LCD

Reseña: “Extensión del método del polarímetro lineal para las medidas de retardo con fluctuaciones.”

Quería aprovechar esta entrada para hacer una pequeña reseña de mi primera publicación. En esta publicación se realiza una estimación de las fluctuaciones que se producen en las pantallas de cristal líquido. Más concreto en las pantallas PA-LCoS. ¿De qué estoy hablando? Si gustáis podéis seguir leyendo.

Las pantallas LCoS son unas pantallas de cristal líquido muy usadas cómo modulador espacial de luz (SLM Spatial Light Modulators). En el caso de la PA-LCoS se pueden describir como una lámina retardadora con un retardo controlado por tensión. Una lámina retardadora es un dispositivo óptico que tiene dos índices de refracción distintos, con lo que cambiará el estado de polarización de la luz incidente al producir diferente desfase en las dos componentes del campo eléctrico. Este fenómeno se conoce como birrefringencia, esto es debido a que la estructura del material es anisótropa. Si queréis conocer una aplicación interesante de este tipo de materiales os invito a leer la entrada “Magia Vikinga” de @Edocet.

Este es el aspecto que tiene uno de estos SLM. PA-LCoS

Este es el aspecto que tiene uno de estos SLM. PA-LCoS

En este blog ya explicamos cómo funcionaba una pantalla de cristal líquido. Normalmente las pantallas LCD utilizan un cristal líquido “Twisted Nematic”, donde la orientación de las moléculas es perpendicular en las dos caras, produciéndose un giro en el eje de transmisión de la luz. Las pantallas PA-LCoS se comportan como una lámina retardadora cuyo retardo será distinto dependiendo de la tensión que apliquemos a la celda. Son muy útiles en las aplicaciones en las que queramos modular solo en fase, sin alterar la amplitud. Esto es así ya que la orientación de las moléculas siempre está contenida en un plano. Un ejemplo de aplicación de estos moduladores se puede ver en: “Óptica Adaptativa“.

Existe una forma muy sencilla de medir el retardo introducido por una lámina. Consiste en incidir con luz polarizada lineal en la lámina y medir la intensidad a la salida con otro polarizador orientado en el mismo sentido que el de la entrada y en el sentido perpendicular. Sin embargo este sistema falla si el retardo introducido no es constante. En estos casos este método nos llevaría a unas medidas erróneas.

Medida de la intensidad en función del retardo introducido para distintas amplitudes en la fluctuación.

Medida de la intensidad en función del retardo introducido para distintas amplitudes en la fluctuación.

En la gráfica anterior vemos cómo varía la intensidad medida con el polarizador a la salida en paralelo y cruzado en función del retardo introducido. También apreciamos como conforme se aumenta el el nivel de fluctuaciones la gráfica se desplaza de su valor ideal, que es en el que la gráfica varía entre 1 y 0.

Este error en las medidas nos lleva a calcular un retardo que no es el verdadero. Se puede hacer una gráfica similar a la anterior con el retardo medio que se está introduciendo y el retardo calculado en función de las fluctuaciones.

Retardo medio introducido y retardo calculado.

Retardo medio introducido y retardo calculado.

Antes de entrar en los detalles de cómo podemos corregir estas medidas erróneas, explicaremos de donde vienen estas fluctuaciones.

Como estas pantallas son digitales, para seleccionar un nivel de tensión se manda a cada pixel un tren se pulsos digitales (una especie de modulación PWM). En principio la viscosidad del cristal líquido hará que estos “vean” un promedio de estos pulsos, con lo que se orientarán según el voltaje promedio. Sin embargo la viscosidad no es suficiente para anular todas las oscilaciones que se producen en la tensión de entrada, así que las moléculas estarán fluctuando con respecto a una posición. Cómo el retardo introducido depende de la orientación de las moléculas de cristal líquido, esto es lo que produce la fluctuación en el retardo.

Para que os hagáis una idea en la siguiente gráfica se muestra cómo se observa el retardo en función del tiempo para varios niveles de gris (voltajes aplicados).

Forma del retardo en función del tiempo para distintos niveles de gris.

Forma del retardo en función del tiempo para distintos niveles de gris.

Las gráficas anteriores se han conseguido gracias a medir las intensidades en función del tiempo con ayuda de un osciloscopio conectado a los radiometros.

Bueno amigos pues llegados a este punto toca explicar lo que se ha publicado. Lo que se ha conseguido es poder estimar las fluctuaciones que se producen en la pantalla a partir de las medidas de retardo.

En la siguiente gráfica se muestra las medidas de retardo obtenidas de la pantalla utilizada.

Retardo medido en función del nivel de gris. Sin tener en cuenta las fluctuaciones.

Retardo medido en función del nivel de gris. Sin tener en cuenta las fluctuaciones.

Observando la gráfica vemos como hay un punto donde debería llegar a 180º y otro donde debería llegar a 0º, pero sin embargo no llegan. Si suponemos que las oscilaciones se pueden modelar como una función triangular, podremos calcular la relación que nos desvía de las medidas ideales. Se puede demostrar también que en esos puntos de máximo y mínimo (donde no se alcanzan los valores esperados) la diferencia que observamos está relacionada solamente con la amplitud de las oscilaciones. Con lo que estos puntos nos sirven para calcular las oscilaciones que introduce la pantalla, sin necesidad de utilizar un osciloscopio (que por otra parte no es un instrumental habitual en un laboratorio de óptica). Además utilizando esas oscilaciones calculadas en esos puntos podemos corregir las medidas obteniendo los valores reales del retardo medio que se produce en la pantalla para cada nivel de gris.

Retardo medio obtenido una vez calculadas las fluctuaciones y corregido el error.

Retardo medio obtenido una vez calculadas las fluctuaciones y corregido el error.

Como veis se han corregido obteniendo la respuesta lineal y real que produce la pantalla. Lo que en principio era un problema nos ha servido para conseguir algo de información adicional sobre la pantalla y además nos permite corregir nuestras medidas. Tener una estimación del nivel de fluctuaciones que nos produce la pantalla, puede ser útil para poder anticipar si esta oscilación te afecta en la aplicación en la que vayas a utilizar la pantalla. Habrá aplicaciones en que esto simplemente no les afecte, cómo la de proyección de imágenes, y otras en las que pueda ser un poco más crítico, como en aplicaciones de lentes con super-resolución donde se notan más estos efectos.

No es un avance fundamental, ni clave para la humanidad, pero hace ilusión que le publiquen a uno 😉

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Referencia:

Extended linear polarimeter to measure retardance and flicker: application to liquid crystal on silicon devices in two working geometries. Opt. Eng.

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Viendo la televisión 3-D con tu mascota

Este post apareció originalmente en Naukas, lo transcribo aquí literalmente para tenerlo almacenado en este blog. También quería agradecer a @emulenews el que me haya animado a mandarlo a Naukas.

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Quizá hayas adquirido una de las nuevas televisiones en 3D que existen en el mercado. Y quizá seas un “#foreveralone” y te guste ver las películas con tu mascota. En este post te ayudaré a elegir la mascota ideal para ver “Buscando a Nemo” en 3D. Pero para ayudarte a elegir primero tengo que darte la brasa explicando cómo funcionan estas televisiones en 3D.

Televisiones 3D

Seguro que lo que voy a decir será obvio para muchos, pero por si acaso, ahí va: Si los humanos tenemos percepción de la profundidad es porque tenemos dos ojos. Además de tener dos ojos estos están más o menos separados (dependiendo del tamaño de tu nariz). Esta separación provoca que en cada ojo tengamos una imagen ligeramente distinta y nuestro cerebro triangula está información para que nosotros sepamos qué objetos están más cerca y cuales más lejos.

Puedes comprobar este hecho fácilmente extendiendo uno de tus pulgares delante de la cara y cerrar alternativamente uno y otro ojo, observarás que el pulgar se mueve como por arte de magia. ;)

Para que podamos ver una película en 3D, la televisión tiene que ser capaz de hacernos llegar esas dos imágenes distintas a cada uno de los ojos. Tendremos una película para el ojo izquierdo y otra para el ojo derecho.

Antiguamente se usaba el anaglifo, que eran las películas que se veían como una mezcla de dos imágenes, una en rojo y otra en azul, y que veíamos con aquellas gafas tan chulas de dos colores.

Gafas anaglifo

Por suerte esta época ha sido superada y hoy en día existen otros sistemas donde los colores se ven menos afectados, pero para entender esta nueva tecnología hay que saber cómo funcionan las televisiones LCD y la polarización.

Pero vayamos por partes.

¿Qué es la polarización?

Sabemos que la luz es una onda electromagnética, lo que significa que tendremos tanto el campo eléctrico como el magnético vibrando y desplazándose por el espacio. La polarización es el plano de vibración del vector del campo eléctrico. En la luz no polarizada este plano cambia de manera aleatoria con el tiempo. Si el cambio de este plano cambia de manera predecible con el tiempo diremos que la luz está polarizada.

Esto se ve mucho más claro con un gráfico.

Polarisation rectiligne.gif Polarisation circulaire.gif Polarisation elliptique.gif
Diagrama de polarización lineal
Diagrama de polarización circular
Diagrama de polarización elíptica

La luz completamente polarizada varía desde la polarización lineal, donde el plano de oscilación es constante con el tiempo, hasta la circular pasando por la luz elíptica, polarizaciones donde el plano gira 360º cada periodo óptico.

En la polarización elíptica tendremos que las componentes del campo eléctrico oscilan con un cierto desfase entre ellas que se encuentra entre 0º (que sería la polarización lineal) y 90º (que sería la polarización circular) describiendo esa trayectoria en la dirección de propagación que se ve en la figura. También hay que señalar que dependiendo del sentido de giro que describe el vector del campo eléctrico tendremos que la luz girara en sentido horario o anti-horario dependiendo de qué componente del campo eléctrico esté retrasado con respecto al otro.

¿Cómo funcionan las televisiones LCD?

Básicamente un televisor LCD (Liquid Crystal Display) utiliza la polarización de la luz para poder modular la intensidad de cada pixel en la pantalla. Para esto se utilizan dos polarizadores lineales cruzados (en la imagen vertical filter) que encierran una celda de cristal líquido.

Celda que corresponde al subpixel rojo de un televisión LCD

El primer filtro lo que consigue es que tengamos un estado de polarización a la entrada de la celda de cristal líquido, en este caso polarización lineal en sentido vertical. (Notad que la fuente de luz estará en la parte trasera de la pantalla). La celda de cristal líquido produce un cambio en la polarización de la luz a medida que la atraviesa, ya que tiene la capacidad de afectar de manera distinta a las componentes del campo eléctrico. (Birrefrigencia llaman a esto) Además este cambio dependerá del voltaje aplicado al cristal líquido, con lo que podremos cambiar de polarización vertical a la polarización horizontal necesaria para que toda la luz pueda salir al exterior, pasando por todos los niveles de luminosidad intermedios. Si esto lo hacemos para cada color, Rojo, Verde y Azul (RGB) tendremos una pantalla en color.  Una explicación más profunda y de todas las partes de la pantalla se puede ver en el siguiente vídeo.

Hay que destacar en este punto aquí que la luz que sale de nuestras pantallas estará polarizada linealmente, algo que como humanos que somos no nos afecta ya que nuestros ojos son incapaces de distinguir la polarización de la luz. Para poder distinguirla tendríamos que tener alguna especie de polarizador en los ojos.

Ahora que ya sabemos qué es la polarización y cómo funcionan nuestros televisores, es hora de volver a las televisiones en 3D.

Cómo hemos dicho para poder ver en tres dimensiones tenemos que hacer llegar diferentes imágenes a cada ojo. Para esto hay dos estrategias una llamada 3D-activo y la otra 3D-pasivo, que dependerán de donde hagamos el esfuerzo “tecnológico” (por llamarlo de alguna forma) para seleccionar la imagen que irá a cada ojo.

Los sistemas activos utilizan a su vez unas gafas de cristal líquido que lo que hacen es bloquear la visión de uno u otro ojo. Si esto lo sincronizamos con la aparición en la pantalla de la imagen para el ojo correspondiente y lo hacemos suficientemente rápido, ya tenemos la formación de la imagen en 3D.

Pero hay otro sistema que, al menos a mí, me parece más elegante. Y es la que utiliza la polarización circular levógira y dextrógira. Como hemos comentado, la imagen a la salida de una pantalla LCD está polarizada linealmente, con lo que pasar de una polarización lineal a una polarización circular es muy sencillo, basta con utilizar una lámina retardadora de cuarto de onda, es decir, una lámina que desfase las componentes del campo eléctrico 90º una con respecto ala otra. Si orientamos esta lámina que produce el retardo necesario para la polarización circular a 45º con respecto al polarizador lineal de salida tendremos automáticamente luz polarizada circular levógira, si lo orientamos a -45º tendremos luz polarizada circular dextrógira.

Basta con añadir una capa más al televisor para poder tener dos tipos de polarización distintos. Lo que se hace es poner esta lámina retardadora con distintas orientaciones en líneas alternas de píxeles. Después se mostrará en el televisor las dos imágenes entrelazadas y así llegarán hasta nuestros ojos dos imágenes con distinta polarización.

Conversión de polarización lineal a Circular levógira y dextrógira. Cada línea de píxeles se polariza en un sentido de giro.

Para detectar la polarización circular basta con ponernos unas gafas que en un ojo tendrán una lámina de cuarto de onda más un polarizador lineal orientado a 45º y en el otro orientado a -45º.

Muy bien, ya sabemos cómo funcionan las televisiones en 3D. Ahora solo queda:

¿Cómo elegir nuestra mascota?

Esto podría ser una elección sencilla, ya que todo el mundo sabe que el perro es el mejor amigo del hombre, así que problema resuelto, podremos ver la película con nuestro can preferido. Pero esto tiene una serie de inconvenientes: la primera es que el perro solo es sensible al verde y al azul, con lo que no disfrutaría de toda la gama de colores que le vamos a proyectar, y además los perros no son sensibles a la polarización así que tendríamos que comprarle una gafas para perros, y estarás de acuerdo conmigo que esto es muy “freak”. Tenemos que buscar una solución.

La solución pasa por escoger al único animal que se sepa por ahora, que es capaz de detectar la polarización circular levógira y dextrógira: la Gamba Mantis. Qué además sabemos que es muy simpática y que es el animal favorito de los naukas.

La Gamba Mantis además de poder detectar una mayor gama de colores ya que tiene 16 receptores de color distintos, desde el infrarrojo hasta el ultra-violeta. Es capaz de caracterizar la luz cómo si de un polarímetro se tratase.

Los ojos de la Gamba Mantis están formados por un conjunto de ommatidias. Como se ve en la imagen:

Omatidias de la Gamba Mantis, con su región central.

Cada una de estas ommatidias es un pequeño ojo, donde existe una serie de rabdomas que son sensibles a distintos tipos de polarización lineal. Si bien esta sensibilidad a la polarización lineal no es exclusiva de la Gamba Mantis, ésta posee una banda media de ommatidias dividida en 8 filas que le añaden ciertas funcionalidades.

Las filas de la 1 a la 4 añaden sensibilidad a varias longitudes de onda, mientras que las filas 5 y 6 contienen una clase especial de rabdoma que actua cómo lámina retardadora de cuarto de onda, con lo que combinada con un rabdoma que detecte polarización circular con la orientación a 45º ya tenemos la detección de la luz polarizada circular levógira y dextrógira.

Así que sin duda la mejor mascota para compartir nuestras películas en 3D es la Gamba Mantis, ya que no tendrás que ponerle esas ridículas gafas.

El problema de ponerle “Buscando a Nemo” es que vea algo que le apetezca más que las palomitas y de un golpe te rompa la pecera encima del sofá.

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¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Tecno-Tapa: Pantallas de Cristal Líquido LCD

A raíz de la entrada Polarización ¡Qué sustos nos das! publicada en el insigne Blog Cuentos cuánticos, se me ocurrió que podría explicar como funcionan las pantallas de televisión LCD actuales. Así que, si te interesa saber como funcionan, esta es tú entrada.

Posibles usos de una pantalla: Dar ruedas de prensa.

El funcionamiento de los televisores es muy similar al funcionamiento de las pantallas de la viejas calculadoras, o de los relojes digitales. Así que empezaremos explicando como funcionan estos. En la siguiente figura se muestra un esquema de funcionamiento de una pantalla LCD capaz de mostrar 3 dígitos:

Partes de una pantalla LCD

Las distintas partes son:

  1. Polarizador Vertical
  2. Pantalla transparente con electródos.
  3. Capa de cristal líquido. Normalmente (Twisted Nematic)
  4. Electrodo común
  5. Polarizador Horizontal
  6. Pantalla reflectante

Para explicar el funcionamiento comenzaremos de atrás hacia adelante. La pantalla reflectante (6) es la encargada de hacer “rebotar” la luz incidente para que parte de ella pueda llegar a nuestros ojos. En las pantallas de televisión está capa se sustituirá por un sistema completo de iluminación.

La capa (5) o polarizador Horizontal, se encarga de definir un estado de polarización conocido, en este caso polarización horizontal.

La capa (4) es una capa trasparente con un tratamiento conductor de forma que podemos aplicar tensión a esta lámina, nos servirá para definir la referencia de tensión, tensión que será necesaria aplicar para orientar las moléculas del cristal líquido.

La capa (3) es una capa de cristal líquido que se encuentra contenido entre los dos electrodos (capa 2 y capa 4), los cristales líquidos son una molécula que son capaces de reaccionar ante la presencia de una tensión, orientándose en el sentido de esta, es decir las molécula cambiarán la orientación en función del voltaje, lo que provocará que cambie el estado de polarización de la luz.

La capa (2) es una capa transparente con electrodos, pero en este caso hay distintas zonas que son accesibles independientemente, es decir, se puede aplicar tensiones a una y a otras no, de forma que podemos aplicar tensión a unos segmentos (segmentos se llaman a las rayitas que van dibujando los dígitos) y a otros no, de forma que podemos variar el estado de polarización en unas zonas o en otras.

La capa (1) es un polarizador Vertical, se encarga de “detectar” el estado de polarización de la luz a la salida de la celda LCD. Si recordamos entrabamos a la celda o segmento con una luz polarizada horizontal, si no aplicamos tensión, la parte del cristal líquido está diseñado para que convierta esta polarización horizontal en polarización vertical a la salida, de esta forma si no aplicamos tensión, a la salida veremos toda la luz. Si en su caso aplicamos tensión, la celda de cristal líquido no variará el estado de polarización de entrada (horizontal) con lo cual a la salida no veremos luz, ya que tenemos un polarizador orientado perpendicular a este. Así veremos una zona oscura que será la que dibuje el dígito.

En función de la tensión que apliquemos, podremos graduar la cantidad de luz que pasa o deja de pasar, es decir controlamos el nivel de gris con el que se muestra cada segmento.

Resumiendo:

La luz incide sobre nuestra calculadora totalmente despolarizada. Se refleja en la lámina reflectante. Mediante un filtro polarizador definimos el estado de polarización de esta. Esta luz ya polarizada atraviesa una capa de cristal líquido que cambia su estado de polarización de horizontal a vertical. Pero la orientación de la polarización a la salida dependerá de la tensión aplicada. El polarizador de salida dejará pasar más o menos luz dependiendo de la orientación de la polarización tras el cristal líquido, de forma que si coincide dejará pasar toda la luz (blanco), y si es perpendicular la bloqueará (negro).

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Si hemos conseguido entender el funcionamiento la calculadoras, el funcionamiento de las televisiones es exactamente el mismo, pero esta vez tenemos nuestra fuente de luz, y sustituimos los segmentos por subpíxeles, es decir hacemos estos segmentos mucho más pequeños y añadimos una capa de color para poder tener imágenes coloreadas, cada píxel de la pantalla estará formado por 3 subpíxeles de color Rojo, Verde y Azul, para poder formar cualquier color. El esquema de cada subpixel será el siguiente:

Subpíxel de una televisión en color

Como podéis imaginar lo complicado en este caso es el entramado de control, ya que cada uno de los subpíxeles debe ser direccionado independientemente. Para aplicar esta tensiones a cada subpixel es donde se encuentra la tecnología TFT (Thin Film Transistor), lo que permite construir pequeños transistores en las láminas de cristal que encierran el cristal líquido para facilitar el acceso a estos píxeles.

La tecnología usada en la iluminación trasera de la celda también definen el tipo de pantalla, ya que se pueden usar una especie de tubos de luz fluorescente, o iluminación LED.

A continuación os dejo con un vídeo de “Engineer Guy” explicando el funcionamiento, tiene subtítulos en castellano: “Enjoy it”

Por último me gustaría que os quedarais con un detalle, la luz a la salida de la pantalla está polarizada linealmente, ya que para conseguir un nivel de gris “proyectamos” el estado de polarización sobre el polarizador de salida. Comento esto porqué a partir de aquí será muy fácil conseguir una televisión en 3D. Pero esto ya será otra historia 😉

¿Nos leemos?

@guardiolajavi