Esta nota es una revisión resumida de Reconsidering the spectral distribution of light: Do people perceive watts or photons? de C. Martinsons y un amplio equipo de colaboradores en la revista Lighting Research & Technology, publicado el 1 de mayo de 2024.

Al analizar la distribución espectral de la luz, comúnmente se considera tanto la energía (vatios) como el número de partículas (fotones), ya que ambos son aspectos complementarios de la luz. La energía describe la cantidad total de luz emitida, mientras que el número de fotones describe la cantidad de partículas individuales de luz que se emiten. Ambos son importantes para comprender cómo interactúa la luz con la materia y cómo se percibe la luz.

En el texto se aborda un problema fundamental en el campo de la iluminación: las ambigüedades y errores asociados con el análisis y la interpretación de la distribución espectral de la luz. Los autores señalan que estas «ideas erróneas» pueden llevar a afirmaciones infundadas en la comunidad científica y técnica.

El objetivo principal del texto es desafiar y corregir las concepciones erróneas al analizar cómo se representa la luz espectralmente y, si el estudio de sus efectos debería basarse en la energía (vatios) o en el número de partículas (fotones).

Problemas clave identificados en la representación espectral de la luz:

Influencia de la variable independiente: La forma de la distribución espectral (la «curva» que vemos) cambia drásticamente según la variable independiente que se elija para graficarla, como la longitud de onda (nm) o la frecuencia (Hz). Esto se debe a que la distribución espectral es una función de densidad, y una simple sustitución de variables no es suficiente. Por ejemplo, el pico de la irradiancia solar espectral puede aparecer cerca de 500 nm (luz visible) cuando se grafica en función de la longitud de onda, pero se desplaza a cerca de 880 nm (infrarrojo) cuando se grafica en función de la frecuencia.

De manera similar, para un LED blanco típico, el pico de emisión del fósforo puede estar en 565 nm en la representación de longitud de onda, pero en 583 nm en la representación de frecuencia. Las magnitudes relativas de los picos también cambian, lo que significa que afirmaciones como «la emisión azul es más intensa que la emisión de fósforo» no siempre están justificadas y pueden ser ambiguas.

Esto implica que no se puede definir una «longitud de onda de emisión máxima» sin ambigüedad, y métricas como la «relación azul-amarillo» pueden ser engañosas.

La naturaleza de partícula de la luz (sistema de fotones): Más allá de la variable independiente, el texto subraya la importancia de considerar la luz no solo como una cantidad radiométrica (energía en vatios) sino también como un flujo de fotones (número de fotones por segundo).

Dado que la energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda (o directamente proporcional a su frecuencia), la forma de la distribución espectral de fotones es inherentemente diferente de la distribución de potencia espectral (SPD).

Como ejemplo, el pico de emisión de fósforo de un LED blanco se desplaza a 591 nm en el sistema de fotones cuando se expresa en función de la frecuencia, lo que contrasta con los 565 nm en la representación radiométrica de longitud de onda.

El artículo enfatiza que, al usar la distribución de fotones, las funciones de ponderación espectral (espectros de acción) también deben estar relacionadas con el número de fotones, no con cantidades radiométricas. Existen pautas claras (BIPM) para transformar estos espectros.

En el artículo argumenta que, aunque ambos sistemas (radiométrico y de fotones) son correctos, cada uno es más adecuado para describir diferentes tipos de efectos. El sistema radiométrico es intrínsecamente más apropiado para describir fenómenos térmicos. Mientras que el sistema de fotones es fundamentalmente más adecuado para describir reacciones fotoquímicas y fotobiológicas, incluyendo la visión y los importantes efectos no visuales mediados por los ojos. Esto se debe a que estos procesos dependen del número de fotones capturados por los fotorreceptores, no solo de la energía total.

El uso de unidades de fotones en el diseño experimental puede proporcionar «conocimientos más sólidos y significativos sobre las relaciones dosis-efecto». Además, es especialmente relevante en condiciones de poca luz, donde solo unos pocos fotones son capturados, haciendo que el sistema radiométrico sea menos adaptable.

Conclusiones y recomendaciones clave

Este artículo señala en primer lugar varios conceptos erróneos asociados a una interpretación incorrecta de la distribución espectral de la luz. La ubicación y la magnitud de los picos y valles del espectro de una fuente luminosa pueden cambiar significativamente en función de la representación elegida. Por tanto, no es posible definir sin ambigüedad la longitud de onda de emisión máxima. La forma de la distribución espectral se ve afectada significativamente por la elección de la variable de trazado y por la elección entre una evaluación radiométrica o basada en fotones. La magnitud relativa de los picos y las depresiones de la distribución difiere mucho según la representación elegida. Por ejemplo, una distribución espectral típica de LED blancos alcanza su valor máximo en la gama azul en la evaluación radiométrica utilizando una representación de longitud de onda, mientras que su valor máximo se sitúa en la gama amarilla cuando se utiliza el sistema de unidades de fotones y una representación de frecuencia. Por lo tanto, las métricas poco definidas, como la relación azul-amarillo, pueden inducir a error, por lo que debe evitarse su uso. Se debe prestar más atención a la hora de representar conjuntamente las distribuciones espectrales y el peso espectral.

Se explica que, para fenómenos como los efectos fotoquímicos y fotobiológicos (incluidos los visuales y no visuales), el sistema de fotones es más apropiado, ya que estos efectos dependen intrínsecamente de la acción de los fotones. En contraste, los efectos fototérmicos se describen mejor con unidades radiométricas.

Finalmente, se enfatiza que la coherencia en el sistema de unidades es crucial para una evaluación precisa de la eficacia luminosa y otras cantidades. La elección entre dosimetría radiométrica o fotónica tiene consecuencias significativas en la interpretación de los datos experimentales, y es fundamental especificar el sistema utilizado al reportar los resultados.