dispositivos de visualizaciÓn conceptos generales ... · múltiples, etc. muchos de los conceptos...

Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009

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DISPOSITIVOS DE VISUALIZACIÓN

Los dispositivos de visualización o pantallas son un elemento fundamental en todos los sis-

temas de televisión y, actualmente, multimedia. Hasta hace relativamente pocos años, el tubo

de rayos catódicos (TRC) constituyó prácticamente el único dispositivo capaz de reproducir

imágenes, sin embargo, en las últimas décadas se han desarrollado otros dispositivos cuyo

uso va en aumento y que en términos generales se designan como “pantallas planas”. Trata-

remos aquí brevemente el principio de funcionamiento de ambos tipos.

Conceptos generales relativos a las pantallas de televisión, computadoras y multimedia.

Si bien la función de los dispositivos de visualización es la presentar al observador imágenes

de calidad aceptable y los conceptos son prácticamente los mismos independientemente de si

la señal es analógica o digital, hay aspectos a tener en consideración, si entendemos que lo

que aquí designamos como dispositivos de visualización no comprenden solamente la panta-

lla en sí, sino los circuitos necesarios para entregar a la pantalla las señales de vídeo RGB1

con los niveles adecuados y los circuitos necesarios para realizar el barrido de la imagen en

sincronismo correcto. En estos aspectos hay diferencias importantes entre el manejo de las

señales analógicas y las digitales.

Puede decirse que la visualización de una señal analógica de vídeo es más simple que la de

una digital. La señal de entrada en banda base en el caso analógico es una señal de vídeo

compuesto que contiene toda la información tanto de luminancia como de color y sincronis-

mo. Para la correcta visualización sólo es necesario que el barrido esté sincronizado y la vi-

sualización se realiza en tiempo real. La visualización de la señal digital, tanto en televisión

como en monitores de computadora requiere de otras acciones además de la sincronización.

En efecto, la señal de entrada en banda base es un flujo binario en paquetes de transporte

MPEG-2 u otro esquema de compresión que el monitor o receptor puede o no reconocer co-

mo válido. El flujo de paquetes contiene audio, vídeo, datos y sincronismo que deben ser

desempaquetados, identificados y ordenados en la secuencia correcta. Entre lo que se ha de-

signado como “datos” puede ir contenida información relativa las frecuencias horizontal y

vertical para identificar si es necesario realizar alguna conversión, posibilidad de elecciones

múltiples, etc.

Muchos de los conceptos aplicados en los monitores de computador (PC) pueden aplicarse

también para el caso de la visualización de la señal de televisión, si bien en el caso aquéllos

no existen estándares únicos, aunque si de hecho, en el sentido de que son los más utilizados

en la mayoría de los computadores. Aun cuando los PC incluyen por lo general un subsiste-

ma de vídeo integrado en el computador, es frecuente utilizar tarjetas adaptadoras de vídeo de

acuerdo a las necesidades específicas del usuario y que proporcionan una o más de las si-

guientes características:

1 El caso de vídeo monocromático es un caso particular en que sólo es necesaria la señal de luminancia.


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• Refresco de la pantalla.

• Aceleración de gráficos.

• Descompresión de vídeo en movimiento.

• Salida de vídeo analógico.

• Digitalización de vídeo.

• Compresión de vídeo.

Refresco de la pantalla. La mayor parte de los dispositivos de visualización deben recibir la

información de forma continua, aún cuando se trate de imágenes fijas, para mantener la ima-

gen continuamente en la pantalla. A este proceso en la terminología extendida actualmente

se le designa como refresco y, en el caso analógico corresponde a la frecuencia de cuadro o de

campo. Este proceso es necesario aún en los sistemas digitales en que la imagen se almacena

en una memoria que debe leerse continuamente para mantener la imagen en la pantalla.

Estándares de barrido

Los estándares de televisión se han mantenido prácticamente inalterables desde hace más de

cincuenta años y son los mismos para televisión analógica y digital. La relación de aspecto en

televisión estándard es de 4:3, es decir cuatro unidades de ancho por tres unidades de altura.

En televisión de alta definición esta relación es de 16:9. El barrido es entrelazado, de modo

que un cuadro se divide en dos campos con la mitad de líneas cada uno, si bien en la actuali-

dad es está definido un sistema de definición extendida (EDTV) que utiliza barrido progresi-

vo. El número de cuadros por segundo es de 30 para el sistema NTSC y de 25 para PAL y

SECAM. En NTSC el número de líneas por cuadro es de 525, de las cuales 480 son líneas ac-

tivas de vídeo. En PAL y SECAM se tienen 625 líneas por cuadro de las cuales 580 son acti-

vas.

La situación es completamente distinta en el caso de las computadoras personales (PC), en

que es necesario manejar imágenes y gráficos con alta definición. Durante bastantes años se

desarrollaron diversos estándares de barrido por los diversos fabricantes, sin llegar nunca a

un consenso ni a una convergencia con los estándares de televisión. Esto hizo que las imáge-

nes de televisión y las de computadora fueran incompatibles y también que las imágenes de

computadoras de diferentes fabricantes tampoco fuesen compatibles. En la actualidad y gra-

cias al desarrollo de hardware de bajo costo, es posible disponer de convertidores que permi-

ten, en cierta medida, compatibilizar señales. Uno de los estándares más utilizados que cons-

tituyó un esfuerzo para limitar el número de diferentes sistemas y que hoy está incorporado

en la mayoría de los PCs es el designado como VGA2, que define diferentes niveles de reso-

lución de imágenes y modos de color, entendiéndose por modo de color el número de bits

por píxel utilizado en la codificación. De hecho actualmente el más usado es una versión me-

jorada de VGA: el súper VGA o SVGA, que se resume en la Tabla 1.

2 Video Graphics Array


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Tabla1. Estándares de barrido en computadoras.

Resolución Modo de color Cuadros Líneas/cuadro Tasa binaria

MB/s

VGA 640×480 4 bpp 60 525 9.2

SVGA 640×480 8 bpp 60 525 18.4

SVGA 640×480 RGB-16 60 525 36.8

SVGA 640×480 RGB-24 70 525 64.5

SVGA 1024×768 8 bpp 70 800 55.0

SVGA 1280×1024 4 bpp 70 1100 45.9

El modo de color indica que pueden reproducirse. Por ejemplo, 4bpp significa cuatro bits por

píxel, de modo que el número de colores que se pueden visualizar en la pantalla es de 24 = 16.

Con 8bpp es posible visualizar hasta 256 colores, en tanto que con RGB-16 se tienen 65536 co-

lores y con RGB-24, hasta algo más de dieciseis millones. Estos dos últimos modos se desig-

nan también como 16bpp y 24bpp. Como se puede observar el número de cuadros por se-

gundo es del doble o más que en televisión y, además, en todos los casos el barrido es pro-

gresivo, por lo que el parpadeo es completamente inapreciable.

Por lo general las imágenes ocupan una gran cantidad de memoria, de manera que la unidad

central de proceso (CPU) de un PC dedicado a la reproducción de imágenes, aunque fueran

fijas, estaría ocupada prácticamente sólo en esta tarea. Para evitar esto, el adaptador de vídeo

contiene una memoria RAM que actúa como buffer, capaz de almacenar un cuadro. En el caso

de computadores hay que tener en cuenta que las imágenes que se manejan son en su mayo-

ría fijas, de modo que en estas condiciones la CPU sólo está ocupada con la imagen por la

duración de un cuadro. En la figura 1 se ilustra esquemáticamente la estructura del sistema

de refresco descrito antes.

Fig. 1. Arquitectura del sistema de refresco.

Por ejemplo, una tarjeta adaptadora de vídeo bastante utilizada es la súper VGA o SVGA con

un formato de imagen en pantalla de 640×480 píxels en RGB a 24 bits/píxel (bpp) o 16 millo-

nes de colores, con barrido no entrelazado y refresco de la pantalla a 70 Hz, genera un flujo

binario de 64.5 Mbit/s para su transmisión a 70 cuadros/s. Sin embargo, la RAM necesaria en

el buffer sólo necesita almacenar un cuadro, es decir 640×480×3 = 921.6 Kbytes. La multiplica-

ción por 3 es necesaria ya que cada píxel de color son en realidad tres píxeles, R, G y B. En es-

tas condiciones una memoria de 1 MByte resulta más que suficiente para esta pantalla. Para

resoluciones mayores, por ejemplo 1600×1200 es necesario un buffer de unos 8 MB. En la ta-


4

bla 23 se resumen los modos de resolución de tarjetas SVGA, dependiendo del número de

bits por píxel utilizados en la codificación.

Tabla 2. Modos de color y resolución según el tamaño de la RAM en SVGA.

Tamaño de la

RAM

Modo de color (bits por píxel)

4 bpp 8 bpp 16 bpp 24 bpp

1 MB 1600×1200 1024×768 800×600 640×480

2 MB 1600×1200 1280×1024 1024×768 800x600

4 MB 1600×1200 1600×1200 1600×1200 1280×1024

8 MB 1600×1200 1600×1200 1600×1200 1600×1200

Las cifras manejadas en el ejemplo anterior requieren algunas aclaraciones. Primero, la reso-

lución de 640×480 es la típica de televisión estándard de 525 líneas (NTSC), y considera sólo

los elementos de imagen activos, ya que de las 525 líneas horizontales alrededor del 10% son

inactivas, es decir, no contienen información de vídeo. El número de elementos horizontales

por línea (640) resulta de multiplicar 480×4/3, la relación de aspecto. La frecuencia de cuadro

en este caso es de 70 por segundo y no corresponde a ningún estándard de televisión.

Las resoluciones y frecuencias de refresco utilizadas en monitores de computadora no obe-

decen, por lo general, a los estándares de barrido utilizados en televisión. La causa de esto es

que entre las aplicaciones iniciales de las computadoras se requería manejar gráficos con

muy alta resolución, superior a la de un monitor normal de televisión y los diversos fabrican-

tes desarrollaron tarjetas para tal fin y también los monitores se desarrollaron específicamen-

te para esas aplicaciones. Las imágenes manejadas, como se mencionó, eran gráficos y no

imágenes capturadas por una cámara fotográfica.

De la figura 1 se infiere que el buffer de pantalla necesita dos interfaces: uno al bus principal

del PC y al procesador de aceleración cuando sea necesario y otro a los circuitos de refresco y

conversor digital-analógico. Las RAM dinámicas (DRAM) convencionales sólo tienen un in-

terfaz que se utiliza tanto para lectura como para escritura. Para usar una DRAM en un

adaptador de vídeo la interfaz de la RAM debe compartirse en tiempo entre el bus de entra-

da salida (I/O) y las funciones de refresco. Esto en sí no es difícil pero limita la velocidad de

transferencia a que puede realizarse la comunicación con el bus. Las pantallas de gran reso-

lución se ven limitadas en rapidez debido a esto. Otra arquitectura utiliza una RAM especial

para vídeo (VRAM4) que tiene dos puertos directamente sobre ella y cuy arquitectura se

muestra en la figura 2. El registro de desplazamiento se carga durante el borrado (blanking)

horizontal con una línea completa de la memoria, lo que se realiza en un solo ciclo de memo-

ria, tejando libre el resto de los tiempos de los demás ciclos. El refresco de la pantalla se hace

sincronizando el registro de desplazamiento, que es una operación completamente diferente

de los ciclos de memoria. La VRAM es más cara que la DRAM pero hace aumenta la veloci-

dad de transferencia a la pantalla, lo que es importante para imágenes con movimiento en

pantalla completa.

3 Luther A.C. and Inglis, A.F. Video Engineering, 3rd Ed. McGraw-Hill. 1999 4 Video RAM


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Fig. 2. Arquitectura con VRAM

Aceleración de Gráficos. Las operaciones en una pantalla son sobre una gran cantidad de

píxeles y, con frecuencia, simplemente repiten la misma operación. Algunos ejemplos son el

relleno de una zona de la pantalla con el mismo color, dibujo de lías u otros objetos gráficos.

Si la unidad central de proceso (CPU) carga con el trabajo de manejar las imágenes, conges-

tiona el bus de la CPU y retarda considerablemente el proceso, por lo que la mayor parte de

los adaptadores de imagen tienen un procesador dedicado a esa tarea, conectado directa-

mente al dispositivo de visualización. De modo que la CPU sólo tiene que enviar al adapta-

dor los comandos necesarios para que realiza las operaciones necesarias con las imágenes, en

paralelo con cualquier otra operación que realice la computadora. Esto se designa como ace-

leración de gráficos.

1. TUBOS DE RAYOS CATODICOS Introducción.

El tubo de rayos catódicos (TRC o CRT) es una válvula o tubo electrónico en el que un haz de

electrones se enfoca sobre un área pequeña de una superficie emisora de luz que constituye

la pantalla y cuya intensidad y posición sobre ella pueden variarse. Originalmente se conoció

como “tubo de Braun”5. El tubo de rayos catódicos tiene su origen en el “tubo de Crookes”6,

una forma primitiva de de un tubo de descarga de baja presión, cuyo cátodo era un disco

plano de aluminio en un extremo del tubo y el ánodo un alambre en uno de los lados del tu-

bo, fuera de la zona del haz electrónico. El tubo se utilizó para estudiar los rayos catódicos.

En televisión, el tubo de rayos catódicos se designa frecuentemente como tubo de imagen o

simplemente como pantalla y tiene características particulares para esta aplicación, distintas a

las de los tubos de rayos catódicos utilizados en los osciloscopios, en particular su forma,

dimensiones y método de deflexión del haz electrónico.

5 En honor de Karl Ferdinand Braun, físico alemán que realizó investigaciones sobre los rayos catódicos y telegrafía inalámbrica

y fue Premio Nobel en 1909. 6 William Crookes, físico y químico inglés, inventor del tubo de Crookes para estudiar las descargas eléctricas en el vacío así

como de un radiómetro. Descubrió además el talio.


6

En el tubo de rayos catódicos, un cañón electrónico produce y confina un haz de electrones

que envía hacia una pantalla recubierta de material luminiscente, de forma que cuando los

electrones chocan contra ella emite luz cuya intensidad o brillo, es proporcional a la cantidad

y velocidad de los electrones incidentes. En otras palabras, la energía cinética del haz elec-

trónico se transfiere al material de la pantalla convirtiéndose en energía luminosa. Entre el

cañón electrónico y la pantalla se tiene un sistema deflector constituido por bobinas coloca-

das en el exterior del tubo, para desviar el haz electrónico horizontal y verticalmente. A dife-

rencia del sistema de deflexión magnética usado en televisión, los osciloscopios emplean de-

flexión electrostática, desviando el haz electrónico mediante plazas horizontales y verticales

colocadas en el interior del tubo. El brillo puede variarse, si se varía la densidad del haz elec-

trónico mediante una rejilla de control, cuya acción es similar a la que se tiene en un triodo u

otras válvulas como el tetrodo o el pentodo.

En el caso de televisión monocromática, la pantalla está recubierta de un tipo de material

homogéneo que emite luz de un solo color. Los tubos de imagen para televisión en color fun-

cionan bajo el mismo principio, excepto que la pantalla está recubierta de diferentes tipos de

material fosforescente que emite luz de diferentes colores al recibir el impacto del haz elec-

trónico y están distribuidos sobre la superficie pantalla en forma de pequeños puntos conti-

guos. Los colores corresponden a los primarios utilizados en televisión, es decir, rojo, verde y

azul. Puede decirse que un tubo de imagen de color está constituido por tres tubos mono-

cromáticos en una misma ampolla de vidrio; así, en un tubo de color el cañón electrónico está

formado de hecho, por tres cañones individuales que producen tres haces electrónicos de

modo que cada uno de éstos impacta sobre el material fosforescente de cada uno de los colo-

res primarios. Cuando sobre los tres puntos fosforescentes contiguos de diferentes colores,

inciden los tres haces electrónicos con la misma intensidad, la pantalla emite luz blanca y las

diversas mezclas de colores se consiguen variando la intensidad de los correspondientes

haces electrónicos que inciden sobre cada punto de un color particular. La intensidad o brillo

se controla variando el número de electrones en los haces electrónicos respectivos. Para ase-

gurar que cada haz electrónico incide sobre un punto de un color particular se emplean va-

rias técnicas. Una de ellas consiste en colocar una máscara perforada, designada también

como máscara de apertura o máscara de sombra, inmediatamente antes de la superficie de la

pantalla, de forma tal que las perforaciones queden alineadas con las triadas de puntos cro-

máticos, de forma tal que cada haz electrónico pueda “ver” solamente el punto correspon-

diente a su color. Este tema se tratará con alguna amplitud más adelante.

1.1. Cañón electrónico.

El cañón electrónico contiene el cátodo emisor, reja de control y electrodos aceleradores y de

enfoque del haz electrónico, designados generalmente como sistema de lentes electrónicas.


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Cañón electrónico

Pantalla

Fig 1. Tubo de rayos catódicos para televisión.

Con la excepción de los cañones electrónicos en los tubos de cámara, casi todos los cañones

empleados en televisión se basan en el principio de dos lentes consistentes en una fuente de

electrones termoiónicos en forma de un haz colimado, una primera lente, generalmente elec-

trostática y una segunda lente que puede ser electrostática, magnética o una combinación de

ambas7.

En la primera lente se encuentra el cátodo, la reja de control y el primer ánodo. El cátodo es

de caldeo indirecto y tiene la forma mostrada en la figura 2. En el interior de un manguito ci-

líndrico se encuentra el filamento calefactor y el cátodo, es decir la superficie emisora pro-

piamente dicha, en un disco sobre la cara plana del cilindro en dirección a la pantalla.

Area emisora

Filamento calefactor

Cilindro de níquel

Fig. 2. Estructura del cátodo en un tubo de rayos catódicos.

La reja de control no es de la forma habitual que se encuentra en los triodos u otras válvulas

de vacío. En este caso es un cilindro metálico o cilindro de Wehlnet, con un pequeño orificio

a través del que pueden pasar los electrones. Esta configuración ayuda a reducir el área efec-

tiva del cátodo a la vez que permite la configuración del haz electrónico en esa zona, como

consecuencia del campo eléctrico entre la reja y el cátodo. A continuación de la reja y separa-

7 Para un tratamiento riguroso del tema de lentes electrónicas consúltese por ejemplo: Zworykin, V. K and Mor-

ton, G. A. “Television”, 2nd Ed. John Wiley and Sons, Inc. New York, 1954. Capítulos 4 y 12. También Hemen-

way, C. L., Henry, R. W. and Caulton, M. “Física Electrónica”. Editorial Limusa. México. 1973.


8

da de ésta por un pequeño espacio, se localiza el primer ánodo en el que mediante paredes

cuidadosamente ajustadas se controla y configura el haz electrónico hacia la pantalla. La es-

tructura de la primera lente así configurada se muestra esquemáticamente en la figura 3.

Reja de control cilíndrica

Cátodo

Campo electrostático

Cilindro del primer ánodo acelerador

Pared metálica

con ventana

Haz electrónico

Fig. 3. Estructura esquemática de la primera lente

En ausencia de campos eléctricos, los electrones abandonan el cátodo con baja velocidad y

forman una nube electrónica o carga de espacio en la zona entre el cátodo y la reja. Esta carga

de espacio actúa como repulsor para los nuevos electrones emitidos por el cátodo y se alcan-

za una condición de equilibrio. Si se aplica un voltaje positivo, relativamente elevado, al

primer ánodo, se establece un campo eléctrico en el espacio a su alrededor que arrastra a los

electrones a través del orificio en el cilindro de la reja de control, conformándose un haz elec-

trónico de sección circular y en la forma aproximada que se indica en la figura 3. La curvatu-

ra longitudinal de los bordes del haz está determinada por la distancia entre el primer ánodo

y la reja de control, así como por el voltaje de este último. Los electrones del haz convergen

en un punto en el interior del cilindro de la primera lente y luego nuevamente se separan. Es-

te punto, situado en el eje del cañón electrónico y del tubo de rayos catódicos se designa co-

mo punto de cruce y puede considerarse que actúa como un cátodo virtual de muy pequeñas

dimensiones8. La cantidad de electrones que pasan hacia el primer ánodo depende del voltaje

aplicado a la reja de control que, si es suficientemente negativo, impedirá el paso de cual-

quier electrón hacia la pantalla. La perforación o ventana en el primer ánodo sirve para con-

formar el haz electrónico, junto con la segunda lente, en la región entre éstas y la pantalla, a

fin de que nuevamente converja en un punto sobre la pantalla.

La posición del punto de cruce puede variar como consecuencia de los voltajes del primer

ánodo y de la reja de control, así como de la densidad del haz electrónico en la zona del pri-

mer ánodo y tiene efectos sobre el enfoque del haz en la pantalla. Una forma de ajustar el en-

foque de la imagen es, por consecuencia, variar el voltaje del primer ánodo.

La segunda lente está constituida también por un cilindro metálico de diámetro algo mayor

que la primera y separada de ésta, en la forma que se ilustra en la figura 4. Su función es la

8 La descripción que se hace aquí, aunque se estima suficiente para comprender los principios de funcionamiento del cañón

electrónico, es muy simplificada y se reduce a los aspectos básicos. Los interesados en el análisis riguroso del funcionamiento de

las lentes electrónicas pueden consultar el texto de Zworykin y Morton mencionado en la nota (3)


9

de extraer los electrones del punto de cruce o cátodo virtual, acelerarlos y enfocarlos sobre la

pantalla. El voltaje aplicado al segundo ánodo es positivo respecto al cátodo y mayor que el

del primer ánodo.

Los electrones que emergen del primer ánodo no viajan todos paralelos al eje del tubo y el

haz tiende a ser divergente. Aún cuando el ángulo de divergencia sea pequeño, el rastro so-

bre la pantalla no sería un punto y la imagen resultaría desenfocada. El campo producido

por el potencial aplicado al segundo ánodo obliga nuevamente a los electrones a converger

en un nuevo punto de cruce, ahora mucho más lejano y sobre la pantalla del tubo de rayos

catódicos.

Haz electrónico

Segundo ánodo

Primer ánodo Líneas

equipotenciales

Fig. 4. Sistema de la segunda lente

El funcionamiento de la segunda lente depende de los diferentes potenciales aplicados al

primero y segundo ánodos y de la distribución del campo eléctrico resultante. En la figura 4

se muestran las líneas equipotenciales para esta lente y es conveniente hacer notar que su

curvatura cambia en la intersección de los dos ánodos. Del lado izquierdo son convexas res-

pecto al haz electrónico incidente, en tanto que a la derecha de la intersección son curvas, con

lo que se producen efectos opuestos sobre el haz. La configuración de las líneas, o más pro-

piamente, superficies equipotenciales en la zona del segundo ánodo es hacer converger nue-

vamente a los electrones del haz. La relación entre los voltajes del primero y segundo ánodo,

así como el tamaño de los respectivos cilindros y la relación entre sus diámetros es la que de-

termina la curvatura y distribución de las líneas de fuerza y de las superficies equipotencia-

les. El voltaje del segundo ánodo respecto al primero se sitúa en una relación que va de 3:1 a

6:1. En la figura 5 se muestra un cañón electrónico típico de un TRC.

Fig. 5. Cañón electrónico

1.2 Enfoque magnético


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En las secciones anteriores se trató el papel que desempeñan el primero y segundo ánodos en

el enfoque del haz electrónico sobre la superficie de la pantalla. Sin embargo, el ajuste del

punto de cruce en el interior del primer ánodo no suele ser suficiente para evitar la disper-

sión de una parte de los electrones fuera del haz, dando como resultado o bien un enfoque

pobre, o una disminución de la intensidad luminosa de la pantalla. Para mejorar la conver-

gencia del haz sobre la pantalla se utilizan imanes fijos o bobinas de enfoque alimentadas

con corriente continua y colocadas en el exterior del cañón electrónico, adelante del primer

ánodo en dirección a la pantalla.

La función de la primera lente se mantiene esencialmente igual a como se describió en las

secciones anteriores, haciendo converger los electrones en el punto de cruce. A partir de este

punto, la sección transversal del haz vuelve a ensancharse y los electrones divergen del eje

del tubo. Es entonces cuando el campo magnético producido por las bobinas de enfoque o

los imanes permanentes juega un papel importante para mantener el haz colimado y por tan-

to, puede decirse que el sistema de enfoque forma parte de la segunda lente.

El campo magnético producido por el sistema externo de enfoque, es paralelo al eje del tubo,

de modo que los electrones que emergen del punto de cruce o cátodo virtual viajen parale-

lamente al eje del tubo, el campo externo no interfiere con ellos. Sin embargo, los electrones

con trayectorias divergentes al eje entran al campo con trayectorias oblicuas y son sometidos

a una fuerza que los hace seguir una trayectoria helicoidal, cuyo diámetro y paso dependen

básicamente de la velocidad de los electrones y de la intensidad del campo magnético. La

fuerza circular a que se ven sometidos los electrones les obliga a moverse alrededor del eje

del tubo en dirección a la pantalla. Ajustando adecuadamente la intensidad del campo mag-

nético, es posible hacer que los electrones dispersos vuelvan al eje del tubo precisamente en

la superficie de la pantalla, convergiendo con el centro del haz.

Cuando se usan imanes fijos, se colocan sobre un anillo en el exterior del cañón electrónico.

Suelen usarse tres o cuatro imanes equiespaciados sobre el anillo, en el primer caso a 120º y a

90º en el segundo.

1.3 Trampa de iones.

Un aspecto de importancia considerable en los tubos de rayos catódicos es el de impedir que

los iones producidos en el interior del tubo, ya sea por el vacío imperfecto de la ampolla de

vidrio, o porque los metales en el interior liberan iones, alcancen la pantalla. Los iones nega-

tivos, al tener la misma carga que los electrones, son acelerados igual que éstos hacia la pan-

talla, sin embargo, al ser considerablemente más pesados que los electrones, pueden destruir

el recubrimiento de aquélla. En el caso particular de la deflexión magnética, los iones pesa-

dos no sufren la misma deflexión que los electrones y tienden a chocar en el centro de la pan-

talla destruyendo el material fotoemisivo de ésta y dando como resultado un punto negro in-

capaz de emitir luz.

La producción de iones en el tubo de rayos catódicos es inevitable, pero pueden emplearse

técnicas que impidan que estos iones lleguen a la pantalla. Una de estas técnicas utiliza ca-

ñones inclinados, como se ilustra en la figura 6.


11

Cátodo

Segundo Anodo

Iones

Haz electrónico

Reja de control

Fig. 6. Trampa de iones con cañón inclinado.

En esta técnica, el cátodo está inclinado respecto al eje del tubo y tanto los iones como los

electrones viajarán en trayectorias rectas. Sin embargo el campo eléctrico que produce el se-

gundo ánodo, hace que los electrones, más ligeros, modifiquen su trayectoria en la dirección

deseada del haz, en tanto que los iones, más pesados no se desvían con la misma rapidez y

chocan con el cilindro metálico del segundo ánodo siendo absorbidos por éste y evitando

que alcancen la pantalla. Para reforzar este efecto, suele colocarse un imán externo cuya fun-

ción es desviar, tanto los electrones como los iones. Sin embargo, debido a la mayor masa de

éstos la desviación es menor y terminan chocando contra el metal del segundo ánodo.

Cátodo

Reja de control

Primer ánodo

Segundo ánodo

Haz elec trónico

Iones

Fig. 7. Trampa con corte diagonal en el cañón electrónico.

Otra técnica para desviar los iones e impedir que lleguen a la pantalla, es que emplea cortes

diagonales en el primero y segundo ánodos como se muestra en la figura 7. En esta caso, el

campo eléctrico producido entre el primero y el segundo ánodos desvía el haz que contiene

tanto electrones como iones más pesados. El efecto es similar al descrito para el caso anterior,

nuevamente con la ayuda de un campo magnético externo.

Las técnicas anteriores estuvieron en uso mucho tiempo. Sin embargo, actualmente la mayo-

ría de los tubos de imagen utilizan otro procedimiento para impedir que los iones alcancen la

pantalla, que consiste en colocar en el interior de ésta una película de aluminio extremada-

mente delgada, de tal forma que permite el paso de los electrones, pero impide el de los io-

nes, al mismo tiempo que impide que la luz emitida por el material luminiscente de la panta-

lla se refleje al interior del tubo, haciendo que toda la luz se emita hacia el frente. La razón

de que los iones queden atrapados por esta película de aluminio radica en la profundidad de

penetración de una partícula, que obedece la siguiente relación:


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m

VK e=δ

donde δ es la profundidad de penetración, que no debe confundirse con la relacionada con el

efecto pelicular (skin), K es una constante que depende del material con el que choca la partí-

cula, Ve es la energía de la partícula y m su masa.

Como los iones tienen una masa considerablemente mayor que los electrones, su profundi-

dad de penetración es menor y quedan atrapados por la película metálica sin alcanzar el ma-

terial luminiscente de la pantalla. La tedencia en las últimas décadas ha sido la de aluminizar

todas las pantallas y, en la mayoría de los casos eliminar la trampa de iones, particularmente

en los cañones de corta longitud.

1.4 Problemas de brillo y contraste en los tubos de imagen

9

El principal objetivo en el diseño de un tubo de rayos catódicos para televisión es la produc-

ción de una imagen con buen brillo y elevado contraste. Cuando el haz electrónico choca co-

ntra el lado interior del tubo recubierto de material luminiscente, la luz emitida se distribuye

aproximadamente de la siguiente forma:

� 50% se refleja hacia el interior del tubo.

� 20% se pierde por reflexión interna en el propio cristal del tubo.

� 30% se emite hacia la parte frontal donde se sitúa el observador.

Como se aprecia de las cifras aproximadas anteriores, el proceso es muy poco eficiente ya

que sólo la tercera parte de la luz emitida llega al observador y, además, el contraste se ve

degradado a causa de la luz que se refleja de nuevo a la pantalla después de haber alcanzado

otros puntos en el interior del propio tubo. Algunas de estas causas de interferencia en orden

de importancia son la formación de halos o halación, las reflexiones debidas a la curvatura de

la pantalla, las reflexiones en la propia superficie de la pantalla y las reflexiones procedentes

del interior del propio tubo.

La formación de halos es debida a la dispersión de luz alrededor de los puntos emisores im-

pactados por el haz electrónico, en forma de anillos alrededor de dichos puntos. La luz que

emite el material luminiscente depositado en el interior del tubo penetra en el vidrio y se re-

fracta, sufriendo una nueva refracción al pasar del vidrio al aire, como se ilustra en la figura

8.

9 El material de esta sección está basado en buena parte en el texto “Television Simplified”, 7ª Edición, de M. S. Kiver y M. Kauf-

man, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1962.


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Interior del tubo

(vacío)

Exterior

(aire)

Haz electrónico

incidente sobre la pantalla

Material luminiscente

Vidrio

θ

Fig. 8. Reflexiones internas causantes de la formación de halos.

Los rayos luminosos que inciden sobre la superficie vidrio-aire a un ángulo mayor que θ se

reflejan de nuevo al interior y, en cada punto en el que inciden sobre la superficie de material

luminiscente se dispersan, produciendo anillos o halos alrededor del punto original. Estos

halos son de dimensiones muy reducidas y pueden apreciarse con un lente de aumente sufi-

ciente; sin embargo son suficientes para para producir un cierto resplandor que hace borroso

el punto emisor original sobre el que incide el haz electrónico. Este efecto tiene como conse-

cuencia una reducción en el máximo detalle del contraste. El contraste es la relación entre el

brillo de dos puntos adyacentes, de modo que si el haz electrónico incide completamente so-

bre un punto de la pantalla y se corta en el siguiente (negro), la dispersión producida por el

fenómeno de halación hará que este último no se vea completamente negro, lo que resulta en

pérdida de calidad en los bordes de una imagen. O otras palabras, las áreas de una imagen

que debieran ser totalmente obscuras recibirán cierta cantidad de luz reducieéndose la rela-

ción de contraste.

Las reflexiones debidas a la curvatura de la pantalla se ilustran en la figura 9 y también dan

lugar a reducción del contraste. La solución a este problema es el empleo de pantallas planas

en cuyo desarrollo se ha progresado considerablemente

Punto emisor

Fig. 9. Reflexión debida a la curvatura de la pantalla.

Los rayos luminosos reflejados hacia el interior del tubo representan una pérdida de energía

luminosa en la dirección frontal y, además pueden reflejarse nuevamente por las paredes del

tubo incidiendo sobre la pantalla. Este tipo de reflexión interna puede reducirse con una

geometría adecuada del tubo para reducirlas. Sin embargo, la técnica más adecuada, ya men-


14

cionada en la sección anterior es la de utilizar una película metálica muy delgada que impida

la reflexión hacia el interior y que además, actúa como trampa de iones.

1.5 Emisión de radiaciones por los Tubos de Rayos Catódicos

En los tubos de rayos catódicos los electrones son acelerados a través de potenciales entre

unos 15 y unos 30 kV, dependiendo de las dimensiones de la pantalla. Cuanto mayor sea ésta,

mayor es el voltaje de aceleración necesario. La energía cinética de los electrones acelerados a

través de estos potenciales es, por consecuencia, de 15 a 30 keV. La velocidad que alcanzan es

de 7.26×107 m/s para 15 kV y de 1.027×108 m/s respectivamente. Despreciando los efectos re-

lativísticos10 ya que la masa del electrón no aumenta considerablemente a esas velocidades,

inferiores a la de la luz, pero aún así muy grandes, es posible imaginar lo que ocurre cuando

chocan con la pantalla. Parte de su energía la ceden al material fosforescente que recubre la

pantalla que, a su vez la transforma en energía luminosa, otra parte la ceden en forma de ca-

lor y otra en forma de radiación X a causa del frenado11. Esta radiación es en forma es mayor

cuanto mayor sea el voltaje de aceleración y no es emitida sólo por la pantalla, sino también

por las superficies laterales del TRC12. de modo que es, prácticamente en todas direcciones.

Esta radiación es detectable sobre la radiación de fondo y, dependiendo del tiempo de expo-

sición puede ser hasta alrededor de un 28% de la radiación de fondo. La radiación X es emi-

tida por los TRC tanto de receptores de televisión como por monitores de computadora y es

detectable a distancias superiores a 2.5 metros del receptor o monitor.

Los rayos X, al igual que los gamma y los ultravioleta de alta frecuencia o ultravioleta lejano

se designan como radiaciones ionizantes ya que, al no tener carga ni masa, penetran en la ma-

teria e interactúan con ella rompiendo enlaces químicos. Esto es particularmente peligroso en

el caso de los tejidos biológicos, ya que pueden romper enlaces de ADN y dañar las células,

que pueden degenerar y dar origen a tumores, por lo general no detectables a corto plazo.

Respecto al daño a la salud humana, el tema es controvertido y en el caso de los TRC se ha, o

bien omitido, o bien soslayado el tema con el argumento que al tratarse de rayos X de baja

energía o rayos X “suaves”, no representan peligro para la salud. Aunque hay controversia,

de lo que no hay duda es de que las radiaciones ionizantes son potencialmente peligrosas para

la salud humana, independientemente de su nivel de energía.

Además de las radiaciones ionizantes los receptores de televisión y los monitores de compu-

tadora emiten radiación electromagnética no ionizante. La radiación no ionizante abarca

desde las muy bajas frecuencias hasta el ultravioleta “cercano” y no tiene energía suficiente

para romper enlaces químicos13, si bien puede tener otros efectos biológicos de los que los

principales son los efectos térmicos. Estos efectos pueden ser graves y aun mortales, por

ejemplo en la cercanía de antenas como las de radar o de microondas en que se radian poten-

cias muy elevadas, hasta del orden megawatts. Estos efectos pueden manifestarse como

10 La masa del electrón acelerado a través de 15 kV aumenta a 1.03 su masa en reposo y, a través de 30 kV, a 1.06 de dicha masa,

por ello los efectos relativísticos pueden ignorarse. 11 Esta radiación de frenado se designa como bremsstrahlung, su nombre en alemán. 12 Pérez-Vega, C., Zamanillo, J.Mª. and Saiz Ipiña, J. Assesment of Ionizing Radiation from PC Monitors and TV Receivers. IEEE

Transactions on Consumer Electronics. Vol. 46, Nº 4, Nov. 2000. En este artículo se presentan resultados de numerosas medicio-

nes con receptores de televisión y monitores de computadora. 13 La energía necesaria para liberar un electrón de un átomo, es decir, ionizarlo, es del orden de unos 4 eV.


15

quemaduras, daños irreversibles a la retina y a los órganos reproductores o más leves como

hipertermia, en cuyo caso son reversibles, ya que los síntomas desaparecen al eliminar la

causa. Por otra parte los daños causados por la radiación ionizante son, en general, irreversi-

bles. En estos últimos años se han suscitado abundantes controversias sobre los efectos a la

salud humana causados por la radiación electromagnética sin que, hasta el momento se haya

conseguido concluir prácticamente nada. El tema sigue siendo objeto de estudio, principal-

mente sobre los efectos no térmicos, como la posible alteración del comportamiento celular,

efectos neurológicos, etc.

Las radiaciones electromagnéticas emitidas por los televisores y monitores son de baja fre-

cuencia: 50 Hz y 15725 Hz, correspondientes a las frecuencias de línea y cuadro, ya que las

señales a estas frecuencias se aplican a los circuitos de barrido horizontal y vertical y pueden

alcanzar niveles hasta de unos centenares de volts. Estas radiaciones puede prácticamente

afirmarse que no tienen ningún efecto detectable sobre la salud humana.

En algunos tubos de rayos catódicos que llevan la etiqueta de “Radiation Safe”, es decir segu-

ros respecto a radiaciones, el tubo de rayos catódicos, a excepción de la pantalla, está recu-

bierto de una lámina metálica en cuya aleación se incluye plomo. Es posible que en éstos la

radiación trasera y lateral se elimine o se reduzca, pero la pantalla no puede blindarse y si-

gue siendo una fuente de radiación para las personas frente a ella. Cabe decir que los filtros

que a veces se utilizan frente a la pantalla no tienen ningún efecto sobre la radiación X emiti-

da por ésta. Finalmente hay que mencionar que las pantallas planas basadas en LCD, TFT o

plasma, no emiten radiaciones ionizantes.

2. Pantallas Planas: LCD

LCD es la abreviatura en inglés de Liquid Crystal Display, que aquí se traduce como Pantalla

de Cristal Líquido. Los cristales14 líquidos son substancias anisotrópicas que presentan una fa-

se de la materia cuyas propiedades pueden situarse entre las de un líquido convencional y

las de un cristal sólido. Un cristal líquido puede fluir como un líquido, pero sus moléculas

están orientadas en forma cristalina.

Hay diversas fases en un cristal líquido y pueden distinguirse basándose en sus diferentes

propiedades ópticas, por ejemplo la birrefringencia15. Cuando se observan bajo un microsco-

pio utilizando una fuente de luz polarizada, aparecen diferentes fases con distintas texturas16,

en que cada “parche” o porción en la textura corresponde a un dominio en que las moléculas

del cristal líquido están orientadas en direcciones diferentes. Sin embargo, dentro de un do-

minio, las moléculas todas bien orientadas.

14 No debe confundirse el término cristal aquí utilizado, con el que se designa frecuentemente al vidrio común. Un cristal es un

sólido en que sus elementos constituyentes: átomos, moléculas o iones observan un orden geométrico regularmente ordenado

en un patrón que se extiende tridimensionalmente. 15 La Birrefringencia, también doble refracción, es la descomposición de un rayo luminoso en dos rayos paralelos de diferente

polarización al pasar a través de ciertos tipos de materiales. Estos rayos reciben el nombre rayo ordinario y rayo extraordinario. 16 En la Ciencia de Materiales, la textura es la distribución de las orientaciones cristalinas en una muestra. Si la orientación es

aleatoria, se dice que no hay textura.


16

El origen del cristal líquido se remonta a 1888, en que el químico austriaco Friedrich Reinit-

zer, que realizaba experimentos en la Universidad de Praga sobre una substancia basada en

colesterol, buscando la fórmula correcta y el peso molecular del colesterol, al intentar deter-

minar con precisión el punto de fusión, que es un indicador importante de la pureza de la

substancia, descubrió que dicha substancia parecía tener dos puntos de fusión. A 145.5ºC el

cristal sólido se fundía en un líquido nuboso que se mantenía hasta 178.ºC en que la nubosi-

dad desaparecía repentinamente dando lugar a un líquido claro y tranparente. Inicialmente

Reinitzer pensó que esto podía deberse a impurezas en el material, sin embargo aún purifi-

cándolo más no se producían cambios en ese comportamiento.

Sorprendido por el descubrimiento, Reinitzer buscó la ayuda del físico alemán Otto Leh-

mann, que era experto en óptica cristalina. Este se convenció de que el líquido nuboso tenía

una clase de orden única, en tanto que el líquido transparente, a mayor temperatura, tenía el

estado desordenado característico de los líquidos comunes. Lehmann se dio cuenta de que el

líquido nuboso constituía un nuevo estado de la materia al que le dio el nombre de cristal lí-

quido, dando a entender de que se trataba de un estado intermedio entre un líquido y un só-

lido, compartiendo propiedades importantes de ambos. En un líquido normal, las propieda-

des son isotrópicas, es decir, las mismas en todas direcciones, a diferencia de un cristal líqui-

do en que dependen considerablemente de la dirección aún cuando la substancia sea fluida.

Tradicionalmente se considera que la materia tiene tres estados o fases: sólido, líquido y ga-

seoso, lo que al principio produjo controversias en el terreno científico en que algunos pen-

saban que el nuevo estado era, probablemente, una mezcla de componentes sólidos y líqui-

dos. Sin embargo, entre 1910 y 1930 se realizaron experimentos concluyentes y se desarrolla-

ron teorías incipientes que explicaban el concepto de cristal líquido, al mismo tiempo que se

descubrieron nuevos tipos de orden de los estados cristalinos líquidos. Los cristales líquidos

no fueron populares y permanecieron como una curiosidad científica por casi ochenta años.

En la actualidad, gracias a Reinitzer, Lehmann y otros que siguieron su trabajo, se sabe que

prácticamente miles de substancias presentan una diversidad de otros estados. Algunas de

ellas han sido muy útiles en innovaciones técnicas entre ellas, las pantallas de relojes, teléfo-

nos móviles, receptores de televisión y monitores de computadora.

En la década de 1960-70, Pierre-Guilles de Gennes, que trabajaba en temas de magnetismo y

superconductividad, se interesó en los cristales líquidos y pronto encontró importantes ana-

logías entre éstos y los superconductores, así como con materiales magnéticos. Su trabajo le

valió el Premio Nobel en Física, en 1991 y ha influido considerablemente en la ciencia y tec-

nología de los cristales líquidos.

Fases en los cristales líquidos

Los cristales líquidos pueden dividirse en dos clases: termotrópicos y liotrópicos. Los prime-

ros presentan una transición a la fase líquida cuando cambia la temperatura, en tanto que en

los liotrópicos las fases de cristal líquido se forman gracias a la adición de un solvente. En

cristales termotrópicos si la temperatura es elevada, el aumento en la energía y, por conse-

cuencia en el movimiento molecular inducirá un cambio de fase y se volverá un líquido iso-

trópico. Si, por el contrario, la temperatura es muy baja para soporta la fase termotrópica, el

material se volverá un cristal sólido. Así pues, hay un rango de temperaturas en que se pue-


17

de observar el comportamiento termotrópico del cristal y, en general, a diferentes temperatu-

ras se dan diversas subfases, tanto nemáticas como smécticas.

Típicamente, una molécula de un cristal líquido consiste de un grupo funcional17 rígido y

una o más partes flexibles. La parte rígida alinea las moléculas en una dirección, mientras

que las partes flexibles inducen fluidez en el cristal. Esta parte rígida, designada como mesó-

geno juega un papel crucial en la molécula y el balance de esas dos partes, rígida y flexible, es

fundamental en la formación de materiales cristalinos líquidos.

Las fuerzas moleculares que producen los estados cristalinos líquidos son muy débiles y, por

consecuencia, las estructuras se ven afectadas fácilmente por cambios de esfuerzos mecáni-

cos, campos electromagnéticos y entorno químico. Se reconocen tres categorías o fases, ade-

más de la isotrópica: sméctica18, nemática y colestérica, esta última no es propiamente una fa-

se y suele designarse también como nemática torsionada.

Fase isotrópica: En esta fase, las moléculas del cristal están alineadas aleatoriamente. La fase

isotrópica tiene baja viscosidad y es transparente. Para fines prácticos, la fase isotrópica apa-

rece macroscópicamente como cualquier líquido isotrópico, por ejemplo el agua.

Los cristales líquidos smécticos están formados por láminas o capas planas de moléculas en

forma de cigarro puro, con los ejes mayores orientados perpendicularmente al plano de la

capa. Cada capa tiene un espesor de una o dos moléculas y sus posiciones en cada capa pue-

den estar ordenadas o al azar, dependiendo de la substancia. Las láminas fluyen libremente

una sobre otra, sin embargo las moléculas dentro de cada capa se mantienen orientadas y no

se mueven entre capas19. La fase sméctica es cercana a la fase sólida y, a su vez, se divide en-

tre varias sub-fases con propiedades ligeramente diferentes.

La fase nemática es la más simple y es cercana al estado líquido. En esta fase las moléculas se

orientan, en promedio, en una dirección particular como se ilustra en la figura 1 y, por con-

secuencia se produce anisotropía macroscópica en diversas propiedades del material, tales

como la constante dieléctrica y, por tanto, el índice de refracción.

Fig. 1. Estructura molecular en un cristal nemático.

17 El término en inglés es moiety, que podría traducirse como “medianía” 18 Del griego smektos (película o capa delgada). Relativo a la fase mesomórfica de un cristal líquido en que las moléculas están

firmemente alineadas en una serie de capas distintas con los ejes de las moléculas perpendiculares al plano de las capas. 19 http://smectic.org/


18

Cuando las moléculas en esta fase son quirales20, se alinean en una estructura torsionada que

refleja la luz visible en diferentes colores que dependen de la temperatura y puede, por con-

secuencia, emplearse en sensores de temperatura. La fase colestérica es del mismo orden que

la nemática, con moléculas quirales, sin embargo el director efectúa una torsión alrededor de

un eje con ángulo constante. La fase colestérica21 se designa más comunmente como nemática

torsionada22. En este caso la orientación promedio puede alterarse mediante campos eléctri-

cos y la polarización de la luz seguirá la orientación molecular según cambia a través de una

celda. Los tiempos típicos de respuesta son del orden de miliosegundos. Los LCD en el modo

nemático torsionado son los más utilizados en los dispositivos de visualización.

Pantallas de cristal líquido

Las pantallas de cristal líquido se designan a veces como “TFT23” que es una variante de las

pantallas LCD que utilizan tecnolofía de transistores de película delgada para mejorar la ca-

lidad de la imagen. Estrictamente, el término TFT LCD designa un tipo de matriz activa que

se emplea con frecuencia como sinónimo de LCD y se emplea en pantallas de televisión, pan-

tallas planas y proyectores.

Polarización

Para comprender el funcionamiento de una pantalla de cristal líquido es necesario antes

comprender el concepto de polarización de la luz. De hecho la luz no es otra cosa que una

forma de energía electromagnética y las ondas luminosas (fotones) son transversales, es decir,

perpendiculares a la dirección de propagación y, de igual manera que las ondas electromag-

néticas de radiofrecuencia, tienen una determinada polarización24. Cuando, como en el caso

de la luz normal, la dirección del campo eléctrico es aleatoria, se dice que la onda está despo-

larizada o bien no polarizada. Cuando una onda luminosa se refleja por ejemplo en una ca-

rretera o en la superficie del mar en calma, la luz reflejada tiene más componentes paralelos a

la superficie reflejada y, por consecuencia, se ha polarizado parcialmente. Sin embargo, al-

gunos materiales, como el plástico utilizado en gafas de sol, pueden absorber todas las com-

ponentes en ciertas direcciones y dejar pasar sólo las componentes perpendiculares a la di-

rección de propagación. Esta es la forma en que las gafas de sol eliminan el brillo o destello

de la superficie de una carreta. El concepto de polarización no resulta fácil de explicar em-

pleando la teoría corpuscular de la luz y se prefiere para ello la teoría ondulatoria. El com-

portamiento de un rayo de luz que se propaga en un material anisotrópico depende de su

polarización. Es decir, el índice de refracción del material no es uniforme y su valor depende

de la dirección. En un material uniaxial, para una dirección dada de propagación, por lo ge-

neral hay dos polarizaciones perpendiculares para las que el medio se comporta como si tu-

viera un índice de refracción único para cada polarización y se designan como rayos ordina-

rio (o) y extraordinario (e) a los que corresponde un índice de refracción ordinario y otro ex-

20 Una definición de quiralidad es “algo que no puede superponerse a su propia imagen especular, como por ejemplo una mano

que coincide con si misma en un espejo, pero no si se superpone a la otra mano. Es decir, es una propiedad asimétrica de las

moléculas y algunos materiales. Las moléculas quirales son muy activas ópticamente. 21 El nombre colestérico es histórico y tiene su origen en las investigaciones iniciales de Reinitzer. 22 Twisted nematic. También designada en español como nemática helicoidal. 23 Thin Film Transistor 24 La polarización de una onda es la dirección del vector del campo eléctrico.


19

traordinario. En materiales biaxiales hay tres índices de refracción, α, β y γ, si bien sólo hay

dos rayos uno designado como rápido y otro lento. Este último es el que corresponde al índice

de refracción más elevado.

Para polarizar luz se puede utilizar un filtro polarizador semejante al mencionado en el caso

de las gafas de sol. Dos de tales filtros colocados sucesivamente en el trayecto luminoso con

sus direcciones de polarización perpendiculares, no dejarán pasar ninguna luz. Sin embargo,

si las ondas luminosas tuercen su dirección de polarización en la distancia que separa los fil-

tros toda la luz pasará a través de la celda a pesar de que los filtros sean de polarización cru-

zada.

La polarización de una onda electromagnética se define como la orientación del vector del

campo eléctrico. En una onda plana las componentes de los campos eléctricos y magnético

son, en todo momento, perpendiculares entre sí y, a la vez, perpendiculares a la dirección de

propagación. Es decir, E y H están en un plano perpendicular a la dirección de propagación

y se dice que tal onda es transversal, a diferencia de las ondas acústicas que son longitudinales,

ya que la dirección del campo, en este caso de presión acústica, está en la dirección de pro-

pagación. En la figura 2 se ilustran las componentes de una onda plana, con componentes Ez

y Hy que viaja con velocidad v0 en la dirección x.

Fig. 2. Componentes del campo electromagnético en una onda plana.

La polarización se describe como el lugar geométrico trazado por el vector del campo eléctri-

co, E, en un plano estacionario, perpendicular a la dirección de propagación, cuando la onda

atraviesa ese plano. El vector del campo en ese plano puede descomponerse en dos compo-

nentes ortogonales cuya amplitud puede ser variable en el tiempo y en el espacio. En el caso

de la figura 1, el vector E está en el plano yz, siempre en la dirección z, de modo que la onda

está polarizada verticalmente. Si E estuviera en el plano xy, en la dirección y, la polarización

sería horizontal.

La propagación de la luz sigue las mismas reglas anteriores, ya que de acuerdo a la teoría

ondulatoria de la luz, esta se considera una onda electromagnética y el procedimiento para

su análisis está basado en la Teoría del Campo Electromagnético de Maxwell, por lo que

pueden aplicarse métodos similares a los utilizados en el análisis de la radiación y propaga-

ción electromagnéticas.


20

Si imaginamos que las dos componentes de E tienen amplitudes variables y se suponen gi-

rando en el plano transversal a la dirección de propagación, el lugar geométrico trazado por

el extremo del vector resultante será, en general, una elipse. De hecho, la polarización elíptica

representa el caso más general de polarización, de la que la polarización lineal, ya sea verti-

cal, horizontal o inclinada, son casos particulares. Otro caso particular es la polarización circu-

lar, que ocurre cuando las componentes de E tienen la misma amplitud, pero están defasadas

90º. En óptica suelen tratarse principalmente las polarizaciones lineales horizontal y vertical,

como se ilustra esquemáticamente en la figura 3

x

y

z

(a) Polarización horizontal

x

y

z

(b) Polarización vertical

Fig. 3. Polarización horizontal y vertical

En la figura anterior la luz se propaga en la dirección x, sin embargo en el caso de polariza-

ción horizontal el campo eléctrico está en el plano xz, mientras que para de polarización ver-

tical, el vector del campo está en el plano xy. El vector del campo magnético está siempre en

dirección perpendicular al del campo eléctrico y para ondas planas, ambos vectores están en

un plano perpendicular a la dirección de propagación.

La luz emitida por el sol, por una lámpara incandescente o una vela se dice que no está pola-

rizada. En realidad, de acuerdo a la definición anterior de onda plana, en realidad el campo

eléctrico tiene componentes tanto horizontales como verticales, de modo que en general

puede hablarse polarización elíptica.

La luz no polarizada puede polarizarse horizontal o verticalmente de modo que las vibracio-

nes ocurran en un solo plano, para lo cual hay diversos métodos: polarización por transmi-

sión, reflexión, refracción y dispersión.

Polarización por transmisión: Un método común es por transmisión mediante filtros polari-

zadores25 como se ilustra en la figura 4.

Luz no polarizada Luz polarizada

Filtropolarizador

25 Estos filtros se designan a veces como filtros Polaroid.


21

Fig. 4. Polarización mediante un filtro.

En la figura anterior se asume que la luz incidente tiene una componente horizontal y otra

vertical, que en promedio puede considerarse que tienen la misma energía. La ranura verti-

cal del filtro dejará pasar solamente la componente vertical y la componente horizontal será

absorbida o rechazada. La luz emergente del filtro al tener sólo una de las componentes de

polarización originales, contendrá la mitad de la energía de la luz incidente. En la figura se

expresa la idea básica de un filtro polarizador. Sin embargo, la luz incide sobre toda la super-

ficie del filtro y, con una sola rendija la mayor parte de la energía se perderá en el polariza-

dor. En realidad, el filtro está compuesto por una serie de ranuras verticales u horizontales,

según el caso y de un ancho comparable o menor a la longitud de onda de la luz a polarizar.

Una estructura de este tipo solo puede conseguirse a escala molecular, por lo que en los fil-

tros Polaroid se emplean materiales cuyas moléculas están orientadas en dirección tal, que

permiten sólo el paso de la componente luminosa de polarización adecuada. En la figura 4 se

muestran algunos filtros Polaroid típicos empleados en aplicaciones fotográficas y de cine y

televisión.

La polarización producida por un filtro es posible

gracias a la composición química del material del fil-

tro, generalmente formado por cadenas de molécu-

las alineadas en la misma dirección. Durante la fa-

bricación del filtro, las cadenas largas de moléculas

se extienden a lo largo del filtro de modo que cada

molécula se alinea, digamos en la dirección vertical.

Cuando la luz no polarizada incide sobre la superfi-

cie del filtro, la componente vertical de las ondas es

absorbida por el filtro. La regla general es que las vi-

braciones electromagnéticas en dirección paralela al

alineamiento de las moléculas son absorbidas y las

que están alineadas perpendicularmente al alineamiento molecular pasan a través del filtro.

La situación es similar a la que se tiene en una antena, por ejemplo un dipolo horizontal, con

un reflector de varillas. Si las varillas del reflector son perpendiculares al dipolo, es decir ver-

ticales, la onda pasa a través de ellas, en tanto que si son paralelas al dipolo (horizontales), la

onda es reflejada.

Se define así un eje de polarización, perpendicular a la dirección de alineamiento de las molé-

culas, de modo que la componente de las ondas luminosas paralela al eje de polarización pa-

sa a través del filtro, en tanto que la componente perpendicular es absorbida. Esto se ilustra

esquemáticamente en la figura 5.

Fig. 5. Filtros de polarizaciónFig. 5. Filtros de polarización


22

Alineamiento de las moléculas

Ejes de polarizaciónHorizontal Vertical

Fig. 5. Ejes de polarización

Polarización por reflexión. La luz no polarizada también puede polarizarse por reflexión en

superficies no metálicas. La magnitud de dicha polarización depende del material de la su-

perficie y del ángulo de incidencia de la luz. Las superficies metálicas reflejan la luz de forma

por lo general no polarizada. Sin embargo las no metálicas como el asfalto, campos nevados

y agua se da una gran concentración de componentes de la onda luminosa en un plano para-

lelo a la superficie reflectora. Esto se aprecia por ejemplo en una carretera o en la superficie

quieta de un lago en que el destello de la superficie impide ver los objetos y puede eliminarse

mediante un filtro que bloquee la luz polarizada horizontalmente, por ejemplo, unas gafas de

sol. Este tipo de polarización se ilustra en la figura 6.

Onda incidente no polarizada

Onda reflejada, polarizada horizontalmente

Plano reflector no metálico

Fig. 6. Polarización por reflexión.

Polarización por refracción. Ocurre cuando un haz luminoso pasa de un medio a otro, por

ejemplo del aire al vidrio u otra substancia como calcita o feldespato, de diferente constante

dieléctrica y, por consecuencia, diferente índice de refracción, así como diferente estructura

molecular. En la frontera entre los dos medios la trayectoria del haz cambia de dirección y el

haz refractado, dependiendo de las características del segundo medio, se divide en dos (fig.

7), cada uno con polarización diferente que constituyen los rayos ordinario y extraordinario

y viajan con diferente velocidad a través del segundo medio. En estas condiciones es posible

utilizar un filtro para bloquear completamente uno de los dos rayos.


23

Onda incidente no polarizada

Componente horizontal refractada

Componente vertical refractada

H

V

Fig. 7. Polarización por refracción

Como resultado de la presencia de dos rayos paralelos de diferente polarización al pasar por

estos materiales se produce el fenómeno llamado birrefringencia, también designado como

doble refracción, que se ilustra en la figura 8.

Cristal

Birrefringencia

Fig. 8. Birrefringencia.

Un filtro birrefringente consiste de capas alternas de películas polarizadoras cortadas de un

cristal birrefringente y transmite la luz en forma de bandas estrechas de longitudes de onda

ampliamente espaciadas. Se conoce también como filtro de Lyot o filtro monocromático y en-

tre sus aplicaciones están las de astronomía, en particular solar y en la sintonía de cavidades

ópticas en láseres. El ancho de banda y la separación de las bandas de transmisión depende

del número, espesor y orientación de las placas polarizadoras.

En las pantallas de cristal líquido se emplean por lo general celdas de cristal nemático torsio-

nado (TN) en las que ausencia de fuerzas externas, las moléculas siguen un alineamiento

helicoidal o torsionado como se ilustra en la figura. En estas condiciones un rayo de luz pola-

rizada va modificando su polarización de acuerdo a la orientación de las moléculas, de modo

que si la luz incide sobre la celda a través de un filtro de polarización vertical, irá cambiando

su polarización hasta emerger de la celda con polarización horizontal. Las celdas cristalinas

se colocan entre dos filtros polarizadores, uno horizontal y otro vertical como se ilustra en la

figura 9.


24

V

Filtro depolarización horizontal

Filtro depolarización vertical

Moléculas decristal líquido torsionadas

Luz incidente

Luztransmitida

Electrodostransparentes

Fig. 9. Celda cristalina TN sin campo aplicado

Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal sus moléculas se alinean y se pierde el efecto

de torsión. En estas condiciones si la luz entra a la celda con polarización vertical saldrá de

ella con la misma polarización y, al encontrar a la salida el filtro polarizador horizontal será

absorbida por éste y, por consecuencia, no se transmitirá, como se ilustra en la figura 10.

V

Filtro depolarización horizontal

Filtro depolarización vertical

Moléculas decristal líquidoalineadas

Luz incidente

Luzobstruida

Electrodostransparentes

Fig. 10. Celda cristalina TN con campo aplicado.

En la figura, las moléculas se encuentran en el plano perpendicular al de los filtros polariza-

dores, es decir, a lo largo del rayo luminoso y no tienen influencia sobre el estado de polari-

zación de modo que la combinación de los dos filtros ortogonales no deja pasar luz a través

del filtro de salida y la celda entonces aparece negra. Las dimensiones de la celda son tales

que la rotación de las moléculas queda confinada a 90º entre sus extremos.

La fluidez de los cristales nemáticos es similar a la de los líquidos isotrópicos, pero pueden

alinearse fácilmente por campos eléctricos o magnéticos externos. El cristal alineado tiene las

propiedades ópticas de un cristal uniaxial lo que lo hace particularmente útil en los disposi-

tivos LCD.


25

La descripción anterior explica el principio de funcionamiento de una celda de cristal líquido.

Una pantalla o dispositivo de visualización de cristal líquido está formado por un cierto nú-

mero de elementos de imagen, que pueden ser monocromáticos o de color, dispuestos frente

a una fuente luminosa o a un reflector. Esto da lugar a dos técnicas de construcción, una en

que la fuente luminosa está detrás de las celdas y otra en que la luz incidente sobre la pantalla

es reflejada en su parte posterior proyectándose hacia el observador. En el caso de pantallas

monocromáticas cada celda de cristal corresponde a un elemento de imagen, en tanto que en

una pantalla de color elemento de imagen está constituido por tres celdas o subelementos, uno

por cada color primario. Cada celda correspondiente a un elemento, o subelemento según el

caso, consiste de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes y dos

filtros de polarización cuyos ejes de transmisión son perpendiculares entre sí, según lo des-

crito en párrafos anteriores. En ausencia de la celda cristalina entre los filtros, la luz incidente

a través del primer filtro es bloqueda por el segundo. La superficie de los electrodos en con-

tacto con el cristal líquido se trata de modo que las moléculas cristalinas queden alineadas en

una dirección particular. Este tratamiento consiste típicamente en la aplicación de un políme-

ro delgado que se frota unidireccionalmente, de modo que las moléculas quedan alineadas

en la dirección de frotamiento.

Si no hay aplicado un campo eléctrico, la orientación de las moléculas cristalinas está deter-

minada por el alineamiento de las superficies. En un dispositivo nemático torsionado, que es

el utilizado más comúnmente en pantallas, las direcciones de alineamiento de los electrodos

son perpendiculares entre sí, de modo que las moléculas se alinean formando una estructura

helicoidal o torsionada. Como el cristal líquido es birrefringente, la luz que pasa a través del

filtro de entrada sufre un giro al pasar por la capa cristalina, permitiendo su paso a través del

segundo filtro. Si la luz incidente sobre el primer filtro no está polarizada, la mitad de su

energía es absorbida por éste. Al quedar polarizada y girar su polarización llega al segundo

filtro con la polarización adecuada para pasar a través de él sin pérdidas y en general, puede

decirse que el ensamble completo es transparente.

Cuando se aplica un voltaje a los electrodos, se produce una fuerza de torsión que actúa ali-

neando las moléculas del cristal paralelamente al campo eléctrico, distorsionando la estruc-

tura helicoidal. Las moléculas, al estar constreñidas por las superficies de la celda presentan

cierta oposición de la estructura helicoidal en reposo, lo que reduce el ángulo de rotación de

la polarización y el elemento de imagen aparece de color gris. Si el voltaje aplicado es sufi-

cientemente alto, las moléculas en el centro de la capa cristalina quedan casi completamente

alineadas y la polarización de la luz incidente no se altera, de modo que la polarización será

prácticamente perpendicular a la del segundo filtro y la luz de salida será bloqueada y el

elemento de imagen se verá negro. Controlando el voltaje aplicado a la celda cristalina puede

variarse la intensidad de la luz emergente, consiguiéndose diferentes niveles de gris.

En el caso de pantallas de color, cada elemento de color está formado por tres subelementos,

cada uno correspondiente a uno de los colores primarios: R, G y B. Cada uno de estos sub-

elementos incluye una celda de cristal líquido con sus respectivos electrodos, dos filtros po-

larizadores y un filtro adicional de color como se ve en la figura 12, ya que el voltaje aplicado


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a los electrodos de cada subelemento corresponde al nivel de luminancia del color primario

correspondiente.

Filtro vertical

Filtro horizontal

Celda de cristal líquido

Moléculastorsionadas

Filtro de color

Luz incidenteLuz transmitida

Fig. 12. Celda TN con filtro de color correspondiente a un

subelemento o subpixel (R, G o B).

Los efectos ópticos de un dispositivo nemático torsionado con voltaje aplicado dependen

muy poco de las variaciones en el espesor de la celda que en el estado de ausencia de voltaje

y, dado que el ojo es considerablemente más sensible a variaciones en el estado “obscuro”, es

decir a bajos niveles de iluminación que a los niveles altos, las celdas operan entre polariza-

dores cruzados de forma tal que aparezcan brillantes sin voltaje y obscuras en caso contrario.

También pueden funcionar utilizando filtros de polarización paralelos, en cuyo caso los es-

tados brillante y obscuro se invierten. En esta última configuración, en el estado obscuro

aparecen manchas debidas a pequeñas variaciones en el espesor de las celdas.

Tanto el cristal líquido como la capa de alineamiento contienen compuestos iónicos, de modo

que si se aplica un campo eléctrico de una polaridad determinada, durante un período largo

de tiempo, los iones son atraídos a las superficies y deterioran la calidad de la imagen. Para

evitar esto, su puede aplicar una corriente alterna o bien invertir la polaridad del campo eléc-

trico al direccionar las celdas, sin que ello afecte a la respuesta del cristal cuya respuesta es la

misma independientemente de la polaridad del campo externo aplicado.

Una pantalla, aún pequeña, está formada por un gran número de elementos de imagen, co-

mo se ilustra en la figura 13 y es poco práctico acceder o direccionar cada elemento indivi-

dualmente, ya que sería necesario un gran número de electrodos independientes. Para evitar

esto se utilizada una forma de multiplexado que no es otra cosa que la forma de direcciona-

miento matricial mediante filas y columnas, en que cada elemento tiene una dirección única

accesible mediante señales simultáneas aplicadas a los electrodos de fila y de columna res-

pectivamente.


27

Fig. 13. Elementos y subelementos en una

pantalla LCD de color.

Las pantallas LCD monocromáticas con pocos segmentos, tales como las utilizadas en relojes

digitales y calculadoras de bolsillo tienen contactos eléctricos individuales para cada seg-

mento y la fuente de alimentacion es generalmente una pila o una batería. La estructura uti-

lizada en estos dispositivos es inadecuada para pantallas con gran número de elementos.

Las pantallas monocromáticas pequeñas tales como las de agendas y organizadores persona-

les o computadoras algo antiguas utilizan una estructura matricial pasiva que utiliza tecno-

logía designada como nemática supertorsionada (STN26), STN de doble capa (DSTN27) y STN

de color (CSTN28). Las pantallas LCD STN proporcionan mayor contraste que las TN simples

mediante rotación de las moléculas de 180º a 270º, requieren menos potencia y son más bara-

tas que las que emplean transistores de película delgada, LCD-TFT29, la principal tecnología

actual, si bien producen desplazamientos de color que se corrige con la tecnología DSTN. En

la tecnología CTSN se agrega un color mediante un filtro interno de color. Las pantallas STN

y sus variantes adolecen de una calidad de imagen inferior y tiempo de respuesta más lento

que las pantallas TFT.

En el sistema de matriz pasiva cada fila o columna de la pantalla tiene un solo circuito eléc-

trico. Los elementos de imagen se direccionan activando simultáneamente los circuitos de la

fila y columna correspondientes al elemento particular y su designación obedece a que cada

elemento debe retener su estado durante los intervalos de refresco sin el beneficio de una re-

carga eléctrica continua. Este tipo de técnica no es adecuado si el número de elementos es

grande, por ejemplo en pantallas de televisión o de computadoras por lo que se utiliza para

pantallas pequeñas en que la resolución y contraste no son factores demasiado importantes.

En las pantallas de resolución estándard o alta, tales como las de computadoras y monitores

o receptores de televisión se utilizan matrices activas para el direccionamiento, en que se

agregan transistores de película delgada (TFT) a los filtros de color y polarización asociados

26 Super-Twisted Nematic. Nemática supertorsionada 27 Double Layer Super-Twisted Nematic. 28 Color Super-Twisted Nematic. 29 TFT = Thin Film Transistor.


28

a las celdas cristalinas. Cada elemento tiene así su propio transistor, como se ilustra en la fi-

gura 14.

Fig. 14. Matriz de direccionamiento de píxeles.

El direccionamiento se realiza secuencialmente fila a fila polarizando la puerta de todos los

TFT de una fila, en tanto que los electrodos de fuente están conectados a las columnas en que

se aplica la información correspondiente a los tres colores primarios. Conviene recordar que

un elemento de imagen o píxel, está constituido por tres subelementos, uno por cada color.

Estos subelementos pueden disponerse en forma triangular o delta, o bien en forma de cintas

como se ilustra en las figuras 15 y 16.

Elemento de imagen

Subelementos de imagen (RGB)

Fig. 15. Geometría LCD en delta.


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Elemento de imagen

Fig 16. Geometría LCD en cintas

NOTA:

Es lo que He preparado hasta el momento y me ha faltado agregar las referencias bibliográfi-

cas (23 de Noviembre de 2009).

dispositivos de visualizaciÓn conceptos generales ... · múltiples, etc. muchos de los conceptos...

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