¿Qué es la dispersión de la luz?

Definición de dispersión de la luz

La dispersión de la luz es el comportamiento que adopta la luz cuando interactúa con un medio que contiene partículas o con una interfaz entre diferentes medios que presenta defectos o estructuras. Se diferencia de los efectos de la refracción —en la que la luz sufre un cambio en su índice de refracción al pasar de un medio a otro— y de la reflexión —en la que la luz se refleja de vuelta hacia el mismo medio—, fenómenos ambos regidos por la ley de Snell.

Factores como la naturaleza, la textura o las estructuras específicas de una superficie, así como la presencia de partículas gaseosas, líquidas o sólidas a través de las cuales se propaga la luz, pueden provocar la dispersión de la luz. La propia naturaleza de la luz —sus longitudes de onda y sus estados de polarización— también puede provocar la dispersión de la luz. Esto suele dar lugar a una luz difusa y también puede afectar a la dispersión del color.

¿Qué provoca la dispersión de la luz?

La dispersión superficial se produce cuando las discontinuidades y las irregularidades de la superficie a escala micro y nanométrica modifican el comportamiento de la luz. Dependiendo de su tamaño, las protuberancias, los huecos y otras características geométricas de una superficie pueden provocar dispersión por motivos geométricos, ya que la luz se refleja, se refracta, se polariza o se difracta si las estructuras son más pequeñas de 10 veces la longitud de onda de la luz que interactúa con ellas. Los recubrimientos, como pinturas, barnices y otros depósitos como los contaminantes, también pueden alterar el comportamiento de la luz por su propia naturaleza, incluso si son muy finos o están dispersos.

La dispersión volumétrica se produce cuando la luz atraviesa un material que contiene partículas que dispersan la luz debido a su capacidad reflectante o refractiva. Estas partículas pueden ser activas o pasivas, absorbiendo o reemitiendo la luz a niveles de energía más bajos con una determinada distribución angular dentro del material, y varían en tamaño y concentración a lo largo del medio.

¿Por qué supone un problema la dispersión de la luz en el diseño óptico?

Aunque la dispersión de la luz puede ser una herramienta útil para muchas aplicaciones de iluminación, también puede suponer un problema para las aplicaciones de imagen. Las superficies pueden dispersar la luz de tal manera que se creen trayectorias adicionales por las que la luz vuelva al sistema óptico, lo que da lugar a artefactos visuales conocidos como imágenes fantasma en la imagen final. Las carcasas mecánicas también pueden provocar una dispersión no deseada dentro del sistema. Las aplicaciones de trazado de rayos de iluminación, que registran los eventos de dispersión, pueden tener en cuenta esta dispersión no deseada.

¿Cuál es un ejemplo real de un diseño óptico que dependiera de minimizar la dispersión de la luz?

Los sistemas de cámaras de todo tipo dependen del diseño óptico para producir una imagen nítida y de gran calidad, pero también para garantizar que no haya imágenes fantasma. Cuanto más complejo es el objetivo, más importante resulta tener en cuenta la dispersión de la luz y eliminarla.

Una vez creado un sistema óptico en una herramienta de diseño de imágenes, el diseñador puede analizar el diseño en una herramienta de diseño de iluminación para identificar las posibles trayectorias que llegan a la imagen y cuantificar la probabilidad de que afecten a la calidad de la misma. Para eliminar las trayectorias secundarias sin afectar al rendimiento general del sistema, es posible que sea necesario realizar cambios en el diseño principal; sin embargo, también se pueden lograr mejoras significativas y limpiar la imagen final con ligeras modificaciones en las estructuras de deflectores ya incorporadas.

¿Qué se necesita para analizar y minimizar la dispersión de la luz?

Cuando se utilizan estructuras como deflectores para minimizar las imágenes fantasma, el trazado de rayos del sistema para realizar un análisis de la luz parásita puede ayudar a eliminar los artefactos visuales del diseño. Para ello, se puede utilizar un software de diseño de iluminación que ofrezca un análisis de la trayectoria de los rayos, el cual rastrea todas las trayectorias posibles que puede seguir la luz en un sistema de imagen, teniendo en cuenta todas las estructuras del diseño, incluida la carcasa mecánica del sistema. El software puede examinar el nivel de intensidad de las imágenes fantasma generadas, identificar su origen y permitir a los diseñadores eliminar las superficies problemáticas o crear estructuras que cumplan la misma función, ya sea manualmente o mediante técnicas de optimización.

¿Cómo se mide la dispersión de la luz?

La dispersión de la luz se puede medir utilizando un dispersómetro, que realiza mediciones en 2D o 3D a partir de una o varias fuentes que emiten sobre una superficie o en un medio, y registra la distribución angular de la luz (intensidad) que se refleja y/o se transmite a través de él. Los resultados se pueden registrar de muchas formas, pero un método habitual consiste en registrar la luz reflejada como función de distribución de reflexión bidireccional (BRDF) y la luz transmitida como función de distribución de transmisión bidireccional (BTDF). Juntas, estas dos funciones conforman la función de distribución de dispersión bidireccional (BSDF).

Dependiendo del método de medición, esta función permite definir la dispersión de la luz de una superficie, un medio o ambos combinados. Según la naturaleza de la muestra medida, también es posible determinar cuál de los dos factores contribuye principalmente al efecto de dispersión. Una vez finalizadas las mediciones, se puede establecer un ajuste matemático al perfil de dispersión del material o la superficie, que luego se puede utilizar en simulaciones.

¿Cómo se simula la dispersión de la luz?

Los productos de software de simulación de Keysight, LightTools y LucidShape, ofrecen funciones para utilizar archivos de medición de dispersión de la luz, así como para modelar efectos de dispersión. Dependiendo de la naturaleza de los elementos que intervienen en el efecto de dispersión, se puede modelar la distribución de la luz en la dispersión superficial utilizando modelos matemáticos como los de Harvey-Shack, ABg, gaussiano, lambertiano y de distribución angular interpolada. Se pueden modelar partículas de dispersión volumétrica utilizando la teoría de Mie, los métodos de Henyey-Greenstein o Gegenbauer, así como otros modelos matemáticos. Los materiales con gradiente también pueden provocar un efecto de dispersión aparente, incluso si este es el resultado de un índice de refracción que cambia progresivamente en el material, dependiendo de dónde se produzca el cambio.

Gracias a sus capacidades de optimización y a funciones avanzadas como las trayectorias de los rayos, el filtrado del receptor y las funciones del móduloAdvanced , LightTools puede simular con precisión los efectos de la dispersión de la luz para el análisis de la luz difusa, donde el estudio de la dispersión es fundamental. En LucidShape, puedes utilizar los datos de dispersión de la luz para diseñar sistemas de iluminación automovilística elegantes y, al mismo tiempo, ofrecer precisión y funcionalidad que cumplan con las estrictas normativas.