La física de la óptica: cómo y por qué estudiar el comportamiento de la luz
La simulación óptica en el entorno virtual permite probar prototipos de forma virtual, reducir el tiempo de desarrollo y disminuir los costos.
El estudio del comportamiento y manejo de la luz ha sido y sigue siendo importante en diversas etapas de la humanidad, desde su comprensión básica para la visibilidad en tiempos antiguos hasta grandes hitos en la historia, como la invención de la lámpara incandescente por Thomas Edison, en 1879. La humanidad también aprendió a controlar la luz, mediante el uso y estudio de espejos y lentes para alterar su trayectoria y propiedades, definiendo lo que conocemos como un sistema óptico.
Por lo tanto, es posible afirmar que la luz está directamente relacionada con la innovación y el avance tecnológico, siendo ampliamente utilizada en diferentes industrias y aplicaciones en el campo de la ingeniería. Hoy en día, la óptica se utiliza en componentes automotrices, como faros y luces traseras, equipos para la salud y biomedicina, dispositivos para el sector de defensa y espacial, iluminación general y bienes de consumo. Es evidente que la luz está presente en todas partes, y el diseño de sistemas ópticos para cada uno de estos equipos y aplicaciones requiere un estudio complejo de cómo se comportará la luz según el proyecto del producto.
Simulación óptica: estudiando la propagación de la luz en un sistema
El entorno virtual se ha convertido en una herramienta clave para la prueba y desarrollo de productos, debido a la posibilidad de probar diversas versiones de manera virtual. Esto permite evitar los costos de prototipos físicos, reducir el tiempo y la mano de obra, y acelerar el “time to market”.
Cuando hablamos de sistemas ópticos, el entorno virtual resulta fundamental, ya que desarrollar un diseño óptico complejo puede requerir análisis avanzados del comportamiento de la luz en cada etapa del sistema. Estos análisis suelen ser inviables o muy costosos si se realizan físicamente en pruebas de laboratorio, las cuales, aunque son esenciales para la validación del producto, pueden evitarse en las etapas iniciales de concepción y optimización del diseño.
Un ejemplo cotidiano que involucra un sistema óptico de alta tecnología es la cámara de un smartphone. Su sistema óptico no es más que un conjunto de lentes de plástico moldeadas y alineadas en un espacio físico muy pequeño, lo que hace que su diseño sea aún más desafiante en la búsqueda de la mejor calidad de imagen.
En la Figura 1 se puede analizar un ejemplo del diseño óptico:
Figura 1: Sistema óptico de la cámara de un smartphone.
En este sistema intervienen diversas variables de diseño, como el material de las lentes, la distancia focal y la forma de las lentes. Estas características determinan magnitudes físicas como aberraciones ópticas, astigmatismo, curvatura de campo, distorsión, aberración cromática, luz parásita, fotometría y resolución de imagen. Es fundamental analizar y optimizar estos parámetros para garantizar un buen rendimiento óptico del sistema.
Ahora otro ejemplo, este para el sector de biomedicina: la tomografía de coherencia óptica, o OCT, es un examen de imagen que utiliza la luz para obtener una imagen transversal de la retina, permitiendo la identificación y el seguimiento de enfermedades oculares. En la Figura 2 se puede observar la sección transversal de la córnea e iris (A) y el tejido de la retina (B) de un ojo humano sano.
Figura 2: Imagem OCT.
En la Figura 3 se muestra un sistema óptico representativo de un OCT, donde cada componente tiene una función específica para colimar y dirigir los haces de luz.
Figura 3: Sistema óptico OCT.
La luz emitida por la fuente se divide en dos haces mediante prismas, que luego son reflejados por espejos hacia los prismas, recombinados y dirigidos hacia un detector, donde se cuantifica la interferencia entre el haz proveniente de la muestra y el haz de referencia. Estos datos son analizados y procesados posteriormente. Para optimizar un sistema óptico como este, es necesario analizar secuencialmente cada etapa, desde la especificación de la fuente de luz hasta la selección de materiales, acabados superficiales en los espejos y el posicionamiento de los prismas.
Otras aplicaciones comunes son para equipos láser ampliamente utilizados en la industria para manufactura, detección y sensado. En la Figura 4, se puede observar un haz láser propagado a través de una lente, donde se debe garantizar que, a una determinada distancia, el rayo colimado tenga la potencia suficiente para un objetivo dado.
Figura 4: Rayo láser.
En este tipo de sistema, la optimización de la geometría y el material de la lente es crucial para un buen control del haz, ajustado a una baja potencia de la fuente de luz. Esto ayuda a evitar costos elevados y problemas relacionados con la temperatura.
Además, en la industria automotriz encontramos diversos dispositivos ópticos para la iluminación interior y exterior del vehículo, desde pantallas del panel y botones de señalización, hasta faros y luces traseras. Detrás de todos estos componentes existe un estudio óptico complejo, que no solo debe cumplir con estrictas normas de seguridad, sino también garantizar una buena percepción y la identidad visual del vehículo para el consumidor final. Esto se debe a que, en este caso, no solo la validación fotométrica, sino también la apariencia del producto, resultan ser muy importantes para los fabricantes de automóviles. A diferencia de los ejemplos anteriores, donde se hace un análisis del componente aislado, en este caso se requiere un análisis más completo de diferentes componentes juntos, ya que involucran diversas partes mecánicas con diferentes propiedades ópticas y materiales con distintos acabados superficiales, siendo necesario realizar un análisis optomecánico de los sistemas en su conjunto. En la animación a continuación, es posible visualizar la apariencia final del producto, teniendo en cuenta el rendimiento óptico de todas las diferentes funciones de la luz trasera, de acuerdo con la especificación de la fuente de luz, geometría y material de las lentes, superficies reflectantes, guías de luz y componentes mecánicos como el borde y la carcasa exterior.
Análisis de la linterna traseira.
En este tipo de análisis virtual, es posible visualizar la apariencia del producto de acuerdo con la fisionomía del ojo humano, reproduciendo efectos que solo el ojo humano percibe, según la luminosidad y la adaptación del ojo al entorno, como el efecto de «glare» al mirar directamente a luces de alta intensidad.
Cuando se habla de temas como ADAS (“Advanced driver-assistance systems”) y vehículos autónomos, los sensores ópticos también son fundamentales para el desarrollo de sistemas inteligentes como este, ya que son los sensores como cámaras, lidars y radares los que captan la información externa y la envían al sistema inteligente del vehículo. Así, además de desarrollar el sistema óptico de la cámara, por ejemplo, es posible evaluar el rendimiento del sensor en un escenario 3D determinado con propiedades ópticas e iluminación externa ambiental o artificial definidas. En la Figura 5 se puede ver el análisis de una cámara frontal del vehículo.
Figura 5: Revisión de la cámara frontal.
Por último, estos son solo algunos ejemplos de la aplicación de la simulación óptica en diferentes segmentos de la Ingeniería. En estos campos, siempre surgen nuevas tendencias tecnológicas, y por ello es cada vez más necesario contar con herramientas ágiles para poder ofrecer productos competitivos al mercado.
Para saber más sobre el uso de la simulación óptica en la Ingeniería, consulta nuestro post sobre las etapas en el diseño de faros automotrices.
