Dispersión del haz – Ancho angular del haz – Fotometría

La dispersión del haz, también llamada ancho angular, es un concepto fundamental en la fotometría y la ingeniería óptica, que describe cuán ampliamente se dispersa un haz de luz a medida que viaja desde su fuente. Este parámetro no solo determina el área iluminada, sino también la intensidad por unidad de área y la uniformidad de la distribución de la luz—factores clave para diseñadores de iluminación, ingenieros y científicos.

¿Qué es la dispersión del haz?

La dispersión del haz es el ancho angular (en grados o radianes) sobre el cual la intensidad de un haz de luz cae a una fracción definida de su valor máximo—típicamente 50% (ángulo del haz, o FWHM) o 10% (ángulo de campo). Esta medición describe cuánto se ensancha el haz a medida que se propaga, afectando tanto el tamaño como el brillo de la superficie iluminada.

• Dispersión de haz estrecha: Produce un punto pequeño e intenso (ej.: reflectores, punteros láser).
• Dispersión de haz amplia: Resulta en un baño de luz amplio y menos intenso (ej.: luminarias de inundación, iluminación general de áreas).

Matemáticamente, la dispersión del haz se visualiza como el ángulo entre las direcciones desde la fuente donde la intensidad cae al umbral especificado. En óptica, especialmente en sistemas láser, esto se llama “divergencia”, normalmente medida en milirradianes.

Términos clave relacionados

¿Por qué es importante la dispersión del haz?

• Área iluminada: La dispersión del haz determina el área cubierta a una distancia determinada. Un ángulo pequeño crea un punto concentrado; un ángulo amplio cubre una zona mayor.
• Uniformidad: Superponer dispersión de haz adecuada asegura una iluminación uniforme y reduce el deslumbramiento o zonas oscuras, lo cual es crítico para la seguridad en carreteras, campos deportivos y aeródromos.
• Selección de luminarias: Los fabricantes especifican la dispersión del haz para que los diseñadores seleccionen los dispositivos adecuados.
• Diseño del sistema: La dispersión del haz afecta la altura de montaje, el direccionamiento y el espaciamiento de luminarias para una disposición óptima.
• Rendimiento óptico: En láseres e imágenes, la dispersión afecta la resolución y el enfoque.

Sistemas de clasificación

Clasificación de dispersión del haz NEMA

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) divide los ángulos de campo (donde la intensidad cae al 10%) en tipos estándar:

Tipos de distribución de luz IES

La Illuminating Engineering Society (IES) clasifica los patrones de luminarias de exteriores:

Medición de la dispersión del haz

Cálculo por fórmula

Para convertir el ángulo del haz en ancho del haz a una distancia dada:

Dispersión del haz = 2 × tan(Ángulo del haz ÷ 2) × Distancia

Ejemplo:
Un ángulo del haz de 30° a 10 pies:

• Dispersión del haz ≈ 2 × tan(15°) × 10 ≈ 5.36 pies

Para ángulos pequeños (<60°):
Dispersión del haz ≈ Ángulo del haz (°) × 0.018 × Distancia (pies)

Medición fotométrica

• Luxómetros: Miden la intensidad en varios puntos; se identifican los ángulos donde la intensidad cae al 50% o 10% del pico.
• Perfiladores de haz: Usados para láseres, mapean la intensidad 2D y la divergencia.
• Diagramas polares: Muestran la intensidad luminosa según el ángulo; los ángulos del haz y de campo se leen donde la intensidad cruza el umbral correspondiente.

Los datos suelen almacenarse en archivos IES o EULUMDAT para simulación de iluminación y cumplimiento normativo.

Divergencia del haz (óptica)

En sistemas láser/ópticos, la divergencia se da en radianes o milirradianes. Para un haz gaussiano:

θ = λ / (π × w₀)

Donde λ es la longitud de onda y w₀ es el radio de cintura del haz.

Ejemplo:
Láser de 1064 nm, cintura de 1 mm: θ ≈ 0.34 mrad

Una baja divergencia permite haces largos y enfocados (LIDAR, óptica de espacio libre).

Efectos del medio ambiente y del medio

• Dispersión: Por niebla, polvo o agua, aumenta la dispersión del haz y reduce la direccionalidad.
• Absorción: Reduce la intensidad, aumentando con la distancia.
• BSF/PSF: La función de dispersión del haz y la función de dispersión puntual describen el ensanchamiento del haz en medios turbios, afectando aplicaciones subacuáticas, atmosféricas o biomédicas.

Normas y referencias

• CIE e IES: Normas fotométricas para medición y reporte.
• NEMA: Define los tipos angulares de haz para luminarias.
• OACI (Anexo 14): Establece parámetros de dispersión para iluminación de aeródromos y aviación.
• ANSI/IES: Métodos para pruebas fotométricas y reporte de datos.

Aplicaciones avanzadas

• Aviación: Asegura que pistas y rodajes sean visibles desde ángulos de aproximación prescritos, conforme a regulaciones OACI.
• Iluminación arquitectónica/escénica: Dispersión personalizada para efectos y precisión.
• Láser/LIDAR: Divergencia controlada para medición y comunicación.
• Teledetección/imagenología subacuática: Considera el ensanchamiento del haz y la pérdida de intensidad provocados por el medio.

Resumen

La dispersión del haz es un pilar de la fotometría y el diseño de sistemas ópticos, ya que define cómo se distribuye la luz, qué tan bien se ilumina un área y cómo se comportan los sistemas en condiciones reales. Ya sea especificando luminarias, diseñando iluminación de aeródromos o desarrollando comunicaciones ópticas, comprender y controlar la dispersión del haz asegura seguridad, eficiencia y cumplimiento normativo.

Para saber más

• CIE 013.3-1995: Método para medir y especificar el índice de reproducción cromática de fuentes de luz
• ANSI/IES LM-63, LM-79: Pruebas y reporte fotométrico
• OACI Anexo 14: Diseño y operaciones de aeródromos
• IES Lighting Handbook