traduccion iluminacion

LUZ Y OPTICA CAPITULO 1

CAPITULO 1

LUZ Y OPTICALa búsqueda para entender la naturaleza de la luz ha guiado la curiosidad de los humanos dentro de los secretos íntimos del átomo y fuera de los alcances más lejanos del universo estrellado.

Ben Bova

FUNDAMENTOS

Para propósitos de luminotecnia, la sociedad de ingeniería de iluminación de Norte América (IESNA) define luz como “energía radiante que es capaz de excitar la retina humana y crear una sensación visual”.

Como una cantidad física, la luz está definida en términos de su eficiencia relativa a todo lo largo del espectro electromagnético que se extiende aproximadamente entre 380 y 780 nm. Visualmente, hay una cierta variación individual en la eficiencia dentro de estos límites.

TEORIAS

Una de las primeras teorías que describen la luz implico la idea de que la luz se emite desde los ojos, y esto hace visible lo que fue golpeado por las emisiones. Aristóteles rechaza esta teoría al cuestionar por qué no podíamos ver en la oscuridad. Desde entonces, muchas teorías alternativas han sido propuestas. Desde el punto de vista físico, estas teorías generalmente consideran a la luz como la transferencia de energía de un lugar a otro. Algunas teorías se tratan brevemente a continuación:

TEORIA CORPUSCULAR

Esta teoría se deduce de la observación de que las partículas que se mueven, o corpúsculos, poseen energía cinética. Esta postura fue defendida por Isaac Newton (1 642-1727). Se basa en tres premisas:

1. Los cuerpos luminosos emiten energía radiante en partículas.2. Las partículas son expulsadas intermitentemente en línea recta. 3. Las partículas actúan sobre la retina, estimulando una respuesta que

produce una sensación visual.

1


TEORIA ONDULATORIA

Esta teoría se deduce de la observación de que las ondas pueden transferir energía aunque el medio en sí mismo no viaje. Esta postura fue defendida por Christiaan Huygens (1629-1695). Que también se basa en tres premisas:

1. La luz es el resultado de la vibración molecular en el material luminoso.2. Las vibraciones son transmitidas a través de un "éter" como movimientos

ondulatorios (comparables a ondas en el agua), y las vibraciones reducen su velocidad al entrar en medios mas densos.

3. Las vibraciones transmitidas actúan sobre la retina, estimulando una respuesta que produce una sensación visual.

TEORÍA ELECTROMAGNETICA

Esta teoría fue formulada por James Clerk Maxwell(1831-1879), y se basa en tres premisas:

1. Los cuerpos luminosos emiten luz en forma de energía radiante.2. La energía radiante se propaga en forma de ondas electromagnéticas.3. Las ondas electromagnéticas actúan sobre la retina, estimulando una

respuesta que produce una sensación visual.

TEORIA CUANTICA

Una forma moderna de la teoría corpuscular fue formulada por Max Planck, y se basa en dos premisas:

1. La energía es emitida y absorbida en cuantos de luz (fotones)2. La magnitud de cada cuanto, Q, se determina por el producto de h y v,

donde h es 6.626*10-34 J.S (constante de Planck), v es la frecuencia de vibración de los fotones en Hz, y Q es la energía en Joules.

Esta teoría proporciona una manera de determinar la cantidad de energía de cada cuanto. Se deduce de esta teoría que la energía se incrementa con la frecuencia.

TEORIA UNIFICADA

Teoría propuesta por Louis de Broglie y Werner Heisenberg y se basa en dos premisas:

1. Cada elemento movible de masa tiene asociado con él una onda cuya longitud está dada por la ecuación:

2


λ= hmv

Donde:

λ: longitud de onda h: constante de Planck m: masa de la partícula v: velocidad de la partícula.

Figura 1-1. La energía (electromagnética) del espectro radiante.

2. Es imposible determinar simultáneamente todas las propiedades que son características de una onda o un corpúsculo.

Las teorías cuántica y de ondas electromagnéticas proporcionan una explicación de las características de la energía radiante de preocupación para la ingeniería de iluminación. Si la luz se considera como una onda o un fotón, su radiación se produce por procesos electrónicos en el sentido más exacto del término. La luz se produce en un cuerpo incandescente, de descarga de gas, o un dispositivo de estado sólido por electrones excitados que se están acomodando a sus posiciones más estables en sus respectivos átomos, liberando energía.

3


LA LUZ Y EL ESPECTRO DE ENERGÍA

La teoría ondulatoria permite una representación gráfica conveniente de la energía radiante en un arreglo ordenado de acuerdo con su longitud de onda o frecuencia. Este arreglo se denomina espectro. Es útil para indicar la relación entre las diversas regiones de longitud de onda de la energía radiante. Tal representación gráfica no debe ser interpretada para indicar que cada región del espectro divide a las demás de alguna manera física; Hay una transición gradual de una región a otra. El espectro de la energía radiante se extiende a lo largo de un rango de longitudes de onda de 10-16 para 105 m. El Angstrom (Å), el nanómetro (nm), y el micrómetro (µm), las cuáles son respectivamente 10-10, 10-9, y 10-6 m, son unidades de longitud comúnmente usadas en la región visible del espectro.

El nanómetro es la unidad preferida de longitud de onda en las regiones ultravioleta (UV) y visibles del espectro. El micrómetro es normalmente usado en la región infrarroja (IR).

De especial importancia para la ingeniería de iluminación son tres regiones del espectro electromagnético: UV, visible e IR. A partir de las aplicaciones prácticas y el efecto obtenido, la región del UV se divide en las siguientes bandas (para propósitos de ingeniería, la región "luz negra" se extiende ligeramente dentro de la porción visible del espectro):

Otra división del espectro UV, a menudo utilizado por fotobiólogos, está dada por la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE):

La energía radiante en el espectro visible se encuentra entre 380 y 780 nm. Para fines prácticos, la energía radiante infrarroja está dentro de la gama de longitud de onda de 0,78 a 103 micras. Esta banda está arbitrariamente dividida como sigue:

4


En términos generales, a diferencia de la energía UV, la energía infrarroja no se evalúa en una longitud de sino más bien en función en cuanto de toda esa energía incide sobre una superficie. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son la calefacción industrial, secado, cocción y reproducción fotográfica. Sin embargo, algunas aplicaciones, tales como dispositivos de visualización de IR, implican detectores sensibles a una gama limitada de longitudes de onda; en tales casos, las características espectrales de la fuente y del receptor son de importancia.

Figura 1-2. Velocidad de la luz de una longitud de onda de 589 nm

Todas las formas de energía radiante se transmiten a la misma velocidad en el vacío (299.793 km/s, o 186.282 mi/s). Sin embargo, cada forma difiere en la longitud de onda y, por lo tanto, en su frecuencia. La longitud de onda y la velocidad pueden ser modificadas por el medio a través del cual pasan, pero la frecuencia permanece constante, independiente del medio. Así, a través de la ecuación:

velocidad= λ∗vn

Donde

n: índice de refracción del medio λ: longitud de onda en el vacío ν: frecuencia en Hz

Es posible determinar la velocidad de la energía radiante y también indicar la relación entre la frecuencia y la longitud de onda. La figura 1-2 muestra la velocidad de la luz en medios diferentes para una frecuencia correspondiente a una longitud de onda de 589 nm en el aire.

La luz es... cierto movimiento o una acción, concebida de una manera muy sutil, que llena los poros de todos los cuerpos....

René Descartes, en La Dioptrique, 1637

5


RADIACION DE CUERPO OSCURO

La intensidad y las propiedades espectrales de la radiación de un cuerpo oscuro dependen exclusivamente de su temperatura. La radiación de un cuerpo oscuro puede aproximarse por la potencia radiante emitida desde una pequeña apertura en el interior de una caja, cuyas paredes se mantienen a una temperatura constante (Figura 1-3).

La luz emitida por una fuente de luz práctica, particularmente de una lámpara incandescente, se describe a menudo en comparación con la radiación de un cuerpo oscuro. En teoría, toda la energía emitida por las paredes del radiador de cuerpo negro es finalmente reabsorbida por las paredes; es decir, ninguno escapa de la caja. Por lo tanto, un cuerpo oscuro, para la misma área, irradiará más energía total a una determinada longitud de onda que cualquier otra fuente de luz que funciona a la misma temperatura.

Figura 1-3. Pequeña abertura en un recinto exhibe características de cuerpo negro.

Entre 1948 a 1979, la luminancia de un cuerpo oscuro, operando a la temperatura de congelación del platino (2042 K), fue utilizada como una estándar internacional de referencia para definir la unidad de intensidad luminosa. Específicamente, tiene una luminancia de 60 cd/m2. Desde la operación y mantenimiento de un cuerpo oscuro en el punto de congelación del platino en una empresa de gran envergadura, se adoptó una nueva definición de la candela en 1979. La candela es ahora, básicamente, la intensidad luminosa de una fuente de 555,016 nm cuya intensidad radiante es 1/683 W/sr. La nueva unidad fotométrica se basa en una unidad eléctrica, el vatio, que puede medirse con precisión y convenientemente con un radiómetro eléctricamente calibrado. Otra ventaja de esta definición es que la magnitud de la unidad es independiente de la escala internacional de temperatura, que en ocasiones cambia.

6


LEY DE LA RADIACIÓN DE PLANCK: Los datos que describen las curvas de radiación de un cuerpo oscuro fueron obtenidos por Lummer y Pringsheim usando un tubo especialmente construido que se calienta de manera uniforme como la fuente. Planck, introduciendo el concepto de cuantos discretos de energía, desarrolló una ecuación que representa a estas curvas. Se da la radiancia espectral de un cuerpo oscuroen función de la longitud de onda y la temperatura. Vea la definición de la ley de la radiación de Planck en el Glosario.

La figura 1-4 muestra la radiancia espectral de un cuerpo oscuro, en una escala logarítmica, como una función de la longitud de onda para varias temperaturas absolutas.

LEY DE LA RADIACIÓN DE WIEN: En el rango de temperatura de las lámparas incandescentes (2000 a 3400 K) y en la región de longitud de onda visible (380 a 780 nm), una simplificación de la ecuación de Planck, conocida como la ley de la radiación Wien, da una buena representación de la distribución de la radiancia espectral de un cuerpo oscuro (véase en el glosario).

LEY DEL DESPLAZAMIENTO DE WIEN: Esto da la relación entre la longitud de onda máxima de la radiación de un cuerpo oscuro a diferentes temperaturas (véase la línea AB en la figura 1-4, y el Glosario).

LEY DE STEFAN-BOLTZMANN: Esta ley, obtenida mediante la integración de la expresión de Planck para Lλ de cero a infinito, dice que la energía radiante total por unidad de superficie de un cuerpo oscuro varía como la cuarta potencia de la temperatura absoluta (véase el glosario). Cabe señalar que esta ley aplica a la energía total, es decir, todo el espectro. No puede utilizarse para estimar solo la potencia en la parte visible del espectro.

7


Figura 1-4. Curvas de radiación de cuerpo negro para temperaturas de funcionamiento entre 500 y 20.000 K, mostrando Wein desplazamiento de los picos. El área sombreada es la región de

longitudes de onda visibles.

LA EMISIVIDAD ESPECTRAL

Ningún cuerpo luminoso conocido tiene el mismo poder de emisión que un cuerpo oscuro. La relación de salida de emisión de un cuerpo luminoso en cualquier longitud de onda con la de un cuerpo oscuro a la misma temperatura y la misma longitud de onda se conoce como la emisividad espectral, ε (λ), del cuerpo luminoso.

RADIACIÓN DE CUERPO GRIS

Cuando la emisividad espectral es constante para todas las longitudes de onda, el cuerpo luminoso se conoce como cuerpo gris. No hay cuerpo luminoso conocido que tenga una emisividad espectral constante en, IR, UV y longitudes de onda visibles,pero en la región visible un filamento de carbono exhibe casi una uniforme emisividad; es decir, un filamento de carbono es casi un cuerpo gris para esta región del espectro electromagnético.

CUERPOS LUMINOSOS SELECTIVOS

Cuando la emisividad de todo el material conocido varía con la longitud de onda, el cuerpo luminoso se llama cuerpo luminoso selectivo. En la Figura 1-5, las curvas de radiación para un cuerpo oscuro, un cuerpo gris, y un cuerpo luminoso selectivo (tungsteno), funcionando a 3000 K, se representan en una misma escala logarítmica para mostrar las diferencias en las características de la energía radiante.

Figura 1-5 . Curvas de radiación para cuerpo oscuro, cuerpo gris, y radiadores selectivos que operan a 3000 K.

8


TEMPERATURA DE COLOR Y DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURA

Las características de radiación de un cuerpo oscuro de área desconocida pueden ser especificadas con la ayuda de la ecuación de Planck fijándose sólo dos cantidades: la magnitud de la radiación en cualquier longitud de onda dada, y la temperatura absoluta. El mismo tipo de especificación puede ser utilizado con razonable precisión en la región visible del espectro para los filamentos de tungsteno y otras fuentes incandescentes. Sin embargo, la temperatura utilizada en el caso de cuerpos luminosos selectivos no es la del filamento sino un valor llamado la temperatura de color.

La temperatura de color de un cuerpo luminoso selectivo es la temperatura a la cual un cuerpo oscuro tendría que estar para producir el mismo color que ese cuerpo luminoso selectivo. La temperatura de color se calcula de las coordenadas de cromaticidad (u, v) de la fuente; las pequeñas diferencias entre cromaticidades de un cuerpo oscuro y una lámpara de filamento incandescente no son de importancia práctica. Esto es cierto porque las interreflexiones que se producen en la superficie interior de la hélice formada por las bobinas utilizadas en muchas lámparas de tungsteno actúan de alguna manera como un cuerpo oscuro. Así, las distribuciones de energía espectral de filamentos enrollados tienen características combinadas de un filamento directo y de un cuerpo oscuro que funciona a la misma temperatura.

La temperatura de distribución es la temperatura de un cuerpo oscuro cuya distribución de energía espectral relativa es la más cercana a la de un cuerpo luminoso selectivo. La temperatura de distribución se define de la distribución de la energía espectral de la fuente.

9


Figura 1-6 . Estructura esquemática del átomo , que muestra las órbitas de electrones alrededor de un núcleo central . Los átomos de hidrógeno y helio son los más simples de todas las estructuras

atómicas.

La temperatura del color y la temperatura de distribución sólo se aplican a las fuentes incandescentes. La relación entre temperaturas de color se utiliza para describir la luz emitida por otros tipos de fuente. El color se trata con mayor detalle en el capítulo 4.

RADIACIÓN Y ESTRUCTURA ATOMICA

Las teorías atómicas propuestas por primera vez por Rutherford y Bohr en 1913 han sido ampliadas y confirmadas por una abrumadora cantidad de pruebas experimentales. Su plantean la hipótesis de que cada átomo se asemeja a un diminuto sistema solar, como el que se muestra en la Figura 1-6.

El átomo consta de un núcleo central que posee una carga positiva +n, sobre la cual giran los electrones cargados n negativamente. En estado normal estos electrones permanecen en particulares órbitas o niveles de energía y el átomo no emite radiación.

La órbita descrita por un determinado electrón girando alrededor del núcleo es determinada por la energía de ese electrón. En otras palabras, hay una energía particular asociada con cada órbita. El sistema de las órbitas o niveles de energía es característico de cada elemento y se mantiene estable a menos que sea perturbado por fuerzas externas.

Los electrones de un átomo se pueden dividir en dos clases. La primera clase incluye los electrones de la capa interior, que no son fácilmente removidos o fácilmente excitados excepto por radiación de alta energía. La segunda clase incluye a los electrones de la capa exterior (valencia), que causan los enlaces químicos entre las moléculas. Los electrones de valencia son excitados fácilmente por la radiación UV o visible o por impacto de electrones y se pueden eliminar con relativa facilidad. Los electrones de valencia de un átomo en un sólido, cuando se les extrae su núcleo asociado, entran en la llamada banda de conducción y dan al sólido la propiedad de la conductividad eléctrica.

Después de la absorción de suficiente energía por un átomo en el estado gaseoso, el electrón de valencia es empujado a un nivel de mayor energía que está más lejos del núcleo. Eventualmente, el electrón vuelve a su órbita normal, o uno intermedio, y al hacerlo, la energía que el átomo pierde se emite en forma de un

10


cuanto de radiación. La longitud de onda de la radiación se determina por la fórmula de Planck:

Dónde:

E2: energía asociada con la órbita excitada E1: energía asociada con la órbita normal h: constante de Planck v21: frecuencia de la radiación emitida cuando el electrón se mueve del

nivel 2 al nivel 1

Esta fórmula se puede convertir a una forma más fácil de utilizar:

Dónde:

Vd: diferencia de potencial en voltios entre dos niveles de energía a través del cual los electrones desplazados hanpasadopor una transición.

FLUJO LUMINOSO Y EL LUMEN

De la particular importancia para la ingeniería de iluminación es el lumen. El objetivo de esta sección es mostrar cómo la energía eléctrica del flujo radiante (en vatios) se convierte en el flujo luminoso (en lúmenes), y describir la razón fundamental subyacente para este proceso. El lumen es, de hecho, una unidad que relaciona el flujo radiante (en vatios) y la radiación visualmente eficaz (es decir, luz) para un observador humano estándar.

Hay dos clases de fotorreceptores en el ojo humano, bastones y conos. La función fotópica Vλ describe la función de eficacia luminosa espectral de visión fotópica (cono) y la función escotópicaV'λ describe la eficacia luminosa espectral para la visión escotópica (baston) (Figura 1-7)

La función de eficiencia luminosa fotópica Vλ fue establecida en 1924 por la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE)y está basada en datos de varios

11


investigadores utilizando diferentes técnicas. Las dos principales técnicas utilizadas fueron el parpadeo fotométrico y el brillo heterocromático paso a paso.

El parpadeo fotométricoes la técnica menos variable para determinar la función de eficacia fotópica. Con esta técnica, dos luces son vistas alternativamente en sucesión rápida. El resplandor de una luz, llamado la luz de referencia, se mantiene constante mientras que el resplandor de la otra luz, llamada la luz de la prueba, que es monocromática, es variada hasta el punto en que se percibe el parpadeo mínimo. En este punto las luminancias de las dos luces son iguales. Cada longitud de onda de la luz de prueba es comparada con la luz de la referencia de esta manera.La longitud de onda asociada a la inversa de la luminosidad mínima necesaria para que coincida con la luz de referencia se define como el valor unitario de la función luminosa espectral fotópica (Vλ = 1).

En correspondencia con el resplandor heterocromatico, la luz de referencia de luminosidad constante se yuxtapone con la longitud de onda de prueba de radiación variable.El sujeto simplemente ajusta el resplandor de cada longitud de onda de prueba hasta que parezca ser igual en el resplandor a la referencia. Esta técnica es muy variable y produce resultados muy diferentes del parpadeo fotométrico a menos que la diferencia espectral entre la longitud de onda de prueba y la luz de la referencia sea pequeña. Para obtener resultados útiles, a continuación, la luz de referencia debe ser diferente para diferentes regiones del espectro. Dado los cambios de luz de referencia en todo el espectro, este método se conoce como la técnica de coincidencia de brillo heterocromática paso a paso. Una vez más, la longitud de onda asociada con el valor mínimo necesario para igualar la luz (s) de referencia se define como el valor unitario de la función fotópica.

En estos primeros experimentos utilizaron varias condiciones experimentales consistentes. Los campos de la prueba eran pequeños, generalmente de menos de 2°; la luminancia era muy baja debido a las limitaciones de la fuente de luz, y una pupila natural fue utilizada por los sujetos durante la prueba. Gibson y Tyndall11 habían juntado los resultados de varios experimentos y recomendaron una función particular de eficacia luminosa espectral para el sistema fotópica (cono), que fue aprobado por el Comité de la CIE en 1924.

Continúo la modificación de la curva CIE de 1924, basado en el trabajo de Judd en 1951. La curva de 1924 ha demostrado ser insuficiente para describir la sensibilidad visual en la región de longitud de onda corta del espectro visible. Esta curva modificada fue publicada más tarde por el CIE. Dado que no todos los ambientes de prueba de los investigadores fueron 2 ° o menos, una función estándar para un campo de 10 ° fue ideado en 1964, que muestra mayor

12


sensibilidad a longitudes de onda corta de la curva fotópica. Esto es probablemente debido al pigmento proyectado de mácula lútea (véase el capítulo 3, Visión y Percepción).

En 1951, el CIE también estableció una función de eficiencia luminosa escotópica (Figura 1-7), basado en la técnica de correspondencia brillo heterocromatico (no paso a paso). Las longitudes de onda de prueba fueron comparados con un gran campo 'blanco'de aproximadamente 20°, y el campo de prueba con una luminancia de aproximadamente 0.00003 cd/m2. El campo fue visto a través de pupilas naturales después de un largo período en la oscuridad (véase también la figura 3-8).

Es importante señalar que todos los estudios anteriores eran para color normal. Un pequeño porcentaje de la población (aproximadamente el 8 %, en su mayoría hombres) no tienen los tres fotopigmentos de cono o no disponen de los mismos colores como las personas normales. Las curvas de eficiencia luminosa fotópica serán diferentes para estas personas porque el fotopigmento de cono determina las formas de estas curvas.

La función de la eficiencia luminosa fotópica aplica estímulos visuales hacia la fóvea a niveles de luminosidad altos que son aproximadamente 3 cd/m2. La función de eficiencia luminosa escotopica aplica estímulos visuales en regiones fuera de la fóvea y a luminosidad debajo de aproximadamente 0.001 cd/m2. Requieren una familia de funciones de eficiencia luminosa mesópicas para la aplicación de estímulos luminosos entre aproximadamente 0,001 y 3 cd/m2. La investigación en esta área está en curso.

En la actualidad, las funciones de eficiencia luminosas mesópicas aún no se han definido oficialmente. Con la excepción de las mediciones especiales para fines de investigación, casi todas las cantidades fotométricas se miden fotopicamente, incluso a luminancias por debajo de 3 cd/m2 y para la visión periférica. Consulte el Capítulo 3, la visión y la percepción, para la discusión adicional sobre fotopila , escotópica y visión mesópica.

LA EFICACIA LUMINOSA DE LAS FUENTES DE LUZ

La eficacia luminosa de una fuente de luz se define como la relación entre el flujo luminoso total (en lúmenes) y la entrada total de energía (en vatios).

Hay 683 lúmenes / watt a 555 nm. Desde los picos de función escotópicas luminosos de eficiencia en una longitud de onda diferente (507 nm), es necesario establecer diferentes factores de escala para la fotópica y para las funciones de

13


eficiencia luminosa escotópicas. Por lo tanto, los lúmenes fotópicos, F y los lúmenes escotópicos, F ', deben ser determinadas a partir de la distribución de potencia espectral de la fuente luminosa:

Figura 1-7. Eficacia luminosa fotópica, V (λ), y escotópica Eficacia luminosa, V '(λ) Funciones

Donde

Pλ = potencia espectral, en vatios, de la fuente en la longitud de onda λ, Vλ = valor de la función luminosa fotópica eficiencia a λ, Δλ = intervalo en el que se midieron los valores de la potencia espectral, y

14


Donde

Vλ '= valor escotópica eficacia luminosa en función de λ.

La eficacia luminosa máxima de una fuente blanco ideal, definido como un radiador con salida constante sobre la parte visible del espectro y ninguna radiación en otras partes, es de aproximadamente 220 lm / W.

GENERACIÓN DE LUZ

Fuentes Naturales

La luz del sol .Energía con una temperatura de color de aproximadamente 6.500 K se recibe del sol a las afueras de la atmósfera terrestre a una velocidad media de unos 1.350 W/m2. Alrededor del 75 % de esta energía llega a la superficie de la Tierra a nivel del mar ( en el ecuador ) en un día claro .

La luminancia media del Sol es de aproximadamente 1.600 mcd/m2 visto desde el nivel del mar . La iluminancia en la superficie de la tierra por el sol puede ser superior a 100 KLX( 10.000fc ); en días nublados la iluminancia se reduce a menos de 10 KLX ( 1.000 fc ) . Las fórmulas para calcular estos valores están en el Capítulo 8 , La luz del día .

Luz reflejada . Una considerable cantidad de luz es dispersada por la atmósfera de la tierra. Las investigaciones de Rayleigh primero mostraron que se trataba de un verdadero efecto de dispersión. En el terreno teórico la dispersión debe variar inversamente con la cuarta potencia de la longitud de onda cuando el tamaño de las partículas de dispersión es pequeña en comparación con la longitud de onda de la luz, como en el caso de las propias moléculas de aire. El color azul de un cielo despejado y la apariencia rojiza del sol naciente o poniente son ejemplos comunes de este efecto de dispersión. Si las partículas de dispersión son relativamente grandes (las gotas de agua en una nube, por ejemplo), la dispersión es esencialmente la misma para todas las longitudes de onda (nubes aparecen de color blanco). La luz dispersada por las partes del cielo está parcialmente polarizada, hasta el 50 %.

Luz de luna. La luna brilla sólo por la reflexión de la luz solar. Puesto que la reflectancia de su superficie es más bien baja, su luminancia es sólo del orden de 2.500 cd/m2. La temperatura de color correlacionada de luz de la luna es de alrededor de 4100 K, pero puede variar ampliamente dependiendo del material en suspensión en la atmósfera. Iluminación de la superficie de la tierra con la luna puede ser tan alto como 0,1 lx ( 0,01fc ) .

15


Rayo. El rayo es un fenómeno meteorológico que surge de la acumulación, en la formación de las nubes, de tremendas cargas eléctricas, por lo general positivas, que son liberados de repente en una descarga de chispa. El espectro de rayo corresponde estrechamente a la de una chispa ordinaria en el aire, que consiste principalmente en bandas de nitrógeno, aunque las líneas de hidrógeno aparecen a veces debido a la disociación de vapor de agua.

Aurora boreal (luces del norte) y Aurora Austral (luces del sur). Estas manchas nebulosas o bandas de luz verdosa, en la que las serpentinas blancas, rosadas o rojas a veces se superponen, aparecen 100 a 200 km ( 60 a 120 millas ) por encima de la tierra. Son causadas por corrientes de electrones en espiral a la atmósfera, principalmente en las latitudes polares. Algunas de las líneas en sus espectros se han identificado con las transiciones de los electrones de valencia de estados metaestables de átomos de oxígeno y de nitrógeno.

La bioluminiscencia ." Luz Viviente " es una forma de quimiluminiscencia en el que los compuestos especiales fabricados por las plantas y los animales se oxidan, produciendo luz. Los compuestos que producen luz no siempre están obligados a estar en un organismo vivo. Muchos compuestos bioluminiscentes pueden secarse y almacenarse muchos años y, a continuación, en respuesta a la exposición al oxígeno o algún otro catalizador, emiten luz.

FUENTES ARTIFICIALES

Históricamente, las fuentes de luz se han dividido en dos tipos, incandescentes y luminiscentes. Fundamentalmente, la causa de la emisión de luz es el mismo: las transiciones electrónicas de mayor a estados de energía más bajos. El modo de excitación de electrones y la distribución espectral de la radiación resultante son diferentes, sin embargo. Sustancias sólidas incandescentes emiten un espectro continuo, mientras que las expulsiones gaseosas que irradian principalmente en las líneas espectrales discretas. Existe cierta coincidencia, sin embargo. Incandescentes elementos de tierras raras pueden emitir espectros discretos, mientras que las descargas de alta presión producen un espectro continuo.

Los dos tipos clásicos, con subdivisiones que muestran dispositivos o procesos asociados, son las siguientes ( véase también el capítulo 6 , fuentes de luz , para la discusión de algunos de los siguientes) :

I. Incandescencia

Lámparas de filamento Piroluminescencia (llama) Candoluminescencia (gas)

16


Radiación de gas de carbón

II. luminiscencia

A. fotoluminiscencia

1. Descargas de gas2. Fluorescencia3. Fosforescencia4. Los láseres

B. La electroluminiscencia

1. Lámparas electroluminiscentes (ac capacitiva)2. Diodos emisores de luz3. Catodoluminiscencia (excitación de electrones )

C. Fenómenos de luminiscentes misceláneos

1. Galvanoluminescencia( química )2. Cristaloluminescencia( cristalización )3. Quimiluminiscencia (oxidación )4. Termoluminiscencia (calor)5. Triboluminiscencia (fricción o fractura )6. Sonoluminiscencia( ultrasonidos )7. Radioluminiscencia( α , β , γ y rayos X )

INCANDESCENCIA

Incandescente Bombillas

Todos los objetos físicos familiares son combinaciones de moléculas químicamente identificables, que a su vez se componen de átomos. En materiales sólidos las moléculas se empaquetan juntas, y las sustancias mantienen su forma en un amplio rango de condiciones físicas. En contraste, las moléculas de un gas son altamente móviles y ocupan sólo una pequeña parte del espacio ocupado por el gas.

Moléculas de ambos gases y sólidos son constantemente en movimiento a temperaturas por encima del cero absoluto (0 K o 273 ° C), y su movimiento es

17


una función de la temperatura. Si el gas sólido o es caliente, las moléculas se mueven con rapidez; si hace frío, se mueven más lentamente.

A temperaturas por debajo de aproximadamente 873 K (600 ° C), sólo la energía de IR (calor) es emitida por un cuerpo, por ejemplo, una estufa de carbón o una plancha eléctrica. Transiciones electrónicas en los átomos y las moléculas a temperaturas superiores a aproximadamente 600 ° C resultar en la liberación de la radiación visible, junto con el calor.

La incandescencia de un filamento de la lámpara es causada por la acción de calentamiento de una corriente eléctrica. Esta acción de calentamiento eleva la temperatura del filamento sustancialmente por encima de 600 ° C, produciendo luz.

Piroluminiscencia (luminiscencia Llama)

Una llama es la prueba más frecuentemente observada visible de combustión. La luz de la llama puede ser debido a la recombinación de iones para formar moléculas, la reflexión de partículas sólidas en la llama, incandescencia de carbono o de otras partículas sólidas, o cualquier combinación de éstos.

El proceso de combustión es un intercambio de energía de alta temperatura entre moléculas altamente excitados y átomos . Las liberaciones de proceso e irradia energía , algunos de los cuales está en esa porción del espectro electromagnético llamada luz . La calidad y la cantidad de luz generada dependen de la combustión sometido el material . Por ejemplo , una lámpara de flash que contiene zirconio produce el equivalente de 56 lm / W , mientras que una llama de acetileno produce 0,2 lm / W.

Candoluminiscencia (Gas)

Incandescencia es exhibida por cuerpos calentados que emiten radiación de longitud de onda más corta que lo que se esperaría de acuerdo con las leyes de radiación , a causa de la fluorescencia excitada por la radiación incandescente. Materiales que producen tales emisiones incluyen el óxido de zinc, así como elementos de las tierras raras ( cerio , torio ) utilizados en el manto de gas Welsbach .

Radiación de gas de carbón

Una fuente de arco de carbono se irradia por la incandescencia de los electrodos y porque de la luminiscencia de material de electrodo vaporizado y otros constituyentes de la atmósfera gaseosa que rodea . Propagación considerable en

18


la luminancia , radiación total , y la distribución de potencia espectral se puede lograr mediante la variación de los materiales de los electrodos.

LUMINISCENCIA

La radiación de las fuentes luminosas resulta de la excitación de los electrones de valencia individuales de un átomo , ya sea en estado gaseoso , donde cada átomo está libre de interferencias de sus vecinos , o en una molécula orgánica o sólida cristalina, donde la acción de sus vecinos ejerce una marcado efecto . En el primer caso , resultado espectros de línea , tales como los de mercurio o sodio arcos . En el segundo caso , bandas de emisión estrechas resultado, que cubre una porción del espectro ( por lo general en la región visible ) . Ambos casos contrastan con la radiación de fuentes incandescentes , donde la excitación irregular a alta temperatura de los electrones libres de innumerables átomos da lugar a todas las longitudes de onda de radiación para formar un espectro continuo de la radiación , como se discute en " radiación de cuerpo negro " arriba.

Fotoluminiscencia

Descarga gaseosa. La radiación, incluida la luz, puede ser producida por los vertidos gaseosos como se discutió anteriormente con " Estructura atómica y la radiación . " Un mecanismo típico para la generación de luz ( fotones ) a partir de una descarga gaseosa (como en una lámpara fluorescente ) se describe a continuación ( Figura 1-8 ) .

1 . Un electrón libre emitida desde el cátodo choca con uno de los dos electrones de valencia de un átomo de mercurio y excita por impartir a la misma parte de la energía cinética de los electrones en movimiento, aumentando así el electrón de valencia desde su nivel normal de energía a un más alto.

19


Figura 1-8 . Diagrama de energía simplificado para el mercurio , que muestra algunas de las líneas espectrales características .

2 . El electrón de conducción pierde velocidad en el impacto y cambia de dirección , sino que continúa a lo largo del tubo para excitar o ionizar uno o más átomos adicionales antes de perder su paso a paso la energía y completando su camino . Por lo general, termina en la pared del tubo , donde se recombina con un átomo ionizado . Una parte de la corriente de electrones se recogen en el ánodo .

3 . Electrones de conducción , ya sea desde el cátodo o formados por procesos de colisión , la ganancia de energía desde el campo eléctrico , manteniendo así la descarga a lo largo de la longitud del tubo .

4 . Después de un breve retraso el electrón de valencia vuelve a su nivel normal de energía , ya sea en una sola transición o por una serie de pasos de un nivel excitado a un nivel inferior . En cada uno de estos pasos se emite un fotón ( cuanto de energía radiante ) . Si el electrón vuelve a su nivel normal de energía en una sola transición, la emitida la radiación se llama radiación de resonancia (Figura 1-9).

5 . En algunos casos (como en la lámpara de sodio de alta presión) una parte de la radiación de resonancia es la auto- absorbido por el gas de la descarga antes de que salga el sobre de descarga. La energía absorbida es entonces re - radiada como un continuo a cada lado de la longitud de onda resonante , dejando una región deprimida o oscura en ese punto en el espectro .

Fluorescencia. En la lámpara fluorescente, la radiación UV resultante de la luminiscencia del vapor de mercurio, debido a una descarga de gas se convierte en luz por un revestimiento de fósforo en el interior del tubo o camisa exterior. Si

20


esta emisión continúa sólo durante la excitación, se denomina fluorescencia. La figura 1-9 muestra esquemáticamente una sección muy ampliada de una parte de una lámpara fluorescente.

Figura 1-9. Sección transversal ampliada de una lámpara fluorescente, que muestra esquemáticamente pasos progresivos en el proceso luminiscente, que finalmente resulta en la

liberación de la radiación visible.

Figura 1-10. Curva de fluorescencia de un fósforo típica, mostrando la excitación inicial por los rayos ultravioletas y posterior liberación de la radiación visible.

Figura 1-11. Diagrama de energía simplificado para un fósforo típico.

21


Figura 1-12. Características de color de importantes Fósforos Lámpara fluorescente

Los fósforos usados en las lámparas fluorescentes son compuestos inorgánicos cristalinos de excepcionalmente alta pureza química y de composición controlada a la que se han añadido pequeñas cantidades de otras sustancias ( los activadores ) para convertirlos en materiales fluorescentes eficientes . Con la combinación adecuada de los activadores y los compuestos inorgánicos , el color de la emisión se puede controlar . Un modelo esquemático típico para un fósforo se da en la figura 1-10 , y un diagrama de energía para un fósforo típico se muestra en la figura 1-11 . En el estado normal el electrón oscila alrededor de la posición A en la curva de energía en la figura 1-11 , como la red se expande y contrae debido a la vibración térmica . Para el fósforo para emitir luz primero debe absorber la radiación . En la lámpara fluorescente se trata principalmente a 253,7 nm. La energía absorbida transfiere el electrón a un estado excitado en la posición B. Después de la pérdida de exceso de energía a la red como energía vibracional( calor ) , el electrón de nuevo oscila alrededor de una posición estable C durante un tiempo muy corto , después de lo cual vuelve a la posición D en la curva normal de energía , con la emisión simultánea de un fotón de radiación . La ley de Stokes , que indica que la radiación emitida deberá ser de mayor longitud de onda que la absorbida , se explica fácilmente por este modelo . A continuación, vuelve a A con una mayor pérdida de energía en forma de calentar y está listo para otro ciclo de excitación y de emisión .

22


Debido a la oscilación alrededor de las dos posiciones estables A y C , los procesos de excitación y emisión cubren los rangos de longitud de onda , comúnmente conocida como bandas.

En algunos fósforos dos activadores están presentes . Uno de ellos , el activador primario , determina las características de absorción y se puede utilizar por sí solo , ya que también da emisión . El otro , el activador secundario, no entra en el mecanismo de absorción , sino que recibe su energía por transferencia dentro del cristal de un activador de primaria vecina. La luz emitida por el activador secundaria es más largo en longitud de onda que la de la activador primaria . La cantidad relativa de emisión de los dos activadores se determina por la concentración del activador secundario . Los fósforos que ahora se utilizan en la mayoría de las lámparas fluorescentes "blancas" se fósforos de halofosfato de calcio doblemente activados en combinación con los fósforos activados - tierras raras .

Figura 1-12 muestra los colores característicos y usos de fósforos empleadas actualmente en la fabricación de lámparas fluorescentes . Figura 1-13 da las características de algunos fósforos útiles con lámparas de mercurio y halogenuros metálicos . Las impurezas que otros activadores y cantidades excesivas de activadores tienen un efecto perjudicial grave sobre la eficiencia de un phosphor.

La fosforescencia .En algunos materiales fluorescentes, los electrones pueden ser atrapados en estados excitados metaestables durante un tiempo que varía de milisegundos a días. Después de la liberación de estos estados que emiten luz. Este fenómeno se denomina fosforescencia . Los estados metaestables se encuentran ligeramente por debajo de los estados excitados habituales responsables de la fluorescencia, y la energía que suele obtenerse de calor se requiere para transferir el electrón del estado metaestable al estado emisor . Desde el mismo estado que emite se implica generalmente , el color de la fluorescencia y la fosforescencia es generalmente la misma para un fósforo dado. En fósforos doblemente activados los phosphoresces activadoras secundarios más largo que el activador primario , por lo que los cambios de color con el tiempo. Corta duración fosforescencia es importante en las lámparas fluorescentes en la reducción de parpadeo en la operación actual (ac ) alterna.

Los fósforos activados por la radiación IR tienen un tipo inusual de fosforescencia . Después de excitación que muestran fosforescencia , que se vuelve invisible en unos pocos segundos . Sin embargo , conservan una cantidad considerable de energía atrapada en los estados metaestables , que puede ser liberado como la luz por la radiación IR de la longitud de onda apropiada .

23


Laser. Láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) son de gran interés para iluminar ingenieros (véase el capítulo 6, las fuentes de luz) . Además de amplificar la luz, láseres producen luz intensa, altamente monocromática , bien colimada , luz coherente.

Figura 1-13 . Características de color de algunos fósforos para mercurio y lámparas de halogenuros metálicos

La luz coherente consta de irradiación, cuyas ondas se encuentran en fase con respecto al tiempo y el espacio. La luz ordinaria , aunque puede contener una proporción finita de la luz coherente, es incoherente porque los procesos atómicos que causan sus emisiones se producen de forma aleatoria . En un láser, sin embargo, las transiciones electrónicas se activan ( estimuladas ) por una onda de la misma frecuencia que la luz emitida. Como consecuencia , un haz de luz es emitido , cuyos ondas están en fase y de la misma frecuencia .

Un requisito previo para la acción del láser es un proceso de bombeo mediante el cual un nivel de electrones superior e inferior en el material activo se someten a una inversión de población . La fuente de bombeo puede ser una luz , como en un láser de rubí , o excitación electrónica , como en un láser de gas . La elección de materiales con láser es bastante limitado . En primer lugar , debe ser posible altamente rellenar un nivel electrónico superior ; segundo , debe haber una transición de emisión de luz a partir de este nivel superior con una larga vida útil ; en tercer lugar, un nivel más bajo debe existir que puede ser despoblada , ya sea de forma espontánea o mediante bombeo.

Construcción láser es tan importante para la acción del láser , como es el material fuente . Dado que las longitudes de onda de luz es muy corta como para permitir la construcción de una cavidad resonante , largas cámaras multi- nodal se hacen con reflectores paralelos en cada extremo para alimentar a la radiación de fondo hasta que tiene lugar la acción láser . El efecto es producir luz bien colimado que es altamente direccional. Tomemos como ejemplo el láser de color rosa rubí, cuyas transiciones electrónicas se muestran en la Figura 1-14, y cuya mecánica

24


de construcción se indica en la figura 1-15. Este láser es bombeado por un tubo de flash (A), y electrones en el rubí (b) son criados desde el nivel E1 a E3. Los electrones decaen rápidamente y espontáneamente de E3 a E2. A continuación, pueden moverse espontáneamente de E2 a E1 y lentamente emitir luz fluorescente, hν21 (véase la Ecuación 1-3), o bien pueden ser estimuladas para emitir luz coherente, hν21. El reflector completa (c) y el reflector parcial (d) canalizar la radiación coherente, hν21, hasta que se ha acumulado suficiente para emitir hν21 luz coherente a (d). El hecho de que este punto de vista se ha reflejado en numerosas ocasiones por espejos paralelos asegura que está bien colimado. Los electrones están entonces disponibles para su posterior bombeo (Figura 1-16)

Figura 1-14 . Representación esquemática simplificada de las transiciones electrónicas en un láser de rubí .

Laser Gas . En un láser sólido hay tres requisitos: un material que reacciona con energía a la luz, una inversión de población generados por el bombeo de la energía en el nivel correcto y un crecimiento de la energía interna causada por la reflexión de fotones dentro del sólido. Mientras que los mismos requisitos se cumplen en un láser de gas , otras dos características están disponibles, es decir, líneas fuertes y estrechas espectrales y emisión desigual en los diferentes niveles de energía. Un ejemplo de un láser de gas tal es que contiene una mezcla de helio y neón ( figura 1-17 ) . El helio se utiliza como gas energizante porque tiene un nivel desde el que se puede perder energía sólo por la colisión . Este nivel corresponde a aquella en la que el neón emite energía en forma de luz roja. En energizante helio en una descarga de gas en el interior de una cavidad cuyos extremos están reflexionando y que contiene tanto el helio y el neón, el helio transferencias de energía por colisión con neón. El neón excitado emite fotones , las cuales comienzan a amplificar en cascada entre las dos superficies de reflexión hasta que la energía interna es tan grande que las pérdidas a través del espejo parcialmente la transmisión se hacen iguales a las ganancias internas y el láser se satura

25


Figura 1-15. Diagrama simplificado de un láser de rubí.

Figura 1-16. Cascada de fotones en un láser sólido. Antes de que comience la acumulación, átomos en el cristal de láser son en el estado fundamental (a). Bombeo de luz [flechas en (b)]

plantea la mayoría de los átomos en el estado excitado. La cascada (c) comienza cuando un átomo excitado emite espontáneamente un fotón paralelo al eje del cristal (fotones emitidos en otras

direcciones salen del cristal). La acumulación continua en (d) y (e) a través de miles de reflexiones de ida y vuelta de las superficies plateadas en los extremos del cristal). Cuando la amplificación es

lo suficientemente grande, la luz pasa a cabo en (f).

26


Figura 1-17. Estructura del láser de gas de helio-neón , muestra las partes esenciales. El funcionamiento del láser depende de la mezcla correcta de helio y el neón para proporcionar un

medio activo . Un excitador de radio - frecuencia pone la energía en el medio . El haz de salida se construye mediante pases repetidos de ida y vuelta entre las placas finales que reflejan .

Semiconductor láser. Un tercer tipo de láser utiliza un material sólido semiconductor donde la corriente de electrones que fluye a través de una unión entre los de tipo p ( deficiente en electrones ) y el material ( rico en electrones ) de tipo n produce electrones adicionales en la banda de conducción ( figura 1-18 ) . Estos irradian sobre su transición de regreso a la banda de valencia o estados de menor energía . Si la corriente de la unión es lo suficientemente grande , habrá más electrones cerca del borde de la banda de conducción que los que hay en el borde de la banda de valencia , y puede producirse una inversión de población . Para utilizar este efecto , el cristal de semiconductores se pule con dos caras paralelas perpendiculares al plano de unión . Las ondas amplificadas a continuación, se pueden propagar a lo largo del plano de la unión y se reflejan hacia atrás y adelante en las superficies.

Electroluminiscencia

Ciertos fósforos convierten la energía de CA directamente en la luz , sin necesidad de utilizar una etapa intermedia como en una descarga de gas , utilizando el fenómeno de electroluminiscencia .

Figura 1-18. Diagrama de un p-n LED unión.

Figura 1-19. Sección transversal esquemática de una lámpara electroluminiscente

27


Lámparas electroluminiscentes (ac capacitivas). Una lámpara electroluminiscente se compone de un conductor de área de dos dimensiones (transparente u opaco) sobre la que se deposita una capa de dieléctrico - fósforo . Un segundo conductor de área de dos dimensiones de material transparente se deposita sobre la mezcla de dieléctrico - fósforo .

Un campo eléctrico alterno se establece entre los dos conductores con la aplicación de un voltaje a través de los conductores (área) de dos dimensiones . Bajo la influencia de este campo , algunos electrones en el fósforo electroluminiscente son excitados . Durante el regreso de estos electrones a su tierra o estado normal el exceso de energía se irradia como luz.

Figura 1-19 muestra una vista en sección transversal de una lámpara electroluminiscente . Figura 1-20 da las propiedades de algunos fósforos electroluminiscentes .

El color de la luz emitida por una lámpara electroluminiscente depende de la frecuencia , mientras que la luminancia depende de la frecuencia y el voltaje . Estos efectos varían de fósforo a fósforo .

La eficacia de los dispositivos electroluminiscentes es bajo en comparación con las lámparas incandescentes . Es del orden de unos pocos lúmenes por vatio .

Diodos emisores de luz . Diodos emisores de luz (LED) producen luz mediante electroluminiscencia cuando se aplica corriente directa de bajo voltaje a un cristal convenientemente dopado que contiene una unión pn (Figura 1-18) . El dopaje se lleva a cabo típicamente con elementos de la columna III y V de la tabla periódica de elementos . Cuando es activado por una corriente de polarización directa , si la unión pn emite luz a una longitud de onda definida por la diferencia de energía región activa , Eg .

El fenómeno se observó ya en 1923 en los cruces de origen natural , pero no se consideró práctico debido a su bajo rendimiento luminoso en la conversión de energía eléctrica a la luz. La eficacia ha aumentado considerablemente desde entonces de tal manera que los LED se utilizan para las señales , indicadores , letreros y pantallas.

28


Figura 1-20. Propiedades de algunos fósforos electroluminiscentes

Cuando se aplica la corriente de polarización directa Si , los electrones portadores minoritarios se inyectan en el p- región y correspondientes electrones portadores minoritarios se inyectan en la región n . Emisión de fotones se produce como resultado de la recombinación electrón-hueco en la región p .Electron transiciones de energía a través de la brecha de energía , llamados recombinaciones radiativas , producen fotones ( es decir , luz) , mientras que las transiciones de energía de derivación , llamadas recombinaciones no radiantes , producen fonones (es decir , calor) .

El intersticio de banda de energía Por ejemplo , se muestra en la figura 1-18 , es la separación entre la banda de energía de conducción y la banda de energía de valencia en el cristal de semiconductores . Las características de la banda prohibida de energía determinan la eficiencia cuántica y las longitudes de onda de radiación del dispositivo de LED . Por ejemplo , la longitud de onda de energía radiante , λ , está dada por donde h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz .

Las eficacias luminosas de LEDAlInGaP típicos y los LED de InGaN para diferentes longitudes de onda de los picos se muestran en la figura 1-21 .

La eficacia depende de la energía visible generado en la unión y las pérdidas debidas a la reabsorción cuando intentos de luz para escapar a través del cristal. Debido al alto índice de refracción de la mayoría de los semiconductores, la luz es reflejada por la superficie en las cristalinas y altamente atenuada antes de finalmente salir. La eficacia se expresa en términos de este último Energía visible medible se llama la eficacia externa. Los grados de acción externos son moderados, aunque las eficacias internas se calculan a ser muy alta . Para obtener más información, consulte el capítulo 6 , las fuentes de luz .

29


Catodoluminiscencia .Catodoluminiscencia es luz emitida cuando una sustancia es bombardeada por un haz de electrones de un cátodo , como en los tubos de rayos catódicos y la imagen de televisión .

Figura 1-21 . Propiedades de los LEDsAlInGaPyInGaN

Varios fenómenos de la luminiscencia

Galvanoluminiscencia .Galvanoluminiscencia es la luz que aparece en el ánodo o el cátodo cuando se electrolizan soluciones .

Cristaloluminiscencia. se observa cuando las soluciones se cristalizan ; que se cree que es debido a la rápida reforma de moléculas de iones . La intensidad aumenta después de agitar , quizás a causa de triboluminiscencia ( ver abajo).

La quimiluminiscencia. La quimiluminiscencia (oxiluminiscencia) es la producción de luz durante una reacción química a temperatura ambiente. Los verdaderos quimiluminescentes son las reacciones de oxidación que implican cambios de valencia.

La termoluminiscencia. La termoluminiscencia es luminiscencia exhibida por algunos materiales cuando se calienta ligeramente . En todos los casos de termoluminiscencia , el efecto depende de una cierta iluminación anterior o la radiación del cristal . Diamantes, apatita mármol , cuarzo y fluorita son termoluminiscencia .

Triboluminiscencia. Triboluminiscencia ( piezoluminiscencia ) es la luz producida por temblores, la fricción o por aplastamiento cristales. Luz triboluminiscentes puede ser consecuencia de los centros de luz inestables previamente expuestos a alguna fuente o la radiación , como la luz , los rayos X , las emisiones de radio y los rayos catódicos ; centros no están expuestos a la radiación anterior , pero característico del propio cristal ; o descargas eléctricas de fracturar los cristales.

Sonoluminiscencia. Sonoluminiscencia es luz que se observa cuando las ondas sonoras se transmiten a través de fluidos . Se produce cuando los fluidos están completamente protegidos de un campo eléctrico y siempre está conectado con cavitación ( la formación de cavidades de gas o vapor en un líquido ) . Se cree que

30


las burbujas de gas minuto de gas cavitada desarrollan una carga considerable a medida que aumenta la superficie. Cuando se colapsan , su capacitancia disminuye y su tensión se eleva hasta una descarga tiene lugar en el gas , causando una luminiscencia débil .

Radioluminiscencia .Radioluminiscencia es la luz emitida por un material bajo el bombardeo de los rayos α , rayos β , δ rayos , o radiografías .

DETECCIÓN DE LUZ

Históricamente, el ojo se utiliza para la mayoría de las evaluaciones fotométricas . Hoy en día, los detectores físicos casi han eliminado la evaluación visual para fines fotométricas. Dos tipos comunes de detectores físicos en uso hoy en día son los fotodiodos y los tubos fotomultiplicadores. Detectores térmicos y detectores fotoconductores se utilizan para mediciones de IR .

Fotodiodos

Los fotodiodos son los fotodetectores más utilizados para fotometría y radiometría .Debido a su excelente linealidad y estabilidad ( ausencia de fatiga) , que reemplazan las células de selenio , que habían sido ampliamente utilizados . Los fotodiodos están basados en uniones pn de estado sólido que reaccionan a los estímulos externos como la luz . En lugar de emisión de luz para la unión pn del LED , los fotones son absorbidos en la unión pn ( figura 1-18 ) . Detectores están hechos de materiales específicos de estado sólido , tales como silicio, germanio , y de indio - arseniuro de galio ( InGaAs ) . Fotodiodos de silicio tienen la sensibilidad de la radiación UV a la región IR cercano del espectro , y su respuesta espectral generalmente aumenta aproximadamente de forma lineal con la longitud de onda en la región visible del espectro . En combinación con un filtro de respuesta espectral fotópica , fotodiodos de silicio se emplean comúnmente en fotómetros . Recientes fotodiodos de silicio de alta calidad tienen un rango dinámico de ocho órdenes de magnitud o más grande y también se pueden utilizar con la electrónica especiales para niveles muy bajos donde se habían requeridos fotomultiplicadores

Sobre la base de la física cuántica de fotodiodos , algunos tipos de fotodiodos de silicio de alta calidad se pueden utilizar como estándares radiométricas de alta precisión . Este método, llamado técnica de auto - calibración de fotodiodos de silicio, se introdujo a finales del 1970s.25 , 26 Hoy en día, las normas radiométricas de mayor precisión emplean radiómetros criogénicos , pero fotodiodos de silicio se utilizan ampliamente como los patrones de

31


transferenciamás estables en la radiometría en la región visible y el infrarrojo cercano del espectro electromagnético .

Tubos fotomultiplicadores

Tubos fotomultiplicadores ( PMT) son ampliamente utilizados como detectores para aplicaciones fotométricas y radiométricas que requieren alta sensibilidad ( figura 1-22 ) . Un PMT es un tubo de vacío con un fotocátodo , un número de dínodos ( es decir , una serie de electrodos ) , y un ánodo . Las altas tensiones se aplican entre el fotocátodo y dynodes y el ánodo. El primer elemento , el fotocátodo , es polarizado negativamente y se expulsará fotones (llamado fotoelectrones ) en respuesta a la energía radiante , por el efecto fotoeléctrico. Los fotoelectrones golpean los próximos dynodes con mayor energía , la creación de más electrones (electrones secundarios) , que fluyen a la siguiente dínodo donde se emiten incluso más electrones , causando finalmente un efecto cascada que multiplica el número original de fotoelectrones por varios órdenes de magnitud . Por lo tanto , fotomultiplicadores tienen una sensibilidad muy alta . Rangos de respuesta espectral dependen del fotocátodo y el tipo de vidrio en el sobre exterior , pero que generalmente cubren la región visible . Algunos otros se extienden a la UV y regiones de infrarrojo cercano del espectro . La estabilidad de la tensión de alimentación a la PMT es especialmente crítico para mediciones precisas . Fotodiodos de silicio generalmente son más estables que PMT . Fotómetros que emplean un PMT generalmente requieren una fuente de calibración interna .

Figura 1-22 . Diagrama esquemático de un fotomultiplicador y su circuito eléctrico . De: G. Wyszecki y W. Stiles, La ciencia del color . Copyright © 1982 . Reproducido con permiso de John

Wiley&Sons , Inc.

Detectores térmicos

32


Termópilas y bolómetros son conocidos como detectores térmicos . Detectores térmicos tienen una superficie receptora de luz revestida con el material negro como el carbón negro negro y oro. Cuando la luz incide sobre la superficie de color negro , que hace que la superficie temperatura en aumento debido a la radiación absorbida. El aumento de la temperatura es proporcional a la potencia de la radiación absorbida .Termópilas emplean una serie de termopares para medir la temperatura. Bolómetros emplean materiales metálicos o semiconductores que tienen resistencia dependiente de la temperatura .

Detectores térmicos se utilizan muy poco en la fotometría debido a su baja sensibilidad ( en varios órdenes de magnitud inferior a fotodiodos de silicio ) y el tiempo de respuesta lento . Una ventaja de detectores térmicos , sin embargo , es que tienen respuesta espectral general, no selectivo , y en consecuencia son muy adecuados para las mediciones de potencia radiante . Detectores térmicos se utilizan a menudo en la región IR del espectro donde otros detectores cuánticos no están disponibles .

Detectores fotoconductoras

Detectores fotoconductoras son semiconductores cuya resistencia cambia directamente como resultado de la absorción de fotones . Estos detectores utilizan materiales tales como sulfuro de plomo ( PbS) , seleniuro de plomo ( PbSe ) , teluro de cadmio mercurio ( HgCdTe ) , sulfuro de cadmio ( CdS ) y seleniuro de cadmio ( CdSe ) . Detectores fotoconductoras son ampliamente utilizados para las mediciones de IR .

ÓPTICA CONTROL

Ópticos de control se puede proporcionar en un número de maneras . Todos son aplicaciones de uno o más de los siguientes fenómenos :reflexión, refracción , polarización , interferencia , difracción , difusión , y absorción .

Figura 1-23. La ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia , theta i , es igual al ángulo de reflexión , θr .

33


Reflexión y Reflectores

La reflexión es el proceso por el cual una parte de la luz que cae sobre un medio deja que el medio desde el lado de incidencia. Reflexión puede ser especular, difusión, difusa o compuesto, y selectivo o no selectivo. Reflexión desde la parte frontal de una placa transparente se llama reflexión de primera superficie, y que a partir de la parte de atrás se llama reflexión de segunda superficie. Refracción y la absorción mediante el apoyo a los medios de comunicación se evitan en la reflexión de primera superficie.

Reflexión especular. Si se pule una superficie, que refleja especularmente; es decir, el ángulo entre el rayo reflejado y la normal a la superficie será igual al ángulo entre el rayo incidente y la normal, como se muestra en la figura 1-23 . Si se reflejan dos o más rayos, pueden producir una imagen virtual, erecta o invertida de la fuente.

Reflectores especulares. Ejemplos de reflectores especulares son :

1. Metal pulido suave y superficies de vidrio o de plástico liso aluminizados o plateadas. Lámparas reflectoras utilizar la reflexión de primera superficie cuando el interior del bulbo está recubierto con un metal delgada que refleja la superficie de espejo, como se muestra en la Figura 1 - 24b. La luz reflejada desde la superficie superior de un medio transparente, tal como una placa de vidrio, como en la figura 1 - 24a y C , también es un ejemplo de la reflexión de primera superficie . Como se muestra en la figura 1-25, menos de 5 % de la luz incidente se refleja en la primera superficie a menos que golpea la superficie con ángulos amplios de la normal . El brillo de la seda y el brillo de papel liso o recubiertos son imágenes de las fuentes de luz se reflejan en la primera superficie.

2. Retrovisores de superficie. Parte de la luz, la cantidad dependiendo del ángulo de incidencia, se refleja por la primera superficie. El resto pasa por el medio transparente a un revestimiento de espejo de la superficie posterior, donde se refleja como se muestra en la figura 1 - 24c.

Reflexión a partir de superficies curvas. La figura 1-26 muestra la reflexión de un haz de luz por una superficie cóncava y por una superficie convexa. Un rayo de luz que incide sobre la superficie en el punto T obedece la ley de la reflexión (Figura 1-25), y mediante la adopción de cada rayo por separado , los caminos de varias refleja los rayos se pueden construir .

34


Figura 1-24. Reflexiones de (a) un medio transparente, tal como vidrio transparente placa, y de (b) frente a la superficie y (c) retrovisores de superficie.

En el caso de los rayos paralelos reflejada desde una superficie cóncava, todos los rayos pueden ser dirigidos a través de un punto F común mediante el diseño adecuadamente la curvatura de la superficie. Esto se conoce como el punto focal. La longitud focal FA se denota por f.

Corrida de Reflexión. Si una superficie reflectante no es lisa (es decir, corrugado, grabado al agua fuerte, o martillado), se extiende rayos paralelos en un cono de rayos reflejados, como se muestra en la Figura 1-27b.

Corre Reflectores. Superficies con una ligera textura o martillados reflejan los rayos individuales en ángulos ligeramente diferentes, pero todos en la misma dirección general. Estos se utilizan para suavizar las irregularidades de haz y donde se desea un control moderado o mínimo la dispersión del haz.

Figura 1-25. Efecto del ángulo de incidencia y del estado de polarización en el porcentaje de luz reflejada en una superficie aire-vidrio: (a) de luz que está polarizada en el plano de incidencia; (b) La luz no polarizada; (c) la luz que es polarizada en un plano perpendicular al plano de incidencia.

35


Figura 1-26 . Punto focal y la distancia focal de las superficies curvas .

Cepillado, superficies onduladas, con hoyuelos , grabados o guijarros consisten en pequeñas superficies especulares en planos irregulares. El cepillado de la superficie de la imagen se propaga en ángulo recto con el cepillado .Guijarros , martillado , o superficies grabadas producen una mancha aleatoria de los puntos destacados . Estos se utilizan cuando se requieren grandes vigas libres de estrías y las imágenes de incandescencia .

El ángulo a través del cual se propagan las reflexiones puede ser controlado por granallado adecuada , para los que las ecuaciones que describen radio de peen y profundidad están disponibles . Shot- o arenado y grabado pueden causar graves pérdidas en la eficiencia como resultado de múltiples reflexiones en direcciones aleatorias .

Reflexión difusa . Si un material tiene una superficie rugosa o se compone de cristales minutos o partículas de pigmento , la reflexión es difusa . Cada rayo que cae en una partícula infinitesimal obedece la ley de la reflexión , pero a medida que las superficies de las partículas están en planos diferentes , que reflejan la luz en muchos ángulos , como se muestra en la figura 1 - 27c .

Reflectores difusos . Pinturas planas y otros acabados y materiales mates reflejan en todos los ángulos y muestran poco control de la dirección . Estos se utilizan cuando se desea la amplia distribución de la luz.

36


Figura 1-27. El tipo de reflexión depende de la superficie: (a) superficie pulida (especular); (b) la superficie áspera (extendido); (c) superficie mate (difusa).

Reflexión Compuesto. La mayoría de los materiales comunes son reflectores compuestos y presentan los tres componentes de reflexión (especular, se difunden y difusa) en diferentes grados. En algunos, uno o dos componentes predominan, como se muestra en la Figura 1 - 28. Especular y estrechamente propagan reflexiones (por lo general los reflejos de superficie) hacen que el brillo de aluminio grabado y pintura semibrillante.

Difundir-Reflectores especulares. Esmalte de porcelana, acabados sintéticos brillantes y otras superficies con un transparente brillante terminar más de una exposición de base mate ningún control direccional a excepción de un rayo especularmente reflejada como se muestra en la figura 1-28a, con una intensidad de aproximadamente 5 a 15% de la luz incidente.

37


Figura 1-28. Los ejemplos de compuesto reflexión: (a) difuso y especular; (b) difuso y extendido; (c) especular y propagación.

Figura 1-29. La reflexión total se produce cuando sen r = 1. El IC ángulo crítico varía con el medio.

Reflexión total . La reflexión total de un rayo de luz en una superficie de un medio de transmisión ( figura 1-29 ) se produce cuando el ángulo de incidencia ( theta i ) excede de un cierto valor cuyo seno es igual a n2/n1 , la relación de índices de refracción . Si el índice de refracción del primer medio ( N1 ) es mayor que la del segundo medio ( N2 ) , θr pecado se convertirá en la unidad cuando theta i pecado es igual a n2/n1 . En los ángulos de incidencia mayor que este ángulo crítico , los rayos incidentes se reflejan totalmente (Figura 1-30). En la mayor parte de vidrio reflexión total se produce siempre que theta i pecado es mayor que 0,66 , es decir, para todos los ángulos de incidencia mayor que 41.8 ° (vidrio al aire ). Tuberías de luz por el alumbrado lateral y la transmisión de luz a través de varillas y tubos , son ejemplos del total reflexión ( interna). Cuando la luz , que pasa a través del aire , golpea una pieza de vidrio ordinario ( n2/n1 ≈ 1,5 ) normal a su superficie , aproximadamente el 4 % se refleja desde la superficie superior y 4 % de la superficie inferior . Aproximadamente el 92 % de la luz se transmite . La proporción de los aumentos de luz reflejados como el ángulo de incidencia se incrementa ( figura 1-25 ) .

38


Figura 1-30 . Representación de la transmisión de luz a través de una sola fibra de un sistema de fibra óptica , que muestra ( a) reflexiones internas y ( b ) el efecto de la localización de la fuente de

luz sobre la colimación de la luz .

Fibra óptica. La fibra óptica es la rama de la óptica de que se trate con las fibras , vidrio o plástico cilíndrica delgada de calidad óptica. Entrar en un extremo de la fibra de luz se transmite al otro extremo a través del proceso de reflexión interna total ( figura 1-30 ) . Con el fin de evitar fugas de luz desde una fibra , que está recubierta con un material de bajo índice de refracción . Un gran número de fibras ( de 100 a 1.000.000 ) pueden ser agrupados juntos para formar un haz . Haces de fibras son de dos tipos principales: coherentes y no coherentes . La primera se utilizan para la transmisión de imágenes , y cada fibra individual está orientado cuidadosamente con respecto a sus vecinos en todo el paquete . Paquetes no coherente tienen localizaciones de fibra al azar en el paquete , pero son adecuados para la transmisión de la luz entre puntos.

Refracción y refractores

Un cambio en la velocidad de la luz ( velocidad de propagación , no la frecuencia ) se produce cuando un rayo sale de un material y entra en otro de mayor o menor densidad óptica . La velocidad se reducirá si el medio introducido es más denso , y aumentar si es menos denso .

Excepto cuando la luz entra en un ángulo normal a la superficie del nuevo medio , el cambio en la velocidad está siempre acompañado por una flexión de la luz de su trayectoria original en el punto de entrada , como se muestra en la figura 1-31 . Esto se conoce como refracción . El grado de flexión depende de las densidades relativas de las dos sustancias , en la longitud de onda de la luz , y en el ángulo de incidencia , siendo mayor para las grandes diferencias en la densidad que para los pequeños . La luz se dobla hacia la normal a la superficie cuando se entra en un medio más denso , y lejos de la normal cuando se entra en un menos denso material.

Cuando la luz se transmite de un medio a otro, cada rayo sigue la ley de la refracción. Cuando los rayos huelga o entrar en un nuevo medio, también pueden estar dispersos en muchas direcciones debido a las irregularidades de la superficie, tales como grietas finas, marcas de molde, arañazos o cambios en el contorno, o debido a los depósitos extranjeros de suciedad, grasa o humedad.

39


Figura 1-31. La refracción de los rayos de luz en una superficie plana provoca la flexión de los rayos incidentes y el desplazamiento de los rayos emergentes. Un rayo que pasa a partir de una

rara a un medio más denso se dobla hacia la normal a la interfaz, mientras que un rayo que pasa a partir de una densa a un medio más raro se dobla alejándose de la normal.

La ley de Snell. La ley de la refracción (ley de Snell) se expresa como sigue:

donde

n1 = índice de refracción del primer medio, theta i = ángulo de incidencia del rayo de luz formas con la normal a la

superficie, n2 = índice de refracción del segundo medio, θr = ángulo de las formas de rayos de luz refractado con la normal a la

superficie.

Cuando el primer medio es el aire, de los cuales el índice de refracción por lo general se toma como 1 (el valor de vacío; esta aproximación es correcta hasta tres decimales), la fórmula se convierte en

Las dos interfaces de la placa de vidrio se muestra en la figura 1-31 son paralelas, y por lo tanto la entrada y los rayos emergentes también son paralelos. Los rayos son desplazadas una de otra (una distancia D) debido a la refracción.

Ejemplos de refracción. Un ejemplo común de refracción es la aparente flexión de una paja en el punto donde entra en el agua en un vaso de bebida. Aunque la paja es recta, los rayos de luz procedentes de la parte de la paja bajo el agua se refractan cuando pasan desde el agua en el aire y parecen provenir de puntos más altos.

40


Directores de luz prismáticas, como se muestra en la figura 1-32a y b, pueden ser diseñados para proporcionar una variedad de distribuciones de luz utilizando los principios de la refracción. Sistemas de lentes que controlan la luz por refracción se utilizan en los faros de automóviles y en el faro, reflector y lentes de Fresnelspotlight.

Prismas. Considere la posibilidad de la ley de Snell:

Esta ecuación indica, ya que la velocidad de la luz es una función de los índices de refracción de los medios de comunicación que participan y también de la longitud de onda, que la trayectoria de la salida de un prisma será diferente para cada longitud de onda de la luz incidente y para cada ángulo de incidencia (figura 1-33). Esta separación ordenada de la luz incidente en su espectro de longitudes de onda componentes se conoce como dispersión.

41


Figura 1-32. Los sistemas ópticos que utilizan las propiedades de refracción de prismas y lentes: (a) unidad de iluminación de la calle en la que la pieza exterior controla la luz en direcciones

vertical (concentración de los rayos en un haz estrecho en alrededor de 75 ° respecto a la vertical) y la pieza de re interno dirige la luz en el plano horizontal. El resultado es un tipo de "dos vías" de

la distribución de la intensidad. (b) de la lente prismática durante fluorescentes intercepta luminaria lámpara tanta luz como sea posible, volviendo a dirigir parte de la zona de resplandor a las direcciones más útiles (c) cilíndrico y lentes de Fresnel plana. (d) Como reflejo de prisma.

Refractan Prismas. El grado de curvatura de la luz en cada superficie del prisma es una función de los índices de refracción de la medios de comunicación y el ángulo de prisma (A en la Figura 1-33). La luz puede ser dirigida con precisión dentro de ciertos ángulos por tener el ángulo adecuado entre las caras del prisma.

Figura 1-33. La luz blanca se dispersa en sus colores componentes por la refracción al pasar por un prisma. El ángulo de desviación D (ilustrado por la luz verde) varía con la longitud de onda.

Prismas refractores son utilizados en dispositivos tales como lentes de los faros y las luminarias de refracción . En el diseño de equipos de refracción , las mismas

42


consideraciones generales de la distribución apropiada de flujo son válidas como para el diseño de reflectores . Después de la ley de Snell de la refracción , los ángulos de prisma se pueden calcular para proporcionar la desviación adecuada de los rayos de luz desde la fuente . Para la mayoría de los materiales transparentes disponibles comercialmente como vidrios y plásticos , el índice de refracción se encuentra entre 1,4 y 1,6 .

A menudo , por la colocación apropiada de los prismas , es posible limitar la estructura prismática a una superficie de la refractor , dejando las otras superficies lisas para facilitar el mantenimiento . El número y el tamaño de los prismas utilizados se rigen por varias consideraciones. Entre ellos son la facilidad de fabricación y mantenimiento conveniente de equipo de iluminación en servicio .uso de un gran número de pequeños prismas pueden magnificar el efecto de redondeo de los prismas que se produce en la fabricación ; Por otro lado , los pequeños prismas producen una mayor precisión de control de la luz .

Acanalado y prismático Superficies. Estos pueden ser diseñados para difundir los rayos en un mismo plano o dispersarse en todas direcciones . Dichas superficies se utilizan en lentes, elementos luminosos , bloques de vidrio , ventanas y claraboyas.

Como reflejo de prismas . Estos reflejan la luz interna , como se muestra en la figura 1 - 32d , y se utilizan en luminarias y marcadores con retro Directiva. Su calidad de rendimiento depende de la rugosidad de las superficies reflectantes, la exactitud de los ángulos de prisma , la eliminación de la suciedad en contacto óptico con la superficie , y la eliminación ( en la industria) de error prismático .

Objetivos . Lentes positivas forman haces convergentes e imágenes reales invertidos como en la figura 1 - 34a . Lentes negativas forman haces divergentes y , imágenes invertidas virtuales como en la Figura 1 - 34b .

Escaleras y lentes de Fresnel . El peso y el costo de vidrio en grandes lentes utilizados en los equipos de iluminación se pueden reducir haciendo pasos cilíndricos en la superficie plana . El hueco, retrocedieron superficie reduce la cantidad total de vidrio de la lente. En un método desarrollado por Fresnel , como se muestra en la figura 1 - 33c , la cara curva de la lente escalonada se convierte en anillos curvos y la parte posterior es plana . Tanto el escalonado y lentes de Fresnel reducen el espesor de la lente , y la acción óptica es aproximadamente la misma . Aunque prismas exteriores son ligeramente más eficiente , es probable que recoger más polvo . Por lo tanto , caras prismáticas se forman a menudo en el interior

43


Figura 1-35 . Aberraciones de la lente .( a) La aberración esférica : convergencia de los rayos paralelos en diferentes puntos focales a diferentes distancias desde el eje de una lente . ( b ) Coma

: diferencia en el aumento lateral de los rayos que pasan a través de diferentes zonas de una lente . ( c ) Chromatism : a diferencia de longitud focal de rayos de diferentes longitudes de onda. ( d ) El astigmatismo y la curvatura : la existencia de dos planos paralelos de dos focos lineales

perpendiculares entre sí y un plano de la imagen curvo. ( e) Distorsión : una diferencia en el aumento de los rayos que pasan a través de una lente en diferentes ángulos .

Las aberraciones de la lente .Hay , en total, siete principales aberraciones de la lente : la aberración esférica, coma , axiales y cromatismo lateral , astigmatismo , la curvatura y distorsión (Figura 1-35 ) . Por lo general son de poca importancia en las lentes utilizadas en tipos comunes de equipos de iluminación. Cuanto más simple sea el sistema de lentes , más difícil es para corregir las aberraciones.

Transmisión y Materiales Transmisión

La transmisión es una característica de muchos materiales : vidrio, plástico , textiles, cristales , y así sucesivamente . La τ transmitancia luminosa de un material es la relación entre la luz total emitida a la luz total de incidentes; que se ve afectada por reflexiones en cada superficie del material , como se explica en la figura 1-24 , y por absorción dentro del material . Figura 1-36 listas de características de varios materiales .

La ley de Lambert de Bouguer . Absorción en un medio de transmisión claro es una función exponencial del espesor del medio atravesado :

44


donde

I = intensidad de la luz transmitida, I0 = intensidad de la luz que entra en el medio después de la reflexión de la

superficie, α = coeficiente de absorción que caracteriza las propiedades de absorción

de una unidad de espesor del medio, τ = transmitancia de una unidad de espesor, d = espesor del medio atravesado. La densidad óptica D es el logaritmo

común de la inversa de la transmitancia:

Corre Transmisión . Materiales de transmisión Spread ofrecen una amplia gama de texturas . Se utilizan para el control de brillo , como en los focos de luz heladas , en elementos luminosos donde se desean acentos de brillo y la chispa y brillo en los globos de luminarias que encierra moderadamente uniformes. Se debe tener cuidado en la colocación de lámparas para evitar el deslumbramiento y la apariencia irregular.

La figura 1 -37a muestra un haz de luz que incide sobre el lado liso de una pieza de vidrio grabado . En la Figura 1 - 37b , el lado esmerilado es hacia la fuente , una condición que con muchos de tierra o de otro vidrios rugosas resultados en apreciablemente mayor transmitancia . Para uso en exteriores , la superficie rugosa normalmente debe estar encerrado para evitar la acumulación de suciedad excesiva.

Transmisión difusa . Materiales de difusión dispersan la luz en todas las direcciones , como se muestra en la Figura 1 - 37C . Plásticos y vidrio blanco , ópalo , y prismáticas se utilizan ampliamente en donde se desea un brillo uniforme

Transmisión mixta . Transmisión mixta es el resultado de una característica de difusión espectralmente selectiva exhibida por ciertos materiales , tales como vidrio de ópalo fina , que permite la transmisión regular de ciertos colores (longitudes de onda ), mientras que la difusión de otras longitudes de onda . Esta característica en vidrio varía en gran medida , dependiendo de factores tales como su tratamiento térmico , composición , el grosor y la longitud de onda de la luz incidente.

45


Figura 1-36. Reflexionando y transmitir Materiales

46


Figura 1-37 .( a) la transmisión de propagación de la luz incidente sobre la superficie lisa de figurado , grabado al agua fuerte , suelo y muestras de vidrio martillado . ( b ) la transmisión de

propagación de la luz que incide sobre la superficie rugosa de las mismas muestras. ( c ) la transmisión difusa de la luz incidente sobre el ópalo sólido y de cristal opal brilló , plástico blanco o

una hoja de mármol. ( d ) La transmisión mixta a través del cristal opalescente.

polarización

La luz no polarizada consiste en ondas electromagnéticas visibles tener vibraciones transversales de igual magnitud en un número infinito de planos , todos los cuales oscilar alrededor de la línea que representa la dirección de propagación ( figura 1-38 ) . Al explicar las propiedades de la luz polarizada , es común para resolver la amplitud de las vibraciones de cualquier rayo de luz en componentes que vibran en dos planos ortogonales que contienen cada una el rayo de luz . Estas dos direcciones principales se refieren generalmente como las vibraciones horizontales y verticales. La componente horizontal de la luz es la suma de las componentes horizontales de la infinidad de vibraciones que componen el rayo de luz . Cuando los componentes horizontales y verticales son iguales, la luz no está polarizada . Cuando estos dos componentes no son iguales, la luz es parcialmente o totalmente polarizado como se muestra en la figura 1-38.La polarización porcentaje de luz desde una fuente o luminaria en un ángulo determinado se define por la siguiente relación:

donde IV y Ih son las intensidades de las componentes vertical y horizontal de la luz, respectivamente, en el ángulo dado.

Figura 1-38 . Las representaciones gráficas de luz polarizada y no polarizada .

Referencia a la luz polarizada verticalmente o de la luz polarizada horizontalmente puede ser engañoso, ya que sugiere que todas las ondas de luz vibran ya sea horizontal o verticalmente. Una mejor terminología sería referirse a la luz en un instante dado como que consiste en un componente de vibración en un plano horizontal y otro componente de vibración en un plano vertical . Una terminología

47


general sería identificar los componentes de la luz en función de dos planos de referencia , como se muestra en la Figura 1-39 . uno plano es el plano de la tarea en el punto del rayo de luz incidente , y el segundo plano es el plano de incidencia : el plano perpendicular al plano de la tarea y que contiene el rayo de luz incidente . A continuación, los dos componentes de la luz serían referido como el componente paralelo , o el componente en el plano de incidencia , y la componente perpendicular . este terminología se aplicaría a cualquier posición de trabajo y estaría libre de ambigüedad con respecto a la orientación espacial .

La luz polarizada se puede producir de cuatro maneras : ( 1 ) la dispersión , ( 2 ) de birrefringencia , ( 3 ) de absorción , y (4 ) la reflexión y la refracción .

La dispersión es el mecanismo de polarización en la luz del día ; es decir , la luz de un cielo azul claro está parcialmente polarizada debido a la dispersión de la luz por las partículas en el aire.

Figura 1-39. Los planos de referencia de una tarea.

La birrefringencia, o propiedad de doble refracción, de ciertos cristales se pueden utilizar para lograr la polarización. Sin embargo, el tamaño de estos cristales limita esta técnica para aplicaciones científicas; no es adecuado para la iluminación general.

Polarización por absorción se puede lograr mediante el uso de polarizadores dicroicos. Estos polarizadores absorben toda la luz que se encuentra en un plano particular y transmiten un alto porcentaje de la luz polarizada en un plano perpendicular. Un alto porcentaje de polarización se puede conseguir por este método, pero con una pérdida del total de transmitancia luminosa. Este tipo de polarizador se utiliza comúnmente en gafas de sol, donde está orientada para transmitir la componente vertical de la luz, mientras que la supresión de la (típicamente reflejada) componente horizontal.

48


Figura 1-40. Polarización por reflexión en una superficie de vidrio-aire está en un máximo cuando el ángulo de incidencia i más el ángulo de refracción r es igual a 90 °.

Figura 1-41. Principio de polarizadores de múltiples capas.

La luz puede ser polarizada mediante la utilización de las características de reflexión de los materiales dieléctricos. Cuando la luz es reflejada por una superficie de vidrio, es parcialmente polarizada; un mayor porcentaje de la componente horizontal se refleja que de la componente vertical . En aproximadamente 57 ° (ángulo de Brewster ) , la luz reflejada contiene sólo la componente horizontal (Figura 1-25 ) . Por esta una superficie , sin embargo, sólo 15 % de la componente horizontal incidente es reflejada . La luz transmitida a través de una placa en este ángulo se compone de la porción restante de la componente horizontal y todo el componente vertical del haz original . La luz resultante se polariza parcialmente (Figura 1-40 ) . Como se añaden placas de vidrio adicional al sistema , más y más de la componente horizontal es reflejada y la luz transmitida se polariza más completamente verticalmente . Una pila de placas de vidrio , como se muestra en la figura 1-41 , se convierte así en un método de producción de la polarización , y el efecto de polarización es mayor al ángulo de Brewster . La polarización porcentaje es menor en todos los otros ángulos y es cero para un rayo de luz con incidencia normal . Polarización por este

49


método se puede conseguir mediante la disposición de vidrio o de plástico copos en un material adecuado.

interferencia

Cuando dos ondas de luz de la misma longitud de onda se unen en diferentes fases de su vibración , que se combinan para formar una sola onda cuya amplitud es entre la diferencia y la suma de las amplitudes de los dos, dependiendo de su fase relativa . La figura 1-42 ilustra este concepto para las ondas de agua en una piscina. Las olas tienden a anularse entre sí en las líneas de nodo. La figura 1-43 muestra la interferencia resultante cuando la luz se refracta y refleja de películas delgadas . Una parte de la luz incidente ab se refleja por primera vez como bc . Parte se refracta como bd , lo que refleja de nuevo como de , y finalmente emerge como ef. Si olas bc y ef tienen frentes de onda de anchura apreciable , que se superponen e interfieren . Recubrimientos de interferencia óptica se han utilizado durante muchos años en las cámaras , proyectores y otros instrumentos ópticos y puede reducir la reflexión de las superficies transmisoras , separada de calor de la luz , transmitir o reflejar la luz de acuerdo al color , aumentar los reflejos de reflectores , o llevar a cabo otras funciones de control de la luz. Presentes en la naturaleza ejemplos de interferencia son pompas de jabón y las manchas de petróleo . Además, muchas aves , insectos y peces consiguen sus colores iridiscentes de películas de interferencia . La aplicación de recubrimientos de interferencia puede aumentar significativamente la reflectancia de los reflectores y la transmitancia de vidrio o luminaria cajas de plástico.

Las películas de baja reflectancia. Películas de interferencia óptica dieléctricas se aplican a las superficies para reducir la reflectancia ,transmitancia aumenta , y por lo tanto mejorar la relación de contraste. Las películas que son un cuarto de longitud de onda de espesor con un índice de refracción entre el del medio que rodea el vaso y la del vidrio se utilizan. El más duro y más películas permanentes son los de fluoruro de magnesio se condensa en la superficie de transmisión después de la evaporación térmica en vacío.

50


Figura 1-42. Interferencia.

El habitual 4 % de reflexión en las superficies no recubiertas aire- vidrio puede ser reducida a menos de 0,5 % en cada superficie filmado en incidencia normal , como resultado de la cancelación de la interferencia entre las ondas reflejadas en la película de aire - a - y la película - a - vidrio superficies . Revestimientos dieléctricos se pueden hacer muy específico a una longitud de onda reflejada o , mediante la variación de espesor o índice de refracción de la capa , repartidos en un intervalo de longitud de onda amplia .

Revestimiento dicroico. Un recubrimiento multicapa que transmite o refleja selectivamente porciones del espectro se puede añadir a materiales ópticos . A menudo llamados espejos calientes o fríos , tales revestimientos son eficientes en su reflexión selectiva y transmisión, respectivamente, de la energía infrarroja . Los recubrimientos están diseñados típicamente para la radiación incidente en 45 ° o 90 ° a la superficie revestida . Las desviaciones del ángulo previsto cambiarán la reflejada y la energía transmitida . Resultados no deseados se producen cuando se utilizan filtros dicroicos en amplios haces de luz , ya que el color varía entre el haz resultante.

Sobres de la lámpara caliente de espejo , que reflejan IR de nuevo a un filamento, se utilizan con lámparas de tungsteno - halógeno especiales para aumentar su eficacia sin aumentar su potencia y reduciendo su vida.

Figura 1-43 . La interferencia constructiva y destructiva.

difracción

Debido a su naturaleza de onda , la luz será redirigido a su paso por un borde opaco o a través de una pequeña abertura . El frente de onda se amplía a medida que pasa por una obstrucción , produciendo una sombra confusa , en lugar de fuerte , de la arista . La intensidad y la extensión espacial de la sombra depende de las características geométricas de la orilla , la extensión física (tamaño y forma)

51


de la fuente , y las propiedades espectrales de la luz. La luz que pasa a través de una pequeña hendidura producirá alternando luz y barras oscuras como los frentes de onda creadas por los dos bordes de la hendidura interfieren uno con el otro .

Difusión: La difusión es la ruptura de un haz de luz y la difusión de sus rayos en todas las direcciones por la reflexión y la refracción irregular de partículas microscópicas cristalinas, gotas o burbujas dentro de un medio de transmisión , o de irregularidades microscópicas de la superficie reflectante. Difusión perfecta rara vez se logra en la práctica , pero a veces se asume en los cálculos a fin de simplificar las matemáticas (Figuras 1 - 27c ) .

Absorción: La absorción se produce cuando un haz de luz pasa a través de un medio transparente o traslúcido o se encuentra con un cuerpo denso tal como una superficie de reflector opaco. Si la intensidad de todas las longitudes de onda de la luz que pasa a través de un cuerpo transparente se reduce en casi la misma cantidad, se dice que la sustancia para mostrar la absorción general. La absorción de ciertas longitudes de onda de la luz con preferencia a otros se denomina absorción selectiva. La mayoría de los objetos de color deben su color a la absorción selectiva en alguna parte del espectro visible, con la reflexión resultante y la transmisión en otras partes seleccionadas del espectro.

52

traduccion iluminacion

Documents