ϴ - tecnología fotónica y bioingeniería

Sistemas Optoelectrónicos
Holografía, impresión láser y códigos de barras
Julio Gutiérrez Ríos
Dept. Tecnología Fotónica
Facultad de Informática de la UPM
Rev. Diciembre 2012
Dennis Gabor – Premio
Nobel 1971
Principios de la Holografía
• La holografía es una técnica fotográfica que permite grabar y
reproducir imágenes tridimensionales
• Para ello, es necesario detectar información relativa no sólo a la
amplitud, sino también a la fase de las ondas que componen la
imagen
• Sin embargo, todos los medios de captación fotográfica responden
solamente a la intensidad de luz
• La vía para conseguirlo es utilizar la interferometría, es decir,
superponer las ondas de la imagen con una onda de referencia
coherente con ellas, y grabar el resultado en una placa,
transparencia o reflector
• No hay que confundir la holografía con la imagen estereoscópica en
tres dimensiones
Grabación
Referencia
Holograma
Observador
Reproducción
Objeto
Referencia
Objeto
virtual
Holografía
La señal holográfica se basa en mezclar la onda original del objeto (onda
objeto) U0(x,y) con una onda de referencia Ur y grabar la interferencia de
ambas en una placa a modo de transparencia. La transmitancia de dicha
transparencia t(x,y) será la siguiente:
t ( x, y ) ∝ U 0 + U r = U 0 + U r + U r*U 0 + U rU 0* =
2
2
2
= I 0 + I r + U r*U 0 + U rU 0* = I 0 + I r + 2 I r ·I 0 cos (φr − φ0 )
Para reproducir la onda, se vuelve a usar la onda de referencia:
U =t·U r ∝ U r I 0 + U r I r + I rU 0 + U r2U 0*
Este es el término que contiene
la onda original de la imagen
(U0), pero es necesario poder
separarla del resto
Versión
conjugada de la
onda original
Holograma de una onda plana oblicua
Si la onda de referencia es una onda plana uniforme
propagándose perpendicularmente al plano del
holograma (según el eje z), entonces Ir es constante en
todo el plano (independiente de x e y)
Referencia
Holograma
y
Grabación
x
z
El Holograma de una
onda plana oblicua es
una rejilla de difracción
sinusoidal
x
ϴ
z
Observador
Reproducción Objeto
Referencia
Holograma
Conjugada
Objeto
Holograma
x
Referencia
z
=
Ur ( z )
I r ·exp ( − j·k·z )
U r ( 0) = Ir
U 0 ( x, y, z ) = I 0 ·exp ( − j·k·( sen θ ·x + cos θ ·z ) )
U0=
( x, y , 0 )
I 0 ·exp ( − j·k·sen θ ·x )
ϴ
Holograma
Objeto
t ( x, y ) ∝ I r + I 0 + U r*U 0 + U r ·U 0* =
= I r + I 0 + I r · I 0 ·exp ( − j·k·sen θ ·x ) + I r I 0 ·exp ( + j·k·sen θ ·x ) =
= I r + I 0 + 2 I r I 0 ·cos ( k·sen θ ·x )
Objeto
Referencia
=
U ( x, y ) ∝ t ( x, y )·U
t ( x, y )· I r ∝ t ( x, =
y)
r
=
I r + I 0 + I r I 0 ·exp ( − j·k·sen θ ·x ) + I r I 0 ·exp ( + j·k·sen θ ·x )
Holograma
Constantes 
Onda propagando
según z
Onda propagando hacia
arriba (ángulo ϴ),
proporcional a la onda
original
Onda propagando hacia
abajo (ángulo -ϴ),
proporcional a la onda
conjugada
Conjugada
Holograma de una fuente puntual
Holograma de una onda esférica
Holograma de volumen
x
Δ
Referencia
Forma una rejilla de difracción
de Bragg
Causa una difracción de Bragg
en la reproducción.
Esto significa que el ángulo ϴ
debe cumplir la condición de
de Bragg: senφ= λ/2Λ
z
x
Holograma
Δ
ϴ
Referencia
Objeto
z
ϴ
Holograma
Objeto
a)
Resonancia de
Bragg
Λ
θ
θ
A’
B
b)
θ
θ
θ
A
θ
B’
C
AB − A' B = λ
Puesto que
AB = AC
y
A' B = AB'
AB − A' B = AC − AB' = 2Λ ⋅ senθ = λ
⇒
se tiene :
senθ =
λ
2Λ
Λ
1B
’
1C
Holografía de luz
blanca
Referencia
ϴ ϕ
Holograma
ϕ=ϴ/2
ϴ
El ángulo φ entre la onda de referencia y la
rejilla formada es igual a la mitad del ángulo ϴ
entre la onda de referencia y la del objeto.
La condición de Bragg senφ= senϴ/2=λ/2Λ sólo
se cumple para una longitud de onda λ, lo que
signfica que en la holografía de volumen se
puede usar LUZ BLANCA como onda de
referencia para la reproducción, ya que la
imagen sólo responderá a la parte del blanco
que se corresponda con la longitud de onda de
la onda de referencia utilizada en la grabación
p
ϴ
p
ϴ/2
ϴ
π −θ
2
ϕ=
Λ
θ
π
+ϕ =
2
2
La longitud de onda de la rejilla es Λ
ϕ
λ
p
ϴ
k0
kg
ϴ
kr
Geometrías de Hologramas de Volumen de
Transmisión y de Reflexión
Grabación
Referencia
Objeto
Referencia
Objeto
Reproducción
Referencia
Objeto
conjugado
Referencia
Objeto
Transmisión
Reflexión
Holograma de Arco Iris
Referencia
El holograma se ha llevado a cabo a
través de una rendija y se enfoca
mediante una lente.
Por consiguiente, según el ángulo de
observación veremos sólo la fracción
de la imagen original visible a través
de la rendija.
Pero si se ilumina con luz blanca, en
la
dirección
de
observación
aparecerán todas las fracciones de la
imagen original visibles desde
diferentes ángulos a través de la
rendija, pero cada una de ellas en
una longitud de onda diferente.
Por eso se le llama holograma de
arco iris.
Impresión Láser
• La impresión láser se basa en la xerografía (xero = seco  Escritura en seco)
• Las fotocopiadoras láser se basan en el mismo principio inventado por Chester
Carlson en 1938
• Esta tecnología consiste en crear una imagen latente de carga electrostática en
un tambor o en una cinta que, posteriormente es capaz de atraer
selectivamente el tóner que se va a grabar sobre el papel.
Impresión Láser
• La inducción de la imagen electrostática sobre el tambor se puede llevar
a cabo por medio de un haz láser o un array de LEDs.
• Se trata de un tambor o cinta metálica puesto a masa, con un
recubrimiento de material fotoconductor, es decir, que se hace conductor
sólo cuando es expuesto a la luz.
• La capa fotoconductora se carga previamente bajo alta tensión.
• La capa queda con una carga uniforme. Pero un haz de luz selectivo,
ilumina las partes que no deben ser escritas. Al incidir la luz, la capa se
vuelve conductora y se descarga hacia el tambor metálico puesto a masa.
• El tambor pasa por el depósito de tóner, el cual, antes de impregnar a la
capa del tambor, ha sido cargado con la polaridad contraria a la de la
capa.
• En consecuencia, el tóner queda adherido a las partes de la capa que
permanecían cargadas.
• A continuación, se aplica el papel a la capa del tambor que, además se
habrá cargado con la misma polaridad que el mismo, con el fin de que el
tóner se adhiera al papel.
• El papel, ya impregnado de tóner se le pasa por un fijador que consiste
en prensar y calentar.
• Normalmente antes de la fijación, el papel es sometido a tensión de
tierra para neutralizar la carga que había adquirido.
• Los materiales más utilizados para la capa fotoreceptora es el selenio.
También otros semiconductores como el germanio y el silicio con un
dopaje adecuado. El tóner se compone habitualmente de óxido de zinc y
colorantes.
Elementos de una impresora láser
1.
2.
3.
Circuito de control.
Tambor con la capa fotoconductora.
Rodillo o cable para la precarga de la
capa fotoconductora.
4. Haz láser controlado por el perfil de la
línea a imprimir.
5. Espejo rotatorio que proporciona el
barrido de las líneas por el haz láser.
6. Rodillo para recoger y cargar la capa de
tóner.
7. Depósito (cartucho)de tóner.
8. Rodillo que arrastra el papel.
9. Bandeja de las hojas de papel
10. Rodillo o cable que carga el papel y lo
aplica al tambor.
11. Cuchilla o cepillo de limpieza del tambor.
12. Rodillo de prensa, calentamiento y
neutralizador de carga del papel.
Comparación entre impresión láser e impresión con LEDs
La impresión con LEDs es más rápida, pues se imprime cada línea en paralelo y es más
robusta porque es un proceso más estático en su mecánica (menos partes móviles)
Fotocopia
Códigos de Barras
• Lectura rápida y fiable de datos impresos.
• Fácil de leer.
• Fácil de generar.
• Bajo coste.
• No requiere contacto con el soporte de la información.
• Es poca la información incluida en el código de barras. Habitualmente
es una referencia a una base de datos.
• La codificación responde a diversos estándares según la aplicación.
Cada barra o cada espacio está formado por un cierto
número de módulos o unidades de anchura mínima.
1.
2.
3.
4.
Zona en blanco
Carácter de inicio (izda) y terminación (dcha)
Zona de datos
Checksum
Ej.: Código 39
J U L I O
Lectura de códigos de barras
Lectores de códigos de barras
•
•
•
•
•
•
Existe una extensa gama de lectores (escáneres) de código de barras, que
se diferencia por las prestaciones que ofrecen para facilitar la captura de
datos en los códigos de barras que acompañan a los productos.
Lápiz óptico
Escáner CCD
Escáner láser lineal
Cámara 2D
Escáner láser bidimensional
Lectura de códigos de barras