Съвременни технически решения в архитектурното осветление

Светлинни ефекти със светодиоди, фазерна оптика, лазери и холография

Новите светлинни източници значително разшириха възможностите за реализиране на смели и оригинални решения за художествено и декоративно осветление. Техническите и функционални характеристики на светодиодите, фибро-оптичните влакна, лазерите и холограмите позволиха на екстериорните дизайнери да реализират иновативни и невъзможни до момента идеи в областта на архитектурното осветление.

Светодиодно декоративно осветление
Миниатюрните размери на светодиодите позволяват да се конструират компактни и механично устойчиви светлинни устройства, които да бъдат дискретно използвани при осветяване на обекти. Дългият експлоатационен живот на осветителите изключва в голяма степен необходимостта от обслужването им, което е от особено значение за случаите, при които осветителите са монтирани на труднодостъпни места. Областта на приложение на светодиодните осветители допълнително се обогатява от широката гама цветове, възможностите за димиране и за автоматично управление.
Светодиодите намират приложение в осветяването на рекламни надписи, отделни архитектурни елементи или цели сгради. Използването на светодиоди вместо популярните в миналото високоволтови неонови тръби за светлинни надписи предлага съществени предимства. Така например, трайността на неоновата тръба е 20 000 часа, т.е. 2.5 пъти по-малка от тази на светодиодите. Освен това обслужването им е по-безопасно, благодарение на ниското захранващо напрежение.

Светодиодни ленти и модули
Със светодиодите могат да се осветяват малки букви и надписи, чиято големина е не по-голяма от 25 mm. Подходящи са и за рисуване на цветни декоративни фигури върху сградите, както и във функцията на маркировъчни осветители, чиято светеща повърхност е на нивото на земята - пешеходни пътеки, разделителни линии и други. Светещи светодиодни линии се използват и за светлинно очертаване на контури на сгради и инженерни конструкции. Контурите се очертават със светодиодни ленти, които могат да бъдат поставени в гъвкав шлаух, в профилиран твърд канал с прозрачна страна или да бъдат “опаковани” с твърдо прозрачно пластмасово покритие и оформени като светеща тръба. Цветът на тръбата зависи от избрания цвят на светлината на светодиодите - червен, жълт, зелен, оранжев, син или бял. Яркостта на светещата тръба зависи от броя на светодиодите в нея. Веригата от светодиоди може да се състои от последователно свързани групи от няколко паралелно съединени светодиода.

Фазерни декоративни ефекти
Фазерните оптични влакна, познати и като фибро-оптични нишки, намират широко приложение в светлотехниката. Светлината се пренася през стъкления фазер, подчинявайки се на принципа на пълното вътрешно отражение. Стъкленият фазер се състои от плътно стъклено ядро с голям коефициент на пречупване на светлината, което е обвито със стъклена мантия с малък коефициент на пречупване на светлината. Когато светлинният лъч достигне до неговата вътрешна повърхност той се отразява, след това попада отново на граничната повърхност и пак се отразява. В резултат на тези многократни огледални отражения, светлинният лъч се разпространява по цялата дължина на стъкления фазер и достига до другия му край, след което светлината се излъчва в пространството. Една част от въведената във фазера светлина се разсейва и абсорбира, в резултат на което светлинният поток намалява постепенно.
За да се намалят загубите при въвеждането на светлинния поток в светловодещия проводник, чрез термична обработка, кръглото напречно сечение на фазерите се променя в шестоъгълно. По този начин се постига уплътняване на сечението на проводника.

Компоненти на оптичната система
Фазерната оптична система се състои от три компонента - генератор, фазерни проводници и оптична приставка на края на фазерния проводник. Фазерната нишка се изпълнява от стъкло или пластмаса. За пренасяне на по-голям светлинен поток се използва сноп от гъвкави стъклени фазери - светловодещ проводник или кабел, чийто диаметър зависи от броя на стъклените фазери. В напречното му сечение могат да се вместят до 400 стъклени влакна. За предпазване от механични повреди при транспорт и монтаж, кабелите са обвити с негорима стъклено-силиконова или PVC мантия. Използва се и специална силиконова обвивка за кабелите, които се полагат под вода.
Дължините, на които е възможно да се пренася светлина по оптичното влакно зависят от вида на светлинния източник и от материала на фазера. Така например халогенните нажежаеми лампи могат да образуват лъч с дължина до 15 м, разрядните лампи с високо налягане - до 20 м, двустранно осветяване на кабела - до 50 м. и др.

Оптични приставки на фазерния проводник
Оптичните накрайници на светещия край на фазерния проводник представляват оптични елементи (лещи), чрез които се формира различно светлоразпределение на излъчваната светлина. За улеснение на проектантите, обикновено, производителите предлагат на клиентите си и схемата на светлоразпределителната им крива (фиг. 1 a и b). В нея са посочени осветеностите Emax и големината на светлите кръгове с диаметър d, които могат да се реализират на различни разстояния h от оптичната приставка на фазерния кабел.
Генераторът се състои от лампа, обикновено с рефлектор и леща, филтър за инфрачервени лъчи (ИЧЛ) и ултравиолетови лъчи (УВЛ), вентилатор и електрически куплунг. В генератора може да се интегрира цветен филтър и фигурни шайби. Обикновено като светлинен източник се използват халогенни нажежаеми лампи с цветна температура 3000 К.

Светлинни фазерни кабели
Приложение намират и светлинните фазерни кабели, които светят с цялата си повърхност по протежение на пълната си дължина. Ефектът се получава благодарение на специалното изпълнение на единичните фазери. Те се изработват от усукани РММА. На фиг. 2 е показано тяхното устройство - в средата на фазерния сноп е разположено силно отразяващо светлината жило, което усилва преноса на светлината по протежение на цялата дължина на кабела. Снопът от светещи фазери се обвива с предпазна прозрачна мантия, устойчива на UV облъчване. Предлагат се и периферно светещи РММА кабели с диаметри 4.5, 8, 11, 14 и 17 мм. При едностранно осветяване на кабела се постига дължина до 20 м, а при двустранно до 30 - 50 м.
Светещите кабели предлагат широки възможности за нови и ефектни решения за художествено-архитектурно осветление. Най-често намират приложение в контурното осветяване на фасади на сгради, светлинни реклами, осветление на плувни басейни, евакуационно осветление и други.

Декоративни лазерни ефекти
За декоративното осветление най-често се използват два вида газови лазери - с аргон и с криптон. Йонизираните лазери с пълнеж от аргон излъчват синя и зелена светлина. Най-често се използват аргонови лазери със светлинна мощност от 60 до 100 W. Пълната мощност на лазерното устройство обикновено е от 4 до 40 kW.
Лазерите с криптонов пълнеж излъчват светлинен лъч с дължина на вълната, съответстваща на червения цвят. При използването на смес от криптон и аргон могат да се генерират лъчи с различен цвят. Желаният цвят на лазерния лъч може да се получи чрез въртене на призма в резонатор. Предлаганите лазери от този модел обикновено са с мощност от 1.2 до 6 W. Светлината на криптона също може да се диспергира с призма във вторичен резонансен лъч в синьо, зелено или жълто, но неговата мощност е значително по-малка.

Възможности на лазерите за създаване на цветни картини
Добре известно е, че светлинният лъч на лазера е колимиран и цветен. При сравнително бързо движение на лазерния лъч могат да се формират добре видими светлинни плоскости или конични повърхности в пространството. С лазерни лъчи могат да се изписват и чертаят букви, фигури и знаци върху екрани, стени и фасади на сгради. Движението на лазерните лъчи обикновено се реализира със система от огледала, задвижвани с електрически двигатели и управлявани от компютър.
Ефектни светлинни картини се постигат с метода на случайна фазова модулация. При нея лазерният лъч се пропуска през кристал с неправилна вълниста повърхност. По този начин светлината се разсейва във всички посоки и ако се насочи към екран или фасада, върху нея се виждат причудливи светлинни картини.
На фиг. 3 е показано устройство с лазер за получаване на декоративни светлинни и цветови ефекти. Използвана е бавно въртяща се плексигласова шайба, чиято горна повърхност е подходящо оформена, за да се създаде възможност лазерните лъчи да се пречупват и отклоняват в безброй много точки. На екрана зад шайбата се прожектират разнообразни светлинни фигури с различни цветове.
Голямата плътност на лазерния лъч позволява неговите светлинни ефекти да се уголемят и разнообразят в пространството чрез паралелно или дивергентно размножаване на лъча (фиг. 4).

Художествена и рекламна холография
Холографията предлага напълно нови възможности за декоративно светлинно, цветово и тримерно оформление на фасади на сгради, паркове, исторически обекти и др. Базира се на физичните принципи на интерференцията и дифракцията на светлината. Опростено, интерферентната картина се получава при наслагване на две светлинни вълни при определени условия. Резултатът е картина, в определени точки на която яркостта е по-голяма, а в други точки е значително по-малка. Пример за интерференционна картина е показан на фиг. 5, на която може да се види интерферентна картина от наслагване на кохерентна сферична и плоска светлинна вълна, съгласувани във времето и пространството. Известно е, че кохерентни вълни излъчват лазерните светлинни източници.
Принципът на запис на холограмата се основава на монохроматичен лазерен светлинен сноп, който се разделя на две части. Едната осветява заснемания предмет, след което отразената от него светлина се насочва към фотоплака. Тя може да бъде стъклена пластина, върху горната повърхност на която е нанесена сребърна емулсия или биохроматичен желатин. Светлочувствителният филм, който се получава с тези материали има голяма резолюция. Другата част на лазерния сноп се насочва директно към фотоплаката. Двете светлинни вълни са излъчени от един лазер и следователно са кохерентни. Те се наслагват върху фотоплаката, в резултат на което се получава стояща вълна. Интерферентната картина на фотоплаката е изображение на стоящата вълна и по своя характер представлява устойчива във времето дифракционна решетка, т.е. холограма.
Ограниченото засега използване на холограмите за декоративни цели се дължи на високата им цена и сравнително трудната им реализация.