Optoelectrnica - Servidor de Apoyo al Sistema Escolarizado

1. Páginas de INTERNET
http://www.cienciasmisticas.com.ar/electro/led.html
http://members.tripod.com/jlab/energia.htm
http://www.lawebdelprogramador.com/diccionario/mostrar.php?letra=L
http://www.lafacu.com/apuntes/informatica/manual%5Fde%5Fperifericos/default.
htm
http://www.noticias3d.com/glosario.asp?pl=si&pid=30
http://www.lafacu.com/apuntes/informatica/manual%5Fde%5Fperifericos/default.
htm
http://www.cienciasmisticas.com.ar/electro/optoac.html
http://www.acdelco-com/parts/1110_set.htm
http://www.censolar.org
http://www.uts.edu.au
htpp:/www.cfe.org
http://www.alt-energy.com
http://www.solar.korea.ac.kr/history.htm
http:/www.nasa.org
http://members.tripod.com/jlab/energia.htm
http://www.solener.com/fabricam.html
Http://members.tripod.com/~glorsarm/index-4.html
http://members.es.tripod.de/fibra_optica/
http://members.es.tripod.de/fibra_optica/fabricacion.html
http://www.ual.mx/metodologia/fibra/fibraopt.htm
http://huarpe.com/electronica/ao1/aoinstrum.html
http://olmo.pntic.mec.es/~jmarti50/revistas/sumarios.htm
http://www.bibliodgsca.unam.mx/tesis/tes8fecv/sec_14.htm
http://www.electa.uta.cl/ftp/Electronica2/Guias/g1ele2-00.pdf
http://www.bell-labs.com/history/laser/
1
Transductores Optoelectrónicos.
1.1
Clasificación de los sensores de luz
Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una
magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que
seamos capaces de cuantificar y manipular.
Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de
componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC , LDR etc.. todos aquellos
componentes que varían su magnitud en función de alguna variable ), y la utilización de
componentes activos.
En robótica, podemos diferenciar claramente tres grupos de sensores:
*-Sensores de posición: entre los que encontramos los captadores fotoeléctricos,
captadores magnéticos, cámaras de vídeo etc...
*-Adaptadores de esfuerzos: éstos se encargan de medir la fuerza que se aplica a un
objeto, o medir los pares etc..
*-Sensores de desplazamiento:se encargan de cuantificar los desplazamientos de
objetos, la velocidad y aceleración de los mismos.
DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS SENSORES
Algunos tipos de sensores utilizados en robótica y pertenecientes a cada grupo antes
mencionado son:
*-Sensores de posición: su función es medir o detectar la posición de un determinado
objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de
captadores:
-- Los captadores fotoeléctricos: la construcción de este tipo de sensores, se
encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos
LED, diodos láser etc..) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser
fotodiodos , fototransistores o LDR etc.
Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz , y en la detección de
esta emisión realizada por los fotodetectores.
Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir
este tipo de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión.
-- Captadores por barrera: detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la
recepción de la señal luminosa.
-- Captadores por reflexión: la señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz
reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia
de un objeto.
*-Sensores de contacto: estos dispositivos, son los más simples, ya que son
interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto,
por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado
lugar.
Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en
robótica.
-- Captadores de circuitos oscilantes: este tipo de captadores, se encuentran
basados en la existencia de un circuito en el mismo que genera una determinada
oscilación a una frecuencia prefijada, cuando en el campo de detección del sensor no
existe ningún objeto, el circuito mantiene su oscilación de un manera fija, pero cuando
un objeto se encuentra dentro de la zona de detección del mismo, la oscilación deja de
producirse , por lo que el objeto es detectado. Estos tipos de sensores son muy
utilizados como detectores de presencia, ya que al no tener partes mecánicas, su
robustez al mismo tiempo que su vida útil es elevada.
*-Sensores por ultrasonidos: este tipo de sensores, se basa en el mismo
funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de
tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera,
dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los
que son de barrera o los de reflexión.
-- Captadores de esfuerzos: este tipo de captadores, se encuentran basados en su
mayor parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que
cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su
resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando
sobre un determinado objeto.
*-Sensores de Movimientos: este tipo de sensores es uno de los más importantes en
robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que
forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión
elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo.
Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes:
- Sensores de deslizamiento:
Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de levantar un
objeto para que éste no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario
que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente. Su
funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran
instalados en el órgano aprehensor (pinzas). Cuando el robot decide levantar el objeto,
las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce
un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada
la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el
deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente.
- Sensores de Velocidad:
Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como
angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la
velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma
más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una
dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya
que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de
la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde
una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad
gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran,
y pueden generar errores en las medidas.
Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte
de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor,
dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la
velocidad del motor.
- Sensores de Aceleración:
Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración
sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia porque si se produce
una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende a hacer poner el
objeto en movimiento.
Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una
determinada presión un objeto en su órgano terminal. Si al producirse un giro del
mismo sobre su base a una determinada velocidad, se provoca una aceleración
en todo el brazo, y en especial sobre su órgano terminal. Si esta aceleración
provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto que sujeta el robot y
esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto
salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo
que el control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran
sometidas determinadas partes del robot son muy importantes.
1.2
Fotorresistencia.
La fotoresistencia es un detector de luz en el que varía el valor de resistencia según la
cantidad de luz que llegue a su superficie. Cuando no le llega luz, su resistencia es muy
alta, de varios millones de ohmios. Cuando tiene luz en su superficie, la resistencia es
de pocos ohmios.
1.3
Fotodiodo.
El fotodiodo de unión pn polarizada en sentido inverso es un elemento básico para
comprender los dispositivos fotosensibles de silicio. Cuando la luz de longitud de onda
apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a
través de la unión debido al campo generado en la región deprimida. El resultado es un
flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional
a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como
un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.
Foto efecto en tendencia reversa en al unión PN
Ilustración del foto efecto.
Fotodiodo sensible a la luz con unión pn polarizada inversamente.
El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante
determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares
huecos-electrón en la proximidad de la unión.
El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla
en 850 nm, aproximadame.
La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a
fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del
fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas
de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.
Los fotones crean pares de cargas positivas (huecos) en el cristal a ambos lados de la
unión.
La transferencia de energía mueve los electrones dentro de la banda de conducción,
dejando los huecos en la banda de valencia. La tendencia externa aplicada proporciona
un campo eléctrico "e".
Foto efecto en la tendencia de los electrones.
Así los electrones foto inducidos en el lado p (banda de conducción) fluirían al potencial
en la unión dentro del lado n (banda de valencia) y desde ahí a el circuito externo.
Asimismo, los huecos en al banda de valencia del lado n fluirían a través de la unión al
lado p donde se adiciona a la corriente externa.
Foto efecto de la tendencia de los huecos.
Bajo condiciones de oscuridad, el flujo de corriente a través de la tendencia de reversa
del diodo es la corriente de saturación reversa, Io.
Esta corriente es independiente del voltaje aplicado (voltaje de ruptura, BV) y es
básicamente un resultado de la generación térmica de los pares de protones.
Cuando la unión es iluminada, la energía transferida de fotones crean pares de cargas
adicionales.
El número de pares de cargas creadas es una función de la intensidad de luz.
La radiación monocromática incidente H (watt/cm 2) produciría p fotones al diodo:
P = l *H/h*c
Donde l es la longitud de onda de la luz incidente, h es la constante de Planck y c es la
velocidad de la luz.
La foto-corriente, I£ , esta dada por:
I£ = n*F*q*A
Donde n es la eficiencia cuántica, F es la fracción de fotones incidentes transmitidos
por el cristal, q es la carga del electrón y A es el área activa del diodo.
Bajo iluminación la corriente total es:
I = Io + I£
Si Il >>Io se puede despreciar Io por lo que I es aproximadamente:
I » d *SR*H
En donde d es la respuesta relativa, SR es el pico espectral sensitivo y H es la radiación
incidente.
Respuesta espectral del fotodiodo de silicon.
Usando las relaciones antes expuestas, un modelo aproximado del diodo esta dado en
la siguiente figura. Aquí el fotón y la corriente generada termalmente están mostrados
como fuentes de corriente en paralelo.
Modelo aproximado del fotodiodo
C representa la capacitancia de la tendencia de unión en reversa, mientras que G
representa la conductancia equivalente en paralelo del diodo y en generalmente muy
pequeña. Este modelo solo se aplica para tendencia en reversa, la cual, como se
mencionó anteriormente, es el modo normal de operación.
Fotodiodo de avalancha.
Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte
del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha
para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto
proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre
ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el coste es alto.
Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de
alimentación de valor elevado (100-300 v.), estrechamente controlada. Por estas
razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.
1.4
Fototransistor.
En el fototransistor, se ha reemplazado la base con una superficie muy sensible a la luz
y por medio de ésta se controla el funcionamiento del transistor como suiche, o como
amplificador.
Los fotodiodos y los fototransistores se emplean muy comunmente en circuitos de
control remoto por medio de rayos luminosos.
El transistor sensible a la luz es una de las combinaciones fotodiodo
amplificador más simples. Dirigiendo una fuente de luz hacia la unión pn
polarizada en sentido inverso (colector-base), se genera una corriente de base,
que es amplificada por la ganancia de corriente del transistor.
Se requiere un cuidadoso proceso de elaboración de la pastilla del
transistor para hacer compatible la máxima reducción de la corriente en la
oscuridad del fototransistor, con la obtención de una alta sensibilidad a la luz.
Las corrientes de este tipo, típicas del fototransistor para una tensión inversa de
10v, son del orden de 1 nA a temperatura ambiente y aumentan en un factor de
2 para cada 10 ºC de aumento de temperatura. Las especificaciones del
fototransistor garantizan normalmente unos límites de corriente en la oscuridad
mucho más altos, por ejemplo 50 a 100 nA, debido a las limitaciones del equipo
automático de prueba.
1.5
Fototiristores.
Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR).
Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada
con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la
corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de
compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a
partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas
capacidades de di/dt y dv/dt).
Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo,
transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática
o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre
la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de
potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La
especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con
1.6
Led's.
Los LEDs son diodos que emiten luz cuando son conectados a un circuito.
Su uso es frecuente como luces “piloto” en aparatos electrónicos para indicar si el
circuito está cerrado.
Los elementos componentes son transparentes o coloreados, de un material resinaepoxi, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip semiconductor.
Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo
deben ser conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos formas: 1) por
la cara plana del foco o, 2) por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser
conectado al terminal negativo de un circuito.
Los LEDs operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está
en un rango entre 10 y 40 miliamperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados
pueden derretir el chip del LED. La parte más importante del “light emitting diode” (LED)
es el chip semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura.
El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región p está dominada por
las cargas positivas, y la n por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso
de los electrones entre la región p y la n; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al
chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia
la región p.
Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura
presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.
1.7
LED`s infrarrojos (Irled's).
Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la
única diferencia en su espectro de radiación: su longitud de onda se sitúa por
debajo del espectro visible, y se emplean cuando se requiere una radiación no
visible, por ejemplo en el control remoto, optoacopladores, detectores, etc.
polarización del led.
símbolo del led.
1.8
Interruptor óptico
Este dispositivo presente el mismo funcionamiento que la LDR (fotorresistencia), es
decir, un dispositivo que representa una cierta resistencia, variable según la cantidad
de luz recibida en un determinado momento.
No es lineal como un fotodiodo, este circuito solo presente dos estados. Abierto o
cerrado. Es además, relativamente lento en la respuesta a las variaciones de luz: tarda
varias decenas de milisegundos en adaptarse a bruscas variaciones.
1.9
Displays.
1.9.1 LED´s (7 segmentos)
EL DISPLAY DE 7 SEGMENTOS
Una de las aplicaciones mas populares de los LED’s es la de señalización. Quizás la
mas utilizada sea la de 7 LED’s colocadas en forma de ocho tal y como se indica en la
figura 9. Aunque externamente su forma difiere considerablemente de un diodo LED
típico, internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas
determinadas conexiones internas. En la figura 9 se indica el esquema eléctrico de las
conexiones del interior de un indicador luminoso de 7 segmentos.
figura 9. Display de 7 segmentos. A la izquierda aparecen las dos posibles formas de
construir el circuito
La figura 9 se muestra un indicador de siete segmentos. Contiene siete LED
rectangulares (a - g), en el que cada uno recibe el nombre de segmento porque forma
parte del símbolo que esta mostrando. Con un indicador de siete segmentos se pueden
formar los dígitos del 0 al 9, también las letras a, c, e y f y las letras minúsculas b y d.
Los entrenadores de microprocesadores usan a menudo indicadores de siete
segmentos para mostrar todos los dígitos del 0 al 9 mas a, b, d, d, e y f .
Polarizando los diferentes diodos, se iluminaran los segmentos correspondientes. De
esta manera podemos señalizar todos los números en base 10. Por ejemplo, si
queremos representar el número de 1 en el display deberemos mandar seal a los
diodos b y b, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir
así 0110000(0). El primer digito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c, y
así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir no le
aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo esta polarizado, y por lo tanto, emite
luz.
Muchas veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior,
que funciona como punto decimal (figura 10).
Figura 10. Octavo segmento
1.9.2 Alfanuméricos
Funciona de la misma forma que el display numérico, la disposición de las
terminales es lo que difiere en el, permitiéndole crear números y letras
1.9.3 Matriz
En este dispositivo puede activarse de manera aleatoria la gran cantidad de indicadores
que posee a través de la superficie. Lo que permite la creación de una gran cantidad de
letras, numeros y caracteres especiales. Incluso, mediante la manipulación del
encendido de dichos indicadores puede crear animaciones.
1.9.4 LCD
DISPLAY DE CRISTAL LIQUIDO (LCDS)
Los LCDs difieren de otros tipos de displays en que no generan luz sino que trabajan
con la reflexión de la luz. El principio de funcionamiento es sencillo. Estos cristales
líquidos están formados por unas moléculas alargadas con forma de puro, que se
llaman moléculas nemáticas y se alinean con una estructura simétrica. En este estado
el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las moléculas se
desalinien de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera, aplicando o no
aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando), podemos jugar
con oscuridad o transparencia respectivamente. Si aplicamos el campo localmente en
geometrías iguales al display de 7 segmentos, conseguiremos un display análogo al de
los LEDs pero con cristal líquido.
Figura 8: Esquema constructivo de un LCD
En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior
de los cristales, tal y como aparece en la figura superior. Estos electrodos tienen la
geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal
líquido es muy pequeño, del orden de 0.01mm.
Ya tenemos nuestro invento preparado. Si no se polarizan los terminales, al incidir la
luz sobre el cristal frontal, pasa a través del cristal líquido y es reflejada por el espejo
incidiendo en el ojo que está mirando. El resultado: todo se ve de color claro.
Si polarizamos un electrodo, por ejemplo, el electrodo a, el cristal líquido pegado al
electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es reflejada.
Características eléctricas del LCD
Desde el punto de vista eléctrico, se puede representar el LCD como una capacidad de
valor muy pequeño en paralelo con una resistencia muy grande.
Figura 9: Circuito equivalente de un LCD.
Se necesita una señal pequeña en AC de 3 a 7 voltios para polarizar el LCD. Tensiones
mayores romperían la fina capa de cristal líquido. La frecuencia de la tensión puede
variar entre 30 y 50 Hz. Frecuencias más bajas producen un efecto de parpadeo,
frecuencias más altas producen un aumento del consumo.
2
2.1
Optoaisladores
Clasificación y construcción de los optoacopladores
Diferentes tipos de Optoacopladores
Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por
un transistor BJT.
Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un
triac
Fototriac de paso por cero: optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un
triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los
cruce por cero de la corriente alterna.
Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un
fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos
elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.
2.2
Características eléctricas de los optoacopladores
Funcionamiento del Optoacoplador
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor.
Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal
luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un
optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los
circuitos de entrada y salida.
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que
emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de
rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal
hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que
este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada,
que podrían ser pulsos de tensión.
2.3
Aplicaciones de los optoacopladores
Debido a la versatilidad presente en estos semiconductores y al bajo coste actualmente
se les puede encontrar en juguetes didáticos, permitiendole al mecanismo seguir
caminos, activarse durante la presencia o ausencia, según sea el caso.
Existe una gran variedad de modelos, este es el más reciente de una compañía
reconocida en la fabricación de juguetes y aparatos electrónicos infantiles
2.4
Clasificación y construcción de los relevadores FotoMOS (PhotoMOS Relays)
Figura del PhotoMOS Relay de la Panasonic (Modelo AQV214H)
Construcción del PhotoMOS
Diagrama de conexiones
2.5
Características eléctricas de los relevadores FotoMOS (PhotoMOS Relays)
Características eléctricas de la Familia AQV214x de Panasonic
2.6
Aplicaciones de los relevadores FotoMOS (PhotoMOS Relays)
Suele usarse en maquina de inspección de alta velocidad, equipo telefónico y en las
computadoras
2.7
Construcción de los relevadores fotovoltaico
2.8
Características eléctricas de los relevadores fotovoltaico
3
Celdas Solares.
3.1
Construcción.
3.1.1 Celda fotovoltaica
Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos
materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que
absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son
capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como
electricidad.
El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo Bequerel, en
1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente
eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la
naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología
fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer
módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como
una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado
costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la
industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para
proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas
espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su
costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica
empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no
relacionadas con el espacio.
El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también celda solar.
Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores,
tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas
solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un
campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa
llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del
material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo
como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser
capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir, en electricidad. La
electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por
ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.
Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y
montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los
módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el
de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de
cuánta luz llega hasta el módulo.
Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En
general, cúanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será
producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos
arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir
cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera.
juntura "de túnel" para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda
inferior de arseniuro de galio
3.2
Características eléctricas de las celdas solares y módulos solares
Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o
interfase para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo
una celda FV. En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya
energía sea igual o mayor a la del espacio interbanda del material de la celda, pueden
liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción
fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está limitada a la porción del espectro
solar cuya energía esté por encima del espacio interbanda del material absorbente, y
por tanto aquellos fotones con energías más bajas no son utilizados.
Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con
más de un espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo
de celdas son conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de
cascada" o "tandem"). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia
de conversión total porque pueden convertir una fracción más grande del espectro
luminoso en electricidad.
Como se muestra abajo, un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas
individuales de una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su
espacio de banda (Eg). La celda más alta captura los fotones de alta energía y deja
pasar el resto de los fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con
espacios de bandas más bajos.
Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas
multijuntura están enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los
componentes de las celdas. Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del
35% bajo luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en
dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con
cobre.
Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo, utiliza una
celda superior de fosfato de indio con galio, una
3.3
Baterías y acumuladores como dispositivos de almacenamiento en un sistema
con celdas solares
Sistemas de generación de electricidad solar utilizados para generar electricidad
cuando no hay (temporalmente) una red de distribución pública:
Baterías
En los llamados sistemas solares autónomos o sistemas fotovoltaicos domiciliarios
(SFD), las baterías almacenan electricidad que será utilizada durante la noche para
iluminación o para ver televisión. Asimismo, suministran electricidad durante periodos
de escasez o ausencia de luz solar, necesaria para que el panel solar produzca
energía. La duración del periodo que puede ser cubierto está determinada por la
demanda de electricidad y el tamaño de la batería de almacenamiento.
En los sistemas solares de emergencia, las baterías son utilizadas para cubrir periodos
de corte del fluido eléctrico de la red (vea, también, sistemas solares de emergencia).
Los sistemas conectados a la red más comunes (en los lugares donde la red de
distribución pública es confiable) no usan baterías.
Las baterías están disponibles en diversas formas y tamaños. Las de 12V son las más
utilizadas. Si las baterías son nuevas y son del mismo tipo y tamaño, pueden ser
conectadas para incrementar la capacidad del almacenamiento de batería. Esta tarea
deberá ser llevada a cabo, únicamente, por un profesional capacitado.
Algunos sistemas solares están provistos de baterías solares especiales. Otros utilizan
baterías para auto comunes. Sin embargo, debe preferirse las primeras, ya que están
adaptadas para su uso en sistemas solares y su tiempo de vida será
considerablemente más largo.
Por lo general, las baterías son la parte más delicada de un sistema solar y la primera
en ser reemplazada. A continuación, les presentamos algunas recomendaciones para
ayudar a extender el tiempo de vida de su batería:
El uso de un controlador de carga es altamente recomendable. Éste desconecta
las cargas cuando la batería se encuentra casi completamente descargada. Todos
1.
los sistemas solares domiciliarios estándar cuentan con un controlador de carga.
2.
Asegúrese de que haya relación entre el número de paneles solares, el tamaño de
las baterías y el número de cargas eléctricas (luces, artefactos eléctricos) y sus
respectivos consumos. Consulte con su proveedor (vea, también,
dimensionamiento).
3.
Observe su controlador de carga para verificar el estado de carga de la batería
(cuán cargada se encuentra). Por lo general, el controlador está provisto de un
indicador luminoso rojo, que se enciende cuando la batería está descargada, y
uno verde, que se enciende cuando está completamente cargada. Procure que el
indicador verde permanezca encendido el mayor tiempo posible. Esto extenderá el
tiempo de vida de la batería.
4.
Dé mantenimiento a su batería (llénela con agua destilada) 3 veces al año como
mínimo (si no se trata de una batería sin necesidad de mantenimiento).
5.
Si tiene la oportunidad de cargar al máximo la batería utilizando un
cargador/generador, hágalo (una vez al mes), pues esto ayuda a extender el
tiempo de vida de la batería.
6.
Nunca ignore las indicaciones del controlador de carga con el fin de extraer hasta
la última gota de energía de la batería. Esto la arruinaría.
7.
ADVERTENCIA: Las baterías deberán permanecer en un lugar fresco (pero no
extremadamente frío!), bien ventilado y fuera del alcance de los niños. Recuerde
que las baterías son peligrosas, puesto que contienen ácidos dañinos y
electricidad. Las baterías usadas deberán ser devueltas al proveedor o tratadas
como desecho química.
La demanda de electricidad y el tamaño de la batería de almacenamiento determinan la
duración del periodo de escasez de luz solar que podrá ser cubierto, al que se
denomina "periodo de autonomía": tiempo máximo durante el cual las necesidades
básicas de electricidad pueden ser cubiertas, cuando no se cuenta con suministro de
corriente producida por el panel solar. El periodo de autonomía es un parámetro
utilizado para el dimensionamiento del sistema.
3.4
Aplicaciones y Diseño de un sistema alterno de generación de energía eléctrica
utilizando celdas solares
Sistemas solares autónomos o sistemas fotovoltaicos domiciliarios (SFD)
Los sistemas solares autónomos o fotovoltaicos domiciliarios (SFD) son instalados en
los casos en que no se tiene acceso a la red de distribución pública. Ellos requieren de
una batería, con el fin de asegurar el suministro de electricidad durante la noche o
periodos de escasez de luz solar. Con frecuencia, los sistemas solares domiciliarios
son utilizados para satisfacer las necesidades de electricidad de un hogar. Los
sistemas pequeños (disponibles a nivel comercial como kit SFD) cubren las
necesidades más básicas (iluminación y, en algunos casos, televisión o radio); los
sistemas más grandes pueden alimentar, además, una bomba de agua, un teléfono
inalámbrico, un refrigerador, herramientas eléctricas (un taladro, una máquina de coser,
etc.) y una videocassetera. El sistema está compuesto por un panel solar, un
controlador, una batería de almacenamiento, cables, la carga eléctrica y una estructura
de soporte.
1. paneles solares
2. controlador
3. batería
artefactos
4.
eléctricos
Esquema de un sistema fotovoltaico domiciliario
MySolar.com cuenta con una herramienta sencilla que usted puede utilizar para el
dimensionamiento del sistema: el cálculo del número de paneles solares y baterías. Si
bien una persona hábil puede realizar gran parte del trabajo de instalación, todas las
conexiones eléctricas deberán ser llevadas a cabo por un profesional/instalador
capacitado (consulte con su empresa de servicio público o con su proveedor).
Ejemplo de un sistema fotovoltaico autónomo
4
4.1
LASER.
Introducción: Principio básico de operación (amplificación de la luz), covalencia
Resonantes
Láser, dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los
láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su
frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando
sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase (ver Interferencia).
Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con
una gran pureza de color (frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para
microondas.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente.
Primero, los electrones de los átomos del láser son bombeados hasta un estado
excitado por una fuente de energía. Después, se los ‘estimula’ mediante fotones
externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un
proceso conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia
que depende de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los
estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y liberan
nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan hacia atrás
y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones
estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se
‘filtra’ por uno de los espejos, que es sólo parcialmente reflectante.
La emisión estimulada, el proceso en que se basa el láser, fue descrita por primera vez
por Albert Einstein en 1917. En 1958, los físicos estadounidenses Arthur Schawlow y
Charles Hard Townes describieron a grandes rasgos los principios de funcionamiento
del láser en su solicitud de patente. Obtuvieron la patente, pero posteriormente fue
impugnada por el físico e ingeniero estadounidense Gordon Gould. En 1960, el físico
estadounidense Theodore Maiman observó el primer proceso láser en un cristal de
rubí. Un año más tarde, el físico estadounidense nacido en Irán Alí Javan construyó un
láser de helio-neón. En 1966, el físico estadounidense Peter Sorokin construyó un láser
de líquido. En 1977, el Tribunal de Patentes de Estados Unidos confirmó una de las
reivindicaciones de Gould en relación con los principios de funcionamiento del láser.
4.2
Amplificadores ópticos: Potencia radiante, coherencia, longitud de onda,
divergencia
Las radiaciones electromagnéticas transportan energía, de forma que un objeto
luminoso (radiador) emite energía y cualquier objeto iluminado la recibe. La potencia
radiante o flujo radiante P es la medida de la cantidad de energía electromagnética
que emite un radiador por unidad de tiempo. Se mide en Watt.
La energía transportada puede manifestarse de formas muy diversas en los cuerpos
que la reciben: propiciando reacciones químicas (fotosíntesis y bronceado), efectos
eléctricos (fotocélulas), efectos mecánicos (viento solar), calentamiento (estufas de
infrarrojos), etc.
Potencia Radiante (P) - la cantidad de energía transportada por la radiación en la
unidad de tiempo :
(Delta t) es el tiempo (en segundos) de iluminaión.
La potencia radiante se mide en las unidades de :
Watios = Julios/seg [W] = [J]/[s]
La relación matemática entre la potencia radiante y la densidad de potencia es :
Densidad de Potencia (Irradiación) - Es la potencia de la radiación (P) dividida
por el área de ilumuinación (Delta s).
La densidad de potencia se mide en unidades de :
[Watios/cm2 ]
Divergencia del Haz Láser (Divergencia de Haz q)
En la figura 7.4 se describe la radiación emitida por un láser.
Figura 7.4 : Divergencia del Haz Láser (Divergencia de Haz q)
Las líneas rectas que definen los bordes del haz (puntos de e -2) generan un ángulo
llamado Divergencia de Haz.
Una buena aproximación para la divergencia del haz láser es :
q = Divergencia de Haz (en Radianes)
d1, d2 = Diámetros del haz en los puntos “1” y “2”.
L1, L2 = Distancias a lo largo el eje del láser, desde el extremo del láser hasta los
puntos “1” y “2”.
Ángulo de Divergencia
Ángulo de Divergencia es el ángulo completo de abertura del haz. (Algunos libros
emplean como ángulo de divergencia la mitad de este ángulo ).
La relación entre radianes y grados esta dada por :
360 0 = 2 p Radianes
1 Radián = 57.30
1 mili-Radián = 1 mrad = 0.0570
Usando la relación entre minutos y grados : 10= 60’, tenemos que :
1mrad = 0.057*60’@ 3.5’
Ya que la divergencia de la radiación láser es del orden de los miliradianes, el haz es
casi paralelo, y la radiación láser puede enviarse a grandes distancias .
Se define la longitud de onda (l) como la distancia que recorre el pulso mientras una
partícula del medio que recorre la onda realiza una oscilación completa. El tiempo que
tarda en realizar la oscilación se llama período ( T) y la frecuencia ( n) es el número de
oscilaciones (vibracionescompletas) que efectúa cualquier partícula, del medio
perturbado por donde se propaga la onda, en un segundo.
Podemos comprobar que la longitud de onda y la freceuencia son inversamente
proporcionales: si una aumenta la otra disminuye. La fórmula que relaciona ambas
magnitudes es l=v/nque se puede deducir fácilmente. Para una propagación a v=cte,
e=v·t , como el espacio recorrido en el tiempo de un período se llama longitud de onda
tenemos l=v·T, y sustituyendo T por 1/nobtenemos la relación "longitud de onda inversa
a frecuencia".
Vemos una porción de onda detenida y congelada como en una instantánea
fotográfica. Poniendo la frecuencia en su valor mas bajo (todo hacia la izquierda)
vemos tres ondas completas y un poco más. Si suponemos que eso se generó en un
segundo tenemos tres oscilaciones por segundo y se han originado tres ondas
completas en un segundo. Si el número de oscilaciones por segundo aumenta se
generan más, pero la distancia que cubren es la misma (cubren la misma que las tres
ondas anteriores) porque al propagarse a velocidad constante siempre recorrerán la
misma distancia en el mismo tiempo.
Para cada valor de la frecuencia podemos obtener la longitud de onda midiendo con
una regla sobre la pantalla la distancia entre dos crestas consecutivas.
Longitud de Coherencia
Una gran coherencia temporal significa que cuando se desdobla una onda en dos
partes, y una parte viaja una distancia diferente de la otra parte, cuando las dos partes
se recombinen ello producirá una gran interferencia mútua.
La Longitud de Coherencia (Lc) es la máxima diferencia de camino recorrido posible
para una coherencia temporal específica, que todavía presenta interferencia.
Esta coherencia temporal específica está relacionada con la anchura de línea
específica (delta n) mediante la fórmula :
Lc = c/(Delta n )
Delta n = Anchura de línea en frecuencia, de la radiación, en unidades de
Herzios [Hz].
c = Velocidad de la luz en el vacío, en unidades de [m/s].
Disminuyendo la anchura de línea de la radiación aumenta su longitud de
coherencia.
Esta es la razón por la cuál se recomienda el uso de un láser de modo longitudinal
único en las aplicaciones relacionadas con la interferencia (tales como la
holografía) .
4.3
Clasificación y construcción de láser
3 TIPOS DE LÁSER
Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de
gas, de semiconductores o líquidos.
3.1 Láseres de estado sólido
Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí
o vidrios y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de
forma que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no
metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía.
Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo
breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14 segundos, útiles para estudiar
fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos
de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La gama de
frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al
multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio,
y se han obtenido longitudes de onda aún más cortas, correspondientes a rayos X,
enfocando el haz de un láser sobre blancos de itrio.
3.2 Láseres de gas
El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un
vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el
exterior de los extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser.
Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes
eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada
estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de
dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas
en inglés) más potentes.
Phototake NYC/Daniel Quat
Láseres de gas
Intensos haces rojos y verdes (procedentes de láseres de argón y neodimio) cruzan
una estancia reflejándose en espejos. Los científicos emplean las propiedades únicas
de la luz láser para realizar experimentos antes imposibles. No toda la luz láser es
visible. En cualquier caso, su elevada intensidad hace que pueda ser peligrosa para la
vista, por lo que hay que emplear lentes o gafas protectoras cuando se trabaja con
láser.
3.3 Láseres de semiconductores
Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por
una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción
eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión mediante
dos límites reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Los
láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente
eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior al
50%. Se ha diseñado un método que permite un uso de la energía aún más eficiente.
Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior al millón
por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres de
semiconductores están los reproductores de discos compactos (ver Grabación de
sonido y reproducción) y las impresoras láser.
3.4 Láseres líquidos
Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en
recipientes de vidrio. Se bombean con lámparas de destello intensas —cuando operan
por pulsos— o por un láser de gas —cuando funcionan en modo CW. La frecuencia de
un láser de colorante sintonizable puede modificarse mediante un prisma situado en la
cavidad del láser.
3.5 Láseres de electrones libres
En 1977 se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para producir radiación
haces de electrones, no ligados a átomos, que circulan a lo largo de las líneas de un
campo magnético; actualmente están adquiriendo importancia como instrumentos de
investigación. Su frecuencia es regulable, como ocurre con los láseres de colorante, y
en teoría un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta
los rayos X. Con los láseres de electrones libres debería generarse radiación de muy
alta potencia que actualmente resulta demasiado costosa de producir. Ver Radiación
de sincrotrón.
4.4
Características eléctricas
Características eléctricas del diodo laser azul y violeta DL-5146-251 de la compañía
SANYO
4.5
Luminiscencia
Es un fenómeno físico típico de algunas sustancias que tienen la capaciciad de
absorber energía bajo diversas formas, y por lo tanto de remitirla bajo forma de
radiación electromagnética.
Este fenómeno es aprovechado, por ejemplo, en los tubos de iluminación que
contienen una mezcla de gases, normalmente argón y vapores de mercurio, y un
revestimiento interior de polvos luminiscentes. El agente excitador en este caso, es la
corriente eléctrica que pasa a través del gas, el cual restituye bajo la forma de luz fría la
energía absorbida.
La atmósfera de la Tierra está caracterizada por un tenue resplandor nocturno llamado
luminiscencia nocturna o luminiscencia de la atmósfera, también debida a diversos
tipos de radiaciones que excitan las partículas de gas que la componen.
La luminiscencia nocturna es un factor límite para las observaciones astronómicas
desde el suelo, porque crea un velo de fondo que impide la individualización de las
fuentes más débiles.
Otro fenómeno típico de luminiscencia se produce en los gases cometarios y es el que,
en ciertas oca siones, hace a los cometas muy luminosos y espectaculares.
4.6
4.7
Circuitos de activación para diodos láser
Sistemas láser
A continuación se muestran diversas aplicaciones de los sistemas láser:
Módulos rojos del láser y módulos infra-rojos del láser con rayos circulares
Los modulos de diodos láser rojos, infrarojos y las series 300-0600-00 de TEC
(Thermo-Electrically Cooled), ofrecen ondas de longitud excepcionales y estabilidad de
energia (mejor que 1%), con punteria excelente e incremento de vida de diodos de
láser.
Los modulos de TE producen un rayo circular y energies de salida de 4mW a 25mW en
los 405nm, 0.9mW hasta 32mW en los 635nm (bandas visibles de ondas de longitud),
55mW en los 785nm (banda infrarroja de ondas de longitud) y 24mW a 120mW en los
830nm (banda infrarroja de ondas de longitud ).
Diseñado para los usos que exigen consistencia y capacidad de repetición, como
máquina de visión, alineación, inspección industrial, impresión de alta resolución,
instrumentación biomédica, espectroscopia, microscopia y genomics, los módulos TÉC
son compactos, versátiles y muy rentables.
Sistema Láser para la intervención de próstata
EL CENTRO DE UROLOGÍA, ANDROLOGÍA Y SEXOLOGÍA DE
BALEARES DISPONE YA DEL SISTEMA LASER KTP "Green Light
VFP" PARA INTERVENCIONES DE PRÓSTATA
El Centro de Urología, Andrología y
Sexología se mantiene como uno de los
centros pioneros de España al poner en
marcha este innovador sistema La
nueva técnica con láser "Green Light
VFP" se introduce por primera vez en
Baleares, a través del Centro de
Urología, Andrología y Sexología de
Baleares. El nuevo sistema quirúrgico
es extremadamente eficaz y cómodo
para el paciente, ya que se administra
en régimen ambulatorio, no produce
virtualmente pérdida de sangre y tiene
un periodo de recuperación muy rápido.
4.8
Conceptos de holografía
LA HOLOGRAFÍA se puede describir en muy pocas palabras como un
sistema de fotografía tridimensional, sin el uso de lentes para formar la
imagen. Ésta es una de las técnicas ópticas que ya se veían
teóricamente posibles antes de la invención del láser, pero que no se
pudieron volver realidad antes de él.
V.1. HISTORIA DE
HOLOGRAFÍA
El inventor de la holografía fue Dennis Gabor (1900-1981), nacido en
Budapest, Hungría. Estudió y recibió su doctorado en la Technische
Hochschule en Charlottenburg, Alemania, y después fue investigador de
la compañía Siemens & Halske en Berlín, hasta 1933. Después se
trasladó a Inglaterra, donde permaneció hasta su muerte. Viajaba muy
frecuentemente a los Estados Unidos, donde trabajaba durante parte de
su tiempo en los laboratorios CBS en Stanford, Conn. Dennis Gabor
recibió el premio Nobel de Física, en 1971.
En 1947, más de diez años antes de que se construyera el primer láser
de helio-neón, Dennis Gabor buscaba un método para mejorar la
resolución y definición del microscopio electrónico, compensando por
medios ópticos las deficiencias de su imagen. Gabor se propuso
realizar esto mediante un proceso de registro fotográfico de imágenes al
que llamó holografía, que viene del griego holos, que significa completo,
pues el registro que se obtiene de la imagen es completo, incluyendo la
información tridimensional. El método ideado por Gabor consistía en
dos pasos, el primero de los cuales era el registro, en una placa
fotográfica, del patrón de difracción producido por una onda luminosa (o
un haz de electrones en el caso del microscopio electrónico) cuando
pasa por el objeto cuya imagen se desea formar. El segundo paso era
pasar un haz luminoso a través del registro fotográfico, una vez
revelado. La luz, al pasar por esta placa, se difractaba de tal manera
que en una pantalla colocada adelante se formaba una imagen del
objeto. Gabor no tuvo éxito con su propósito fundamental, que era
mejorar las imágenes del microscopio electrónico, pero si obtuvo un
método nuevo e interesante para formar imágenes. Había formado el
primer holograma, aunque obviamente era muy rudimentario si lo
comparamos con los modernos. Para comenzar, la imagen era muy
confusa debido a que las diferentes imágenes que se producían no se
separaban unas de otras. Por otro lado, las fuentes de luz coherente de
la época no permitían una iluminación razonablemente intensa del
holograma, lo que hacía muy difícil su observación. Sin embargo, las
bases de la holografía quedaron así establecidas.
En 1950 Gordon Rogers exploró la técnica de Gabor, obteniendo una
idea mucho más clara de los principios ópticos que estaban en juego.
Dos años más tarde, en 1952, Ralph Kirkpatrick y sus dos estudiantes,
Albert Baez y Hussein El-Sum, se interesaron en la holografía y
contribuyeron a ampliar los conocimientos sobre ella. El-Sum produjo la
primera tesis doctoral en holografía. Adolph Lomann aplicó por primera
vez en Alemania las técnicas de la teoría de la comunicación a la
holografía, y como consecuencia sugirió lo que ahora se conoce como
el "método de banda lateral sencilla", para separar las diferentes
imágenes que se producían en el holograma. Así, los conocimientos
sobre holografía avanzaban cada vez más, pero en todos estos
estudios el obstáculo principal era la falta de fuentes de luz coherentes
suficientemente brillantes.
Figura 36. Esquemas de la exposición y reconstrucción de un holograma: (a)
exposición y (b) reconstrucción.
Desconociendo totalmente los trabajos sobre holografia, Emmett N.
Leith, un investigador en ingeniería eléctrica de la Universidad de
Michigan, buscaba en 1956 un método para registrar y mostrar
gráficamente la forma de onda de las señales de radar, usando técnicas
ópticas. En 1960, cuando ya prácticamente tenía la solución a su
problema, se enteró de los trabajos de Gabor y de sus sucesores,
dándose así cuenta de que en realidad habían redescubierto la
holografía. A partir de entonces el objetivo de esos trabajos fue
perfeccionar el método. La solución que encontró Leith, con la
colaboración de su colega Juris Upatnieks, eliminaba el principal
problema de la holografía de Gabor, de que no solamente se producía
una imagen del objeto deseado sino dos, una real y una virtual, que
mezcladas entre sí y con la luz incidente producían una imagen muy
difusa. La técnica inventada por Emmett N. Leith y Juris Upatnieks
resuelve el problema, pues encuentra la forma de separar estas
imágenes. Como además ya existía el láser de gas, los resultados
encontrados en poco tiempo fueron impresionantes. Los logros de Leith
y Upatnieks se publicaron en los años de 1961 y 1962.
Figura 37. Formación de un holograma, sobre una mesa estable, en el Centro de
Investigaciones en Óptica.
V.2. BASES DE LA HOLOGRAFÍA
El método inventado por Leith y Upatnieks para hacer los hologramas
consiste primeramente en la iluminación con el haz luminoso de un
láser, del objeto cuya imagen se quiere registrar. Se coloca después
una placa fotográfica en una posición tal que a ella llegue la luz tanto
directa del láser, o reflejada en espejos planos, como la que se refleja
en el objeto cuya imagen se desea registrar (Figura 36a). Al haz directo
que no proviene del objeto se le llama haz de referencia y al otro se le
llama haz del objeto. Estos dos haces luminosos interfieren al coincidir
sobre la placa fotográfica. La imagen que se obtiene después de revelar
la placa es un patrón de franjas de interferencia. Esta es una
complicada red de líneas similares a las de una rejilla de difracción,
pero bastante más complejas pues no son rectas, sino muy curvas e
irregulares.
Figura 38. Un holograma. (a) Imagen producida por el holograma y
(b) franjas de interferencia en el plano del holograma.
Ya revelado el holograma, para reconstruir la imagen se coloca éste
frente al haz directo del láser, en la posición original donde se colocó
para exponerlo, como se ilustra en la figura 36(b). La luz que llega al
holograma es entonces difractada por las franjas impresas en el
holograma, generando tres haces luminosos. Uno de los haces es el
que pasa directamente sin difractarse, el cual sigue en la dirección del
haz iluminador y no forma ninguna imagen. El segundo haz es
difractado y es el que forma una imagen virtual del objeto en la misma
posición donde estaba al tomar el holograma. El tercer haz también es
difractado, pero en la dirección opuesta al haz anterior con respecto al
haz directo. Este haz forma una imagen real del objeto. Estos tres
haces son los que se mezclaban en los hologramas de Gabor. La figura
37 muestra el proceso de exposición de un holograma sobre una mesa
estable. La mesa debe ser necesariamente estable, es decir, aislada de
las vibraciones del piso, a fin de que las pequeñísimas franjas de
interferencia que forman el holograma no se pierdan. La figura 38(a)
muestra la imagen producida por un holograma y la figura 38(b)
muestra las franjas de interferencia que se observan en el plano del
holograma.
Observando a través del holograma como si fuera una ventana, se ve la
imagen tridimensional del objeto (la imagen virtual) en el mismo lugar
donde estaba el objeto originalmente. La imagen es tan real que no sólo
es tridimensional o estereoscópica, sino que además tiene perspectiva
variable, dentro de los límites impuestos por el tamaño del holograma.
Así, si nos movemos para ver el objeto a través de diferentes regiones
del holograma, el punto de vista cambia como si el objeto realmente
estuviera ahí.
V.3. DIFERENTES TIPOS DE HOLOGRAMAS
La holografía ha progresado de una manera impresionante y rápida
debido a la gran cantidad de aplicaciones que se le están encontrando
día a día. Los hologramas se pueden ahora hacer de muy diferentes
maneras, pero todos con el mismo principio básico. Los principales
tipos de hologramas son los siguientes:
a) Hologramas de Fresnel. Éstos son los hologramas más simples, tal
cual se acaban de describir en la sección anterior. También son los
hologramas más reales e impresionantes, pero tienen el problema de
que sólo pueden ser observados con la luz de un láser.
Figura 39. Formación de un holograma de reflexión.
b) Hologramas de reflexión. Los hologramas de reflexión, inventados
por Y. N. Denisyuk en la Unión Soviética, se diferencian de los de
Fresnel en que el haz de referencia, a la hora de tomar el holograma,
llega por detrás y no por el frente, como se muestra en la figura 39. La
imagen de este tipo de hologramas tiene la enorme ventaja de que
puede ser observada con una lámpara de tungsteno común y corriente.
En cambio, durante la toma del holograma se requiere una gran
estabilidad y ausencia de vibraciones, mucho mayor que con los
hologramas de Fresnel. Este tipo de holograma tiene mucho en común
con el método de fotografía a color por medio de capas de interferencia,
inventado en Francia en 1891 por Gabriel Lippmann, y por el cual
obtuvo el premio Nobel en 1908.
c) Hologramas de plano imagen. Un holograma de plano imagen es
aquel en el que el objeto se coloca sobre el plano del holograma.
Naturalmente, el objeto no está físicamente colocado en ese plano,
pues esto no sería posible. La imagen real del objeto, formada a su vez
por una lente, espejo u otro holograma, es la que se coloca en el plano
de la placa fotográfica. Al igual que los hologramas de reflexión, éstos
también se pueden observar con una fuente luminosa ordinaria, aunque
sí es necesario láser para su exposición.
d) Hologramas de arco iris. Estos hologramas fueron inventados por
Stephen Benton, de la Polaroid Corporation, en 1969. Con estos
hologramas no solamente se reproduce la imagen del objeto deseado,
sino que además se reproduce la imagen real de una rendija horizontal
sobre los ojos del observador. A través de esta imagen de la rendija que
aparece flotando en el aire se observa el objeto holografiado, como se
muestra en la figura 40. Naturalmente, esta rendija hace que se pierda
la tridimensionalidad de la imagen si los ojos se colocan sobre una línea
vertical, es decir, si el observador está acostado. Ésta no es una
desventaja, pues generalmente el observador no está en esta posición
durante la observación. Una segunda condición durante la toma de este
tipo de hologramas es que el haz de referencia no esté colocado a un
lado, sino abajo del objeto.
Este arreglo tiene la gran ventaja de que la imagen se puede observar
iluminando el holograma con la luz blanca de una lámpara
incandescente común. Durante la reconstrucción se forma una multitud
de rendijas frente a los ojos del observador, todas ellas horizontales y
paralelas entre sí, pero de diferentes colores, cada color a diferente
altura. Según la altura a la que coloque el observador sus ojos, será la
imagen de la rendija a través de la cual se observe, y por lo tanto esto
definirá el color de la imagen observada. A esto se debe el nombre de
holograma de arco iris.
Figura 40. Formación de un holograma de arco iris.
Figura 41. Holograma prensado, fabricado por J. Tsujiuchi en Japón.
e) Hologramas de color. Si se usan varios láseres de diferentes colores
tanto durante la exposición como durante la observación, se pueden
lograr hologramas en color. Desgraciadamente, las técnicas usadas
para llevar a cabo estos hologramas son complicadas y caras. Además,
la fidelidad de los colores no es muy alta.
f) Hologramas prensados. Estos hologramas son generalmente de
plano imagen o de arco iris, a fin de hacerlos observables con luz
blanca ordinaria. Sin embargo, el proceso para obtenerlos es diferente.
En lugar de registrarlos sobre una placa fotográfica, se usa una capa de
una resina fotosensible, llamada Fotoresist, depositada sobre una placa
de vidrio. Con la exposición a la luz, la placa fotográfica se ennegrece.
En cambio, la capa de Fotoresist se adelgaza en esos puntos. Este
adelgazamiento, sin embargo, es suficiente para difractar la luz y poder
producir la imagen. Dicho de otro modo, la información en el holograma
no queda grabada como un Sistema de franjas de interferencia
obscuras, sino como un sistema de surcos microscópicos. La figura 41
muestra un holograma prensado.
El siguiente paso es recubrir el holograma de Fotoresist, mediante un
proceso químico o por evaporación, de un metal, generalmente níquel.
A continuación se separa el holograma, para que quede solamente la
película metálica, con el holograma grabado en ella. El paso final es
mediante un prensado con calor: imprimir este holograma grabado en la
superficie del metal, sobre una película de plástico transparente. Este
plástico es el holograma final.
Este proceso tiene la enorme ventaja de ser adecuado para producción
de hologramas en muy grandes cantidades, pues una sola película
metálica es suficiente para prensar miles de hologramas. Este tipo de
hologramas es muy caro si se hace en pequeñas cantidades, pero es
sumamente barato en grandes producciones.
g) Hologramas de computadora. Las franjas de interferencia que se
obtienen con cualquier objeto imaginario o real se pueden calcular
mediante una computadora. Una vez calculadas estas franjas, se
pueden mostrar en una pantalla y luego fotografiar. Esta fotogralía sería
un holograma sintético. Tiene la gran desventaja de que no es fácil
representar objetos muy complicados con detalle. En cambio, la gran
ventaja es que se puede representar cualquier objeto imaginario. Esta
técnica se usa mucho para generar frentes de onda de una forma
cualquiera, con alta precisión. Esto es muy útil en interferometría.
V.4. LA HOLOGRAFIA DE EXHIBICIÓN
Ésta es la aplicación más frecuente y popular de la holografía. Es muy
conocida, por ejemplo, la exhibición que hizo una famosa joyería de la
Quinta Avenida de Nueva York, donde por medio de un holograma
sobre el vidrio de un escaparate se proyectaba hacia la calle la imagen
tridimensional de una mano femenina, mostrando un collar de
esmeraldas. La imagen era tan real que provocó la admiración de
muchísimas personas, e incluso temor en algunas. Se dice que una
anciana, al ver la imagen, se atemorizó tanto que comenzo a tratar de
golpear la mano con su bastón, pero al no lograrlo, corrió despavorida.
Una aplicación que se ha mencionado mucho es la de la exhibición de
piezas arqueológicas o de mucho valor en museos. Esto se puede
lograr con tanto realismo que sólo un experto podría distinguir la
diferencia.
Otra aplicación que se ha explorado es la generación de imágenes
médicas tridimensionales, que no pueden ser observadas de otra
manera. Como ejemplo, solamente describiremos ahora el trabajo
desarrollado en Japón por el doctor Jumpei Tsujiuchi. El primer paso en
este trabajo fue obtener una serie de imágenes de rayos X de una
cabeza de una persona viva. Estas imágenes estaban tomadas desde
muchas direcciones, al igual que se hace al tomar una tomografía.
Todas estas imágenes se sintetizaron en un holograma, mediante un
método óptico que no describiremos aquí. El resultado fue un
holograma que al ser iluminado con una lámpara ordinaria producía una
imagen tridimensional del interior del cráneo. Esta imagen cubre 360
grados, pues el holograma tiene forma cilíndrica. El observador podía
moverse alrededor del holograma para observar cualquier detalle que
desee. La imagen es realmente impresionante si se considera que se
está viendo el interior del cráneo de una persona viva, que obviamente
puede ser el mismo observador.
Otra aplicación natural es la obtención de la imagen tridimensional de
una persona. Esto se ha hecho ya con tanto realismo que la imagen es
increiblemente natural y bella. Sin duda ésta es la fotografía del futuro.
Lamentablemente, por el momento es tan alto el costo, sobre todo por
el equipo que se requiere, que no se ha podido comercializar y hacer
popular.
Se podrían mencionar muchas más aplicaciones de la holografía de
exhibición, pero los ejemplos anteriores son suficientes para dar una
idea de las posibilidades, que cada día se explotan más.
V.5. LA HOLOGRAFÍA COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
La holografía es también un instrumento muy útil, asociado con la
interferometría (la cual ya se ha descrito antes en este libro), para
efectuar medidas sumamente precisas.
La utilidad de la holografía proviene del hecho de que mediante ella es
posible reconstruir un frente de onda de cualquier forma que se desee,
para posteriormente compararlo con otro frente de onda generado en
algún momento posterior. De esta manera es posible observar si el
frente de onda original es idéntico al que se produjo después, o bien si
tuvo algún cambio. Esto permite determinar las deformaciones de
cualquier objeto con una gran exactitud, aunque los cambios sean tan
pequeños como la longitud de onda de la luz. Para ilustrar esto con
algunos ejemplos, mencionaremos los siguientes:
a) Deformaciones muy pequeñas en objetos sujetos a tensiones o
presiones. Mediante holografía interferométrica ha sido posible
determinar y medir las deformaciones de objetos sujetos a tensiones o
presiones. Por ejemplo, las deformaciones de una máquina, de un gran
espejo de telescopio o de cualquier otro aparato se pueden evaluar con
la holografía.
b) Deformaciones muy pequeñas en objetos sujetos a calentamiento.
De manera idéntica a las deformaciones producidas mecánicamente, se
pueden evaluar las deformaciones producidas por pequeños
calentamientos. Ejemplo de esto es el examen de posibles zonas
calientes en circuitos impresos en operación, en partes de maquinaria
en operación, y muchos más.
c) Determinación de la forma de superficies ópticas de alta calidad.
Como ya se ha comentado antes, la unión de la interferometría con el
láser y las técnicas holográficas les da un nuevo vigor y poder a los
métodos interferométricos para medir la calidad de superficies ópticas.
V.6. LA HOLOGRAFÍA COMO ALMACÉN DE INFORMACIÓN
La holografía también es útil para almacenar información. Esta se
puede registrar como la dirección del rayo que sale del holograma,
donde diferentes direcciones corresponderían a diferentes valores
numéricos o lógicos. Esto es particularmente útil, ya que existen
materiales holográficos que se pueden grabar y borrar a voluntad, de
forma muy rápida y sencilla. Con el tiempo, cuando se resuelvan
algunos problemas prácticos que no se ven ahora como muy
complicados, será sin duda posible substituir las memorias magnéticas
o las de estado sólido que se usan ahora en las computadoras, por
memorias holográficas.
V.7. LA HOLOGRAFÍA COMO DISPOSITIVO DE SEGURIDAD
Hacer un holograma no es un trabajo muy simple, pues requiere en
primer lugar de conocimentos y en segundo lugar de un equipo que no
todos poseen, como láseres y mesas estables. Esto hace que los
hologramas sean difíciles de falsificar, pues ello requeriría, además, que
el objeto y todo el proceso para hacer el holograma fueran idénticos, lo
que obviamente en algunos casos puede ser imposible. Por ejemplo, el
objeto puede ser un dedo con sus huellas digitales. Esto hace que la
holografía sea un instrumento ideal para fabricar dispositivos de
seguridad.
Un ejemplo es el de una tarjeta para controlar el acceso a ciertos
lugares en los que no se desea permitir libremente la entrada a
cualquier persona. La tarjeta puede ser tan sólo un holograma con la
huella digital de la persona. Al solicitar la entrada al lugar con acceso
controlado, se introduce la tarjeta en un aparato, sobre el que también
se coloca el dedo pulgar. El aparato compara la huella digital del
holograma con la de la persona. Si las huellas no son idénticas, la
entrada es negada. De esta manera, aunque se extravíe la tarjeta,
ninguna otra persona podría usarla.
Otro ejemplo muy común son los pequeños hologramas prensados que
tienen las nuevas tarjetas de crédito. Estos hologramas, por ser
prensados, son de los más difíciles de reproducir, por lo que la
falsificación de una tarjeta de crédito se hace casi imposible. Si alguien
con los conocimientos y el equipo quisiera falsificar estos hologramas lo
podría hacer, pero su costo sería tan elevado que sería totalmente
incosteable, a menos que lo hiciera en cantidades muy grandes a fin de
que el costo se repartiera.
4.9
Medidas de seguridad
5 MEDIDAS DE SEGURIDAD
El principal peligro al trabajar con láseres es el daño ocular, ya que el ojo concentra la
luz láser igual que cualquier otro tipo de luz. Por eso, el haz del láser no debe incidir
sobre los ojos directamente ni por reflexión. Un láser debe ser manejado por personal
experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.
4.10 Aplicaciones en la industria, medicina, comunicaciones, etc.
4 APLICACIONES DEL LÁSER
Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una
herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar o el
arte.
4.1 Industria
Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se
logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o
vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar
diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos,
calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales
o intentar inducir la fusión nuclear controlada (ver Energía nuclear). El potente y breve
pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un
tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de
carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.
Photo Researchers, Inc./Dick Luria
Soldador láser
Los láseres de alta potencia se emplean para soldar piezas grandes de metales duros.
Estos láseres pueden producir temperaturas de más de 5.500 ºC.
4.2 Investigación científica
Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para
efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos
de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para
determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en experimentos de
relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser
para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean
haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de
estudiar sus espectros con una precisión muy elevada. Como la luz del láser es muy
direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz
dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos
cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los
láseres han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin
precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y
detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra. Ver Análisis químico;
Fotoquímica.
4.3. Comunicaciones
La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una
pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser
puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que
transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las
comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que
transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de
computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con
una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de un holograma,
a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.
Photo Researchers, Inc./David Parker/Science Source
Fibra óptica
Los cables de fibra óptica suponen una alternativa a los voluminosos cables de cobre
para las telecomunicaciones. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de
láser con fibra óptica. Por el ojo de esta aguja pasan fácilmente varias fibras ópticas.
4.4 Medicina
Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos
en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha
empleado para ‘soldar’ la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos
sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de
laboratorio en muestras biológicas pequeñas.
4.5 Tecnología militar
Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes.
La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva
un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de
isótopos en la fabricación de armas nucleares.
6 LÁSER ATÓMICO
En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer
láser compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz
cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier
otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma manera que
cualquier otro átomo, formando una “onda de materia” coherente.
Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los
láseres atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres
de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan
unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.
5
Fibras Ópticas.
5.1
Principios básicos de funcionamiento
Fibra óptica, fibra o varilla de vidrio —u otro material transparente con un índice de
refracción alto— que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los
extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté
curvada.
El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total;
la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con
un ángulo mayor que el ángulo crítico (ver Óptica), de forma que toda la luz se refleja
sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia
reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a
impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por
una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se
producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.
La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que
serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un
dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan
haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y
ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un
extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen,
que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza
mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para
efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y
fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras
aplicaciones.
Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van
desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi
no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos
cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación,
además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles
cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil,
impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos
láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.
La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de
luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información
aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de
láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga
distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una
ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una
señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los
repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a
aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica
recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.
Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al
contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una
serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores
(computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y
permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de
nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la
capacidad de los sistemas de fibra.
5.2
Construcción de fibras ópticas
Photo Researchers, Inc./David Parker/Science Source
Fibra óptica
Los cables de fibra óptica suponen una alternativa a los voluminosos cables de cobre
para las telecomunicaciones. Un solo par de cables de fibra óptica puede transmitir
más de mil conversaciones simultáneas. Por el ojo de esta aguja pasan fácilmente
varias fibras ópticas.
5.3
Características Eléctricas de las fibras ópticas: Ancho de banda, Atenuación,
Acoplamiento fibra–fuente
Ancho de banda: la capacidad potencial de transportar información crece con el ancho
de banda del medio de transmisión y con la frecuencia de portadora. Las fibras ópticas
tienen un ancho de banda de alrededor de 1 THz, aunque este rango está lejos de
poder ser explotado hoy día. De todas formas el ancho de banda de las fibras excede
ampliamente al de los cables de cobre.
Bajas pérdidas: las pérdidas indican la distancia a la cual la información puede ser
enviada. En un cable de cobre, la atenuación crece con la frecuencia de modulación.
En una fibra óptica, las perdidas son las mismas para cualquier frecuencia de la señal
hasta muy altas frecuencias.
Inmunidad electromagnética: la fibra no irradia ni es sensible a las radiaciones
electromagnéticas, ello las hace un medio de transmisión ideal cuando el problema a
considerar son las EMI.
5.4
Conceptos de enlaces telefónicos mediante fibra óptica, detectores de corriente.
Telefonía
Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de
transmisión por fibra óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas
en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (línea de
abonado), hay ante todo una serie de consideraciones.
Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de
cobre existentes. Precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha
como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, la fibra óptica se hará imprescindible
para el abonado. Con el BIGFON (red urbana integrada de telecomunicaciones en
banda ancha por fibra óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto.
Según la estrategia elaborada, los servicios de banda ancha posteriormente se
ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de
telecomunicaciones integrada en banda ancha (IBFN).
5.5
Aplicaciones en sistemas electrónicos Amplificadores aislador, Módulos de
transmisión y recepción de datos en forma óptica
Internet
El servicio de conexión a Internet por fibra óptica, derriba la mayor limitación del
ciberespacio: su exasperante lentitud. El propósito del siguiente artículo es describir el
mecanismo de acción, las ventajas y sus desventajas.
Para navegar por la red mundial de redes, Internet, no sólo se necesitan un
computador, un módem y algunos programas, sino también una gran dosis de
paciencia. El ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero. Un usuario puede
pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de
bajar un programa de la Red a su PC.
Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50
millones de usuarios para conectarse a Internet, no fueron creadas para transportar
videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la
Red.
Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio. Recientemente un
servicio permite conectarse a Internet a través de la fibra óptica.
La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de
bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se
conecta a 28.000 0 33.600 bps.
Redes
La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de
luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información
aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de
láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga
distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una
ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una
señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los
repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a
aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica
recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.
Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al
contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una
serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores
(computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y
permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de
nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la
capacidad de los sistemas de fibra.
Red de área local o LAN, conjunto de ordenadores que pueden compartir datos,
aplicaciones y recursos (por ejemplo impresoras). Las computadoras de una red de
área local (LAN, Local Area Network) están separadas por distancias de hasta unos
pocos kilómetros, y suelen usarse en oficinas o campus universitarios. Una LAN
permite la transferencia rápida y eficaz de información en el seno de un grupo de
usuarios y reduce los costes de explotación.
Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia (WAN, Wide Area
Network) o las centralitas particulares (PBX). Las WAN son similares a las LAN, pero
conectan entre sí ordenadores separados por distancias mayores, situados en distintos
lugares de un país o en diferentes países; emplean equipo físico especializado y
costoso y arriendan los servicios de comunicaciones. Las PBX proporcionan
conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como
transmisiones telefónicas, pero no resultan adecuadas para emitir y recibir los picos de
datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas.
Las redes de comunicación públicas están divididas en diferentes niveles; conforme al
funcionamiento, a la capacidad de transmisión, así como al alcance que definen. Por
ejemplo, si está aproximándose desde el exterior hacia el interior de una gran ciudad,
se tiene primeramente la red interurbana y red provicional, a continuación las líneas
prolongadas aportadoras de tráfico de más baja capacidad procedente de áreas
alejadas (red rural), hacia el centro la red urbana y finalmente las líneas de abonado.
Los parámetros dictados por la práctica son el tramo de transmisión que es posible
cubrir y la velocidad binaria específica así como el tipo de fibra óptica apropiado, es
decir, cables con fibras monomodo ó multimodo.
5.6
Aplicaciones en la: industria, medicina, arqueología, otros
Otras aplicaciones
Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van
desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi
no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos
cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación,
además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles
cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil,
impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos
láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.
La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que
serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un
dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan
haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y
ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un
extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen,
que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza
mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para
efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y
fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras
aplicaciones.
SuperCable : es una empresa transnacional de servicios de telecomunicaciones en voz,
video y data que ha ofrecido televisión por cable en Venezuela desde comienzo de los
años 90. Con su tecnología de transmisión de datos en fibra óptica, comunicaciones
digitales y compresión de datos, se encuentra en capacidad de incursionar en el vasto
mercado de las telecomunicaciones.
Son los únicos capaces de brindar tecnología de punta, la cobertura geográfica más
amplia, la mayor eficiencia de la inversión publicitaria, y servicio personalizado.
La totalidad de la red de SuperCable es de fibra óptica que permite la transmisión de
banda ancha. El sector de Banda ancha de Motorola, empresa líder a nivel global en
soluciones integrales de comunicaciones y soluciones embebidas, es el socio
tecnológico de Supercable en el desarrollo de su sistema de televisión por cable, el que
será transformado en un paquete de servicios interactivos en los próximos años. El
acuerdo incluye la implementación de una plataforma de cable digital interactivo en
Bogotá y en Caracas.
Motorola socio tecnológico de Supercable
El anuncio ha despertado el interés del sector de negocios de la televisión paga en la
región. Supercable inició operaciones en Ecuador, luego se instaló en Venezuela y el
año pasado los accionistas de la empresa tomaron la determinación de participar a
nivel panregional. El primer paso es el lanzamiento en el mercado colombiano con
planes de añadir otro país este año. Instalaron su casa matriz en el sur de La Florida,
en Estados Unidos.
¿De cuánto es la inversión que están haciendo en Colombia?
La primera etapa del proyecto que estamos contemplando, es de 120 millones de
dólares. Nuestros estudios de mercadeo en Bogotá revelaron que hay deficiencias en
casi todas las plataformas de televisión por cable: en calidad de señal y servicios.
Necesidades en aspectos de Internet y sus precios. Supercable tomó esto como una
gran oportunidad y por eso partimos en redes avanzadas, fibra óptica y realización de
la convergencia de servicios. Estamos partiendo de cero para atender a un mercado de
gran magnitud y de grandes carencias. ¿Cómo afrontaran la piratería y los problemas
de tarifas?
Supercable está haciendo en Colombia una de las inversiones más importantes en
televisión de pago y la reacción incluso de sus competidores ha sido muy positiva, ya
que es un paso adelante que el país dará, justamente en uno de sus peores momentos.
Esa es la esperanza de empresarios y ejecutivos de esta industria y, principalmente, la
de los usuarios.
6
6.1
Sensores de Imagen.
Principios de operación
Resolución del sensor de imagen .
Como usted ha visto, la resolución de la imagen es una manera de expresar cuan
definida o detallada las imágenes son. Las cámaras de menor tecnología tienen
resoluciones actualmente alrededor de 640 x 480 píxeles (a veces llamada resolución
VGA), aunque este número constantemente se mueve hacia arriba. Cámaras mejores,
aquéllas con 1 millón o más de píxeles se llaman cámaras megapixel y aquéllas
cámaras con más de 2 millones se llaman cámaras multi-megapixel . Las cámaras
digitales profesionales más caras le dan aproximadamente 6 millones de píxeles.
Aunque impresionante, incluso estas resoluciones no igualan los estimados 20 millones
o mas de píxeles en la cámara tradicional de película de 35 mm y los 120 millones en
su ojo.
Proporciones de aspecto
Los sensores de imagen tienen diferentes relaciones o proporciones de aspecto entre
la altura de la imagen y el ancho . La proporción de un cuadrado es 1:1 (anchura igual y
altura) y la de la película de 35mm es 1,5:1 (1,5 veces más ancho que es alto). La
mayoría que los sensores de imagen se ubican entre estos extremos. La proporción del
aspecto de un sensor es importante porque determina la forma y proporciones de las
fotografías que usted crea. Cuando una imagen tiene una proporción de aspecto
diferente que el dispositivo donde se visualiza o se imprime , la misma tiene que ser
nuevamente encuadrada parcialmente o cambiada de tamaño para encajar. Su opción
es perder parte de la imagen o desperdiciar parte del papel. Para imaginar esto mejor,
pruebe encajar una imagen cuadrada en un pedazo rectangular de papel.
Profundidad de color .
La resolución no es el único factor que determina la calidad de sus imágenes.
Igualmente importante es color. Cuando usted observa una escena natural, o una
impresión de color fotográfica bien hecha, usted puede distinguir millones de colores.
Las imágenes digitales pueden aproximar este realismo de color, pero si las mismas
pueden hacerlo en su sistema depende de sus capacidades y sus funciones . El
número de colores en una imagen se identifica como su profundidad de color,
profundidad de píxeles, o profundidad de bit . La PCs más viejas estaban limitadas a
monitores que mostraban sólo 16 o 256 colores. Sin embargo, casi todos los nuevos
sistemas pueden mostrar lo que se llama Color Verdadero de 32-bits (32-bit True Color)
. Se llama Color Verdadero porque estos sistemas muestran 16 millones de colores,
casi el número que el ojo humano puede distinguir.
Sensibilidad
Un número ISO (International Organization for Standardization u Organización
Internacional para la Estandarización ) que aparece en el paquete de la película
especifica la velocidad, o sensibilidad, de una película basada en proceso de plata.
Cuanto más alto sea el número , "más rápida" o más sensible es la película a la luz . Si
usted ha comprado película, usted ya estará familiarizado con velocidades como 100,
200, o 400. Cada duplicado del número ISO indica un duplicado en la velocidad de la
película de manera que cada una de estas películas es el doble de rápida que la
anterior .
Los sensores de imagen también usan números ISO equivalentes. Así como con una
película, un sensor de imagen con un ISO más bajo necesita más luz para una
exposición buena que uno con un ISO más alto. Para capturar mas luz necesita un
tiempo de exposición más largo que puede llevar a imágenes difusas o una abertura
mayor que le dará menos profundidad de campo. Por lo tanto , es mejor conseguir un
sensor de imagen con un ISO más alto porque reforzará el congelamiento de imágenes
en movimiento disparando con poca luz . Típicamente, los ISOs van de 100 (bastante
lento) a 3200 o más alto (muy rápido).
Algunas cámaras tienen más de una graduación de ISO. En situaciones del poca luz,
usted puede aumentar el ISO del sensor amplificando electrónicamente la señal del
sensor de imagen (aumentando su ganancia). Algunas cámaras incluso aumentan la
ganancia automáticamente. Esto no sólo incrementa la sensibilidad del sensor, también
aumenta el ruido o "el granulado" , haciendo las imágenes más suave y menos
definidas .
Calidad de la imagen .
El tamaño de un archivo de imagen depende en parte de la resolución de la imagen.
Cuanto más alta sea la resolución, existen más píxeles para almacenar de manera que
más grande se vuelve el archivo de la imagen . Para hacer archivos grandes de imagen
más pequeños y más manejables la mayoría de las cámaras los almacenan en un
formato llamado JPEG nombre que deriva de su diseñador, el Joint Photographic
Experts Group o Agrupación de Expertos Fotográficos Asociados . Este formato de
archivo no sólo comprime imágenes, también le permite especificar el grado de
compresión de las mismas. Esta es una característica útil porque hay un compromiso
entre la compresión y calidad de la imagen. Menos compresión le da mejores imágenes
para que usted pueda hacer impresiones más grandes, pero usted no puede guardar
tantas imágenes. Más compresión le permite guardar más imágenes y hace las
imágenes mejores para publicarlas una página Web o enviarlas como archivo adjunto
de e-mail. El único problema es que sus impresiones no serán tan buenas
6.2
Clasificación.
Tipos de sensores de imagen.
Hasta recientemente, los dispositivos de carga acoplada (CCDs) era los únicos
sensores de imagen usados en cámaras digitales. Estos se han desarrollado bien a
través de su uso en telescopios astronómicos, escáneres, y el camcorders de video.
Sin embargo , hay un nuevo desafío en el horizonte, el sensor de imagen CMOS que
promete volverse el sensor de imagen de elección en el futuro en un segmento grande
del mercado. Tanto los sensores de imagen CCD como CMOS capturan la luz sobre
una pequeña grilla o rejilla de píxeles en sus superficies. Es cómo estos procesan la
imagen y cómo se fabrican donde difieren entre si .
Esta fotografía muestra los pixeles ampliados en un sensor de captura de imagen
Sensores de imagen CCD .
Un dispositivo de carga acoplada (CCD) recibe su nombre por la manera en que las
cargas son leídas en sus píxeles después de una exposición. Después de la exposición
, las cargas en la primera fila se transfieren a un lugar en el sensor llamado registro de
lectura . De allí, las señales se alimentan a un amplificador y luego a un conversor
analógico-a-digital. Una vez que la fila se ha leído, sus cargas en la fila de registro de
lectura se borran , la entera fila entra, y todas las filas por encima se mueven abajo una
fila. Las cargas en cada fila son "acopladas" a aquéllas en la fila de arriba para que
cuando una baje, la próxima se mueva abajo para llenar su viejo espacio . De esta
manera, cada fila puede ser una fila de lectura por vez .
El CCD cambia una fila entera por vez al registro de lectura. El registro de lectura luego
envía sólo un píxel por vez al amplificador de salida .
Sensores de imagen CMOS
Los sensores de imagen se manufacturan en industrial en forma de fundición de obleas
o fabs en hornos cerrados que contienen un producto químico y gaseoso , la elevada
temperatura hace que los átomos de gas se difundan y penetren en la oblea de silicio ,
cambiando las características eléctricas del mismo , donde luego usando técnicas de
fotograbado y mediante exposición a los rayos ultravioleta se graban los circuitos
diminutos y dispositivos sobre chips de silicio . El problema más grande con los CCDs
es que no hay suficiente economía de escala . Los mismos se crean fundiciones
usando procesos caros y especializados que sólo pueden usarse para hacer otros
CCDs. Entretanto, más y mayores fundiciones en otras industrias están usando un
proceso diferente llamado Metal-Oxido-Semiconductor con transistores
complementarios (CMOS) para hacer millones de chips para los procesadores de
computadoras y memorias. El CMOS es por mucho el proceso más común y de mas
alto rendimiento productivo en el proceso de fabricación de chips en el mundo. Los
últimos procesadores de CMOS, como el Pentium II, contienen casi 10 millones de
elementos activos. Usando este mismo proceso y el mismo equipo para fabricar los
sensores de imagen CMOS se reduce dramáticamentec los costos , porque se
extienden los costes fijos de la planta sobre un número mucho más grande de
dispositivos. Como resultado de estas economías de escala , el costo de fabricar una
oblea de CMOS es un tercio del el costo de fabricar una oblea similar que usa un
proceso de CCD especializado. Se bajan aun mas los costos porque los sensores de
imagen CMOS pueden tener circuitos de proceso creados en el mismo chip . Cuando
se usan CCDs, estos circuitos de proceso deben estar en chips separados.
Foto de una oblea , conteniendo en este caso unos 150 circuitos integrados completos.
Pistas de aluminio para las conexiones y soldaduras para las patillas (pines) exteriores
Montaje de chips en una tira que forma el armazón. Después se cortan para obtener los
circuitos individuales
6.3
Aplicaciones
6.3.1 Funcionamiento de una cámara de exploración
2. Escaner
Los escáneres son periféricos diseñados para registrar caracteres escritos, o gráficos
en forma de fotografías o dibujos, impresos en una hoja de papel facilitando su
introducción en la computadora convirtiéndolos en información binaria comprensible
para ésta.
El funcionamiento de un escáner es similar al de una fotocopiadora. Se coloca una hoja
de papel que contiene una imagen sobre una superficie de cristal transparente, bajo el
cristal existe una lente especial que realiza un barrido de la imagen existente en el
papel; al realizar el barrido, la información existente en la hoja de papel es convertida
en una sucesión de información en forma de unos y ceros que se introducen en la
computadora.
Para mejorar el funcionamiento del sistema informático cuando se están registrando
textos, los escáneres se asocian a un tipo de software especialmente diseñado para el
manejo de este tipo de información en código binario llamados OCR (Optical Character
Recognition o reconocimiento óptico de caracteres), que permiten reconocer e
interpretar los caracteres detectados por el escáner en forma de una matriz de puntos e
identificar y determinar qué caracteres son los que el subsistema está leyendo.
Un caso particular de la utilización de un scanner, aunque representa una de sus
principales ventajas, es la velocidad de lectura e introducción de la información en el
sistema informático con respecto al método tradicional de introducción manual de datos
por medio del teclado, llegándose a alcanzar los 1.200 caracteres por segundo.
Así funciona un escáner:
Una definición simple de escáner podría ser la siguiente: dispositivo que permite pasar
la información que contiene un documento en papel a una computadora, para de esta
manera poder modificarlo.
Este proceso transforma las imágenes a formato digital, es decir en series de 0 y de 1,
pudiendo entonces ser almacenadas, retocadas, impresas o ser utilizadas para ilustrar
un texto.
El OCR:
Si pensamos un poco en el proceso de escaneado descrito, nos daremos cuenta de
que al escanear un texto no se escanean letras, palabras y frases, sino sencillamente
los puntos que las forman, una especie de fotografía del texto. Evidentemente, esto
puede ser útil para archivar textos, pero sería deseable que pudiéramos coger todas
esas referencias tan interesantes pero tan pesadas e incorporarlas al procesador de
texto no como una imagen, sino como texto editable.
El OCR es un programa que lee esas imágenes digitales y busca conjuntos de puntos
que se asemejen a letras, a caracteres. Dependiendo de la complejidad de dicho
programa entenderá más o menos tipos de letra, llegando en algunos casos a
interpretar la escritura manual, mantener el formato original (columnas, fotos entre el
texto...) o a aplicar reglas gramaticales para aumentar la exactitud del proceso de
reconocimiento.
Para que el programa pueda realizar estas tareas con una cierta fiabilidad, sin confundir
"t" con "1", por ejemplo, la imagen debe cumplir unas ciertas características.
Fundamentalmente debe tener una gran resolución, unos 300 ppp para textos con tipos
de letra claros o 600 ppp si se trata de tipos de letra pequeños u originales de poca
calidad como periódicos. Por contra, podemos ahorrar en el aspecto del color: casi
siempre bastará con blanco y negro (1 bit de color), o a lo sumo una escala de 256
grises (8 bits). Por este motivo algunos escáners de rodillo (muy apropiados para este
tipo de tareas) carecen de soporte para color.
El proceso de captación de una imagen resulta casi idéntico para cualquier escáner: se
ilumina la imagen con un foco de luz, se conduce mediante espejos la luz reflejada
hacia un dispositivo denominado CCD que transforma la luz en señales eléctricas, se
transforma dichas señales eléctricas a formato digital en un DAC (conversor analógicodigital) y se transmite el caudal de bits resultante al ordenador.
Tipos de Escáneres
Existen cinco tipos de escáneres, pero no todos son ideales para la digitalización de
imágenes
- De sobremesa o planos:
Un escáner plano es el tipo más versátil. Es ideal para escanear páginas de un libro sin
tener que desprenderlas Generalmente lucen como fotocopiadoras pequeñas ideales
para un escritorio, y se utilizan para los objetos planos. Sus precios pueden variar de
acuerdo con la resolución de la imagen, pero salvo que se utilicen para realizar
presentaciones muy importantes, como por ejemplo colocar imágenes para la Web, no
se necesita adquirir uno de un costo tan alto.
- De mano:
Son los escáners "portátiles", es el menos costoso, con todo lo bueno y lo malo que
implica esto. Hasta hace unos pocos años eran los únicos modelos con precios
asequibles para el usuario medio, ya que los de sobremesa eran extremadamente
caros; esta situación a cambiado tanto que en la actualidad los escáners de mano
están casi inutilizados por las limitaciones que presentan en cuanto a tamaño del
original a escanear (generalmente puede ser tan largo como se quiera, pero de poco
más de 10 cm de ancho máximo) y a su baja velocidad, así como a la carencia de color
en los modelos más económicos.
Lo que es más, casi todos ellos carecen de motor para arrastrar la hoja, sino que es el
usuario el que debe pasar el escáner sobre la superficie a escanear. Todo esto es muy
engorroso, pero resulta ideal para copiar imágenes pequeñas como firmas, logotipos y
fotografías, además es eficaz para escanear rápidamente fotos de libros
encuadernados, artículos periodísticos, facturas y toda clase de pequeñas imágenes.
- De rodillo:
Unos modelos de aparición relativamente moderna, se basan en un sistema muy
similar al de los aparatos de fax: un rodillo de goma motorizado arrastra a la hoja,
haciéndola pasar por una rendija donde está situado el elemento capturador de
imagen.
Este sistema implica que los originales sean hojas sueltas, lo que limita mucho su uso
al no poder escanear libros encuadernados sin realizar antes una fotocopia (o arrancar
las páginas), salvo en modelos peculiares que permite separar el cabezal de lectura y
usarlo como si fuera un escáner de mano. A favor tienen el hecho de ocupar muy poco
espacio, incluso existen modelos que se integran en la parte superior del teclado; en
contra tenemos que su resolución rara vez supera los 400x800 puntos, aunque esto es
más que suficiente para el tipo de trabajo con hojas sueltas al que van dirigidos.
- Escáneres para transparencias:
Poseen una resolución mejor que los anteriores y por eso también son un poco más
caros; pueden digitalizar transparencias desarrollando un trabajo de muy buena
calidad. Estos tampoco son tan utilizados como los planos, pero en aquellas empresas
en donde utilizan el formato de diapositiva y transparencia para sus impresiones, son
una herramienta realmente indispensable.
Con el scanner se pueden digitalizar textos (escritos a máquina o con ordenador) e
imágenes. Es imprescindible que el scanner esté encendido antes de encender el
ordenador, en caso contrario no lo detecta. Para poder digitalizar textos hay que utilizar
el programa OmniPage mientras que para las imágenes hay que utilizar el programa
Paint Shop Pro 5.
Cómo digitalizar textos
Clicando sobre el icono llamado OmniPage que se encuentra en el escritorio, se
accede al programa de digitalización de textos.
Una vez dentro del programa, hay que buscar la opción obtener imagen dentro del
menú archivo o bien clicar sobre el icono del scanner que aparece en la parte superior
izquierda de la pantalla.Aparecerá entonces una pequeña pantalla con varias opciones.
Clicando sobre digitalizar el scanner empezará a trabajar.
Las hojas se pueden poner de dos formas diferentes en el scanner.
- Hay que colocar la hoja boca abajo en la parte superior derecha del scanner y
después bajar la tapa.
- Se puede utilizar el alimentador automático.
Una vez que el programa ha obtenido la información de la hoja de texto, hay que
pasarle el reconocedor de textos OCR. Para ello hay que buscar un icono con dichos
caracteres OCR en la pantalla o bien en el menú archivo OCR, esta página.Si el
reconocimiento ha sido correcto, el programa mostrará un nuevo menú para agregar
más páginas o parar el digitalizado.
Clicando sobre parar digitalizado, aparece un menú en el que hay que indicarle al
programa el nombre con el que queremos guardar el programa así como el formato.
Cómo digitalizar imágenes y fotografías:
Clicando sobre el icono PaintShop Pro 5 que se encuentra en el escritorio, se entra en
el programa de digitalización de imágenes.
Una vez dentro, hay que buscar la opción Acquire dentro del menú File, import, twain
Cuando se clica sobre la opción acquire el scanner se pone en marcha mostrando una
previsualización de la imagen en pantalla.
La imagen hay que colocarla el la parte superior derecha del scanner y siempre boca
abajo cerrando después bien la tapa.
Una vez que se haya seleccionado la zona que se desea digitalizar y si las opciones de
digitalizado son las deseadas, tipo, escala, brillo etc.. pulsando final el scanner
digitalizará la imagen y la enviará al PaintShop Pro 5. Si la imagen digitalizada se ve
detrás del menú de digitalización se podrá cerrar este para empezar a trabajar con las
herramientas de retoque .
¿Cuánto ocupa una imagen?
Las imágenes digitalizadas se pueden guardar en diferentes formatos: GIF, TIF, BMP,
JPG etc.
El formato que más comprime la imagen es el JPG pero a cambio pierde un poco de
calidad. Cuanta mayor sea la compresión que se le aplique a la imagen, menor será la
calidad.
El formato GIF tiene una buena resolución y, al igual que los JPG, se puede utilizar en
paginas web HTML de internet, pero ocupa algo más.
El formato TIF es el que mejor calidad de imagen da y es compatible con Macintosh,
pero es uno de los que más ocupan.
El formato BMP, es el más estandar y el más facil de insertar en cualquier editor de
texto, en cambio, es uno de los que más espacio ocupan.
El formato PSP se puede leer únicamente con el PaintShop Pro.
Con la opción save as se llega al menú que permite trabajar con todas estas opciónes.
Cuando la imagen está guardada en la cuenta personal o en el disquete, se puede salir
del programa mediante la opción exit del menú file.
Cuadro ilustrativo a cerca del tamaño de las imágenes:
Tipo de original
Destino
Método escaneado Tamaño en RAM
Fotografía 10x15
cm
Pantalla
75 ppp / 24 bits
0,4 MB
Impresora B/N
300 ppp / 8 bits
2 MB
Impresora color
300 ppp / 24 bits
6 MB
Pantalla
75 ppp / 1 bit
66 KB
Impresora
300 ppp / 8 bit
8 MB
OCR
300 ppp / 1 bit
1 MB
Pantalla
75 ppp / 24 bits
1,6 MB
Impresora
300 ppp / 24 bits
25 MB
Texto o dibujo en
blanco y negro
tamaño DIN-A4
Foto DIN-A4 en
color
Los colores y los bits
Al hablar de imágenes, digitales o no, a nadie se le escapa la importancia que tiene el
color. Una fotografía en color resulta mucho más agradable de ver que otra en tonos
grises; un gráfico acertadamente coloreado resulta mucho más interesante que otro en
blanco y negro; incluso un texto en el que los epígrafes o las conclusiones tengan un
color destacado resulta menos monótono e invita a su lectura.
Sin embargo, digitalizar los infinitos matices que puede haber en una foto cualquiera no
es un proceso sencillo. Hasta no hace mucho, los escáners captaban las imágenes
únicamente en blanco y negro o, como mucho, con un número muy limitado de matices
de gris, entre 16 y 256. Posteriormente aparecieron escáners que podían captar color,
aunque el proceso requería tres pasadas por encima de la imagen, una para cada color
primario (rojo, azul y verde). Hoy en día la práctica totalidad de los escáners captan
hasta 16,7 millones de colores distintos en una única pasada, e incluso algunos llegan
hasta los 68.719 millones de colores.
Para entender cómo se llega a estas apabullantes cifras debemos explicar cómo
asignan los ordenadores los colores a las imágenes. En todos los ordenadores se
utiliza lo que se denomina sistema binario, que es un sistema matemático en el cual la
unidad superior no es el 10 como en el sistema decimal al que estamos
acostumbrados, sino el 2. Un bit cualquiera puede por tanto tomar 2 valores, que
pueden representar colores (blanco y negro, por ejemplo); si en vez de un bit tenemos
8, los posibles valores son 2 elevado a 8 = 256 colores; si son 16 bits, 2 elevado a 16 =
65.536 colores; si son 24 bits, 2 elevado a 24 = 16’777.216 colores; etc, etc.
Por tanto, "una imagen a 24 bits de color" es una imagen en la cual cada punto puede
tener hasta 16,7 millones de colores distintos; esta cantidad de colores se considera
suficiente para casi todos los usos normales de una imagen, por lo que se le suele
denominar color real. La casi totalidad de los escáners actuales capturan las imágenes
con 24 bits, pero la tendencia actual consiste en escanear incluso con más bits, 30 ó
incluso 36, de tal forma que se capte un espectro de colores absolutamente fiel al real;
sin embargo, casi siempre se reduce posteriormente esta profundidad de color a 24 bits
para mantener un tamaño de memoria razonable, pero la calidad final sigue siendo muy
alta ya que sólo se eliminan los datos de color más redundantes.
Parámetros para una elección correcta
Definición:
Es la cualidad más importante de un escáner, es el grado de finura con el que se
puede realizar el análisis de la imágen. Los fabricantes indican dos tipos de
definición:
* óptica, que es la realmente importante, está determinada por el número de elementos
CCD y la resolución de la lente. Se mide en puntos por pulgada.
* interpolada, que es el resultado de una serie de cálculos de difícil verificación.
Profundidad de análisis de color, que se expresa en número de bits
de 2 bits, resultaría una imágen en blanco y negro
de 8 bits, se obtendrías una imágen de 256 tonos de grises
de 24 bits u 8 bits por componente de color (verde, rojo, azul), la imágen puede llegar a
ser de 16'7 millones de colores, de 30 bits, permite sobrepasar los mil millones de
tintas.
Software:
Otro elemento a tener en cuenta es el software que acompaña al escáner. Muchos
de ellos incorporan programas de gestión de textos y fotos, programas de
reconocimiento de caracteres o programas de retoque fotográfico.
Conectores: ¿paralelo, SCSI o USB?
Esta es una de las grandes preguntas que debe hacerse todo futuro comprador de un
escáner. La forma de conectar un periférico al ordenador es siempre importante, pues
puede afectar al rendimiento del dispositivo, a su facilidad de uso o instalación... y
fundamentalmente a su precio, claro.
Puerto paralelo
Es el método más común de conexión para escáners domésticos, entendiendo como
tales aquellos de resolución intermedia-alta (hasta 600 x 1.200 ppp, pero más
comúnmente de 300 x 600 ó 400 x 800 ppp) en los que la velocidad no tiene necesidad
de ser muy elevada mientras que el precio es un factor muy importante.
El puerto paralelo, a veces denominado LPT1, es el que utilizan la mayor parte de las
impresoras; como generalmente el usuario tiene ya una conectada a su ordenador, el
escáner tendrá dos conectores, uno de entrada y otro de salida, de forma que quede
conectado en medio del ordenador y la impresora. Como primer problema de este tipo
de conexión tenemos el hecho de que arbitrar el uso del puerto paralelo es algo casi
imposible, por lo que en general no podremos imprimir y escanear a la vez (aunque
para un usuario doméstico esto no debería ser excesivo problema).
Conector SCSI
Sin lugar a dudas, es la opción profesional. Un escáner SCSI (leído "escasi") es
siempre más caro que su equivalente con conector paralelo, e incluso muchos resultan
más caros que modelos de mayor resolución pero que utilizan otro conector. Debido a
este sobreprecio no se fabrican en la actualidad escáners SCSI de resolución menor de
300x600 ppp, siendo lo más común que las cifras ronden los 600x1.200 ppp o más.
Puerto USB
Esto es lo último en escáners. Los puertos USB están presentes en la mayoría de
ordenadores Pentium II, AMD K6-2 o más modernos, así como en algunos Pentium
MMX.
En general podríamos decir que los escáners USB se sitúan en un punto intermedio de
calidad / precio. La velocidad de transmisión ronda los 1,5 MB / s, algo más que el
puerto paralelo pero bastante menos que el SCSI; la facilidad de instalación es casi
insuperable, ya que se basa en el famoso Plug and Play (enchufar y listo) que casi
siempre funciona; todos los ordenadores modernos tienen el USB incorporado (los
Pentium normales ya son antiguos; y además dejan el puerto paralelo libre para
imprimir o conectar otros dispositivos.
La interfaz TWAIN
Se trata de una norma que se definió para que cualquier escáner pudiera ser usado por
cualquier programa de una forma estandarizada e incluso con la misma interfaz para la
adquisición de la imagen.
Si bien hace unos años aún existía un número relativamente alto de aparatos que
usaban otros métodos propios, hoy en día se puede decir que todos los escáners
normales utilizan este protocolo, con lo que los fabricantes sólo deben preocuparse de
proporcionar el controlador TWAIN apropiado, generalmente en versiones para
Windows 9x, NT y a veces 3.x. Desgraciadamente, sólo los escáners de marca
relativamente caros traen controladores para otros sistemas operativos como OS/2 o
Linux, e incluso en ocasiones ni siquiera para Windows 3.x o NT; la buena noticia es
que la estandarización de TWAIN hace que a veces podamos usar el controlador de
otro escáner de similares características, aunque evidentemente no es un método
deseable...
Se trata de un programa en el que de una forma visual podemos controlar todos los
parámetros del escaneado (resolución, número de colores, brillo...), además de poder
definir el tamaño de la zona que queremos procesar.
Si la fidelidad del color es un factor de importancia, uno de los parámetros que
probablemente deberemos modificar en esta interfaz es el control de gamma, para
ajustar la gama de colores que capta el escáner con la que presenta nuestro monitor o
imprime la impresora.
3. Tableta Digitalizadora
Es una tableta compacta generalmente de 127 x 102 mm que incorpora un lápiz sin
cables . Esta excelente herramienta de trabajo permite emular una pizarra electrónica
ideal para los ordenadores portátiles.
Permiten el manejo del cursor a través de la pantalla del sistema informático y facilitan
una importante ayuda en el tratamiento de los comandos de órdenes en aplicaciones
de CAD / CAM (diseño asistido por computadora).
Las tabletas digitalizadoras convierten una serie de coordenadas espaciales en un
código binario que se introduce en la computadora. Estas coordenadas serán
manejadas posteriormente por programas de dibujo, ingeniería, etc.
La tableta suele tener impresos en su armazón pulsadores con símbolos dibujados para
ejecutar de modo directo comandos que agilizan el trabajo de manejo del software.
Las tabletas digitalizadoras poseen una resolución de alrededor de una décima de
milímetro y pueden manejar gráficos en dos y tres dimensiones.
Una posibilidad de manejo muy intuitiva convierte a las tabletas digitalizadoras en unas
herramientas muy útiles y polivalentes en los sistemas informáticos de diseño y manejo
de gráficos.
Existen diversas tecnologías de construcción de tabletas, pudiendo ser éstas:
• Tabletas mecánicas.
• Tabletas electrónicas.
Las mecánicas, debido al desgaste producido en sus componentes por el uso
continuado, son menos precisas y más delicadas de manejar que las electrónicas,
siendo éstas, por ello, las más extendidas comercialmente en el mercado.
4. Lápiz Óptico
Es un instrumento en forma de lápiz que por medio de un sistema óptico, ubicado en su
extremo, permite la entrada de datos directamente a la pantalla. Para elaborar dibujos,
basta con mover el lápiz frente a la pantalla y en ella va apareciendo una línea que
describe dicho movimiento, igualmente se puede mover líneas de un sitio a otro,
cuando se coloca el punto de la pluma en la pantalla y se presiona un botón, un
dispositivo siente dentro de la pluma activada. Transmite a la memoria de la
computadora el sitio de la luz en la pantalla. También sirve para señalar ítems de los
menús al igual que el mouse.
Los lápices ópticos son dispositivos de introducción de datos que trabajan directamente
con la pantalla de la computadora, señalando puntos en ella y realizando operaciones
de manejo de software.
Para operar con el lápiz óptico se coloca éste sobre la pantalla del sistema informático.
En el momento en que el cañón de rayos catódicos de la pantalla barre el punto sobre
el que se posiciona el lápiz, éste envía la información a un software especial que la
maneja. El microprocesador calcula cuál es la posición sobre la pantalla de la
computadora permitiendo manipular la información representada en ella.
Los lápices ópticos permiten la introducción de datos, el manejo del cursor, etc., en la
pantalla de la computadora. Son una asistencia para las limitaciones de los teclados en
algunas aplicaciones, sobre todo las que no son de gestión pura (creativas, etc.),
O bien los bolígrafos-escáner, utensilios con forma y tamaño de lápiz o marcador
fluorescente que escanean el texto por encima del cual los pasamos y a veces hasta lo
traducen a otro idioma al instante.
5. Cámaras Digitales
 Una cámara digital permite tomar fotos que se pueden visualizar e imprimir
utilizando una computadora.
La mayoría incluyen una pantalla tipo visualizador de cristal líquido (LCD), que puede
utilizar para tener una vista preliminar y visualizar la fotografías.
Incluyen un cable que permite conectar la cámara a un puerto. Permitiendo transferir
las fotografías.
Almacenan fotografías hasta que se las transfiera a una computadora. La mayoría tiene
una memoria integrada o removible.
- Memoria removible: almacenan fotografías en una tarjeta de memoria. Algunas las
almacenan en un disquete regular que calza dentro de esta. Se puede reemplazar una
tarjeta de memoria o disquete cuando esté llena.
- Memoria incorporada: almacenan al menos 20 fotografías. Una vez que está llena, se
las transfiere a la computadora.
 Las filmadoras son unos aparatos periféricos altamente especializados que
convierten información, que se les introduce en código binario, en imágenes con
una calidad similar a la de una imprenta (1.600 puntos por pulgada como
mínimo) o fotogramas similares a los de cinematografía.
Las filmadoras se pueden conectar a una computadora o trabajar con ellas
remotamente llevando la información hasta el punto donde están por medio de un
soporte magnético.
Se utilizan para grabar conversaciones y otros sonidos, utilizando programas de
conferencia para comunicarse a través de Internet. Con los programas de control de
voz se puede conversar en un micrófono y emplear los comando de voz para controlar
la computadora.
Unidireccional: graba sonidos de una dirección, lo que ayuda a reducir el ruido de
fondo. Este tipo es útil para grabar una voz individual
Omnidireccional: graba sonidos de todas direcciones. Este tipo es útil para grabar
varias voces en una conversación en grupo
Otras Herramientas Para La Digitalización
La función de la biometría tecnológica sirve para verificar la identificación de cada
persona y para confirmar que se trata realmente de quien dice ser.
Uno de los campos que más utilizan este sistema es la informática.
Los sistemas de identificación biométrica se basan en analizar una característica
biológica única de la persona. Estos métodos de control dan mayor seguridad que la
utilización de objetos como tarjetas, llaves, (lo que una persona porta), como así
también contraseñas, información, claves, firma, etc. (lo que la persona sabe).
o Lectura de la huella digital
La identificación de alguien mediante un sistema electrónico de la huella digital (digital
personal) es una de las más utilizadas en el mundo.
Esta funciona conectada a una amplia base de datos que indica si en realidad las
huellas dactilares concuerdan con la información que se tiene acerca de la persona.
¿Cómo lo hace? El sistema transforma los arcos, rizos y espirales de las huellas en
códigos numéricos, que luego se comparan con los datos de que se dispone dando
resultados exactos, lo que garantiza uno de los más altos niveles de seguridad.
o
Lectura de la geometría de la mano
Otro aparato de biometría es el de identificación con base en las características de la
mano (forma de los dedos, medidas, tamaño).
Sirve además para identificar al personal y sustituir el típico mercado de tarjetas a la
hora de entrada o salida de las labores.
o Escaneo del iris
El reconocimiento ocular es muy efectivo y se usa, sobre todo, en instituciones de alta
seguridad (cárceles, bancos, cajeros...) de Japón, Gran Bretaña, Alemania y Estados
Unidos. Lo que se examina son las fibras, manchas y surcos del iris por medio de una
cámara especial (Iris scan)
o Escaneo facial
También existe biometría facial que analiza la imagen de la cara de alguien impresa en
una fotografía o en una toma de vídeo funciona analizando la imagen en vídeo o una
fotografía y las características específicas de ciertas partes localizadas entre la frente y
el labio superior, lugares que generalmente no se ven afectados por la expresión (esta
puede operar sin que la persona sepa que está siendo estudiada).
o Digitalización de la firma
o Identificación de voz
Entre otros avances biométricos se encuentran los que tienen que ver con el olor
corporal y la resonancia acústica de la cabeza (esta es muy efectiva porque permite
reconocer las diferencias entre gemelos idénticos, lo cual no es posible bajo el sistema
facial)
7
7.1
Proyecto de aplicación
Proyecto de aplicación utilizando dispositivos optoelectrónicos
SENSOR DE TEMPERATURA
Los cambios experimentados en los índices de refracción debido a los cambios
de temperatura permiten el uso de las fibras ópticas como sensores de temperatura.
Este cambio indica que cuando aumenta la temperatura diferencian entre el
índice refractor del envolvente y el del núcleo disminuye ocasionando que al
revestimiento llegue una menor cantidad de la luz transmitida dando como resultado
una atenuación que mantiene la relación directa con la temperatura detectada.
DETECTOR DE NIVEL
En este equipo las fibras ópticas tienen aplicación como elemento conductor en
coordinación con un prisma situado con anterioridad al nivel que se trate de controlar.
En tanto que el prisma esta rodeado por un elemento de bajo índice de refracción,
como es el aire, la luz que se desplaza a lo largo de la fibra es reflejada en su totalidad
por la base del prisma transmitiéndose a través de otra fibra hacia el detector.
En el caso de que un líquido con un índice más elevado de refracción que el del
aire cubra la base del prisma, entonces desaparecen las condiciones en que es posible
conseguir la reflexión interna y la luz se refleja hacia el líquido, produciendo un haz
luminoso de retorno que puede ser derivado a un ordenador, relevador o mecanismo
conveniente para que motive el cierre de la entrada del líquido.
SISTEMAS DE ALARMA
Una fibra óptica del tipo corrientemente empleado en telecomunicaciones se
agrega a una barrera de seguridad de mallas metálicas. En un extremo de la guía se
dispone un emisor que emite luz hacia el receptor situado en el otro extremo, mientras
la fibra de muy reducido diámetro tenga continuidad y si un intruso la rompe al
atravesar la barrera el equipo electrónico se pone en actuación.
DEPORTES
En los deportes cualquiera que sea la especialidad indicada se hace uso de un
marcador para la indicación visual inmediata de los resultados, que debe ser del
tamaño suficientemente grande para permitir una absoluta visibilidad en condiciones
ambientales desfavorables.
Por medio de diversas lámparas de cuarzo unida a los extremos de los haces
puede conseguirse la indicación luminosa adecuada apreciando que cabe la posibilidad
de que una sola lámpara se adapte a más de un extremo del haz logrando con ello una
simplificación.
Las cifras pueden combinarse de igual manera que las conseguidas por los
fotodiodos de una calculadora.