El proceso de difusión

La radiación que emite el láser es reflejada por el objeto para el que se toma la medida de distancia. No obstante, el proceso de reflexión puede llegar a ser algo complejo, hasta el punto de que exija un estudio particular de cada reflector. Por una parte, dependiendo del tipo de superficie difusora la reflexión será más o menos eficiente, ya que la radiación incidente puede sufrir, adicionalmente, tanto transmisión como absorción. Con ello, aun suponiendo un objeto idealmente pulido, la eficiencia de la reflexión depende tanto de la longitud de onda de la radiación incidente como del tipo de material reflector. Así, para estudiar ese efecto es necesario comprobar cómo se distribuye la energía radiante incidente entre las componentes de reflexión, trasmisión y absorción [1]. Por otro lado, las superficies muestran estructuras macroscópicas, de una cierta escala, que afectan radicalmente a la forma en que se distribuye la radiación en diferentes direcciones. Si la escala es muy pequeña, incluso superficies que pueden parecer a primera vista muy pulidas no lo serán realmente, por lo que la luz incidente se reflejará en distintas direcciones dando lugar a una patrón de difracción más o menos complejo. La condición para que aparezca ese proceso típico de difracción es que el tamaño

A A´

Objeto en Objeto en

posición A posición A´ 1

Figura 1. Esquema del sensor de posición con el diodo láser de emisor y el PSD como detector. Con flechas se muestra la trayectoria de los haces de luz del láser.

AA´ α α + β d β π/2 B B´ b

Figura 2. Geometría de la trayectoria de los haces que aparecen en el proceso de medición con el sensor de proximidad para el cálculo de la distancia por triangulación. La representación no está a escala y es sólo ilustrativa.

A´ Diodo láser B B´ Detector PSD A _C D BB´

característico de las irregularidades superficiales sea del mismo orden que la longitud de onda de la radiación incidente. La existencia de estructura periódica superficial puede deberse tanto a un proceso de formación natural de la superficie (cristalización, etc) como artificial (deposición de capas, tratamiento químico de superficies, etc) e incluso a efectos debidos al envejecimiento de la superficie por exposición a pequeñas partículas de polvo o de polución.

La complejidad del proceso de reflexión en superficie se puede simplificar si se clasifican los distintos tipos de reflexiones que pueden aparecer: especular, lambertiana y gaussiana [2]. En lo que sigue, y debido a su importancia, se analizará cada una por separado.

a) Reflexión especular

En la reflexión especular no aparece difusión con lo que parte de la radiación incidente en una dirección dada (dependiendo esa parte de la transmisión y absorción que exista) sale reflejada en otra completamente definida por la ley de reflexión. En este caso, y debido a la geometría del sistema de triangulación (Figuras 1 y 2) la radiación que emite el diodo y refleja el objeto, no será recogida por el detector PSD. Por ello, es un requerimiento importante de este tipo de sensores reducir en lo posible la componente de reflexión especular, puesto que es radiación que no se aprovecha en la detección.

b) Reflexión por difusión lambertiana

La difusión Lambertiana ocurre cuando la radiación reflejada por una cierta superficie tiene la misma luminancia (que es el flujo emitido por un objeto extenso por unidad de ángulo sólido y área de emisión), con independencia del ángulo de reflexión bajo el que se detecte. Los difusores en los que se da este tipo de reflexión se conocen como difusores perfectos o lambertianos, y se caracterizan por la ley de Lambert que indica que la intensidad (que es el flujo emitido por un punto emisor por unidad de ángulo sólido) de la radiación reflejada en un ángulo θ varía según Iθ = I0 cos (θ), donde I0 es la intensidad para el ángulo

nulo. Un ejemplo concreto lo representa la superficie de un papel que, como se sabe, muestra la misma claridad independientemente del ángulo bajo el que se observe, siempre que ello sea hecho para una cierta distancia fija por el ojo humano con apertura de pupila constante, lo que garantiza un mismo ángulo sólido. Algunos ejemplos de emisores que cumplen con la ley de Lambert [1] son el óxido de magnesio (obtenido al sublimar una cinta de magnesio recogiendo el humo sobre una lámina de zinc), los vidrios esmerilados, las porcelanas blancas esmeriladas, el yeso, etc.

L = cte 1. Difusión especular

α α α

c) Reflexión por difusión gaussiana

La difusión gaussiana se produce cuando la radiación reflejada cumple la ley de reflexión, pero esa radiación se abre en un cono más o menos delgado de semiángulo de abertura γ centrado en torno al ángulo de reflexión. El perfil en intensidad de la radiación reflejada sobre ese cono es el correspondiente a una función gaussiana.

La radiación incidente sobre una superficie tiene, en mayor o menor grado, cada una de las componentes de reflexión indicadas. Conociendo la forma en que se generan cada una de ellas es fácil establecer experiencias que permitan decidir su proporción. Para ello, se usa de un haz láser colimado como rayo incidente sobre el objeto reflector, si en una determinada dirección (de ángulo igual al de incidencia) refleja un punto perfecto de intensidad se tiene difusión especular. Si difunde una mancha circular con mayor intensidad en el centro y que se va suavizando hacia los bordes, es porque aparece una componente de difusión gaussiana, pudiéndose evaluar el ángulo γ a partir del tamaño de esa mancha y de la distancia desde la posición de medida al punto de difusión. Obviamente, si este ángulo es elevado hasta el punto de que la mancha proyectada en la entrada del sensor es mucho mayor que la abertura de este, parte de la difusión gaussiana no se detectará. Por otro lado para hacer un estudio de la difusión lambertiana se puede utilizar un haz láser incidente sobre la superficie del objeto, analizando con un detector de radiación su luminancia a distintos ángulos. Como conclusión, señalar que para el sensor de proximidad es muy importante utilizar objetos emisores para los que se den fuertes componentes de difusión lambertiana.