¿Qué busca?
¿Qué es una guía de luz?
Definición de guía de luz
Una guía de luz —también conocida como tubo de luz— es un dispositivo que dirige la luz desde una fuente luminosa (normalmente un LED) hacia el lugar donde se necesita.
Las guías de luz suelen estar fabricadas en vidrio o plástico, normalmente con un índice de refracción de alrededor de 1,5. La luz que se introduce en la guía de luz dentro del rango de ángulos adecuado queda atrapada en su interior debido a un fenómeno denominado reflexión interna total (TIR). Una vez atrapada, la luz permanece dentro de la guía hasta que es extraída por un elemento de extracción, es absorbida por completo por el material o encuentra una superficie en un ángulo inferior al ángulo crítico.
En algunos casos, el objetivo es hacer que la luz se desplace de un extremo al otro de la guía. En otros, el objetivo es extraer la luz a lo largo de la guía y dirigirla hacia una dirección concreta. Esto hace que la guía parezca iluminada. Esta extracción se consigue añadiendo al dispositivo elementos como puntos de pintura o texturas (pequeñas protuberancias o agujeros) que influyen en la forma en que se refleja la luz, rompiendo la condición de reflexión total interna y haciendo que la luz salga de la guía.
Otros tipos de guías de luz homogeneizan la luz que emana de una o varias fuentes luminosas. Al permitir que la luz recorra toda la longitud de la guía mientras se refleja en los laterales, la luz se «mezcla», y la luz que sale por el extremo de la guía de luz es uniforme tanto en el espacio como en el ángulo.
Figura 1. La guía de luz de este ejemplo es una varilla mezcladora como las que se pueden encontrar en un proyector. La guía de luz homogeneiza la luz procedente de una fuente de luz y un reflector tradicionales. En el lado de entrada, la intensidad de la luz alcanza su máximo en el centro; en el lado de salida, la luz es espacialmente uniforme a lo largo de la superficie de salida de la guía, que tiene una relación de aspecto de 16:9.
Índice
¿Qué es el índice de refracción?
En el caso de los materiales que transmiten la luz, como el vidrio, el agua o el aire, el índice de refracción indica la velocidad a la que la luz se propaga a través del material. Cuanto mayor es el índice, más lentamente se propaga la luz a través del material. Esta ecuación representa el índice de un material:
Donde n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de fase de la luz en el material. El vacío, aunque no es estrictamente un material, tiene un índice de 1. El agua tiene un índice de 1,3333. Los vidrios y plásticos que se utilizan habitualmente para las guías de luz tienen un índice de entre 1,45 y 1,6 aproximadamente para la luz visible.
Cuando la luz incide sobre una interfaz entre dos materiales con índices de refracción diferentes, la luz que atraviesa dicha interfaz se desvía, lo que cambia su dirección. Este proceso se denomina refracción y se rige por la ley de Snell.
¿Qué es la ley de Snell?
La ley de Snell establece que el ángulo en el que sale la luz depende tanto del ángulo con el que la luz incide en la interfaz como de la diferencia en el índice de refracción de los materiales. Cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, mayor será la desviación. La ley de Snell que rige la refracción, donde n es el índice de refracción y θ es el ángulo de incidencia de la luz, ya sea en el material 1 o en el material 2:
Figura 2. Ecuación de la ley de Snell .
Figura 3. Un rayo de luz que se refracta al atravesar una superficie plana, desviándose en el proceso. La línea punteada representa la normal al límite del material, y en la figura se indican las magnitudes utilizadas en la ley de Snell.
¿Qué es el ángulo crítico?
Al resolver la ley de Snell, se obtiene el ángulo de salida de la luz como:
En el caso especial en el que la luz parte del interior del material con el mayor de los dos índices, observamos que existe un ángulo θ1 más allá del cual la ecuación no puede resolverse. Esto ocurre cuando la expresión entre corchetes es mayor que 1. El valor de θ1 para el que la expresión entre corchetes da precisamente 1, denominado ángulo crítico, viene dado por la ecuación:
Por ejemplo, para un material con un índice de 1,5 en aire (índice 1), el ángulo crítico es de 41,81º. La luz que incide sobre la superficie en un ángulo superior a este ángulo crítico no puede refractarse, por lo que el 100 % de la luz se refleja de vuelta hacia el interior del material, lo que provoca una reflexión interna total.
¿Qué es la reflexión interna total?
La reflexión interna total se produce cuando la luz que se encuentra dentro de un material, como el vidrio o el plástico, choca contra una interfaz con un material que tiene un índice de refracción menor (normalmente el aire) en un ángulo superior al ángulo crítico.
En el caso de determinadas formas, como placas o tubos rectangulares, cilindros o esferas, es posible que la luz quede atrapada en el interior de la guía hasta llegar a los bordes o al extremo de la misma. Esto es lo que permite que la luz se transmita desde la fuente de luz original a lo largo de la guía hasta el otro extremo con pérdidas mínimas.
Figura 4. Este abanico de rayos de luz se origina en el interior de una guía de luz plana con límites paralelos. Cada rayo sale del punto de partida y incide en la interfaz vidrio-aire. Algunos rayos se refractan (y salen), pero aquellos que inciden en la interfaz con un ángulo superior al ángulo crítico de reflexión total interna (TIR) se reflejan de nuevo hacia el interior de la guía de luz. Los rayos que se someten a reflexión total interna continúan por este proceso a lo largo de toda la guía.
Figura 5. Una guía de luz cilíndrica muy sencilla con una pequeña fuente de luz LED a la izquierda. La luz entra en la guía de luz a través de la cara frontal del cilindro, y el 100 % de la luz se propaga por reflexión total interna y queda atrapada en la guía de luz, transmitiéndose hasta el extremo opuesto, por donde sale.
Extracción de luz a lo largo de una guía de luz
Si el objetivo de la guía de luz es extraer luz a lo largo de su recorrido, el diseñador puede utilizar elementos de extracción a lo largo de la misma. Estos elementos pueden adoptar diversas formas, pero algunos de los más comunes son los puntos de pintura y las pequeñas estructuras en forma de prisma talladas en la guía (a menudo denominadas «texturas»), como se muestra en la figura 6.
Estas estructuras de extracción modifican la dirección de la luz que incide sobre ellas, interrumpiendo el ciclo de reflexión interna total y extrayendo la luz de la guía. Al variar la densidad o el tamaño de estas estructuras, es posible conseguir una emisión de luz uniforme o incluso el patrón deseado desde la guía de luz. Con algunas texturas, también es posible controlar la dirección de la luz que sale de la guía.
En la figura 6, parte de la luz que antes quedaba atrapada en la guía se extrae ahora, y la cantidad de luz atrapada en la guía disminuye a medida que nos alejamos de la fuente de luz. Obsérvese que parte de la luz también se extrae en la dirección opuesta a la de observación, lo que normalmente no es deseable. Esto puede solucionarse añadiendo una superficie reflectante en el lado de la textura de la guía de luz para que la luz vuelva a la guía.
Figura 6. Aquí se muestra la misma guía de luz que en la figura 5, pero en esta ocasión se han añadido elementos de extracción en el lado de la guía de luz opuesto a la dirección de visión.
Los conductores de luz se presentan en muchas formas y tamaños
Los conductores de luz no tienen por qué ser largos y rectos. También pueden tener formas curvas. Pueden estrecharse, ensancharse o cambiar su sección transversal según se desee. Pueden adoptar formas muy complejas que se utilizan a menudo para iluminar los paneles de instrumentos de los automóviles, las aplicaciones de iluminación exterior de los vehículos y los teclados de los dispositivos portátiles.
Figura 7. Esta guía de luz tiene una forma compleja que podría utilizarse en aplicaciones para el interior o el exterior de automóviles. A la derecha se puede ver un primer plano de los elementos de extracción.
Algunas de las guías de luz más importantes son láminas planas que se utilizan para iluminar pantallas planas de televisores, monitores, relojes y otros dispositivos. Este tipo de guías de luz son láminas delgadas y planas de material con elementos de extracción moldeados en una de sus caras. La luz se inyecta en la guía de luz desde uno o varios bordes, normalmente mediante LED. El patrón de salida deseado, que suele ser uniforme, se consigue distribuyendo cuidadosamente las características de extracción. Debido a la complejidad del sistema, se requiere un software de diseño de iluminación para optimizar la colocación de la textura y lograr la distribución de luz deseada.
Figura 8. Esta figura muestra una guía de luz de tipo panel plano para un pequeño dispositivo portátil. Tres LED inyectan luz en la guía de luz por la parte inferior, donde los elementos de extracción se sitúan únicamente en los puntos en los que el diseñador desea extraer luz para iluminar los controles. La imagen de la derecha muestra el patrón de luz resultante.
Los conductores de luz también pueden adoptar la forma de fibras ópticas. Las fibras ópticas son «cables» de vidrio muy finos y flexibles, compuestos por un núcleo central de alto índice de refracción y un revestimiento de menor índice. Las fibras ópticas resultan muy útiles para transmitir luz a gran distancia y se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como las telecomunicaciones, el diagnóstico por imagen y la cirugía láser.
¿Qué efecto tiene la forma en la guía de luz?
Aunque las guías de luz pueden curvarse y adoptar formas más complejas, es precisamente en estas curvas donde se produce gran parte de la fuga de luz. En una curva, parte de la luz atrapada por la reflexión interna total (TIR) puede incidir en la superficie de la guía con un ángulo inferior al ángulo crítico y escapar de la guía de luz. Esto debe controlarse cuidadosamente mediante el diseño y la simulación en el software.
Figura 9. Esta guía de luz cilíndrica presenta una curva de 65 grados y pierde aproximadamente un 10 % de la luz. Cuanto más cerrada sea la curva, mayor será la cantidad de luz que se escape de la guía de luz en ese punto.
El estrechamiento progresivo de una guía de luz también puede provocar fugas. En general, aumentar la sección transversal a medida que nos alejamos de la fuente de luz no supone ningún problema, pero reducirla suele provocar pérdidas, ya sea por fugas o porque la luz se invierte dentro de la guía y se devuelve hacia la fuente de luz. Esto es especialmente cierto si la luz que se introduce en la guía de luz abarca un amplio rango angular.
Figura 10. Esta guía de luz cilíndrica se ha estrechado para aumentar la sección transversal hacia el extremo opuesto a la fuente de luz. En este caso, el 100 % de la luz se transmite a través de la guía hasta la superficie de salida.
Figura 11. Se trata de la misma guía de luz que en la figura 10, pero el estrechamiento se ha invertido para reducir la sección transversal de la guía. En este caso, la considerable fuga de luz hace que solo alrededor del 6 % de la luz llegue a la superficie de salida.
¿Por qué son importantes las guías de luz?
Una guía de luz permite canalizar la luz hacia lugares donde resulta difícil o imposible colocar la propia fuente de luz. Por ejemplo, se puede utilizar una guía de luz para aislar una fuente de luz de un entorno extremo, o para situar la fuente y los componentes electrónicos asociados en una ubicación más conveniente. Se pueden emplear guías de luz de extracción para sustituir la iluminación fluorescente en los congeladores, lo que permite colocar la fuente de luz fuera del congelador y aumentar así la eficiencia energética. Otro ejemplo es la creación de iluminación para un entorno quirúrgico sin colocar componentes electrónicos cerca del paciente.
Con las técnicas de extracción de luz adecuadas, las guías de luz pueden adoptar una gran variedad de formas, lo que proporciona una mayor libertad estilística que las hace especialmente populares para los diseños modernos de faros delanteros y luces traseras. Muchos fabricantes utilizan diseños de iluminación exterior con formas únicas como elemento distintivo de marca para sus automóviles. Otras aplicaciones automovilísticas de las guías de luz incluyen la iluminación del salpicadero y de los instrumentos, así como las luces de lectura y las luces de ambiente en todo el interior.
Figura 12. Conductores de luz utilizados en una luz trasera de automóvil. Los conductores de luz se utilizan tanto como dispositivo de señalización como elemento de diseño.
Un uso habitual de los conductores de luz es distribuir la luz de manera uniforme por una superficie amplia. Las aplicaciones son muy variadas, desde la visualización de información hasta la iluminación de control o la iluminación decorativa. Gracias a su capacidad para distribuir la luz, un ingeniero de iluminación puede utilizar un número menor de fuentes de alta potencia, lo que simplifica el sistema y permite ahorrar dinero. Además, al funcionar con LED de bajo consumo, un conductor de luz puede ofrecer una solución eficiente y económica en muchos escenarios de iluminación.
¿Cómo se diseña una guía de luz?
Aunque las guías de luz son dispositivos pasivos relativamente sencillos, la forma en que la luz interactúa con ellas es compleja. Diseñar una guía de luz que funcione correctamente y presente el aspecto luminoso adecuado requiere una ingeniería minuciosa. Las herramientas de simulación de iluminación, como LightTools y LucidShape, proporcionan a los ingenieros de iluminación el conjunto adecuado de herramientas para diseñar, optimizar y analizar el rendimiento de una combinación de guía de luz y fuente de luz antes de dedicar tiempo, dinero y esfuerzo a producir un prototipo. Una vez satisfecho con el rendimiento del modelo en el software, el ingeniero puede implementar un prototipo y comparar los resultados de la simulación con las mediciones reales.
El diseño de los conductores de luz de extracción es aún más complejo. Los ingenieros deben colocar correctamente las texturas para lograr el resultado deseado en el conductor de luz. El ingeniero también debe verificar la dirección en la que se dirige la luz extraída, lo que influye en el brillo y el aspecto del conductor de luz iluminado. Para llevar a cabo esta tarea y gestionar las formas complejas que requieren muchos conductores de luz, se necesita una herramienta especializada como LightTools o LucidShape.
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