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Ingeniería Óptica

Tema 3: Fuentes de luz

¤ Radiometría¤ Fuentes de luz por efecto térmico¤ Fuentes luminiscentes¤ El láser¤ Aplicaciones de los láser¤ Pantallas

Ingeniería ÓpticaTema 3: Fuentes de luz

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Magnitudes relacionadas con la radiación de energía

!= "" dVradmagfotMag )(.).(683..

La diferencia entre magnitudes radiantes y luminosas estriba en que lasluminosas sólo tienen en cuenta la energía radiante en la región en la que V(λ)es distinta de cero.


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Funciones V(λ) y V’(λ)

V(λ) V’(λ)


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Ángulo sólidoDe las magnitudes radiantes, la intensidad y la radiancia son de las másimportantes. Ambas implican radiación de energía por unidad de ángulo sólido.Este ángulo sólido se define como el ángulo que, visto desde el centro de unaesfera, incluye una porción de la superficie de dicha esfera (es decir, un ángulo3D). Matemáticamente:

En función del ángulo que substiende:

0)cos1(2 !"=! #$ϕ

02!=!

r

A


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Ley de la fotometríaSe dice que un emisor posee radiación lambertiana cuando su radiancia esuniforme en todas direcciones, lo que implica que la intensidad radiante(potencia por unidad de ángulo sólido):

!! cos)0()( IILcte

="

As

Ad

θs

θd

2

coscos

r

AAL

ddss

ed

!!" =

(Ley del coseno de Lambert)

Si tenemos dos elementos desuperficie, uno emisor y otroreceptor, la potencia que el áreareceptora recibe de una fuentecon radiancia Le es:


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Fuentes debidas a efectos térmicos: cuerpo negro

mcm

W

e

CM

T

C µ!!

! 25

1

1

1

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(

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Los cuerpos por tener una determinada temperatura emiten radiación electro-magnética: radiadores térmicos. La forma de radiación de estas fuentes se basaen un radiador térmico ideal: el cuerpo negro. El cuerpo negro se define comoun cuerpo que absorbe toda la radiación que le llega y que emite, de formalambertiana, en todas direcciones y longitudes de onda, la máxima energíaradiante (si se compara con otras fuentes térmicas).

La emitancia de un cuerpo negrose puede demostrar que es:

Con C1=3.745 10-4 y C2=1.44 104

Para saber la energía total emitida,también se puede usar la ley deBoltzmann:

E(watts/m2) = 5.70 x 10-8 T4


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Distribución de energía emitida

Tendemos a pensar que los cuerposrojos son calientes (~1000K), perolos realmente calientes son los queemiten en el azul!

Los humanos emitimosdel orden de 550W/m2


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Ley de Wien

Si λ se da en micras, b vale 2898

Para T ~ 5300K (sol), λ ~ 550 nm


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Fuentes térmicas naturales: el sol

El sol emite unos 3.2 1025 W/sr

El sol está a unos 150 millones dekm de la tierra

El sol se comporta como un cuerpo ‘gris’ (casi negro) emitiendo a unos 5300K


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Fuentes térmicas artificiales: la bombilla

La bombilla es un radiador térmico. Elfilamento, normalmente hecho dewolframio, se calienta entre 2200 y3000K, de forma que emite con unmáximo de emisión en torno a lamicra. Por eso la luz de la bombillatiende a ser cálida, porque tiene másradiación roja que azul.El wolframio funde a unos 3600K. Detodas formas este material se vaevaporando poco a poco, se depositasobre el vidrio y oscurece la emisión.Para evitar esto se suelen usar gaseshalógenos


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Bombillas

Las bombillas emiten más o menosde acuerdo a la superficie delfilamento y a su temperatura


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Fuentes luminiscentesLas fuentes de luz que hemos visto hasta el momento están basadas en elcalentamiento de los cuerpos. Pero hay, evidentemente, otro tipo de fuentes quedenominaremos luminiscentes para las que las excitaciones de átomos quedarán lugar a emisión de luz se hace por aporte de energía no térmica. Dichasfuentes son básicamente artificiales. Pero para saber cómo emiten estas fuenteshay que saber algo de la estructura de la materia.

La materia está constituida por átomos, los cuales son finalmente conjuntos decargas en equilibrio. La radiación electromagnética puede interaccionar condichas cargas en sus elementos más externos y deslocalizados, los electrones,aportando energía y cambiando sus estados electrónicos y, por tanto, sus nivelesenergéticos. La electrodinámica cuántica nos dice que los niveles energéticoselectrónicos no representan un continuo de valores sino que estándiscretizados. Por lo tanto un átomo no puede tener cualquier energía, sino sólounos valores determinados que dependen del propio átomo.

De la misma forma, la radiación electromagnética no puede aportar cualquierenergía a un átomo, ya que también está cuantizada en forma de partículasllamadas fotones. Desde un punto de vista estrictamente cuántico la luz estáformada por un chorro de fotones, cada uno de los cuales lleva asociada unaonda. La energía de cada fotón: hν con h = 6.6256 10-34 J.s.


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La estructura de la materia: absorción

Energía

E1

E2

E30...

hν

IsalIinc

inc

sal

I

IT =)(!

!1!

2! 3

!

1

La materia puede absorber energía. Hemos visto que nocualquier cantidad de energía, pero puede absorber diferentestipos de energía, entre ella la propia energía luminosa (fotones).

Las fuentes que emiten luz muchas veces se clasifican de acuerdo a la formaen que absorben la energía: si la energía absorbida es luminosa se llamanfotoluminiscentes; si es electrónica electroluminiscentes; si es químicachemoluminiscentes; etc.

Las longitudes de onda a las que absorbe el gas son fijas y dependen de laestructura energética de los átomos: es como su ‘huella dactilar’.

GAS


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Emisión espontánea

Ener

gía

E1

E2

E30...

hν

h

EEv

12!

=

)(!salI

!1!

2! 3

!

Isal

Energía

GAS

Una vez el átomo está en estado excitado tenderá a decaer a su estadonatural (fundamental) por sí mismo; en algún caso emitirá luz, y dicha luztiene unas características especiales: es despolarizada y emitida en todasdirecciones. Es la base de la emisión de la mayoría de las fuentes ópticas.


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Emisión estimulada

E1

E2

E3

0...

hν hνhν

)(!salI

!1!

2! 3

!

IsalEnergía

GASIinc

Ener

gía

Si estando el átomo en estado excitado, se encuentra con un fotón que tieneexactamente la energía que debe perder para desexcitarse, el fotón puedeestimular la desexcitación del átomo creando una emisión estimulada. Losfotones generados tienen la misma frecuencia y polarización, y salen en lamisma dirección que el fotón que los generó.


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Lámparas de descarga a baja presión

VerdeNeon y mercurio con tubopintado de marrón

BlancoDióxido de carbono

AzulNeon y mercurio

AmarilloHelio

RojoNeon

ColorTipo de gas

Son tubos en los que se ha insertado un gas a baja presión, esto es, que no haymuchos átomos por unidad de volumen y por tanto no hay colisiones (las líneasde emisión van a ser estrechas).

En el tubo se provoca una descarga eléctrica que origina que se ionice el gas.Posteriormente los iones se mueven por el tubo acelerados por una diferencia depotencial y chocan con otros átomos excitándolos. En su decaimiento emiten luzpor emisión.

Dependiendo del tipo de gas se emiten unas bandas u otras, lo que origina quelos tubos emitan en unos u otros colores. Por ejemplo:


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Lámparas de descarga a baja presión: líneas

La longitud de onda de emisión no depende sólo del gas, también de su presión y temperatura


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Lámparas de descarga a alta presión

Son lámparas que se usan en aplicaciones donde se precisa mucha luz,iluminación exterior, industrial, y sobre todo si se necesita luz en el U.V.

Hay muchos átomos (alta presión) situados en la proximidad de dos electrodosen elos que se produce un arco eléctrico. Al ionizarse, se producen muy altascorrientes, generándose campos intensos y formando un plasma (agrupaciónde cargas a alta temperatura.

La consecuencia más directa es que la forma de emisión es como si juntáramosuna fuente térmica y una luminiscente: son las fuentes más brillantes queexisten. Ejemplos: Na (farolas, alta duración), Xe (UV), Hg.


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Emisión de una lámpara de descarga a alta presión


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Tubos fluorescentesSon tubos de Hg a baja presión. Estos tubos emiten en las líneas espectralesdel mercurio, sobre todo en el UV y el azul-verde. Las bandas de UV excitan unmaterial fluorescente, con una distribución espectral blanca que podríamosdenominar fría.

Hoy en día existen fluorescente con forma de bombilla ya que este tipo defuentes emiten más luz a igualdad de potencia consumida (70W de unabombilla son equivalentes a 17W de una bombilla fluorescente de bajoconsumo). Una cosa interesante de estas bombillas es que han cambiado elmaterial fluorescente para tener una emisión más cálida.


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Diodos de semiconductorEl estudio de los LEDs o diodos emisores de luz es muy interesante, pero serealiza de forma exhaustiva en la asignatura de Comunicaciones Ópticas (4ºcurso). En cualquier caso podemos decir que los LEDs son dispositivoselectroópticos, diodos capaces de emitir luz en alguna longitud de onda cuandose polariza en directa. Se hacen con materiales semiconductores, por lo que laemisión de fotones se realiza a través de la recombinación de electrones enbanda de conducción con huecos en banda de valencia: las longitudes de ondade emisión dependen de la energía de gap, es decir, del material.

Emisión espontánea

Recombinaciónradiativa

hν


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Emisión de un LED

Los LEDs tienen multitud de aplicaciones, pero la señalización e iluminación sonlas más importantes. Son muy robustos y pueden durar el millón de horas.


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El láser: emisión estimulada

Láser es realmente LASER, es decir, un acrónimo de Light Amplification byStimulated Emission of Radiation. Por tanto, la luz láser proviene de poseer unmedio en el que se potencie la emisión estimulada.

Desde un punto de vista meramente probabilístico, para potenciar la emisiónestimulada, si un fotón llega a un medio debe ser más probable que genereotro fotón que que se absorba por el medio: para ello se necesita lo quellamamos inversión de población

Emisor térmico Láser: ganancia

El hecho de que se potencia la emisión estimulada abre las puertas a tener unmedio con ganancia


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El láser: inversión de población y bombeo

Absorción: proporcionalal número de átomos en

nivel 1

Emisión estimulada:proporcional al número de

átomos en nivel 2

N1

N2

N1

N2

Objetivo: tener más átomos en nivel 2 que en el 1. Inversión de poblaciónPara ello es necesario romper el equilibrio térmico y aportar energía alsistema. Eso se realiza a través del bombeo. El bombeo en un láser puedeser de muy diferentes formas, pero representa un aporte de energía que luegova a convertirse en potencia luminosa. Debe quedar claro que un láser nuncase puede realizar utilizando sólo dos niveles energéticos:

Si N1 = N2 es igualmente probable que seabsorba que se emita y por tanto nuncapodemos bombear más de la mitad de losátomos al nivel 2. Necesitamos, al menos,uno más.


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Láser de tres niveles

E1

E2

E3bo

mbe

o

transición no radiativa (rápida)nivel estable (τ grande ~10-4)

nivel fundamental

nivel poco estable (τ pequeña ~10-8)

hν hνhν

Utilizando 3 niveles podemos tener acciónláser, ya que los fotones generados van atener más probabilidad de emitirse que deabsorberse. Además el bombeo, si es óptico,no va a afectar.Ejemplo: láser de rubí.

En cualquier caso el láser de 3 niveles no eseficiente: se necesita bombear la mitad másuno de los átomos en estado fundamentalpara tener inversión de población


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Láser de 4 niveles

E2

E3

E4

bom

beo

transición no radiativa (rápida)nivel estable (t grande ~10-4)

nivel poco estable (t pequeña ~10-8)

nivel poco estable (t pequeña ~10-8)

hν hνhν

transición no radiativa (rápida)E1 nivel fundamental

Láser de He-Ne


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Resonadores

De todas formas, un medio con ganancia no es un láser todavía. Se precisaaumentar el número de fotones dentro de la cavidad para lograr potenciar aunmás la emisión estimulada. Esto se hace a través de un resonador.

Los resonadores pueden ser muyvariados, y fijan en gran medidalas características espectrales dela luz que emiten.

Luz láser

Bombeo


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Bombeo

Gases

Sólidos


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Tipos de láseres

• Láseres de estado sólidoRubí, Nd-YAG, Ti-Zafiro, etc.

• Láseres gaseososCO2 (molecular), He-Ne (atómico),Argon (ion), vapor de cobre, etc.

• Láseres químicos• Láseres semiconductores

GaAs-GaAlAs, InP-InGaAsP, etc.• Láseres líquidos

Láseres dye• Láseres de electrones libres


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Propiedades de un haz láser

Las propiedades de un haz láser son:

• Monocromaticidad• Alta coherencia• Direccionalidad• Alta radiancia• Posibilidad de emitir pulsos muy cortos

Estas características hacen el láser unafuente de luz diferente a todas las queexisten y permite que existan multitudde aplicaciones en las que se utiliza.


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Monocromaticidad

Al estar la emisión estimulada muy potenciada en un láser, y al ser los fotonesgenerados iguales en frecuencia a los fotones que los generaron, la radiaciónláser tiende a ser muy monocromática, esto es, tiene menos longitudes de ondaque las fuentes que funcionan por emisión espontánea.

A esto sumamos que la propia cavidad limita las longitudes de onda que sepropagan en su interior (es como un interferómetro Fabry-Perot).

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" #$

=#2

cRecordar:

No todos los láseres son tanmonocromáticos. Los láseresbasados en dyes o los desemiconductor tienen mayoresanchuras. En cualquier caso sonlas fuentes más monocromáticasque existen, permitiendo estudiarfenómenos que precisen de pocaslongitudes de onda


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Alta coherencia

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2

cl

!" cos)(2 2121 gIIIII ++=

En su momento definimos la coherencia comola capacidad que tiene un haz de interferir.Vimos que si, en el experimento de Michelson,movemos el espejo una distancia suficiente-mente grande, las interferencias en el detectorpueden desaparecer. Esto es debido a que losdiferentes paquetes de onda pierden la faseuno con respecto al siguiente, lo que redundaen una pérdida de la coherencia del haz.

Vimos que la coherencia (temporal) tiene una relación directa con la monocro-maticidad del haz, a través de la relación:

Podemos escribir la intensidad en el detector como

Donde g(τ) es la función de coherencia, y τ es el tiempo de vuelo entre haces.g(τ) varía entre 1 y 0 y tiene valores diferentes de cero para τ~lc/c


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Direccionalidad

El hecho de que el láser esté incluido en una cavidad resonante hace que sóloaquellos fotones que siguen direcciones muy definidas puedan ser amplificados envarias pasadas por el medio activo: el haz es muy direccional y paralelo al eje dela cavidad.

El fenómeno de la difracciónimpone que el haz no puedaser perfectamente paralelo,sino que tenga una ciertadivergencia.

Dqueo

!" )( >#

Láseres con diámetros de 2mm podrían tener divergencias del orden de 10-4

rad, lo que es muy poco. Los láseres de semiconductor tienen divergenciasbastante mayores debido al reducido tamaño de la cavidad.


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Alta radiancia

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"

cos#=

sA

LLa alta direccionalidad de un haz láser hace quesu radiancia sea realmente pequeña por eltérmino de ángulo sólido.

La potencia de un láser no es muy alta, del orden de algunos mW típicamente,pequeña si la comparamos con los 100W de una bombilla. Pero la bombilla daesa potencia en todas direcciones del espacio, mientras que el láser lo hace enun ángulo del orden de 10-4 radianes.

La alta directividad del haz láser permiteasimismo que se pueda, con ayuda de unalente, focalizar el haz en un punto muypequeño: eso aumenta mucho la densidadde energía (1mW focalizados en un ‘spot’de 10µm2 representan una densidad deenergía de 100MW/m2). El tamaño mínimoal que se puede focalizar el haz dependeasimismo de la difracción.


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Aplicaciones de los láseresProcesado de materiales

• Corte de materiales y ropa• Procesado de semiconductores (microlitografía)• Grabado de datos• Evaporación de materiales. Soldadura

Terapia médica• Oftalmología• Cirugía• Tratamiento de heridas• Dermatología (depilación, peeling, manchas, etc…)

Telecomunicaciones• Comunicaciones ópticas

Almacenamiento óptico• CD • CD-ROM• DVD• Magneto-ópticos


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Aplicaciones de los láseres (2)

Divertimento• Discotecas• Conciertos• Espectáculos varios

Grabado de imágenes• Impresoras láser• Fax/scanner• Hologramas

Inspección medida y control• Lectores de barras• Punteros• Miles de otros ejemplos

Militares• Medida de distancias• Fijación de objetivos y posiciones• LIDAR• Arma

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Ingeniería Óptica

Anexo Tema 3: Pantallas (Displays)

¤ Pantallas CRT¤ Pantallas LCD¤ Pantallas de plasma¤ Pantallas de emisión de campo¤ Pantallas electroluminiscentes¤ Pantallas LED


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PantallasUna pantalla es un elemento, generalmente emisor de luz, que forma letras, números y gráficos de forma dinámica. Las pantallas suelen ser en el fondo matrices de puntos más o menos pequeños (resolución) denominados píxels que podemos direccionar para formar las imágenes. Las pantallas a color precisan de tres píxels reales por cada píxel de información de color (RGB), de forma que nuestro ojo integre esa salida de los tres píxels en uno a suficiente distancia y nos parezca que hay un único píxel de un color que dependerá de las intensidades relativas entre ellos.


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Tubos de rayos catódicos (CRT’s)

La pantalla CRT es el primer tipo de pantalla que existió, y su principal aplicación es formar la imagen de televisión. Posteriormente se ha utilizado para imágenes de ordenador. Hoy en día está en retroceso.Se basa en un cañón de electrones (tubo de rayos catódicos) que emite un haz de electrones que un electroimán deflecta de forma que va barriendo una pantalla de cristal donde hay un material fluorescente.


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Si la TV es en B&N sólo hay 1 tipo de fluorescente y si es en color hay tres fluorescente diferentes (azul, verde y rojo) por lo que se precisará, para obtener la información de color, el barrer 3 veces o con tres cañones diferentes, uno por color. Durante mucho tiempo el líder tecnológico fue SONY con la TV plana con tubo Trinitron que aportaba mejoras tecnológicas para ofrecer una gran calidad de imagen.


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De acuerdo a la intensidad del haz, el fluorescente emite más o menos. El haz de electrones barre la pantalla de arriba abajo y de izquierda a derecha formando una imagen. La imagen se barre unas 50 veces por segundo (50Hz), aunque en realidad lo hace a mitad de velocidad, ya que 25 veces por segundo barre las líneas pares y 25 veces por segundo las impares. Las TV más modernas y las pantallas de ordenador barren a mayores velocidades para evitar el flicker (parpadeo) que cansa la vista.


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Pantallas LCD (Liquid Crystal Display)

Las pantallas basadas en LCDs se conocen desde hace muchos años, pero ha sido la industria informática la que ha propiciado que sea la pantalla plana más utilizada en la actualidad (para los portátiles).

Se basan en la existencia de cristales líquidos o medios semi-sólidos en los que las moléculas que lo forman son capaces de orientarse con la aparición de un campo eléctrico. De esta forma se puede actuar sobre la polarización de la luz y lograr variaciones en la transmisividad del cristal líquido.

Hoy en día para aplicaciones de calidad sólo se utilizan en la práctica las pantallas LCD denominadas activas (o TFT) y se pueden encontrar en tres configuraciones: transmisivas, reflectivas y de proyección.


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Cristales líquidos: principio de operaciónLos cristales líquidos están formados por moléculas alargadas de considerables dimensiones que tienen capacidad de rotar en el medio. En condiciones normales, las moléculas se disponen de forma semialeatoria con el eje mayor casi paralelo. Cuando estas moléculas se ponen en contacto con una superficie ranurada, las moléculas tienden a alinearse de forma paralela a las ranuras.

Si colocamos dos superficies r a n u r a d a s c o n s u s e j e s perpendiculares se fuerza a las moléculas a girar de forma ‘suave’ desde un estado al otro. El efecto que utilizaremos se basa en que la polarización de la luz es capaz de rotar siguiendo el mismo giro que las moléculas, debido a su gran tamaño.


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Cristales líquidos: principio de operaciónPero el efecto que nos permite conmutar entre un estado y otro es la capacidad de estas moléculas de girar y alinearse con un campo eléctrico aplicado.


9

Cristales líquidos: principio de operación


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Problemas con LCD’s

• Hay que poner un voltaje a cada píxel todo el tiempo

• Consumen bastante potencia

• Tienen poco contraste

• Los ángulos de visión son muy reducidos

• Bajo tiempo de respuesta (aparición de parpadeo)

• Al ser materiales orgánicos necesitan protección frente a UV e IR

Los LCD’s activos basados en TFTs son la solución a la mayor parte de estosProblemas.


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Pantallas LCD-TFT (Thin Film Transistor)Una de las ventajas más apreciables de las pantallas TFT es que se puede direccionar píxel a píxel, lo que hace que puedan barrer más rápido la pantalla, además de que por construcción el contraste es mucho mejor así como el ángulo de visión. Además, el consumo por píxel es mucho menor, lo que abre la posibilidad de utilizar estas pantallas en dispositivos alimentados por baterías.


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Pantallas de plasmaLas pantallas de plasma son las preferidas para aplicaciones de TV plana de grandes dimensiones. Se basan en el mismo efecto que los fluorescentes: en las pequeñas celdas que forman cada píxel se producen descargas que hacen lucir a unos fluorescentes de colores RGB situados en su interior


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Pantallas electroluminiscentes

Los materiales electroluminsicentes son aquellos que emiten luz cuando pasa una corriente eléctrica por ellos. Es complicado generar pantallas en color con ellos, pero tampoco es ésa su principal aplicación. Se utilizan sobre todo para realizar displays monocromo de bajo coste (por ejemplo en los interiores de los coches) o también para conseguir paneles iluminados con múltiples aplicaciones (por ejemplo retroiluminación de pantallas TFT).


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Pantallas basadas en LEDs

OLEDs, organic LEDs


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Pantallas de emisión de campo

Las pantallas de emisión de campo se asemejan a múltiples y pequeños CRT’s, donde cada cañón de electrones ataca a un único píxel de color. Están en fase de desarrollo avanzado, pero sobre todo tienen aplicaciones en microdisplays, ya que la desnisdad de conos, al ser un proceso microelectrónico, puede ser grande.


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Micro-pantallas

Las pantallas grandes presentan un indudable interés, pero también las micro-pantallas empleadas en gran cantidad de aplicaciones (incluyendo las de pantalla de TV)

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