Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje źródeł światła: naturalne i sztuczne. Naturalne to oczywiście gwiazdy, w tym słońce, wyładowania atmosferyczne oraz niektóre organizmy żywe, jak świetliki. Te małe niepozorne owady mają znacznie większą skuteczność świetlną niż jakiekolwiek inne źródło światła na Ziemi. Sztuczne to np. żarówki elektryczne, rozgrzana stal, ognisko, płomień świecy, diody LED. My w tym artykule skupmy się na źródłach sztucznych, używanych w najpopularniejszych urządzeniach oświetleniowych, których używa się na scenie. Skupimy się na zasadach ich działania oraz różnicy między nimi.

Wśród urządzeń scenicznych wyróżniamy cztery podstawowe źródła światła: halogenowe, metalohalogenkowe, LED-owe oraz na tą chwilę stosowane jedynie w modelu Claypaky Xtylos źródło laserowe. Zanim jednak opiszemy dokładnie każde z nich odpowiedzmy sobie na pytanie czym jest źródło światła. Najprościej ujmując są to wszystkie przedmioty, które emitują promienie świetlne samodzielnie. Pierwotnym źródłem światła był ogień z palącego się drewna. Kolejnym etapem było wytworzenie przez człowieka lamp oliwnych, później świec. Jednak dopiero skonstruowanie w 1853 roku lampy naftowej przez Ignacego Łukasiewicza, stało się prawdziwym bodźcem do rozwoju rynku oświetleniowego, do kształtu, jaki widzimy w tym momencie.

Halogeny

Żarówki halogenowe należą do inkadescencyjnych, czyli inaczej temperaturowych źródeł światła. Sposób w jaki wytwarzają one światło, jest taki sam, jak w żarówkach konwencjonalnych. Polega na nagrzewaniu żarnika wolframowego w wyniku przepływu prądu elektrycznego, do takiej temperatury, w której emituje on światło. W wyniku nagrzania materiał żarnika wolframowego odparowuje osadzając się na ściankach bańki żarówki, tworząc czarny osad. Zjawisko to stanowi kluczową różnicę między żarówką zwykłą, a halogenową.

Do bańki żarówek halogenowych wprowadzone są pierwiastki chemiczne z grupy halogenów. Należą do nich jod, brom i fluor z czego najczęściej stosowanymi są brom i jod. Wymienione pierwiastki umożliwiają zajście tzw. cyklu halogenowego. Halogeny łącząc się z odparowanym ze skrętki wolframem tworząc halogenki w pobliżu bańki żarówki. Następnie w wyniku różnicy temperatur gaz znajdujący się w żarówce jest w ruchu. Dzięki temu utworzony halogenek przemieszcza się w pobliże skrętki i tam ulega rozpadowi na halogen i wolfram, który ponownie osadza się na skrętce. Tak jak wspomniano wcześniej, najczęściej wykorzystuje się cykl regeneracyjny jodowy lub bromowy. Jodek wolframu wytwarza się w temperaturze ok. 250℃ , a rozpada w ok 1250℃. Koniecznym jest, więc zapewnienie odpowiedniego rozkładu temperatury. Dla optymalnego efektu halogenowego temperatura bańki żarówki powinna mieścić się między 500-700℃, a żarnika wynosić powyżej 1250℃.

Cykl halogenowy wydłuża średnią trwałość źródła światła względem konwencjonalnej żarówki (od 2 do 6 razy). Wzrasta również jego skuteczność świetlna o ok. 30% dzięki podgrzewaniu skrętki do wyższej temperatury. Jest ona również utrzymywana na stałym poziomie podczas eksploatacji ze względu na nieosadzanie się wolframu na wewnętrznej stronie bańki.

Temperatura barwowa żarówek halogenowych jest wyższa niż w tradycyjnych (żarówka tradycyjna - 2800K, żarówka halogenowa - 3200K). Tym samym maksimum widma promieniowania przesunięte jest w stronę fal krótszych, w związku z czym występuje niewielka ilość promieniowania nadfioletowego.

Urządzenia halogenowe to wciąż bardzo popularne rozwiązania do zastosowań teatralnych. Wiąże się to również z tym, że większość teatrów wciąż wyposażona jest w dużo starszych konwencjonalnych opraw oświetleniowych. Nie zmienia to jednak faktu, że producenci wciąż produkują tego typu oprawy, a najpopularniejszym urządzeniem halogenowym, jaki można spotkać na rynku jest model ETC Source Four.

Lampy metalohalogenkowe

Lampy metalohalogenkowe stanowią unowocześnioną wersję wysokoprężnych lamp rtęciowych, a których jarznik wykonany jest ze szkła kwarcowego również budową przypominają tzw. rtęciówki. Zbudowane są one z kwarcowego bądź ceramicznego jarznika zamkniętego w szklanej bańce, która pokryta może być powłoką rozpraszającą lub chroniącą przed promieniowaniem UV. Zasada wytwarzania światła w lampach wyładowczych wysokoprężnych do jakich zaliczają się lampy metalohalogenkowe polega na emisji światła wskutek wyładowania łukowego w parach gazu. W jarzniku lampy dochodzi do wyładowania łukowego. W wyniku wzrostu temperatury rtęć odparowuje i wyładowanie przechodzi w stan stabilny w nienasyconych parach rtęci. Metale ziem rzadkich są wzbudzane, a wracając na podstawowy poziom energetyczny emitują foton, tym samym wytwarzając światło. Wynika z tego, że w przypadku lampy metalohalogenkowej za jakość i cechy wytwarzanego światła odpowiedzialne są halogenki, które wzbogacają widmo promieniowania rtęci. Odpowiedni ich dobór pozwala na uzyskanie różnych rozkładów widmowych promieniowania, temperatury barwowej oraz wskaźnika oddawania barw.

Do wzbogacania widma promieniowania używa się takich metali ziem rzadkich, jak dysproz, holm, tul i cyna. Charakteryzują się one wieloprążkowym widmem promieniowania. Metale, których prążki widma zawierają się w przedziale różnych barw to sód (żółty), tytan (zielony), ind (niebieski), lit (czerwony). Wzbogacenie widma promieniowania w zakresie widzialnym poprzez dobór metali ziem rzadkich nie tylko poprawia jakość emitowanego światła, ale również zwiększają skuteczność świetlną lampy.

Wśród lamp wyposażonych w źródło metalohalogenkowe wyróżnić należy rodzinę urządzeń Robe lighting BMFL w tym również model BMFL Followspot, cechujące się dużą mocą światła oraz rodzina urządzeń Robe lighting Pointe, w tym również bardzo popularny i nagradzany model MegaPointe.

LED

Zjawisko elektroluminescencji stanowiące fundament elektroluminescencyjnych źródeł światła w tym LED zostało odkryte już w 1907 r przez brytyjskiego badacza radiowego Henry'ego Josepha Rounda. Kolejny przełom to lata 20-ste, kiedy to radziecki technik radiowy Oleg Łosiew w trakcie badań półprzewodników stosowanych w radioodbiornikach zauważył, że diody ostrzowe ze złączem wykonanym z węgliku krzemu emitują światło, w latach 1927–1930 opublikował 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych. Następnie Robert Biard i Gary Pittman wynaleźli i opatentowali podczerwoną diodę LED dla Texas Instruments, choć raczej należy nazwać to przypadkiem, ponieważ ich głównym celem było wynalezienie diody laserowej. W 1962 roku Nick Holonyack, inżynier konsultant w General Electric Company, wynalazł pierwszą diodę LED światła widzialnego. Do dziesiątków jego patentów zalicza się m.in. dioda laserowa.

Podstawą budowy LED, jest wykorzystanie odpowiednio domieszkowanych półprzewodników. Oznacza to, że w strukturę półprzewodnika samoistnego wprowadzone są dodatkowe atomy pierwiastka, który różni się liczbą jonów. W ten sposób powstają półprzewodniki o domieszce donorowej - o zwiększonej liczbie elektronów (typ n), bądź akceptorowej - o zmniejszonej liczbie elektronów (typ p).

Dioda jest elementem półprzewodnikowym, który przewodzi prąd tylko w jedną stronę. Emisja światła przez diodę elektroluminescencyjną polega na rekombinacji dziur (półprzewodnik typu p) i elektronów (półprzewodnik typu n). Przejście elektronu z wyższego poziomu energetycznego na niższy skutkuje emisją kwantu energii, który, jeśli mieści się w zakresie promieniowania widzialnego jest światłem. W zależności od użytego związku półprzewodnikowego możliwe jest uzyskanie różnych barw światła.

Przykładowe materiały stosowane do produkcji LED:

 

Związek półprzewodnikowy	Barwa emitowanego promieniowania
AlGaAs	czerwona, podczerwień
AlGaP	zielona
AlGaInP	pomarańczowo-czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona
GaAsP	czerwona, czerwono – pomarańczowa, żółta
GaN	zielona, niebieska
ZnSe	niebieska

Oprawy LED-owe coraz częściej jakością światła dorównują oprawą halogenowym. Różnica to przede wszystkim długość użytkowania oraz skuteczność przetwarzania mocy elektrycznej na światło, które są większe w przypadku LED. Stąd bardzo duży wzrost zainteresowania urządzeniami wyposażonymi w to źródło światła. Wpływ na to ma również pojawienie się na rynku urządzeń Robe lighting wyposażonych w przenośne źródło światła TE, takich, jak EspriTE, SpoTE, ForTE i CueTE.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Zasada działania lasera opiera się na zjawisku inwersji obsadzeni oraz emisji wymuszonej. Źródło laserowe składa się z 3 podstawowych elementów: zewnętrznego układu pompującego (źródło energii), ośrodka czynnego (kryształ lub gaz) oraz rezonatora optycznego (zwierciadła).

Cechami charakterystycznymi światła laserowego są kierunkowość, monochromatyczność oraz spójność. Aby promieniowanie było spójne wykorzystywane jest zjawisko emisji wymuszonej. Polega ono, jak sama nazwa skazuje, na wymuszeniu emisji fotonu przez wzbudzony już atom w wyniku zderzenia z fotonem rezonansowym. W wyniku takiego zderzenia foton uderzający nie ulega pochłonięciu, a powoduje on emisję spójnego zgodnego w fazie i częstotliwości, fotonu przez atom. Proces ten przewidział w 1917r. Albert Einstein. W celu zapewnienia optymalnych warunków dla emisji wymuszonej konieczne jest stworzenie sytuacji, w której w ośrodku więcej jest atomów w stanie wzbudzonym niż podstawowym. Tym właśnie jest inwersja obsadzeń. Aby było to możliwe, ośrodek optyczny musi charakteryzować się możliwością osiągnięcia stanu metastabilnego. W przeciwieństwie do zwykłego stanu wzbudzenia atomu, stan metastabilny trwa dłużej i pozwala na to by więcej atomów było wzbudzonych w tym samym czasie. W ten sposób jeden foton rezonansowy jest w stanie wywołać emisję wielu fotonów naraz. Inwersję obsadzeń uzyskuje się poprzez pompujący układ optyczny (np. lampa błyskowa, wyładowanie elektryczne), czy rekombinację w półprzewodnikach. Ośrodek czynny ograniczony jest z dwóch stron zwierciadłami z czego jedno z nich jest półprzepuszczalne. Dzięki temu wiązka lasera wydostaje się na zewnątrz. Wielokrotne odbicia fotonów między zwierciadłami powodują wzmocnienie emisji wymuszonej oraz tworzy równoległą do osi rezonatora wiązkę światła. Wynika to z tego, że fale których kierunek nie jest równoległy do osi rezonatora „wypadają” poza niego.

Źródłem laserowym, które charakteryzuje się znacznie mniejszymi rozmiarami niż lasery rubinowe czy gazowe są lasery diodowe, które nie przekraczają zazwyczaj długości 1mm. Jest to duża różnica w porównaniu z laserem rubinowym, którego ośrodek czynny może mierzyć nawet 10cm długości i 5mm średnicy. Gdy do złącza półprzewodnikowego podawane będzie odpowiednio duża wartość prądu, wtedy może zajść inwersja obsadzeni, pozwalająca na akcję laserową.

W 2011 roku specjaliści z Sandia National Laboratories stworzyli laser półprzewodnikowy, który może emitować światło białe. Był to ogromny przełom, ponieważ laser sam w sobie jest w stanie emitować jedynie spójne światło monochromatyczne. Uzyskano to poprzez stworzenie trzysegmentowej nanowarstwy półprzewodnikowej. Każdy z segmentów emitując jedną z podstawowych barw RGB, pozwolił na dowolne mieszanie barw, a tym samym uzyskanie światła białego.

Jedynym, jak dotąd urządzeniem opartym na laserowym źródle światła jest rodzina urządzeń Xtylos od Claypaky. Premiera pierwszego urządzenia miała miejsce w 2019 roku podczas targów we Frankfurcie.

 

W modelu Xtylos lampa wyładowcza HMI została zastąpiona przez diody laserowe w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim. Używanie diod laserowych RGB jako źródła światła ma kilka zalet w porównaniu z innymi technologiami lamp. „Diody laserowe” mogą generować znacznie bardziej kierunkowe światło niż diody LED, dzięki czemu dioda laserowa nadaje się do efektów wiązki skolimowanej.

Strumień światła Xtylos ma średnicę około 14 centymetrów z więcej niż jednym stopniem rozbieżności. Typowy projektor laserowy do pokazów świetlnych ma średnicę wiązki <3 milimetry i rozbieżność mniejszą niż 0,1 stopnia. Innymi słowy, wiązka Xtylos w niczym nie przypomina wiązki z tradycyjnego lasera rozrywkowego. Z tego powodu urządzenie to może być używany do oświetlania widowni lub wykonawców na krótszych dystansach niż typowy projektor laserowy do pokazów świetlnych. W zależności od trybu pracy, Xtylos może być bezpiecznie oświetlany na widowni z odległości 25 metrów – a to ograniczenie nie wynika z właściwości silnika laserowego, ale po prostu z powodu jasności wiązki z tej odległości. Rzeczywiście, przy zmniejszonej mocy, odległość rzutu może być bliższa.

Parametr	Żarówka halogenowa	Lampa metalohalogenkowa	LED
Temperatura barwowa	3000-3200K	3000K, 4000K, 6500K	2700-20000K
Wskaźnik oddawania barw	100	70, 80-89, 95(specjalistyczna	70, 80, 90
Skuteczność świetlna	15-20 lm/W	70-120 lm/W	do 200lm/W
Średnia trwałość	2000-4000h	2000-4000h	do 100 000h

 

Cztery źródła, o różnych parametrach, różnej skuteczności świetlnej, a także trwałości. Czy jednak, któreś z dostępnych źródeł ma szansę zdominować rynek oświetlenia scenicznego, a nawet całkowicie wyprzeć inne z rynku? Wydaje się, że nie jednak bardzo duży rozwój i wzrost udziału w rynku urządzeń opartych na źródłach LED stawiają je w uprzywilejowanej pozycji.