Dispositivos de Visualización
Anuncio
Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 1 DISPOSITIVOS DE VISUALIZACIÓN Los dispositivos de visualización o pantallas son un elemento fundamental en todos los sistemas de televisión y, actualmente, multimedia. Hasta hace relativamente pocos años, el tubo de rayos catódicos (TRC) constituyó prácticamente el único dispositivo capaz de reproducir imágenes, sin embargo, en las últimas décadas se han desarrollado otros dispositivos cuyo uso va en aumento y que en términos generales se designan como “pantallas planas”. Trataremos aquí brevemente el principio de funcionamiento de ambos tipos. Conceptos generales relativos a las pantallas de televisión, computadoras y multimedia. Si bien la función de los dispositivos de visualización es la presentar al observador imágenes de calidad aceptable y los conceptos son prácticamente los mismos independientemente de si la señal es analógica o digital, hay aspectos a tener en consideración, si entendemos que lo que aquí designamos como dispositivos de visualización no comprenden solamente la pantalla en sí, sino los circuitos necesarios para entregar a la pantalla las señales de vídeo RGB1 con los niveles adecuados y los circuitos necesarios para realizar el barrido de la imagen en sincronismo correcto. En estos aspectos hay diferencias importantes entre el manejo de las señales analógicas y las digitales. Puede decirse que la visualización de una señal analógica de vídeo es más simple que la de una digital. La señal de entrada en banda base en el caso analógico es una señal de vídeo compuesto que contiene toda la información tanto de luminancia como de color y sincronismo. Para la correcta visualización sólo es necesario que el barrido esté sincronizado y la visualización se realiza en tiempo real. La visualización de la señal digital, tanto en televisión como en monitores de computadora requiere de otras acciones además de la sincronización. En efecto, la señal de entrada en banda base es un flujo binario en paquetes de transporte MPEG-2 u otro esquema de compresión que el monitor o receptor puede o no reconocer como válido. El flujo de paquetes contiene audio, vídeo, datos y sincronismo que deben ser desempaquetados, identificados y ordenados en la secuencia correcta. Entre lo que se ha designado como “datos” puede ir contenida información relativa las frecuencias horizontal y vertical para identificar si es necesario realizar alguna conversión, posibilidad de elecciones múltiples, etc. Muchos de los conceptos aplicados en los monitores de computador (PC) pueden aplicarse también para el caso de la visualización de la señal de televisión, si bien en el caso aquéllos no existen estándares únicos, aunque si de hecho, en el sentido de que son los más utilizados en la mayoría de los computadores. Aun cuando los PC incluyen por lo general un subsistema de vídeo integrado en el computador, es frecuente utilizar tarjetas adaptadoras de vídeo de acuerdo a las necesidades específicas del usuario y que proporcionan una o más de las siguientes características: 1 El caso de vídeo monocromático es un caso particular en que sólo es necesaria la señal de luminancia. Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 • Refresco de la pantalla. • Aceleración de gráficos. • Descompresión de vídeo en movimiento. • Salida de vídeo analógico. • Digitalización de vídeo. • Compresión de vídeo. 2 Refresco de la pantalla. La mayor parte de los dispositivos de visualización deben recibir la información de forma continua, aún cuando se trate de imágenes fijas, para mantener la imagen continuamente en la pantalla. A este proceso en la terminología extendida actualmente se le designa como refresco y, en el caso analógico corresponde a la frecuencia de cuadro o de campo. Este proceso es necesario aún en los sistemas digitales en que la imagen se almacena en una memoria que debe leerse continuamente para mantener la imagen en la pantalla. Estándares de barrido Los estándares de televisión se han mantenido prácticamente inalterables desde hace más de cincuenta años y son los mismos para televisión analógica y digital. La relación de aspecto en televisión estándard es de 4:3, es decir cuatro unidades de ancho por tres unidades de altura. En televisión de alta definición esta relación es de 16:9. El barrido es entrelazado, de modo que un cuadro se divide en dos campos con la mitad de líneas cada uno, si bien en la actualidad es está definido un sistema de definición extendida (EDTV) que utiliza barrido progresivo. El número de cuadros por segundo es de 30 para el sistema NTSC y de 25 para PAL y SECAM. En NTSC el número de líneas por cuadro es de 525, de las cuales 480 son líneas activas de vídeo. En PAL y SECAM se tienen 625 líneas por cuadro de las cuales 580 son activas. La situación es completamente distinta en el caso de las computadoras personales (PC), en que es necesario manejar imágenes y gráficos con alta definición. Durante bastantes años se desarrollaron diversos estándares de barrido por los diversos fabricantes, sin llegar nunca a un consenso ni a una convergencia con los estándares de televisión. Esto hizo que las imágenes de televisión y las de computadora fueran incompatibles y también que las imágenes de computadoras de diferentes fabricantes tampoco fuesen compatibles. En la actualidad y gracias al desarrollo de hardware de bajo costo, es posible disponer de convertidores que permiten, en cierta medida, compatibilizar señales. Uno de los estándares más utilizados que constituyó un esfuerzo para limitar el número de diferentes sistemas y que hoy está incorporado en la mayoría de los PCs es el designado como VGA2, que define diferentes niveles de resolución de imágenes y modos de color, entendiéndose por modo de color el número de bits por píxel utilizado en la codificación. De hecho actualmente el más usado es una versión mejorada de VGA: el súper VGA o SVGA, que se resume en la Tabla 1. 2 Video Graphics Array Constantino Pérez Vega 3 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Tabla1. Estándares de barrido en computadoras. Resolución Modo de color Cuadros Líneas/cuadro VGA 640×480 SVGA 640×480 SVGA 640×480 SVGA 640×480 SVGA 1024×768 SVGA 1280×1024 4 bpp 8 bpp RGB-16 RGB-24 8 bpp 4 bpp 60 60 60 70 70 70 525 525 525 525 800 1100 Tasa binaria MB/s 9.2 18.4 36.8 64.5 55.0 45.9 El modo de color indica que pueden reproducirse. Por ejemplo, 4bpp significa cuatro bits por píxel, de modo que el número de colores que se pueden visualizar en la pantalla es de 24 = 16. Con 8bpp es posible visualizar hasta 256 colores, en tanto que con RGB-16 se tienen 65536 colores y con RGB-24, hasta algo más de dieciseis millones. Estos dos últimos modos se designan también como 16bpp y 24bpp. Como se puede observar el número de cuadros por segundo es del doble o más que en televisión y, además, en todos los casos el barrido es progresivo, por lo que el parpadeo es completamente inapreciable. Por lo general las imágenes ocupan una gran cantidad de memoria, de manera que la unidad central de proceso (CPU) de un PC dedicado a la reproducción de imágenes, aunque fueran fijas, estaría ocupada prácticamente sólo en esta tarea. Para evitar esto, el adaptador de vídeo contiene una memoria RAM que actúa como buffer, capaz de almacenar un cuadro. En el caso de computadores hay que tener en cuenta que las imágenes que se manejan son en su mayoría fijas, de modo que en estas condiciones la CPU sólo está ocupada con la imagen por la duración de un cuadro. En la figura 1 se ilustra esquemáticamente la estructura del sistema de refresco descrito antes. Fig. 1. Arquitectura del sistema de refresco. Por ejemplo, una tarjeta adaptadora de vídeo bastante utilizada es la súper VGA o SVGA con un formato de imagen en pantalla de 640×480 píxels en RGB a 24 bits/píxel (bpp) o 16 millones de colores, con barrido no entrelazado y refresco de la pantalla a 70 Hz, genera un flujo binario de 64.5 Mbit/s para su transmisión a 70 cuadros/s. Sin embargo, la RAM necesaria en el buffer sólo necesita almacenar un cuadro, es decir 640×480×3 = 921.6 Kbytes. La multiplicación por 3 es necesaria ya que cada píxel de color son en realidad tres píxeles, R, G y B. En estas condiciones una memoria de 1 MByte resulta más que suficiente para esta pantalla. Para resoluciones mayores, por ejemplo 1600×1200 es necesario un buffer de unos 8 MB. En la ta- Constantino Pérez Vega 4 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 bla 23 se resumen los modos de resolución de tarjetas SVGA, dependiendo del número de bits por píxel utilizados en la codificación. Tabla 2. Modos de color y resolución según el tamaño de la RAM en SVGA. Tamaño de la RAM 1 MB 2 MB 4 MB 8 MB 4 bpp 1600×1200 1600×1200 1600×1200 1600×1200 Modo de color (bits por píxel) 8 bpp 16 bpp 1024×768 800×600 1280×1024 1024×768 1600×1200 1600×1200 1600×1200 1600×1200 24 bpp 640×480 800x600 1280×1024 1600×1200 Las cifras manejadas en el ejemplo anterior requieren algunas aclaraciones. Primero, la resolución de 640×480 es la típica de televisión estándard de 525 líneas (NTSC), y considera sólo los elementos de imagen activos, ya que de las 525 líneas horizontales alrededor del 10% son inactivas, es decir, no contienen información de vídeo. El número de elementos horizontales por línea (640) resulta de multiplicar 480×4/3, la relación de aspecto. La frecuencia de cuadro en este caso es de 70 por segundo y no corresponde a ningún estándard de televisión. Las resoluciones y frecuencias de refresco utilizadas en monitores de computadora no obedecen, por lo general, a los estándares de barrido utilizados en televisión. La causa de esto es que entre las aplicaciones iniciales de las computadoras se requería manejar gráficos con muy alta resolución, superior a la de un monitor normal de televisión y los diversos fabricantes desarrollaron tarjetas para tal fin y también los monitores se desarrollaron específicamente para esas aplicaciones. Las imágenes manejadas, como se mencionó, eran gráficos y no imágenes capturadas por una cámara fotográfica. De la figura 1 se infiere que el buffer de pantalla necesita dos interfaces: uno al bus principal del PC y al procesador de aceleración cuando sea necesario y otro a los circuitos de refresco y conversor digital-analógico. Las RAM dinámicas (DRAM) convencionales sólo tienen un interfaz que se utiliza tanto para lectura como para escritura. Para usar una DRAM en un adaptador de vídeo la interfaz de la RAM debe compartirse en tiempo entre el bus de entrada salida (I/O) y las funciones de refresco. Esto en sí no es difícil pero limita la velocidad de transferencia a que puede realizarse la comunicación con el bus. Las pantallas de gran resolución se ven limitadas en rapidez debido a esto. Otra arquitectura utiliza una RAM especial para vídeo (VRAM4) que tiene dos puertos directamente sobre ella y cuy arquitectura se muestra en la figura 2. El registro de desplazamiento se carga durante el borrado (blanking) horizontal con una línea completa de la memoria, lo que se realiza en un solo ciclo de memoria, tejando libre el resto de los tiempos de los demás ciclos. El refresco de la pantalla se hace sincronizando el registro de desplazamiento, que es una operación completamente diferente de los ciclos de memoria. La VRAM es más cara que la DRAM pero hace aumenta la velocidad de transferencia a la pantalla, lo que es importante para imágenes con movimiento en pantalla completa. 3 4 Luther A.C. and Inglis, A.F. Video Engineering, 3rd Ed. McGraw-Hill. 1999 Video RAM Constantino Pérez Vega 5 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Fig. 2. Arquitectura con VRAM Aceleración de Gráficos. Las operaciones en una pantalla son sobre una gran cantidad de píxeles y, con frecuencia, simplemente repiten la misma operación. Algunos ejemplos son el relleno de una zona de la pantalla con el mismo color, dibujo de lías u otros objetos gráficos. Si la unidad central de proceso (CPU) carga con el trabajo de manejar las imágenes, congestiona el bus de la CPU y retarda considerablemente el proceso, por lo que la mayor parte de los adaptadores de imagen tienen un procesador dedicado a esa tarea, conectado directamente al dispositivo de visualización. De modo que la CPU sólo tiene que enviar al adaptador los comandos necesarios para que realiza las operaciones necesarias con las imágenes, en paralelo con cualquier otra operación que realice la computadora. Esto se designa como aceleración de gráficos. 1. TUBOS DE RAYOS CATODICOS Introducción. El tubo de rayos catódicos (TRC o CRT) es una válvula o tubo electrónico en el que un haz de electrones se enfoca sobre un área pequeña de una superficie emisora de luz que constituye la pantalla y cuya intensidad y posición sobre ella pueden variarse. Originalmente se conoció como “tubo de Braun”5. El tubo de rayos catódicos tiene su origen en el “tubo de Crookes”6, una forma primitiva de de un tubo de descarga de baja presión, cuyo cátodo era un disco plano de aluminio en un extremo del tubo y el ánodo un alambre en uno de los lados del tubo, fuera de la zona del haz electrónico. El tubo se utilizó para estudiar los rayos catódicos. En televisión, el tubo de rayos catódicos se designa frecuentemente como tubo de imagen o simplemente como pantalla y tiene características particulares para esta aplicación, distintas a las de los tubos de rayos catódicos utilizados en los osciloscopios, en particular su forma, dimensiones y método de deflexión del haz electrónico. En honor de Karl Ferdinand Braun, físico alemán que realizó investigaciones sobre los rayos catódicos y telegrafía inalámbrica y fue Premio Nobel en 1909. 6 William Crookes, físico y químico inglés, inventor del tubo de Crookes para estudiar las descargas eléctricas en el vacío así como de un radiómetro. Descubrió además el talio. 5 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 6 En el tubo de rayos catódicos, un cañón electrónico produce y confina un haz de electrones que envía hacia una pantalla recubierta de material luminiscente, de forma que cuando los electrones chocan contra ella emite luz cuya intensidad o brillo, es proporcional a la cantidad y velocidad de los electrones incidentes. En otras palabras, la energía cinética del haz electrónico se transfiere al material de la pantalla convirtiéndose en energía luminosa. Entre el cañón electrónico y la pantalla se tiene un sistema deflector constituido por bobinas colocadas en el exterior del tubo, para desviar el haz electrónico horizontal y verticalmente. A diferencia del sistema de deflexión magnética usado en televisión, los osciloscopios emplean deflexión electrostática, desviando el haz electrónico mediante plazas horizontales y verticales colocadas en el interior del tubo. El brillo puede variarse, si se varía la densidad del haz electrónico mediante una rejilla de control, cuya acción es similar a la que se tiene en un triodo u otras válvulas como el tetrodo o el pentodo. En el caso de televisión monocromática, la pantalla está recubierta de un tipo de material homogéneo que emite luz de un solo color. Los tubos de imagen para televisión en color funcionan bajo el mismo principio, excepto que la pantalla está recubierta de diferentes tipos de material fosforescente que emite luz de diferentes colores al recibir el impacto del haz electrónico y están distribuidos sobre la superficie pantalla en forma de pequeños puntos contiguos. Los colores corresponden a los primarios utilizados en televisión, es decir, rojo, verde y azul. Puede decirse que un tubo de imagen de color está constituido por tres tubos monocromáticos en una misma ampolla de vidrio; así, en un tubo de color el cañón electrónico está formado de hecho, por tres cañones individuales que producen tres haces electrónicos de modo que cada uno de éstos impacta sobre el material fosforescente de cada uno de los colores primarios. Cuando sobre los tres puntos fosforescentes contiguos de diferentes colores, inciden los tres haces electrónicos con la misma intensidad, la pantalla emite luz blanca y las diversas mezclas de colores se consiguen variando la intensidad de los correspondientes haces electrónicos que inciden sobre cada punto de un color particular. La intensidad o brillo se controla variando el número de electrones en los haces electrónicos respectivos. Para asegurar que cada haz electrónico incide sobre un punto de un color particular se emplean varias técnicas. Una de ellas consiste en colocar una máscara perforada, designada también como máscara de apertura o máscara de sombra, inmediatamente antes de la superficie de la pantalla, de forma tal que las perforaciones queden alineadas con las triadas de puntos cromáticos, de forma tal que cada haz electrónico pueda “ver” solamente el punto correspondiente a su color. Este tema se tratará con alguna amplitud más adelante. 1.1. Cañón electrónico. El cañón electrónico contiene el cátodo emisor, reja de control y electrodos aceleradores y de enfoque del haz electrónico, designados generalmente como sistema de lentes electrónicas. Constantino Pérez Vega 7 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Pantalla Cañón electrónico Fig 1. Tubo de rayos catódicos para televisión. Con la excepción de los cañones electrónicos en los tubos de cámara, casi todos los cañones empleados en televisión se basan en el principio de dos lentes consistentes en una fuente de electrones termoiónicos en forma de un haz colimado, una primera lente, generalmente electrostática y una segunda lente que puede ser electrostática, magnética o una combinación de ambas7. En la primera lente se encuentra el cátodo, la reja de control y el primer ánodo. El cátodo es de caldeo indirecto y tiene la forma mostrada en la figura 2. En el interior de un manguito cilíndrico se encuentra el filamento calefactor y el cátodo, es decir la superficie emisora propiamente dicha, en un disco sobre la cara plana del cilindro en dirección a la pantalla. Cilindro de níquel Area emisora Filamento calefactor Fig. 2. Estructura del cátodo en un tubo de rayos catódicos. La reja de control no es de la forma habitual que se encuentra en los triodos u otras válvulas de vacío. En este caso es un cilindro metálico o cilindro de Wehlnet, con un pequeño orificio a través del que pueden pasar los electrones. Esta configuración ayuda a reducir el área efectiva del cátodo a la vez que permite la configuración del haz electrónico en esa zona, como consecuencia del campo eléctrico entre la reja y el cátodo. A continuación de la reja y separa7 Para un tratamiento riguroso del tema de lentes electrónicas consúltese por ejemplo: Zworykin, V. K and Morton, G. A. “Television”, 2nd Ed. John Wiley and Sons, Inc. New York, 1954. Capítulos 4 y 12. También Hemenway, C. L., Henry, R. W. and Caulton, M. “Física Electrónica”. Editorial Limusa. México. 1973. Constantino Pérez Vega 8 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 da de ésta por un pequeño espacio, se localiza el primer ánodo en el que mediante paredes cuidadosamente ajustadas se controla y configura el haz electrónico hacia la pantalla. La estructura de la primera lente así configurada se muestra esquemáticamente en la figura 3. Reja de control cilíndrica Cilindro del primer ánodo acelerador Pared metálica con ventana Cátodo Haz electrónico Campo electrostático Fig. 3. Estructura esquemática de la primera lente En ausencia de campos eléctricos, los electrones abandonan el cátodo con baja velocidad y forman una nube electrónica o carga de espacio en la zona entre el cátodo y la reja. Esta carga de espacio actúa como repulsor para los nuevos electrones emitidos por el cátodo y se alcanza una condición de equilibrio. Si se aplica un voltaje positivo, relativamente elevado, al primer ánodo, se establece un campo eléctrico en el espacio a su alrededor que arrastra a los electrones a través del orificio en el cilindro de la reja de control, conformándose un haz electrónico de sección circular y en la forma aproximada que se indica en la figura 3. La curvatura longitudinal de los bordes del haz está determinada por la distancia entre el primer ánodo y la reja de control, así como por el voltaje de este último. Los electrones del haz convergen en un punto en el interior del cilindro de la primera lente y luego nuevamente se separan. Este punto, situado en el eje del cañón electrónico y del tubo de rayos catódicos se designa como punto de cruce y puede considerarse que actúa como un cátodo virtual de muy pequeñas dimensiones8. La cantidad de electrones que pasan hacia el primer ánodo depende del voltaje aplicado a la reja de control que, si es suficientemente negativo, impedirá el paso de cualquier electrón hacia la pantalla. La perforación o ventana en el primer ánodo sirve para conformar el haz electrónico, junto con la segunda lente, en la región entre éstas y la pantalla, a fin de que nuevamente converja en un punto sobre la pantalla. La posición del punto de cruce puede variar como consecuencia de los voltajes del primer ánodo y de la reja de control, así como de la densidad del haz electrónico en la zona del primer ánodo y tiene efectos sobre el enfoque del haz en la pantalla. Una forma de ajustar el enfoque de la imagen es, por consecuencia, variar el voltaje del primer ánodo. La segunda lente está constituida también por un cilindro metálico de diámetro algo mayor que la primera y separada de ésta, en la forma que se ilustra en la figura 4. Su función es la La descripción que se hace aquí, aunque se estima suficiente para comprender los principios de funcionamiento del cañón electrónico, es muy simplificada y se reduce a los aspectos básicos. Los interesados en el análisis riguroso del funcionamiento de las lentes electrónicas pueden consultar el texto de Zworykin y Morton mencionado en la nota (3) 8 Constantino Pérez Vega 9 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 de extraer los electrones del punto de cruce o cátodo virtual, acelerarlos y enfocarlos sobre la pantalla. El voltaje aplicado al segundo ánodo es positivo respecto al cátodo y mayor que el del primer ánodo. Los electrones que emergen del primer ánodo no viajan todos paralelos al eje del tubo y el haz tiende a ser divergente. Aún cuando el ángulo de divergencia sea pequeño, el rastro sobre la pantalla no sería un punto y la imagen resultaría desenfocada. El campo producido por el potencial aplicado al segundo ánodo obliga nuevamente a los electrones a converger en un nuevo punto de cruce, ahora mucho más lejano y sobre la pantalla del tubo de rayos catódicos. Segundo ánodo Líneas equipotenciales Primer ánodo Haz electrónico Fig. 4. Sistema de la segunda lente El funcionamiento de la segunda lente depende de los diferentes potenciales aplicados al primero y segundo ánodos y de la distribución del campo eléctrico resultante. En la figura 4 se muestran las líneas equipotenciales para esta lente y es conveniente hacer notar que su curvatura cambia en la intersección de los dos ánodos. Del lado izquierdo son convexas respecto al haz electrónico incidente, en tanto que a la derecha de la intersección son curvas, con lo que se producen efectos opuestos sobre el haz. La configuración de las líneas, o más propiamente, superficies equipotenciales en la zona del segundo ánodo es hacer converger nuevamente a los electrones del haz. La relación entre los voltajes del primero y segundo ánodo, así como el tamaño de los respectivos cilindros y la relación entre sus diámetros es la que determina la curvatura y distribución de las líneas de fuerza y de las superficies equipotenciales. El voltaje del segundo ánodo respecto al primero se sitúa en una relación que va de 3:1 a 6:1. En la figura 5 se muestra un cañón electrónico típico de un TRC. Fig. 5. Cañón electrónico 1.2 Enfoque magnético Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 10 En las secciones anteriores se trató el papel que desempeñan el primero y segundo ánodos en el enfoque del haz electrónico sobre la superficie de la pantalla. Sin embargo, el ajuste del punto de cruce en el interior del primer ánodo no suele ser suficiente para evitar la dispersión de una parte de los electrones fuera del haz, dando como resultado o bien un enfoque pobre, o una disminución de la intensidad luminosa de la pantalla. Para mejorar la convergencia del haz sobre la pantalla se utilizan imanes fijos o bobinas de enfoque alimentadas con corriente continua y colocadas en el exterior del cañón electrónico, adelante del primer ánodo en dirección a la pantalla. La función de la primera lente se mantiene esencialmente igual a como se describió en las secciones anteriores, haciendo converger los electrones en el punto de cruce. A partir de este punto, la sección transversal del haz vuelve a ensancharse y los electrones divergen del eje del tubo. Es entonces cuando el campo magnético producido por las bobinas de enfoque o los imanes permanentes juega un papel importante para mantener el haz colimado y por tanto, puede decirse que el sistema de enfoque forma parte de la segunda lente. El campo magnético producido por el sistema externo de enfoque, es paralelo al eje del tubo, de modo que los electrones que emergen del punto de cruce o cátodo virtual viajen paralelamente al eje del tubo, el campo externo no interfiere con ellos. Sin embargo, los electrones con trayectorias divergentes al eje entran al campo con trayectorias oblicuas y son sometidos a una fuerza que los hace seguir una trayectoria helicoidal, cuyo diámetro y paso dependen básicamente de la velocidad de los electrones y de la intensidad del campo magnético. La fuerza circular a que se ven sometidos los electrones les obliga a moverse alrededor del eje del tubo en dirección a la pantalla. Ajustando adecuadamente la intensidad del campo magnético, es posible hacer que los electrones dispersos vuelvan al eje del tubo precisamente en la superficie de la pantalla, convergiendo con el centro del haz. Cuando se usan imanes fijos, se colocan sobre un anillo en el exterior del cañón electrónico. Suelen usarse tres o cuatro imanes equiespaciados sobre el anillo, en el primer caso a 120º y a 90º en el segundo. 1.3 Trampa de iones. Un aspecto de importancia considerable en los tubos de rayos catódicos es el de impedir que los iones producidos en el interior del tubo, ya sea por el vacío imperfecto de la ampolla de vidrio, o porque los metales en el interior liberan iones, alcancen la pantalla. Los iones negativos, al tener la misma carga que los electrones, son acelerados igual que éstos hacia la pantalla, sin embargo, al ser considerablemente más pesados que los electrones, pueden destruir el recubrimiento de aquélla. En el caso particular de la deflexión magnética, los iones pesados no sufren la misma deflexión que los electrones y tienden a chocar en el centro de la pantalla destruyendo el material fotoemisivo de ésta y dando como resultado un punto negro incapaz de emitir luz. La producción de iones en el tubo de rayos catódicos es inevitable, pero pueden emplearse técnicas que impidan que estos iones lleguen a la pantalla. Una de estas técnicas utiliza cañones inclinados, como se ilustra en la figura 6. Constantino Pérez Vega 11 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Segundo Anodo Cátodo Haz electrónico Reja de control Iones Fig. 6. Trampa de iones con cañón inclinado. En esta técnica, el cátodo está inclinado respecto al eje del tubo y tanto los iones como los electrones viajarán en trayectorias rectas. Sin embargo el campo eléctrico que produce el segundo ánodo, hace que los electrones, más ligeros, modifiquen su trayectoria en la dirección deseada del haz, en tanto que los iones, más pesados no se desvían con la misma rapidez y chocan con el cilindro metálico del segundo ánodo siendo absorbidos por éste y evitando que alcancen la pantalla. Para reforzar este efecto, suele colocarse un imán externo cuya función es desviar, tanto los electrones como los iones. Sin embargo, debido a la mayor masa de éstos la desviación es menor y terminan chocando contra el metal del segundo ánodo. Haz electrónico Cátodo Iones Reja de control Segundo ánodo Primer ánodo Fig. 7. Trampa con corte diagonal en el cañón electrónico. Otra técnica para desviar los iones e impedir que lleguen a la pantalla, es que emplea cortes diagonales en el primero y segundo ánodos como se muestra en la figura 7. En esta caso, el campo eléctrico producido entre el primero y el segundo ánodos desvía el haz que contiene tanto electrones como iones más pesados. El efecto es similar al descrito para el caso anterior, nuevamente con la ayuda de un campo magnético externo. Las técnicas anteriores estuvieron en uso mucho tiempo. Sin embargo, actualmente la mayoría de los tubos de imagen utilizan otro procedimiento para impedir que los iones alcancen la pantalla, que consiste en colocar en el interior de ésta una película de aluminio extremadamente delgada, de tal forma que permite el paso de los electrones, pero impide el de los iones, al mismo tiempo que impide que la luz emitida por el material luminiscente de la pantalla se refleje al interior del tubo, haciendo que toda la luz se emita hacia el frente. La razón de que los iones queden atrapados por esta película de aluminio radica en la profundidad de penetración de una partícula, que obedece la siguiente relación: Constantino Pérez Vega 12 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 δ= K Ve m donde δ es la profundidad de penetración, que no debe confundirse con la relacionada con el efecto pelicular (skin), K es una constante que depende del material con el que choca la partícula, Ve es la energía de la partícula y m su masa. Como los iones tienen una masa considerablemente mayor que los electrones, su profundidad de penetración es menor y quedan atrapados por la película metálica sin alcanzar el material luminiscente de la pantalla. La tedencia en las últimas décadas ha sido la de aluminizar todas las pantallas y, en la mayoría de los casos eliminar la trampa de iones, particularmente en los cañones de corta longitud. 1.4 Problemas de brillo y contraste en los tubos de imagen9 El principal objetivo en el diseño de un tubo de rayos catódicos para televisión es la producción de una imagen con buen brillo y elevado contraste. Cuando el haz electrónico choca contra el lado interior del tubo recubierto de material luminiscente, la luz emitida se distribuye aproximadamente de la siguiente forma: 50% se refleja hacia el interior del tubo. 20% se pierde por reflexión interna en el propio cristal del tubo. 30% se emite hacia la parte frontal donde se sitúa el observador. Como se aprecia de las cifras aproximadas anteriores, el proceso es muy poco eficiente ya que sólo la tercera parte de la luz emitida llega al observador y, además, el contraste se ve degradado a causa de la luz que se refleja de nuevo a la pantalla después de haber alcanzado otros puntos en el interior del propio tubo. Algunas de estas causas de interferencia en orden de importancia son la formación de halos o halación, las reflexiones debidas a la curvatura de la pantalla, las reflexiones en la propia superficie de la pantalla y las reflexiones procedentes del interior del propio tubo. La formación de halos es debida a la dispersión de luz alrededor de los puntos emisores impactados por el haz electrónico, en forma de anillos alrededor de dichos puntos. La luz que emite el material luminiscente depositado en el interior del tubo penetra en el vidrio y se refracta, sufriendo una nueva refracción al pasar del vidrio al aire, como se ilustra en la figura 8. El material de esta sección está basado en buena parte en el texto “Television Simplified”, 7ª Edición, de M. S. Kiver y M. Kaufman, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1962. 9 Constantino Pérez Vega 13 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Exterior (aire) θ Vidrio Interior del tubo (vacío) Material luminiscente Haz electrónico incidente sobre la pantalla Fig. 8. Reflexiones internas causantes de la formación de halos. Los rayos luminosos que inciden sobre la superficie vidrio-aire a un ángulo mayor que θ se reflejan de nuevo al interior y, en cada punto en el que inciden sobre la superficie de material luminiscente se dispersan, produciendo anillos o halos alrededor del punto original. Estos halos son de dimensiones muy reducidas y pueden apreciarse con un lente de aumente suficiente; sin embargo son suficientes para para producir un cierto resplandor que hace borroso el punto emisor original sobre el que incide el haz electrónico. Este efecto tiene como consecuencia una reducción en el máximo detalle del contraste. El contraste es la relación entre el brillo de dos puntos adyacentes, de modo que si el haz electrónico incide completamente sobre un punto de la pantalla y se corta en el siguiente (negro), la dispersión producida por el fenómeno de halación hará que este último no se vea completamente negro, lo que resulta en pérdida de calidad en los bordes de una imagen. O otras palabras, las áreas de una imagen que debieran ser totalmente obscuras recibirán cierta cantidad de luz reducieéndose la relación de contraste. Las reflexiones debidas a la curvatura de la pantalla se ilustran en la figura 9 y también dan lugar a reducción del contraste. La solución a este problema es el empleo de pantallas planas en cuyo desarrollo se ha progresado considerablemente Punto emisor Fig. 9. Reflexión debida a la curvatura de la pantalla. Los rayos luminosos reflejados hacia el interior del tubo representan una pérdida de energía luminosa en la dirección frontal y, además pueden reflejarse nuevamente por las paredes del tubo incidiendo sobre la pantalla. Este tipo de reflexión interna puede reducirse con una geometría adecuada del tubo para reducirlas. Sin embargo, la técnica más adecuada, ya men- Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 14 cionada en la sección anterior es la de utilizar una película metálica muy delgada que impida la reflexión hacia el interior y que además, actúa como trampa de iones. 1.5 Emisión de radiaciones por los Tubos de Rayos Catódicos En los tubos de rayos catódicos los electrones son acelerados a través de potenciales entre unos 15 y unos 30 kV, dependiendo de las dimensiones de la pantalla. Cuanto mayor sea ésta, mayor es el voltaje de aceleración necesario. La energía cinética de los electrones acelerados a través de estos potenciales es, por consecuencia, de 15 a 30 keV. La velocidad que alcanzan es de 7.26×107 m/s para 15 kV y de 1.027×108 m/s respectivamente. Despreciando los efectos relativísticos10 ya que la masa del electrón no aumenta considerablemente a esas velocidades, inferiores a la de la luz, pero aún así muy grandes, es posible imaginar lo que ocurre cuando chocan con la pantalla. Parte de su energía la ceden al material fosforescente que recubre la pantalla que, a su vez la transforma en energía luminosa, otra parte la ceden en forma de calor y otra en forma de radiación X a causa del frenado11. Esta radiación es en forma es mayor cuanto mayor sea el voltaje de aceleración y no es emitida sólo por la pantalla, sino también por las superficies laterales del TRC12. de modo que es, prácticamente en todas direcciones. Esta radiación es detectable sobre la radiación de fondo y, dependiendo del tiempo de exposición puede ser hasta alrededor de un 28% de la radiación de fondo. La radiación X es emitida por los TRC tanto de receptores de televisión como por monitores de computadora y es detectable a distancias superiores a 2.5 metros del receptor o monitor. Los rayos X, al igual que los gamma y los ultravioleta de alta frecuencia o ultravioleta lejano se designan como radiaciones ionizantes ya que, al no tener carga ni masa, penetran en la materia e interactúan con ella rompiendo enlaces químicos. Esto es particularmente peligroso en el caso de los tejidos biológicos, ya que pueden romper enlaces de ADN y dañar las células, que pueden degenerar y dar origen a tumores, por lo general no detectables a corto plazo. Respecto al daño a la salud humana, el tema es controvertido y en el caso de los TRC se ha, o bien omitido, o bien soslayado el tema con el argumento que al tratarse de rayos X de baja energía o rayos X “suaves”, no representan peligro para la salud. Aunque hay controversia, de lo que no hay duda es de que las radiaciones ionizantes son potencialmente peligrosas para la salud humana, independientemente de su nivel de energía. Además de las radiaciones ionizantes los receptores de televisión y los monitores de computadora emiten radiación electromagnética no ionizante. La radiación no ionizante abarca desde las muy bajas frecuencias hasta el ultravioleta “cercano” y no tiene energía suficiente para romper enlaces químicos13, si bien puede tener otros efectos biológicos de los que los principales son los efectos térmicos. Estos efectos pueden ser graves y aun mortales, por ejemplo en la cercanía de antenas como las de radar o de microondas en que se radian potencias muy elevadas, hasta del orden megawatts. Estos efectos pueden manifestarse como La masa del electrón acelerado a través de 15 kV aumenta a 1.03 su masa en reposo y, a través de 30 kV, a 1.06 de dicha masa, por ello los efectos relativísticos pueden ignorarse. 11 Esta radiación de frenado se designa como bremsstrahlung, su nombre en alemán. 12 Pérez-Vega, C., Zamanillo, J.Mª. and Saiz Ipiña, J. Assesment of Ionizing Radiation from PC Monitors and TV Receivers. IEEE Transactions on Consumer Electronics. Vol. 46, Nº 4, Nov. 2000. En este artículo se presentan resultados de numerosas mediciones con receptores de televisión y monitores de computadora. 13 La energía necesaria para liberar un electrón de un átomo, es decir, ionizarlo, es del orden de unos 4 eV. 10 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 15 quemaduras, daños irreversibles a la retina y a los órganos reproductores o más leves como hipertermia, en cuyo caso son reversibles, ya que los síntomas desaparecen al eliminar la causa. Por otra parte los daños causados por la radiación ionizante son, en general, irreversibles. En estos últimos años se han suscitado abundantes controversias sobre los efectos a la salud humana causados por la radiación electromagnética sin que, hasta el momento se haya conseguido concluir prácticamente nada. El tema sigue siendo objeto de estudio, principalmente sobre los efectos no térmicos, como la posible alteración del comportamiento celular, efectos neurológicos, etc. Las radiaciones electromagnéticas emitidas por los televisores y monitores son de baja frecuencia: 50 Hz y 15725 Hz, correspondientes a las frecuencias de línea y cuadro, ya que las señales a estas frecuencias se aplican a los circuitos de barrido horizontal y vertical y pueden alcanzar niveles hasta de unos centenares de volts. Estas radiaciones puede prácticamente afirmarse que no tienen ningún efecto detectable sobre la salud humana. En algunos tubos de rayos catódicos que llevan la etiqueta de “Radiation Safe”, es decir seguros respecto a radiaciones, el tubo de rayos catódicos, a excepción de la pantalla, está recubierto de una lámina metálica en cuya aleación se incluye plomo. Es posible que en éstos la radiación trasera y lateral se elimine o se reduzca, pero la pantalla no puede blindarse y sigue siendo una fuente de radiación para las personas frente a ella. Cabe decir que los filtros que a veces se utilizan frente a la pantalla no tienen ningún efecto sobre la radiación X emitida por ésta. Finalmente hay que mencionar que las pantallas planas basadas en LCD, TFT o plasma, no emiten radiaciones ionizantes. 2. Pantallas Planas: LCD LCD es la abreviatura en inglés de Liquid Crystal Display, que aquí se traduce como Pantalla de Cristal Líquido. Los cristales14 líquidos son substancias anisotrópicas que presentan una fase de la materia cuyas propiedades pueden situarse entre las de un líquido convencional y las de un cristal sólido. Un cristal líquido puede fluir como un líquido, pero sus moléculas están orientadas en forma cristalina. Hay diversas fases en un cristal líquido y pueden distinguirse basándose en sus diferentes propiedades ópticas, por ejemplo la birrefringencia15. Cuando se observan bajo un microscopio utilizando una fuente de luz polarizada, aparecen diferentes fases con distintas texturas16, en que cada “parche” o porción en la textura corresponde a un dominio en que las moléculas del cristal líquido están orientadas en direcciones diferentes. Sin embargo, dentro de un dominio, las moléculas todas bien orientadas. No debe confundirse el término cristal aquí utilizado, con el que se designa frecuentemente al vidrio común. Un cristal es un sólido en que sus elementos constituyentes: átomos, moléculas o iones observan un orden geométrico regularmente ordenado en un patrón que se extiende tridimensionalmente. 15 La Birrefringencia, también doble refracción, es la descomposición de un rayo luminoso en dos rayos paralelos de diferente polarización al pasar a través de ciertos tipos de materiales. Estos rayos reciben el nombre rayo ordinario y rayo extraordinario. 16 En la Ciencia de Materiales, la textura es la distribución de las orientaciones cristalinas en una muestra. Si la orientación es aleatoria, se dice que no hay textura. 14 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 16 El origen del cristal líquido se remonta a 1888, en que el químico austriaco Friedrich Reinitzer, que realizaba experimentos en la Universidad de Praga sobre una substancia basada en colesterol, buscando la fórmula correcta y el peso molecular del colesterol, al intentar determinar con precisión el punto de fusión, que es un indicador importante de la pureza de la substancia, descubrió que dicha substancia parecía tener dos puntos de fusión. A 145.5ºC el cristal sólido se fundía en un líquido nuboso que se mantenía hasta 178.ºC en que la nubosidad desaparecía repentinamente dando lugar a un líquido claro y tranparente. Inicialmente Reinitzer pensó que esto podía deberse a impurezas en el material, sin embargo aún purificándolo más no se producían cambios en ese comportamiento. Sorprendido por el descubrimiento, Reinitzer buscó la ayuda del físico alemán Otto Lehmann, que era experto en óptica cristalina. Este se convenció de que el líquido nuboso tenía una clase de orden única, en tanto que el líquido transparente, a mayor temperatura, tenía el estado desordenado característico de los líquidos comunes. Lehmann se dio cuenta de que el líquido nuboso constituía un nuevo estado de la materia al que le dio el nombre de cristal líquido, dando a entender de que se trataba de un estado intermedio entre un líquido y un sólido, compartiendo propiedades importantes de ambos. En un líquido normal, las propiedades son isotrópicas, es decir, las mismas en todas direcciones, a diferencia de un cristal líquido en que dependen considerablemente de la dirección aún cuando la substancia sea fluida. Tradicionalmente se considera que la materia tiene tres estados o fases: sólido, líquido y gaseoso, lo que al principio produjo controversias en el terreno científico en que algunos pensaban que el nuevo estado era, probablemente, una mezcla de componentes sólidos y líquidos. Sin embargo, entre 1910 y 1930 se realizaron experimentos concluyentes y se desarrollaron teorías incipientes que explicaban el concepto de cristal líquido, al mismo tiempo que se descubrieron nuevos tipos de orden de los estados cristalinos líquidos. Los cristales líquidos no fueron populares y permanecieron como una curiosidad científica por casi ochenta años. En la actualidad, gracias a Reinitzer, Lehmann y otros que siguieron su trabajo, se sabe que prácticamente miles de substancias presentan una diversidad de otros estados. Algunas de ellas han sido muy útiles en innovaciones técnicas entre ellas, las pantallas de relojes, teléfonos móviles, receptores de televisión y monitores de computadora. En la década de 1960-70, Pierre-Guilles de Gennes, que trabajaba en temas de magnetismo y superconductividad, se interesó en los cristales líquidos y pronto encontró importantes analogías entre éstos y los superconductores, así como con materiales magnéticos. Su trabajo le valió el Premio Nobel en Física, en 1991 y ha influido considerablemente en la ciencia y tecnología de los cristales líquidos. Fases en los cristales líquidos Los cristales líquidos pueden dividirse en dos clases: termotrópicos y liotrópicos. Los primeros presentan una transición a la fase líquida cuando cambia la temperatura, en tanto que en los liotrópicos las fases de cristal líquido se forman gracias a la adición de un solvente. En cristales termotrópicos si la temperatura es elevada, el aumento en la energía y, por consecuencia en el movimiento molecular inducirá un cambio de fase y se volverá un líquido isotrópico. Si, por el contrario, la temperatura es muy baja para soporta la fase termotrópica, el material se volverá un cristal sólido. Así pues, hay un rango de temperaturas en que se pue- Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 17 de observar el comportamiento termotrópico del cristal y, en general, a diferentes temperaturas se dan diversas subfases, tanto nemáticas como smécticas. Típicamente, una molécula de un cristal líquido consiste de un grupo funcional17 rígido y una o más partes flexibles. La parte rígida alinea las moléculas en una dirección, mientras que las partes flexibles inducen fluidez en el cristal. Esta parte rígida, designada como mesógeno juega un papel crucial en la molécula y el balance de esas dos partes, rígida y flexible, es fundamental en la formación de materiales cristalinos líquidos. Las fuerzas moleculares que producen los estados cristalinos líquidos son muy débiles y, por consecuencia, las estructuras se ven afectadas fácilmente por cambios de esfuerzos mecánicos, campos electromagnéticos y entorno químico. Se reconocen tres categorías o fases, además de la isotrópica: sméctica18, nemática y colestérica, esta última no es propiamente una fase y suele designarse también como nemática torsionada. Fase isotrópica: En esta fase, las moléculas del cristal están alineadas aleatoriamente. La fase isotrópica tiene baja viscosidad y es transparente. Para fines prácticos, la fase isotrópica aparece macroscópicamente como cualquier líquido isotrópico, por ejemplo el agua. Los cristales líquidos smécticos están formados por láminas o capas planas de moléculas en forma de cigarro puro, con los ejes mayores orientados perpendicularmente al plano de la capa. Cada capa tiene un espesor de una o dos moléculas y sus posiciones en cada capa pueden estar ordenadas o al azar, dependiendo de la substancia. Las láminas fluyen libremente una sobre otra, sin embargo las moléculas dentro de cada capa se mantienen orientadas y no se mueven entre capas19. La fase sméctica es cercana a la fase sólida y, a su vez, se divide entre varias sub-fases con propiedades ligeramente diferentes. La fase nemática es la más simple y es cercana al estado líquido. En esta fase las moléculas se orientan, en promedio, en una dirección particular como se ilustra en la figura 1 y, por consecuencia se produce anisotropía macroscópica en diversas propiedades del material, tales como la constante dieléctrica y, por tanto, el índice de refracción. Fig. 1. Estructura molecular en un cristal nemático. El término en inglés es moiety, que podría traducirse como “medianía” Del griego smektos (película o capa delgada). Relativo a la fase mesomórfica de un cristal líquido en que las moléculas están firmemente alineadas en una serie de capas distintas con los ejes de las moléculas perpendiculares al plano de las capas. 19 http://smectic.org/ 17 18 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 18 Cuando las moléculas en esta fase son quirales20, se alinean en una estructura torsionada que refleja la luz visible en diferentes colores que dependen de la temperatura y puede, por consecuencia, emplearse en sensores de temperatura. La fase colestérica es del mismo orden que la nemática, con moléculas quirales, sin embargo el director efectúa una torsión alrededor de un eje con ángulo constante. La fase colestérica21 se designa más comunmente como nemática torsionada22. En este caso la orientación promedio puede alterarse mediante campos eléctricos y la polarización de la luz seguirá la orientación molecular según cambia a través de una celda. Los tiempos típicos de respuesta son del orden de miliosegundos. Los LCD en el modo nemático torsionado son los más utilizados en los dispositivos de visualización. Pantallas de cristal líquido Las pantallas de cristal líquido se designan a veces como “TFT23” que es una variante de las pantallas LCD que utilizan tecnolofía de transistores de película delgada para mejorar la calidad de la imagen. Estrictamente, el término TFT LCD designa un tipo de matriz activa que se emplea con frecuencia como sinónimo de LCD y se emplea en pantallas de televisión, pantallas planas y proyectores. Polarización Para comprender el funcionamiento de una pantalla de cristal líquido es necesario antes comprender el concepto de polarización de la luz. De hecho la luz no es otra cosa que una forma de energía electromagnética y las ondas luminosas (fotones) son transversales, es decir, perpendiculares a la dirección de propagación y, de igual manera que las ondas electromagnéticas de radiofrecuencia, tienen una determinada polarización24. Cuando, como en el caso de la luz normal, la dirección del campo eléctrico es aleatoria, se dice que la onda está despolarizada o bien no polarizada. Cuando una onda luminosa se refleja por ejemplo en una carretera o en la superficie del mar en calma, la luz reflejada tiene más componentes paralelos a la superficie reflejada y, por consecuencia, se ha polarizado parcialmente. Sin embargo, algunos materiales, como el plástico utilizado en gafas de sol, pueden absorber todas las componentes en ciertas direcciones y dejar pasar sólo las componentes perpendiculares a la dirección de propagación. Esta es la forma en que las gafas de sol eliminan el brillo o destello de la superficie de una carreta. El concepto de polarización no resulta fácil de explicar empleando la teoría corpuscular de la luz y se prefiere para ello la teoría ondulatoria. El comportamiento de un rayo de luz que se propaga en un material anisotrópico depende de su polarización. Es decir, el índice de refracción del material no es uniforme y su valor depende de la dirección. En un material uniaxial, para una dirección dada de propagación, por lo general hay dos polarizaciones perpendiculares para las que el medio se comporta como si tuviera un índice de refracción único para cada polarización y se designan como rayos ordinario (o) y extraordinario (e) a los que corresponde un índice de refracción ordinario y otro exUna definición de quiralidad es “algo que no puede superponerse a su propia imagen especular, como por ejemplo una mano que coincide con si misma en un espejo, pero no si se superpone a la otra mano. Es decir, es una propiedad asimétrica de las moléculas y algunos materiales. Las moléculas quirales son muy activas ópticamente. 21 El nombre colestérico es histórico y tiene su origen en las investigaciones iniciales de Reinitzer. 22 Twisted nematic. También designada en español como nemática helicoidal. 23 Thin Film Transistor 24 La polarización de una onda es la dirección del vector del campo eléctrico. 20 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 19 traordinario. En materiales biaxiales hay tres índices de refracción, α, β y γ, si bien sólo hay dos rayos uno designado como rápido y otro lento. Este último es el que corresponde al índice de refracción más elevado. Para polarizar luz se puede utilizar un filtro polarizador semejante al mencionado en el caso de las gafas de sol. Dos de tales filtros colocados sucesivamente en el trayecto luminoso con sus direcciones de polarización perpendiculares, no dejarán pasar ninguna luz. Sin embargo, si las ondas luminosas tuercen su dirección de polarización en la distancia que separa los filtros toda la luz pasará a través de la celda a pesar de que los filtros sean de polarización cruzada. La polarización de una onda electromagnética se define como la orientación del vector del campo eléctrico. En una onda plana las componentes de los campos eléctricos y magnético son, en todo momento, perpendiculares entre sí y, a la vez, perpendiculares a la dirección de propagación. Es decir, E y H están en un plano perpendicular a la dirección de propagación y se dice que tal onda es transversal, a diferencia de las ondas acústicas que son longitudinales, ya que la dirección del campo, en este caso de presión acústica, está en la dirección de propagación. En la figura 2 se ilustran las componentes de una onda plana, con componentes Ez y Hy que viaja con velocidad v0 en la dirección x. Fig. 2. Componentes del campo electromagnético en una onda plana. La polarización se describe como el lugar geométrico trazado por el vector del campo eléctrico, E, en un plano estacionario, perpendicular a la dirección de propagación, cuando la onda atraviesa ese plano. El vector del campo en ese plano puede descomponerse en dos componentes ortogonales cuya amplitud puede ser variable en el tiempo y en el espacio. En el caso de la figura 1, el vector E está en el plano yz, siempre en la dirección z, de modo que la onda está polarizada verticalmente. Si E estuviera en el plano xy, en la dirección y, la polarización sería horizontal. La propagación de la luz sigue las mismas reglas anteriores, ya que de acuerdo a la teoría ondulatoria de la luz, esta se considera una onda electromagnética y el procedimiento para su análisis está basado en la Teoría del Campo Electromagnético de Maxwell, por lo que pueden aplicarse métodos similares a los utilizados en el análisis de la radiación y propagación electromagnéticas. Constantino Pérez Vega 20 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Si imaginamos que las dos componentes de E tienen amplitudes variables y se suponen girando en el plano transversal a la dirección de propagación, el lugar geométrico trazado por el extremo del vector resultante será, en general, una elipse. De hecho, la polarización elíptica representa el caso más general de polarización, de la que la polarización lineal, ya sea vertical, horizontal o inclinada, son casos particulares. Otro caso particular es la polarización circular, que ocurre cuando las componentes de E tienen la misma amplitud, pero están defasadas 90º. En óptica suelen tratarse principalmente las polarizaciones lineales horizontal y vertical, como se ilustra esquemáticamente en la figura 3 y y z z x x (a) Polarización horizontal (b) Polarización vertical Fig. 3. Polarización horizontal y vertical En la figura anterior la luz se propaga en la dirección x, sin embargo en el caso de polarización horizontal el campo eléctrico está en el plano xz, mientras que para de polarización vertical, el vector del campo está en el plano xy. El vector del campo magnético está siempre en dirección perpendicular al del campo eléctrico y para ondas planas, ambos vectores están en un plano perpendicular a la dirección de propagación. La luz emitida por el sol, por una lámpara incandescente o una vela se dice que no está polarizada. En realidad, de acuerdo a la definición anterior de onda plana, en realidad el campo eléctrico tiene componentes tanto horizontales como verticales, de modo que en general puede hablarse polarización elíptica. La luz no polarizada puede polarizarse horizontal o verticalmente de modo que las vibraciones ocurran en un solo plano, para lo cual hay diversos métodos: polarización por transmisión, reflexión, refracción y dispersión. Polarización por transmisión: Un método común es por transmisión mediante filtros polarizadores25 como se ilustra en la figura 4. Filtro polarizador Luz no polarizada 25 Estos filtros se designan a veces como filtros Polaroid. Luz polarizada Constantino Pérez Vega 21 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Fig. 4. Polarización mediante un filtro. En la figura anterior se asume que la luz incidente tiene una componente horizontal y otra vertical, que en promedio puede considerarse que tienen la misma energía. La ranura vertical del filtro dejará pasar solamente la componente vertical y la componente horizontal será absorbida o rechazada. La luz emergente del filtro al tener sólo una de las componentes de polarización originales, contendrá la mitad de la energía de la luz incidente. En la figura se expresa la idea básica de un filtro polarizador. Sin embargo, la luz incide sobre toda la superficie del filtro y, con una sola rendija la mayor parte de la energía se perderá en el polarizador. En realidad, el filtro está compuesto por una serie de ranuras verticales u horizontales, según el caso y de un ancho comparable o menor a la longitud de onda de la luz a polarizar. Una estructura de este tipo solo puede conseguirse a escala molecular, por lo que en los filtros Polaroid se emplean materiales cuyas moléculas están orientadas en dirección tal, que permiten sólo el paso de la componente luminosa de polarización adecuada. En la figura 4 se muestran algunos filtros Polaroid típicos empleados en aplicaciones fotográficas y de cine y televisión. La polarización producida por un filtro es posible gracias a la composición química del material del filtro, generalmente formado por cadenas de moléculas alineadas en la misma dirección. Durante la fabricación del filtro, las cadenas largas de moléculas se extienden a lo largo del filtro de modo que cada molécula se alinea, digamos en la dirección vertical. Cuando la luz no polarizada incide sobre la superficie del filtro, la componente vertical de las ondas es absorbida por el filtro. La regla general es que las vibraciones electromagnéticas en dirección paralela al Fig. 5. Filtros de polarización alineamiento de las moléculas son absorbidas y las que están alineadas perpendicularmente al alineamiento molecular pasan a través del filtro. La situación es similar a la que se tiene en una antena, por ejemplo un dipolo horizontal, con un reflector de varillas. Si las varillas del reflector son perpendiculares al dipolo, es decir verticales, la onda pasa a través de ellas, en tanto que si son paralelas al dipolo (horizontales), la onda es reflejada. Se define así un eje de polarización, perpendicular a la dirección de alineamiento de las moléculas, de modo que la componente de las ondas luminosas paralela al eje de polarización pasa a través del filtro, en tanto que la componente perpendicular es absorbida. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 5. Constantino Pérez Vega 22 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Alineamiento de las moléculas Horizontal Vertical Ejes de polarización Fig. 5. Ejes de polarización Polarización por reflexión. La luz no polarizada también puede polarizarse por reflexión en superficies no metálicas. La magnitud de dicha polarización depende del material de la superficie y del ángulo de incidencia de la luz. Las superficies metálicas reflejan la luz de forma por lo general no polarizada. Sin embargo las no metálicas como el asfalto, campos nevados y agua se da una gran concentración de componentes de la onda luminosa en un plano paralelo a la superficie reflectora. Esto se aprecia por ejemplo en una carretera o en la superficie quieta de un lago en que el destello de la superficie impide ver los objetos y puede eliminarse mediante un filtro que bloquee la luz polarizada horizontalmente, por ejemplo, unas gafas de sol. Este tipo de polarización se ilustra en la figura 6. Onda incidente no polarizada Onda reflejada, polarizada horizontalmente Plano reflector no metálico Fig. 6. Polarización por reflexión. Polarización por refracción. Ocurre cuando un haz luminoso pasa de un medio a otro, por ejemplo del aire al vidrio u otra substancia como calcita o feldespato, de diferente constante dieléctrica y, por consecuencia, diferente índice de refracción, así como diferente estructura molecular. En la frontera entre los dos medios la trayectoria del haz cambia de dirección y el haz refractado, dependiendo de las características del segundo medio, se divide en dos (fig. 7), cada uno con polarización diferente que constituyen los rayos ordinario y extraordinario y viajan con diferente velocidad a través del segundo medio. En estas condiciones es posible utilizar un filtro para bloquear completamente uno de los dos rayos. Constantino Pérez Vega 23 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Onda incidente no polarizada Componente horizontal refractada Componente vertical refractada H V Fig. 7. Polarización por refracción Como resultado de la presencia de dos rayos paralelos de diferente polarización al pasar por estos materiales se produce el fenómeno llamado birrefringencia, también designado como doble refracción, que se ilustra en la figura 8. Birrefringencia Cristal Fig. 8. Birrefringencia. Un filtro birrefringente consiste de capas alternas de películas polarizadoras cortadas de un cristal birrefringente y transmite la luz en forma de bandas estrechas de longitudes de onda ampliamente espaciadas. Se conoce también como filtro de Lyot o filtro monocromático y entre sus aplicaciones están las de astronomía, en particular solar y en la sintonía de cavidades ópticas en láseres. El ancho de banda y la separación de las bandas de transmisión depende del número, espesor y orientación de las placas polarizadoras. En las pantallas de cristal líquido se emplean por lo general celdas de cristal nemático torsionado (TN) en las que ausencia de fuerzas externas, las moléculas siguen un alineamiento helicoidal o torsionado como se ilustra en la figura. En estas condiciones un rayo de luz polarizada va modificando su polarización de acuerdo a la orientación de las moléculas, de modo que si la luz incide sobre la celda a través de un filtro de polarización vertical, irá cambiando su polarización hasta emerger de la celda con polarización horizontal. Las celdas cristalinas se colocan entre dos filtros polarizadores, uno horizontal y otro vertical como se ilustra en la figura 9. Constantino Pérez Vega 24 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 V Filtro de polarización vertical Filtro de polarización horizontal Luz incidente Luz transmitida Moléculas de cristal líquido torsionadas Electrodos transparentes Fig. 9. Celda cristalina TN sin campo aplicado Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal sus moléculas se alinean y se pierde el efecto de torsión. En estas condiciones si la luz entra a la celda con polarización vertical saldrá de ella con la misma polarización y, al encontrar a la salida el filtro polarizador horizontal será absorbida por éste y, por consecuencia, no se transmitirá, como se ilustra en la figura 10. V Filtro de polarización horizontal Filtro de polarización vertical Luz incidente Luz obstruida Electrodos transparentes Moléculas de cristal líquido alineadas Fig. 10. Celda cristalina TN con campo aplicado. En la figura, las moléculas se encuentran en el plano perpendicular al de los filtros polarizadores, es decir, a lo largo del rayo luminoso y no tienen influencia sobre el estado de polarización de modo que la combinación de los dos filtros ortogonales no deja pasar luz a través del filtro de salida y la celda entonces aparece negra. Las dimensiones de la celda son tales que la rotación de las moléculas queda confinada a 90º entre sus extremos. La fluidez de los cristales nemáticos es similar a la de los líquidos isotrópicos, pero pueden alinearse fácilmente por campos eléctricos o magnéticos externos. El cristal alineado tiene las propiedades ópticas de un cristal uniaxial lo que lo hace particularmente útil en los dispositivos LCD. Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 25 La descripción anterior explica el principio de funcionamiento de una celda de cristal líquido. Una pantalla o dispositivo de visualización de cristal líquido está formado por un cierto número de elementos de imagen, que pueden ser monocromáticos o de color, dispuestos frente a una fuente luminosa o a un reflector. Esto da lugar a dos técnicas de construcción, una en que la fuente luminosa está detrás de las celdas y otra en que la luz incidente sobre la pantalla es reflejada en su parte posterior proyectándose hacia el observador. En el caso de pantallas monocromáticas cada celda de cristal corresponde a un elemento de imagen, en tanto que en una pantalla de color elemento de imagen está constituido por tres celdas o subelementos, uno por cada color primario. Cada celda correspondiente a un elemento, o subelemento según el caso, consiste de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes y dos filtros de polarización cuyos ejes de transmisión son perpendiculares entre sí, según lo descrito en párrafos anteriores. En ausencia de la celda cristalina entre los filtros, la luz incidente a través del primer filtro es bloqueda por el segundo. La superficie de los electrodos en contacto con el cristal líquido se trata de modo que las moléculas cristalinas queden alineadas en una dirección particular. Este tratamiento consiste típicamente en la aplicación de un polímero delgado que se frota unidireccionalmente, de modo que las moléculas quedan alineadas en la dirección de frotamiento. Si no hay aplicado un campo eléctrico, la orientación de las moléculas cristalinas está determinada por el alineamiento de las superficies. En un dispositivo nemático torsionado, que es el utilizado más comúnmente en pantallas, las direcciones de alineamiento de los electrodos son perpendiculares entre sí, de modo que las moléculas se alinean formando una estructura helicoidal o torsionada. Como el cristal líquido es birrefringente, la luz que pasa a través del filtro de entrada sufre un giro al pasar por la capa cristalina, permitiendo su paso a través del segundo filtro. Si la luz incidente sobre el primer filtro no está polarizada, la mitad de su energía es absorbida por éste. Al quedar polarizada y girar su polarización llega al segundo filtro con la polarización adecuada para pasar a través de él sin pérdidas y en general, puede decirse que el ensamble completo es transparente. Cuando se aplica un voltaje a los electrodos, se produce una fuerza de torsión que actúa alineando las moléculas del cristal paralelamente al campo eléctrico, distorsionando la estructura helicoidal. Las moléculas, al estar constreñidas por las superficies de la celda presentan cierta oposición de la estructura helicoidal en reposo, lo que reduce el ángulo de rotación de la polarización y el elemento de imagen aparece de color gris. Si el voltaje aplicado es suficientemente alto, las moléculas en el centro de la capa cristalina quedan casi completamente alineadas y la polarización de la luz incidente no se altera, de modo que la polarización será prácticamente perpendicular a la del segundo filtro y la luz de salida será bloqueada y el elemento de imagen se verá negro. Controlando el voltaje aplicado a la celda cristalina puede variarse la intensidad de la luz emergente, consiguiéndose diferentes niveles de gris. En el caso de pantallas de color, cada elemento de color está formado por tres subelementos, cada uno correspondiente a uno de los colores primarios: R, G y B. Cada uno de estos subelementos incluye una celda de cristal líquido con sus respectivos electrodos, dos filtros polarizadores y un filtro adicional de color como se ve en la figura 12, ya que el voltaje aplicado Constantino Pérez Vega 26 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 a los electrodos de cada subelemento corresponde al nivel de luminancia del color primario correspondiente. Celda de cristal líquido Filtro vertical Luz transmitida Luz incidente Filtro de color Filtro horizontal Moléculas torsionadas Fig. 12. Celda TN con filtro de color correspondiente a un subelemento o subpixel (R, G o B). Los efectos ópticos de un dispositivo nemático torsionado con voltaje aplicado dependen muy poco de las variaciones en el espesor de la celda que en el estado de ausencia de voltaje y, dado que el ojo es considerablemente más sensible a variaciones en el estado “obscuro”, es decir a bajos niveles de iluminación que a los niveles altos, las celdas operan entre polarizadores cruzados de forma tal que aparezcan brillantes sin voltaje y obscuras en caso contrario. También pueden funcionar utilizando filtros de polarización paralelos, en cuyo caso los estados brillante y obscuro se invierten. En esta última configuración, en el estado obscuro aparecen manchas debidas a pequeñas variaciones en el espesor de las celdas. Tanto el cristal líquido como la capa de alineamiento contienen compuestos iónicos, de modo que si se aplica un campo eléctrico de una polaridad determinada, durante un período largo de tiempo, los iones son atraídos a las superficies y deterioran la calidad de la imagen. Para evitar esto, su puede aplicar una corriente alterna o bien invertir la polaridad del campo eléctrico al direccionar las celdas, sin que ello afecte a la respuesta del cristal cuya respuesta es la misma independientemente de la polaridad del campo externo aplicado. Una pantalla, aún pequeña, está formada por un gran número de elementos de imagen, como se ilustra en la figura 13 y es poco práctico acceder o direccionar cada elemento individualmente, ya que sería necesario un gran número de electrodos independientes. Para evitar esto se utilizada una forma de multiplexado que no es otra cosa que la forma de direccionamiento matricial mediante filas y columnas, en que cada elemento tiene una dirección única accesible mediante señales simultáneas aplicadas a los electrodos de fila y de columna respectivamente. Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 27 Fig. 13. Elementos y subelementos en una pantalla LCD de color. Las pantallas LCD monocromáticas con pocos segmentos, tales como las utilizadas en relojes digitales y calculadoras de bolsillo tienen contactos eléctricos individuales para cada segmento y la fuente de alimentacion es generalmente una pila o una batería. La estructura utilizada en estos dispositivos es inadecuada para pantallas con gran número de elementos. Las pantallas monocromáticas pequeñas tales como las de agendas y organizadores personales o computadoras algo antiguas utilizan una estructura matricial pasiva que utiliza tecnología designada como nemática supertorsionada (STN26), STN de doble capa (DSTN27) y STN de color (CSTN28). Las pantallas LCD STN proporcionan mayor contraste que las TN simples mediante rotación de las moléculas de 180º a 270º, requieren menos potencia y son más baratas que las que emplean transistores de película delgada, LCD-TFT29, la principal tecnología actual, si bien producen desplazamientos de color que se corrige con la tecnología DSTN. En la tecnología CTSN se agrega un color mediante un filtro interno de color. Las pantallas STN y sus variantes adolecen de una calidad de imagen inferior y tiempo de respuesta más lento que las pantallas TFT. En el sistema de matriz pasiva cada fila o columna de la pantalla tiene un solo circuito eléctrico. Los elementos de imagen se direccionan activando simultáneamente los circuitos de la fila y columna correspondientes al elemento particular y su designación obedece a que cada elemento debe retener su estado durante los intervalos de refresco sin el beneficio de una recarga eléctrica continua. Este tipo de técnica no es adecuado si el número de elementos es grande, por ejemplo en pantallas de televisión o de computadoras por lo que se utiliza para pantallas pequeñas en que la resolución y contraste no son factores demasiado importantes. En las pantallas de resolución estándard o alta, tales como las de computadoras y monitores o receptores de televisión se utilizan matrices activas para el direccionamiento, en que se agregan transistores de película delgada (TFT) a los filtros de color y polarización asociados Super-Twisted Nematic. Nemática supertorsionada Double Layer Super-Twisted Nematic. 28 Color Super-Twisted Nematic. 29 TFT = Thin Film Transistor. 26 27 Constantino Pérez Vega 28 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 a las celdas cristalinas. Cada elemento tiene así su propio transistor, como se ilustra en la figura 14. Fig. 14. Matriz de direccionamiento de píxeles. El direccionamiento se realiza secuencialmente fila a fila polarizando la puerta de todos los TFT de una fila, en tanto que los electrodos de fuente están conectados a las columnas en que se aplica la información correspondiente a los tres colores primarios. Conviene recordar que un elemento de imagen o píxel, está constituido por tres subelementos, uno por cada color. Estos subelementos pueden disponerse en forma triangular o delta, o bien en forma de cintas como se ilustra en las figuras 15 y 16. Elemento de imagen Subelementos de imagen (RGB) Fig. 15. Geometría LCD en delta. Constantino Pérez Vega 29 Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2009 Elemento de imagen Fig 16. Geometría LCD en cintas NOTA: Es lo que He preparado hasta el momento y me ha faltado agregar las referencias bibliográficas (23 de Noviembre de 2009).
