Definición y clasificación

Un fotómetro es un instrumento diseñado para medir la intensidad de la radiación electromagnética, particularmente la intensidad luminosa, la iluminancia o la irradiancia, en longitudes de onda como la luz visible, ultravioleta (UV) e infrarroja (IR). Estas mediciones cuantifican cómo la luz interactúa con las superficies o pasa a través de los medios, proporcionando datos esenciales para campos como la óptica, la astronomía y el monitoreo ambiental. Los fotómetros convierten la energía luminosa en señales legibles, lo que permite una evaluación precisa de las propiedades de la luz sin alterar la fuente misma.[1][9]

El término "fotómetro" proviene de las palabras griegas phōs (luz) y metron (medida), lo que refleja su propósito como dispositivo para cuantificar la luz. Esta nomenclatura se formalizó en la literatura científica a través de la publicación fundamental de Johann Heinrich Lambert de 1760, Photometria sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, que introdujo métodos sistemáticos para la medición de la luz y describió un diseño temprano de fotómetro. Los fotómetros se diferencian de los instrumentos relacionados: los espectrómetros resuelven la luz en sus componentes de longitud de onda para el análisis espectral, mientras que los luxómetros representan un subconjunto especializado de fotómetros centrados exclusivamente en la iluminancia en luz visible.

Los fotómetros se clasifican según varios criterios para adaptarse a diversas aplicaciones. Por método de detección, incluyen tipos visuales que se basan en la comparación del ojo humano para la igualdad de brillo, variantes fotográficas que utilizan películas sensibles a la luz para registrar variaciones de intensidad, modelos fotoeléctricos que emplean fotocélulas o tubos fotomultiplicadores para la conversión de señales eléctricas y sistemas digitales que utilizan dispositivos de carga acoplada (CCD) o sensores semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) para la captura de datos de alta resolución. La clasificación por propiedad de la luz medida abarca la intensidad (potencia luminosa o radiante por unidad de ángulo sólido), el flujo (emisión de luz total) y, en casos extendidos, el contenido espectral (aunque esto se superpone con la espectrofotometría). Según el rango de longitud de onda, los fotómetros se clasifican en visible (optimizado para la luz percibida por el ser humano), UV-Vis (que cubre los espectros ultravioleta al visible) e IR (enfocado en infrarrojo para radiación térmica).[12][13][14]

Las unidades clave distinguen las mediciones fotométricas (ponderadas por visión) de las radiométricas (basadas en energía). Las unidades fotométricas incluyen los lux (lm/m²) para la iluminancia, que representa la luz recibida sobre una superficie, y la candela (cd) para la intensidad luminosa, que denota la emisión de luz direccional. Las contrapartes radiométricas utilizan vatios por metro cuadrado (W/m²) para la irradiancia, centrándose en la energía total sin ponderar la sensibilidad visual. Esta dualidad garantiza que los fotómetros se alineen tanto con la percepción humana como con la cuantificación de la energía física.[2][2]

Principios operativos fundamentales

Los fotómetros funcionan detectando y cuantificando la luz a través de interacciones entre fotones y materiales detectores, fundamentalmente arraigados en los principios de la radiometría y la fotometría. La radiometría mide la radiación electromagnética total en todas las longitudes de onda, centrándose en cantidades de energía física como el flujo radiante, independientemente de la percepción humana.[15] Por el contrario, la fotometría pondera estas mediciones según la sensibilidad espectral del ojo humano, enfatizando la luz visible (aproximadamente 380 a 780 nm) para evaluar el brillo percibido.[16] Esta distinción es crucial, ya que los fotómetros para aplicaciones visuales incorporan la función de luminosidad fotópica V(λ), que alcanza un máximo de 555 nm y modela la respuesta del ojo a diferentes longitudes de onda.[17]

Cuando la luz encuentra un detector en un fotómetro, los fotones interactúan mediante absorción, transmisión, reflexión o dispersión. La absorción ocurre cuando los fotones transfieren energía a los electrones en el material del detector, generando una señal eléctrica mensurable proporcional a la intensidad de la luz incidente; este es el mecanismo principal en los detectores basados ​​en semiconductores como los fotodiodos.[18] La transmisión permite que los fotones pasen a través del detector sin interacción, mientras que la reflexión los redirige lejos de la superficie y la dispersión los dispersa en múltiples direcciones debido a irregularidades de la superficie o partículas internas, lo que potencialmente reduce la precisión de la medición.[19] Estas interacciones determinan la eficiencia del detector para convertir la energía radiante en una salida cuantificable.

Un principio fundamental en el funcionamiento del fotómetro es la conversión de radiancia en flujo radiante, que cuantifica la potencia total emitida o recibida por una fuente o detector. La radiancia L (θ, φ) representa la potencia por unidad de área por unidad de ángulo sólido en la dirección (θ, φ), y el flujo radiante Φ se obtiene integrando sobre el ángulo sólido Ω subtendido por el detector:

Aquí, cos θ representa el área proyectada del detector perpendicular a los rayos entrantes, y dΩ = sin θ dθ dφ se integra a lo largo del hemisferio o campo de visión relevante.[20] Esta ecuación garantiza una medición precisa del flujo independientemente de la distribución angular, y constituye la base para calibrar fotómetros frente a fuentes conocidas.

Para aplicaciones fotométricas, las cantidades se ajustan utilizando la función de eficacia luminosa V(λ) para imitar la visión humana. La iluminancia E_v, el flujo luminoso por unidad de área en una superficie, se calcula como:

donde E_e(λ) es la irradiancia espectral (flujo radiante por área por longitud de onda), V(λ) pondera la contribución de cada longitud de onda a la iluminación percibida (normalizada a 1 a 555 nm) y 683 lm/W es la eficacia luminosa máxima exacta K_m fijada por la redefinición SI de la candela de 2019.[21][7] La respuesta del detector en los fotómetros debe exhibir linealidad (señal de salida proporcional al flujo de entrada en un amplio rango dinámico) para garantizar una cuantificación precisa, con la sensibilidad definida como la señal por unidad de flujo (por ejemplo, A/W para fotodiodos). La calibración se remonta a la candela definida por el SI de 2019 a través de la eficacia luminosa fija; Las realizaciones prácticas suelen utilizar fuentes estándar, como radiadores de cuerpo negro a 2042 K (correspondiente al punto de congelación del platino) para aplicaciones de amplio espectro.

Los primeros fotómetros visuales

Los primeros esfuerzos sistemáticos para medir la intensidad de la luz se basaron en la comparación visual humana, lo que marcó el inicio de la fotometría visual en el siglo XVIII. En 1760, Johann Heinrich Lambert publicó Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, que sentó las bases para cuantificar la luz mediante evaluaciones visuales experimentales realizadas entre 1755 y 1760.[25] El fotómetro provisional de Lambert implicó comparar el brillo de superficies blancas iluminadas, utilizando velas de cera estandarizadas como fuentes de referencia para igualar los niveles de iluminación percibidos de luces desconocidas. Este enfoque se basó en trabajos anteriores de Pierre Bouguer, quien en 1729 describió la coincidencia de brillo entre superficies, pero Lambert lo formalizó en un sistema integral de leyes fotométricas, enfatizando la ley del cuadrado inverso para la propagación de la luz y la ley del coseno para la reflexión difusa.

Hacia finales de siglo, Benjamin Thompson, el conde Rumford, avanzó en estos métodos con su fotómetro introducido en 1798, una modificación del diseño de Lambert centrado en la extinción de las sombras. El instrumento de Rumford utilizaba una pantalla de papel translúcido con una mancha de grasa, donde dos fuentes de luz iluminaban lados opuestos; las intensidades se compararon ajustando las distancias hasta que la sombra o el contraste del punto desaparecieron, lo que indica una iluminación igual basada en el principio de que el brillo percibido equivale cuando la iluminancia se equilibra. Este método de la mancha de grasa simplificó la comparación visual para aplicaciones prácticas, como la evaluación de la eficiencia de las lámparas en el alumbrado público, y se aplicó ya en 1792 en las evaluaciones de luces artificiales.

Los primeros fotómetros visuales también insinuaron una reciprocidad en la percepción de la luz humana, donde la respuesta del ojo a la exposición total a la luz parecía proporcional a la intensidad multiplicada por la duración, presagiando formalizaciones posteriores. Sin embargo, estos dispositivos enfrentaron limitaciones inherentes debido a la naturaleza subjetiva del juicio humano; La variabilidad del observador en la sensibilidad, la fatiga y la adaptación generó inconsistencias, con estimaciones de brillo que diferían hasta en un 20-30% entre individuos en condiciones similares. Tales imprecisiones, agravadas por la falta de condiciones de visualización estandarizadas, motivaron el cambio hacia métodos mecánicos y químicos más objetivos en las décadas siguientes.

Avances del siglo XIX

En la década de 1830, el físico escocés William Ritchie desarrolló un fotómetro que avanzaba en técnicas de comparación visual incorporando principios de proyección de sombras. Este dispositivo utilizaba un punto de grasa en una pantalla translúcida iluminada desde lados opuestos por dos fuentes de luz, con pantallas móviles que permitían ajustar las distancias para lograr el equilibrio cuando la visibilidad del punto desaparecía, indicando intensidades iguales. La relación de intensidades de luz se determinó mediante el cuadrado inverso de las distancias desde las fuentes a la pantalla, proporcionando un método mecánico más preciso que las estimaciones subjetivas anteriores.

El método de extinción de sombras, perfeccionado a lo largo del siglo XIX a partir de diseños anteriores, empleaba fuentes de luz paralelas colocadas sobre soportes ajustables para proyectar sombras superpuestas de varillas u objetos opacos sobre una pantalla blanca, generalmente a entre 6 y 8 pies de distancia. Los observadores variaron las distancias de las fuentes hasta que las intensidades de las sombras se igualaron y el límite entre ellas se volvió imperceptible, aplicando la ley del cuadrado inverso donde la intensidad I∝1d2I \propto \frac{1}{d^2}I∝d21​ para calcular los flujos luminosos relativos como I1I2=(d2d1)2\frac{I_1}{I_2} = \left( \frac{d_2}{d_1} \derecha)^2I2​I1​=(d1​d2​)2. Este procedimiento, realizado en largos bancos fotométricos para mayor precisión, unió los primeros fotómetros visuales hacia mediciones industriales estandarizadas a pesar de los desafíos con rayos paralelos en aplicaciones como faros.

En la década de 1890, el fotómetro Lummer-Brodhun marcó un salto significativo en la precisión para comparar fuentes de luz difusa, presentando un conjunto de prisma en forma de cubo que fusionaba imágenes de dos lados de una pantalla blanca opaca en un punto central y un anillo circundante visto a través de un ocular. Desarrollado por Otto Lummer y Eugen Brodhun en Physikalisch-Technische Reichsanstalt, permitió ajustes hasta que las imágenes coincidieran en brillo, logrando hasta ocho veces la precisión de los diseños de manchas de grasa y convirtiéndose en el estándar para la calibración de iluminancia en laboratorios e industrias gas-eléctricas.

Los fotómetros químicos surgieron a mediados del siglo XIX y aprovecharon la sensibilidad a la luz de los haluros de plata, como el yoduro de plata, para mediciones cuantitativas. El fotómetro galvánico del físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, por ejemplo, utilizaba dos placas de plata recubiertas con yoduro de plata sumergidas en un electrolito; la exposición a la luz indujo una corriente proporcional a la intensidad, ofreciendo una alternativa objetiva temprana a los métodos visuales e influyendo en el desarrollo de la emulsión fotográfica. Estos dispositivos, aunque limitados por la inestabilidad química, allanaron el camino para la actinometría en astronomía y el control de la exposición.[34]

Los esfuerzos de estandarización culminaron en 1881 cuando el Congreso Eléctrico Internacional en París adoptó la vela de espermaceti, que arde a 120 granos por hora, como unidad global de intensidad luminosa, armonizando estándares nacionales dispares como la vela parlamentaria británica y facilitando comparaciones fotométricas consistentes entre los sectores del gas y la iluminación eléctrica emergente. Esta unidad, refinada a 7,8 gramos por hora con tolerancias de hasta el 5%, apoyó las pruebas regulatorias a pesar de las críticas de variabilidad, preparando el escenario para refinamientos posteriores.[35][33]

Transiciones del siglo XX hacia los métodos electrónicos

La transición a métodos electrónicos en fotometría durante el siglo XX estuvo profundamente influenciada por la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico de 1905, que describía la luz como paquetes discretos de energía (fotones) capaces de expulsar electrones de una superficie metálica, permitiendo así el diseño de dispositivos que convierten la luz directamente en señales eléctricas. Esta base teórica allanó el camino para los fotómetros de tubo de vacío, que reemplazaron las comparaciones visuales subjetivas con mediciones eléctricas objetivas. Una de las primeras implementaciones prácticas ocurrió en 1907 en la Universidad de Harvard, donde Joel Stebbins y F.C. Brown utilizó una celda de selenio conectada a un galvanómetro para detectar la luz de la luna, lo que marcó el nacimiento de la fotometría fotoeléctrica. En la década de 1910, las células de selenio comerciales, producidas por empresas como Elster y Geitel, estuvieron disponibles y se integraron en fotómetros para observaciones astronómicas, ofreciendo una sensibilidad mejorada con respecto a sus predecesoras mecánicas a pesar de las limitaciones en la detección de poca luz.

Un hito clave en la década de 1920 fue la introducción de células de selenio con capa de barrera, que presentaban una fina capa de selenio intercalada entre electrodos metálicos para generar un voltaje fotovoltaico sin energía externa, revolucionando los exposímetros portátiles en fotografía. Estas celdas, refinadas para una mayor sensibilidad a la luz, permitieron los primeros exposímetros eléctricos sin batería, como los primeros modelos de Weston Electrical Instrument Corporation, lo que permitió a los fotógrafos medir la luz incidente con precisión en el campo y reducir la dependencia de la estimación visual.

En las décadas de 1930 y 1940, los tubos fotomultiplicadores (PMT) surgieron como un gran avance para la fotometría de alta sensibilidad, inventados por el físico soviético Leonid A. Kubetsky en 1930 mediante un diseño que utilizaba un fotocátodo y múltiples dinodos para amplificar las fotocorrientes débiles en factores de miles. La amplificación del dinodo funcionó acelerando fotoelectrones del fotocátodo sobre superficies de emisión secundaria, donde cada impacto liberaba electrones adicionales, repetidos en varias etapas para obtener una ganancia exponencial. La ganancia general GGG está dada por

donde δ\deltaδ es el coeficiente de emisión secundaria por dínodo (normalmente 3 a 5) y nnn es el número de etapas de dínodo (a menudo 10 a 14), logrando ganancias de hasta 10810^8108 para detectar fuentes de luz tenue en espectroscopia y astronomía.[41]

A mediados del siglo XX surgieron los detectores de estado sólido, con fotodiodos semiconductores desarrollados a principios de la década de 1940, que generaban corriente proporcional a la luz incidente a través del efecto fotovoltaico en una unión p-n. En la década de 1960, se aceleró el cambio hacia sensores basados ​​en silicio, ya que ofrecían una estabilidad superior, menor ruido y factores de forma compactos en comparación con los tubos de vacío, lo que facilitó la existencia de fotómetros portátiles para uso en campo y laboratorio en radiometría y colorimetría.

Fotometría de transmisión

La fotometría de transmisión mide la intensidad de la luz que pasa a través de una muestra transparente o translúcida, proporcionando datos cuantitativos sobre las propiedades ópticas de la muestra, como la absorbancia o la transmitancia. El principio fundamental se basa en la ley de Beer-Lambert, que establece que la absorbancia AAA de la luz de una muestra es directamente proporcional a la concentración ccc de la especie absorbente, la longitud del camino lll a través de la muestra y la absortividad molar ϵ\epsilonϵ en una longitud de onda específica: A=ϵlcA = \epsilon l cA=ϵlc. Esta relación supone luz monocromática, una muestra diluida e interacciones insignificantes entre las moléculas absorbentes. La configuración básica implica una fuente de luz que emite un haz a través del portamuestras, seguida de un detector que registra la intensidad transmitida en relación con la intensidad incidente.

En la fotometría de transmisión ultravioleta-visible (UV-Vis), una fuente de luz de banda ancha, como una lámpara de deuterio o tungsteno-halógeno, ilumina la muestra, con un monocromador que selecciona longitudes de onda específicas para el análisis en un rango típico de 200 a 800 nm. El monocromador, que a menudo emplea una rejilla de difracción, dispersa la luz para aislar anchos de banda estrechos, lo que permite una medición precisa de las transiciones electrónicas en las moléculas. Esta técnica se aplica ampliamente en colorimetría, donde la absorbancia en longitudes de onda seleccionadas se correlaciona con la intensidad del color o la concentración de especies coloreadas, como en el análisis cuantitativo de tintes o ensayos bioquímicos.

La fotometría de transmisión infrarroja (IR) extiende la medición a longitudes de onda más largas, generalmente de 700 nm a 1 mm, investigando vibraciones y rotaciones moleculares que producen bandas de absorción características. Los espectrómetros de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) se integran comúnmente y utilizan un interferómetro para generar un interferograma transformado por Fourier en un espectro, lo que permite la detección simultánea en todo el rango de IR para identificar grupos funcionales en compuestos orgánicos. Un desafío clave en la transmisión de infrarrojos es la absorción atmosférica por el vapor de agua y el dióxido de carbono, que pueden oscurecer las señales de la muestra y requieren una purga con nitrógeno seco o el uso de celdas selladas para minimizar la interferencia.[49][50]

La instrumentación en fotometría de transmisión varía según la configuración para mejorar la precisión y la estabilidad. Las configuraciones de haz único dirigen la luz secuencialmente a través de posiciones de referencia y muestra, ofreciendo simplicidad y mayor sensibilidad pero susceptibles a las fluctuaciones de la fuente. Las configuraciones de doble haz dividen el haz mediante un helicóptero o un divisor de haz, midiendo simultáneamente las trayectorias de referencia y de muestra para compensar las variaciones en la intensidad de la fuente o la respuesta del detector, mejorando así la estabilidad a largo plazo para el trabajo cuantitativo. Los detectores se seleccionan en función de la longitud de onda: tubos fotomultiplicadores (PMT) para UV-Vis debido a su alta ganancia y sensibilidad a niveles bajos de luz mediante la multiplicación de electrones, y detectores de sulfuro de plomo (PbS) para IR, que brindan funcionamiento a temperatura ambiente y una amplia respuesta en la región del IR cercano a medio.[51][52]

La calibración garantiza mediciones confiables al establecer una transmitancia de referencia. Los filtros de densidad neutra, que atenúan la luz uniformemente sin depender de la longitud de onda, se utilizan para verificar la linealidad fotométrica y corregir la respuesta instrumental en todos los rangos de intensidad. La corrección de errores por dispersión, que puede imitar la absorción en muestras turbias, implica restar espectros de referencia o aplicar modelos matemáticos para aislar las pérdidas de transmisión reales.[53][54]

Fotometría de reflectancia

La fotometría de reflectancia implica medir la luz reflejada desde una superficie para determinar sus propiedades ópticas, particularmente en el espectro visible. El principio fundamental se define por la relación de reflectancia R=IrIiR = \frac{I_r}{I_i}R=Ii​Ir​​, donde IrI_rIr​ es la intensidad de la luz reflejada y IiI_iIi​ es la intensidad de la luz incidente.[55] Para lograr mediciones precisas de la reflectancia difusa, comúnmente se emplean esferas integradoras, ya que recolectan e integran espacialmente el flujo radiante a través de múltiples reflexiones internas, lo que permite promediar hemisféricamente la luz reflejada. Esta configuración es especialmente adecuada para superficies no especulares, donde el revestimiento de alta reflectancia de la esfera (normalmente con reflectancia r>0,94r > 0,94r>0,94) minimiza las pérdidas y tiene en cuenta el efecto multiplicador de la esfera para mejorar la uniformidad de la señal.[55]

En aplicaciones de luz visible, la fotometría de reflectancia es esencial para evaluar el brillo y el color, ya que cuantifica cómo interactúan las superficies con longitudes de onda entre 400 y 700 nm. Para capas pigmentadas, como las de revestimientos o telas, la teoría de Kubelka-Munk proporciona un modelo fundamental al relacionar la absorción y la dispersión con la reflectancia observada, expresada como KS=(1−R)22R\frac{K}{S} = \frac{(1 - R)^2}{2R}SK​=2R(1−R)2​, donde KKK es el coeficiente de absorción, SSS es el coeficiente de dispersión y RRR es la reflectancia al infinito. espesor.[56] Esta ecuación permite predecir el desarrollo del color en materiales opacos bajo iluminación difusa, lo que facilita los ajustes de formulación para una apariencia visual consistente.[56]

La instrumentación en fotometría de reflectancia incluye goniofotómetros, que miden la dependencia angular de la reflectancia para capturar funciones de distribución de dispersión bidireccional (BSDF) o funciones de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) en un amplio rango angular. Estos dispositivos utilizan etapas motorizadas y fuentes colimadas para simular diversas geometrías de iluminación, proporcionando datos sobre cómo varía la reflectancia con los ángulos de incidencia y observación. La integración con los estándares CIE, como el espacio de color 1931, convierte las mediciones de reflectancia espectral en valores triestímulo (XYZ) para una evaluación de color estandarizada, utilizando las funciones de coincidencia de color CIE e iluminantes como el D65 para imitar las condiciones de luz diurna.[58]

Las aplicaciones se extienden a la ciencia de los materiales, donde la fotometría de reflectancia evalúa la opacidad comparando las intensidades reflejadas con la luz incidente para determinar el poder cubriente de los recubrimientos.[59] En el control de calidad de pinturas, garantiza la coherencia del color entre lotes midiendo la reflectancia espectral en geometrías como 0°/45°, alineándose con la percepción visual humana.[60] De manera similar, en los textiles, verifica la uniformidad y vitalidad del tinte, lo que respalda el análisis no destructivo de las superficies de los tejidos para determinar estándares estéticos y funcionales.[59]

Fotometría de absorción

La fotometría de absorción, específicamente la fotometría de absorción atómica, se basa en la absorción de luz por los átomos en estado fundamental en una muestra gaseosa para determinar concentraciones elementales con alta especificidad. El principio implica que los átomos libres absorban radiación en longitudes de onda características correspondientes a transiciones electrónicas desde el estado fundamental a niveles de energía más altos, lo que permite el análisis cuantitativo de más de 70 elementos. Alan Walsh fue pionero en esta técnica en la década de 1950, quien reconoció su potencial para análisis químicos sensibles utilizando espectros de absorción atómica.

En la fotometría de absorción atómica, la fuente de luz principal es una lámpara de cátodo hueco llena con el elemento de interés, que emite líneas nítidas específicas del elemento cuando se excita eléctricamente, lo que garantiza una absorción selectiva al hacer coincidir las longitudes de onda del vapor atómico. La muestra se introduce a través de atomizadores, como sistemas de llama, donde la aspiración en un quemador produce una nube atómica gaseosa, o atomizadores de horno de grafito, que vaporizan electrotérmicamente pequeños volúmenes de muestra (normalmente de 5 a 20 μl) en un tubo de grafito calentado para mejorar la sensibilidad. La luz transmitida pasa a través de un monocromador para aislar la longitud de onda deseada y llega a un detector, a menudo un tubo fotomultiplicador, que mide la reducción de intensidad debida a la absorción. Los instrumentos modernos alcanzan límites de detección de hasta partes por mil millones (ppb) para muchos elementos, particularmente con la atomización en hornos de grafito.

La absorbancia se cuantifica mediante la ley de Beer-Lambert, adaptada para la absorción atómica:

A=log⁡(I0I)=ϵbcA = \log\left(\frac{I_0}{I}\right) = \epsilon b cA=log(II0​​)=ϵbc

donde AAA es la absorbancia, I0I_0I0​ y III son intensidades incidente y transmitida, ϵ\epsilonϵ es la absortividad molar para la transición atómica, bbb es la longitud del camino a través del vapor atómico y ccc es la concentración de átomos en estado fundamental. Esta relación, similar a la forma general a la que se hace referencia en la fotometría de transmisión, permite curvas de calibración para una cuantificación precisa.[64]

Para abordar la absorción no específica de interferencias de matrices o especies moleculares, las técnicas de corrección de fondo son esenciales. El método de la lámpara de deuterio emplea una fuente continua para medir la absorción de banda ancha por separado, restándola de la señal total mediante modulación electrónica. Alternativamente, la corrección del efecto Zeeman aplica un campo magnético para dividir la línea de absorción atómica, midiendo la absorción polarizada específica del analito mientras los componentes de fondo desplazados se aíslan y deducen. Estos métodos mejoran la precisión en muestras complejas.[65][66]

Conteo de fotones en detección con poca luz

El conteo de fotones en la detección de poca luz se basa en la detección estadística de los tiempos de llegada de los fotones individuales, lo que permite una medición precisa de fuentes de luz tenue donde el flujo promedio de fotones es bajo. Este método trata las llegadas de fotones como un proceso de Poisson, en el que la varianza del recuento de fotones detectados es igual al número medio de fotones, σ² = N, lo que proporciona un límite fundamental en la relación señal-ruido debido al ruido de disparo.[68] Estos principios estadísticos garantizan que incluso a intensidades muy bajas, la detección siga siendo fiable al acumular recuentos a lo largo del tiempo para superar las fluctuaciones cuánticas inherentes.[69]

Los detectores clave para el recuento de fotones incluyen fotodiodos de avalancha (APD) operados en modo lineal y diodos de avalancha de fotón único (SPAD) en modo Geiger, que amplifican la fotocorriente inicial a través de un proceso de avalancha interno para producir un pulso detectable para cada fotón absorbido. La eficiencia cuántica η, definida como la relación entre los recuentos detectados y los fotones incidentes, suele oscilar entre el 10 % y el 80 % dependiendo de la longitud de onda y el material, y los SPAD basados ​​en silicio alcanzan valores elevados en el espectro visible.[70] Estos dispositivos ofrecen sensibilidad de fotón único, lo que los distingue de los detectores masivos al resolver eventos discretos en lugar de intensidad integrada.[71]

Una técnica destacada es el recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC), que mide el retraso entre un pulso de excitación periódico y la llegada de fotones individuales para reconstruir perfiles temporales, como los tiempos de vida de la fluorescencia, con una resolución de picosegundos. Para la medición de flujo en astronomía, el recuento de fotones integra recuentos de tiempos de exposición para determinar flujos de luz estelares o cósmicos, lo que permite la detección de fuentes con velocidades inferiores a 1 fotón por segundo manteniendo la linealidad y el bajo ruido. Este enfoque de integración es particularmente valioso para la fotometría de objetos débiles, donde supera a los métodos analógicos al evitar el ruido de lectura.[73]

Las principales ventajas del recuento de fotones residen en su sensibilidad excepcional, capaz de operar con flujos inferiores a 1 fotón por segundo, lo que permite aplicaciones en sistemas de visión nocturna para obtener imágenes en condiciones de luz extremadamente baja y en óptica cuántica para experimentos que involucran fotones entrelazados o fuentes de fotón único.[74] Estas capacidades se derivan de la naturaleza digital de la detección, que proporciona un alto rango dinámico e inmunidad a ciertas distorsiones analógicas.[75]

Sin embargo, las limitaciones incluyen el tiempo muerto (el breve período después de un evento de detección durante el cual el detector es insensible, generalmente de 10 a 100 ns en los SPAD) y la pulsación posterior, donde las cargas atrapadas desencadenan conteos posteriores falsos, lo que reduce la precisión a velocidades más altas. La calibración a menudo implica láseres atenuados para simular condiciones de bajo flujo y verificar la eficiencia y la linealidad cuánticas, asegurando la trazabilidad hasta los estándares primarios.[76][77]

Aplicaciones fotográficas y de imágenes

En fotografía, los fotómetros sirven como exposímetros para medir la iluminancia de la escena y guiar la configuración óptima de la cámara, asegurando una captura precisa de la luz en películas o sensores. Los primeros exposímetros fotoeléctricos surgieron en la década de 1930 utilizando células de selenio para generar corriente proporcional a la intensidad de la luz, lo que marcó un cambio con respecto a los métodos de estimación visual. En la década de 1950, empresas como Sekonic introdujeron modelos dedicados como el P-1, que se basaba en principios fotoeléctricos similares para la portabilidad portátil.[79] La adopción de células de sulfuro de cadmio (CdS) en la década de 1960 revolucionó los fotómetros de cámara integrados, ya que estos fotorresistores disminuyeron la resistencia al aumentar la luz, lo que permitió una integración compacta en visores réflex de lente única (SLR) para medición a través de la lente (TTL).

Fotógrafos como Ansel Adams integraron fotómetros con el Sistema de Zonas, una técnica de mapeo tonal desarrollada en 1940 para visualizar y controlar la exposición en nueve zonas, desde sombras profundas (Zona 0) hasta luces brillantes (Zona IX). Al medir elementos clave de la escena y ajustar la exposición para colocarlos en las zonas deseadas, como las sombras en la Zona III para obtener detalles, Adams utilizó lecturas de luz incidente o reflejada para previsualizar la densidad negativa, compensando el rango dinámico limitado de la película.

La falla de reciprocidad ocurre en emulsiones fotográficas en exposiciones extremas, donde la relación lineal entre la iluminancia EEE y el tiempo de exposición ttt se rompe, lo que requiere ajustes en la exposición total H=E×tH = E \times tH=E×t. La ley de reciprocidad básica en forma logarítmica es log⁡(H)=log⁡(E)+log⁡(t)\log(H) = \log(E) + \log(t)log(H)=log(E)+log(t), pero en niveles de luz bajos (por ejemplo, velocidades de obturación superiores a 1 segundo), la eficiencia disminuye, lo que requiere tiempos más prolongados o mayor intensidad para lograr una densidad equivalente. Por ejemplo, películas como Kodak Tri-X pueden requerir de 2 a 3 veces la exposición calculada en 10 segundos, con reveladores ajustados para restaurar el contraste.

En imágenes digitales, los sensores de dispositivos de carga acoplada (CCD) y semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) funcionan como fotómetros de matriz, con millones de píxeles actuando como fotodiodos individuales para cuantificar la intensidad de la luz en la escena.[83] Los conjuntos CMOS, dominantes desde la década de 2000 debido a la amplificación en el chip y al menor uso de energía, permiten la lectura en tiempo real para aplicaciones como la fotografía en ráfaga. El análisis de histograma de estos conjuntos visualiza la distribución tonal, revelando el rango dinámico (el lapso desde el nivel de ruido hasta la saturación), generalmente de 12 a 14 pasos en los sensores modernos, lo que permite correcciones posteriores a la exposición para sobreexposición o subexposición sin preocupaciones de reciprocidad.[84]

Usos espectroscópicos y analíticos

La espectrofotometría emplea fotómetros capaces de medir la intensidad de la luz en todo el espectro, lo que permite un análisis detallado de la composición de la sustancia mediante absorción o emisión de longitud de onda específica. Estos instrumentos, conocidos como espectrofotómetros, integran detectores de matriz de diodos (DAD) que capturan simultáneamente datos de múltiples longitudes de onda en el rango UV-Vis, generalmente de 190 a 1100 nm, en menos de un segundo. Esta rápida adquisición facilita las aplicaciones en la identificación y cuantificación de sustancias químicas, donde la ley de Beer-Lambert relaciona la absorbancia con la concentración sin la necesidad de un escaneo secuencial.

En química analítica, la fotometría de llama sirve como una técnica especializada basada en emisiones para detectar metales alcalinos como el sodio y el potasio. Cuando se aspiran muestras hacia una llama, los átomos se excitan y emiten una luz característica; por ejemplo, el sodio emite a 589 nm, mientras que el potasio emite a 766 nm, lo que permite la cuantificación mediante medición de intensidad. Este método opera en modo de emisión, a diferencia de los modos de absorción en espectrofotometría, y es particularmente efectivo para el análisis de trazas en muestras clínicas y de suelo debido a su simplicidad y sensibilidad para estos elementos.

El monitoreo ambiental utiliza fotómetros de teledetección basados ​​en espectroscopia de absorción óptica diferencial (DOAS) para detectar contaminantes atmosféricos como el dióxido de nitrógeno (NO2). Estos sistemas miden la absorción diferencial en el espectro UV-Vis a lo largo de las trayectorias de la luz a través de la atmósfera, aislando los gases traza de la dispersión de banda ancha; para NO2, las bandas de absorción clave de alrededor de 400-450 nm permiten recuperar la densidad de la columna con alta resolución temporal. Las configuraciones DOAS multieje (MAX-DOAS) mejoran la elaboración de perfiles verticales, lo que respalda las evaluaciones de la calidad del aire en áreas urbanas.[92][93]

En aplicaciones biomédicas, los fotómetros de transmisión sustentan a los oxímetros de pulso para la medición no invasiva de la saturación de oxígeno en sangre (SpO2). Estos dispositivos transmiten luz roja a 660 nm y luz infrarroja cercana a 940 nm a través del tejido, aprovechando la absorción diferencial: la hemoglobina oxigenada absorbe más a 940 nm, mientras que la forma desoxigenada absorbe más a 660 nm, lo que produce SpO2 mediante el cálculo de la proporción de proporciones. Este enfoque de longitud de onda dual proporciona monitoreo en tiempo real con una precisión que generalmente oscila entre el 2 % y el 4 % de los valores de gases en sangre arterial en personas con tonos de piel más claros, aunque se han informado sesgos de hasta varios porcentajes de sobreestimación en personas con tonos de piel más oscuros, como se indica en la guía de la FDA y en estudios recientes (a partir de 2025).[94][95][96] A partir de enero de 2025, la FDA propuso recomendaciones actualizadas para mejorar el rendimiento del oxímetro de pulso en diversos tonos de piel, exigiendo pruebas en rangos de pigmentación más amplios para mitigar los sesgos.[96]

Definición y clasificación

Un fotómetro es un instrumento diseñado para medir la intensidad de la radiación electromagnética, particularmente la intensidad luminosa, la iluminancia o la irradiancia, en longitudes de onda como la luz visible, ultravioleta (UV) e infrarroja (IR). Estas mediciones cuantifican cómo la luz interactúa con las superficies o pasa a través de los medios, proporcionando datos esenciales para campos como la óptica, la astronomía y el monitoreo ambiental. Los fotómetros convierten la energía luminosa en señales legibles, lo que permite una evaluación precisa de las propiedades de la luz sin alterar la fuente misma.[1][9]

El término "fotómetro" proviene de las palabras griegas phōs (luz) y metron (medida), lo que refleja su propósito como dispositivo para cuantificar la luz. Esta nomenclatura se formalizó en la literatura científica a través de la publicación fundamental de Johann Heinrich Lambert de 1760, Photometria sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, que introdujo métodos sistemáticos para la medición de la luz y describió un diseño temprano de fotómetro. Los fotómetros se diferencian de los instrumentos relacionados: los espectrómetros resuelven la luz en sus componentes de longitud de onda para el análisis espectral, mientras que los luxómetros representan un subconjunto especializado de fotómetros centrados exclusivamente en la iluminancia en luz visible.

Los fotómetros se clasifican según varios criterios para adaptarse a diversas aplicaciones. Por método de detección, incluyen tipos visuales que se basan en la comparación del ojo humano para la igualdad de brillo, variantes fotográficas que utilizan películas sensibles a la luz para registrar variaciones de intensidad, modelos fotoeléctricos que emplean fotocélulas o tubos fotomultiplicadores para la conversión de señales eléctricas y sistemas digitales que utilizan dispositivos de carga acoplada (CCD) o sensores semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) para la captura de datos de alta resolución. La clasificación por propiedad de la luz medida abarca la intensidad (potencia luminosa o radiante por unidad de ángulo sólido), el flujo (emisión de luz total) y, en casos extendidos, el contenido espectral (aunque esto se superpone con la espectrofotometría). Según el rango de longitud de onda, los fotómetros se clasifican en visible (optimizado para la luz percibida por el ser humano), UV-Vis (que cubre los espectros ultravioleta al visible) e IR (enfocado en infrarrojo para radiación térmica).[12][13][14]

Las unidades clave distinguen las mediciones fotométricas (ponderadas por visión) de las radiométricas (basadas en energía). Las unidades fotométricas incluyen los lux (lm/m²) para la iluminancia, que representa la luz recibida sobre una superficie, y la candela (cd) para la intensidad luminosa, que denota la emisión de luz direccional. Las contrapartes radiométricas utilizan vatios por metro cuadrado (W/m²) para la irradiancia, centrándose en la energía total sin ponderar la sensibilidad visual. Esta dualidad garantiza que los fotómetros se alineen tanto con la percepción humana como con la cuantificación de la energía física.[2][2]

Principios operativos fundamentales

Los fotómetros funcionan detectando y cuantificando la luz a través de interacciones entre fotones y materiales detectores, fundamentalmente arraigados en los principios de la radiometría y la fotometría. La radiometría mide la radiación electromagnética total en todas las longitudes de onda, centrándose en cantidades de energía física como el flujo radiante, independientemente de la percepción humana.[15] Por el contrario, la fotometría pondera estas mediciones según la sensibilidad espectral del ojo humano, enfatizando la luz visible (aproximadamente 380 a 780 nm) para evaluar el brillo percibido.[16] Esta distinción es crucial, ya que los fotómetros para aplicaciones visuales incorporan la función de luminosidad fotópica V(λ), que alcanza un máximo de 555 nm y modela la respuesta del ojo a diferentes longitudes de onda.[17]

Cuando la luz encuentra un detector en un fotómetro, los fotones interactúan mediante absorción, transmisión, reflexión o dispersión. La absorción ocurre cuando los fotones transfieren energía a los electrones en el material del detector, generando una señal eléctrica mensurable proporcional a la intensidad de la luz incidente; este es el mecanismo principal en los detectores basados ​​en semiconductores como los fotodiodos.[18] La transmisión permite que los fotones pasen a través del detector sin interacción, mientras que la reflexión los redirige lejos de la superficie y la dispersión los dispersa en múltiples direcciones debido a irregularidades de la superficie o partículas internas, lo que potencialmente reduce la precisión de la medición.[19] Estas interacciones determinan la eficiencia del detector para convertir la energía radiante en una salida cuantificable.

Un principio fundamental en el funcionamiento del fotómetro es la conversión de radiancia en flujo radiante, que cuantifica la potencia total emitida o recibida por una fuente o detector. La radiancia L (θ, φ) representa la potencia por unidad de área por unidad de ángulo sólido en la dirección (θ, φ), y el flujo radiante Φ se obtiene integrando sobre el ángulo sólido Ω subtendido por el detector:

Aquí, cos θ representa el área proyectada del detector perpendicular a los rayos entrantes, y dΩ = sin θ dθ dφ se integra a lo largo del hemisferio o campo de visión relevante.[20] Esta ecuación garantiza una medición precisa del flujo independientemente de la distribución angular, y constituye la base para calibrar fotómetros frente a fuentes conocidas.

Para aplicaciones fotométricas, las cantidades se ajustan utilizando la función de eficacia luminosa V(λ) para imitar la visión humana. La iluminancia E_v, el flujo luminoso por unidad de área en una superficie, se calcula como:

donde E_e(λ) es la irradiancia espectral (flujo radiante por área por longitud de onda), V(λ) pondera la contribución de cada longitud de onda a la iluminación percibida (normalizada a 1 a 555 nm) y 683 lm/W es la eficacia luminosa máxima exacta K_m fijada por la redefinición SI de la candela de 2019.[21][7] La respuesta del detector en los fotómetros debe exhibir linealidad (señal de salida proporcional al flujo de entrada en un amplio rango dinámico) para garantizar una cuantificación precisa, con la sensibilidad definida como la señal por unidad de flujo (por ejemplo, A/W para fotodiodos). La calibración se remonta a la candela definida por el SI de 2019 a través de la eficacia luminosa fija; Las realizaciones prácticas suelen utilizar fuentes estándar, como radiadores de cuerpo negro a 2042 K (correspondiente al punto de congelación del platino) para aplicaciones de amplio espectro.

Los primeros fotómetros visuales

Los primeros esfuerzos sistemáticos para medir la intensidad de la luz se basaron en la comparación visual humana, lo que marcó el inicio de la fotometría visual en el siglo XVIII. En 1760, Johann Heinrich Lambert publicó Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, que sentó las bases para cuantificar la luz mediante evaluaciones visuales experimentales realizadas entre 1755 y 1760.[25] El fotómetro provisional de Lambert implicó comparar el brillo de superficies blancas iluminadas, utilizando velas de cera estandarizadas como fuentes de referencia para igualar los niveles de iluminación percibidos de luces desconocidas. Este enfoque se basó en trabajos anteriores de Pierre Bouguer, quien en 1729 describió la coincidencia de brillo entre superficies, pero Lambert lo formalizó en un sistema integral de leyes fotométricas, enfatizando la ley del cuadrado inverso para la propagación de la luz y la ley del coseno para la reflexión difusa.

Hacia finales de siglo, Benjamin Thompson, el conde Rumford, avanzó en estos métodos con su fotómetro introducido en 1798, una modificación del diseño de Lambert centrado en la extinción de las sombras. El instrumento de Rumford utilizaba una pantalla de papel translúcido con una mancha de grasa, donde dos fuentes de luz iluminaban lados opuestos; las intensidades se compararon ajustando las distancias hasta que la sombra o el contraste del punto desaparecieron, lo que indica una iluminación igual basada en el principio de que el brillo percibido equivale cuando la iluminancia se equilibra. Este método de la mancha de grasa simplificó la comparación visual para aplicaciones prácticas, como la evaluación de la eficiencia de las lámparas en el alumbrado público, y se aplicó ya en 1792 en las evaluaciones de luces artificiales.

Los primeros fotómetros visuales también insinuaron una reciprocidad en la percepción de la luz humana, donde la respuesta del ojo a la exposición total a la luz parecía proporcional a la intensidad multiplicada por la duración, presagiando formalizaciones posteriores. Sin embargo, estos dispositivos enfrentaron limitaciones inherentes debido a la naturaleza subjetiva del juicio humano; La variabilidad del observador en la sensibilidad, la fatiga y la adaptación generó inconsistencias, con estimaciones de brillo que diferían hasta en un 20-30% entre individuos en condiciones similares. Tales imprecisiones, agravadas por la falta de condiciones de visualización estandarizadas, motivaron el cambio hacia métodos mecánicos y químicos más objetivos en las décadas siguientes.

Avances del siglo XIX

En la década de 1830, el físico escocés William Ritchie desarrolló un fotómetro que avanzaba en técnicas de comparación visual incorporando principios de proyección de sombras. Este dispositivo utilizaba un punto de grasa en una pantalla translúcida iluminada desde lados opuestos por dos fuentes de luz, con pantallas móviles que permitían ajustar las distancias para lograr el equilibrio cuando la visibilidad del punto desaparecía, indicando intensidades iguales. La relación de intensidades de luz se determinó mediante el cuadrado inverso de las distancias desde las fuentes a la pantalla, proporcionando un método mecánico más preciso que las estimaciones subjetivas anteriores.

El método de extinción de sombras, perfeccionado a lo largo del siglo XIX a partir de diseños anteriores, empleaba fuentes de luz paralelas colocadas sobre soportes ajustables para proyectar sombras superpuestas de varillas u objetos opacos sobre una pantalla blanca, generalmente a entre 6 y 8 pies de distancia. Los observadores variaron las distancias de las fuentes hasta que las intensidades de las sombras se igualaron y el límite entre ellas se volvió imperceptible, aplicando la ley del cuadrado inverso donde la intensidad I∝1d2I \propto \frac{1}{d^2}I∝d21​ para calcular los flujos luminosos relativos como I1I2=(d2d1)2\frac{I_1}{I_2} = \left( \frac{d_2}{d_1} \derecha)^2I2​I1​=(d1​d2​)2. Este procedimiento, realizado en largos bancos fotométricos para mayor precisión, unió los primeros fotómetros visuales hacia mediciones industriales estandarizadas a pesar de los desafíos con rayos paralelos en aplicaciones como faros.

En la década de 1890, el fotómetro Lummer-Brodhun marcó un salto significativo en la precisión para comparar fuentes de luz difusa, presentando un conjunto de prisma en forma de cubo que fusionaba imágenes de dos lados de una pantalla blanca opaca en un punto central y un anillo circundante visto a través de un ocular. Desarrollado por Otto Lummer y Eugen Brodhun en Physikalisch-Technische Reichsanstalt, permitió ajustes hasta que las imágenes coincidieran en brillo, logrando hasta ocho veces la precisión de los diseños de manchas de grasa y convirtiéndose en el estándar para la calibración de iluminancia en laboratorios e industrias gas-eléctricas.

Los fotómetros químicos surgieron a mediados del siglo XIX y aprovecharon la sensibilidad a la luz de los haluros de plata, como el yoduro de plata, para mediciones cuantitativas. El fotómetro galvánico del físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, por ejemplo, utilizaba dos placas de plata recubiertas con yoduro de plata sumergidas en un electrolito; la exposición a la luz indujo una corriente proporcional a la intensidad, ofreciendo una alternativa objetiva temprana a los métodos visuales e influyendo en el desarrollo de la emulsión fotográfica. Estos dispositivos, aunque limitados por la inestabilidad química, allanaron el camino para la actinometría en astronomía y el control de la exposición.[34]

Los esfuerzos de estandarización culminaron en 1881 cuando el Congreso Eléctrico Internacional en París adoptó la vela de espermaceti, que arde a 120 granos por hora, como unidad global de intensidad luminosa, armonizando estándares nacionales dispares como la vela parlamentaria británica y facilitando comparaciones fotométricas consistentes entre los sectores del gas y la iluminación eléctrica emergente. Esta unidad, refinada a 7,8 gramos por hora con tolerancias de hasta el 5%, apoyó las pruebas regulatorias a pesar de las críticas de variabilidad, preparando el escenario para refinamientos posteriores.[35][33]

Transiciones del siglo XX hacia los métodos electrónicos

La transición a métodos electrónicos en fotometría durante el siglo XX estuvo profundamente influenciada por la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico de 1905, que describía la luz como paquetes discretos de energía (fotones) capaces de expulsar electrones de una superficie metálica, permitiendo así el diseño de dispositivos que convierten la luz directamente en señales eléctricas. Esta base teórica allanó el camino para los fotómetros de tubo de vacío, que reemplazaron las comparaciones visuales subjetivas con mediciones eléctricas objetivas. Una de las primeras implementaciones prácticas ocurrió en 1907 en la Universidad de Harvard, donde Joel Stebbins y F.C. Brown utilizó una celda de selenio conectada a un galvanómetro para detectar la luz de la luna, lo que marcó el nacimiento de la fotometría fotoeléctrica. En la década de 1910, las células de selenio comerciales, producidas por empresas como Elster y Geitel, estuvieron disponibles y se integraron en fotómetros para observaciones astronómicas, ofreciendo una sensibilidad mejorada con respecto a sus predecesoras mecánicas a pesar de las limitaciones en la detección de poca luz.

Un hito clave en la década de 1920 fue la introducción de células de selenio con capa de barrera, que presentaban una fina capa de selenio intercalada entre electrodos metálicos para generar un voltaje fotovoltaico sin energía externa, revolucionando los exposímetros portátiles en fotografía. Estas celdas, refinadas para una mayor sensibilidad a la luz, permitieron los primeros exposímetros eléctricos sin batería, como los primeros modelos de Weston Electrical Instrument Corporation, lo que permitió a los fotógrafos medir la luz incidente con precisión en el campo y reducir la dependencia de la estimación visual.

En las décadas de 1930 y 1940, los tubos fotomultiplicadores (PMT) surgieron como un gran avance para la fotometría de alta sensibilidad, inventados por el físico soviético Leonid A. Kubetsky en 1930 mediante un diseño que utilizaba un fotocátodo y múltiples dinodos para amplificar las fotocorrientes débiles en factores de miles. La amplificación del dinodo funcionó acelerando fotoelectrones del fotocátodo sobre superficies de emisión secundaria, donde cada impacto liberaba electrones adicionales, repetidos en varias etapas para obtener una ganancia exponencial. La ganancia general GGG está dada por

donde δ\deltaδ es el coeficiente de emisión secundaria por dínodo (normalmente 3 a 5) y nnn es el número de etapas de dínodo (a menudo 10 a 14), logrando ganancias de hasta 10810^8108 para detectar fuentes de luz tenue en espectroscopia y astronomía.[41]

A mediados del siglo XX surgieron los detectores de estado sólido, con fotodiodos semiconductores desarrollados a principios de la década de 1940, que generaban corriente proporcional a la luz incidente a través del efecto fotovoltaico en una unión p-n. En la década de 1960, se aceleró el cambio hacia sensores basados ​​en silicio, ya que ofrecían una estabilidad superior, menor ruido y factores de forma compactos en comparación con los tubos de vacío, lo que facilitó la existencia de fotómetros portátiles para uso en campo y laboratorio en radiometría y colorimetría.

Fotometría de transmisión

La fotometría de transmisión mide la intensidad de la luz que pasa a través de una muestra transparente o translúcida, proporcionando datos cuantitativos sobre las propiedades ópticas de la muestra, como la absorbancia o la transmitancia. El principio fundamental se basa en la ley de Beer-Lambert, que establece que la absorbancia AAA de la luz de una muestra es directamente proporcional a la concentración ccc de la especie absorbente, la longitud del camino lll a través de la muestra y la absortividad molar ϵ\epsilonϵ en una longitud de onda específica: A=ϵlcA = \epsilon l cA=ϵlc. Esta relación supone luz monocromática, una muestra diluida e interacciones insignificantes entre las moléculas absorbentes. La configuración básica implica una fuente de luz que emite un haz a través del portamuestras, seguida de un detector que registra la intensidad transmitida en relación con la intensidad incidente.

En la fotometría de transmisión ultravioleta-visible (UV-Vis), una fuente de luz de banda ancha, como una lámpara de deuterio o tungsteno-halógeno, ilumina la muestra, con un monocromador que selecciona longitudes de onda específicas para el análisis en un rango típico de 200 a 800 nm. El monocromador, que a menudo emplea una rejilla de difracción, dispersa la luz para aislar anchos de banda estrechos, lo que permite una medición precisa de las transiciones electrónicas en las moléculas. Esta técnica se aplica ampliamente en colorimetría, donde la absorbancia en longitudes de onda seleccionadas se correlaciona con la intensidad del color o la concentración de especies coloreadas, como en el análisis cuantitativo de tintes o ensayos bioquímicos.

La fotometría de transmisión infrarroja (IR) extiende la medición a longitudes de onda más largas, generalmente de 700 nm a 1 mm, investigando vibraciones y rotaciones moleculares que producen bandas de absorción características. Los espectrómetros de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) se integran comúnmente y utilizan un interferómetro para generar un interferograma transformado por Fourier en un espectro, lo que permite la detección simultánea en todo el rango de IR para identificar grupos funcionales en compuestos orgánicos. Un desafío clave en la transmisión de infrarrojos es la absorción atmosférica por el vapor de agua y el dióxido de carbono, que pueden oscurecer las señales de la muestra y requieren una purga con nitrógeno seco o el uso de celdas selladas para minimizar la interferencia.[49][50]

La instrumentación en fotometría de transmisión varía según la configuración para mejorar la precisión y la estabilidad. Las configuraciones de haz único dirigen la luz secuencialmente a través de posiciones de referencia y muestra, ofreciendo simplicidad y mayor sensibilidad pero susceptibles a las fluctuaciones de la fuente. Las configuraciones de doble haz dividen el haz mediante un helicóptero o un divisor de haz, midiendo simultáneamente las trayectorias de referencia y de muestra para compensar las variaciones en la intensidad de la fuente o la respuesta del detector, mejorando así la estabilidad a largo plazo para el trabajo cuantitativo. Los detectores se seleccionan en función de la longitud de onda: tubos fotomultiplicadores (PMT) para UV-Vis debido a su alta ganancia y sensibilidad a niveles bajos de luz mediante la multiplicación de electrones, y detectores de sulfuro de plomo (PbS) para IR, que brindan funcionamiento a temperatura ambiente y una amplia respuesta en la región del IR cercano a medio.[51][52]

La calibración garantiza mediciones confiables al establecer una transmitancia de referencia. Los filtros de densidad neutra, que atenúan la luz uniformemente sin depender de la longitud de onda, se utilizan para verificar la linealidad fotométrica y corregir la respuesta instrumental en todos los rangos de intensidad. La corrección de errores por dispersión, que puede imitar la absorción en muestras turbias, implica restar espectros de referencia o aplicar modelos matemáticos para aislar las pérdidas de transmisión reales.[53][54]

Fotometría de reflectancia

La fotometría de reflectancia implica medir la luz reflejada desde una superficie para determinar sus propiedades ópticas, particularmente en el espectro visible. El principio fundamental se define por la relación de reflectancia R=IrIiR = \frac{I_r}{I_i}R=Ii​Ir​​, donde IrI_rIr​ es la intensidad de la luz reflejada y IiI_iIi​ es la intensidad de la luz incidente.[55] Para lograr mediciones precisas de la reflectancia difusa, comúnmente se emplean esferas integradoras, ya que recolectan e integran espacialmente el flujo radiante a través de múltiples reflexiones internas, lo que permite promediar hemisféricamente la luz reflejada. Esta configuración es especialmente adecuada para superficies no especulares, donde el revestimiento de alta reflectancia de la esfera (normalmente con reflectancia r>0,94r > 0,94r>0,94) minimiza las pérdidas y tiene en cuenta el efecto multiplicador de la esfera para mejorar la uniformidad de la señal.[55]

En aplicaciones de luz visible, la fotometría de reflectancia es esencial para evaluar el brillo y el color, ya que cuantifica cómo interactúan las superficies con longitudes de onda entre 400 y 700 nm. Para capas pigmentadas, como las de revestimientos o telas, la teoría de Kubelka-Munk proporciona un modelo fundamental al relacionar la absorción y la dispersión con la reflectancia observada, expresada como KS=(1−R)22R\frac{K}{S} = \frac{(1 - R)^2}{2R}SK​=2R(1−R)2​, donde KKK es el coeficiente de absorción, SSS es el coeficiente de dispersión y RRR es la reflectancia al infinito. espesor.[56] Esta ecuación permite predecir el desarrollo del color en materiales opacos bajo iluminación difusa, lo que facilita los ajustes de formulación para una apariencia visual consistente.[56]

La instrumentación en fotometría de reflectancia incluye goniofotómetros, que miden la dependencia angular de la reflectancia para capturar funciones de distribución de dispersión bidireccional (BSDF) o funciones de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) en un amplio rango angular. Estos dispositivos utilizan etapas motorizadas y fuentes colimadas para simular diversas geometrías de iluminación, proporcionando datos sobre cómo varía la reflectancia con los ángulos de incidencia y observación. La integración con los estándares CIE, como el espacio de color 1931, convierte las mediciones de reflectancia espectral en valores triestímulo (XYZ) para una evaluación de color estandarizada, utilizando las funciones de coincidencia de color CIE e iluminantes como el D65 para imitar las condiciones de luz diurna.[58]

Las aplicaciones se extienden a la ciencia de los materiales, donde la fotometría de reflectancia evalúa la opacidad comparando las intensidades reflejadas con la luz incidente para determinar el poder cubriente de los recubrimientos.[59] En el control de calidad de pinturas, garantiza la coherencia del color entre lotes midiendo la reflectancia espectral en geometrías como 0°/45°, alineándose con la percepción visual humana.[60] De manera similar, en los textiles, verifica la uniformidad y vitalidad del tinte, lo que respalda el análisis no destructivo de las superficies de los tejidos para determinar estándares estéticos y funcionales.[59]

Fotometría de absorción

La fotometría de absorción, específicamente la fotometría de absorción atómica, se basa en la absorción de luz por los átomos en estado fundamental en una muestra gaseosa para determinar concentraciones elementales con alta especificidad. El principio implica que los átomos libres absorban radiación en longitudes de onda características correspondientes a transiciones electrónicas desde el estado fundamental a niveles de energía más altos, lo que permite el análisis cuantitativo de más de 70 elementos. Alan Walsh fue pionero en esta técnica en la década de 1950, quien reconoció su potencial para análisis químicos sensibles utilizando espectros de absorción atómica.

En la fotometría de absorción atómica, la fuente de luz principal es una lámpara de cátodo hueco llena con el elemento de interés, que emite líneas nítidas específicas del elemento cuando se excita eléctricamente, lo que garantiza una absorción selectiva al hacer coincidir las longitudes de onda del vapor atómico. La muestra se introduce a través de atomizadores, como sistemas de llama, donde la aspiración en un quemador produce una nube atómica gaseosa, o atomizadores de horno de grafito, que vaporizan electrotérmicamente pequeños volúmenes de muestra (normalmente de 5 a 20 μl) en un tubo de grafito calentado para mejorar la sensibilidad. La luz transmitida pasa a través de un monocromador para aislar la longitud de onda deseada y llega a un detector, a menudo un tubo fotomultiplicador, que mide la reducción de intensidad debida a la absorción. Los instrumentos modernos alcanzan límites de detección de hasta partes por mil millones (ppb) para muchos elementos, particularmente con la atomización en hornos de grafito.

La absorbancia se cuantifica mediante la ley de Beer-Lambert, adaptada para la absorción atómica:

A=log⁡(I0I)=ϵbcA = \log\left(\frac{I_0}{I}\right) = \epsilon b cA=log(II0​​)=ϵbc

donde AAA es la absorbancia, I0I_0I0​ y III son intensidades incidente y transmitida, ϵ\epsilonϵ es la absortividad molar para la transición atómica, bbb es la longitud del camino a través del vapor atómico y ccc es la concentración de átomos en estado fundamental. Esta relación, similar a la forma general a la que se hace referencia en la fotometría de transmisión, permite curvas de calibración para una cuantificación precisa.[64]

Para abordar la absorción no específica de interferencias de matrices o especies moleculares, las técnicas de corrección de fondo son esenciales. El método de la lámpara de deuterio emplea una fuente continua para medir la absorción de banda ancha por separado, restándola de la señal total mediante modulación electrónica. Alternativamente, la corrección del efecto Zeeman aplica un campo magnético para dividir la línea de absorción atómica, midiendo la absorción polarizada específica del analito mientras los componentes de fondo desplazados se aíslan y deducen. Estos métodos mejoran la precisión en muestras complejas.[65][66]

Conteo de fotones en detección con poca luz

El conteo de fotones en la detección de poca luz se basa en la detección estadística de los tiempos de llegada de los fotones individuales, lo que permite una medición precisa de fuentes de luz tenue donde el flujo promedio de fotones es bajo. Este método trata las llegadas de fotones como un proceso de Poisson, en el que la varianza del recuento de fotones detectados es igual al número medio de fotones, σ² = N, lo que proporciona un límite fundamental en la relación señal-ruido debido al ruido de disparo.[68] Estos principios estadísticos garantizan que incluso a intensidades muy bajas, la detección siga siendo fiable al acumular recuentos a lo largo del tiempo para superar las fluctuaciones cuánticas inherentes.[69]

Los detectores clave para el recuento de fotones incluyen fotodiodos de avalancha (APD) operados en modo lineal y diodos de avalancha de fotón único (SPAD) en modo Geiger, que amplifican la fotocorriente inicial a través de un proceso de avalancha interno para producir un pulso detectable para cada fotón absorbido. La eficiencia cuántica η, definida como la relación entre los recuentos detectados y los fotones incidentes, suele oscilar entre el 10 % y el 80 % dependiendo de la longitud de onda y el material, y los SPAD basados ​​en silicio alcanzan valores elevados en el espectro visible.[70] Estos dispositivos ofrecen sensibilidad de fotón único, lo que los distingue de los detectores masivos al resolver eventos discretos en lugar de intensidad integrada.[71]

Una técnica destacada es el recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC), que mide el retraso entre un pulso de excitación periódico y la llegada de fotones individuales para reconstruir perfiles temporales, como los tiempos de vida de la fluorescencia, con una resolución de picosegundos. Para la medición de flujo en astronomía, el recuento de fotones integra recuentos de tiempos de exposición para determinar flujos de luz estelares o cósmicos, lo que permite la detección de fuentes con velocidades inferiores a 1 fotón por segundo manteniendo la linealidad y el bajo ruido. Este enfoque de integración es particularmente valioso para la fotometría de objetos débiles, donde supera a los métodos analógicos al evitar el ruido de lectura.[73]

Las principales ventajas del recuento de fotones residen en su sensibilidad excepcional, capaz de operar con flujos inferiores a 1 fotón por segundo, lo que permite aplicaciones en sistemas de visión nocturna para obtener imágenes en condiciones de luz extremadamente baja y en óptica cuántica para experimentos que involucran fotones entrelazados o fuentes de fotón único.[74] Estas capacidades se derivan de la naturaleza digital de la detección, que proporciona un alto rango dinámico e inmunidad a ciertas distorsiones analógicas.[75]

Sin embargo, las limitaciones incluyen el tiempo muerto (el breve período después de un evento de detección durante el cual el detector es insensible, generalmente de 10 a 100 ns en los SPAD) y la pulsación posterior, donde las cargas atrapadas desencadenan conteos posteriores falsos, lo que reduce la precisión a velocidades más altas. La calibración a menudo implica láseres atenuados para simular condiciones de bajo flujo y verificar la eficiencia y la linealidad cuánticas, asegurando la trazabilidad hasta los estándares primarios.[76][77]

Aplicaciones fotográficas y de imágenes

En fotografía, los fotómetros sirven como exposímetros para medir la iluminancia de la escena y guiar la configuración óptima de la cámara, asegurando una captura precisa de la luz en películas o sensores. Los primeros exposímetros fotoeléctricos surgieron en la década de 1930 utilizando células de selenio para generar corriente proporcional a la intensidad de la luz, lo que marcó un cambio con respecto a los métodos de estimación visual. En la década de 1950, empresas como Sekonic introdujeron modelos dedicados como el P-1, que se basaba en principios fotoeléctricos similares para la portabilidad portátil.[79] La adopción de células de sulfuro de cadmio (CdS) en la década de 1960 revolucionó los fotómetros de cámara integrados, ya que estos fotorresistores disminuyeron la resistencia al aumentar la luz, lo que permitió una integración compacta en visores réflex de lente única (SLR) para medición a través de la lente (TTL).

Fotógrafos como Ansel Adams integraron fotómetros con el Sistema de Zonas, una técnica de mapeo tonal desarrollada en 1940 para visualizar y controlar la exposición en nueve zonas, desde sombras profundas (Zona 0) hasta luces brillantes (Zona IX). Al medir elementos clave de la escena y ajustar la exposición para colocarlos en las zonas deseadas, como las sombras en la Zona III para obtener detalles, Adams utilizó lecturas de luz incidente o reflejada para previsualizar la densidad negativa, compensando el rango dinámico limitado de la película.

La falla de reciprocidad ocurre en emulsiones fotográficas en exposiciones extremas, donde la relación lineal entre la iluminancia EEE y el tiempo de exposición ttt se rompe, lo que requiere ajustes en la exposición total H=E×tH = E \times tH=E×t. La ley de reciprocidad básica en forma logarítmica es log⁡(H)=log⁡(E)+log⁡(t)\log(H) = \log(E) + \log(t)log(H)=log(E)+log(t), pero en niveles de luz bajos (por ejemplo, velocidades de obturación superiores a 1 segundo), la eficiencia disminuye, lo que requiere tiempos más prolongados o mayor intensidad para lograr una densidad equivalente. Por ejemplo, películas como Kodak Tri-X pueden requerir de 2 a 3 veces la exposición calculada en 10 segundos, con reveladores ajustados para restaurar el contraste.

En imágenes digitales, los sensores de dispositivos de carga acoplada (CCD) y semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) funcionan como fotómetros de matriz, con millones de píxeles actuando como fotodiodos individuales para cuantificar la intensidad de la luz en la escena.[83] Los conjuntos CMOS, dominantes desde la década de 2000 debido a la amplificación en el chip y al menor uso de energía, permiten la lectura en tiempo real para aplicaciones como la fotografía en ráfaga. El análisis de histograma de estos conjuntos visualiza la distribución tonal, revelando el rango dinámico (el lapso desde el nivel de ruido hasta la saturación), generalmente de 12 a 14 pasos en los sensores modernos, lo que permite correcciones posteriores a la exposición para sobreexposición o subexposición sin preocupaciones de reciprocidad.[84]

Usos espectroscópicos y analíticos

La espectrofotometría emplea fotómetros capaces de medir la intensidad de la luz en todo el espectro, lo que permite un análisis detallado de la composición de la sustancia mediante absorción o emisión de longitud de onda específica. Estos instrumentos, conocidos como espectrofotómetros, integran detectores de matriz de diodos (DAD) que capturan simultáneamente datos de múltiples longitudes de onda en el rango UV-Vis, generalmente de 190 a 1100 nm, en menos de un segundo. Esta rápida adquisición facilita las aplicaciones en la identificación y cuantificación de sustancias químicas, donde la ley de Beer-Lambert relaciona la absorbancia con la concentración sin la necesidad de un escaneo secuencial.

En química analítica, la fotometría de llama sirve como una técnica especializada basada en emisiones para detectar metales alcalinos como el sodio y el potasio. Cuando se aspiran muestras hacia una llama, los átomos se excitan y emiten una luz característica; por ejemplo, el sodio emite a 589 nm, mientras que el potasio emite a 766 nm, lo que permite la cuantificación mediante medición de intensidad. Este método opera en modo de emisión, a diferencia de los modos de absorción en espectrofotometría, y es particularmente efectivo para el análisis de trazas en muestras clínicas y de suelo debido a su simplicidad y sensibilidad para estos elementos.

El monitoreo ambiental utiliza fotómetros de teledetección basados ​​en espectroscopia de absorción óptica diferencial (DOAS) para detectar contaminantes atmosféricos como el dióxido de nitrógeno (NO2). Estos sistemas miden la absorción diferencial en el espectro UV-Vis a lo largo de las trayectorias de la luz a través de la atmósfera, aislando los gases traza de la dispersión de banda ancha; para NO2, las bandas de absorción clave de alrededor de 400-450 nm permiten recuperar la densidad de la columna con alta resolución temporal. Las configuraciones DOAS multieje (MAX-DOAS) mejoran la elaboración de perfiles verticales, lo que respalda las evaluaciones de la calidad del aire en áreas urbanas.[92][93]

En aplicaciones biomédicas, los fotómetros de transmisión sustentan a los oxímetros de pulso para la medición no invasiva de la saturación de oxígeno en sangre (SpO2). Estos dispositivos transmiten luz roja a 660 nm y luz infrarroja cercana a 940 nm a través del tejido, aprovechando la absorción diferencial: la hemoglobina oxigenada absorbe más a 940 nm, mientras que la forma desoxigenada absorbe más a 660 nm, lo que produce SpO2 mediante el cálculo de la proporción de proporciones. Este enfoque de longitud de onda dual proporciona monitoreo en tiempo real con una precisión que generalmente oscila entre el 2 % y el 4 % de los valores de gases en sangre arterial en personas con tonos de piel más claros, aunque se han informado sesgos de hasta varios porcentajes de sobreestimación en personas con tonos de piel más oscuros, como se indica en la guía de la FDA y en estudios recientes (a partir de 2025).[94][95][96] A partir de enero de 2025, la FDA propuso recomendaciones actualizadas para mejorar el rendimiento del oxímetro de pulso en diversos tonos de piel, exigiendo pruebas en rangos de pigmentación más amplios para mitigar los sesgos.[96]