
wadliwość koncepcji. Sądzę więc, że omówienie zasady działania
projektorów oświetleniowych ze zwierciadłami paraboloidalnymi
będzie przydatne zarówno dla początkujących konstruktorów, jak
i obsługujących je pracowników. Ogniskowa tego zestawu, obliczo-
na ze znanego wzoru [3], wynosiła
Rys. 3. Żarówka
z przeciwzwierciadłem sferycznym
f = D2 : 16H = 352 : (16 × 5) = 1225/560 = 2,19 cm
gdzie: H  głębokość zwierciadła, D  średnica zwierciadła, promień kulki r i odległość l jej środka od punktu P
f  ogniskowa. tg´/2 = r : l
Jest on największy wzdłuż osi odbłyśnika i zmniejsza się stopniowo
Układ optyczny projektora paraboloidalnego
dla promieni odbijanych od punktów oddalonych od tejże osi.
Idealne skupianie promieni świetlnych przez zwierciadło parabo- Warunkiem uzyskania jak najwęższej wiązki światła, czyli zmini-
loidalne, tzn. wysyÅ‚anie ich równolegle w kierunku osi optycznej, malizowania kÄ…ta rozproszenia ´, jest wiÄ™c umieszczanie w ognisku
może nastąpić jedynie wtedy, kiedy z
ródło światła jest punktowe odbłyśnika paraboloidalnego z
ródła światła o jak najmniejszym
i ulokowane w ognisku tegoż zwierciadła. Przebieg promieni świet- gabarycie. Można przy tym przyjąć, że praktyczne koncentrowanie
lnych wysyłanych przez punktowe z
ródło światła przedstawiono na strumienia świetlnego za pomocą zwierciadła paraboloidalnego za-
rysunku 1. W przypadku z
ródła światła o rzeczywistych wymiarach, chodzi dopiero wtedy, kiedy ciało świecące z
ródła światła ma bar-
zawsze zachodzi zjawisko pewnej rozbieżności strumienia świetlne- dzo małe wymiary w stosunku do wielkości zwierciadła.
go. Można je wyjaśnić na przykładzie z
ródła światła w postaci kulki W przypadku rzeczywistych z
ródeł światła, które mają skończone
o średnicy 2r. wymiary, rozproszenie promieni jest nieuniknione  także dlatego,
Promień padający na zwierciadło pod kątem ą do prostej prosto- że tylko część wytworzonego strumienia świetlnego trafia na zwier-
padłej w danym punkcie P powierzchni zwierciadła odbija się pod ciadło i jest wysyłana jako wiązka skupiona. Samo z
ródło wysyła
takim samym kątem i biegnie bardzo daleko. Promień biegnący po promienie według własnej krzywej światłości i może psuć potrzebny
prostej przechodzącej przez środek kulki odbija się równolegle do efekt oświetlenia punktowego. Zapobieganie temu zjawisku polega
osi optycznej zwierciadła. Promienie wysyłane z innych punktów na ustawieniu tzw. przeciwzwierciadła sferycznego. Zawraca ono te
jej powierzchni odbijają się w tym samym punkcie P zwierciadła,  uciekające na boki promienie w kierunku odbłyśnika, w którym
lecz już pod różnymi kątami (rys. 2). odbijają się według opisanej wyżej zasady (rys. 2).
Rozbieżność promieni charakteryzuje kÄ…t rozproszenia ´. Tangens Dodatkowym elementem ukÅ‚adu optycznego projektora parabo-
połowy tego kąta wyznacza się z trójkąta prostokątnego, jakim jest loidalnego, ograniczającym rozpraszanie się strumienia świetlnego,
może być raster koncentryczny, zatrzymujący promienie świetlne
rozchodzące się zbyt szeroko (rys. 3). Największy kąt rozproszenia
Mgr inż. Stefan Brzozowski  projektant systemów oświetleniowych,
reżyser Å›wiatÅ‚a ´ majÄ… promienie Å›wietlne odbijane od zwierciadÅ‚a przy jego osi.
Rok LXXIV 2006 nr 8 41
 OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA
Rys. 4.
Im dalej od osi, tym ta rozbieżność staje się mniejsza. Aby ją zmi-
Żarnik projektorowy w obwiedni cylindrycznej
nimalizować, stosuje się żarówki z żarnikami o obwiedniach wal-
cowych (rys. 4), których osie podłużne pokrywają się z osią zwier-
ciadła.
Uzyskiwanie maksymalnej sprawności świetlnej i skupiania stru-
mienia świetlnego jest uwarunkowane dokładnym wyregulowaniem
każdego układu optycznego w ten sposób, aby środek z
ródła światła
znajdował się w ognisku paraboloidy. Każda oprawa powinna więc
zawierać elementy do takiego właśnie jej regulowania, w granicach Rys. 5. Żarówka projektorowa
z przeciwzwierciadłem
tolerancji wymiarowych właściwych z
ródeł światła. Dla uzyskiwa-
nia plam świetlnych o małych średnicach, niektóre typy projekto-
rów paraboloidalnych są konstruowane z przeznaczeniem do stoso-
wania w nich żarówek na małe napięcia, które mają krótkie żarniki,
o małych średnicach (rys. 5).
Przy pracach konserwacyjno obsługowych  zwłaszcza przy wy-
Rys. 6. Schematyczny naświetlacz
mianie z
ródeł światła  zachodzi często konieczność wyregulowa-
z odbłyśnikiem walcowo-parabolicznym:
nia układu optycznego. Powinno się tego dokonywać w warunkach
laboratoryjnych. Trudno jest jednak wozić np. jeden mały projek- f  ogniskowa parabol, 1  bok oprawy,
tor do specjalistycznego i odległego laboratorium. Z własnego 2  zwierciadło, 3  liniowe z
ródło światła
doświadczenia mogę przytoczyć metodę organoleptyczną, dającą
zadowalające rezultaty eksploatacyjne. Mianowicie  każdy dobrze
wyregulowany projektor lub naświetlacz powinien wyświetlać pla-
mę świetlną w miarę równomiernie naświetloną. Plamę taką należy wytłoczeniami, eliminującymi powstawanie nierównomierności
oglądać na gładkiej powierzchni, w jednolitym ciemnym kolorze. w rozkładzie natężeń oświetlenia w obrębie plamy świetlnej (tzw.
Projektory żarówkowe można regulować przy znacznie obniżonym gorących punktów). Wytłoczenia powodują też rozmywanie granic
napięciu. Wtedy nie nagrzewają się silnie, a osoby regulujące wi- plam świetlnych, co jest często bardzo przydatne w oświetleniu de-
dzą na bieżąco, jak zmienia się oświetlenie plamy świetlnej i mogą koracyjnym.
szybko zafiksować (unieruchomić) z
ródła światła w prawidłowej Obecnie  wobec upowszechnienia się lamp metalohalogenko-
pozycji. wych z krótkimi lub długimi łukami  wiele opraw do oświetlenia
Każda oprawa musi być dobrze wentylowana, w celu uniknięcia ogólnego i dekoracyjnego ma zmniejszone wymiary w stosunku do
nadmiernego przegrzewania się szczególnie ważnych elementów jej opraw żarówkowych, użytkowanych w tych samych celach. Dzię-
układu optycznego, takich jak zwierciadło, z
ródło światła, elementy ki stosunkowo małym gabarytom, lampy te mogą być stosowane
prąd wiodące, korpus oprawy oraz uchwyty służące do kierowania w oprawach z głębszymi odbłyśnikami, charakteryzującymi się
i aretowania. większymi kątami objęcia strumienia świetlnego, co  w połączeniu
Zastosowanie lamp metalohalogenkowych z łukami zamknięty- z wysoką skutecznością świetlną lamp wyładowczych  daje wyso-
mi (w stosunkowo małych kolbach) pozwala na budowanie opraw kie sprawności świetlne opraw oraz ich dużą efektywność. Ponadto
z krótszymi ogniskowymi i  tym samym  z głębszymi odbłyśnika- oświetlane obiekty odznaczają się wyższymi luminancjami, zapew-
mi paraboloidalnymi, w których kąty objęcia strumienia świetlnego niającymi lepsze warunki pracy wzrokowej.
są duże. Małe gabaryty świecących łuków umożliwiają jednocześ- Świecące projektory zainstalowane w pobliżach traktów komuni-
nie osiÄ…ganie maÅ‚ych kÄ…tów rozproszenia ´. ZwiÄ™ksza to sprawność kacyjnych i osiedli sÄ… czÄ™sto widziane z wiÄ™kszych odlegÅ‚oÅ›ci. Może
opraw i pozwala na uzyskiwanie bardzo dużych światłości kierun- to być przyczyną dokuczliwych olśnień u przypadkowych osób
kowych.  mieszkańców okolicznych domów czy też kierowców przejeżdża-
Obok projektorów wąskostrumiennych warto zwrócić uwagę jących samochodów. Wydaje się więc celowe zaopatrywanie pro-
na oprawy, nazywane naświetlaczami. Wiele typów tych opraw jektorów z lampami metalohalogenkowymi w rastry ograniczające
jest przystosowanych do rurkowych żarówek halogenowych lub rozsył strumienia świetlnego tylko do powierzchni przeznaczonej
lamp metalogalogenkowych z długimi łukami. Oprawy te służą do do oświetlenia. Olśnienia wywoływane niekontrolowanymi rozsyła-
oświetlania dużych powierzchni i charakteryzują się odbłyśnikami mi bywają bardzo silne i wywołują odczuwane przez wiele sekund
(zwierciadłami) o dwóch krzywiznach (rys. 6). Pierwsza z nich to czarne powidoki. Szkodliwości takiego zjawiska, np. w przypadku
krzywizna paraboliczna, w płaszczyz
nie prostopadłej do osi podłuż- kierujących pojazdami, nie trzeba chyba uzasadniać.
nej z
ródła światła, zaś druga  walcowa, uzyskana jakby z równole-
Zakończenie
głego przesunięcia paraboli wzdłuż tej osi.
Naświetlacze tego typu charakteryzują się zawężonym rozsyłem Za pomocą omówionych opraw można uzyskiwać wąskie smugi
światłości w płaszczyz
nie prostopadłej do osi zainstalowanej w niej świetlne, o światłościach osiągających nawet megakandele. Należy
lampy. Warunkiem prawidłowej pracy takiej oprawy jest wpółosio- jednak pamiętać, że osiąga się to nie przez wiarę w cudowną  moc
wość z
ródła światła i odbłyśnika oraz pokrywanie się tej osi z ogni- świetlną paraboloidy dla koncentracji strumienia świetlnego , lecz
skiem paraboli przekroju poprzecznego. Niektóre typy naświetlaczy przez znajomość prawideł jej racjonalnego zastosowania przy kon-
są wyposażane w odbłyśniki o powierzchniach z niezbyt głębokimi struowaniu opraw wąskostrumiennych.
42 Rok LXXIV 2006 nr 8
 Z HISTORII TECHNIKI
Rozwój lamp osobistych w kopalniach
Stefan Gierlotka
Od najstarszych czasów człowiek zatrudniony przy W 1862 roku niemiecki chemik, Woehler  ogrzewając wapno pa-
podziemnej eksploatacji minerałów musiał posługiwać się lone i proszek koksowy do bardzo wysokiej temperatury  uzyskał
oświetleniem sztucznym. karbid  węglan wapna (CaC2). Produkt ten pod wpływem działania
wilgoci rozkładał się, wydzielając znaczne ilości acetylenu (C2H2),
Lampy z otwartym płomieniem
palącego się jasnym płomieniem. W 1892 roku kanadyjski przedsię-
W okresie neolitu  ok. 2300-1800 lat p.n.e.  w pierwszych ko- biorca, Thomas Wilson, rozpoczął przemysłową produkcję karbidu.
palniach krzemienia do oświetlenia stosowano nasączane łuczywa. W tym samym czasie lampy karbidowe zostały rozpowszechnione
W póz
niejszym okresie zastosowano kaganki  naczynia wypełnio- w kopalniach.
ne łojem z palącym się knotem. Jako knota używano sierści zwierzę- Lampa karbidowa składała sie z części dolnej  stanowiącej zbiornik
cej lub włókna roślinnego. Naczynia w postaci czarek wykonywano karbidu i górnej  ze zbiornikiem wody. Do zbiornika karbidu wkra-
z wypalonej gliny. Lampy takie można zobaczyć w Państwowym plała się woda cieknąca z metalowej rurki, regulowana zaworkiem.
Muzeum Archeologicznym w Warszawie, a także w Muzeum Gór-
niczym w Zabrzu.
Z początkiem XIX wieku w lampach górniczych zaczęto stosować
olej rzepakowy. Zastąpiono wtedy płaskie kaganki lampami olejo-
wymi, stosowanymi w górnictwie do połowy XIX wieku.
W końcu lat sześćdziesiątych XIX wieku w kopalni  Król w Cho-
rzowie przeprowadzono próby zastosowania nafty w lampach górni-
Rys. 1.
czych. Nie dały one jednak pomyślnych rezultatów  lampy naftowe
Górniczy kaganek otwarty
bardzo dymią, co jest uciążliwe dla ludzi.
z XVIII wieku
Stosowanie lamp płomiennych stwarzało zagrożenie wybuchu me-
tanu wydzielającego się z urabianego złoża węglowego. Pierwszy
udokumentowany wybuch metanu od lampy olejowej wystąpił
w 1786 roku na ÅšlÄ…sku, w kopalni Glückauf w WaÅ‚brzychu.
Rys. 2. Górnicze lampy olejowe
Autor artykułu pragnie zwrócić uwagę zainteresowanych projek-
tantów i konstruktorów na złożoność zagadnień związanych z pro-
jektowaniem i konstruowaniem oświetleniowych opraw projekto-
rowych. Przedstawione informacje mogą okazać się przydatne dla
elektryków w pracach konserwacyjnych i naprawczych.
W procesie projektowania konstrukcji odbłyśnika należy uwzględ-
niać szereg dodatkowych parametrów, takich jak np. kąt objęcia
strumienia świetlnego przez odbłyśnik, kąt ochrony.
Szczegółowe omówienie zagadnień optyki opraw oświetlenio-
wych rozmaitych typów, szczegółów konstrukcyjnych oraz zasad
ich użytkowania można znalez
ć w podanej bibliografii.
Rys. 3. Lampy karbidowe
LITERATURA
[1] Brzozowski S.: Technologia oświetlenia scenicznego. WNT, Warszawa 1968
[2] Dybczyński W.: Filmowy i telewizyjny sprzęt oświetleniowy. WNT, Warszawa 1992
Dr inż. Stefan Gierlotka  Kopalnia Węgla Kamiennego  Wujek
[3] Oleszyński T.: Elektryczne oprawy oświetleniowe. WNT, Warszawa 1978
w Katowicach
Rok LXXIV 2006 nr 8 43