W skład prawdziwie elastycznego systemu oświetlenia wnętrz powinny wchodzić trzy jego rodzaje: oświetlenie ogólne, miejscowe (robocze) i dekoracyjne. Oświetlenie ogólne pełni prawie zawsze funkcję podstawową. W artykule przedstawione zostały podstawowe kwestie dotyczące budowy i funkcjonowania bardzo często wykorzystywanych w nim świetlówkowych opraw rastrowych.

Można wyróżnić trzy podstawowe metody realizacji oświetlenia ogólnego:
• bezpośrednie,
• pośrednie,
• mieszane, czyli bezpośrednio-pośrednie.
W powszechnej praktyce ogólnego oświetlania wnętrz najczęściej stosowane jest oświetlenie bezpośrednie. Przy tej technice promieniowanie widzialne emitowane przez źródła światła pada na oświetlane obiekty prawie wyłącznie:
• bezpośrednio, tzn. nie jest odbijane przez odbłyśnik oprawy oświetleniowej ani żaden inny obiekt,
• po odbiciu od powierzchni odbijającej w sposób kierunkowy, np. od odbłyśnika oprawy oświetleniowej wykonanego z materiału odbijającego w sposób kierunkowy.
Najprostszym sposobem kontroli rozsyłu promieniowania świetlnego jest użycie prostego odbłyśnika wykonanego z matowego, czarnego materiału. Sprawi on, że światło będzie kierowane w pożądanym kierunku, lecz niestety ze znacznymi stratami. Pokazuje to schematycznie rysunek 1.

Rys. 1. Rozsył promieniowania ze źródła światła z użyciem prostego odbłyśnika.

Tak prosty rodzaj układu optycznego oprawy oświetleniowej nie jest w stanie wykluczyć występowania obrazu źródła światła w polu widzenia użytkownika, prowadzącego do powstania szkodliwego zjawiska olśnienia. Znacznie bardziej efektywną kontrolę kierunków rozsyłu promieniowania i występowania olśnienia daje zastosowanie kombinacji odbłyśników o specjalnej konstrukcji i elementów przesłaniających – rastrów. Powinny być one wykonane z materiałów o wysokim współczynniku odbicia i celowo dobranej charakterystyce.
Odbłyśnik (ang.: reflector) jest urządzeniem służącym do zmiany przestrzennego rozkładu strumienia świetlnego źródła światła, głównie przez wykorzystanie zjawiska odbicia. Umieszczony za lampą, kieruje promieniowanie świetlne w pożądanym kierunku. Odbłyśnik może być używany samodzielnie lub w połączeniu z rastrem.
Raster (ang.: louvre) jest zestawem elementów, najczęściej nieprzeświecalnych, zamontowanych poniżej lub wokół źródła światła w celu ochrony przed olśnieniem przez zasłonięcie go przed wzrokiem obserwatora w określonym kącie obserwacji oraz koncentrowania światła tam, gdzie jest ono pożądane. Rastry o pewnych konstrukcjach mogą spełniać także rolę dodatkowych odbłyśników podwyższających sprawność optyczną oprawy.
Materiały o odpowiednich właściwościach odbicia kierunkowego pozwalają konstruować odbłyśniki w taki sposób, aby odbijały one światło w pożądanym kierunku tak, że wychodzi ono z oprawy bez dodatkowych, zbędnych odbić. Przeciwnie, materiały o powierzchni odbijającej w sposób rozproszony spowodują, że część promieniowania emitowanego przez źródło światła ulegnie odbiciom wielokrotnym wewnątrz odbłyśnika. Każde takie odbicie będzie powodem strat w wyniku pochłaniania światła w materiale lub interferencji (nakładania się fal). Pochłanianie spowoduje także wzrost temperatury materiału odbłyśnika.
Dlatego jakość i sposób wykończenia materiałów stosowanych do wykonania systemów optycznych opraw rastrowych ma ogromne znaczenie w kształtowaniu charakterystyk rozsyłu światłości opraw oświetleniowych.

Właściwości optyczne materiałów

Najważniejszymi właściwościami materiałów używanych do konstrukcji odbłyśników i rastrów w układach optycznych opraw oświetleniowych, są:

Współczynnik odbicia (ang.: reflectance)
Promieniowanie widzialne ulega odbiciu od powierzchni wszystkich materiałów. Jego część jest jednak także pochłaniana (absorbowana) lub przepuszczana. W większości przypadków pochłanianie promieniowania świetlnego przez materiał powoduje jego nagrzanie. Odbicie może powodować zmianę długości fal promieniowania, prowadzącą do zmiany jego barwy. Zdolność odbijania promieniowania przez poszczególne materiały jest charakteryzowana wielkością ich współczynnika odbicia, określanego jako stosunek strumienia świetlnego odbijanego przez powierzchnię materiału do strumienia świetlnego padającego na nią.

Rys. 2. Rozsył promieniowania świetlnego po odbiciu od odbłyśnika z materiału o właściwościach kierunkowych

Odbicie kierunkowe i rozproszone (ang.: specularity and diffusivity)
Promieniowanie świetlne padające na materiał, w zależności od jego rodzaju i sposobu wykończenia powierzchni, może być odbijane nie tylko w różnym stopniu, ale i w różny sposób. Dwa przeciwstawne sposoby, w jakie powierzchnia odbijająca promieniowanie może zmienić jego charakter, to odbicie kierunkowe i rozproszone.
Odbicie rozproszone (rozpraszanie) to rozprzestrzenianie odbitego promieniowania świetlnego w różnych, przypadkowych kierunkach. Taki rodzaj odbicia potocznie bywa także nazywany dyfuzją lub rozpraszaniem dyfuzyjnym.
Odbicie kierunkowe jest alternatywnym rodzajem odbicia. W tym przypadku promieniowanie zachowuje się tak, jak przy odbiciu w lustrze. Podlega ono żelaznemu prawu optyki geometrycznej, według którego kąty padania i odbicia są równe. Oba rodzaje odbicia pokazują schematycznie rysunki 2 i 3.

Rys. 3. Rozsył promieniowania świetlnego po odbiciu od odbłyśnika z materiału o właściwościach rozpraszających

Im bardziej matowa jest powierzchnia, tym silniejsze są jej właściwości rozpraszające i w tym większym stopniu odbija ona w sposób rozproszony. Powierzchnie o wysokim stopniu lustrzanego połysku charakteryzują się odbiciem silnie kierunkowym. Należy podkreślić, że wysoka wartość współczynnika odbicia charakteryzująca materiał nie świadczy w żadnej mierze o tym, czy odbija on w sposób kierunkowy czy też rozproszony.
Stopień rozpraszania promieniowania widzialnego przez powierzchnię układów optycznych odbijających światło ma dla producentów opraw oświetleniowych podstawowe znaczenie przy wyborze materiału do konkretnych zastosowań. Wytwórcy materiałów stosowanych na odbłyśniki nie uzgodnili dotychczas wspólnej klasyfikacji stopni rozpraszania. Używane są jedynie popularne określenia typu: częściowo-rozpraszający, rozpraszający i wysoko-rozpraszający.

Opalizacja (ang.: iridescence)
Jest to efekt „zabarwienia” światła odbitego od powierzchni odbijającej pokrytej cienką warstwą przeświecalną. Zasadę tego zjawiska ilustruje rysunek 4. Występuje ono często w przypadku aluminium, którego powierzchnia samoistnie pokrywa się cienką warstewką tlenków. Większość promieniowania świetlnego przenika przez tę wierzchnią, przeświecalną warstwę i odbija się dopiero od właściwej powierzchni aluminium. Od zewnętrznej powierzchni tlenkowej warstewki odbija się jedynie niewielka część światła, która nie wnika w jej głąb i nie dociera do powierzchni metalu. W sposób uproszczony pokazuje to rysunek. W punkcie A większość padającego promieniowania wnika do warstwy tlenków ulegając nieznacznemu załamaniu (dyfrakcji), przy czym fale o różnej długości i barwie załamują się pod nieco różnymi kątami. Po przejściu tlenków, światło odbija się od lustrzanej powierzchni podłoża w punkcie B. Wychodząc powtórnie w punkcie C napotyka na promieniowanie odbijane od powierzchni tlenków. Tu następuje interferencja, czyli nakładanie się obu fal. Zespół tych zjawisk daje w praktyce wrażenie różnokolorowego światła odbijanego od tego rodzaju powierzchni. Efekt taki ma miejsce tylko wtedy, gdy grubość warstwy tlenków pokrywających aluminium jest bardzo mała i nie przekracza 7 mikronów. Gdy warstwa jest grubsza efekt opalizacji (zabarwienia) znika.

Rys. 4. Zjawisko opalizacji

Materiały

W konstrukcji i wytwarzaniu nowoczesnych opraw oświetleniowych z optyką rastrową, spełniających najwyższe wymagania techniczne, niezbędne są materiały o wysokiej jakości, przeznaczone do produkcji rastrów.

Metalizowane wypraski z tworzyw sztucznych
Wykonywanie odbłyśników, a szczególnie rastrów z tworzywa sztucznego, staje się metodą coraz powszechniejszą. Są one formowane jako pojedynczy wtrysk i metalizowane powierzchniowo dla uzyskania powierzchni odbijającej kierunkowo o wysokim współczynniku odbicia, na poziomie nawet do 0,98.

Laminowana blacha stalowa
Odpowiednio laminowana blacha stalowa jest materiałem o takiej samej wytrzymałości i ciężarze jak aluminium, lecz prawie połowę cieńszym. Blachę tego rodzaju laminuje się folią z tworzywa sztucznego o powierzchni metalizowanej próżniowo za pomocą aluminium. W ten sposób bywa laminowana także blacha aluminiowa.

Nieprzerobione aluminium
Aluminium w żaden sposób nieuszlachetnione jest najmniej przydatne do produkcji układów optycznych dla opraw oświetleniowych. Dzieje się tak z powodu miękkiej powierzchni podatnej na uszkodzenia, a przede wszystkim skłonności do niekontrolowanego pokrywania się niezabezpieczonej powierzchni mleczną warstwą tlenków.
Tlenki pokrywające aluminiowy odbłyśnik powodują często opalizację prowadzącą do niezamierzonej zmiany barwy światła i obniżenia sprawności opraw.
Niezabezpieczona powierzchnia aluminium szarzeje także w trakcie użytkowania. Koszt takiego materiału jest jednak stosunkowo niski, dlatego niektórzy producenci – zwłaszcza bardzo tanich opraw – używają go w sposób niejawny.

Rys. 5. Przekrój rastrowego układu optycznego świetlówkowej oprawy oświetleniowej

Anodyzowane aluminium
Najczęściej do produkcji rastrowych układów optycznych używane jest aluminium, którego powierzchnię uszlachetniono w specjalnym procesie anodyzowania. Ten proces elektrochemiczny pozwala na uzyskanie powierzchni o wysokiej gładkości, a przede wszystkim odporności na zużycie.
Jeżeli procesy obróbki mechanicznej elementów optycznych opraw oświetleniowych polegają na głębokim tłoczeniu, wyoblaniu lub znacznym odkształcaniu, mogą naruszać powierzchnię metalu. W takim przypadku anodyzowanie wykonuje się dopiero na gotowych detalach.
Elementy odkształcane jedynie w niewielkim stopniu, takie jak rastry, są zazwyczaj wycinane i gięte z taśmy aluminiowej poddanej w procesie wytwarzania materiału procesowi tzw. pre-anodyzacji. Jej powierzchnia jest fabrycznie zabezpieczona przez naklejenie cienkiej, plastikowej folii zabezpieczającej. Zdejmuje się ją dopiero po zmontowaniu detalu lub wprost przy instalacji oprawy u użytkownika.
Pre-anodyzowane aluminium ma dobre właściwości optyczne. Jest to materiał o wysokiej czystości, co najmniej 99,85%. Charakteryzuje się współczynnikiem odbicia w zakresie 84-87% i może być produkowany z powierzchnią odbijającą kierunkowo.
Anodyzowane aluminium jest powszechnie używane przez wszystkich dobrych producentów do produkcji rastrowych układów optycznych opraw oświetleniowych montowanych w lub na sufitach, w których jako źródła światła używane są świetlówki liniowe. Do niedawna większość takich opraw wykorzystywała lampy fluorescencyjne T8 o średnicy 26 mm. W ostatnich latach szybko rośnie także rynek opraw do świetlówek T5 o średnicy zmniejszonej do 16 mm. Ich najbardziej korzystną cechą jest zmniejszenie zużycia energii o około 25% w stosunku do starszych lamp typu T8. Do wytwarzania tego typu produktów zużywa się mniej materiałów, a zawartość rtęci w lampie jest o około 80% mniejsza. Praca świetlówek liniowych T5, możliwa wyłącznie ze statecznikami elektronicznymi, jest źródłem podwyższenia trwałości źródeł światła i zmniejszenia kosztów konserwacji systemów oświetleniowych.

Metalizowane i anodyzowane aluminium typu MIRO
MIRO jest nazwą handlową głównego europejskiego producenta aluminium anodyzowanego. Tego rodzaju pre-anodyzowany materiał aluminiowy posiada na swojej powierzchni dodatkową, próżniowo napaloną warstewkę aluminium o czystości chemicznej 99,8 – 99,9%. Pozwala to na dalszą poprawę właściwości odbijania promieniowania świetlnego.
Dzięki warstewce MIRO współczynnik odbicia może być podwyższony od 84 – 87% aż do 95%.

Rastry opraw do świetlówek liniowych

Wymogi ochrony osób przebywających w oświetlanej przestrzeni przed szkodliwym zjawiskiem olśnienia narzucają projektantom konieczność stosowania opraw o konstrukcji ułatwiającej wyeliminowanie możliwości występowania samych źródeł światła lub ich jaskrawych odbić w polu widzenia obserwatora. Najpopularniejszą grupę takich opraw stanowią oprawy świetlówkowe z optyką rastrową przeznaczone do sufitów podwieszanych, nazywane popularnie oprawami rastrowymi.
Sufity podwieszane wywołały swoistą rewolucję w systemie budowy i wykańczania wnętrz. W Polsce najpopularniejszym systemem stropów podwieszanych jest sufit z tzw. widocznym profilem nośnym o module 600 x 600 mm lub 600 x 1200 mm. Montaż opraw rastrowych przystosowanych do tego rodzaju sufitu jest niezwykle prosty. Po podłączeniu do elektrycznej instalacji zasilającej oprawy układa się na konstrukcji nośnej tak, jak segmenty samego sufitu.

Odbłyśniki i poprzeczki
Rastrem nazywany jest popularnie cały zespół optyczny oprawy. W rzeczywistości w jego skład wchodzą elementy spełniające rolę typowych odbłyśników, usytuowane wzdłużnie po bokach świetlówek, oraz poprzeczne elementy rastrowe przysłaniające widok źródeł światła przy kierunkach obserwacji zbliżonych do osi wzdłużnej lampy.
Najlepsze rastry posiadają jeszcze trzeci, dodatkowy odbłyśnik, zamykający układ optyczny oprawy od góry. Wszystkie elementy układu optycznego oprawy rastrowej pokazuje rysunek 5. Rozwiązanie tego typu pozwala poprawić sprawność optyki o około 2-5% – zwykle bez wpływu na kształt krzywej światłości. Ze względu na koszt tego układu w stosunku do otrzymanego efektu, spotyka się go tylko w najdroższych oprawach.
W podstawowej wersji poprzeczki wykonywane są jako płaskie, matowane powierzchnie. W bardziej zaawansowanych konstrukcjach używa się poprzeczek o kształcie charakterystycznym dla odbłyśników. Oprócz ochrony przed olśnieniem, pełnią one rolę dodatkowych odbłyśników zwiększając sprawność optyczną oprawy.
Przy popularnych, najbardziej podstawowych zastosowaniach sprawa doboru konstrukcji rastrowego układu optycznego bywa najczęściej zaniedbywana. Na ogół są wtedy używane oprawy z najprostszymi rodzajami optyki. Trzeba jednak pamiętać, że konsekwencją różnorodnych konstrukcji rastrowych układów optycznych są różnice w rozsyle światłości i kątach ochrony przed olśnieniem. Dlatego przy trudnych zadaniach wzrokowych wykonywanych w oświetlanym wnętrzu znaczenia nabiera dobór opraw o odpowiedniej optyce, wykonywany przez fachowego projektanta.

Kształty odbłyśników rastrowych

Odbłyśniki opraw rastrowych mogą być konstruowane z różnorodnymi krzywiznami powierzchni odbijającej. Mogą to być powierzchnie płaskie, krzywe o profilu wycinka paraboli, okręgu lub elipsy oraz kombinacje kilku różnych krzywizn. Profile odbłyśników najczęściej stosowane w rastrowych układach optycznych świetlówkowych opraw oświetleniowych pokazuje rysunek 6.

Rys. 6. Profile odbłyśników najczęściej stosowane w rastrowych układach optycznych świetlówkowych opraw oświetleniowych; a – parabola, b – okrąg, c,d – elementy płaskie

Parabola
Odbłyśniki paraboliczne wykorzystują fizyczne zasady odbicia promieniowania świetlnego wychodzącego z ogniska paraboli. Wszystkie promienie odbite w takich warunkach od powierzchni odbłyśnika będą biegły równolegle do osi symetrii paraboli w postaci tzw. wiązki równoległej. W praktyce uzyskanie idealnie równoległej wiązki promieniowania jest niemożliwe z tego względu, że świetlówka nie jest w rzeczywistości punktowym źródłem światła.
Aby uzyskać odpowiedni rozsył światłości z rastra parabolicznego konstruktorzy opraw stosują różne techniki, np. odchylanie wiązki przez obrót odbłyśnika parabolicznego wokół ogniskowej czy kształtowanie odbłyśnika w formie dwóch powierzchni parabolicznych. Pokazuje to rysunek 6a.

Okrąg
Właściwości fotometryczne zbliżone do parabolicznych mają odbłyśniki z profilem w postaci fragmentu okręgu lub kombinacji fragmentu okręgu i prostej. Pokazano to na rysunku 6b. Odbłyśniki takie są łatwiejsze pod względem technologii wykonania.

Elipsa
Odmienne właściwości niż parabola czy okrąg mają odbłyśniki o profilach w kształcie elipsy. Wszystkie promienie wychodzące z jednego ogniska elipsy skupione są w drugim ognisku tworząc jednocześnie rozbieżną wiązkę świetlną. W przypadku źródła światła o określonych wymiarach obszaru świecącego, wiązka świetlna jest jeszcze bardziej rozwarta.

Hiperbola
Układ odbłyśnika hiperbolicznego charakteryzuje się podobną rozbieżnością wiązki świetlnej, co eliptyczny. Mniejszy jest natomiast wpływ niedokładności ustawienia źródła światła względem ogniska hiperboli w porównaniu z innymi krzywymi profilowymi.

Inne kształty
Niekiedy elementy optyczne rastrów wykonuje się też z elementów płaskich tak ułożonych, aby ich obwiednia stanowiła kreśloną krzywą profilową. Pokazuje to rysunek 6d. Tego typu rozwiązania częściej spotyka się jednak w naświetlaczach, a nie w rastrowych układach optycznych do opraw świetlówkowych.
W przypadku odbłyśników parabolicznych i eliptycznych dokładne ustawienie źródła światła w ognisku ma krytyczne znaczenie dla równoległości wiązki promieniowana. Ustawienie lampy poza ogniskiem prowadzi do powstawania odbić wielokrotnych obniżających sprawność odbłyśnika. Dlatego przy ich produkcji podstawowe znaczenie ma dokładność i jakość wykonania wymagające odpowiedniej technologii.
W odbłyśnikach hiperbolicznych łatwiej jest ukryć rozrzuty produkcyjne dotyczące kształtu odbłyśnika i jego położenia względem źródła światła.
Najpopularniejsze i najtańsze oprawy rastrowe wykorzystują na ogół układy optyczne z odbłyśnikami o kształtach pokazanych na rysunkach 6c i 6d, w formie powierzchni płaskich lub ich kombinacji.

Rys. 7. Przykładowe przekroje odbłyśników poprzecznych

Kształty poprzeczek rastrowych

Bardzo duży wpływ na ochronę przeciwolśnieniową, sprawność oraz krzywą rozsyłu mają również elementy poprzeczne rastrowych układów optycznych, przesłaniające jaskrawą powierzchnię źródeł światła przed wzrokiem użytkowników. Bardzo często pełnią one także rolę poprzecznych odbłyśników.
Podobnie jak odbłyśniki główne rastrów, także odbłyśniki poprzeczne mogą mieć bardzo różną formę. W najprostszych konstrukcjach są to płytki blachy malowanej na biało farbą proszkową. Bardziej zaawansowane rozwiązania mają krzywą profilową, aż do konstrukcji trójwymiarowej, która zapewnia większą kontrolę rozsyłu strumienia świetlnego. Przykładowe przekroje odbłyśników poprzecznych – rastrów pokazano na rysunku 7.
Poprzeczki mają na ogół formę:
• płaskiej płytki z blachy malowanej na biało, z matowego lub wybłyszczanego aluminium,
• płaskiej płytki blaszanej ze schodkowymi mikroprzetłoczeniami, wykonanej z matowego aluminium,
• blachy wytłaczanej w kształcie litery V, zwykle z wybłyszczonego aluminium,
• odbłyśnika o krzywej profilowej w kształcie paraboli ewentualnie promienia, tylko z wybłyszczonego aluminium.
Ciekawym i niedrogim rozwiązaniem jest odbłyśnik poprzeczny jak na rysunku 7b. Mikro przetłoczenia na jego powierzchni powodują odchylanie wiązki świetlnej i poprawę ochrony przed olśnieniem.

Marek Kołakowski
Autor jest wydawcą
wortalu www.lighting.pl