Głębia światła cz. III

Z pewnością dla czytelnikow, ktorzy wnikliwie śledzą nasz cykl, ten temat jest zaskoczeniem, ponieważ w poprzednim odcinku zapowiadałem, że omowimy rodzaje opraw oświetleniowych, a nie części składowe reflektorow, takie jak źrodła światła elektrycznego. Jednak zagadnienie okazało się zbyt obszerne jak na jedną część poradnika, dlatego zdecydowałem się podzielić temat na dwa, a może i trzy etapy. W niniejszej trzeciej części „Głębi światła” przyjrzymy się historii oświetlenia oraz elementom, dzięki ktorym oprawy oświetleniowe w ogole działają, czyli wszystkim możliwym elektrycznym źrodłom światła.    W poprzednich częściach zajmowaliśmy się naturą światła oraz tym, co możemy z nim zrobić. Dotychczas była to tylko teoria. Dziś proponuję, abyśmy przyjrzeli się narzędziom optycznym, za pomocą których możemy pracować, projektując i budując plany oświetleniowe.   Wszystko zostało wymyślone dawno temu Historia oświetlenia to dość obszerny temat i bezsprzecznie związany z teatrem. Tak naprawdę dopiero wiek XX przyniósł rozwój zarówno filmu, a w następstwie telewizji, co zaowocowało rozwojem technik oświetleniowych i powstaniem nowych urządzeń. Drugą gałęzią – i to również wywodzącą się z teatru – był rozkwit scen estradowych, aż do obecnego kształtu. Ta eksplozja i coraz większa popularność wykonań muzyki rozrywkowej na żywo przyspieszyła i to w sposób znaczny rozwój oświetlenia ogólnie pojętej sceny – w tym kontekście już nie tylko teatralnej. Po roku 1970 możemy obserwować nieustający wyścig w coraz to nowych koncepcjach i urządzeniach oświetleniowych. Jednak czy te pomysły są nowe? Jak pokazuje historia, ojców sposobu oświetlania sceny było wielu, a koncepcje wymyślone setki lat temu są stosowane do dziś. Zmienił się tylko poziom zaawansowania technicznych rozwiązań. W dalszej części postaram się udowodnić, jak wiele rzeczy w świetle scenicznym znanych jest od setek lat.   „Kim jest oświetleniowiec”, czyli krótka historia W jednym z moich pierwszych artykułów dla MiT pt. „Kim jest oświetleniowiec”, przedstawiłem w pigułce historię oświetlenia. Zainteresowanych odsyłam na stronę WWW wydawnictwa. W tym miejscu chciałbym ponownie przybliżyć, jak kształtował się rozwój sztuki oświetleniowej. Tym razem opiszę jednak postacie w historii, które miały istotny wpływ na to, czego dziś każdy oświetleniowiec używa. Okres, kiedy przesłałem redakcji ostateczną wersję do niniejszego artykułu, zbiegł się w czasie z warsztatami projektowania oświetlenia teatralnego, które miałem okazję poprowadzić 24 września. Warsztaty odbyły się w ramach Festiwalu Nowej Scenografii i Forum Fotografii Teatralnej, a organizatorem było Muzeum Śląskie w Katowicach. Warsztaty przygotowaliśmy wspólnie z Tomaszem Porembskim. To postać o bardzo dużym doświadczeniu zarówno jako realizator, jak i light designer. Skonstruował wiele scenografii do wspaniałych przedsięwzięć teatralnych. Co do warsztatów i całego festiwalu – z pewnością na łamach MiT ukaże się felieton dotyczący tego wydarzenia. Myślę, że warto prezentować ciekawe postacie, które pracują twórczo w obrębie światła, scenografii i fotografii scenicznej. Dla mnie była to duża lekcja pokory odnośnie wiedzy na temat historii oświetlenia. Pewnie nie opowiem o tej historii tak doskonale, jak zrobił to Tomasz w czasie warsztatów, ale postaram się uchwycić najważniejsze zawirowania historyczne wokół światła teatralnego, a później estradowego.   Teatr antyczny i nie tylko – przypomnienie Oświetlenie zawsze towarzyszyło teatrowi. W teatrze greckim i rzymskim wykorzystywano naturalne warunki oświetleniowe, czyli światło słoneczne. Wtedy też powstał pierwowzór blendy. Wypolerowane powierzchnie blachy służyły do odbijania i kierowania w odpowiednią stronę promieni słonecznych. W okresie rzymskiej republiki możemy mówić już występach w miejscach zadaszonych. Pierwsze sztuczne oświetlenie to lampy olejne i pochodnie. Tu skrzętnie pominę kilka stuleci i właściwie całe średniowiecze, aby uwypuklić dość istotną zmianę w myśleniu o świetle teatralnym. Oto kilka postaci, dzięki którym możemy dziś cieszyć się różnymi rozwiązaniami oświetleniowymi.   Sebastiano Serlio (1475–1554) Zacznę od Sebastiana Serlio – malarza, architekta i teoretyka architektury teatralnej. Zaprojektował scenę (dekorację) dla komedii, tragedii oraz dla dramatu satyrowego. Wymyślił też podział oświetlenia scenicznego na trzy części: • ogólne światło (żyrandol), które służyło zarówno publiczności, jak i aktorom • światło dla dekoracji • oświetlenie „dramatyczne”, które kreowano pod kątem rozwoju akcji na scenie. Według mnie Serlio zabłysnął dodatkową innowacją, z której wszyscy korzystamy do dziś. To tzw. bozze, czyli coś, co dzisiaj nazwalibyśmy filtrem barwnym. Tak, tak – piętnastowieczny malarz wprowadził rozwiązanie stosowane do dziś! Jak widać na obrazku, źródłem światła była świeca, a filtr stanowiło naczynie z winem. Swoją drogą nie jestem pewien, czy w dzisiejszym, współczesnym teatrze takie filtry by przetrwały, np. po udanej premierze…   Niccolo Sabbatini (1574–1654) Niccolo (lub Niccola) Sabbatini jako inżynier, architekt opracował wiele koncepcji. Jest autorem traktatu o praktyce budowania scen i maszyn teatralnych. Dzieło to jest przełożone na język polski i stanowi nie lada gratkę dla fascynatów historii techniki scenicznej. Sabbatini proponował też rozwiązania dotyczące efektów na scenie, które dziś nazwalibyśmy specjalnymi. Odnosił się do iluzji pożaru, burzy z piorunami i szalejących fal. W okresie współczesnym Sabbatiniemu pojawiły się sceny obrotowe, kulisy (choć nie były one jego wynalazkiem) czy powszechnie stosowane kurtyny. W dziedzinie światła Sabbatini zasłynął jako twórca pierwszego regulowanego ściemniacza, czyli dimmera – oczywiście również opartego na świecy. Na załączonej rycinie widać dokładnie, jak to cudo techniki miało działać. Reasumując, filtry stosowano już na przełomie XV i XVI wieku, a pierwsze dimmery – w XVII wieku.   Joseph Furttenbach (1591–1667) Joseph Furttenbach to niemiecki architekt, który studiował we Włoszech. To właśnie tam zaraził się magią teatru. Jako pasjonat tej sztuki opisał wszystkie doświadczenia z włoskich scen i przeniósł je na grunt niemiecki. Z jego opracowań współcześni historycy czerpią wiedzę o powstawaniu sceny nazywanej dziś potocznie sceną pudełkową. Wiek XVII to również zmiany myślenia odnośnie punktów oświetleniowych, a Joseph Furttenbach okazał się nieocenionym dokumentalistą tamtego okresu. Na rycinie przedstawiam jeden z jego opisów, który dziś można by potraktować jako rider techniczny. Pan Joseph według niektórych źródeł zasugerował jako pierwszy zastosowanie w teatrze odblaskowych obudów świec, co można uznać jako pierwsze odbłyśniki źródła światła.   Rewolucja w technice W tym miejscu zawieszę na chwilę prezentacje postaci istotnych dla zmiany myślenia o świetle scenicznym, ponieważ czas, abyśmy przyjrzeli się wynalazkom, które były prawdziwą rewolucją w teatrze. Ciekawym wynalazkiem była lampa szwajcarskiego fizyka Aimé Arganda. Przepływ powietrza w takiej lampie zwiększał jej jasność dziesięciokrotnie. Natomiast lampa naftowa nie miała szansy zagościć na długo w teatrach, ponieważ naszemu wybitnemu uczonemu Ignacemu Łukasiewiczowi udało się uzyskać naftę metodą destylacji dopiero w 1852. Rok później powstała lampa naftowa (nie oliwna). W teatrach oświetlenie gazowe o regulowanej jasności pojawiło się wcześniej. Pierwszym teatrem, który mógł się poszczycić takim rozwiązaniem, był londyński Covent Garden. Był to rok 1818 i zdaje się od tego miejsca możemy mówić o pracy realizatora oświetlenia. Co prawda nie była to grandMA, a kurki z gazem, ale jak w każdej profesji początki bywają trudne. Oczywiście lampy naftowe trafiają również do teatrów, ale głównie ze względu na brak infrastruktury związanej z gazem lub oszczędności w jego zużyciu, a także na kosztowną instalację w samym teatrze. Gaz, biorąc pod uwagę całą historię, też nie zagościł za długo na scenach, bowiem po kilku dekadach pojawiła się elektryczność. Pierwszy efekt świetlny, jeszcze przed erą żarówek, zrealizowany za pomocą łuku elektrycznego pokazano w Operze Paryskiej w 1849. Elektryczność na dobre zagościła w teatrach na przełomie XIX i XX wieku. Tutaj w mojej ocenie właśnie techniczne rewolucje pozwoliły rozwinąć skrzydła reformatorom teatru. Zanim jednak przejdziemy do reflektorów znanych nam współcześnie, wspomnę o jeszcze jednej ważnej postaci dla naszej współczesnej pracy. Myślę tu o Adolphe Appii.   Adolphe Appia (1862–1928) To szwajcarski reżyser i scenograf, a także teoretyk teatru. On pierwszy dostrzegł potęgę w trójwymiarowości aranżacji przestrzeni scenicznej. Kładł duży nacisk na zależność między ruchem aktora, światłem i muzyką. Trójwymiarowość sceny to zupełnie inne – nie tak poukładane i systematyczne myślenie o świetle scenicznym, jak to postrzegano dotychczas.   Ojcowie światła Wybrałem tylko tych kilka wybitnych postaci, ale ojców postępu oświetlenia na scenie było znacznie, ale to znacznie więcej. Gdybym chciał opisać wszystkie istotne dla sceny wynalazki, takie jak np. latarnia magiczna (protoplasta reflektora z gobo) czy też wynalazek Thomasa Drummonda, który użył wodoru i tlenu do podgrzewania bloku wapienia (uzyskując w ten sposób intensywne białe światło), nie starczyłoby stron w tym magazynie. A przecież chcecie poczytać również inne artykuły, prawda? Ograniczę się zatem do kolejnego przełomu, którym była prezentacja pierwszej żarówki – dokonał tego Thomas Edison w 1879 roku. Od tego momentu możemy mówić o erze, która dotyczy bezpośrednio rozwiązań, jakie stosujemy do dziś. Poniżej przedstawię elektryczne źródła światła.   Konstrukcje reflektorów – co może stanowić źródło światła Na początek zajmiemy się reflektorami tak zwanymi konwencjonalnymi. W prostych konstrukcyjnie reflektorach można wyróżnić kilka stałych elementów: na pewno źródło światła (co w dobie elektryczności stało się dosyć proste), odbłyśnik – czyli element kierujący światło w odpowiednią stronę, i ewentualnie soczewkę służąca do rozproszenia lub skupienia wiązki światła. Zatem do dzieła! Przyjrzyjmy się elektrycznym źródłom światła. W pierwszej części „Głębi światła” zaprezentowałem podobny podział – dotyczył on jednak różnych temperatur barwowych, emitowanych przez różne źródła światła. Teraz chciałbym wyjaśnić zasadę ich działania. Oto powszechnie stosowane źródła światła: • żarówki • żarówki halogenowe • lampy wyładowcze • świetlówki • niskoprężne lampy sodowe • wysokoprężne lampy rtęciowe • wysokoprężne lampy sodowe • wysokoprężne lampy wyładowcze metalohalogenowe • półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne (LED)   Żarówki To najstarsza konstrukcja (nie licząc rozwiązań łukowych) i powszechnie stosowana do dziś. Jest to dość tania konstrukcja, dlatego przez długie dekady była stosowana tak masowo i powszechnie. Ma kilka istotnych wad, po pierwsze – jest to promiennik ciepła, a przy okazji promiennik światła. Dlaczego przy okazji? Ponieważ większość żarówek ma dość słabą skuteczność, bo w najlepszym wypadku oddaje jako światło zaledwie 10% mocy, którą jest w stanie pobrać. Żarnik w bańce żarówki jest wykonany z wolframu, który jest trudno topliwym metalem. Żarnik jest zwinięty spiralnie, co zwiększa jego skuteczność i żywotność. Temperatura barwowa zwykłej żarówki to 2360 K. Sytuacja zmienia się, kiedy bańska jest próżniowa – 2800 K. Istnieją też żarówki tzw. gazowane; mają one najwyższą temperaturę barwową równą 3300 K. Niestety, przy tak wysokich temperaturach, które powstają wewnątrz bańki, wolfram powoli odparowuje, osadzając się po wewnętrznej stronie bańki i w ten sposób żarówka traci swoją skuteczność. Ostatecznie spirala narażona na wysokie temperatury, a także na wstrząsy mechaniczne, po prostu najczęściej pęka. Żarówki sceniczne różnią się od tych „domowych”. Mają w zupełnie inny sposób ułożone spirale. Spirale te są ułożone w szeregu w jednej lub w dwóch płaszczyznach.   Żarówki halogenoweMówimy tutaj o najbardziej popularnym rozwiązaniu związanym ze światłem, przynajmniej jeśli chodzi o teatr. Popularne halogeny to swego rodzaju prawie „perpetuum mobile”. Wieczny ruch, a raczej wieczny cykl chemiczny zachodzący w środku bańki, znacznie zwiększa jej żywotność i powoduje, że wolfram nie osadza się na bańce, powodując jej czernienie oraz tym samym zmianę temperatury barwowej, gdy żarówka dogorywa… Jak to się dzieje? W bańce wprowadzono jedną istotną zmianę: dodano pierwiastki zwane halogenkami. Halogenki swobodnie krążą w bańce, a gdy wolfram zaczyna odparowywać, to właśnie halogenki łączą się z odparowaną częścią, tym samym nie pozwalając wolframowi osiąść na bańce. Gdy powstały związek zbliża się do żarnika, pod wpływem temperatury ponownie rozpada się i wolfram znów osiada na żarniku, a halogenki są gotowe do identycznej reakcji. Proste, ale niestety – i te żarówki halogenowe dożywają swojego kresu i są podobnie jak wcześniejsze rozwiązania podatne na uszkodzenia mechaniczne. Ważnym elementem żarówek halogenowych jest stała temperatura barwowa oraz najbardziej popularne i lubiane światło teatralne, które emitują takie żarniki w zakresie od 3000 do 3400 K – w zależności od żarówki.  Lampy wyładowcze To cała, bardzo obszerna grupa lamp o bardzo różnym zastosowaniu. Zasada działania jest dość prosta. W momencie, kiedy w przestrzeni wypełnionej gazem przyłoży się pole elektryczne, wywołuje się celowe wyładowanie. Niestety, ta reakcja jest nieco skomplikowana, bo wyładowanie jest zależne od bardzo wielu elementów. Dużo zależy od samego gazu, od jego rodzaju, temperatury i ciśnienia wewnątrz lampy. Następne zmienne to rodzaj i kształt elektrod potrzebnych do wytworzenia pola elektrycznego oraz wartość napięcia. Pomimo tych wszystkich zmiennych przyjęto jednolity podział na podstawie ciśnienia gazu lub gazów wewnątrz lampy. I tym sposobem lampy wyładowcze dzielimy na niskoprężne, średnioprężne i wysokoprężne.   Świetlówki Dla tej grupy przyjąłem potoczną nazwę, choć można spotkać jeszcze kilka innych, np. popularne jarzeniówki. Bardziej fachowo powinniśmy je określić jako niskoprężne lampy fluorescencyjne. Świetlówka jest tak naprawdę niskoprężną lampą opartą na wyładowaniach rtęci w jej wnętrzu. Zatem skąd nazwa lampa fluorescencyjna? Wyładowania rtęci występują poza widmem widzialnym, czyli w tym wypadku w zakresie ultrafioletu. Widzialność promieniowania świetlnego w takiej lampie umożliwia nam powłoka luminofora. Luminofor to specjalna powłoka napylona na szklanej części lampy, która za pomocą procesu fluorescencji umożliwia nam widzenie promieniowania jako światło. Innymi słowy luminofor powoduje zmianę promieniowania UV na niższy zakres widzialny. Stąd właśnie fachowa nazwa – lampa fluorescencyjna. A skąd się wzięła popularna nazwa „jarzeniówka”? Jest to lampa, w której panuje dość niskie ciśnienie, dlatego wyładowania w niej są na tyle małe, że nie podnoszą temperatury szklanej rury z gazem. Zatem wyładowania na tym poziomie są nazywane wyładowaniami jarzeniowymi. Przy okazji świetlówek powinienem wspomnieć o lampach indukcyjnych, które również opierają się na pobudzaniu rtęci w dość niskim ciśnieniu. Jednak zamiast elektrod zastosowano w nich układ indukcji elektromagnetycznej, który tę rtęć pobudza. To epizodyczny temat dla oświetlenia scenicznego, bo lampy indukcyjne ze względu na swą żywotność stosuje się najczęściej w trudno dostępnych miejscach, gdzie wymiana niedziałającej lampy jest kosztowna. Lampy indukcyjne mają też inne kształty – nie wyglądają jak klasyczna świetlówka. Ze względu na element indukcyjny w tych lampach następuje natychmiastowy zapłon.   Niskoprężne lampy sodowe To dość specyficzne lampy, ponieważ promieniują bardzo, ale to bardzo wąskim zakresem światła. Na początek wyjaśnię, jak działają. Przed zapłonem sód jest rozproszony i znajduje się w stanie stałym. Zbiera się w specjalnych szczelinach wewnątrz lampy. Zapłon nie jest w stanie pobudzić schłodzonego sodu, dlatego w pierwszej fazie następuje tzw. wyładowanie pomocnicze. W reakcję wchodzi gaz szlachetny (neonowy), który również jest w lampie. W czasie nagrzewania się lampy sód powoli zaczyna odparowywać i wchodzi w reakcję wyładowczą, przejmując tym samym proces świecenia. Ten wąski zakres promieniowania to celowe działanie konstruktorów takiej lampy. Tego typu „sodówka” świeci w zakresie koloru żółtego. Ludzkie oko w tak wąskim zakresie monochromatycznym postrzega kształty w sposób bardzo ostry i wyraźny. Dlatego te lampy są często stosowane na autostradach czy trasach szybkiego ruchu. Co do zastosowań scenicznych… a i owszem, jak najbardziej! Jednak można traktować takie źródło światła tylko jako efektowe, ze względu na jego monochromatyczność.   Wysokoprężne lampy rtęcioweMimo że nie widzę większej możliwości zastosowania tych lamp na scenie, to warto podkreślić, że i takie istnieją. Zasada działania jest dość skomplikowana, głównie ze względu na duże stężenie rtęci. Także tutaj po zapłonie dochodzi do wyładowania pomocniczego. Rolę gazu pomocniczego pełni argon. To właśnie on inicjuje reakcję wyładowczą. Wyładowanie argonu ze względu na specyfikę gazu następuje podczas reakcji między elektrodą główną a pomocniczą. Podczas nagrzewania się lampy rtęć zaczyna parować, zmienia się również oporność między układem elektrod: pomocniczym a elektrodami głównymi. Tym samym po rozgrzaniu się lampy wyładowanie następuje w konsekwencji między elektrodami głównymi. Ze względu na właściwości rtęci i jej częściowe promieniowanie w widmie UV w tych lampach również stosuje się luminofor. Te lampy mają zastosowanie przemysłowe.   Wysokoprężne lampy sodowe Tutaj zasada działania jest podobna do lamp rtęciowych, tyle że głównym składnikiem jest sód. Jednak i w tej lampie jest stosowna ilość rtęci, a rolę gazu zapłonowego pełni ksenon. Dość spore impulsy zapłonowe z odpowiednią częstotliwością pobudzają ksenon, a w miarę nagrzewania się sód zaczyna odparowywać. Po tej sekwencji lampa zaczyna zmieniać barwę światła, ponieważ wyładowania zachodzą z udziałem sodu. W odróżnieniu od lampy sodowej niskoprężnej, w tym wypadku możemy mówić o nieco szerszym spektrum światła, więc przy takim oświetleniu możemy mówić o szerszym oddawaniu barw.   Wysokoprężne lampy wyładowcze metalohalogenkowe Czy to jest odmiana lampy rtęciowej? Tylko do pewnego stopnia, ponieważ mieszanka związków będących wewnątrz jest bardzo bogata. W sumie może to być nawet pięćdziesiąt różnych związków metali. Promieniowanie w takiej lampie to rtęć, jodki metali sodu, skandu, talu, indu lub dysprozu, tulu i holmu, nazywane halogenkami. Ciepło po zainicjowaniu zapłonu powoduje rozkład halogenków. Przy inicjowaniu takiej lampy widać zmiany w barwie światła. Takie lampy są często stosowane rozwiązanie np. w głowicach ruchomych. Lampy te charakteryzują się sporą skutecznością oraz bardzo bogatym widmem w zakresie widzialnym. Oczywiście nawet lampy tego typu o krótkim łuku wymagają czasu na zapłon i pełne rozpalenie. A po wyłączeniu lampy musi nastąpić proces chłodzenia.   Półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne (LED) W drugiej części wspominałem, że wrócimy do zagadnienia ledowych źródeł światła. Każdy z nas wie, że ledowa rewolucja trwa i coraz więcej opraw oświetleniowych zostaje wyposażonych właśnie takie źródło światła. Przypomnijmy zatem, jak działają diody LED. Diody elektroluminescencyjne (LED) są produkowane z użyciem materiałów półprzewodnikowych. Zasada ich działania jest całkowicie inna od opisywanych wcześniej źródeł światła. W określonych warunkach diody LED zaczynają emitować promieniowanie elektromagnetyczne. Wewnątrz diody LED znajdują się dwa różne, bezpośrednio połączone ze sobą półprzewodniki, które mają nieco odmienny charakter przewodnictwa. Przy odpowiednio spolaryzowanym napięciu podłączonym w kierunku przewodzenia diody wymusza się ruch nośników prądu elektrycznego. Dioda zaczyna emitować promieniowanie w postaci światła. Aby uzyskać żądaną długość fal, czyli konkretny kolor w danej diodzie, wyposaża się je w odpowiedni materiał półprzewodnikowy. Tak, jak wspomniałem w drugiej części poradnika, diody LED stosowane w urządzeniach oświetleniowych, to tzw. multichipy, zawierające w swoich modułach kombinację RGB lub RGB+W lub RGB+Y czy też RGB+A. Obecnie nowe multichipy do uzyskiwania szerokiego i odpowiedniego spektrum świecenia przy różnych poziomach emisji są wyposażane nawet w siedem różnych diod. Niektóre urządzenia zostają wyposażane także w regulację współczynnika PWM frequency, czyli modulacji szerokości impulsu. Za pomocą odpowiedniego elektronicznego sterowania diodami można wyeliminować tzw. migotanie, które czasem widać choćby przy transmisjach telewizyjnych, gdzie w tle pracuje urządzenie ledowe, szczególnie kiedy dimmer jest na niskim poziomie. Dziś nikogo już nie dziwią diody LED o dużej mocy czy też przełom, którym było zastosowanie diody białej. Nowe inżynieryjne posunięcia zmierzają do tego, aby za pomocą diod LED można było symulować np. światło żarowe i to z pełną charakterystyką np. bezwładności żarnika. Pomimo tak rewolucyjnych rozwiązań realizatorzy i light designerzy nadal chętnie sięgają po oprawy z innymi niż ledowe źródłami światła.   tekst Paweł Murlik Muzyka i Technologia