Fibra Optica Ed.moscu Sattarov

D. K.S attáro v

EditorialMirM oscú

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A. K.

C A T T A P O B

B O J I O K O H H A HO n T H K A

H a ^ a T e j i b c t b o

«MamHHOCTpoeHwe»

JleHHHrpa^n;

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D.K.SATTÁROV

EDITORIAL

MIR

MOSCÚ

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Improsr uo la UBSS. 1977

rraducjf lo de l ruso por Dr. Jaime Castro Blanco

© HaKaToabCTno «MaunmocTpóeinio». 1973 © Traducción al español. E d i to r ia l Mir. 197

H a HCitancKoM iw

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Í N D I C E

P r e f a c i oOPTICA DE FIBRAS:NUEVA TENDENCIA AEN LA CONSTRUCCION DE APARATOS1. Lugar que ocupa la fibroóptica eu la cons

trucción de aparatos2. Resumen histórico3. Estado actual de la óptica de fibras

LA OPTICA ODE LAS GUIAS DE LUZ4. La óptica de las guías de luz singulares5- Efecto de los tres anillos: base do la óptica geo

métrica del haz de guías do luz

TRANSFERENCIA ODE IMAGENES POR MEDIO ^DE UN HAZ DE GUIAS DE LUZ6. Formación de la imagen por medio de un haz

de guías de luz7. Transferencia de una imagen por elementos

y carácter de mosaico de la estructura

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8. Métodos de eliminación del carácter mosaico de la imagen

9. Características ópticas del haz de guías de luz

CLASIFICACIONDE LOS ELEMENTOS /FIBROSOS Y PRINCIPIOS D E SU APLICACION10. Primera clase: Elementos fibrosos iumimi-

téemeos11. Segunda clase: Elementes fibrosos para la

transmisión de imágenes ópticas12. Tercera clase: Elementos fibrosos para la

transformación de la información luminosa13. Cuarta clase: Elementos fibrosos para la

transformación de la imagen óptica14. Otras clases de elementos fibrosos

METODOSDE LA TECNICA KOPTICA CLASICA Y LA F1BROOPTICA15. Confrontación entre la técnica óptica clásica

y los sistemas de conductos de luz16. Fibroóptica y patentes de la naturaleza

Conclusión

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P R E F A C I O

La descripción de muchos descubrimientos y alcances científicos empieza con la f rase; en la fecha ta l , en una revista científica se publicó una información resumida, de cxjya existencia sólo sabía un círculo reducido ‘d e . especialistas y la cual tuvo muy poca repercusión.. De osla forma el significado del descpb.rimteptA, o del logro científico permanecía sub,é^tipiado ppj^pspa- cio de algún tiempo. Con el descubrimiento de la óptica dé fibras no sucedió así, pues tan to los científicos como un buen número de lectores tenían conocimiento de ella a través de revistas de divulgación científica y. de los diarios, en los cuales estas informacion.es frecuentemente ten ían un carácter sensacipnalista. Las investigaciones tanto teóricas como experimentales en la esfera de la óptica de fibras ta n sólo comenzaban a tener una base sólida. A l mismo tiempo, una accesibilidad y sencillez falsas do la comprensión de los métodos de la fibroóptica condujeron a la aparición de una gran cantidad de ideas en cuanto a la aplicación de Ips elementos fibrosos en la fabricación de aparatos y un sinnúmero de diseños de «dispositivos en principio nuevos». Por esta ra?ón,

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en la primera década del desarrollo do la óptica do fibras, los factoros científicos, los éxitos técnicos, la ac t i tud pesimista y los pronósticos o p t i mistas se mezclaron tanto que incluso los especialistas dedicados a la óptica de fibras tuvieron que buscar respuestas a muchas incógnitas. P or ejemplo, ¿se ha confirmado el efecto técnico- económico que se esperaba, o ésto resultó negat ivo? , ¿qué se puede p lasm ar tecnológicamente y qué es sólo un propósito deseable?, ¿qué parámetros do los elementos de la óptica de fibras son factibles y realizables en ja práctica?, etc.

La fibroóptica lia sido considerada por mucha gente como un milagro e incluso hoy aparecen artículos y folíelos con semojonles t ítulos. Sin embargo, aunque ella posee grandes ventajas, tieno también deficiencias objetivas. E l empleo de los métodos de la fibroóptica ostá regido por las leyes generales de la propagación de la rad ia ción a través de las guías de luz monofilares o multifilares; por l a posibilidad de realizar, m ediante diferentes procedimientos tecnológicos, la construcción do un determinado elemento fibroso; por los principios de aplicación, por las condiciones de t raba jo en combinación con otros medios técnicos; por los sistemas y por muchos otros factores. L a subestimación o la fa lta del conocimiento del carácter específico de los problemas conduce en la práctica , a una indeterminación del l ím ite entre lo posible y lo imposible respecto a la fabricación de dispositivos a base de fibras; esto, desafortunadamente, a veces está relacionado con la pérdida de grandes valores materiales y de tiempo dedicados a la realización de investigaciones teóricas y experimentales a todas luces fallidas.

Ex is te otro aspecto de este problema: el desconocimiento de los fundam entos principales y de los métodos concretos de la fibroóptica con-

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duce frecuentemente a la elaboración de elementos fibrosos de diseño y fabricación demasiado complejos, los cuales pueden ser reemplazados por otro apara to fibroso de construcción sencilla, de una elaboración re la tivam ente fácil desde el punto de v is ta tecnológico y , como regla general, de tam año pequeño, do gran seguridad en la explotación y con parám etros ópticos más altos.

Indudab lem ente , las posibilidades de la fi- broóptica todav ía están m uy lejos de agotarse y es difícil imaginarnos qué otros dispositivos originales y de gran efectividad podrán realizarse con su ayuda.

La experiencia del au tor en la elaboración de diferentes elementos fibrosos permite afirmar que las posibilidades de la fibroóptica son frecuentemente soprendentes incluso para un exporto y, como norma, conjugadas con un alto efecto técnico-económico, que apenas ha empezado a revelarse.

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ÓPTICA DE FIBRAS:NUEVATENDENCIAENLA CONSTRUCCIÓN DE APARATOS

Entre todas las ramas de la Física, la óptica ocupa verdaderamente* vina posición principal, determinante o, como afirma el5 profesor de la Universidad 'de Londres S. Tolansky, un lugar privilegiado. No es necesario demostrar que la utilización de las leyes ópticas juega un papel excepcional- en la vida del hombro. La maravillosa facultad de admirar todo aquello que diariamente pasa frente a sus ojos so lo debo el hombre a la luz. Contemplando todo lo qpo ocurre a nuestro alrededor no podemos dejar de pensar que la imagen del. mundo exterior llega a nuestro conocimiento como información luminosa. ¡Casi el 100% do la Información, el hombre la obtiene a través de su canal visual! Recuerde al espec-

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tn d o r en el c iño , a l m ecánico 0 11 su m á q u in a , al operador frente a l tab lero de m a n d o , al co sm on au ta en su nave , etc. L a h is to r ia de la c ienc ia m uest ra el papel p re d o m in a n te del e s tu d io de las p rop iedades de la luz en oí desarro llo de la F ís ica desde las fuen tes del pen sam ien to c ien tíf ico h a s ta las m ás célebres teo r ías m odernas , com o la teo r ía cu án t ica y la teo r ía de la r e la t iv id a d . Es co n v en ien te reco rd a r la exp res ión p rov erb ia l de W . Bragg: «La p a la b ra «luz» con t ien e to d a la Física y com o ta l todas las ciencias».

No o b s tan te , hace a lgún t ie m p o e n t re un núm ero reducido de científ icos , g en e ra lm en te no d ed icados a la ó p t ic a , se expresó la idea ( ¡au n q u e cu idadosam ente!) de que la óp t ica era ya u n a ciencia t e rm in a d a , en la que t a n sólo p o d r ía perfeccionarse lo logrado , s in que se espera ran s a l io s c u a l i t a t iv o s . S in em bargo , la v id a ha r e b a t id o tal h ipó tes is . D u ra n te los ú l t im o s 15—20 años se h a n desarro llado en form a im p e tu o sa nuevas ten d e n c ia s en la ó p t ica : la técn ica de los generadores ópticos cuán t ico s , la ho logra f ía , la term o- v is ión , la ó p t ica de f ib ras y los m é to d o s ópticos de p rocesam ien to de la in fo rm ación basados en es tos logros. E l desarro llo de la nu eva óp t ica es im posib le sin la rea l izac ión de m a te r ia le s ó p t icos o r ig inales . Las te n d e n c ia s in d icad as en c o n ju n to ca rac te r izan cualita tivam ente u n a nueva e tap a en el desarro llo de la ó p t ica como ciencia.

H a y que s e ñ a la r a n te todo que los m étodos óp t icos m odernos son inconceb ib les s in la óp t ica clás ica . A la vez, los m étodos de la ó p t ic a c lás ica en co m b inac ió n con la s n uev as te n d e n c ia s de la c ienc ia ó p t ica d an p roced im ien tos a l t a m e n te efect iv o s para p rocesam ien to de la in form ación . P o r e jem plo , los m étodos de la f ib ro ó p t ic a .son rea l izab les , com o reg la , en co m b in ac ió n con los s is tem a s óp ticos clásicos, y e s ta co m b inac ión

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p e rm ite resolver problemas im posibles de so lu c io n a r por medio únicam ente do la óp t ica clásica o los que pueden êr resuoltos con su ay u d a , pero t a n poco e legante que no se puede h a b la r de una a m p l ia u t i l iz ac ió n p rác t ica de ta l solución.

L a ó p t ica c lás ica y la nueva óp tica en conju n to d ieron un im pulso efectivo p a ra e l u l te r io r desarrollo de la c iencia y la técn ica en o t ra s d irecciones como, por e jem plo, en la construcción de d ispos i t ivos i.ptico-electrónicos, en la m edic in a , en la c iberné tica , en la acúst ica , en la lu m in o tecn ia , en la te levisión, en la construcción de ap a ra to s de m ed id a , de d ispos it ivos nucleares, etc . P o r e jem plo , lo q u e a n t ¡ s parecía u n a s im ple i lu s ión de los m édicos, quienes exc lam aban :«¿Si lo p u d ie ra n ver los ojos!», ahora es u n a rea l i d ad g rac ias a l a nu eva óp tica . H o y , s in necesidad de u n a operación pueden ser accosibles a l a observac ión p rác t ica m en te todos los órganos in ternos de l ser hum ano .

1. LUCAH QUE OCUPA LA FIBROOPTICA EN LA CONSTRUCCION DE APARATOS

L as nu ev as tendenc ias do la óp tica : los generado res ópticos cuán ticos , la holografía , la te r mo vis ión y la óp tica de f ibras es tán es trecham en te re lac ionadas en tre sí y a m enudo se en tre lazan . Así, los generadores ópticos cuánticos y los am plif icadores de luz , conocidos tam b ién ba jo e l nom bre de láseres , es tán realizados en las construcc iones a base de f ib ras y de guías do luz. E n la s l ín ea s de te lecom unicaciones óp ticas , la in fo rm ación en fo rm a de rayo láser se t ransm ito -a t ra v és de haces de f ib ras (guías de luz pasivas); la r a d ia c ió n a te n u a d a en la s f ibras so am plif ica por m edio de láseres — «retransmisores» in c lu s ive los de f ib ras luego se t ra n sm ite has ta el si-

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g u íe n lo r e t r a n s m is o r a t r a v é s do g u ía s (conductos) de luz p a s iv a s y así suces iva m en te .

La ó p t ic a de l ib r a s p o n e tra c a d a vez m ás am p l iam en te* en la h o lo g ra f ía . Y a h oy e s tá n d e m o s t r a d a s la p o s ib i l id a d y la o fe c t iv id a d de la u t i l i z a c ió n de los e lem en to s f ib rosos b ie n sea en la r a m a de fu n c io n a m ie n to de l in te r fe ró m e tro h o log rá f ico (por e jem p lo , e n t re la p la c a fo to g rá f ic a y el o b je to ) , b ie n en su r a m a do apoyo , b ie n e n a m b a s s im u l tá n e a m e n te . C ada d ía a u m e n ta e l n ú m ero de t r a b a jo s sobre e s te te m a .

L as f ib ra s t r a n s p a r e n te s e n la p a r t e in f ra r ro ja del ospecl.ro h a n em pezad o a u t i l i z a r s e en d isp o s i t iv o s do te rm o v is ión .

Los e le m e n to s do g u ía s d e lu z se h a n c o n v e r t id o en p a r le in t e g r a n te de g r a n o fe c t iv id a d en m u c h o s d isp o s i t iv o s p a ra las in v e s t ig a c io n e s c ie n t í f icas .

L a c o m b in a c ió n de la ó p t ic a c lá s ic a y de la n u e v a ó p t ic a con los logros en o t ra s r a m a s d e la c ie n c ia y l a té c n ic a co n d u jo a la a p a r ic ió n do te n d e n c ia s c o m p le ta m e n te n u e v a s , ta le s com o la o p to c le c t ró n ic a , l a jcó n ica , la percepción a u t o m á t i c a de im ág en es a c ú s t ic a s , la té c n ic a de las c o m p u ta d o r a s de acc ión r á p id a y de lo s d is p o s i t iv o s c ib e rn é t ic o s , t o t a l m e n t e óp t icos . E n to d a s e s ta s esferas l a ó p t i c a de f ib r a s ju eg a un p a p e l m u y i m p o r t a n t e .

M uchos c ie n t í f ic o s croen q u e e l d e s c u b r i m ie n to de la ó p t ic a do f ib r a s c u m p l i r á en la c ien c ia f ís ica e l m is m o pap e l r e v o lu c io n a r io que d esem p eñó e n su época l a a p a r i c ió n de los s e m i co n d u c to re s . H o y d ía la p r á c t i c a c o n f i rm a e s ta o p in ió n .

Oploelectrártica . E n el p u n to de en lace de la ó p t i c a , de la m e c á n ic a c u á n t i c a y do la e le c t ró n ic a ha ap a re c id o e n los ú l t i m o s a ñ o s (se c o n s id e ra el añ o 1961 com o el com ienzo) y se desa r ro l la in te n s a m e n te u n a n u e v a r a m a de la ó p t i c a ,


la op toelectrónica , en la cual se u t i l izan los m étodos elcctronofo tónicos de transm isión , a lm acenam iento y reproducción de la información. E l func ionam ien to de los dispositivos optoolectrónicos se basa en los procesos de transformación de señales e léctricas en lum inosas y viceversa. Si en los apara tos radio técnicos y electrónicos corr ien tes , la t ransform ación ( transm isión y conversión) de información se rea l iza por medio de f lu jos electrónicos {corriente eléctrica, haz electrónico), en la optoelectrónica, las funciones del flujo de electrones las cum ple un haz luminoso. Los dispositivos optoelectrónicos so diferencian de los s is temas radioelectrónicos y electrónicos clásicos on \ina m ayor rap idez de acción, m ayor seguridad , dimensiones considerablemente m enores, m enor consumo de energía, una gam a ú t i l de frecuencias m ás am p lia , un bajo nivel de ruidos (falsa información, interferencias) y otras v e n ta jas;

L a op toelectrónica encontró am plia ap licación en s is temas radiotécnicos para aum en ta r su e fec t iv idad y s im plif icar el manojo y procesam ien to de la información; en d ispositivos de reproducción de la imagen; en s is temas lógicos y de m em oria de las com putadoras de acción rá p id a ; on dispositivos indicadores de exploración; en s is tem as au tom áticos, en electrónica in d u s t r ia l y o tras esferas. La optoelectrónica es inconcebible sin la óptica de fibras.

Los tres e lementos fundam enta les en los d isposit ivos optoelectrónicos son: las fuentes lu m inosas, los t ransform adores fibrosos de luz (sistem as de guías de luz) y fotorrcceptores. P rec isam ente con ayuda de los elementos de fibras en la op toelectrónica se l levan a cabo ia transm isión , l a t ransform ación y la reproducción de la información, y m ed ian te la u t i l izac ión do láseres de f ibras y placas de microcanales (elementos acli-


vos), la t ransform ación espectral y am plif ica ción de la lum inosidad de la información.

/ cónica . Los s is tem as de reproducción de im ágenes-ópticos, fotográficos, de televisión y o t ro s — desempeñan un papel cada vez m ás im p o r tan te en l a vida del hombre moderno, en las inves t i gaciones científicas y en la producción. E n los años 1964 y 1965 en el pun to de un ión de,la óptica , la te levisión , la fotografía , la biofísica y la teoría do la información surgió una nueva ra m a de la ciencia: la icónica, que analiza los problemas referentes a la t ransform ación de la información en s is tem as de reproducción de imágenes. E s ta s transformaciones en la icónica se d iv iden en dos grupos: codificación y descodificación de las imágenes.

La tarea fu n d a m en ta l de la icónica es la e la boración de m étodos óptim os de codificación y descodificación do imágenes, que g a ran t icen los valores l ím ites óptim os de los parám etros para una ca l id ad dada de la reproducción, tom ando en cuen ta las l im itac iones im puestas a l s is tem a, es decir, la icónica es la teoría de los s is tem as óp tim os de reproducción do imágenes.

A ctua lm en te se proyecta p robar y m odela r m uchas deducciones teóricas de la icónica ap l i cando los métodos de la óptica de f ib ras como medio que desintegra la imagen in ic ia l— o r i g in a l— en elomonlos, la codifica, la t ran sm ite a d is tanc ia y reproduce la imagen descodificada con determ inado grado de s im i l i tu d con el original. E n este sentido, la f ib roóptica es un método a l tam en te efectivo 011 la comprobación exper im enta l de las conclusiones de la icónica.

Percepción automática de imágenes acústicas. Los m étodos para la percepción au to m ática do imágenes acústicas adqu ie ren cada año un m ayor significado en m uy v a r iadas esferas de la ciencia y la técnica. P o r una par te , en esto


Se m a n i f ie s ta el sueño e terno de l h o m b re de log r a r que el ojo p u e d a o b se rv a r la s im ágenes acúst i c a s (recuerde el re f rán p o p u la r «Es m e jo r verlo u n a vez que o ír lo m i l veces»), por o t r a p a r te ex is te la te n d e n c ia del h o m b re a d i r ig i r la s m á q u in a s po r m ed io de l so n id o , es dec ir , de r e a l iz a r en fo rm a v e rb a l la co m u n ica c ió n del h o m b re con la m á q u in a . E n los ú l t im o s años, la técn ica de la percepción a u to m á t i c a de las im ágenes a c ú s t ic a s h a a lc a n z a d o u n g ra n s ignif icad o en re lac ión con e l hecho de que ol cont r o l a u to m á t ic o de l t r a b a jo de la s m á q u in as — generad o res , m o to res , s i s te m a s energéticos, secciones m e c a n iz a d a s de la p ro d u cc ió n y de o t r a s m u c h a s in s ta la c io n e s puedo fac i l i ta r se co n s id e ra b le m e n te con a y u d a de lo s m é to d o s de la percepción a u to m á t ic a y de l a n á l i s i s del «ruido», que p ro du cen la s m á q u in a s en func io n a m ie n to . N o m enos im p o r ta n te s son la s ta r e a s re la c io n a d a s con l a percepción de ru id o s a u d i b les on la naveg ac ió n , en ol t r a n s p o r te , en la m e d ic in a , etc.

E l av an ce en el desarro llo de los m étodos de la percepción a u to m á t ic a de im ágenes acús t icas so debe a l em pleo on és tos de e lem en to s de la f ib ro ó p t ic a l la m a d o s sep trones: u n «cepillo»d im in u to de u n g ran n ú m e ro de in d ep en d ien te s f ib r a s ó p t ica s de lo n g i tu d y sección difere n te s . D u r a n te l a g rab ac ió n do u n sonido las f ib ra s v ib r a n según la fu e n te y el c a rá c te r del ru id o , p ro d u c ien d o e n ©I pane l do c o n t ro l u n d ib u jo lu m in o so e s t r i c t a m e n te d e te rm in a d o . Al l leg a r el so n ido g rab ad o , éste so perc ibe con a y u d a de f ib ra s v ib ra n te s t ra i isp a ren to s a la luz y de u n fo to d ib u jo en el pan e l de co n tro l . L a s g ra b a c io n es se p tró n ic a s se u t i l i z a n con é x i to en la s d iag no s is técn ica y m éd ica .

L a óptica ftbro-elec trónica . Los e lem en to s de l a ó p t ic a f ib ro -e lec t ró n ica cons is ten en lá m in a s

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de u n a m u l t i tu d de fibras m e tá l icas electrocon- duc to ras a is ladas entre si y del m edio externo por capas in te rm ed ias de v id rio . L a tecnología para la fabricación de es tas p lacas so basa com p le tam en te en la tecnología que com únm ente se u t i l iza en la f ib roóptica : u n e lem ento mono- f i la r se estira y so recubre con v id r io a islador, so tom a luego un m ano jo de e lem entos m ono- f ila res y se ap r ie tan p a ra fo rm ar e lem entos po l i filares; estos ú l t im o s so co r tan , se colocan on un molde y se som eten al prensado en ca lien te .

E l recu b r im ien to a is lador do v idrio puede ser de una sola capa o de t re s capas . E n el ú l t i mo caso, la capa an u la r del cen tro t ie n e un ín d ice de refracción m ay or que el de las capas an u la res de v id r io contiguas; d icha lám ina puede c u m p l i r t a n to l a func ión d e cab le conductor como la de gu ía de luz.

Gomo m a to r ia l para el a lm a del cab le conduc to r puedo usarse no sólo m eta l , s ino t a m b ién v idrio e lee troconductor; es ta a lm a puede serv ir de cable eléctrico o do gu ia de luz de la rad iac ión infrarro ja .

La óptica f ibro-electrónica ya ho y día encuentra u n a am p l ia ap licación en los d isposit ivos indicadores, en la s re j i l la s piezoeléctricas, en la s ins ta lac iones para la ho lografía , e tc .

U na p laca de la óptica fibro-olectrónica puedo u t i l iza rse para el a lm acenam iento , t ra n s ferencia , am plif icac ión y v isualización de la f igura de la d is t r ib uc ión de u n cam p o electrostá t i c o lo m ism o que en ca l idad de d isposit ivo im preso r de acc ión ráp id a que asegura u n a l to poder do resolución, por e jem plo , para la g rabac ión de los resu ltados de u n cá lcu lo en una co m p u tad o ra electrónica . E n este caso la im p re sión se l leva a cabo en un papel especial, que recibo carga eléctrica , cuya d is tr ibución es portad o ra a la sa lida de do te rm inada inform ación.


feí papel so elabora de m anera semejante al m étodo que se em plea en las m áqu inas do xerografía y multicopistas.

Exploración automática y sistemas de exploración. E s ta ram a independiente y de rápido desarrollo ana liza los problem as do la formación, transm isión , discretización óptim a, almacenam ien to y reproducción de la información por medio de los m étodos de exploración; estudia Ja teo r ía de la construcción racional de los esquem as es truc tura les de información y de los sistemas concretos de exploración, así como la separación de esquemas estructurales óptim os destinados a la solución de problem as inform ativos de una clase de te rm inada . Algunos m étodos de exploración au to m ática y los m ismos s is tem as de exploración se es tud ia rán m ás adelan te . A quí so lam ente subrayam os el hecho de que precisam en te el surg im ien to de la fibroóptica y las nuevas pos ib il idades descubiertas m edian te la conjugación rac iona l de los métodos de la fib roóptica con la técnica del láser y con la construcc ión de los apara tos óptico-mecánicos y óptico-electrónicos dieron un im pulso eficaz y cu a l i ta t iv o hacia un efectivo desarrollo y una aplicación p rác tica de la ciencia en la exploración au tom ática y en la técnica de los s is temas de exploración.

lladioelectrónica y la construcción de los aparatos óptico-electrónicos. Un papal au tén t icam ente revolucionario en v ías del desarrollo u l te r io r de la radioelec trónica y de la construcción de d ispositivos óptico-electrónicos lo ha desempeñado la u t i l izac ión 021 dichos s is tem as de e lementos a base do fibras: aumentó sustancia lmente el alcance, se elevaron considerablemente la seguridad y la protección contra los ru idos parásitos , aum entó la rapidez do acción do los s is tem as en el procesamiento de la infor-

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moción, se s im plif icaron los métodos cíe la t ra n s m isión, a lm acenam ien to y reproducción radio^ electrónicos de la información; en la m ayoría do los casos d ism inuyeron el t a m a ñ o y el peso de los sistemas, au m en tó no tab lem ente el vo lum en de la información procesada, m ejorando a l mismo t iem po su ca l idad , se s implif icaron los m étodos do la visualización de señales, etc.

E n la l i te ra tu ra técnico-científica h a n aparecido nuevos térm inos: l a técn ica de la radio- electrónica fibroóptica , la construcción de a p a ra tos fibroelectrónicos, la bobina de choque fibroóptica, el transfo rm ador f ibroóptico , la técnica do la radio te lefonía f ib roóptica , etc.

Los principios de la u t i l izac ión de los elem entos a base de f ib ras en la construcción de ap a ra to s radioelectrónicos y óptico-electrónicos se a n a l iza rán m ás ad e lan te con ejemplos concretos de dichos dispositivos. Ahora c i ta remos ta n sólo un hecho: en var ías monografías dedicadas a la construcción da apara tos óptico- e lectrónicos pub licadas en los años 1961-1965, es posible encontrar la afirmación de que los convertidores de cascada óptico-electrónicos no hab ían logrado u n a am plia difusión.

A c tua lm en te los convertidores de cascada óptico-electrónicos son ap a ra to s am p liam en te u ti l izados en diferentes ram as do la técn ica . E s te cam bio cu a l i ta t iv o en la ap licac ión de dichos d ispos it ivos se debo a la f ibroóptica .

Optica no lin ea l . E l gran c ientíf ico soviét ico S. I . VavíJov, ya en el año 1944 escribió que «la verdadera óptico de la sus tanc ia con la cua l tenemos que t ra b a ja r genera lm ente es no lineal, y su explicacón requiere u n a p a ra to m a tem ático no lineal». P rec isam ente S. I . V aví- Ioy fue el p rim ero en descubrir la a l te rac ión de la l inea l idad de las ecuaciones de la óptica du ran te la in teracción de la rad iac ión con la

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sustancia . H o y d ía la óp tica no l inea l es uno de los cam pos m ás in te resan tes desdo el p u n to de v is ta teórico y prác tico de las invesligaciones do la física do la in te racc ió n de po ten tes flujos de rad iac ió n con la sus tanc ia . L a no J inea lídad de la óp tica se m an if ies ta c la ram ente en el proceso en el cu a l e l r a y o lásor pasa a t ravés de diferen tes sustancias . L a esencia de esto fenóm eno consis te en lo s igu ien te : en un medio in ic ia lm e n te homogéneo aparecen canales gu ías de lu z tem pora les . E n luga r de la dispersión cor r ie n te del rayo a causa de la d ifracción, en el caso de que la luz sea de a l ta in te n s id a d so produce su au loenfoque en la sus tanc ia . E s ta «supresión» or ig ina l de la difracción se puedo ex p l i ca r por e l hecho de q u e el índ ice de refracción n del medio depende de la in tens id ad E de la rad iac ión y prec isam ente n crece al au m en ta r la in te n s id a d E de la luz, es decir, el m edio en la reg ión ocupada por el haz de luz (por e jem plo, po r el ray o láser) se vuelve m ás denso, lo que conduce a u n a compresión o au loenfoque del haz y a la v a r iac ión del índ ice de refracción vSegún la ley n = n 0 -f- n 2i?2, donde n 0 es el índ ice de refracción dol m edio en el caso do pequeñas in ten s id ades de luz (por e jem plo , fuera del haz láser). De es ta m anera , en el m ed io dentro del rayo láser, e l índ ice de refracción, a d iferencia de los p la n tea m ien to s de la óp t ica c lá sica, es variab le .

A c tua lm en te se l leva a cabo una am plia labo r in v e s l ig a l iv a dol efecto de cana lizac ión (el au loenfoque y Ja form ación de las g u ía s de luz) de p o ten tes haces de láser. So p lan tean dife ren tes exp licac iones de la física de este fenómeno. C ita rem os t a n solo una de ellos: una onda lum inosa p o te n te orig ina en el m edio tina presión su fic ien tem ente grande deb ido a lo cual el m a te r ia l se densifica y por lo tan to aum en ta


el índico de refracción dol medio en el m om ento on que sobro ésto ac túa una rad iac ión potente . Algunos investigadores suponen que al descub r im ien to de la osencia física de la formación do Jos canales guías de luz en un medio in ic ia l- m onte homogéneo, puede con tr ibu ir en gran parto el estudio de las leyes de propagación de la rad iac ión a t ravés de guías de luz y gu ías de onda t ransparen tes monofilares y m u l t i f llares, cuyos índices de refracción experim entan bien un cam bio brusco on la frontera de separación entro el conducto de luz y la capa a is ladora de luz, bien var ían con tinuam en te (disminuyen) desdo el centro de la guía de luz h a s ta su borde (las l lam adas guías de luz «autoenfocadores»).

E l es tudio del autoenfoquo do la luz os uno de los problem as m ás ac tuales e in teresantes de la óptica no lineal. Pos ib lem ente la inves t i gación de este efecto conducirá a la creación de nuevos métodos de t ransm is ión por medio de láser, a t ravés de canales tem porales conductores de luz, no so lam ente de información lu m inosa desorganizada, sino tam bién de una imagen óp tica . E s ta ú l t im a se puede fo rm ar en la superficie do e n trad a do un medio homogéneo por efectos de un haz de rayos láser en forma de relieve de la in tens idad de la luz en el corte transversa l del haz, de láser. L a transm is ión de la imagen se puede rea l iza r a t ravés de canales formados en el medio bajo la acción de la r a d ia ción dol láser y que tionen una ab e r tu ra num érica y una capacidad de autoenfoquo locales equ iva len tes a la d is tr ibución do la in tensidad den tro del haz do rayos.

2. RESUMEN HISTORICOA ctualm ente la m a te r ia básica para fabri

cación de elementos de f ib ras es oí v idrio . Uno de los procedimientos tecnológicos universales


para la fabricación de gu ías de luz consiste en es t i ra r el v idrio ab land ado . Las guías de luz modernas consisten en una fibra do vidrio conductora do luz con u n a l to ínidice do refracción, rodeada de u n a capa aisladora tam bién do v idrio, pero con un índico do refracción bajo. Al inc id ir los rayos de luz en la suporficie do separación de dos m edios se observa una reflexión in te rn a to ta l si los rayos que inciden en la su- perficio de separación vienen del m edio que tieno un a l to índico de refracción. Los rayos que inciden de la cara sobre el conducto do luz, experim entan en las gu ías do luz m ú lt ip les re flexiones in te rnas to ta les en la frontera condu c to — capa aisladora y se propagan por la guía de luz.

E n la profundidad de los siglos. La p ropagación de la luz en b a r ras t ransparen tes por medio de m ú lt ip le s reflexiones to ta les in ternas , por lo v isto , se conocía desde hace mucho t iem po. E s m u y probable que los an tiguos artesanos observaran este fenómeno y lo u ti l iza ran en la fabricación de piezas para decoración. Así, on los ar t ícu los m ulticolores de lujo an tiguos, el elem en to decora tivo en la m asa del v idrio de base eran pedazos de v idrio de colores dispersados en form a desordenada. E n la e laboración de f ilig ranas de v idrio , cuyos au tores son los artesanos venecianos, los elementos decorativos son fib ras b lancas o de color que form an den tro del v idrio básico dibujos, a vocos m uy com plicados, pero siempre correctos.

E l procodim iento de e s t i ra r el vidrio en forma de f ibras , barras y bandas el hombre lo conocía desde t iem pos inmemoriables, probab lem en te an te s que los otros m étodos de t r a tam ie n to del v id r io . Los collares y vasijas an t i guos decorados con f ibras y bandas , y la fabricación de a r t ícu lo s m ulticolores en E g ip to mu-


chos centenares de años an tes que en Venecia, permiten a f irm ar quo los antiguos artesanos sabían olaborar del vidrio reblandecido ios scmifabricados necesarios. El vidrio reblandecido so puedo es tirar según sea su viscosidad en forma do fibras m u y deigadas, barras o bandas y m ientras el vidrio permanezca líquido, las fibras no se rompen a monos que se ap lique un esfuerzo especial. So sabe que M. V. Lomonósov definía el vidrio como un m ater ia l quo se podía es tirar en f ibras delgadísimas.

Para la fabricación de f ib ras y barras , los antiguos artesanos u t i l izaban procedimientos sencillos, que no exigían un equipo complicado: estiraban la f ib ra directamente del crisol con vidrio derretido con ayuda de una varil la de hierro. Puesto quo ol hierro no se «humedece» a l contacto con el vidrio líquido ni se funde con este si su tem pera tura os menor de 500— 600° C, tom aban una varil la do hierro con uno de sus extremos previamente calentado hasta el rojo incandescente, la sumergían on vidrio fundido y luego la sacaban, estirando al mismo tiempo el vidrio que se adhería a la varilla en forma de fibras o de barri tas . P a ra obtener una barr i ta gruesa, u t i l izaban vidrio fundido más espeso y viscoso. La varilla de hierro, utilizada por los antiguos artesanos, fue la antecesora de la herram ienta , mencionada por los autores de la edad media y que se emplea actualmente.

E n otro método do producción de las fibras, un pedazo de vidrio so calan taba en una fragua, semejante a la de una herrería, y se sometía luego a l es tiram iento . Los egipcios u ti l izaban estas fraguas principalmente para t raba ja r los metales. Son conocidas am pliam ente las fotografías de los frescos en la tum ba de la d inastía X II en Beni-Hasan (Egipto). En estas fotografías están representados unos artesanos, av ivando con tu-


bos ol fuego de la fragua. En ésta se calentaba un pedazo de v idrio , después de su ab landam iento le u n ía n vari l las de h ierro y Jo es t i raban en diferentes direcciones en forma de f ibras do cua lqu ie r longitud y espesor.

E s te método do es tirar ol v idrio se u ti l izaba tam bién en la fabricación de collares. P a ra esto, del vidrio fund ido que se encontraba on el crisol fo rm aban barras delgadas. E s ta s ú l t im as se ab land aban en un horno o en la fragua y se a r ro l laban en un pedazo de a lam bre de cobre has ta fo rm ar u n pedacito de vidrio del tam año requerido. Algunos científicos opinan que los m aestros antiguos, an tes de que idearan ol método de soplar el v idrio , e laboraban los tubos do vidrio (huecos) m edian te un procedimiento semejante a l método de fabricar collares, es decir, enrollando f ib ras o c in tas de v id r io en un a lam bre do cobre o en un núcleo de cerámica.

El método de es tirar f ib ras y barras de vidrios ab landados jun to con otros pocedimientos tecnológicos se u t i l izó en la fábrica de v idrio de U s t-R u d itsk y a mediados del siglo X V III para la producción de «vidrio hilado». Dicha fábrica fue constru ida por in ic ia t iva y ba jo la dirección de M. V. Lomonósov. La f igura i rep resen ta a un m aestro es tirando u n pedazo de v idrio reblandecido con ay ud a de dos varillas . O tras dos barras se encuentran en el horno calentándose. E s t a imagen s im bólica del proceso del a la rgam ien to del vidrio f iguraba en el «Cert if icado de donación» otorgado por El iza veta P c tro yn a a M. V. Lomonósov como propietario de las t ie r ra s on el d is tr i to de Koporsk en la provincia do Petersburgo (cerca de la moderna c iudad de Lomonósov).

Los dibujos on el certif icado fueron hechos bajo la dirección de M. V. Lomonósov. M. V. Lo- monósov fabricaba sus célebres y b r i l lan tes


FIO . 1. Es t i ram ien to de «vidrio hilado»

mosaicos de «un mosaico estirado», es decir, de b a r ra s es tiradas de sección poligonal. Después de es tirar las barras , éstas se co r taban en pedazos - do dimensiones de te rm inadas y se f i jaban con cemento. E l mosaico es tirado se hacía de vidrio , cuya composición era e laborada por el mismo M. V. Lomonósov. A unque ya han pasado más de 200 años, sus mosaicos conservan hoy día frescura y b r il lan tez de los colores.

De lo expuesto se puede concluir que la óptica de f ibras no apareció ni ompozó su desarro llo en el vacío. Es to os jus to por lo menos en lo que respecta a los procedimientos tecnológicos do es tiram ien to de f ibras y b a r ra s de v idrio


reblandecido, y en cuanto a los mosaicos do M. V. Lomonósov, éstos puoden considerarse como un lejano prototipo de las estructuras de mosaico de los elementos de fibra modernos.

Etapas y tendencias fundamentales del desarrollo de la fibroóptica. En la historia del desarrollo de la técnica de la conducción de la luz — do la fibroóptica—*, se pueden observar varias e tapas y tendencias.

Guías de luz huecas. La posibilidad de realizar guías de luz, es decir, dispositivos para la transmisión de la luz a distancia por u n canal recto o curvo, fue p lan teada primeramente por el ingeniero ruso V. N. Chikolev en los años sesenta del siglo pasado. Ya on el año 1874, 61 i lum inó cuatro locales de un almacén con. un arco de carbón. E n aquel entonces no existían aún las económicas bombillas eléctricas de poca potencia. «Do cada fuente de corriente eléctrica, cualquiera que fuese su intensidad, obteníamos una sola fuente de luz» —escribió V. N. Chikolev. E n 1876 utilizó la transmisión de la luz on guías para a lum brar los depósitos de la fábrica de Ojtinsk, la mayor fábrica de pólvora de aquel tiempo, por medio de arcos do carbón, s ituados fuera del local de los explosivos. Las guías de luz de Chikolev eran tubos m e tá licos huecos con superficie in terna especular. E l rayo de luz, gracias a las reflexiones en la superficie interna del tubo, se propagaba por la guía de luz y salía do! oxtromo opuesto.

E l s istema de alumbrado de V. M. Chikolev funcionaba según el siguiente principio: una fuente de luz con intensidad de unas 3000 cd (fig. 2) colocada en un faro do vidrio A en la torre B i lum inaba los alrededores y el edificio. La luz era dirigida hacia el edificio con ayuda do tres lentos convergentes 7 , quo enviaban luz a través de tres tubos de ho ja la ta 2 . A lo largo


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del tu bo gu ía de Íu7M la luz l legaba l ias ta el prim er espejo 5 , cuya capa p la tead a se depositaba tan sólo en la periferia do la lám ina do vidrio y refle jaba par te de l a luz. L a luz se dispersaba en ol local por m edio de u n a semiesfera m ate . Los rayos que pasaban a t ravés del v idrio t ran sparen te 4 seguían por la guía de luz bas ta el s igu ien te espejo. V . N . Chikolev propuso t a m b ién u n a serie de aplicaciones diferentes de las g u ía s de luz, entro ellas la i lum inac ión de las am p l ia s cand ile jas de u n t e a t ro con u n a bu jía de Y áblochkov . E s in te resan te an o ta r que adem ás do las gu ías de luz do sección constan te , Chikolev propuso u t i l iz a r gu ías do luz de sección variab le .

E n el año 1878 el inglés Thomson, posiblem e n te s in ten e r conocim iento de los t raba jo s de V. N. Chikolev, expresó la idea sobre las vent a ja s del f racc ionam iento de la luz eléctrica. Los norteam ericanos Mollior y T s ib r in en 1879 describ ieron el p r inc ip io de t ran sm is ión de la luz. Acerca de esto V. N. Chikolev, escribió: «En el núm ero de J u l io de 1879 la rev is ta «Scien- t i f ic American» t ra e u n d ibu jo de la canalizac ión de luz e léc tr ica , según pareco ideado por los señores M ollier y Tsibrin en N orteam érica. E s m u y posiblo que ellos no es tuv ie ran en terados de m is exper im en tos (hay a lgunas pruebas de esto) en R usia , pero los respetables norte am ericanos h a n exagerado tan to que para mí es com p le tam en te c laro que ellos nunca rea l i zaron exper im entos de canalización».

FIG. 2. Alum brado do talleres de pólvora con guías de luz según el proyecto de V. N . Chikolev: a — estruc tura general; b — plano de la iiistalación; c — principio do funcionamiento dol bloque do dispersión de luz:J — le n te s co n v erg en tes ; 2 —g u ía s d e lu z huecos; 3 —superfic ies e sp ecu la re s ; 4 —v id r io t r a n s p a r e n te


F1G. 3. D isposit ivo para a lu m b ra r só tanos con la luz d e sol* — C9pcjq; 2 — c.tc d e r o ta c ió n d e l espe jo ; 3— s o p o r te q u e s u j e t a ci espe jo ; 4 , 9 , 9 —sin le m a d e la g u la d e lu z c ó n ica ; 5 — tu b o ; 6 — sé- m ie s fe ra m a te ; 7—c u e r d a s p a r a g i r a r e l espe jo ; j o — eje d e r o ta c ió n d e l so p o r to

Más ta rdo , la s g u ía s de luz de V. N. Chiko- lev e n c u e n tra n ap l icac ión on t r a b a jo s de o tros ingenieros- A sí , en 1901 O. 13. G . G an n eb o rg y en 1913 S. B o zh i lo v e la b o ra ro n d isp o s i t iv o s p a ra la i lu m in a c ió n de só ta n o s po r m ed io dé r a y o s solaros co n cen trad o s q u e se t r a n s m i t í a n desde el te jad o a t ra v é s de u n tu b o con la su p e r fic ie in te rn a e sp ecu la r (Fig . 3). L os r a y o s so la res, después d e re f le ja rse en el espejo 1, oran d ir ig id o s hac ia la g u ía de luz llueca de fo rm a cónica 4 con e l tu b o c e n t r a l c i l in d r ic o 9 y los ospejos c o m p le m e n ta r io s 8 que d i r ig ía n los r a y o s al tub o ó . La g u ía do lu z cónica 4 co n cen tra


la ra d ia c ió n solar en la ca ra de en trad a de la gu ía de luz hueca. L o s rayos después de experim e n ta r reflexiones m ú lt ip lo s l legan h a s ta la semiesfera m a te que i lu m in a el local. La idea de V. N. C hiko lev sobre la canalizac ión do la luz desa rro l lada por O. G an neb o rg revela las pos ib i l idades bás icas dol em pleo do la s gu ías d e lu z en la he l io tecn ia p a ra le concentrac ión y t ra n sm is ió n a d is tan c ia de la energía solar.

Las pé rd idas do luz en las g u ía s de luz lluecas so d e te rm in an fu n d a m e n ta lm e n te por ol núm ero de reflexiones que e x p e r im e n ta n los rayos; po r esta razón, V . N . C hiko lev t r a ta b a de d ism in u ir el núm ero de reflexiones de los rayos en la s paredes de las gu ías de luz. É l tu v o que u t i l i z a r tu b o s de d iám e tro s r e la t iv a m e n te g ran des y len tes de b a jo poder. Lo vo lum inoso de las g u ía s de luz huecas, la baja t ransparenc ia p a ra f lu jo s lum inosos do g ran a p e r tu ra y las g ran d es long itudes , así com o la necosidad de g ran d es superf ic ies m e tá l icas con a l to s índices de re flex ión fueron la causa do l a poca d iv u lgac ión de las gu ías de luz de V . N. Chikolev. Sin em bargo ol in te rés h ac ia éstos no lia d ism inu ido . Así, ya en los años sesenta de nuestro s ig lo , los c ien t íf icos soviéticos V. K . B aránov , V . V . N ó v ik o v , D . M . K r u p p , A. R . D a ich , Yu. A. T s ir l in , L. E . P a rg a ro a n ik y muchos o tros rea l izan invest igac iones sobre las caracte r ís t icas Jum ino técn icas fu n d am en ta le s de las guías de luz huecas. E s to s ú l t im o s encuen tran u n a serie de in te re san te s ap licac iones en los t ra b a jo s de los c ien t íf icos soviéticos I. B. K ei- r im , Z. P . L is i t s in (1957), del f rancés Coehn (1955), de los c ien tíf icos n o r team ericanos O khla- m an , R ic h a rd s , T in k h am (1958) y de muchos otros.

Gulas de luz líquidas . La propagación d e j l a luz p o r m ed io de reflex iones to ta le s in te rnas


t i G . 4. Esquema dol experimento do la propagación do la luz por ol chorro do agua

la demostró por vez primera T y nd a ll en la Real Sociedad de Ing la te r ra en el año 1870. E n .el experimento de Tynda ll , del grifo 3 (fig. 4) colocado en la parto inferior del recipiente 4 , el agua que llena el recipiente fluye on forma dol chorro continuo 2 y no diverge en todo su recorrido has ta l legar a la vasija J . E n la pared del recipiente opuesta al grifo se coloca la lente 5, que enfoca el haz luminoso del arco de carbón ó' colocado fuera del recipiente. La luz se propaga por el chorro de agua gracias a las m ú l t ip les reflexiones in ternas to ta les que exper im en tan los rayos en la fron tera a g u a— aire. Debido a la dispersión do la luz y las irregular idades de la superficie del chorro.,, en los experimentos do T yn da ll se destruye la condición p a ra la reflexión in te rna to ta l y el chorro se i lum ina en toda su long itud . Semejante guía de luz «líquida» es tá representada en la fotografía do la fig. 5.

E l principio de las guías de luz l íqu idas hoy en día se u t i l iza am pliam ente en las fuentes, por ejemplo, en la i lum inación de los chorros de los surtidores a través de una tobera , especialmente cuando se emplea una i lum inac ión a colores variable. M ediante este método de i lum inac ión bril la tan sólo el chorro, formando un gran contraste con el fondo oscuro que lo rodea.

Guía de luz sólida y transparente. Se m enciona por prim era vez en 1905 en la «Física óptica» de R . W ood, donde el a u to r escribe: «es posible l levar la luz de un punto a o tro sin grandes pérdidas de energía, u til izando la re-

>FIG. 5. Demostración de una guía de luz líquida


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flexión ínter mi en las paredes de una barró do vidrio o, mejor todavía, cuarzo fundido».

A principios del presente siglo en Alomania so realizaron investigaciones sobre la propagación de ondas electromagnéticas a través de gulas de luz transparentes. En 1920, O. Schri- ver hizo una síntesis de estos trabajos analizando los resultados más importantes. W. Bragg en 1931, en su libro «En mundo de la luz» escribe que la propagación de la luz por medio de m últiples reflexiones totales internas «en una barra de vidrio curvada se utilizan como guía de luz para la transmisión del haz luminoso que ilumina los objetos bajo el microscopio». En 1936, el científico soviético A. M. Ja lf in propuso el empleo de guías de luz curvadas de diámetro variable para lograr una realimentación luminosa en un amplficador fotoeléctrico.

E n 1949, V . 'V. Nóvikov, en su comentario al libro «Obras escogidas» de Chikolev, escribe que el principo de la canalización óptica se recomienda ampliamento en la actualidad para la iluminación con luz disimulada de aparatos en los tableros no iluminados. Como canal para el flujo luminoso puede servir el cuerpo del semianillo de vidrio 1 (fig. 6), por uno de cuyos extremos entra el flujo luminoso de la bombilla pequeña 2. Para evitar la dispersión, en el trayecto inicial 3 del canal se aplica un recubrimiento especular. La parte restante del canal del lado de la escala tiene una superficie mateada; el espesor del moteado aumenta a medida que se aleja de la bombilla. Esta superficie, al dispersar la luz, ilumina bien la escala.

En 1946 Karror y Orrt y en 1957 B. F. Diky y B. P. Iváshchenko utilizan una guía de luz transparente y curvada para la elaboración de fotorrefractómetros a ltamente sensibles.


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F IG . 6. I lu m in ac ió n do la s escalas do a p a ra to s según el m étodo de canalizac ión ó p t ic a por un an i l lo do v idrio

E n n u es tro pa ís a c tu a lm e n te se fab r ican ve ladores e le g a n te m en te ad o rn ado s en form a de l ir io , cuyos p é ta lo s son g u ía s de luz hechas de m e tí Im e tac r i l a to incoloro, i lu m in a d a s a t r a vés do f i l t ro s de lu z verdes y ro sadas po r una b o m b i l la m in ia tu r a , co locada ju n to con el t r a n s fo rm a d o r on la base del c an d i l . Los p é ta lo s so a lu m b ra n un ifo rm em en te y ofrecen u n a i lu m in ac ió n n o c tu rn a m u y suave.

E n to d o s los t r a b a jo s en u m erad o s se u t i l i zan g u ía s de luz m onofi la res que no t ie n e n n in gu na cap a . E l pap e l de c ap a reflec tora lo desem peña el a ire a l red ed o r de la g u ía de luz.

Guías de luz m u ltifila res . E l fenóm eno demost ra d o por T y n d a l l , la s gu ías de luz huecas em p lead as co n éx i to po r G hikolev y la s gu ías de luz t r a n s p a re n te s desc r i ta s po r W oo d con d u je ro n en 1927 a B r a id en In g la te r r a y a H an ze l ©n E E .U U . a la idea do u t i l i z a r u n g ra n núm ero de f ib ras en te le v is ió n p a ra la t r a n sm is ió n y exp lo rac ión de im ágenes. L a t ra n sm is ió n de u n a im agen con a y u d a de u n co rd ó n de f ib ras co locadas regula rm e n te fue re a l iz a d a po r p r im era vez en 1930, en el e x p e r im e n to de L a m ín (A lem an ia) , qu ien dem ostró en u n haz de f ib ras de cuarzo de 40 ja dewww.FreeLibros.org

diám etro la propiedad fundam enta l de un haz regular de guías de luz transparentes de t ransm i t i r la luz y las imágenes a d istancia . Más tarde aparecieron las proposiciones do Gold- sm ith (1944), Reynen (1946), Jo rd án y Bell (1949) y de otros científicos, referentes a la u t i lización de cordones do f ibras do vidrio para la transform ación de una imagen óptica.

Sin embargo, Lodos estos resultados y proposiciones de los experimentos de L am m no encontraron una aplicación práctica debido a la fa lta do tecnología para fabricación de a r t ícu los do f ibras y, en par t icu la r , de las guías do luz: elemento inicial y fundam en ta l de cua lqu ier pieza de fibras. H a s ta el año 1951 no se realizó n ingún estudio en cuanto a la tecnología de la óptica de fibras. L a única excepción la cons ti tuye el t rab a jo de Saw tte r , quien t ra tó en los años 1911—1912 de obtener f ibras com pactas y delgadas de una var i l la y f ibras cap ilares, de tubos. La var i l la o ol tubo se colgaban en el centro del horno y con ayuda de una pesa sujeta al extremo inferior de dicha pieza, se estiraba la f ibra. P a ra d ism inu ir la velocidad de caída, la pesa tenía forma de p la to y se iritro-- ducía en giieerina.

En 1951 comionza una nueva e tapa en el desarrollo de la óptica de fibras, cuando V an H i l l en H olanda y K a p a n y y H opk ins en Ing la terra independientem ente uno de otro empezaron sus trabajos encaminados a c rear gastroscopios de fibras flexibles, y a investigar las leyes de la transm isión de imágenes a t ravés de haces regulares de fibras flexibles de vidrio. Y a los p r im eros experim entos con haces de f ibras p la n te a ron dos problemas tecnológicos fundam entales : la necesidad de u n a islam iento luminoso de las fibras conductoras de luz e lem entales unas respecto de o tras y de un embalaje o tendido


compacto y regular de éstas en un haz. Esto se explica de la s iguiente manera. Si se acorcan dos fibras transparentes hasta una distancia aproxim adam ente igual a la m itad do la longitud de onda de la luz que en ollas so propaga, habrá una fuga de luz de una fibra a o tra . La filtración de la luz aum enta al d ism inuir el diámetro de las fibras, puesto que a l colocarlas una cerca do o tra , el área de su contacto «óptico» aum enta . La filtración cruzada de la luz que aparece en este caso consti tu ía un serio problema: los haces de fibras reales transm itían la imagen con un contraste m uy bajo.

E l m ayor mérito do V an H il l estriba en la solución del problema del aislamiento lum inoso de las fibras guía de luz. En 1953 él elaboró fibras de vidrio en una capa plástica aisladora de la luz con un índice de refracción de 1,47. La idea de Van H ill , orientada a eliminar la filtración cruzada de la luz consistía en aislar las fibras entre sí, recubriendo cada una de éstas con una capa delgada de un m ateria l t ransparente que poseía un índice de refracción menor quo el del material; de la fibra. En los años 1958— 4959, dicha idea fue perfeccionada por Kapany y Hirschowitz. Estos científicos elaboraron fibras de vidrio en una envoltura aisladora de luz tam bién de vidrio con un índice de refracción bajo. E n estas fibras, las pérdidas de luz son menores que en las fibras en capa de plástico.

Aparece así otro aspecto positivo de la envoltura: protege a la superficie pulida (reflectora) de la fibra contra la acción mecánica extorna, puesto que para m inim izar las pérdidas de luz debidas a las m últip les reflexiones in ternas, las paredes laterales de cada fibra deben estar s iempre lisas y limpias. El espesor mínimo necesario de la capa aisladora de luz es igual a la longitud de onda de la radiación transm itida ,


es decir, cerca de 0 ,5— 1,0 p . Con los t raba jo s de Von H i l l , K a p a n y y H irschow itz quedó resuelto el p roblem a de l a is lam ien to luminoso de las guías de luz. Las f ib ras de v id r io en una capa de vidrio aisladora do la luz ta m b ié n hoy en d ía con tinúan s iendo u n e lem ento fu n d a m en ta l do cua lqu ie r pieza de fibras.

La solución del p roblem a de un tend ido com pacto y regu la r de las f ib ras de u n haz resu l tó m ás complicado. E n la e ta p a in ic ia l del desarrollo de la óptica de f ib ras so elaboraron procesos de fabricación de piezas f lexibles a part i r de f ibras monofílares. P o r e jem plo, en 1954 K a p a n y en E E . UU. con f ib ras de u n d iám etro igual a 50 yx, hizo un haz f lex ib le con un poder resolutivo de 4 líneas/m m en lugar de la s 10 l íneas/m m teóricas. E l poder reso lu tivo rea l de las piezas de fibras bas ta 1960 era tod av ía bajo (cerca de- 5— 10 línoas/mm ), aunque ya en 1951, V an H il l , K a p a n y y H o p k in s ob tuv ie ron f ib ras e lem entales de 10 |x de d iám etro , las cuales m ed ian te un tend ido compacto? y regu la r pod r ían d a r un poder reso lu tivo de cerca de 50 l í neas/m m . Esto se explica por la d if icu l tad excepcional de un tend ido o em bala je de los «impalpables» f ib ras delgadas de 5 — 15 p. de d iá metro.

De es ta m anera , el segundo de los problem as tecnológicos a r r ib a ind icados se conv ir t ió de hecho en ol problema de ob tener e lementos de fibras de a l to poder resolutivo.

U n gran m érito ta n to del c ientíf ico soviético V. B. V einberg como del especialis ta norteam ericano K a p a n y lo cons t i tu ye el hecho de hab e r e laborado , independ ien tem en te uno del o tro en los años 1959— 1961, u n a tecnología do fabricación de guías de luz monofílares «p a lpables». Por e jemplo, una guía de luz de 1 mm de sección contenía varios m iles de f i lam entos


guías de luz e lem entales (unitarios) de algunos micrones de d iám etro , cada uno de las cuales es taba rodeada do una capa aisladora de luz. Debido a la m ay or p a lpab i l id ad de las guías de luz muJtif i lares. se simplificó la solnc-ón del problem a del tend ido compacto y regular y la consti tución m u ll i f i la r de esta guía de luz (os decir, la pequenez de la sección de cada f i la mento) perm it ió ob tener e lem entos de fibras con u n a l to poder resolutivo. El método de V oinberg—K a p a n y hizo posible la fabricación de ven tanas de f ibras herm éticas al vacío s inte t izadas , de a l to poder resolutivo para los dispositivos electrónico-ópticos, y ac tua lm en te es e l m étodo m ás conocido y m ás am pliam ente u t i l izado para la fabricación de haces regularos de f ibras r íg idos y f lexib les con u n poder reso lu t ivo has ta de 8 0 — 100 l ín /m m . En más de un 96% do las empresas sovié ticas y e x t r a n jeras que se dedican a la tecnología o p roducción de e lem entos de la óptica de fibras, se u t i liza bás icam en te el m étodo de Veinberg—K a p a n y para la fabricación do guías de luz m ult if i la res y de fibras.

Resum iendo lo expresado an ter io rm ente , cabe seña la r que en el desarrollo de la técnicade las guías de luz se han observado tres direcciones fundam entales :

1) construcción de apara tos a baso do las gu ías de luz huecas: gu ías de luz de V . N. Chikolev (su desarrollo empezó ap rox im adam en te a p a r t i r de 1870);

2) las guías do luz monofilares t ran sp a ren tes s in recubrim ien to para la transm isión de rad iac ión (empezaron a desarrollarse ap rox im adam en te desde 1900);

3) la f ib roóptica como u n haz regular de fibras gu ías do luz Iransparentes , cada uno de los cuales t iene su capa aisladora dq luz (empe-


20 a desarrollarse desde 1927, y su realización tecnológico empieza ap rox im adam ente a part i r do Í96Q).

3. ESTADO ACTUAL DE LA OPTICA DE FIBRAS

La iniciación de lo e tapa moderna de la óptica de f ibras puede considerarse el año 1960. Es el año de la realización tecnológica de los primeros elementos de f ibras con caracterís t icas aceptab les—transparencia de la luz, poder resolutivo, dimensiones y a lgunas o tras— para su util ización en la construcción de aparatos. Es to condujo a un apresurado desarrollo de la construcción de apara tos y , consecuentemente, a un crecimiento brusco de la necesidad de nuevos ar t ícu los de fibras. Basta con decir que de la producción de la f ibroóptica y de los dispositivos basados en ésta , están ocupadas actxialmentc m ás de 50 empresas en E E .U U . , Japón , Ing la te rra , RDA., Checoslovaquia, H ungr ía , UFA, Francia , Suiza y en otros países. Numerosos trabajos en la esfera de la fibroóptica se l levan a cabo tam bién en la Unión Soviética. A escala m un d ia l ac tualm ente se fabrican cerca de 3 000 t ipos de piezas de fibras con más de 500 nombres. La m itad de éstas corresponde a los propios elementos do f ibras y la o t ra m itad la consti tuyen dispositivos a baso de la óp t ica de fibras. H oy día los elementos do fibras se emplean en la fabricación de apara tos médicos, en los in s t ru m entos elcctrónico-ópticos y en los de m edida , en los dispositivos de televisión y acústicas, en los sistemas fototelegráficos, holográficos, te lemétricos, óptico-mecánicos, cibernéticos, de láser y en las investigaciones nucleares.

Un fu tu ro desarrollo efectivo de la construcción de apara tos médicos, cósmicos, ó p t i


co-m ecán icos y o lec tró n ico -ó p l ico s es in con ce b ib le .sin l a u t i l i z a c ió n do los e lem e n to s de la ó p t ic a de f ib ras .

E s ta a m p l ia u t i l iz a c ió n de lo ó p t ic a de f ibr a s en l a co n s trucc ión de a p a r a to s p la n te ó n u e vos p ro b le m a s . N u ev as y c o m p l ic a d a s ta re a s su rg ie ro n a n t e lo s d ise ñ a d o re s de la tecno log ía de fa b r ica c ió n de los e lem en to s de f ib ras y en la c reac ió n do m é to d o s precisos de con tro l de ca lidad e n ol proceso y después de su e lab o rac ió n . Se ha p la n te a d o u n a agu da neces idad de in v e s t i g a r d e t a l l a d a m e n te l a s leyes de p ropagac ión de la r a d ia c ió n a t r a v é s de g u ía s de lu z m ono- f i la re s y de u n haz d e f ib r a s t a n to desde el p u n to de v i s ta de l a ó p t ic a geo m étr ica com o de la o n d u la to r ia . E a co ns tru cc ió n de a p a ra to s a base d e la ó p t ica de f ib ra s ex ig ió la e labo rac ión de n u ev o s m a te r ia le s ó p t icos p a ra l a fab ricac ión de e lem e n to s de f ib ra s . L a c o m p le j id a d de los p ro b le m a s se d eb e n o s o la m e n te a la s d i f i c u l t a d e s en l a fab r icac ió n de f ib ras a l t a m e n te t r a n s p a r e n te s con a i s l a m ie n to lu m in o so , s ino ta m b ié n a la neces idad d e su d is t r ib u c ió n en el e spac io e s t r i c ta m e n te d e te rm in a d a .

P a r a c a ra c te r i z a r l a e t a p a a c tu a l d e te n g á m o n o s t a n sólo en la descripc ión de a lg u n o s t r a b a jo s en l a s d irecc io nes f u n d a m e n ta le s de la ó p t ic a de f ib ras .

ó p t ic a de las g a la s de lu z . E l co n o c im ien to de la ó p t ic a de la s g u ía s de luz m on o fi la re s y m u l t i f i l a r e s es necesario p a ra los d iseñadores de l a tecn o lo g ía de fab r icac ión de los m é to d o s y e q u ip o s d e c o n t ro l e in v es t ig a c ió n de los e lem en to s do f ib r a s com o ta m b ié n p a ra los d iseñ ado res de a p a r a to s a base de la f ib roóp- t íc a y de m a te r i a l e s p a ra és ta . P o r e s ta razón, después de 1960 lo s e sp ec ia l is ta s en l a f ib roóp- t ica em p e z a ro n a p r e s ta r g ra n a te n c ió n al e sp id ió de la ó p t ica de las g u ía s de luz .


E n la ú l t im a d écad a , lo s c ien tíf icos so v ié t i cos y lo s e spec ia l is tas n o r te am er ican o s invest ig a ro n teó r ica y o x p e r im e n ta lm o n te lo t r a n s m isión d e d iversos t ip o s de o n d a s en f ib ra s do d iá m e tro poqueño y los fenóm enos de en lace de g u ía s de luz en la s f ib ra s vecinas.

U n a serie de inves t igac ion es de la s leyes genera les de p ropagac ión do la r a d ia c ió n a t rav és de las gu ías de luz desde el p u n to de v i s ta de la ó p t ica geom étr ica fue rea l iz a d a po r los c ient í f ico s sovié ticos y n o r te am er ic an o s . L os sov ié t icos te rm in a ro n l a s in ves t ig ac io n es sobre la teo r ía de la p ropagac ión de la luz en gu ías de luz y sobro las p ro p ie d ad es de los e lem en to s de f ib ras : t r a n s m is ib i l id a d lu m in o sa , d ispers ión ,poder re so lu t ivo , c a ra c te r í s t ic a s f recu en c ia —co n t r a s te , p ene trac ión de la ra d ia c ió n en la capa a is lad o ra de f ib ras y concen trac ió n de la r a d ia ción»

E n estol g ru p o señalemos^ la s in v e s t ig a ciones teó r icas y e x p e r im e n ta le s de la p rop ag a c ió n de la luz en g u ía s do luz co n s id e ran d o no so la m e n te lo s ray o s m e r id io n a le s s ino ta m b ié n los inc linados .

Es n o to r io q u e el l l a m a d o «efecto de borde», que reve la la s leyes de la p ropagac ión do los ray o s in c l in a d o s en la s g u ía s de lu z , fue descub ie r to y p u b l icado en 1961 po r V. B . V e inberg , D . K . S a t t á r o v y P o t t e r in d e p e n d ie n te m e n te uno de l o tro .

E n el lapso 1961— 1965, lo s c ien t íf icos sov ié t icos ca lcu la ro n con a y u d a de c o m p u ta doras de acc ión r á p id a la t r a n s m is ib i l id a d lu m inosa de las g u ía s de lu z re c t i l ín e a s , cu rv as y cónicas co n ca ra s rectas e in c l in a d a s en func ión de la a b e r tu ra n u m ér ica de los haces t luciinosos y de la s ca ra c te r ís t ic a s de los m a te r ia le s de la g u ía de luz y de su cap a . L os v a lo res e n c o n t r a dos co inc iden b ien con los m ed ido s . Se h a de


m ostrado que las pérdidas ct» las guías de luz on cada reflexión in te rna generalmente so encuentran entre los l ím ites , 0 ,001—0,0001%.

E n la URSS en el año 1965 fuoron descubiertos e investigados un nuevo fenómeno de la transm isión transversal de la información organizada en los elementos de fibras y «el efecto de los tres anillos», que revela las leyes de la propagación de la radiación y do la transmisión de imágenes a través del haz de guías de luz. E l efecto de los tres anillos os la base de la óptica goométrica del haz de guías de luz.

Tecnología de la óptica de fibras. E n la última década, en la U R SS y en los E E .U U . se han elaborado las bases de la tecnología de fabricación de diferentes elementos de fibras: rígidoá y floxibles, que transm iten imágenes con transformación y sin] e lla , pasivos; y activos, así como transparentes en diferentes regiones del espectro. Los elementos de fibras realizados en los ú l t im os diez años son ex traord inariam ente variados: f inísimas agujas para una microinyec- ción lum inosa de los elementos del núcleo de una célula v iva , haces flexibles para los endoscopios médicos y técnicos, guías de luz rígidas para la microscopía fluorescente de contacto, ven tanas frontales de fibras herméticas al vacío para los dispositivos de haces electrónicos, lentes de fibras correctores de la curva tura de la imagen de los objetivos de lentes y especulares, colectores de toda clase, conmutadores, convertidores de exploración y de codificación para los diferentes t ipos de dispositivos.

Acerca del desarrollo de la óptica de fibras on determ inado país, generalmente, se puede juzgar por la elaboración do discos de fibras herméticos al vacío y de haces regulares de f ibras flexibles para la transmisión de u n a imagen. En la U R SS y en los E E .U U . indopendiente-


m e n te , h a n s ido id e a d o s d iscos de f ib r a s h e r m é t ic o s a l v ac ío co n u n d i á m e t r o h a s ta de 1 6 0 m m con u n p o d e r r e s o lu t iv o de h a s ta 100 l í n e a s / m m p a r a la c o n s t ru c c ió n de a p a r a to s e lec t ró n ico- óp t icos . El n ú m e ro de f i l a m e n to s e le m e n ta le s c o n d u c to re s de luz on e s to s d iscos se ace rca a los m il m i l lo n es .

E n los E E . U U . se h a n e la b o ra d o h a c e s r e g u la re s f le x ib le s de f ib ra s con u n p o d e r re so lu t i v o de 45 l ín e a s /m in . E n la U R S S s e m e ja n te s h a ces t ie n e n u n p o d e r r e s o lu t iv o h a s ta de 80 l í- n e a s /m m .

E n la U R S S h a n s id o d iseñ a d o s m o d e lo s e x p e r im e n ta le s de s i s te m a s f ib rosos r íg id o s c o m p le t a m e n te rev e rs ib le s , de p iezas q u e co n t ra e n la im ag en on u n a d irecc ión (anam orfo s is ) , l en te s p la n o -c ó n c a v o s y b ic ó n c a v o s p a r a la co r recc ión de l a c u r v a t u r a de la s im á g e n e s ó p t ic a s y e le c t ró n ic a s y m u c h o s o t ro s a sp ec to s de lo s e le m e n to s de f ib ra s . H a s id o e la b o r a d a u n a g ra n r a m a de p a re s y t r i p l e s de v id r io s ó p t ic o s p a ra l a f a b r ic a c ió n de p ieza s : de f ib ra s .

M etodología d e l control de los elem entos de f ib ras . E n l a U R S S y en el e x t r a n je r o se h a r e a l i zado u n g ra n v o lu m e n de t r a b a jo s sobre la e la b o ra c ió n de u n a m e to d o lo g ía y de lo s a p a r a to s de c o n t ro l e in v e s t ig a c ió n de lo s e le m e n to s de f ib r a s e n el proceso y d e sp u é s de su fa b r ic a c ió n : d e tec to re s d e l d i á m e t r o y de la t e n s ió n , m é to dos o r ig in a le s p a ra m e d i r l a t e m p e r a t u r a de l v id r io d u r a n t e la fo rm a c ió n de los e le m e n to s de f ib ras , m e to d o lo g ía de c o n t r o l de m u c h o s p a r á m e t ro s tecn o ló g ico s q u e d e t e r m in a n la c a l id a d de los a r t íc u lo s , in s ta la c io n e s p a ra la m e d ic ió n de t o d a s l a s c a r a c t e r í s t i c a s ó p t i c a s d e l a s p i e zas de f ib ra s y su h e r m e t i c id a d a l vac ío , así c o m o o t ro s m u c h o s e s tu d io s .


La neces idad de e labo ra r u n a metodología especial de con tro l se exp lica t a n to por lo específico del proceso tecnológico de fabricación do a r t ícu lo s de f ib ras como por las pecu lia r idades do las leyes de t ra n sp o r te de la rad iac ión y de la im agen a t ra v és do los s is tem as gu ías de luz.

Construcción de aparatos a base de óptica de fibras. E n u m e ra r todos los t ipos de d ispos i t i vos en los cuales .ac tualm ente se em plean elem en tos de f ib ras es p rác t ica m en te imposible, puesto que esto nos d a r ía u n a l i s ta in te rm inab le . P o r eso m encionem os sólo a lg u nas tendencias de la construcción de apara tos .

E n la U R S S , E E .U U . y o tros países se han e laborado a p a ra to s óptico-electrónicos con óptica de f ibras . Así, las piezas de f ib ras son em pleadas en la técn ica e lectrónica para la un ión de cascadas en los am plificadores de imagen, en ca l idad do ven tanas f ron ta les en los tubos de rayos catódicos como ven tan a de un v id icón y para d iferen tes t ipos de convertidores de exploración, así como en los s is tem as de fotocopia.

U n a ram a in te resan te , en la que se ap lica la .ó p t ic a de f ib ras es la m edic ina . Y a han sido creados y c o n t in ú a n creándose diferentes tipos de ap a ra to s m édicos des tinados a la gastros- copia , b ronqu iscop ia , rectoscopia, citoscopia y otros. Se e laboran sondas subcu táneas de f ib ras , ox ím etros para la inves t igac ión de la sa tu rac ió n de oxígeno de la sangre on el corazón hum ano, coaguladores de láser en los que se em plean endoscopios de f ib ras para el t r a ta m iento a d is tanc ia de ios te j idos de los órganos in te rnos y las f ibras de centelleo p a ra la rad io log ía . E n la U R SS ha sido constru ido un laringoscopio orig inal y tan to en la U R S S como en J a p ó n y los E E .U U . se h an constru ido gas tro scopios de f ibras .


É n diferentes países se rea lizan trabajos referentes a la expansión de las carac ter ís t icas espectrales de la óptica de f ibras a las regiones in frarro ja (hasta 14—15 p) y u l t ra v io le ta (hasta 0,220 p) del espectro, lo que abre am p lia s posib i l idades para la e laboración de nuevos d ispos it ivos con carac ter ís t icas de g ran eficacia. Como am plif icadores de luz se u t i l iz an los láseres de f ib ras de v idrios con ad ic ión de neodimio.

Las f ib ras m u ]t i t i la re s f lexibles con u n a sección transversa l de form a c u ad rá t ic a o rec tan g u la r e laboradas en la U R SS encontraron una am plia aplicación en la fab ricac ión de diversos convertidores de exploración y de codificación. P o r e jem plo, desde el año 1966, funcionan sin desconectarlos los convertidores de f ib ras de cua tro líneas en un t ra n sd u c to r de te levisión , rea lizando ex i tosam ente m ed id as de longitu d de lam inados en ca l ien te con precisión de ± 0 , 2 % en la fáb r ica m eta lú rg ica de Cherepovets y en la fábrica U ra lm ash func ionan cap tadores del espesor del lam in ad o a base de conv er t ido res de fibras.

La construcción de ap a ra to s en la U R S S comprobó la e fec t iv idad excepcional de la u t i l i zación de diferentes e lem entos de f ib ras en una gran var iedad de d ispositivos destinados exc lusivam ente a las investigaciones científicas. Así, en la U R S S se fabrican espectrógrafos de vacío y monocromadores con haces de f ib ras de diferentes construcciones.

E n la U R SS y en los E E .U U . se rea lizan investigaciones de d isposit ivos óp tico -acús t icos que soparan un espectro dado de frecuencias aud ib les (soptrones). E l «corazón sensible» do estos d isposit ivos es un haz de f ib ras l ibres .

E l desarrollo exitoso de la s cua tro d irecciones princ ipales de la f ib roóp tica (la óptica de las gu ías de luz, la tecnología de fabricación,www.FreeLibros.org

la metodología de control y de investigación y la construcción de apara tos basados en la óptica de fibras) conduce al descubrimiento de nuevas posibilidades originales y a l tam en te efectivas de la opto tecnia . E n los ú l t im os años han aparecido tendencias de gran porvenir, como son la óptica cris ta lo-f ibrosa catodoium iniscen le (UR SS), la fabricación de piezas de f ibras a base de v idrio de u n a marca (URSS), ol au toanudam ien to de los haces dol láser, es decir, la aparic ión en un medio in ic ia lm ente homogéneo do canales tem porales conductores de luz; la transmisión de información organizada por fibras en sentido t ransve rsal (URSS); f ib ras autoenfocables Sclf-focusing (Japón); amplificadores m ult icaná l icos de la lum inosidad de la imagen, basados en los elem entos ac tivos de fibras en forma de una placa m icrocanálica , en la cua l , en la superficie in terna do cada canal hueco de d iám etro 10—40 \x se ap lica una capa de emisión secundaria . Y a se perfilan los contornos de la nueva técnica de las guias de luz —de la óptica de capas— como una de las modificaciones de la óptica de f ib ras , cuyas posib il idades y variedades son m uy am plias , y las leyes de formación de la imagen no t ienen análogos en la óptica clásica.

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LA ÓPTICA DELAS GUÍASDELUZ

Las leyes de la propagación de la luz a t r a vés de g u ía s de luz m onofilares (monofibrosas) y m ui t i t i la res (m ultif ibrosas) , en los cuales el d iám olro del f i lam en to guía do luz es igua l a var ias longitudes do onda de la rad iac ión que so propaga a través de ellas, pueden describirse co rrec tam en te a base de los p r inc ip ios de la óptica geom étrica . So puede dem ostra r que, incluso para exp l ica r ol com plicado m ecanism o de propagación de la luz a t ravés de f ib ras de d iám etro pequeño, u t i l iz a d a s como guías de luz, se puede em plear la óp t ica geom étr ica con c ie r tas variaciones y com plem entac iones:

E n el em pleo de los e lem ontos fibrosos para la fabricación de in s trum en tos , en la m ayo r ía de los casos, el f i lam ento sobrepasa varias veces

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la longitud de onda de la radiación quo se propaga a travos do la guia de luz. Po r esta razón, ac tua lm en te p a ra describir ol mecanismo de transm isión de la radiación a t ravés de guías de luz y para calcular los parám etros ópticos de los elementos fibrosos elaborados, los leenólo- gos y diseñadores u t i l izan la óptica geométrica.

U n a guía de luz monofilar —filamento conductor do luz con alio índice de refracción, rodeado de una envoltu ra aisladora de la luz de un índice de refracción ba jo— consti tuye el elemento básico de cualquier pieza fibrosa.

La caracterís tica óptica fundam en ta l de una guía de luz monofilar de sección transversal y de construcción dadas es la transm isib il idad lum inosa r del haz de rayos cónico. Precisamente el t de una guía de luz monofilar determ ina en gran par te no sólo la transm isib il idad lum inosa de cua lqu ie r elemento fibroso, como por ejemplo u n haz de guías de luz, sino tam bién las leyes de la transferencia y formación de una imagen en la ca ra de sa lida de este ú l t im o , sus caracterís t icas de contras te y de ruido, así como su poder resolutivo. L a t ransm is ib i l idad lu m inosa t de una guía de luz monofilar depende fundam enta lm en te do su aber tu ra numérica, a través de la longitud del recorrido de los rayos en el f i lam en to y del número de reflexiones quo ex per im en tan los rayos du ran te su propagación en Ja gu ía de luz así como tam bién de la t ransparencia do los m ate ria les del f ilam ento y de la envoltura.

4. LA OPTICA DE LAS GUIAS DE LUZ SINGULARES

La rad iac ión se propaga a través do la guía de luz gracias a las m últ ip les reflexiones in te r nas to ta les que experim entan los rayos dentro

4 - 0 1 C 5 0 49www.FreeLibros.org

O ) b )

FIG. 7. Dependencia <lol coeficiente do reflexión del flujo de luz p un el primer medio y <le! coeficiente de transmisión t del flujo en el segundo modín del ángulo de incidencia ; del haz luminoso en Ja superficie do separación de los medios

del f ilamento que sirvo como conducto de luz en la frontera de separación f ib ra—envoltura. El fenómeno de la reflexión to ta l interna, am pliamente util izado on la fabricación clásica de apara tos óptico-mecánicos, consti tuye en esencia la base de la acción y existencia de las guías de luz como elementos ópticos para transferencia do radiación a lo largo de un canal recio o curvo.

Reflexión ioíal interna. Al incidir los rayos en la frontera de separación do dos medios, la energía luminosa se divido en dos partes: una parte se refleja miontras que la otra se refracta y penetra a través de la frontera cíe separación, en el segundo medio.

En la fig. 7, a se muestra la dependencia del coeficiente de reflexión de la luz p en el primer medio y del coeficiente de transmisibilidad t do los rayos en ol segundo medio del ángulo do incidencia / del haz luminoso en la superficie de separación en el caso <1© transferencia de la


luz desde el aire (índico de refracción n r/ — 1) aJ vidrio (índico de refracción n c — 1,53), es decir, de un medio ópticamente menos denso, a otro ópticamente más denso. En este caso la parte de luz reflejada crece a m edida que aum enta e) ángulo do incidencia, sin embargo, incluso para ángulos de incidencia m uy grandes, cercanos a 90°, cuando el rayo casi desliza a través do la superficie do separación, hay todavía una parte de luz que se refracta y pasa al segundo rnedio.

E1 proceso de repartición de la luz en las partes reflejada y refractada cuali ta t ivam ente varía duran te la incidencia de. los rayos desde u n medio ópticam ente más denso, en la frontera de separación de éste con otro medio ópticamente menos denso, es decir, que tiene u n índice de refracción menor. En este caso, la luz reflejada también aum enta a l crecer el ángulo de incidencia (fig. 7, ó), pero este aumento obedece a otra ley: a pa r t i r de cierto ángulo do incidencia Jh% toda la energía luminosa se refleja to ta lm ente en la frontera de separación y ol coeficiente de reflexión e*s igual a 1. Este fenómeno se llamo reflexión to ta l in te rna , y el ángulo de incidencia j h recibe el nombre de ángulo crítico de reflexión to ta l in te rna y se determina por la expresión;

sen h = 2*-. (1)ncdonde n u y n c son los índices de refracción de

los medios ópticamente monos denso y ópticam ente más denso, respectivamente, con la par t icu lar idad de que n c > n u.

E n la íig. 8 so muestra el caso de incidencia de un haz de rayos desde un medio ópticamente más denso en la frontera de separación con otro medio óp ticam ente menos denso. Como se puede


ra ) f>)

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a p r e c i a r e n l a f ig . 8 , a , b a l d i s m i n u i r l a d i f e r e n c i a e n t r e l o s í n d i c e s do r e f r a c c i ó n de lo s m e d io s , ol á n g u l o c r í t i c o d e r e f l e x i ó n i n t e r n a t o t a l a u m e n t a , e s d e c i r , d i s m i n u y e l a p a r t e d o l a e n e r g í a l u m i n o s a q u e r e g r e s a t o t a l m e n t e al p r i m e r m e d io .

S i d e l a n t o do d i c h a f r o n t e r a d e s e p a r a c i ó n y p a r a l e l a a é s t a se c o lo c a u n a s e g u n d a f r o n t e r a co n l a m i s m a d i f e r e n c i a d e lo s í n d i c e s d e r e f r a c c ió n ( f ig . 8 , c, d ) , e n t o n c e s l o s r a y o s q u e e x p e r i m e n t a r o n u n a r e f l e x i ó n i n t e r n a e n l a s e g u n d a f r o n t e r a , r e g r e s a n a l a p r i m e r a , d e é s t a a l a s e g u n d a y a s í s u c e s i v a m e n t e , es d e c i r , lo s r a y o sl u m i n o s o s c a e r í a n c o m o e n u n a t r a m p a e n t r el a s d o s f r o n t e r a s d e s e p a r a c i ó n . C o m o se a p r e c i a en l a f i g . 8 , c, d , e, a l d i s m i n u i r l a d i f e r e n c ia e n t r o l o s í n d i c e s d e r e f r a c c i ó n d e lo s m e d i o s d i s m i n u y ó l a p a r t e d e l f l u jo d e l h a z d e r a y o sd a d o q u e se p r o p a g a g r a c i a s a l a s m ú l t i p l e sr e f l e x i o n e s t o t a l e s i n t e r n a s d e n t r o de l m e d i o ó p t i c a m e n t e m á s d e n s o .

U n e l e m e n t o a s í , c o n d o s s u p e r f i c i e s p a r a l e l a s d e s e p a r a c i ó n d e l m e d i o ó p t i c a m e n t e m á s d e n s o (en e s t e c a s o c o n d u c t o d e lu z ) c o n o t r o s m e d io s ó p t i c a m e n t e m e n o s d e n s o s e s e n e s e n c ia e l p r o t o t i p o d e la g u í a d e l u z . E s t a ú l t i m a t i e n e p o r lo g e n e r a l u n f i l a m e n t o c o n o j e d e s i m e t r í a , p o r e j e m p l o , d e s e c c ió n c i r c u l a r , d e u n m a t e r i a l co n a l t o í n d i c o d e r e f r a c c ió n n c ( f ig . 8 , e , / ) r o d e a d a p o r u n a e n v o l t u r a c e r r a d a q u e posee u n í n d i c e do r e f r a c c i ó n n u m e n o r ; g e n e r a l m e n t e n u es m a y o r q u e 1 y s u v a l o r e s t á e n e l i n t e r v a l o 4 ,4 5 — 1,52. A p e s a r d e q u e a l d i s m i n u i r l a d i f e r e n c i a e n t ro n c y ^ n u% l a p a r t e a d ol f l u j o r q u e se p r o p a g a <-------FIG. 8. Incidencia de un haz do rayos de un medio ópticamente más denso nc = 1,53 on la frontera de separación con otro medio ópLieaincnlc menos denso n u : ay c — nu = 1,0; by d — nu — 1,33; / — secciones longitudinal y transversal de una guía de luz


a través do la guía de luz disminuye, en la práctica todos los f ilam entos conductores de luz llevan una envoltu ra , la cua l protege a la superficie reflectora de los efectos mecánicos y de las impurezas y sirvo de aislamiento luminoso entre los filamentos elementales conductores de luz al ompaquotarlos en un haz compacto. Además, desempeña el papel de medio de ligazón de las piezas fibrosas termoprensadas.

Luminosidad de la guía de luz recta de sección constante. En la fíg. 8, e está representada una guía de luz recta de sección constan te con caras rectangulares. El ray o 1 que incide sobre la cara de en trada de la guía de luz bajo un ángulo Uj, se refracta y tiene dontro del f ilamento un ángulo de inclinación u c respecto al eje de la guía de luz. E l rayo incide sobre la superficie la tera l de la guía de luz bajo un ángulo j . Si ol ángulo / es igual o m ayor que el ángulo crítico j k de reflexión interna to ta l , el rayo 1, al experim entar una reflexión in terna to ta l , incide en el otro sector de la superficie latoral del f ilamento bajo el mismo ángulo, sufre una segunda reflexión to ta l in terna y así sucesivamente; en esta forma se propaga dentro del f ilamento y sale de éste solamente por la cara opuesta.

El rayo 2 y que incide formando un ángulo después de refractarse en la cara de en trada alcanza la superficie la tera l de la guía de luz bajo un ángulo j << j ht por esta razón sale a la envoltura y no se propaga por el filamento. Los rayos do este t ipo se denominan fuera de abertura.

Los ángulos u , y u r , en presencia a la en trada de un medio con índices de rofracción n , y nc< están relacionados entro sí por la igualdad rij sen u j — n c sen u c. Teniendo en cuenta que el ángulo ; = 00° — u c y con ayuda de la fig. 8, se puede demostrar que el ángulo m áxim o u l0


bajo el cual todos los rayos todavía so propagan por la guía do luz gracias a las múltiples reflexiones totales internas, se determina según la fórmula:

A t = rix sen u l0 — Y n* — (2)

La magnitud Ax — sen u i0 se denomina abertu ra numérica do la guía de luz. Si a la entrada del filamento hay aire (n¡ — 1), la abertura numérica do la guía de luz será:

A 0= sen i¿0 — \ r n\ •— . (3)

La magnitud A 0 = son u 0 = Y ni — wj se llama abertura numérica nominal de la guía de luz.

Como se puede apreciar de la fig. 8, e cierta parte de la energía de los royos fuera de abertura 2 se refleja dentro del f i lamento también para ángulos > i¿0, es decir, para j < j h. Sin embargo, es evidente que después de varias reflexiones y las subsiguientes refracciones esta parte de la energía dentro del filamento disminuye rápidamente hasta cero.

El ángulo de abertura nominal u (t determina la abertura máxima (ángulo en el vértice) del haz cónico de rayos, que pueden, propagarse por una guía de luz recta. Si ol haz cónico de rayos, que incide sobre la cara de entrada del filamento, tiene en el vértice un ángulo do abertura ux < a0, puede pasar totalmente a través del filamento, os decir, su t r ansmisibi 1 idad t , (sin considerar las pérdidas en la reflexión en las caras y dentro de la fibra enla absorción y dispersión) es igual a \ .

Si por el contrario, > u0r la transmisibilidad t j del haz cónico de los rayos por la guía de luz se determina por la expresión:

1 sen¿ uí ' '


Puesto que ux > w0, entonces r x < 1. Cuanto mayor sea la diferencia ux — u 0 tan to mayor será ol número de rayos fuera de abertura y tan to menor r x. Por ejemplo, si sobre la cara de en trada del f ilamento inciden rayos en todas tas direcciones do una semiesfera (radiación difusa), es decir, u x = 90°, entonces t x = = sen2 u 0 = n* — n2u. Si los índices de refracción del f ilamento y de la envoltura se escogen de ta l manera q u e / l 0 **= V n i — n*t = 1, entonces la transmisibilidad en el aire por la guia de luz del haz cónico de rayos con cualquier abertura ux será siempre igual a 1. El cooficiento r x se suele l lam ar la transmisibilidad geométrica de la guía de luz. Este determina el coeficiente de transmisibilidad del flujo ú til (de información) a t r a vés do un filamento dado conductor de luz.

Do esta manera, la abertura numérica nominal A o constituye una de las características fundaméntalos de la guía do luz y determina su poder de convergencia luminosa (luminocon- vergencia) y do transferencia luminosa, es decir, su luminosidad . Como se ve en Ja fórmula (4), la luminosidad do la guía de luz es igual a ¿1J, es decir, igual a — n i .

La abortura numérica nominal A n do las guías de luz no solamente determina la lum inosidad y transm isib il idad geométrica do éstos, sino también las modificaciones de la radiación, que so propaga a través do una pieza fibrosa, la calidad de la información transformada, el radio de curvatura de las guías de luz, el ángulo de inclinación do sus caras y el ángulo de conicidad, admisibles en los foconcs, la efectividad de acción del efecto do borde, la m agnitud del flujo estimulado en una guía de luz activa (láser de fibra), la cantidad y los lipos de ondas quo pueden propagarse a través de guías de luz transparentes y otros parámetros ópticos de los


e lem entos de f ib ras . E n s ín tes is , la aber tu ra n um ér ica no m in a l de las guías do luz de te rm ina el em pleo do u n a pieza fibrosa en un s is tem a óp tico o e lec tronoóptico concreto.

Nom ogram a para la determinación de A 0 =— ]/~n\ — ni,. Desdo el p u n to do v is ta de la lu m in o s id ad y la ca l id ad do la inform ación t ra n sm i t id a , las g u ía s de luz con aber tu ra lum inosa igual o m a y o r de la u n id a d son d isposit ivos óp tim os. S in embargo* la g ran m ay or ía de pares de v id r io s u t i l iz a d o s en la p rác t ica y tecnológica m en te sa tis fac torios g a ran t iza n u n a ab e r tu ra num érica m enor que la un idad .

E n la e laboración de los e lem entos fibrosos en la p rác t ica , la elección de los pares de v idrios según su s índ ices de refracción se realiza , b ien sea po r e l v id r io dado de l f i lam ento , o bien por el v idrio dado de la en v o l tu ra . E n algunos casos, al e lab o ra r un p a r de v idrios , cuyas piezas fibrosas deben corresponder a u n d e te rm inado com plejo de requ is i tos f is icoquím icos y te rm o- mecánicos, h a y que acep ta r los índices de refracción que se ob tienen para los v id r ios que, genera lm e n te , dan u n a a b e r tu ra num érica cerca de 0 ,5—0,cS, lo cu a l no s iem pre g a ra n t iz a las ca rac te r ís t icas óp t icas requeridas .

A l escoger un p a r de v id rios y en el ompleo do las gu ías de luz do éstos, surge s iem pre la necesidad de conocer la ab e r tu ra num érica n o m inal y s u dependencia de la long itud de onda do la ra d ia c ió n a p a r t i r de los conocidos índices de refracc ión de los m ate r ia le s dol f i lam en to y de la e n v o l tu ra . P a ra la de te rm inac ión ráp ida í\o A 0 o s im p lem en te de la ab e r tu ra nom inal u 0 =- - areson A (, do las guías de luz t ran sp a ren te s según los índ ices de refracción conocidos n c y n u conviene u t i l i z a r el nom ogram a (fig. 9). Para de te rm inar A a\ u 0 ó n c; n u h ay que u n i r por medio do u n a l ín ea rec ta los va lores de nc y n u;


1.850

W2S 1*00 1,775

1,750

1,72 S

1,700

I.67S

1,650

1,625 I jO O

t,57S

J¿SC

, X %9rad1,10-

tfiOz Z

'O SO - - 65

0 ,6 0-

0 .70- r

0 .6 0 : :

°,5°\0f4 0 t 25 OrSOfJ° 0.20■

i, 450

1,460

1,470

1.480

1,490

l¿ 0 0

1,510

1,520

1,550

1M0

WO

FIG. 0. Nomograma píiru determ inar /lo — 'V n * + Nuol punto de intersección de la recta con la escala intermedia, indica los valores (le A 0 y u0.

El nomograma ha sido trazado para un in tervalo do los índices de refracción de los vidrios ópticos transparentes en la gama visible del espectro. Por un principio análogo es fácil t raza r nomogramas para cualquier in tervalo de los índices de refracción. Para la utilización en el laboratorio de mi nomograma dado resulta más cómodo trazarlo para un intervalo (le los índices de refracción desde í , 4 (para el f i lam ento rodeado de aire) hasta 4 (vidrios infrarrojos). Esto permite cubrir prácticamente todo el in te rvalo de los índices de refracción de los materiales ópticos, utilizados hoy día para la fabricación do elementos fibrosos.


FIG. 10. Dependencia de los índices do refracción n dolos vidriosT)^25 (----- ) y K 17 (-------- ) (BF 25 y K 17)y de la abertura numérica A o de las guias de luz do un par de vidrios E'D 25-K17 (BF25—K17) de la longitud de onda de la radiación

Dependencia de A 0 de la longitud de onda de la radiación. E l índico de refracción do los vidrios ópticos dependo do la longitud de onda do la radiación; por regla general, al aum entar la longitud de onda do la radiación, el índice de refracción de los vidrios disminuye. En la fig. 10 so m uestra la dependencia de la longitud de onda de los índices de refracción de Jos vidrios B<T>25 y K17 (BF25 y K17), que son los más d ifundidos en la fabricación do diferentes elementos fibrosos flexibles.

La aber tu ra num érica de las guías de luz depende tam bién de la longitud de onda de la radiación transm it ida . P a ra la mayoría de pares de vidrios ópticos, la abertura numérica de las guías de luz disminuye al aum en tar la longitud de onda. En la fig. 10 se muestra la dependencia de la aber tu ra numérica do la longitud de onda para las guías de luz de vidrio Ed>25 y K17 (BF25 y K17)

Efecto de borde en una guía de luz recto. El ángulo u 0 que se determina según la expresión (3), es ©1 ángulo máximo para el cual lodos los rayos que inciden en cualquier punto de la cara


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F IG . 41. t r a y e c t o <lé lo s r a y o s en u n a gu ía do luz<-------de e n t ra d a de la guía de lu z , so propagan on osle, gracias a la re f lex ión to ta l in te rn a en la f ron tera f i la m e n to —en v o l tu ra . E s t r ic ta m e n te hab lando (véase la íig. 8, e)t este ángulo viene a ser la ab e r tu ra nom ina l de los rayos m er id iona les , es decir, do los r a y o s que co r tan a l eje de la guía de luz. P a r a u n m ism o ángulo do inc linación u u los ray o s desviados on la en trad a de la guía de luz, es decir , los que no cor tan el eje de éste, inciden sobre la superficie la te ra l do la g u ía de luz fo rm ando u n ángulo m ayor, que los m er id io nales. E s to conduce a quo p a ra ángulos ux > i¿0, cuando los ray o s m er id iona les ya no se propagan en la g u ía de luz, u n a p a r te de los rayos desviados prec isam ente los que inc iden en el borde (anillo periférico) de la ca ra de e n t ra d a de la gu ía do lu z — en cu en tran la superfic ie la te ra l ba jo el ángulo de reflex ión to ta l in te rn a y se propagan por la g u ia de luz. Do a q u í el nom bre de efecto de borde.

A d ife renc ia de los rayos m erid ionales , los rayos ab ie r to s (desviados) so p ropagan den tro de la g u ía de luz s iguiendo una l ínoa helicoidal queb rad a , y de todo el con jun to de los rayos que inc id en en la ca ra de en trad a do la guía de lu z , u n a m i ta d describe on el proceso de su p ropagación u n a l ín ea he lico ida l quebrada con giro a l a izq u ie rd a , m ien tra s que la o tra , con giro a la derecha. E n la fig. 11, a , b so m uestrala proyección de los rayos inc l inados sobre lasección t ransve rsa l de la gu ía de luz. Como se ve de l a fig. 11, a , en la gu ía de luz rec ta desección c ircu la r , e l d iá m e tro l de l c i l indrotangen te a l rayo dado, d u ra n te la propagación de este r a y o a t r a v é s de la gu ía dé luz permanece <——F IG . 12. Efecto de bordo en las guías do luz

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constan te . E n una guia de luz poliédrica no se observa osle fenómeno (fig. 11, ó).

El ángulo de incidencia wx de los rayos en la cara de en trad a de la gu ía de luz , p a ra el cual éslo.s a lcanzan la frontera f i lam en to —envoltura bajo el ángulo de reflexión to ta l in te rn a , se de te rm ina por la expresión:

dondo D c es ol d iám etro del f ilamento .Como se aprecia en la fig. 12, a, el efecto de

bordo conduce a que a l crecer l au m en te el ángulo de inclinación u x de los rayos en el aire, para el cua l los rayos oblicuos a lcanzan la fronte ra f i lam en to —en v o ltu ra bajo el ángulo de reflexión to ta l in te rn a . E l efecto de borde aum enta el coeficiente efectivo (real) xx de la trans- m is ib i l idad geométrica de las guías de luz; esto se puede apreciar en la fig. 12, ó, que m uestra la dependencia de la transm isión de u n a gu ía de luz idealm ente t ransparen te , del ángulo de incidencia de u n haz de rayos parale los sobre la cara de la gu ía do luz. Cuando u1 > u 0t la transmisión do luz de la guía de luz os diferente de cero. Es ta influencia del efecto de bordo se m anifies ta más in tonsam ente cuando sobre la cara de la guía de lu'z incido haz de rayos cónico (fig. 12, c). La fig. 12, d representa la dependencia del coeficiente do transm is ib i l idad x, del cono de rayos por una gu ía dc luz idealm ente t ransparen te dc la lum inosidad nominal ten iendo en cuenta los rayos oblicuos; la t ra n s m isión de la luz difusa (ux = 90°) calculada so lam ente en función de los rayos m erid ionales , se indica por medio de la l ínea p u n teada .

De osla m anora , las partes periféricas de la sección de la gu ía do luz dejan pasar los haces


50 fíS “FIG. 13. Fotografía ilo la cara de salida do una guía do luz (,4 o = 0,613) bajo dif eran tos ángulos u respecto a su eje

de rayos de gran abertura y, por lo tanto , poseen una gran transmisión geométrica do) haz de rayos cónico, por ejemplo, del difuso (dol cono do difusión). El efecto de borde quo se debe a este fenómeno, se puede observar en la cara de salida do la guía do luz para ángulos de abertura u , > uq (fig. 13). E l efecto de borde tiene lugar en las guías de luz do cualquier construcción.

Luminosidad de las guías de luz de construcción compleja. Además de la guía de luz simple que liemos analizado, en la construcción de instrumentos son ampliam ente util izadas guías de luz de construcción compleja (en forma monofilar y de un haz) como son, por ejemplo: rectas y de sección constan le con caras inclinadas, de sección variab le a lo largo de su longitud, curvas y otras (fig. 14).

Las fórmulas (2) y (3) son las fundamentales y aparecen en las expresiones quo determinan la abertura numérica de las guías de luz do cualquier construcción. Todas Jas construcciones de las guías de luz, siendo iguales los valores de


S = 3 5

FIG . 44. Conslruccionos más d ifundidas de las guíus do luz monoíilarcs

n c y nuy t ienen una aber tu ra num érica A-i menor que la de una gu ía de luz recta de sección constan le y con caras rectas. La única excepción la constituyo la gu ía de luz de sección creciente y caras rectas, puesto que en esto caso, con o tras condiciones iguales, los rayos con una inclinación dada a la en trada alcanzan la superficie la te ra l de una gu ía do luz que se ensancha bajo un ángulo m ayor que en u n a gu ía de luz recta do sección constante.

S i en una gu ía de luz recta de sección constan te y caras rectas, con la condición de igualdad de sus índices do refracción en la en trad a y sa lida, la aber tu ra num érica so de term ina únicamente por ol ángulo crítico j h de reflexión to tal in terna (este es la l im itación fu n d am en ta l de la luminosidad de las guías de luz), la abortura num érica de las guías do luz de construcción compleja depende tam bién de o tras condiciones com plem entarias . Veamos las lim itaciones funda


m en ta le s de la lu m in o s id a d de la s g u ía s de luz de cons trucc iones t íp icas .

L im ita c ió n de la lum inosidad de un a gu ía de luz de sección constante y caras rectas. E n la cons trucc ión de a p a ra to s , los e lem en tos fibrosos f recu en tem en te se u t i l i z a n en condic iones , cuando u n a o la s dos caras de la g u ía de luz se en cu en tran en c o n ta c to óp tico con u n m ed io que t iene un índice de refracción m a y o r de 1. P o r e jem p lo , 1 en los a p a ra to s e lec trono-óp ticos , las p iezas de f ib ras pueden te n e r en la c a ra de e n t r a d a un lum inóforo , y en la ca ra de s a l id a , un fo tocátodo , u n a p e l ícu la fo tog ráf ica y o t ro s d isposit ivos. Y a en u n a g u ía de lu z rec ta de sección co n s tan te y con ca ra s rec tas , l a d es ig u a ld ad de los índ ices de re fracc ión de los m ed ios en l a e n trad a y sa lida puede c o n d u c i r a u n a res tr icc ión do l a lu m ino s idad de l a g u ía de luz en to ta l . M a tem á t ica - m onte , e s ta l im i ta c ió n se expresa en fo rm a de la ig u a ld ad :

n { sen = n c sen u c = ]/r n i — = n 2 sen u 2i (6)

donde y ru son los índ ices de refracción delm ed io en la e n t r a d a y sa l id a re spec t iv am en te ; ' u i y los áng u lo s de a b e r tu ra de los rayos enla e n t r a d a y sa lida .

A nalicem os u n a gu ía de luz con u n índ ice de refracción del f i lam en to n c — 2,13 y de la e n v o l tu ra n u — 1,51. D ich a g u ía de luz t iene u n a a b e r tu r a nu m ér ica n o m in a l en el a ire A 0 ==- v ¿ r — ni. = 1,5. Supo ng am o s que en la e n t ra d a de la g u ia de luz se encuen tra u n m edio con índ ice de refracc ión = 1,5 (fig. 15, a). E n es te caso , com o so aprec ia en la ig u a ld ad (6),

sen iii — 1,5, es decir , osta gu ía de luz en el p r im er m ed io t iene u n a a b e r tu ra num éricasen Uj = n l — «1 = 1. E n o t ra s pa lab ras ,ri\

5— 0 1 6 5 0 6 5www.FreeLibros.org

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a )

6 ) c)

e)

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á través do la guia de luz se propagarán todos los rayos que inciden en su cara do en trada bajo cualquier ángulo (radiación difusa). Si a la salida de esta guía, de luz, el medio tien© un índice de refracción 1,5, todos los rayosque alcanzan la cara de salida de la guía, salen de éste. Si en cambio n 2 < ni, una parte de los rayos experimenta una reflexión in terna to tal en la cara de salida y regresa a través de la guía de luz al prim er medio. E n el ejemplo anterior supongamos que el medio en la salida tiene n % =* 1,3. Los rayos que inciden del medio ni con una pendiente de 90°, van a tener en el f ilamento un ángulo de inclinación u c respecto al eje, determinado a pa r t i r de la igualdad (6):u c - 45°.^

Además de la condición de la reflexión to tal in terna para la cara de salida nc sen u ck — n 2 encontramos que en ol medio w2 = 1,3 salen de la guía de luz solamente aquellos rayos que tienen u n ángulo de inclinación respecto al ejede la guía de luz no m ayor que u ch — are sen ~ =

o== 28 , es decir, todos los rayos que llegan hasta la cara de salido, pero que tienen un ángulo de inclinación desde 28° hasta 45°, no saldrán de esta guía de luz y regresan. En ol medio n a, todas las direcciones son copadas por los rayos, es decir, la cara de salida irradiará difusamente. La aber tu ra de en trada efectiva en el medio «ido la gu ía de luz será igual a sen ^ < 1Tt\(en el caso analizado = 60°).

La restricción, de la luminosidad que hemos analizado ac túa para cualquier construcción de las guías de luz, y durante la utilización práctica<------F Ip . *5. L im itaciones principales do la luminosidad de guías do luz


de los elementos fibrosos óú condiciones serüé^ jan tes es necesario tenerla en cuenta.

Limitación de la luminosidad en una guía de luz recta con cara de entrada inclinada. Al incid ir los rayos en la cara de en trada inc linada de una guía de luz (fig. 15, ¿?), de todo el conjunto de rayos oi 1 llega a la superficie la te ra l de l a guía do luz después de su refracción en la cara de en trada bajo el ángulo mínimo; este rayo determ ina la aber tu ra numérica de en trada de la guía de luz. La cara de en trada inclinada l im i ta la abertu ra , la cual es m enor que en el caso de cara recta.

Limitación de la luminosidad de una guía de luz recía con cara de salida inclinada . No todos los rayos que llegan has ta la cara de salida inc linada de la guía de luz pueden salir de éste, puesto quo una parto de los rayos (fig. 15, c) experimenta una reflexión to ta l in terna, en la cara de salida. H as ta cierto ángulo de inclinación dé la cara de salida, todos los rayos que se pro- pagam por la guía de luz salen de éste. Al aumentar el ángulo de inclinación, una par le de los rayos experimenta reflexión to ta l interna, y cuando se alcanza el ángulo de inclinación crítico, todos los rayos experim entan reflexión in terna to ta l y ninguno do ellos sale a través de la cara de salida-

Limitación de la luminosidad en una guía de lúe curva . Como se puede apreciar en la fig. 15, á, de todo el conjunto de los rayos que inciden on la cara de en trada de una guía de luz curva, el rayo 1 que llega al bordo de la cara, alcanza la superficie la te ra l de la guía de luz, formando el ángulo mínimo. Es te rayo determ ina la abertura numérica de una guía de luz curva y la l im ita . ......

Limitación de la luminosidad en guías de luz con una sección que se va estrechando. E n las


g u ía s de luz con u n a sección que d ism inu ye en el proceso de p ropagac ión (fig. 15, e), los rayos a u m e n ta n el ángu lo de in c l in ac ió n respecto a l eje de l a s g u ía s . E n s e m e ja n te g u ía de luz , es necesar io que el ángu lo de la ú l t im a reflex ión en la superf ic ie l a t e r a l de la g u ía sea igual o m a y o r que el án g u lo c r í t ic o de re f lex ión to t a l in te rn a . E s to l im i t a la a b e r tu ra de e n t r a d a do la gu ía de luz y , en este caso, los rayos e x p e r im e n ta n las p r im e ra s reflex iones p a ra ángu los co ns id e rab le m e n te m ay o re s que e l ángu lo c r í t ic o de reflex ión to t a l in te rn a .

E n d ep end enc ia de la cons trucc ión de l ele^ m e n tó d e f ib ra y de las cond ic iones de su u t i l i zac ión , en u n in s t ru m e n to a c tú a n dos o v a r ia s res tr icc iones a n a l iz a d a s de la lu m in o s id a d de las gu ías de luz. E n es te caso, e n c u e n t r a n la re s t r ic c ión m ás fue r te (la d o m in a n te ) y según ésta d e te rm in a n la lu m in o s id a d e fec t iva de ía s guías de luz .

T ransm is ión de luz en guías de luz un i ta r ias .L a fó rm u la (4) in d ic a que la t ra n sm is ió n de luz en u n a g u ía de lu z depende de su a b e r tu ra n u m é r ica n o m in a l y r ± < 1 p a ra Ux > u 0. E s ta l im i tac ió n de la a b e r tu ra de l a t ran sm is ió n de luz se co m p en sa p a rc ia lm e n te p o r m ed io del efecto de b o rd e (fig. 12). A dem ás do la res t r icc ión de la a b e r tu r a , en l a p ropagac ión de la luz po r guías de lu z pueden h a b e r pé rd idas cu y as fuentes son: re f lex ión de la lu z en a m b a s ca ras , absorc ión y d ispers ión en el m a te r i a l de la g u ía de luz, d ispers ión en la s m icrohe te reogene idades (micro- i r regu la r idades) de la superf ic ie reflec tora f i la m e n to —e n v o l tu ra y la s ref lex iones in terno* no c o m p le ta m e n te to ta le s .

R eflex ió n de la lu z en las caras. A l in c id i r la luz en la f ro n te ra de dos m ed ios , una p a r te de la energ ía se refle ja en el p r im er m edio (fig. 7, a). R espec to a la g u ía de luz, esto conduce


al regreso de cierta par te de la rad iac ión debido a la reflexión en las caras de en trada y salida. Estos pérdidas, lo mismo que las restricciones de las aberturas , es decir, no dependen de la longitud de la guía de luz y so determ inan por los índices de refracción del f ilam ento y por la abertura del haz cónico de rayos incidentes.E n la tab la 1 aparecen los coeficientes de reflexión p, al inc id ir un haz cónico de rayos de aber tu ra ut en la superficie de un medio de un índice de refracción n c. L a transm isión de luz de la cara de en trad a de la guía de luz, considerando solamente la reflexión, es igual a -1 — p, m ientras que si so t iene en cuen ta la reflexión on am bas caras, la transm isión de luz t 2 de la guía de luz se determ ina según la oxpresión:

x t « <i - p )2. (7)

Como se «aprecia en la tab la \ r donde seencuentran los valores de r 2, la transm isión de luz, considerando solam ente las pérdidas, por la refloxión en am bas caras de la guía de luz, aum enta a l d ism inu ir el índice de refracción del f i lam ento y de l a aber tu ra del haz de rayos cónico. Teniendo en cuenta lo que so ha dicho, los disoñadores de los materiales y de la tecnología de la fibroóptica se esfuerzan por rebajar lo m áxim o posible los índices de refracción de los vidrios del f ilamento y de la envoltura , dejando entre ellos una diferencia que garantice la abortura que so necesita.

Aplicando en la superficie de las caras una capa de baja refracción —método am pliam ente u ti l izado en la óptica clásica — , se puede aum ent a r algo la transmisión de luz de u n a guía do luz en comparación con los datos de la tab la 1.

Atenuación de la luz por el material de la gula de lu z . Una radiación al propagarse por la guía de luz se a tenúa debido a la absorción


¿ Tabla 1Coclic'icnles de reflex ión y de tran sm is ió n de luz

nV!Ui en arados u í > G 1,K 2. 0

» I T2 * I xa O X 2 P T2

0 0,028 0,945 0,053 0,897 0.082 0,843 0,111 0,79010 0,028 0,945 0,053 0,897 0,082 0,843 0,111 0.79020 0,028 0,945 0,053 0,897 0,082 0,843 0,111 0,79030 0,028 0,945 0,054 0,895 0 .0 8 2 0,843 0,112 0,78940 0,029 0,943 0,055 0,893 0,084 0.839 0,113 0,78750 0,031 0,939 0,058 0.887 0,087 0,834 0,116 0,782C O 0,037 0,927 0,004 0,876 0,093 0,823 0,122 0,77170 0,047 0,908 0,075 0,856 0,104 0,803 0,132 0,75380 0,083 0,878 0,092 0,825 0,121 0,773 0,148 0,72690 0,077 0,852 0,106 0,799 0,134 0,750 0,161

•0,704

y dispersión en el m a te r ia l de la f ibra . La t ransm isión de luz del haz cónico do rayos de aber tu ra ux es cas i igual a la t ransm is ión de luz del haz dirig ido de los rayos que inciden en la cara do en trad a de la g u ía de luz bajo un ángulo u x. Por e s ta razón , el coeficiento de transm isión de luz t 3 de la g u ía de luz , ten iendo en cuen ta so lam ente la< a tenuac ión debida al m a te r ia l , en la p ráct ica se puedo ca lcu la r con suficiento precisión u t i l iz an d o la fórmula:

donde e es el índico de a tenuac ión (absorción y dispersión) do la luz po r el m ateria l do la guía de luz;

P es lá long itud dol recorrido del rayo m ú l t ip le m e n te refle jado en el f i lam ento .

E l recorrido de los rayos en una guía de luz recta es tá represen tado on la fig. 11, c, d y se forma por l a reflexión especular sucesivo y m ú l tip le . Como se aprecia 0 1 1 la gráfica dc la fig. 11,

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en una g u ía de luz recta de sección cons tan te , la lo ng i tu d P to ta l del recorrido del rayo —m er id io n a l u o b l icu o — se d e te rm in a por la ex p re sión:

/ > ^ ¿ s c c u e = - (0)i / 4 sen2 uxV

donde L es la long itud de la gu ía de luz y no depende del d iá m e tro del f i lam ento .

T o m an do en cuen ta la expresión (9), la fórm ula (8) se t ransfo rm a en:

- ( . . . r .) . (10)t 8 = * 1 0 V n c ~ senZ«i /E n esta ú l t im a expresión se ve que la t ra n s

m isión de luz, considerando la a ten u ac ió n de la luz en el m a te r ia l , dependo de la c a l id a d del v id r io de la f ibra , de la lo n g i tud de la gu ía de luz , del índico de refracción de la f ib ra y del ángulo de inc linación del ray o respecto al eje de la gu ía de luz. L a transm is ión de luz r 3 se reduce al a u m e n ta r la lo ng i tud y el índ ice de a tenuac ión del m a te r ia l y d ism in uy e ins ign if ic an tem e n te a l a u m e n ta r el ángu lo do inc linación i¿j. La t ransparenc ia de los m a te r ia le s va r ía de acuerdo con la lo n g i tud de onda de l a rad iac ión inc idente . P o r esta razón, al ca lcu la r la t ra n s m isión de luz en un am p l io in te rv a lo de longitudes de onda , es necesario ten e r en cuen ta la dependencia de e de la lo n g i tu d de onda de la radiación.

Pérdidas de luz en las reflexiones internas . El c ien tíf ico ru so A, A. E i je n v a ld dem ostró on 1909 que en la reflexión to ta l in te rn a de una onda lum inosa la energía del ray o inciden te parece «sumergirse»] en el segundo m ed io para luego aparecer por com ple to en ol r a y o reflejado


en el prim or medio. E n u n a reflexión to ta l in te rn a u n i ta r ia en la f ron te ra de separación de medios a l tam onte t ransparen tes , el coeficiente de reflexión u n i ta r ia os p rác t icam en te igual a 1. Así, en u n a serie de investigaciones se demostró que el coeficiente de una roflexión to ta l in te rna u n i t a r i a en dependencia de la t ransparenc ia del v id r io de la envo ltu ra y de la ca l idad de la f ron tera do separación f i lam en to —envo ltu ra se encuen tra en oí in te rv a lo 0 ,99900—0,9999990.

E n las guías de luz con en v o l tu ra , por e jemplo, de v idrio , la reflexión, h ab lan d o e s tr ic ta m ente , tiono lugar en ol medio que absorbe la luz. Por es ta razón, el coeficiente de reflexión to ta l in te rn a depende dol índ ice do a tenuación del m a te r ia l de recubrim ien to y desde el pun to de v is ta energético no es to ta l . Debido a las reflexiones in te rn as m ú l t ip le s del rayo en la guía de luz, las pérd idas en la s reflexiones se m anifies tan en la transm is ión de luz. P a ra el haz de ray o s d ir ig ido la transm is ión de luz x4, ten iendo en cuen ta ú n icam en te la s pé rd id as on las reflexiones in te rnas , es igual a:

*4 — PJ. (11)

donde p b es el coeficiente de reflexión in te rna u n i ta r ia ;

t| es el núm ero de reflexiones que exper im e n ta el ray o a l propagarse a t ravés do la guía de luz.

Como se aprecia en la fig. 11, c> para e! rayo m erid ional, el núm ero de reflexiones en una guía de luz rec ta de sección co n s tan te dependo de la longitud L y del d iám e tro D c del f i lam en to y del ángulo u c de inc l inac ión del ray o en el f i lam ento:

L , £senu«T ( _ ’P 7 S U c ~ D e y „ * - s e r f u j ' ( J


Sin embargo, corno se vo en la fig. 11, d , los rayos inclinados experim entan m ayor núm ero do reflexiones que los meridionales. P o r lo tan to , el cálculo de la t ransm isión do luz t 4 a pa r t i r del número de reflexiones de los rayos meridionales no es exacto. El número promedio de reflexiones r\a respecto a la sección on una guía de luz recta y c ilindrica se determina por la expresión:

T|6 = 1,18 -Jj— lgwc, (13)

es decir, el número promedio de reflexiones respecto a la sección es 1,18 voces m ayor que para los rayos meridionales. De la expresión (13) so ve que en un f ilam ento de lOp de d iám etro para un ángulo do inclinación del rayo u c = = 30°, un rayo mcridonal en una guía de luz de 100 mm de longitud experim enta 5 775 reflexiones; el rayo inclinado, tangente al cilindro de 5jx de d iámetro , experimenta 23 100 reflexionos y el número promedio de reflexiones según la sección es igual a 0 800.

Considerando las expresiones (12) y (13), la fórmula (11) toma la forma

1 , i 8 L s e n u ¡

T t = p i ,y ^ i ( 1 4 )

es decir, la transm isión de luz, considerando tan sólo las perdidas por reflexiones in ternas, depende de la longitud y diámotro del filamento, do su índico de reflexión, del ángulo do inclinación do los rayos rospocto al eje do la guía de luz, y, teniendo en cuenta p¿,, del índico de a tenuación clol material do Ja envoltura y do la calidad de la frontera de separación f i lam ento—envolUira. Al aum en tar el ángulo de inclinación y la longitud do la guía do luz y al d ism inuir oí diámetro del filamento, la transmisión de luz r 4 disminuye.


E l aná l is is do la s fuen tes fu n d a m e n ta le s de las p é rd id a s lum inosas in d ica que éstas so pueden c la s if ica r do dos m aneras : L a s p é rd id a s en las c a ra s (dependencia de x do la a b e r tu ra num érica y la reflexión de la luz on las caras) y la s pérd idas l inea les (dependencia de x de la lo ng i tu d del f ilamento).. T odas la s fo rm as do p e rd id a s a u m e n tan» a l crecer la a b e r tu ra del haz de rayos inc idente.

L a lu m in o s id ad re s u l ta n te de u n a g u ía do luz u n i ta r ia es igual a l p rod uc to de los coeficientes de t r a n s m is ib i l id a d q u e se definen po r las ex p re siones (4), (7), (10), (14) y to m an en cons ide ra ción por separado la s fu en tes p r inc ip a le s de la s p é rd id as lum inosas .

T i = (15)Q ué es u n a g u ía de luz. Todo lo a n te r io r

m ente expu es to en este c a p í tu lo pe rm ite en p r im era ap ro x im ac ió n responder a la p regunta : «¿Qué es u n a g u ía de luz?» Sin em bargo , el concepto de gu ía de luz a que se refiere la f ib roóptica n o puede defin irse c o m p le ta m e n te a base de lo an tes expu es to si no se to m a n en c u e n ta o tros aspec tos do la p ropagac ión de la luz a t ra v és de u n f i la m e n to con du c to r de luz com o, en p a r t ic u la r , la s im e tr izac ió n del haz de ray o s en la g u ía de luz y la p rom ed iac ión de la i lu m in a ción en la cara do sa l ida del f i lam ento .

Sim etrización del haz de rayos en la g u ía de lu z . D u r a n te la in c id en c ia , por e jem plo , do un haz cónico de r a y o s estrecho sobre u n a lám in a p lan a para le la o cuneiform e, no se opera n inguna t ra n s fo rm ación fu n d a m e n ta l de la e s t ru c tu ra del haz cónico y su d i re c t iv íd a d se conserva la m ism a (fig. 16, a) o va r ía (fig. 16, b). E n el f i lam en to , como re su l ta d o de m ú l t ip le s reflexiones to ta les in te rn a s o in d e p e n d ie n te m e n te del c a rá c te r de las caras , se l leva a cabo la s im e tr izac ió n del haz


de rayos, respecto al eje de la gu ía de luz. La s im etrización conduce, por ejemplo, a que el haz estrecho de rayos quo incide bajo un ángulo sobre la cara de salida de la guía do luz de caras rectas, l lene al sa l i r el espacio de una zona l im itada por dos superficies cercanas cónicas y coaxiales, es decir, una zona cónica an u la r (fig. 16, c).

La simetrización del haz do rayos tiene lugar en la s guías de luz de cualquier construcción; es decir, en cualquier guía de luz, después de a lgunas reflexiones de los rayos, aparece una simetría respecto a l eje de la d istr ibución lum inosa dentro del f ilam ento . Al sa lir de la guía de luz de construcción com pleja , la s im etr ización dol haz do rayos se a l te ra y se observa bien c ier ta infracción de la s im etr ía de la d istr ibución lum inosa en el espacio (fig. 16, d y e), bien la variación de los ángulos de salida de los rayos conservando la s im etr ía (fig. 16, / , g).

Promediación de la iluminación en la cara de salida del filam ento . La s imetrización do los rayos dentro del f i lam ento y, como resu ltado , la mezcla de los rayos, conduce a una distr ibución promedia de la luz en la cara de sa lida independ ientem ente de la d is tr ibución de la i lum inación en la cara do en trada (es decir, independien temente de si toda la cara de en trada es tá i lum inada por los rayos o sólo una par te de ella). Con otras palabras, la i lum inación de la cara do salida es igual en todos los puntos.

La s imetrización del haz de rayos y la pro- modiación de la iluminación en la cara do salida son la s diferencias fundam enta les existentes entre las guías de luz y otros e lementos ópticos t ra n s misores de luz. Un mismo elemento óptico en forma de f ilam ento con eje de s im etr ía y rodeado

>

FIG . 10. SimeLrizacióu del haz do rayos on las g u í a s d e l u z


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de u n a e n v o l tu r a ce r rada de b a ja re fracc ión , en d ependenc ia do Jas cond ic iones de inc idencia de la luz en su cara do e n t r a d a , pu ede fu n c io n a r b ien com o g u ía de lu z b ien com o lá m in a s p lana p a ra le la o cune ifo rm e. P o r e jem plo , c u a n d o el h az de r a y o s inc ide en fo rm a in c l in a d a (fig. 17, a ), este e le m en to óp tico a c tú a com o u n a g u ía do luz; c u a n d o ol haz os trecho de ray o s incido ñor- m a lm o n te (fig. 17, b) o c u a n d o la re lac ión en tre la lo n g i tu d y la sección ©s p eq u eñ a , e s te e le m e n to a c tú a com o u n a lá m in a p la n a p a ra le la (fig. 17, by c) o cune ifo rm e (fig. 17, d ).

E s t a s dos p a r t ic u la r id a d e s de la p ropagación de l a ra d ia c ió n a t r a v é s de g u ía s de luz u n i t a r ia s d e te rm in a n la s reglas de la t ransfe renc ia de im ágenes a t r a v é s do cu a lq u ie r e lem en to fibroso en fo rm a de haz de g u ía s de luz. R ea lm en te , c u a lq u ie r haz de g u ía s de luz t r a n s m i te la im agen po r e lem en to s (véase el cap . 111) y en el caso de ausenc ia de s im e tr izac ió n del haz de rayos y de p rom ed iac ión de la i lu m in ac ió n en la cara de s a l id a , en el m ac ro d ib u jo de m osaico fu n d am e n ta l se superpone un m ic ro d ib u jo de m osaico en forma de e lem entos , d e n t ro de los cua les la i lu m in ac ió n no os c o n s ta n te . A dem ás, a la sa lida la in fo rm ac ión subre ol e lem en to d a d o de la im agen puede e s ta r co n ten id a no en todas las d irecc iones ex ig idas . Todo es to d i f icu l ta la percopción y el an á l i s i s de la in form ación .

A base de lo ex p u e s to se puede d a r la s igu icu to def in ic ión de g u ía do luz: la gu ía de luz es un e lem en to óp t ico , a t rav és del cua l los ray o s se p ropagan g rac ia s a las re f lex iones to ta le s in te r nas m ú l t ip le s en la f ron te ra de separac ión f i la m e n t o — e n v o l tu ra y d u r a n te el proceso do pro-

<-------FIG . 17. D is tr ibu c ión do luz p o r la ca ra do sa lida do una barra a is lad o ra do luz


pagacíón experim entan la s im etr ización respecto al eje del f i lam ento , croando u n a ilum inación uniforme en la superficie de la cara de salida del f ilam ento .

Saturación de una guía de luz. Las guías dc luz on la m ayoría de los casos tienen u n a lu m inosidad que sobrepasa al valor promedio de la lum inosidad de los s is tem as ópticos clásicos corrientes, por ejemplo, de los s is tem as de lentes y espejos. Debido a esto, las guías de luz se caracterizan por una m ayor capac idad para t ra n s m i t i r haces am plios de rayos. E s ta capac idad representa una de las ven ta jas esenciales de la t ransm isión de luz a t ravés de gu ías de luz frente a los sistemas de len tes y espejos y ofrece la posib il idad , en el presento y en el fu tu ro , de una am plia u t i l izac ión de elementos fibrosos en la construcción de aparatos.

La efectiv idad de u t i l iza r en un s is tem a dado las capacidades de las guías de luz para t r a n s m i t i r am plios haces de rayos se eva lúa según la sa turación de la s gu ías de luz. U na guía do luz de sección S y de aber tu ra num érica nom inal A q puede t r a n sm i t i r un flujo <t>0 de rayos con una Iuminancrá B no m a y o r de (¡)D = A \ B S (sin tener en cuen ta el efecto de borde). La sa tu ración nom ina l H q de la gu ía de luz se de te rm ina por la relación en tre el f lujo lum inoso O transm i t id o por la guía en los l ím ite s del ángulo de ab e r tu ra nom ina l u 0 = are sen A 0 y el f lujo cí>0 - A l B S

Á g s r - <16)La sa turación de una g u ía de luz recta de

sección constan te y de caras rec tas , en cuya cara de en trad a incide un haz cónico de rayos con una aber tu ra Uj < ; u0, es

H ( 1 7 )u sen2 u0 ' '


E l concepto de sa tu rac ió n de la gu ía <le luz so ox tiendo ta n sólo al caso de incidencia del haz cónico de rayos con ab e r tu ra u x ^ u0, ya que el caso cuando u x > uQ ev iden tem en te es incorrecto y no efectivo desdo el pun to de v is ta de una t ra n sm is ió n de inform ación de a l ta ca l idad u t i l iz a n d o un elomonto fibroso (véase el p . 5), au n q u e en este caso, la sa tu rac ión do la guía de luz de una construcción dada puede ser igual a 1.

L a sa tu rac ión de la gu ía de luz carac teriza el l len ad o de su vo lum en in te rno en to d a la sección por rayos que tienen un ángulo de inclinac ión respecto al eje en tre 0o y u c0 — 90° — j h es decir , por los rayos que se p ropagan gracias a las reflexionos in te rn a s to ta les . Si en u n a guía de luz to d a la sección y todas las direcciones ostán l lenas por estos rayos, se dice que la gu ía es tá to ta lm e n te «saturada» de rayos. Si la sa tu ración de una gu ía de luz es igual a 1, significa que és ta so u t i l iz a en su régimen óptim o , o, con o tras pa lab ras , se em plea toda su capac idad do t r a n s m i t i r am p lio s haces de rayos.

Sentido fíbico de la abertura numérica mayor de 1 . A c tu a lm en te han s ido e laboradas gu ías de luz, p a ra las cuales la a b e r tu ra num érica nomi- n a l que se ca lcu la por m edio de la expresión Y"n\ — ng, re su l ta m ayo r de 1. Según la fórm u la (3) Y n c — n'i es igual a sen u 0 y sea u0 no puede ser m ayor de 1. A base do esto, frecuen tem en te se a f irm a que la a b e r tu ra num érica no m in a l A 0 = sen u 0 = Y n i — > 1 no tionosontido físico. E n rea l idad esla af irm ación es incorrecta , ya que la u t i l izac ión , po r e jem plo, de una g u ía de luz recta de sección cons tan te con ca ras rec tas y que t i e ne una ab e r tu ra num érica, n o m in a l y n o — ma y o r de 1, significa sólo que la sa tu rac ión de osta gu ía de luz al inc id ir los rayos desde e l a ire os m enor de 1.

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P o r lo tan to , el empleo de dicha gu ía de luz on ol caso dado, teniendo aire como m edio en la en trada , s im plem ente no es conveniente, puesto que incluso al inc id ir desde el a ire la rad iac ión difusa en la cara de en trad a de la gu ía de luz es suficiente valerse de una guía de luz con A 0 — sen u 0 — Y 'ñ f — r¿i = 1.

Si, en cambio, en la en trada y sa lida do la guía do luz so encuentra un m edio con un índice de refracción > 1 (un caso m u y frecuente en la fabricación de aparatos) y dosde esto medio incido el haz cónico de rayos en la cara de en trada del f i lam ento , m ien tras que la gu ía de luz tiene una aber tu ra num érica nom inal , por ejemploV n 'i — n i ^ n l9 entonces de la fórm ula (2) se deduce que:

sen uiQ = ^ n°n—— 11 (18)

es decir, la expresión ]/~nt — n i > 1 adquiere sentido físico com ple tam ente concreto. E n p a r t i cular, para una aber tu ra del haz cónico de rayos a 10 de te rm inada a pa r t i r de la expresión (18),la guía do luz con V n \ — n i > 1 funciona en el régimen de saturación, es decir, su sa turación es igual a 1. M ientras que en el caso de la incidencia desde un medio de inmersión del haz cónico de rayos con aber tu ra u x > u l0 aparecen rayos fuera do aber tu ra , lo que quiero decir, que en este caso es necesario au m en ta r el valor)/~ric — n i . En par t icu la r , para que la radiación difusa (es decir, u10 — 90°) que incide de un medio de inmersión con un índico de refracción n y pase to ta lm en te a t ravés de la guía de luz y llegue a su cara de sa lida , es necesario, como se vo en la expresión (18), que ri¿ — n i = n x, es decir, que sea m ayor de 1.


5. EFECTO DE LOS TRES ANILLOS: BASE DE LA OPTICA GEOMETRICA D EL H A Z DE G U IA S DE LU Z

La gran mayoría de los elementos fibrosos utilizados en la construcción de aparatos constituyen un Jiaz de guías de luz, o sea, un conjunto de filamentos conductores de luz 2 , separados por capas aisladoras de luz 2 (fig. 18).

Una pieza fibrosa, en goneral, es un sistema complejo no centrado de microlentes cilindricos, que tienen el mismo índice de refracción que el filamento y que se oncuontran en un medio cuyo índice de refracción es el de la envoltura. Las leyes de la propagación de la radiación a través de un haz de guias de luz se diferencian de las leyes de la transferencia de la luz a través de guías de luz unitarias y monofilares.

Balance de la radiación que se propaga a tra vés de guías de luz. Aualicemos una pieza fibrosa sinterizada idealmente transparente con un tendido de filamentos paralólo y con una abertura numérica nominal A 0 < 1 . Los medios a la entrada y salida de la pieza tionen índicos de refracción n 1 = n 2 = 1. Al incidir un flujo sobre la cara de entrada de la pieza, éste incide sobre la caras tanto de los filamentos como do las capas intercaladas entre éstos. Como se muestra en el p. 4, si el flujo d> tiene una abertura

> u0, la parte del flujo contenida en el ángulo de abertura 0 — u0, se propaga a través del filamento dado, mientras que los rayos que tienen un ángulo de inclinación mayor do u0, forman un flujo fuera de abertura. De esta manera, el f lujo O en la cara de entrada del haz de guías de luz so divide en tres componentes: es el flujo ú ti l con abertura u0, el cual se propaga a través de su filamento conductor de luz y porta la información ú t i l ; <D¿, el flujo fuera de abertura


/

a)oooooo o o o ooooooooooooooooooooo

b> "7 ...C)

fto£o°O q O q Oo x o ôo x o x or~\'

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PIG. 18- Colocación do las guías do luz: a — cuadrada; b — hexagonal; c — do sección hexaedro i —f i l a m e n t o c o n d u c to r de luz; 2—c a p a s a i s l a d o r a s de luz

<--------------en ce r rad o en u n a zona a n u l a r cónica desdo u 0 h a s ta u x que , po r co n s ig u ie n te , a lcan za la su perf ic ie la te ra l de l a g u ía do luz b a jo un ángu lo m e n o r q u e el c r í t ic o j h y pasa de sus f i la m e n to s a l in t e r c a la d o y a lo s f i la m e n to s vecinos; el. f lu jo que in c id e sobro las c a ra s de e n t ra d a do l a s c a p a s in te rc a la d a s ( a is la d o ra s de luz),

O = <J>„ + <t>b + O V (19)

L o s f lu jo s <t>b y d>u l leg an h a s ta la c a ra de sa l ida de la p ieza y caen sobre l a s c a ra s de sa l id a t a n to de los f i la m e n to s c o m o del in te rca lad o , es dec ir , c a d a tino de e llos se d iv id o en dos pa r tes : la q u e sa lo a t ra v é s de la s co ras do ios f i la m e n to s Og y <!>£, y la q u e sa le a t ra v é s de las c a ra s do in te rc a la d o y De osla m a n e ra , después de s a l i r do la p ieza f ib ro sa , el f lu jo se d iv id e en c inco c o m p o n e n te s :

o = <d„ + os; + o £ + + o ; : , <2 0 )s iendo do es tas c in co co m p o n en les sólo el f lu jo el p o r ta d o r do la in fo rm ac ió n ú t i l , m ie n t r a s que las o t r a s c u a t r o c o m p o n e n te s no son o p e ra t iv a s y c rean en la ca ra de s a l id a de la p ieza u n fondo p a rá s i to , que d ism in u y e el c o n t ra s te de la im a gen t r a n s m i t id a .

Con a y u d a de la le y de la refracc ión n x son u x — — n 2 sen u 2 y l a g rá f ica de la fíg. 19, la cua l r e p re s e n ta u n corto lo n g i tu d in a l de u n a pieza f ib rosa , so puedo d e m o s t r a r que el á n g u lo in c i den te Ux del f lu jo <T> en la c a ra de e n t r a d a de la< —FIG. 19. Interconexión de ángulos de inclinación do los rayos respecto al ejo de una pieza fibrosa en la entrada uL y en la salida «2 do la pieza


pieza y los ángulos de salida u 2 de las diferentes componentes, para los flujos (J>,4, <l>g y <t>ü están relacionados por medio do la igualdad

= u i, (21)

y se cum ple síompre que para <\>n, u 2 < z u 0; para u2 > u 0; para el flujo ,

sen u 2 = y sen2 u t -j- son2 u0; (22)

para el flujo 0*5,

sen u2 = V"sen2 — sen2 (23)

Por las expresiones (21)—(23) se puede apreciar que desdo el punto do vista de los ángulos do inclinación en la salida de la pieza fibrosa existen tros flujos: ol f lujo g sale con menor pendiento que a la en trada y los flujos <J>a ,

tienen en la salida u n ángulo de inclinación igual que en la en trada , y el f lujo <$£ sale de la pieza con m ayor pendiente. E n la tab la 2 so encuontran las carac terís t icas fundam entales de las componentes del flujo que pasa a travos do una pioza fibrosa. E n la tabla 3 se dan los ángulos de inclinación de los rayos, en los l ím ite s de los caíales del haz de guías do luz salón los rayos de las diferentes com ponentes del flujo. Como so aprecia en las tab las 2 y 3 cada componente do la radiación que se propaga a través do la pieza t iene sus propiedades ópticas específicas.

Componente E l ángulo m ín im o do salida do los rayos do osta componente so alcanza para u, = u0y saliendo los rayos norm alm ente a la cara de salida do la pieza. Al au m en ta r uXJ -el ángulo de sa lida u 2 aum enta ; sin embargo, todo el tiompo permanece menor que u x y no alcanza ol valor de 90°.

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Componente d>¿. E l án g u lo de sa l id a m ín im o de los r a y o s es ig u a l a u 0 cu an d o h a y incidencia n o rm a l de los ray o s sobre la c a ra de e n t ra d a . A l a u m e n ta r el ángu lo de e n t r a d a u±, el ángulo do sa l id a crece y , com o se ve en la expresión (22), c u a n d o u* = 90° — u 0 a lcanza 90°, es decir , se desliza por la ca ra do sa l id a . Si el án g u lo de e n t r a d a del haz dirigido do rayos es m a y o r q u e u j , el co m p o n en te ex p e r im en ta re f lex ión to t a l in te rn a en la s c a ra s de sa l id a de los f i lam en to s y regresa a la ca ra de en trad a de l a p ieza . Si, en c am b io , en l a e n t r a d a , el haz cónico de r a y o s incide con u n ángu lo de a b e r tu ra ^ > u j , l a p a r te del co m p o n en te <!>„, confin ad a en el cono con a b e r tu ra desde 0 h a s ta sale dc la p ieza , m ie n t r a s que o tra p a r te 0 £ « t encerrada en la zona a n u la r del cono con ab e r tu ra desde u \ h a s ta u x, e x p e r im e n ta re flex ión to ta l in te rn a en las c a ra s de sa l id a de los f i lam en to s .

T e n ie n d o en c u e n ta e s ta observación , al in c id i r sobre la e n t r a d a de la pieza el haz cónico de r a y o s con a b e r tu ra u t > u* = 90° — u 0, el f lu jo do e n t r a d a O se d iv id e en la ca ra de sa lida en seis com ponen tes

0 = <D* + O* + 4 £ + <j£i + 0^2 + < 1 ( 2 4 )de l a s cu a le s la co m p o n en te no salo a t rav és de la c a ra de sa l id a do la p ieza , es decir , no reba ja el c o n t r a s te do la im ag en t r a n s m i t id a .

In d e p e n d ie n te m e n te do la lo n g i tu d de las g u ías de luz , to d a s la s c o m p o n en te s p a rá s i ta s del f lu jo «vagan» d en tro de la p ieza , c am b ia n d o c o n t in u a m e n te su a z im u t con re lac ión al eje de és ta . P a r a c ie r to s e m p a q u e ta m ie n to s t íp ico s de los f i la m e n to s en la fig. 20 se m u es tra la proyecc ió n d e l reco rr ido de los ray o s p a rá s i to s en la sección t r a n sv e r sa l del haz de g u ía s de luz. E s t a in te re s a n te p a r t ic u la r id a d de la p ropagac ión de las co m p o n en te s no o p e ra t iv a s a t r a v é s de u n


Componentes fundamon

Componentes del flojo

Dependencia del ángulo de Inclinación del rayo en la salida de la

pieza del ángulo de inclinación »m en la

entrad»

<T>„— flujo de información que sale a través do la cara del filam ento guía de luz , en cuya cara do en trada incido dicho flujo

son u>> = son ui

ODJJ— flujo a través del revestim iento que incide sobre las caras de en trada de las envoltu ras aisladoras de luz y sale o través de las caras de salida de éstas

son a-1 — soni

— flujo a través del revestim iento que incide en las caras de en trada do las envo ltu ras y sale a trav és de las caras de salida de los filamentos

son n i ==..= ~\/ seii2ni-j- son2f¿0

<1)^2 — flujo a través del revestim iento que incido en las caras de en trada do las env o ltu ras y llega hasta las caras de salida (lo los filamentos

lí x per i nica ta ro í 1 ex i óíi to ta l interna en las. caras de sa lida dé los f ¿lamerlos

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Tabla 2tales del flujo que paso a través de una pieza fibrosa

Ángulos de Inclinac ión u i de Jos

rayos cu la en trada de Ja pieza, para U>fi cuplés nxjste

o na com ponente dada

R elac ión en tre lo s ángulos de inclinación del rayo en la en tra d a u i y en l a sa lid a u¿

Dependdncia delángu lo de inclinación ur,i cu la

so lida de la longitud de onda do

la radiación

0 < «, < u0 U s¿ = 11 j sen u2 / (X)

0 < U, < 0 !° u2 =* son u -2 f (X)

0 II , I l y —— yo — 1¿0tí 2 T,> lij son u% — f (X)

“l < U, < <J()n No sale de la IliüZíl sen u 2 — / (>.)

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Componerles <iol finio

Dependencia del ángulo de inclinación ua del rayo en la solida do la pieza del ángulo de inclinación ui en la

entrada

ilijj,— flujo fuera de abertura que incide en la cara de entrada del filamento y sale a t ra vés do la cara de salida del revestimiento del mismo

sen i¿2 —= ~Z sei\¿uy — sen2 uq

<1^2 —flujo fuera de abertura que incide en la cara de entrada del filamento y emerge a través de las caras de salida de las envolturas de ios demás filamentos

sen ~= ~\/ sen2í¿i — sen2uo

<1>£ — flujo fuera de abertura que incide en las caras de entrada do los Filamentos y emerge a través de las caras de salida do lo9 mismos

sen U‘¿ — son uj

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Tabla 2 (continuación)

Angulos de inclinación ui de I09

rayos pn la entrada de la pieza, para loe cuales existe

una componente dada

Relación entre Ion A n g u lo s de

inclinación del r8yo en la entrada ui yon la salida

Dependencia del ángulo dC inclinación U2 en la - salida de la longitud de ondn de

la radiación

“ 0 < u i < 9 0 ° u 2 < t i l s e » u 2 = / ( * , )

u 0 C “ i < 0 0 °

fi

«2 «il sen u«at f t X )

u 0 < U \ < 5)0° U 2 = U i

L

s e n •./= / (X )

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Ángulos u .¿ en ol vérlicc do las zonas anulares del cono

^ 0

u í e n

g r a d o s

U 2 e n g r a c l o e p a r a

% < !1 . . < 1

0 , 3 4 2

3 0 0 — 2 0 0 — 3 0 2 0 — 3 7 , 2 0

0 0 0 - 2 0 0 - 6 0 2 0 - 6 8 , 3 5

0 0 0 - 2 0 0 - 9 0 2 0 - 9 0

0 , 5 7 4

3 0 0 - 3 0 0 - 3 0 3 5 — 4 9 , 3 o

6 0 0 - 3 5 0 — c o 3 5 — 9 0

0 0 0 — 3 5 0 — 9 0 3 5 — 9 0

0 , 8 í i 0

3 0 0 — 3 0 0 — 3 0 6 0 — 9 0

0 0 0 — 0 0 0 — 6 0 6 0 — 9 0

9 0 0 — 6 0 0 — 9 0 6 0 — 9 0

t

3 0 0 — 3 0 0 — 3 0 —

n o 0 — 6 0 0 — C O —

9 0 0 — 9 0 0 - 9 0 —

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Tabla 3

d » s?ililla do la pieza fibrosa de los rayos do lascom ponentes ele radiación

ios componentes

< 2 < <

----

20—30 0—21. 25

20—00 0—53, 35

regresa parcialmente 20—90 0 - 7 0

— — —

rogresa parcialmente

31 O -40 , 25

35—90 0 - 5 5

— — —

regresa parcial mente—

—

60—90 0 - 3 0

rogresa total mente

— —

— —

— —

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* ¡ + * s n

FIG . 20. Proyección del recorrido de los rayos do ias componentes d>u y Q>i en la sección transversal del haz de guías de luz

haz de guías de luz conduce a que, cuando sobre la cara de en trada de una pieza fibrosa incide un haz estrecho y dirigido de rayos, éstos forman en la salida un haz cónico anu la r con una d istr ibución uniformo del flujo ón el ánillo. E n este caso, si u h > u 0 en el p lano perpendicular al eje de Ja pieza, so vou tres anillos luminosos (fig. 21). Estos ú l t im os se pueden observar fácil-, mente a ojo o fotografiarlos según el esquema representado en la fig. 22. Para m ayor brevodad, el con jun to de todas las leyes de la propagación íle la radiación a través de un haz de guías de luz se ha convenido denominarlo «el efecto de los tres anillos».

Rayo límite de reflexión lolal in terna en guías de luz. Las investigaciones del comportamiento de las p ieza s :fibrosas cerca del ángulo crítico de reflexión to ta l in terna j h representan un in terés especial; para el caso analizado j h == are sen — . n¿


R ep resen tem o s en u n a gráfica la dependencia de l án gu l de refracc ión j u del r a y o en la onvoi- tu ra del ángulo de inc idencia / do los ray o s en la f ron te ra de separac ión f i la m e n to n c — envo ltu ra n u. E n la fig. 23 está , rep re sen tad a es ta dependencia para Jos pares de v id rios E 0 2 5 BF25 (a?.c = 1,6076) y K17 (n u = 1,5103) p a ra una lo ng i tud de onda de la rad iac ió n in c id en te X = — 0,5893 jx. P a ra va lores j <ZJh (fig* 23.7) ex is ten los ray o s inc iden te , re f rac tado (curva O A ) y re f le jado según Fresnal (recta OB); para ; > j h (fig. 2 3 .7 /7 ) , so lam en te el inc iden te y el to ta lm e n te refle jado (recta Z?C).

E l án g u lo de refracción j h a lcanza los 90°, c u a n d o el ángu lo do inc id enc ia es igual a l va lor del ángu lo c r í t ic o (a osto caso on la fig. 23 le corresponden los p u n to s A y B de la gráfica y ol e squem a 77). Los p u n to s A y B son el casó l ím i te de re flex ión to t a l in te rn a , para el vcual ex is ten el rayo ref le jado según Fresnol y el rayo l ím i te quo v a p a ra le lo al eje de la s gu ías de luz a lo la rgo de la f ro n te ra do separac ión filamen* Lo—en v o l tu ra .

Observación del rayo l ím ite . E s te fenómeno ap l ic ad o a los e lem entos f ibrosos ha s ido inves t igado en el m onocrom ador YM-2 (UM-2) con m esa r o ta to r ia en la sa l ida , que p e rm ite es tab lecer el án g u lo de inc id enc ia de u n haz d ir ig ido de r a y o s en la ca ra de en tra d a de la pieza. La cara de sa lida de la pieza se observó o d irec ta m ente por m ed io del ojo, s i tu a d o cerca de ella,0 con a y u d a de u n m icroscopio . E l ángu lo de inc idencia u 1 de los rayos m er id iona les en la cara de e n t ra d a de la p ieza e s tá re lac ionado con01 ángu lo de inc idenc ia de los rayos en la fronte ra de separac ión f i l a m e n to —en v o ltu ra por Ja relación eos / = ná1 sen

Se lian in ves t ig ad o la s piezas de los v idrios Bcl)25— K-17 (B F25—K17) con un d iám e tro de


F IG . 24. F o to g ra f ía de la d is t r ib u c ió n de lu z de la r a d ia c ió n q u e sa le de u n h az de g u ía s do lu z de lo s v id r io s C<D25-~K47 (B F 2 5 — K.17) p a ra u n án gu lo do inc idenc ia d e los ra y o s a la c a ra do e n t r a d a > no.

l a f ib ra e le m e n ta l ig u a l a 20ja y de un espesor del in te rc a la d o c u t re és tos de 4 j a . L a observac ión de la s c a ra s de sa l id a de l a s p ieza s e n u n m ono- c r o m a d o r YM -2 (UM-2), m u e s t r a q u e cuando u \ — u o (es d ec i r y = ; A), la s c a r a s do los f i l a m e n to s y de la s e n v o l tu r a s t ienen p rá c t ic a m e n te igual i lu m in a c ió n , m ie n t r a s q u e la s f ro n te ra s quo lo s soparan se d is t in g u e n po r u n b o rd e b r i l l a n te (fig. 24), cu y a causa es p re c isam en te el caso l im i to (el án g u lo de refracc ión a lcan za 90°). D e e s ta m a n e ra , en la fig. 24 q u e d a f i j a d o el r a y o l ím i te de roflexión to t a l in te rn a , q u e cor re sp on de a l e squem a I I (fig. 23). E n lo s lugares de la ca ra de la p ie za d o n d e se t ien e u n oxceso de v id r io de r e v e s t im ie n to , os dec ir , d o n d e el e speso r del in t e r c a la d o es m a y o r q u e ol dob le de la p r o fu n d id a d de p e n e t r a c ió n del r a y o l ím i t e , l a s f ib r a s e s tá n s e p a ra d a s n o s o la m e n te po r los bo rdos b r i l l a n te s , s in o t a m b ié n po r e l v id r io opaco del r e v e s t im ie n to .

E l e x p e r im e n to m u e s t r a q u e la o b s e rv a c ió n de l ray o l ím i t e de re f lex ión t o t a l i n t e r n a en las p iezas f ib ro sa s do a l t a c a l i d a d n o d e p e n d e do la lo n g i tu d (p o r el eje) de las g u ía s de luz ni de sus c u r v a tu ra s . Así, e n lo s h a c e s f le x ib le s de las f ib ras de lo n g i tu d h a s ta de 0 ,5 m , el r a y o l ím i t e se ob se rva p rá c t ic a m e n te p a ra cu a le sq u io ra que sean c u r v a tu r a s del m a n o jo , si se c o n se rv a l a

F IG . 22. E sq u e m a de d isp o s i t iv o s p a r a o b s e rv a r (a) y fo to g ra f ia r (6) la d is t r ib u c ió n de lu z d é l a s co m p o n en tes p r in c ip a le s do la ra d ia c ió n q u e salo do u n h az de g u ia s de luz:2 —pioza fibrosa; 2 —ojo; 3—fuente de luz puntual; 4—mosa rotatoria con el cjo vertical quo pasa a travéa de la cara de la pieza; 5—placa fotográfica


7 - U 165 0www.FreeLibros.org

30 60 90VIG. 23. Dopendonoia del ángulo de refracción ¡u del rayo en la envoltura del ángulo de incidencia jc de los rayos en la frontera dc separación filamento — envoltura

condición de que los rayos en la cara de entrada incidan bajo el ángulo u0.

Rayo lim ite y el número de componentes del flujo que se propaga. Como se puede apreciar en la fig. 24, el rayo lím ite so presenta en forma de un borde brillante alrededor de las caras dc salida de los filamentos. Teóricamente, al incidir en la cara de entrada de la guía de luz un haz de rayos rigurosamente paralelo (fig. 25, a) con una pendiente u 0 = aresen V n i — ¡prospecto al eje en la cara de salida dol revestimiento, por encima do la frontera f i l a m e n to - envoltura debe aparecer un punto brillante 1 (fig. 25, b) y no la cenefa bril lante 2 (fig. 25, c) obtenida en el experimento. La observación de una cenefa bril lante alrededor de las fibras se explica por la violación de la condición de que el haz de rayos que incide sobre la cara do entrada

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F IG - 24. M íc íc í< icgiíifí.'i do la caía dü calida do un haz de guías de luz de los vidrios E<D25— K17 (BK25— K17) en caso do la incidencia cu la cara do entrada «lo la radiación dirigida con ol ángulo de inclinación a, — uode las guías de luz sea idealmente paralelo (la abertura del haz de rayos es corea do 4o) y por la peculiaridad de la propagación del rayo límite a lo largo de Ja frontera f ilamento—envoltura.

Como se muestra más adelante, todos los rayos límites reales se propagan a lo largo de la frontera f ilamento—envoltura de tal manera que el plano del rayo forma cierto ángulo diferente de cero con el eje de la guía de luz, os decir, el rayo límite se propaga siguiendo una línea helicoidal con un determinado paso h (fig. 25, d ). La trayectoria helicoidal del rayo lím ite y el carácter finito del grosor del haz de rayos que inciden en la cara de en trada de la guía de luz, conducen al hecho de que en la salida, el rayo lím ite no so observa en forma de un punto luminoso, sino de una cenefa brillante con una iluminación promediada respecto al área


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do la cenefa independientemente de la distribución de la iluminación on la cara de entrada.

Como se muestra on el p. 4, los rayos del flujo ú t i l <t>n se propagan a través del f ilamento siguiendo una línea helicoidal quebrada de rotación a izquierda y a derecha con paso constante. En esta forma, el rayo lím ite es el caso extremo para el flujo <T>n? cuando la trayectoria helicoidal quebrada de los rayos dentro del f ilamento se convierte en una línea helicoidal continua, que se desliza por la frontera de separación fila- monto — e n v ol tu r a .

Los rayos del flujo <Dft y los rayos limites so diferencian no sólo por el carácter de la trayectoria de su" propagación. Estos rayos salón de un haz de guías de luz, que están dispuestos paralelamente y tienen una socc-ión constante a lo largo de su longitud, bajo diferentes ángulos: los rayos dol flujo ú t i l salen do dicha pieza con una pendiente igual al ángulo de inclinación en la en trada mientras el rayo limito salo bajo un ángulo menor.

• E n la fig. 25, e so muestra el rayo M N , el cual después de su refracción en oí punto N de la cara de entrada del f ilamento alcanza la superficie la teral de la guía de luz bajo el ángulo j h de reflexión interna total y se propaga alrededor dol f i lam ento como rayo l im ite . E s posible demostrar que este rayo tiene un ángulo u'c de inclinación respecto a l eje de la guía de luz, definido por la expresión:

Sen U'c =" V ^ - T - r - r " * (25>

FIG. 25. Propagación del rayo limito do reflexión total interna a travos do una guía do luz


donde r es Ja distancia relativa del rayo desde ol eje de la guía de luz (el radio del filamentose toma igual a la unidad); 0 ^ r ^ 1.

Teniendo en cuenta la expresión (25), a par t ir clol triángulo esférico AB C D (íig. 25, e) es posible determinar el ángulo u'u de inclinación del rayo lím ite con respecto al eje de la guía de luz en la envoltura.

La ú lt im a expresión indica que para 0 ^ ^ r ^ l t el rayo límite se propaga realmente a lo largo do Ja frontera f i lam en to—envoltura, formando un ángulo uu con el eje de la guía do luz, y puesto que la ocuaeión (20) es válida para cualquier punto del rayo limito, de esto se deduce el carácter helicoidal do su trayectoria. A base de la expresión (2(5) encontramos el ángulo u}¿ de salida del rayo lím ite de las caras de salida de la envoltura de las guías de luz en ol aire

E l ángulo uc2 de salida de los rayos del flujo ú t i l tDn do una guía de luz cilindrico so determina por la expresión

Por las expresiones (27) y (28) se ve que ol rayo lím ite sale de la pieza fibrosa bajo un ángulo menor respecto al eje de la guía de luz, sen — r sen y para él el ángulo do inclinación a la salida es menor que el ángulo de inclinación a la en trada de la guía de luz.

De lo dicho anteriormente se desprende que el rayo límite de reflexión to ta l in terna es el

(26)

(27)

(28)

1 0 2www.FreeLibros.org

r a y o do la c o m p o n e n te OS, q u e in c lu y e ta m b ié n a los r a y o s q u e in c id e n en la ca ra de e n t r a d a del f i l a m e n to fo rm a n d o u n á n g u lo u x > u 0 y salen a t r a v é s de la s c a r a s de s a l id a de la s c a p a s in te r ca lad as . E l r a y o l ím i t e , a u n q u e t a m b ié n in c id e sobre la s c a ra s de e n t r a d a dc lo s f i lam en to s y sa le a t r a v é s de Jas c a ra s de s a l id a del in te r ca la d o , se d ife renc ia de los in d ic a d o s en que sa le só lo po r l a s c a ra s de s a l id a de la s e n v o ltu r a s d e a q u e l lo s f i l a m e n to s en c u y a c a ra de e n t r a d a in c id ió el m ism o .

P a r a los r a y o s de la c o m p o n e n te cD& que in c id e n e n l a c a ra de e n t r a d a do la s f ib ra s fo rm a n d o u n á n g u lo u lt el á n g u lo de s a l id a u 2 se d e te rm in a p o r la f ó rm u la (23). L a fó rm u la (27) no c o n t r a d ic e la ec u a c ió n (23). E n r e a l id a d , te n ie n d o en cu o n ta que e l sen u^ so d e te rm in a según la e x p re sión sen u 3 = (/ (n% — nS)/( 1— r2), y sen u 0 = ri¿ — n¡¡, so p u ed o m o s t r a r la id e n t id a d dc l a s exp res io nes (27) y (23):

sen Uo ^ Y ' sen2 u t — sen2 u0 —- r "”c_ *¿u , (29)

es dec ir , la ex p res ió n (27) es v á l id a p a ra u n a p a r te do lo s r a y o s de la c o m p o n e n te <X>£, o sea, p re c i s a m e n te p a ra los r a y o s l ím i te s .

A l a u m e n t a r ol á n g u lo u t c rece la d i s ta n c ia r desde el e je de la g u ía de lu z p a ra la cu a l el r a y o se c o n v ie r te en r a y o l ím i t e . Com o se ve do la exp res ión (26), es to c o n d u ce n un a u m e n to de la p en d ie n te dol p la n o del rayo l im i to con respec to al e je d e la g u ía de lu z , es dec ir , a u n a d i s m in u ción de l paso h de la hé l ice y a u n a u m e n to del ángu lo do s a l id a , ecuac ión (29), del r a y o l ím i te de l a g u ía do luz .

L a c o m p o n e n te en la d is t r ib u c ió n lu m i nosa a l a s a l id a de ln p ieza f ibrosa p rod u ce un an i l lo in t e rn o lu m in o so on ol c u a l , com o se ve


por lo' expuesto, están contenidas las dos componentes del flujo, <t>g — es elflujo que sale de la cara de salida de la envoltu ra de aquel filamento en cuya cara de entrada precisamente dicíio flujo incidió (rayo límite), y es °1 flujo <iue sale de las caras de salida de las envolturas de los demás filamentos, es decir, el flujo que llega hasta las caras de salida do las envolturas gracias a refracciones múltiples y a reflexiones de Fresnol en las fronteras filam e n to -e n v o l tu ra y envoltura—filamento. En caso dado, los ángulos do inclinación de losrayos a la entrada del filamento, bajo los cuales existen los flujos <£% y O&j que forman la componente <D£, están limitados por los siguientes intervalos: ^ uy ^ 90° para Oft y ^<; 90° para <T>g2.

E n esta forma, la componente de i aradiación que se propaga por un haz de guías de luz, está compuesta do dos flujos. Ambos flujos que forman la componente <!>£ salen bajo un mismo ángulo de inclinación respecto al eje de la pieza fibrosa, pero uno de ellos, el compuesto por los rayos lím ite , es el portador de información útil para la imagen, y el otro que sale de las envolturas de los filamentos vecinos, tan sólo disminuye el contraste. Teniendo en cuenta lo dicho, la fórmula (24) adqiiiere la forma

O = <D* + + CDKl + #52 + (30)

es decir, el flujo O que incide en la cara de entrada del haz de guías de luz se divide en siete componentes.

Variación del efecto de los tres anillos en las piezas fibrosas. Para cualquier pieza hecha de fibra, los casos más característicos de incidencia de un haz dirigido de rayos sobre la cara de


e n t ra d a y que f in a lm en te de te rm in an los p a rá m etros ópticos de la pioza son los s im ie n te s :1) el ángulo de inc idencia del haz d irig ido de rayos en la ca ra de e n t ra d a de la pieza u x — 0;2) 0 < < u 0; 3) u x = u 0; 4) u 0 < r¿, < u* = “ 00° — u0; 5) u x ^ u?.

L a d is t r ib u c ió n lum inosa sobre la sa lida de la p ieza fibrosa descubre la var iac ión del efecto d é lo s t re s an i l lo s p a ra los cinco casos ca rac te r ís t i cos ind icado s de propagación de la rad iac ión a t ra v és de u n haz de guías de lu z , y com prueba la apar ic ión y desaparic ión de la s diferentes com ponen tes del f lujo.

Variación del efecto de los tres anillos en un f lu jo monocromático. P a r a la invest igac ión del efecto de los tres an i l lo s en los casos m ás carac ter ís ticos, so u t i l iz a ol m onocrom ador YM-2 (UM-2) con la mesa g ira to r ia 4 a la sa l ida (fig. 26, a). L a m esa g ira to r ia s irve para hacer v a r ia r el ángulo de incidencia Uj do los ray o s a la en trad a de la p ieza fibrosa 6 . L a d is tr ibuc ión de la luz en el espacio a la s a l id a de la pieza se reg is tra por m ed io de u n a p laca fotográfica 7. L a pieza que so investiga , so coloca en la mesa g ira to r ia de t a l m an e ra que el eje de giro de la mesa pase a t rav és de l p lano do l a cara de en trada de la pioza. En la mosa g ira to r ia , los p lanos del chasis y de l a cara de sa l ida de la p ieza so colocan paralelos . L a d is tanc ia de la cara de sa l id a de la pieza a la p laca fotográfica se m a n t ien en c o n s ta n te en todos los exper im en tos con ol objeto de to m a r fo tografías de la d is tr ibuc ión lum inosa en d ife ren tes casos y para una m ism a escala.

P a r a los c inco casos a r r ib a enunciados , según el esquema de la fig. 26. a, se h an fotografiado las d is tr ibuc iones lum inosas de u n a rad iac ión m onocrom ática do long itud de onda do 0,550 p a la s a l id a de la pieza fibrosa (fig. 27) con un


o)

p>-2i

F IG . 26. E squem a do d ispositivos p a ra observar el efecto d e los tres an illo s con luz m onocrom ática (a) y b lanca (6):j —fuente do luz; a—condensador; 9—monocromador VM-2 <XJM-2); 4—mesa giratoria; 5—diafragma; 6—pieza fibrosa que ee investiga; 7—placa fotográfica (pantalla)

e m p a q u e ta m ie n to para le lo do las gu ías do luz de v id r io s B 0 2 5 —K17 (BF25-K17) (véase la fig. 10.) L a s caras de la p ieza son p lan as p a ra le la s y perpend icu la res al e je de la s gu ías de luz. E n la s condiciones del ex p e r im en to considerado, los m edios a la e n t ra d a y sa l id a de la pieza t ie n e n u n ín d ice de refracción = i (aire).

E n la f igura 27, a se m u es tra l a d is t r ib u c ió n lu m in o sa de la ra d ia c ió n que sa le de una pieza, p a ra u n a incidencia no rm a l (ux = 0) del haz do


FIG. 27. Variación del efecto do los tros anillos con luz monocromática

rayos dirigido a la cara de entrada de la pieza. La m ancha luminosa corresponde a las componentes n -f- del flujo, y el anillo luminosa, a la componente cpf,. Como so aprecia en la figura 27, a para las componentes On y <!>£, el ángulo do salida de la pieza os u 2 = w3 — 0, mientras que para í>„ tenemos u2 > ux = 0.

La figura 27, b muestra la distribución luminosa en la .solida de uno pieza para un ángulo de incidencia == 18°. Las componentes del flujo saliente permanecen iguales a las del caso anterior, pero para 0 < ux n y <J>¡} tenemos u 2 = y nara u % >■ uv


E n l a ta b la 2 se puede ver que para = u Q Qn lo sa lida de la pieza debe aparecer una com ponente más del f lujo, la cua l para ux — u 0 debe s a l i r en dirección no rm a l a la cara de la s - gu ías de luz (u2 =-• 0). Es ta conclusión se com prueba exper im en ta lm en te , y en la f igura 27, c se m uestra la d is tr ibución lum inosa a la sa lida de l a pieza para = u 0: la m ancha lum inosa in te r io r es la componente CD&. Como se aprecia en la f igura 27, c, para es ta com ponente = 0, áunque =?£= 0. La aparic ión de la com ponen te <D£ corresponde a l caso en el que se observa el rayo l ím ite de la reflexión to ta l in te rn a que se propaga a lo largo de la f ron tera de separación f i lam en to —envo ltu ra . P a ra u± = u (>, los anillos luminosos exteriores que corresponden a las componentes O n + <D£ y d>Z a u m en ta ro n de d iám etro gracias a l aum ento del ángulo de sa lida u 2.

P ara u 0 < u t < u*t la m ancha lum inosa in te r ior O* se transform a en u n an il lo , m ien tras que los an il los exteriores au m e n tan su d iám etro (fig. 27, d). Además, si los anillos ex te r io r e in terior, como an tes corresponden á las componentes 3>?t y <&% entonces el anillo centra l corresponde a <¡>a y ya que p a ra u n ángulo de incidencia de los rayos en la cara de entrada, de la pieza mayor que la aber tu ra nominal. u0 de las guías de luz no puede h a b e r f lu jo ú t i l . E n lugar de l a com ponente <T>n aparece la com ponente <X>g; los rayos que han incid ido en las caras de en tra da de los f ilam entos y h an salido a t rav és de las caras de sa lida de los dem ás filamentos.

F ina lm ente , p a ra ux > • u*f el an il lo exterior debe desaparecer, puesto que la com ponente para u t > debe exper im en ta r u n a refle

x ión to ta l in te rna en las caras de sa lida do los f i lam entos . Esto se confirm a exper im enta lm ente . E n la figura 27, e se m uestra la d is tr ibución


' lu m in o sa sobró la sa lida de una pieza p a ra ux « • = 60° > de la cu a l se ve que h a n quedado ta n .sólo dos an i l lo s correspondientes a las com ponen tes 0 l¿ y cpjj -f- Og, las que com paradas con e l caso an te r io r (fig. 27, d) h a n aum entado

.de d iám etro . E l an il lo ex te r io r <!>„, en cam bio , ' h a desaparec ido com ple tam en te . Esto confirma su re flex ión to ta l in te rn a en las caras de salida de los filamentos.:

Características espectrales del efecto de los tres an illo s . Gomo se ve en la tab la 2, el ángulo de s a l id a de los rayos de la pieza para las com ponentes y <t>5 depende de la ab e r tu ra num érica n o m in a l A 0 do las guias de luz. E s ta ú l t im a es func ión de la long itud de onda de la radiación (véase la fig. 10). E s to conduce a que, para un ángulo dado de inc idencia de los rayos sobre la ca ra do en trad a de pieza, los ángulos do salida u 2 p a ra rayos con d is t in ta s longitudes de onda no son iguales. Al a u m e n ta r la longitud de onda de la rad iac ión , la aber tu ra nom ina l de las guías de luz d ism inuye , es decir, a base de las fó rm ulas de l a tab la 2 se no ta que la rad iac ión de onda la rga p a ra sale de la pieza ba jo un ángulo menor, m ien tra s que para <D£, bajo un ángulo m ayo r Esto debe orig inar la descomposición de l a lu z b la n c a a la sa lida de la pieza en los an i l lo s in te r io r y ex te r io r y adem ás con una d is t r ibu c ión con tra r ia de los colores en ellos.

L as pecu lia r idades espectrales del efecto de los t re s an il los , es decir , la dependencia del ángulo de sa l id a de los rayos de la pieza de la longitud de onda de la rad iac ión se ana liza según un p r in c ip io análogo a l experim ento en luz m onocrom ática con la in s ta lac ión de una fuente de luz b lan ca (fig. 26, ó).

C uando ux es igual a cero, en la fotografía de la d is t r ib uc ión lum inosa sobre la s a l id a de la pieza (fig. 28, a), en el cen tro de la f igura se


FIG. 28. Variación dol efecto de los tros anillos con luz blanca

obtiene una mancha luminosa blanca (las componentes (|)„ y cDg) y u n anillo coloreado exterior Ou con una variación continua de colores, desde el rojo (en la parte interna del anillo) hasta el violeta (en la periferia).

Cuando ux = 18° < i¿0, la mancha central se transforma en anillo, quo como antes se mantiene blanco, mientras que él anillo exterior aumenta de diámetro, conservando la misma distribución de los colores (fig. 28, b).

Con ii\ = 31°50' = i¿0i para X — 0,700p, los anillos coloreados blanco y externo aum entan de diámetro, mientras que en el centro aparece una mancha roja <3>£ (fig. 28, c), la cual al aumentar el ángulo se convierte en anillo, y otvoI centro aparecen los colores siguientes (de longitud de onda más corla), ele. E n la figura 28, d se aprecia la aparición do una mancha verde (w-j = 32°30/ — = u n para X = 0,550ji); en la figura 28, e , de una violeta (ut = 34°30' — n0 para X = 0,400u); Finalmente, cuando w* = 36°, la mancha do color


violeta se transforma orí anillo (fig. 28, /). El aum ento u lterio r del ángulo Ux conduce a uil crecimiento dol d iámetro ele los anillos; la distr ibución de los colores en los anillos interno y externo se conserva, mientras que el anillo centra l permanece blanco. Como se ve en la fig. 28, / , la d istr ibución de los colores en los anillos exterior e in terio r es contraría.

Efecto de los tres anillos y los principios dé utilización de elementos fibrosos en la construcción de aparatos. Como se aprecia en lo expuesto anteriorm ente, el efecto de los Iros anillos describe las leyes que rigen la propagación de una radiación a t ravés de un haz de guías de luz, es decir, determ ina todas las características ópticas de una pieza fibrosa. Por esta razón, el efecto de los tres anillos determina los principios de la aplicación de los elementos fibrosos en la construcción de aparatos, debe siempre tenerse en cuenta al u t i l iza r piezas fibrosas en s is temas ópticos y elec tronico-ópticos concretos.

M agnitud de las componentes fundamentales del f lu jo . Guando en un dispositivo se u ti l izan elementos fibrosos, en el contraste de Ja imagen t ransm it ida influyen no solamente las aberturas de sa l id a de las diferentes componentes del flujo, sino tam bién su magnitud.

El coeficiente t 5 de relleno de la cara de en trada de un haz de guías de luz de los f i la m entos determina qué parte del flujo incidente en la cara de en trada de una pieza fibrosa, cae sobre las caras de los filamentos. E n el capítu lo I I se dijo que ol coeficiente de trans- m isib il idad geométrica xx indica qué paute del flujo que incido en la cara de entrada de una fibra se propaga on ésta como finjo útil cbn. De esta manera, del flujo incidente <T>, queda como ú t i l solamente aquella par te que es igual a t xt 5. Análogamente se pueden determ inar las


m agnitudes de las dem ás com ponentes por separado del f lujo quo so propaga a t ravés del haz de g u la s de luz. E s tas fó rm ulas son:

<Dn =* TiT5<D;C I > í - ( í - ^ 0 > ;® S * = (l~ T « )- r5a>;

r 50>;(31)

E n la tab la 4 se m uestran las m agn itudes do las d iferentes componentes del flujo que llega has ta la cara de sa l ida de la pieza, ca lcu ladas por m edio de las fórm ulas (31) para diferentes valores de A 0l t 5 y E l f lu jo en tran te d> se ha tom ado igual a 1. Como se ve en l a lab ia 4, la m ag n i tu d re la t iv a del f lu jo ú t i l ® n aum enta a l d ism in u ir la aber tu ra u x del haz inc iden te de rayos b a s ta el va lo r t¿0, a l crecer el coeficiente de relleno de la cara de los f i lam entos y al aum ent a r la aber tu ra nom inal u 0 do Jas guías de luz.

E l f lu jo fuera de a b e r tu ra <Pb no existe cuando A 0 = 1; en este caso tam poco existe el f lujo

La com ponente O* en form a de flujo se refleja hacia a t rá s to ta lm en te en la cara de sa lida de las fibras, si el medio que está a la sa lida t iene u n índ ice de refracción n z — 1. L a com ponente existe para cualesquieraTi> ^4 o y W'i-

Necesidad .de concordancia de las aberturas del sistema . Como se ve en las expresiones (21)— (25) y las tab las (3) y (4), la ab e r tu ra de sa lida de las componentes O x¿ y depende de la aber tu ra num érica de las gu ías de luz, m ien tras que la de las com ponentes <t>n, y no depende de la mism a; adem ás el f lu jo ú t i l cD„ se encuentra ta n sólo dentro de cono con a b e r tu ra u 0. L a m agn i


t u d y la a b e r tu ra de sa l id a de las com ponentes no o p e ra t iv a s de l f lu jo no e jercen la m ism a in f luenc ia en la d ism in u c ió n del c o n t ra s te de la im a g e n t r a n s m i t id a . C u an to m a y o r es el núm ero do rayos de las com ponen tes no o p e ra t iv as que se c a p ta en el recep to r , l a n ío m e n o r es e l contra s te do la im agen t r a n sm i t id a .

Si en l a e n t r a d a de las ca ras del haz de guías de luz in c id e \m h a z cónico de rayos con abertura « i ^ u ot en tonces la co m p o n en te Ú)l¿ en el flujo s a l ie n te ta m b ié n q ued a inc lu ida en el cono con a b e r tu r a u1? m ie n t ra s que <í>u queda en la zona a n u la r del cono con a b e r tu r a m a y o r de u 0. Po r e s ta razó n , p a ra u n a a b e r tu ra de e n t r a d a u 2 ^ ^ u Q de l recep to r (por e jem plo , el ocular), es te ú l t im o c a p ta los ray o s de las com ponen tes <pn y <X>£, es decir , el c o n tra s te de l a im agen d ism inu irá a expensas de los rayos cDJJ; pero si i¿2 > u 0> ol c o n tra s te d ism in u y e a cu en ta de los rayos del f lu jo Por es ta razón no dobc p e rm it i r s e unexceso del va lo r do la ab e r tu ra de e n t ra d a del recep to r po r enc im a del va lo r u 0.

Si, on c am b io , on la c a ra de e n t ra d a de la p ieza f ibrosa inc ide un haz cónico de ray o s con abertura u r > u 0, en tonces los rayos de la com ponen te <D¿ s? len on to d a s las direcciones desde 0 h a s ta u 2 — uu los rayos de la com ponen te d>um en la s d irecciones desde 0 h a s ta u 2, ángulo d e te r m in a d o a p a r t i r do la expres ión (23). P a r a una a b e r tu ra de e n t r a d a u 2 ^ u 0 de l recop to r éste c a p ta a d em ás de los rayos cT>n c ie r ta pa r to de ray o s de la s com ponen tes <!>£ y <J>£. S i la a b e r tu ra de e n t r a d a de l recep to r es m a y o r de u0y no so la m e n te a u m e n ta la p a r le de los rayos cap tado s de los f lu jos <T>¡í y ipg, s ino que em p iezan a c a p ta rse t a m b ié n ray o s de las com ponen tes <!>„ y es decir , a l ser excedente el v a lo r de laa b e r tu ra d e l f lu jo e n t r a n te y la a b e r tu ra de e n t r a d a de l recep to r a la sa l ida de la pieza a l

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Valores de los compon entes de

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T a b l a 4

la radiación que pasa a través dc una pieza fibrosa

K i < 2 *6

0,240 _ _ 0,085 0,128(>,240 — 0,135 0,2030,212 0,028 0,141 0,212

0,240 _ _

0,215 0,025 0,090 0,1340.101 0,079 0,107 0,161

0,240 ---

0,0») 0,160 --- —= 0,060 0,480 0,040 0,060

— 0 ,24¡) — —

' 0,160 0,340 0,0850,160 — 0,540 0,1850,141 0,010 0,565 0,141

0,160•*

0,143 0,017 0,358 0,0900,107 0,053 0,429 0,107

0,1600,053 0,107 — ——

• 0,040 0,120 0,160 0,040

— 0,160 — —

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I

F I G . 29. T ra n sm is ió n d o la im a g e n p o r un h a z d e guías do luz

va lo r i¿0, aum en ta el f lu jo no opera tivo , el cual d ism inu ye e l con tras te de l a imagen.

H a y que an o ta r que en am bos casos la com ponente ju n to con el fluô <T>n, s in depender de las ca rac te r ís t icas de las ab e r tu ra s del rad iado r y del recep to r , se cap ta ob l ig a to r iam en te (en form a to t a l o parcia l) por el receptor, lo que conduce a u n a d ism inución del con tras te de la imagen.

De es ta m anera , se puede deducir l a im p o r ta n c ia del p r inc ip io de la ap licación de los elementos fibrosos en la construcción de apara tos , el cua l es tá regido por el efecto de los tres anillos: es ind ispensab le hacer concordar la ab e r tu ra del h a z de en trad a de los rayos con la del haz de guías de luz y la de l receptor de rad iac ión a la sa l ida de la pieza. Aclaremos la conclusión an ter io r con e jem plos concretos.

Analicem os el s is tem a (fig. 29, a) compuesto del ob je t ivo 2 que p royec ta la im agen de l objeto 1 en la cara de en trada de la pieza fibrosa 3. L a


im a g e n do l a c a r a do s a l id a de l h a z de g u ía s de lu z p o r m e d io d e l o b je t iv o 4 so p ro y e c ta sobre la p a n t a l l a 5 (el p l a n o do l a im a g e n ) . L a s a b e r tu r a s de s a l id a y la s m a g n i t u d e s de las d ife ren tes c o m p o n e n te s d e l f lu jo c a p t a d a s p o r el o b je t iv o r e c e p to r 4 se d e t e r m i n a n con a y u d a de lo s d a to s q u e se e n c u e n t r a n e n l a s t a b l a s 3 y 4 . L a ca l id a d d e l a im a g e n se c a r a c te r i z a p o r el co e f ic ie n te K d e t r a n s m i s i ó n de c o n t r a s t e p o r e l h a z de g u ía s de lu z , d e f in id o co m o l a razó n e n t ro el f lu jo ú t i l

c a p t a d o po r e l r e c e p to r y l a s u m a do to d o s los f lu jo s q u e in c id e n so b re el o b je t iv o re c e p to r .

S u p o n g a m o s q u e la a b e r t u r a n u m é r ic a de las g u ía s d e lu z e s A u = 0 ,574 ( u 0 — 35°) y ol c o e f ic ie n te de r e l le n o de l a c a ra p o r lo s f i l a m e n to s es i g u a l a 0 ,4 . P a r a u n a a b e r tu r a del h a z de r a y o s in c id e n te u ± = 60° y u n a a b e r tu r a de e n t r a d a d e l o b je t iv o re c e p to r u 2 = u 0 = 35°, e n ol o b je t iv o 4 c a e to d o ol f lu jo ú t i l O n y p a r t e d e los f lu jo s cí>“ y tT>¿4. E l c o e f ic ie n te de t r a n s m is ió n de c o n t r a s t e I<x se rá e n e s te caso

K . «= Í 2 = 0 ,3 25 .1 <1>»+ * “ +<!>?

S i l a r a z ó n e n t r e la s a b e r t u r a s es c o n t r a r i a a l a d e l caso a n a l i z a d o , es d e c i r , u x = u 0 < i¿¿, p o r e j e m p lo , u 2 = 60°, e n to n c e s e n e l o b je t iv o r e c e p to r c a e n t o t a l m e n t e el f lu jo ú t i l d>n y la s c o m p o n e n te s n o o p e r a t iv a s <T>Ít, y E n estecaso ,

K l = —---- IIis 0 ,400 .

P ero si p a ra la p ieza f ib rosa a n a l i z a d a u x > u 0< £, cl>g y <[>g y p a r t e del f lu jo E l coefi-


c íen te de t ra n sm is ió n de c o n t r a s te es

K t = -----------------^ ------------------ = 0 ,196.* n + * S + « £ t + < ! $ + * £

Como vemos* t a l re la c ió n de la s a b e r tu ra s en ol s is tem a os c o m p le ta m e n te in ap l ic ab le .

P a r a u n a p ieza f ib rosa escogida c o n ^ 4 0 = = 0 ,574 y cu an d o h a y co n co rd an c ia de las a b e r tu ra s de los o b je t iv o s i l u m in a n te y recep to r y de la s g u ía s de luz , el coef ic ien te de t r a n s m i s ión de c o n t ra s te re su l ta se r el m ás a l to , puesto quo p a ra u* — u 0 *= = 35°, en el ob je t ivorecep to r caen c o m p le ta m e n te sólo los f lu jo s <T>,t y d>£. P a r a e s te caso

P a ra e l ú l t im o caso, ol cam b io do la p ieza f ib rosa con A 0 *= 0 ,574 po r u n haz do g u ía s de luz con u n a a b e r tu ra p ro p ia m á s a l t a no p roduce u n a u m e n to dol coef ic ien te de t r a n s m is ió n de c o n tra s te ; com o an te s el v a lo r de és te es igua l a 0 ,530. P a r a todos los casos a n te r io re s , cu an d o u u ó u<¿ o las dos a b e r tu ra s u x y u 2 son iguales a 60°, es necesario u t i l i z a r u n a p ieza f ib rosa c o n > l 0 = 0 ,866 . E s te c a m b io p a ra to d a s las cu a t ro v a r ia n te s a n a l iz a d a s asegura u n coefic ien te de t ra n sm is ió n de c o n t ra s te de 0,530. E n es ta ocasión , p a ra to d a s la s c u a t r o v a r ia n te s de la re lac ión r¿0, u 2 se t i e n e ATj = 0 ,530. E s to so ex p l ic a po r la re lac ión de la s a b e r tu ra s (se c u m p le la co n d ic ió n Uj ^ u 0 u<¿), es decir , la s a b e r tu r a s de to d o s los e lem on tos de l s is tem a están adaptadas su f ic ien tem en te .

L o s e jem p lo s an a l iz ad o s d o m u e s l ran que , u n a e s t r ic ta a d a p ta c ió n de la s a b e r tu ra s n u m ér ica s dol o b je t iv o , de la p ieza f ib rosa y del ob je t iv o re c e p to r e leva co n s id e ra b le m e n te el coef ic ien te


de t ran sm is ió n del con tras te , m ien tra s que un exceso in jus t i f icado de la ab e r tu ra num érica de los ob je tivos i lu m in a n te o recep to r por encim a de l va lo r A o conduce a u n a d ism inución del co n tra s te de la im agen a la sa lida del s is tem a. P o r esta razón, es necesario que el receptor posea u n a ab e r tu ra igua l a la a b e r tu ra del cono de ray o s que incide sobre la cara do en trada , pero que no sobrepase l a ab e r tu ra nom ina l de las g u ía s de luz , es decir,

C u 0. (33)Caso de una radiación y recepción difusas.

F recuen tem en te los e lem entos fibrosos se em plean cuando el recep to r de la rad iac ión t iene una abertu r a de en trad a de 90°, por e jem plo, en un re g is tro fotográfico de contacto de la im agen desde l a ca ra de sa l ida de la pieza fibrosa en los objet ivo s , en los cuales la c u rv a tu ra del cam po so corrige con ay ud a de u n haz de gu ías de luz. L as condiciones del em pleo de u n a p laca en ca l idad de v en tan a de e n t ra d a de u n conversor e lec tronoóptico son las m ism as: a la en tra d a incide la rad iac ión que viene del ob je t ivo con una ab e r tu ra u t considerab lem ente m enor de 90°, y l a rad iac ión se percibe en el fotocátodo, el cu a l se encuen tra en con tac to con la cara de sa l ida de la pieza. Como se ve en la fó rm ula (33), en es te caso es ind ispensab le em p le a r una pieza f ibrosa con u n a a b e r tu ra num érica nom ina l igual o m ay or que 1.

U n a condición de func ionam ien to de una pieza f ibrosa en dispositivos, am p liam en te d iv u l gada , es cuando en Ja e n t ra d a de la pieza cae una rad iac ión d ifusa , y a la sa l ida es c a p ta d a po r un recep to r de d ifusión. P o r ejemplo, en los tubos de haces electrónicos y en los convorsorcs elcctro- noópticos, en la cara de en trad a do la pieza so encuen tra un lum inófo ro ( rad iad o r do difusión)


y on l a c a ra de sa l id a , im fo tocá todo o u n a po lL Cilla fo tográfica ( recep to r de difusión).

E l efecto de los t r e s a n i l lo s p a ra es tos casos c o n s t i tu y e u n p r in c ip io m u y in te re s a n te de ap l icac ió n de los e lem en to s f ibrosos que en un com ienzo fue algo in esp e rad o p a ra los c o n s tru c tores de a p a ra to s . E n la fig. 29, b so m u e s t ra u n caso de i r r a d ia c ió n d ifusa de l a ca ra dc e n t r a da (el r e c e p to r de d i fu s ió n 6 se en c u e n tra en c o n ta c to óptico con l a c a r a de s a l id a de la pieza). L a co m p o n en te <X> == cu an d o h a y un con tac to óp tico de l recep to r , no p u e d e re f le ja rse e n la ca ra dc sa l id a . "En ta l caso , si se em plea u n a p ieza f ib rosa , po r e jem p lo , con u n a a b e r tu ra n u m é r ic a A 0 = 0 ,866 (tina c la ra v io lac ión del p r in c ip io de concordanc ia de la s ab e r tu ra s ) , el coef ic ien te de t ra n sm is ió n del c o n t r a s te por m e d io de u n h a z de g u ía s de lu z será

£ = ______________ ___________________ o 300*2 *n + K + <K 1 + * U 2 + * 6 + * ’

si se cu m p le l a cond ic ión d e conco rd anc ia de las ab e r tu ra s y se e m p le a u n a p ieza f ib rosa con A 0 ^> ^ 1, entonces

K t = - ^ 0 ,400 .

S i , en c am b io , e l recep to r de r a d ia c ió n 6 se e n c u e n t ra en l a ca ra de sa l id a de la p ieza , pero n o es tá en co n tac to óp t ico , s ino cuasióptíco , por e jem p lo , con u n juego de dos a c u a t r o lo n g i tu d es de o nd a de lo r a d ia c ió n ( íjg . 29 , r), en tonces e s to g a ra n t iz a la re f lex ión de l a co m p o n en te Ó £2, y el coef ic ien te de t ra n sm is ió n de l co n t ra s to cu an d o A 0 = 0,866 es

= % = 0 ,370 ,„ -!_<!>«+©« l + «j>«+ a,u


y para A „ > 1

K 2 =- — — = 0,530. (34)

De esta man era. en u n contacto cuasi óptico del receptor de difusión con la cara de salida de un haz de gofas de luz, tiene lugar un aumento considerable del contraste de la imagen.

Este principio de empleo de elementos fibrosos en la construcción de apara tos para el aumento del contraste de la imagen, como h an demostrado las investigaciones de científicos soviéticos, no conduce a una disminución de los demás parám etros ópticos del sistema, en particular, el d ifum inado de los contornos de la imagen, pre dicho por la teoría para un juego de 1 a 2p. entre la pieza fibrosa y el m ater ia l fotográfico a frecuencias bajas y medias de la m ira no se no ta en absoluto. Es tá fa lta de n it idez influye un poco en la disminución do la resolución solamente en aquellos sistemas, en los cuales se requieren una resolución y calidad m uy a ltas de la imagen.

É n las expresiones (33) y (34) se puede ver que los elementos fibrosos con una abertura numérica A 0 ^ l son los que ofrecen mayores perspectivas, ya que m ed ian te su uti l ización en régimen de contacto cuasióplico del receptor, en la disminución del contraste de la imagen actúa tan sólo la componente ^ y en el régimen de contacto óptico, únicam ente los flujos <T>£ y d ^ .

Métodos para aum entar el coeficiente de transmisión del contraste de un haz de guías dé luz. Del efecto de los tres anillos se desprendo uña serie de recomendaciones precisas y fundam entadas en cuan to a los métodos para aum entar el coeficiente de transm isión del contraste de los elementos fibrosos. De lo expuesto anteriormente Se deduce que el contraste cíe la imagen disminuyo


deb ido a la acción do las co m p o n en te s n o op e ra t iv a s de l f lu jo e inc luso p a ra A 0 1 y e n ausenc ia de u n con tac to óp t ico de l recep to r con la cara de sa l id a de la pioza, de to d a s m an eras , los r a y o s pa rá s i to s de la co m p o n en te 0 3 son percib id o s po r el recep to r j u n to con los ray o s ú t i le s O n y d ism in u y en el c o n t ra s te . De a q u í se saca l a conc lus ión de la neces idad de d i sm in u i r las m a g n i tu d e s de la s com ponen tes no o p e ra t iv a s del f lu jo q u e se p ro pag a . Los m étodos p a ra a u m e n ta r e l coefic iente de t ra n sm is ió n de l co n tra s to do los e lem en tos fibrosos que se conocen b o y d ía e s tá n d ir ig id o s p rec isam en te a la so lu c ió n de este p ro b le m a . V eam os cu á le s son es tos m étodos.

Concordancia de las aberturas de los elementos del sistema. E s te p r in c ip io in co n d ic io n a l , que re su l ta del efecto de los t re s an i l lo s , ha s ido an a l izad o d e ta l la d a m e n te con a n te r io r id a d . R eco rdem os que en este caso en el i r i s de l recep to r caen so la m e n te los r a y o s 0 3 , l a c o m p o n en te no in c id e en el i r is y la s co m p o n en te s 0 £ y Og e s tá n ausen tes . E n u n a ra d ia c ió n y c a p ta c ió n d ifusas se deben e m p le a r n e cesa r iam en te p iezas f ib ro sas con A 0 ^ 1. S in em b arg o , inc luso cu m p lie n d o con este p r in c ip io , e l f lu jo 0 3 hace d i sm in u i r e l co n tra s to de la im agen .

Coeficiente de relleno de la cara , con los f i la mentos guías de luz. E l coef ic ien te t 5 d e te rm in a l a m a g n i tu d del f lu jo 0 3 - Como puedo verse en las expres iones (31), c u a n to m a y o r sea el relleno t 5, t a n to m en or sorá 03 - P o r lo ta n to , os necesario u t i l i z a r d e m o n io s f ibrosos con el m á s a l to re l leno p e rm is ib le de l a c a r a de la pieza, con los f i la m e n to s . E l re lleno t 5 d ep en d e del espesor del in te rca lad o lu m in o a is la n te . L as in vestigaciones de los ú l t im o s años lian d em ostrado que para el a is la m ie n to lu m in o so efec tivo de las f ib ras on la reg ión v is ib le del espectro es sufi-


c íe n te u n espesor del in te rca lad o en tre 0 ,7 y l ,0 p , que es el espesor m ín im o a d m is ib le p a ra la región v is ib lo del espectro do rad iac ió n .

A dem ás , el re l leno depende del c a rá c te r del e m p a q u e ta m ie n to de las f ibras ; a s í , para un d iá m e tro de los f i la m en to s do 5jx y un espesor (en el s i t io m ás delgado) de l in te rc a lad o de lfx en u n e m p a q u e ta m ie n to c u a d ra d o (véase la f ig . 18, a) do los f i lam ontos , x r> = 0 ,545, y en un e m p a q u e ta m ie n to hexagona l (fig. 18, 6), el re l leno se e leva h a s ta 0,627. S in em bargo , desde e l p u n to de v is ta de l re l leno , és te no es el l im ite : con u n a d isposic ión hexaéd r ica de la s f ib ras (fig. 18, c) a u m e n ta h a s ta 0 ,700. Do esta m an era , para d i s m in u i r el f lu jo es necesario em plear piezas f ib rosas con u n cor te b ex aéd r ico ta n to de la s f ib ras com o de las en vo l tu ras .

E n vo ltu ra del aislador de luz semitransparente. Inc lu so en el caso de m áx im o re lleno do la ca ra , con los f i lam en to s t 5 < 1, os decir , cDJJ > 0 , los ray o s pasan a t ra v é s do u n haz de gu ías do lu z y d ism in u y en (a u n q u e en m en or g rado) el c o n t r a s te de la im agen . E l efecto de los tros an i l lo s sugiere e l m é tod o p a ra u n a poster io r reducc ión de <!>£: el d e b i l i t a m ie n to de los rayos cuando se p rop agan a a t r a v é s de u n a pieza u t i l i z a n d o e n v o l tu ra s s e m it ra n sp a re n te s (es decir, a is lad o ras d© luz) . E n este caso los rev es t im ien to s rea lizan dos funciones: el a is lam ie n to lum inoso de los f i lam e n to s y la absorción de luz de los rayos OJJ.

L a e fec t iv id ad de la s e n v o l tu ra s s e m it ran s paren tes h a s ido c o n f i rm ad a on num erosos exper im en to s . A sí , en u n p a r de v id r io s Ed>25-K17 (BF25-K 17) (A 0 = 0,54) p a ra u n a frecuencia de las r a y a s de 40 l ín /m m (on tina ra d ia c ió n y recepción d ifusas) K = 0 ,10 0,15; m ie n t ra s que olem pleo de u n a en v o l tu ra se m it ra n sp a re n te de v idrio N S12 en lu g a r de la t ra n sp a re n te K17


(A 0 queda igual) bajo idénticavS condiciones aum enta el K has ta 0 ,40—0,50.

Actualmente la envoltura sem itransparente se u t i l iza am pliam ente como método básico para aum entar el coeficiente de transmisión del contraste. Tiene tan sólo un inconveniente: el empico de esta envoltu ra disminuye un poco (generalmente dentro de los l ím ites permitidos) la t ransmisión de luz del flujo ú ti l debido a las pérdidas en las reflexiones internas.

Desde este punto de vista es efectivo el empleo de vidrios fotocrómicos que se oscurecen por la acción de la radiación y que por lo tanto desempeñan el papel dé una envoltura sem itransparente; el grado de su oscurecimiento es tanto mayor cuanto más fuerte sea el flujo. Las envolturas fotocrómicas son interesantes además porque su oscurecimiento m ás fuerte ocurre en la cara de entrada; ol grado de oscurecimiento disminuye en la dirección hacia la cara de salida, con lo cual se logra u n m enor debil i tam iento del flujo ú ti l que on el caso de las envolturas semitransparentes.

Segunda envoltura no transparente. Con el objeto de d ism inuir las pérdidas ocasionadas por las reflexiones in ternas se ha util izado una construcción de guías de luz monoíilares, constituidos por un filamento con dos envolturas, de las cuales la primera es especialmente transparente y aisladora de luz, la segunda es oscura y de un vidrio a l tam ente absorbedora de luz o de m eta l . So supone que la primera envoltura t ransparen te garantiza una a l ta transmisión de luz del flujo útil y la segunda absorberá las componen tés parásitas del flujo. Desde el punto de vista del coeficiente de transmisión del contraste , la efectividad de las guías de luz con dos envolturas ha sido confirmado oxperim cntalm ente . Sin embargo, el haz de semejantes guías de luz y la


tecnología de su fabricación tienen una serie de inconvenientes.

1. Surge la necesidad de elaborar tres vidrios que satisfagan las exigencias do una compatibilidad tecnológica; uno de los vidrios debe contener un a l to porcentaje de colorantes.

2. La tecnología de la manufactura de las guias de luz con dos envolturas so distingue por su complejidad y por ol aumento del número do los parámetros que determinan la calidad de las fibras,

3. E l uso de fibras con doble envoltura duplica el número de fronteras con discontinuidades del índice de refracción, lo cual, como lo demuestran los experimentos, reduce la calidad de la imagen transformada.

4. Si en las fibras con onvoltura doble, el espesor de la capa transparente es ta l que la onda, cuando hay reflexión interna to ta l , llega solamente hasta la primera onvoltura transparente, el coeficiente de relleno de la pieza fibrosa y, por lo tan to , la densidad de la información transm it ida y la transmisión de luz son más bajas que en las piezas con un espesor óptimo de la envoltura; si, en cambio, el espesor to ta l de las envolturas es tal quo la radiación en la reflexión interna to ta l llega hasta la segunda envoltura no transparente, entonces lo más sencillo y efectivo es utilizar guías de luz con una sola envoltu ra semitransparente, que sirve al mismo tiempo tan to do aisladora de luz como de atenúa- dora de luz y que tiene una absorción igual a la absorción efectiva de las dos envolturas.

5. Se demuestra expec i mentalmente que la variación de la transmisión de luz (ruido estructural) en la exploración por medio de una mancha pequeña (la condición de los tubos de haces electrónicos) en las piezas de fibras con envoltura doble, es m ayor quo cuando se empican guías de luz de u n a sola envoltura.


Dobido a es tas causas, dicho m étodo para a u m e n ta r el coeficiente de transm is ión do cont ra s te no lia encontrado un am plio uso-

P anta lias en las caras de entrada de las envolturas aisladoras de luz . U na a tenuac ión m á s efect iv a no sólo del flujo <1>JJ, sino tam b ién de los rayos 0 £ , so logra colocando en las caras de en trad a de las envo l tu ras p a n ta l la s no t ra n sp a ren tes que abso rban o reflejen la rad iac ión que sobre éstas incide. E n este caso, dependiendo de la transparencia de las p an ta l la s , se puede e l im in a r com ple tam ente el flujo ® u. Sin em bargo , el nivel a c tu a l de la tecnología de construcción de estas capas ap a u ta i la d o ra s so lam ente en las caras de las envo ltu ras , no perm ite por ahora em plear este m étodo para una u t i l izac ión am plia .

Filamento semitransparente . Como so ve por lo expuesto an te r io rm en te , las com ponentes no opera t ivas cuando se p ropagan a través de una pieza fibrosa a t rav iesan t a n to los f i lam entos como las envo ltu ras . Pues to que genera lm ente ol d iám etro de los f i lam entos es m ayor que el espesor del reves t im ien to (por lo menos en 3 a 5 veces), entonces la longitud to ta l del recorrido de los rayos a t ravés de los f i lam entos es m ayor que a través do las envo ltu ras . Por esto, en aquellos s is tem as, e n los cuales se requiere u n contras te especia lm ente a l to y es adm is ib le una d ism inución de la t ransm is ión de luz del flujo ú t i l , se u t i l iz a un f i lam en to sem itran sp a ren te (os decir , absorbedor de luz). Los experim entos han dem ostrado que en este caso el au m en to del coeficiente de transm isión del con tras te es cons iderab lem ente m ayo r que a l u t i l i z a r u n a envoltu ra sem itransparen te .

Irradiación dura de una pieza fibrosa. Se sabe que bajo la acción do u n a irrad iac ión dura (por e jemplo, con rayos X o rayos gam m a), el vidrio óptico se oscurece y d ism inuyo así la t ransm is ión


do luz. Este fenómeno aplicado a un haz de guias sometido a u n a irradiación dura conduce a una d isminución de la transparencia del filamento y de la envoltura; con o tras palabras, aum enta el contraste de la imagen. Es te método es espec ia lm ente efectivo en aquellos s is temas en los cuales la pieza fibrosa funciona en condiciones de una irradiación dura y tiene una reserva suficiente de transm isión de luz.

Combinaciones de los diferentes métodos. En cualesquiera condiciones de funcionamiento de u n a pieza fibrosa, el flujo es captado por el receptor y d ism inuye el contraste do la imagen, es decir, incluso para frecuencias m uy bajas de las rayas es imposible (a diferencia de los elem entos de la óptica clásica) obtener un K igual a 1, a monos que se u ti l icen métodos especiales para aum entarlo . Además, debido a diferentes causas, que se exponon on el capítu lo siguiente, el coeficiente de transmisión del contraste do un haz de guías de luz disminuyo al au m en ta r la frecuencia de las rayas . E n cambio, el empleo de uno de los métodos analizados perm ite elevar el coeficiente de transm isión del contraste do un haz de guías de luz en todas las frecuencais de las rayas, y en las frecuencias bajas éste so acerca a 1.

U n aum ento m ás del contraste en las frecuencias m edia y a l ta de las rayas es posible com binando los métodos antes expuestos. Así, la com binación de las envolturas fotocrómicas y de los f ilam entos semitransparentes aumenta considerablemente el coeficiente de transmisión del contraste de los elementos fibrosos (en comparación con el caso on que se emplea lan sólo uno de estos métodos) y a la vez rebaja el grado de d ism inución de la transmisión de luz del flujo útil comparado con ol caso en que so u ti l izan envolturas semitransparentes . La posibilidad do


util izar una do las combinaciones de estos m étodos so determ ina generalmente a l diseñar una pieza fibrosa para un fin concreto.

Coeficiente de transmisión del contraste de manojos flexibles regulares de fibras . Al u ti l izar en apara tos los manojos flexibles regulares de fibras, con longitudes desde 0 ,5 has ta 4 m y a voces mayores, los métodos para aum entar el coeficiente do transmisión del contraste con ayuda de envolturas sem itransparentes y foto- crómicas, do irradiación dura y do filamentos semitransparentes no son admisíbbles, ya que debido a la gran longitud de las fibras, la transmisión de luz de u n manojo disminuye fuertemente. Al mismo tiempo, las componentes no operativas del flujo llegan perfectamente hasta la cara de salida y disminuyen el contraste de la imagen. En la par te flexible del manojo, la quo generalmente constituye hasta el 90—99% do la longitud to ta l , las fibras no es tán ligadas entre sí y en algunos lugares, separadas por el vidrio de la envoltu ra , m ien tras que en o tros estas útilmas están separadas por capas de aire. E n tal s ituación es bas tan te efectivo ol método de relleno del espacio interfíbroso con un medio absorbedor de luz, por ejomplo una suspensión fina y dispersa do grafito. Esta últ ima no influye en absoluto en la transmisión de luz del flujo ú t i l , poro sí a tenúa en sumo grado (prácticamente en su to ta lidad) los rayos no oporatívos; además, semejan te medio sirve de lubricante para reducir la fricción inlorfibrosa.

Método pura el control e investigación de los elementos fibrosos. E l efecto de los tres anillos os la propiedad fundam enta l y más caracterís tica de un haz de guías de luz. T a l efecto tiene lugar on aquellos tipos do artículos fibrosos como los focones, anamórfotes, elementos rotores, diferentes conversores, manojos flexibles y rígidos


de f ib ras , ole. El efecto de los tres anillos se tiene en cuenta aJ p lan tea r los requisitos técnicos que deben reunir los elementos libro-ópticos destinados a fines concretos y se u t i l iza como 1111

método objetivo de control y do investigación de los elementos fibrosos de diferente construcción.

Citemos solamento algunos principios fundam entales de control y de investigación de los ar tículos fibrosos con ayuda del efecto de los t re s anillos, los cuales ya han sido comprobados o elaborados.

1*. El método dol rayo limito de reflexión total in terna, consistente en su observación y medición de la in tensidad do la luz , se u ti l iza para determ in a r la ca lidad de la frontera f i l a m e n t o - envoltu ra , para Ja elección del espesor óptimo de la envoltura en dependencia do las exigencias concretas al ar t icu lo fibroso, para la investigación de la m u tu a difusión de los vidrios del filamento y do la envo ltu ra , para definir la presencia de microdefectos en la frontera f i lam en to—envoltura y su influencia en la calidad dol a r t ícu lo , al e laborar los regímenes tormomecánccos del proceso tecnológico, etc.

E n la práctica se ha observado que las piezas fibrosas reales de ciertos pares de vidrios poseen una aber tu ra menor que la calculada- Esto es debido tan to a la difusión m u tu a de los vidrios de los f ilam entos y de las envolturas , la cual d ism inuye la diferencia de sus índices de refracción, como tam bién al espesor insuficiente del in tercalado entre los f ilamentos. El ángulo bajo el cual se observa un borde luminoso, permito encontrar la aber tu ra num érica real de la pieza. En el monocromador YM-2 (UM-2) se miden los ángulos de aparición del rayo l ím ite de reflexión to ta l in terna para diferentes longitudes de onda de la rad iación , con lo cual se determina la aber tu ra propia do las guías de luz y s i i

9—01 6G0 129www.FreeLibros.org

dependencia de la longitud de onda. Por medio de esto método ha sido medida la dependencia de la aber tu ra numérica nominal de las guías de luz hechas de vidrio B®25-K17 (BF25-K17) de la longitud de onda de la radiación representada en la figura 10.

2. La observación y medición de la in tensidad de la luz dol anillo interno (la componente <££) permiten hallar ol espesor óptim o del in tercalado aislador de luz entre los f ilamentos, lo mismo que el estado de la frontera f i lam ento—envoltura .

3. La observación y medición do la in tensidad de la luz do los tres anillos para un ángulo de inclinación del haz dirigido de rayos a la en trada m ayor que el ángulo do aber tu ra , dan la posibilidad do valorar la efectividad de la u t i l i zación del m ater ia l dado en ca lidad de envoltu ra absorbedora de luz de los filamentos.

4. Los tres anillos perm iten m ed ir la perpend icularidad de las guías de luz e lem entales respecto al plano opevacional (la cara) do la pieza fibrosa.

5. Con ayuda de los indicadores de la distribución luminosa a la salida, cuando en la cara de en trada de una pieza fibrosa incide el haz cónico de rayos, se puede determinar e l grado de defectos to ta l de un elemento fibroso, que es consecuencia de los diferentes mícrodefectos y depende del grado de difusión m utua do los m ateria les del f ilamento y de la envoltura .

6. La observación y medición do la intensidad de la luz do los anillo# in terno o externo garantiza la medición de la aber tu ra numérica real de una pieza fibrosa, que frecuentemente se diferencia de la calculada.

7. Por medio de medición de la in tensidad de la luz en los anillos interno o externo se puede encontrar el coeficiente de relleno do la cara de una pieza con los filamentos.


8. E l control tic una pieza fibrosa a base de los tres anillos permite crear Jos regímenes lerrno- mecánicos óptimos de fabricación tic los elementos fibrosos y p lan tear Jas exigencias fundamentales a las propiedades físico-químicas de las materias primas, por ejemplo, de los vidrios.

9. La medición tle la intensidad de la luz do los tres anillos por separado, ofrece la posibilidad de determinar la transmisión de luz real del flujo útil (informativo) <J)n y de las componentes no operativas ” 4- (J>£, cbJA y .

9 *www.FreeLibros.org

TRANSFERENCIADE IMÁGENESPORMEDIODE UN HAZDE GUÍAS DE LUZ

Las leyes de la transferencia de una imagen óptica por medio de un haz de guias de luz y correspondientemente sus características óp ticas, a excepción del efecto de los Ircs anillos, se determinan además por una serie de diversos factores: el carácter de mosaico de la estructura de la pieza fibrosa y el principio de la transmisión do la imagen por elementos, las pérdidas de la in formación transmitida, las limitaciones del poder resolutivo del haz de guías de luz realizable en un aparato dado, lo imposibilidad de la formación independiente de la imagen y otros.


<i. F O R M A C IO N D E L A IM A G E N P O R M E D I O D E UN H A Z D E CUTAS D E LUZ

Las p iezas f ibrosas t ransf ie ren la imagen que ha s ido fo rm ada po r m étodos de co n ta c to o de proyección sobre su cara de e n t r a d a , a la superficie de la de sa l id a (fig. 30). Si se aloja el objeto (la imagen) a unas cu an ta s decenas de m ieras de l a cara de e n t r a d a , la transm isión de la imagen es posib le , poro por lo general con pérd ida de resolución y co n tra s te do la m ism a. Lo im agen t ran s fe r id a an á lo g am en te a l ex trem o de salida po r v n haz de guías do luz no puedo form arse en un p lano cons ide rab lem en te a le jado de dicho ex trem o . La «formación» de una imagen por iu> e lem ento fibroso sobre u n p lano no coincidente con su cara de sa l id a , es posible s iem pre y cuando la d is tan c ia h a s ta el p lano no paso do unas cuantas decenas de m ieras . G enera lm en te , a p a r t i r do unas dos o tres m ie ras , e l poder reso lu t ivo y el co n tra s te de la im agen com ienzan a d ism in u ir b ru scam en te a m ed ida que .se au m en ta la d is tan cia. E s t r ic tam en te A hab lan do , el concepto do

F I G . 30 . T r a n s m is ió n ele la im a g e n p o r un haz d e g u ía s <le Luz (7 ) y p o r un b l o q u e m o n o l í t i c o d e v i d r i o (2 )


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«formación» de la im agen 1 1 0 es ap l icab le a un haz de gu ías de luz» a d ife rencia de los elementos de la óp tica clásica.

Lo dicho se explica en la f igu ra 31. Al transm i t i r u n a imagen con a y u d a de la ó p t ica clásica, por e jem plo por m edio de un ob je t ivo , el am plio haz de rayos (fig. 31, a) que pa r ten del e lem ento A del ob je to es recogido po r ol ob je t ivo en una m an ch a A \ que es la imagen del e lem en to A y cubre u n o o var ios f i lam en tos . La imagen A " t r a n s m i t id a ol e x t rem o de s a l id a de l haz de guías de luz, es la del e lem en to A y sa tis face en c ie r to g rad o el principio- do sem ejanza de la imagen al ob je to . Pero s i s e q u i t a e l ob je t ivo , en toncesen la ca ra de e n t ra d a (fig. 31, ó), por e jem plo del f i la m e n to 7. caen rayos de lodos los e lem entos del o b je to , m ie n t ra s que . por o t ra pa r te , desde el e lem en to A del objeto p a r te n rayos que a lcan zan to d o s los f i la m en to s de la ca ra de e n t ra d a de la pieza f ib rosa ; os decir , en es te caso la inform ación es t ra n sm i t id a y la c a ra de sa l ida se encuen tra m ás o m enos u n ifo rm em en te i lu m in a d a , pero no se p ued e h a b la r de n in g u n a sem ejanza de la im ag en con el ob je to .

L a im agen que so t ra n sm ite a la cara de sa l id a del haz de gu ías de luz según ol esquem a de la f igu ra 31, a , se puede o bservar con el ojo (que es un s is te m a óptico* com puesto do ob je t ivo — cr is ta l in o y p a n t a l l a — re t in a ) , se p ued e reg is t ra r (poniendo en con tac to con la cara u n a p laca fo tográfica) o p roy ec ta r en una p a n ta l la — plano de la im a g e n — con a y u d a de u n segundo ob je t ivo . E n este ú l t im o caso, todos los rayos que sa len de u n f i lam e n to , por e jem plo de! 6', se reú n en en una m a n c h a A " \ que es la im agen de l ele- <•—■ ——1?TG. 31. T r a n s m is ió n d o la im a g e n p o r un h a z (le g u ía s do luz:2 - o b j e t o ; 2 , 4 — o b je t iv o s ; 3 — h a z d e g u ía s d e luz; ¿ —p la n o im a g e n ; 6 , 7 — fila m e n to s in d iv id u a le s ; 8 — ojo


m e n tó A . E n todos los Iros casos a n te r io re s , la im a g e n sobre la p a n ta l l a es sem ojnn te en grado su f ic ien te al ob je to o r ig in a l .

E l flujo do la imagen tra n s fe r id a a la c a r a de sa l id a de u n haz de gu ías de luz t ieno u n a e s t ru c tu ra geom étr ica c o m p le ja , y sa lo cub r ien do todas la s direcciones en un cono d e te rm in ad o . En s u m a , a l p u n to B de la p a n ta l l a (fig. 31 , b) l legan rayos de todos los f i lam en tos , m ie n t ra s que de un f i lam en to d e te rm in a d o sa le n rayos hacia lodos los p u n to s de la p a n ta l l a , o sea que a la p a n ta l la Jlega in fo rm ación , pero con p é rd id a com ple ta do la e s t ru c tu ra o r ig ina l , y no se puede h a b la r de sem ejanza a lg u n a con el o b je to , ya que la p a n ta l la qu eda m ás o m enos u n ifo rm em en te i lu m in ad a .

Desenfoque exterior del p lano de la imagen. E n m uchos ap a ra to s , ya sea po r l im i ta c io n es de construcción o por las condic iones correspondien tes de ap l icac ión (por e jem plo a causa de l im itac ió n del espacio), a m e n u d o no es pos ib le u t i l i z a r un s is tem a de lentos a la e n t r a d a del haz de guías de luz para p ro y ec ta r la im agen del o b je to a la c a ra do e n t ra d a . E n consecuencia , en tre el ob je to cuya im agen se requ iere t r a n s m i t i r y la ca ra do e n t ra d a de la pieza f ibrosa se crea u n c ie r to juego , es dec ir , t iene luga r un desenfoque e x te r io r del p lan o de la im agen con re lac ión a l e x t rem o de los f i lam en to s . E n ta l caso , cada f i lam en to recibe luz desde uní» superf ic ie m a y o r que la del lope de uno solo de los co n d u c to s do luz (fig. 32, a). líl d iá m e t ro D do! e lem en to de la im agen desde el cua l in c id en los ray o s sobre un f i la m e n to d ado do d im á m e tro D c, depende de la a b e r tu r a num érica A 0 de las gu ías do luz, de la d is tan c ia / ( desde el tope h a s ta el ob je to y del

FIG. 32. Desenfoque del pluno imagen con respecto a las caras de un lia7. do guías dc luz


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VIG- 33. Dependencia dol poder resolutivo R del sistema holgura — haz de guías de luz de la m agnitud lt de la holgura

índico do refracción nl del m edio que llena el juego. El d iám etro D, como se ve en la construcción do la figura 32, a, será

D ~ D c-\ ~ = = ~ .

\ í « 1 - 4En este caso, el poder resolutivo R de l s istema juego — haz de guías de luz so determina por la «expresión

R - 1 - ^ i _ o1 ¿d 2 ( o c y^r^-^M o 2 0 1

(35)En la figura 33 se m uestra la dependencia del

poder resolutivo dol s is tem a juego—haz de guías de luz de la m agnitud del juego, calculada según la fórmula (35) para un haz de guías de luz con filamentos de d iám etro de 5 (curvas Z,


2 y 3) y 10 jx (curvas á, 5 y 6), siendo el grosor de las capas intermedias de 1 p;, con aberturas numéricas de 0,54 {línea continua) y de 0,85 (línoa punteada), e índices do refracción del medio del juego de 1,0 (curvas 2 y 6) y 1,5 (curvas 7, 3, 4 y 5).

Consideremos un liaz de guías de luz, en el cual la cara de entrada do las envolturas aisladoras de luz tienen un recubrimiento absorbente de la luz, es decir, en el que el flujo lia sido eliminado. Cuando existe juego, una parle de los rayos del elemento D del objeto inciden no solamente en el filamento 7 sino también on sus vecinos 2 y 3; así, en las condiciones de la figura 32, 5, al filamento vecino 2 llegan rayos del segmonto ab, y al filamento 3 desdo el cd\ si se disminuye el juego ¿x o so aumenta el espesor de las envolturas aislantes, decrece el flujo que va del elemento dado D a los filamentos vecinos; por ejemplo, en la figura 32, c el área do los segmentos ab y cd ha disminuido.

Do esta manera, el juego implica una disminución del coeficiente de transmisión de contraste del sistema juego — haz de guías de luz, disminución qué es especialmente fuerte en las frecuencias altas de las rayas. Dependiendo de la distancia lly de la abertura numérica de las guías de luz, del diámetro de los filamonlos y del espesor ó do las envolturas, el contraste de la imagen para altas frecuencias de rayas puede disminuir hasta un nivel inferior al de la sensibilidad de contraste dol analizador (receptor) de la imagen; por lo mismo, se reduce también la frecuencia de las rayas que permite el sistema juego — haz de guías de luz. Solamente en el caso (fig. 32, d) de que el juego lY satisfaga la condición.

(36)


y do que la cara de en trad a de las envo l tu ras haya sido recubierla coa un m ateria l absorbente de la luz, la rad iac ión de un elemento dado del objeto incide sobre un solo filamento» es decir, no tiene lugar la d ism inución n i del poder reso lu tivo , ni dei coeficiente de transm isión de contrasto del s is tem a juego-haz de guías de luz. E n : este caso, el poder resolutivo se de te rm ina por la expresión

< 3 7 >

en donde D f es el d iám etro de una f ib ra e lem enta l jun to con su envoltura o, dicho de otra, m anera , el paso de la es truc tu ra fibrosa (la d is tancia en tre Jos centros de filamentos contiguos) sobre la cara receptora de entrada de la pieza. Sin em bargo, la d istancia l lh es m uy pequeña. Así, para un espesor de la envoltu ra de 1 |.i y u n índice de refracción del medio dol juego de — 1,5, con A o —= 0,5 tenemos lut = 1,42 ¡x, m ientras que con A o -• 0,8 lxu d ism inuye hasta 0,8 p.; si en am bos casos el juego está lleno de aire., entonces la disminución será respectivam ente has ta 0,87 y 0,38 p . Un aum ento del espesor de la envoltura bas ta 2 ¡x duplica los valores permisibles señalados de ¿l)l en los cua tro casos.

Como so ve en la figura 33 y la fórm ula (35), el poder resolutivo del s is tem a juego — haz de guías de luz crece con el aum ento dol índ ice do refracción n¡ del medio del juego» y con la dism inución de la d is tanc ia Zx. del d iám etro de los f i lam entos y de la aber tu ra numérica A 0 de las guías de luz. Esto ú lt im o se explica en razón do que al reducir el A 0 ele u n f i lam ento dado son. a trapados rayos de un área menor del objeto. S in embargo, cuando esto sucede, como lo demuestra el efecto de los tres anillos, aum enta la pa r te de las componentes parás i tas del flujo; si no se toman medidas para deb il i ta r las , se reduce bnis-


camentc oí coeficiente de transmisión de contraste de la pieza fibrosa y , on suma, disminuyo el poder resolutivo.

Si en el juego h ay aire (n t — 1), entonces el poder resolutivo y el contraste se reducen notablem ente . Demostremos esto con un ejemplo. Supongamos que el medio del juego tiene índice do refracción nx = 1,5, la abertura numérica de las guías de luz A 0 — 0 , 5 4 , el juego /, — 1 5 px y el d iám etro de los filamentos D c = 5 jx ; on este caso, el d iám etro D del elemento del objeto sometido a resolución os de 16,6 p i , es decir, en prim era aproximación, el poder resolutivo del sistema juego — haz de guías de luz es menor que la tercera parte de la resolución de la pieza fibrosa. Si en condiciones similares en el juego hay aire (nx — I ) , entonces D — 2 4 , 2 px, o sea, la resolución es cinco veces menor.

Desenfoque exterior a la salida. Si el receptor de información (por ejemplo, un ocular) a la salida dol haz de guías de luz está enfocado no a la cara de los filamentos, sino a un plano alejado do la cara de salida a una distancia l.± (por la ley de la inversión del paso do los rayos, la construcción de la imagen es análoga al caso precedente); entonces, como se vo en Jas figuras 32. / , g y h , el elemento do la imagen transmitido por un f ilam ento dado al plano L¿ resulta como si hubiera aumentado y su luminosidad en comparación con el brillo del extremo se altera al rec ib ir rayos de los filamentos vecinos, es decir, se reduce el contraste de la imagen. De la misma m anera que en el caso de desenfoque a la entrada, la disminución de contraste en las a l tas frecuencias cuando la m agnitud del juego es considerable, conduce a la reducción del poder resolutivo del sistema haz de guías de luz-juego.

Como se ve on las figuras 32 / , g y h, la dependencia dol poder resolutivo y del coeficiente do


transmisión do contraste del s istema haz do guías de luz — juego de los parám etros D c% L A 0 y n2 os análoga al caso precedente. E l único caso en que no tiene lugar una d isminución del poder resolutivo y del contraste do la imagen es cuando

Sin embargo, como on el caso an ter io r , este juogo permisible es sólo del orden de 1 a 2 mieras. En los dos casos de desenfoque exterior (a la en trada y a la salida), con el aum ento del juego empiezan a influir sobre el contraste de la imagen de un elemento dado no so lam ente los f ilamentos vecinos, sino también otros m ás alejados.

Desenfoque interior del plano de la imagen . Cuando hay desenfoque ex ter io r , e l m áxim o poder resolutivo y el m ayor coeficiente de t ransmisión de contraste en un haz de guías de luz se alcanzan cuando la imagen se proyecta o xac-lam ento a la ca ía de en trad a y se percibe d irec tamente desde el plano de la cara do sa lida . De aqu í las a l ias exigencias que se le hacon a l reglaje de los sistemas ópticos que constan del objetivo, haz de guías de luz y ocular. Si el p lano de proyección o el de recepción es tán enfocados hacia el interior del haz do guías de luz (desenfoque interior), ello conduce a la reducción del contraste de la imagen, y cuando el desenfoque es considerab le , a l a disminución do la frecuencia resolut iva de las rayas.

Lo dicho se explica en la figura 32, e, en donde para c la r idad se lian representado sólo los rayos que l im i ta n los haces cónicos. Si el plano de proyección de la imagen se encuentra dentro del haz do guías de luz, entonces una parte de los rayos (la zona sombreada de la figura 32, e) del elemento dado incide en los f ilamentos vecinos, con lo cual se reduce el con tras te de las im á


genes p royectada y t ran sm it id a . Cuando el desenfoque es considerable , el con tras te en las frecuencias a l ta s de las rayas se reba ja tan to que d ism inuye incluso la resolución.

A nálogam ente , si el d isposit ivo receptor está enfocado hacia el in te r io r de la pieza fibrosa, ju n to con los rayos que salen de un f i lam en to dado se a t ra p a n rayos desde los vecinos (zona som breada en la figura 3 2 , ; ) , y todos ju n io s se reúnen en una sola m ancha que es la imagen dol e lem ento t ra n sm it id o por el f i lam ento dado. Al caer en esta m ancha los rayos de los f i lam entos vecinos, el con tras te do la im agen sobro la panta l la d ism inuye . E s n a tu ra l que con el aum ento del desenfoque, la reducción del con tras te conduzca a la reducción de la frecuencia resolu tiva.

Objetivo focónico. Desde los pr im eros t iem pos de la fundación y desarrollo de la óptica de fibras, los especia lis tas lian a f irm ado que, como se dem ues tra fác ilm ente en los experim entos , un haz de gulas de luz no puede form ar imagen a m enos que se u ti l ice a lgún sistema óplíco u óptico-electrónico para hacerlo sobre la cara de en trad a de los f i lam entos , y que el haz de guías de luz puedo so lam ente transfer ir la im agen desde la ca ra de e n trad a h a s ta el p lano de la do sa lida .

E n princ ip io , un haz de guías de luz puedo «formar» la imagen do un objeto a le jado sobre su propia ca ra de sa l ida , como sucede en el caso (fig. 31, c) en que la ap e r tu ra num érica es m uy pequeña, aunque diferente de cero. Sin embargo, su lum inos idad , o sea la m ag n i tu d del f lujo que forma u n e lem ento dado de la im agen, es ex trao r d in a r iam en te reduc ida , a t a l grado que es m uy difícil reconocer la im agen «formada» por el haz de guías de luz.

P a ra co m p ara r con el caso an te r io r se m uestra en la f igura 31, d la form ación de un elemento


•dc una imagen por medio de u n a lente; como se ve, a l a t rap a r una can t idad incom parab lem ente m ayor de rayos del elemento dado deí objeto, el s is tem a de lentes garan t iza la lum inosidad necesaria de la imagen.

Este defecto del haz de guias de luz que form a la imagen se puede en jmrle e l im in a r a l constru ir la pieza fibrosa, confeccionándola, por ejemplo, do guías ele luz de neodimio, las cuales bajo la acción do un poderoso bom bardeo exterior de radiación van a reforzar, a semejanza de los láseres el débil f lujo inform ativo que le cae en su cara de en trada . No obstante , la com plejidad de la construcción de semejante «objetivo», en com paración con la de los objetivos clásicos corrientes, susc i ta dudas acerca de su v iab il idad .

Otro método de e l im inación do la poca lum inos id a d del haz de guías de luz que «forma» la im agen consisto en concentrar en un área m enor el f lujo débil que ha caído a la cara de en trada y e levar de esto modo la lum inosidad de la imagen. En este principio se funda la acción del objetivo jocónico, que es, en esencia, el único t ip o de liaz de guías do luz que puede form ar por sí mismo, s in dispositivos sup lem entarios , u n a im agen de lum inosidad aceptable sobre su cara de sa lida .

Los f ilam entos ind iv idúalos del focón (fig. 34) que t ienen una relación D J D 2 grande en tre los d iám etros de sus extremos, dejan pasar solamente los rayos que inciden en la cara ancha D x bajo ángulos no mayores de ur = ( D J D i) (3, donde os el ángulo del vértice del f i lam ento cónico (ángulo do conicidad). Por eso el focón 2 , constitu ido por f i lam entos guías de luz ta le s que sus ejes en la ca ra de en trad a es tán separados por una d is tancia angu la r ap ro x im ad a de 2ux, forma en la cara de sa lida 3 la imagen del cuadro del espacio circunvecino i . E l poder resolutivo angu la r de sem ejante objetivo es igual a 2


F I G . 34. O b j e t i v o f o c ó u ie o

y el diámetro dol filamento de cara de en trada £>! = D j ( u x — P), donde D 2 es no sólo el diámetro de la cara do salida del filamento, sino tam bién el del olomento de la imagen.

En principio, el objetivo focónico puede abarcar cualquier campo visual hasta un hemisferio completo, e incluso mayor, y poseer un poder resolutivo suficionto. Para cada elemento de la imagen existe en el objetivo focónico su propia pupila ind iv idual de entrada, motivo por el cual su tamaño es considerable. Tales objetivos son utilizables en los casos en que so requieren grandes campos visuales sin mayores exigencias acerca de la resolución, o cuando el objetivo tiene que distinguir señales de sólo unas pocas direcciones en el espacio.

7. TRANSFERENCIADE UNA IMAGEN POR ELEMENTOSY CARACTERDE MOSAICO DE LA ESTRUCTURA

Toda pieza fibrosa so elabora, con diferentes procedimientos tecnológicos, a pa r t i r dé un manojo de filamentos guías de luz soparados por envolturas aisladoras de luz. Como se vio en el

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c a p í tu lo 11, el f lu jo ú t i l que incide en la ca ra de e n t r a d a de un f i lam en to se p ropaga a t ravés del m ism o y sale por el ex trem o opues to , r e p a r t ié n dose p o r la superfic ie del ú l t im o in d e p e n d ie n te m e n te do la d is t r ib u c ió n de la lu m in o s id a d en la del p r im ero , es decir , cada f i la m e n to in d iv id u a l transf ie re so lam en te la in fo rm ac ión r e la t iv a a u no solo de los e lem entos de la im agen que ha s ido p ro yec tada sobre su cara de e n t r a d a .

Transferencia de una im agen p o r elem entos . U na transferenc ia t a l desde la ca ra de e n t ra d a h a s ta e l de s a l id a c o n s t i tu y e u n a de las diferencias fu n d a m e n ta le s do c u a lq u ie r p ieza f ib rosa com o haz de gu ías de luz ind iv id ua les .

L a t ransfe renc ia de u n a im agen por e lem entos es a m p l ia m e n te conocida en la n a tu ra le z a (los ojos de los insectos, la r e t in a , e tc .) y se ha d i fu n d ido en la técn ica de los s is tem as in fo rm ativos : ol te lev iso r (en la superf ic ie in te r io r de l a p a n ta l l a del c u a l se ha ap l ic ad o u n a capa de p a r t íc u la s de lum inóforo) , la fo toem uls ión , la ó p t ic a r e t i c u la r y la poligrafía .

Toda pieza fibrosa descompone la im agen , que h a s ido p u e s ta on co n ta c to con su cara de e n t ra d a o p ro y e c ta d a sobre la superf ic ie de la ú l t im a por m edio de s is tem as ó p t ico s u óptico-e lec trón icos , en e lem entos , y t r a n s m i te a i e x t re m o de sa l id a l a in fo rm ación r e la t iv a a c ad a e lem en to a t rav és de u n f i lam en to in d iv id u a l .

L a im agen que se t ra n sm ite a t ra v é s de u n haz de gu ías de luz e s tá c o n s t i tu id a po r u n conju n to do e lem en tos de d ife ren te b r i l lan te z , que co rresponden a la s ca ras de sa l id a de f i lam en to s in d iv id u a le s , es decir , la im ag en se recibe en form a de mosaico (fig. 35, a). D e acuerdo a la cons trucc ión de las guías de lu z em p leado s para

F IG . 35. Transferencia de una imagen p o r un h az de gu ías do luz


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la e laboración de la pieza fibrosa se hace la distinción entre mict'omosaicos y macromosaicos en la es tructura del haz de guías de luz, y consecuentem ente , la es truc tura de l a imagen. S i se u t i l i zan f ibras monofilares aparecen mieromosaicos determinados por la es truc tu ra celular del haz de guías do luz, que es como u n s is tem a de un conjunto de f ibras monofilares individúalos (fig. 35, b). Si por el contrario la pieza fibrosa se fabrica de guías de luz m u i ti filares, a l acomodar estos últimos, la es truc tura hexagonal del in terio r del grupo m ult i f i la r se transform a, en el lindero de su empalme, en cuadr icu la r (fig. 35, c). Con disposición cuadricu lar, la densidad filar es m enor que en la hexagonal. Consecuentemente varía tam bién l a transm isión de luz y aparece un macromosaico en la es tructura que consiste en que se no tan c la ram en te las fronteras entre las guías de luz m ultifi lares. Es te defecto único de la construcción m ult i f i la r resultó ser, sin embargo, eliminable . Los investigadores soviéticos demostraron en 1971 que con ayuda de los correspondientes procedimientos tecnológicos es re la tivam ente fácil, u t i l izando guías de luz m ultif i lares , lograr u n a es tructura hexagonal en todo el campo de la pieza fibrosa; para ello es suficiente colocar las guías de luz m ultifi lares desplazados uno de otro en m edio d iám etro de fibra individual.

E l carácter de mosaico de la es truc tu ra deja tam bién su huella en o tros parám etros de los ar tículos fibrosos pone l ím ite al poder resolutivo adm isible (alcanzable en el aparato), conduce a una considerable pérd ida de la información t ran sm it ida y de l a t ransm is ión do luz y l im i ta el poder resolutivo nom ina l del haz de guías de luz.

M ultip lic idad del aumento de la imagen transmitida. La im agen aceptable de la cara de salida


de una pieza f ibrosa es re s t r in g id a . Como se sabe, e l ojo resuelve obje tos de un tam añ o cercano a 100 p . Si l a im agen de la ca ra de sa lida so ex am in a po r m ed io de un ocu lar , con un aum ento ta l que los e lem entos do la e s t ru c tu ra ten gan un t a m a ñ o de 100 p , es decir , que se bagan d is t in guib les , el cuadro que so observa va a se r de tipo mosaico m oles to , d esag radab le a la v is ta y difíc i lm e n te an a l izab le . E n ta l caso, cu a lq u ie r defecto del haz, po r e jem plo la presencia do f i lam en tos que no de jan pasar la luz , deviene d is t in g u ib le y p e r tu rb a la observación . Al a m p l ia r la c a ra de sa l id a so a m p l ía n ta m b ié n los f i lam en to s y las en v o l tu ra s , poro la m u l t ip l ic i dad perm is ib le de am p l iac ió n es re s t r in g id a por el d iá m e tro de los f i lam en tos . E n efecto, con un espesor de las en v o l tu ra s de 0 ,5 a 1,0 p , el a u m e n to es tá l im i ta d o a un ta m a ñ o de 100 p y la m u l t ip l ic id a d ad m is ib le es, r e sp ec t iv am en te , de 200 a 100. Si en este caso e l d iám e tro de los f i lam en tos es tá en tre 2 y 5 p , la m u l t ip l ic id a d adm is ib le se e n c o n tra rá re sp ec t iv am en te en tre 50 y 20. U t i l iz a n d o u n a pieza fibrosa que tenga f i lam entos y e n v o l tu ra s del d iám e tro y el espesor in d i cados en el e jem plo dado , los l ím i te s del aum ento perm is ib le son en m uchos casos en te ram e n te aceptables .

No o b s tan te , e n m uchos t ip o s de in s t ru m e n tos se u t i l i z a n gu ías de lu z — focones (fig. 36, a), en los cua les el d iám e tro de los f i lam en tos es m ayo r en la cara de superf ic ie m ás am p l ia . E l poder re so lu t iv o de los focones se d e te rm in a por el d iá m e t ro de sus f i la m en to s sobro la cara de en trada p e rcep to ra de la luz. S i se exige u n poder reso lu tivo del focón de 100 l ín eas /m m (es decir , con d iá m e t ro de los f i lam e n to s de 4 p y e l espesor de las e n v o l tu ra s de 1 p) y u n a m u l t ip l ic id a d de su a u m en to de 5, en ton ces el d iá m e t ro de los filamentos sobre la ca ra g ran d e de sa l ida d e l


FIG. 30. Transferencia de una imagen por ios focones: 2—objeto; 2 — objetivo; 3—íocón

focón debe ser de 4 p, X 5 — 20 p. E n ta l caso la m u lt ip l ic id ad adm isib le de aum ento de la imagen de )a cara de sa l ida , por ejemplo con ayuda de un ocular, está restr ingida a una m agnitud de 100 p./20 p — 5. El aum ento to ta l del sistema focón-ocular es de 25 ( 5 x 5)f que equivale a 100 p. por las 4 p, del d iám etro de un filamento sobre la cara de en trada pequeña del focón.

Densidad de la información y pérdidas de la misma. El volumen 7a de la información t ran sm itida por una pieza fibrosa con cara de en trada de área S se determ ina por la expresión

/1 - m s “ ~ é y • (38>

En v ir tud del principio de transm isión de la información elemento a elemento en un haz de guias de luz, para la de term inación del volumen do la información t ransm it ida se tom a, ju n ta


mente con / , , el coeficiente / 2 que determina el número de filamentos individuales arreglados hexagonal mente (o sea, ol número de elementos transm itidos ele la imagen) que corresponden a una superficie 5 de la pieza,

( 3 9 )

donde S f es el área que ocupa un filamento indiv idual jun tam ente con su envoltura. De aquí resulta que la densidad de información que caracteriza el número de elementos do la imagen transm itidos por una unidad de área es

i a s í ^j0)* D J '

Como consecuencia del carácter de mosaico do la estructura del haz de guías de luz tiono lugar una pérdida de información. Las expresiones (38—40), que caracterizan el volumen y !a densidad de la información transm itida, no reflejan las pérdidas de información que de hecho tienen lugar cuando se util izan piezas fibrosas. Anote^ mos como ejemplo el hecho de que las fórmulas (38—40) no tienen en cuenta la forma de la sección de los filamentos. Si se considera que cada filamento homogoniza sobre la cara do salida la distribución de luminosidad, compleja y de rica gama, por la superficie de un elemento dado de la imagen, entonces so justifica, estrictamente hablando, la afirmación de que las piezas fibrosas transm iten solamente parto do la información relativa al objeto original. E n este caso, difiere del original la imagen transm itida por la pieza fibrosa y reproducida sobre su cara de salida. Naturalmente, la cantidad de información y la semejanza de la imagen al original son tan to más altas cuanto m ayor sea el número de elementos


en q u e se ha d iv id id o la im agen p r im i t iv a , es decir , c u a n to m a y o r sea la c a n t id a d de los f i la m en to s en u n haz de gu ías de luz dad o (o cu an to m enor sea el d iám etro de cada f i lam en to ) . S in em bargo , la d ism in u c ió n in d e f in id a de l d iá m e tro de los f i lam en to s es im posib le , lo que res t r inge la dens idad de in fo rm ación q u e p ued e t r a n s m i t i r u n a pieza f ibrosa.

E l haz de guías de luz t ra n sm i to so lam en te la in fo rm ac ión c o n te n id a en la p a r te de la sup e r ficie de la c a ra de e n t ra d a que e s tá o c u p ad a por los f i la m e n to s g u ía s de luz co rrespond ien tes y cuya área des ignarem os po r t5. D o e s ta m an e ra , u n a segunda causa de p é rd id a de la in fo rm ación es el g rado de ocupación de la ca ra de e n t ra d a por los f i lam en tos , pues to que ya en esa m ism a cara del haz do gu ías de luz se p ie rd e u n a c a n t i dad de in fo rm ación igual a l — Tr>.

T a m b ié n ocurren p é rd id a s de in fo rm ac ió n por cau sas p u ra m e n te tecnológicas. P a r a t r a n s m i t i r u n a im agen con a y u d a de e lem en to s fibrosos es esenc ia l l a co r respondenc ia precisa de la d is t r ib u c ió n de las ca ras de la s gu ías de luz in d iv id u a le s sobre a m b a s ca ras de l h az , si b ien en la p a r te m e d ia de l haz la s g u ía s in d iv id u a le s p ueden e s ta r e n t re la z a d a s de c u a lq u ie r m a n e ra . L a v io lac ión de la id e n t id a d de d is t r ib u c ió n de los f i lam en to s sobre a m b a s ca ras de la pieza conduce a la des trucc ión de la sem e jan za de la im ag en t r a n s m i t id a a l a o r ig ina l . Y en f in de cu en ta s esto equ iv a le a p é rd id a de in fo rm ac ión .

P o r d ife ren tes causas tecno lóg icas sucede a veces que en u n a pieza f ib rosa ya a c a b a d a a lg u nos f i lam e n to s in d iv id u a le s o g rupos de e llos no de jan , en p a r te ó c o m p le ta m e n te (fig. 37), p a s a r la luz , con lo cua l el e lem en to d a d o de la im agen (o el g rupo de ellos) se p ierde .

P o ra r e d u c i r pé rd ida de in fo rm ac ión es esencial la ex igencia de h e x a g o n a l id a d de la colocación


IrJG, 37. Pérdida do información durante la transmisión de una imagen por un haz de guías de luz a causa de que un filamento individual («) o un grupo de filamentos (b) no dejan pasar la luz

de todos los filamentos en todo el campo de trabajo de la pieza fibrosa.

Limitaciones del poder resolutivo R del haz de guías de luz. El método del estiramiento repetido del paquete de guíavS de luz monofilaros permite disminuir el diámetro de los filamentos a pequeñas dimensiones y, por lo mismo, garantiza fácilmente la realización tecnológica de cualquier poder resolutivo teórico («geométrico») de las piezas fibrosas, calculable por la fórmula (37). A pesar de ello, el poder resolutivo del haz de guías de luz es restringido y a tal grado que muchos sistemas ópticos poseen un poder resolutivo varias veces superior a la resolución de las piezas fibrosas. Según la opinión


del c ien t íf ico soviético D. Y u . G a lpé rn , el l ím i te de resolución de los s is tem as de lentes con tem poráneos , cu an d o su a b e r tu ra num érica está en tre 0 ,5 y 1,0, os do 1,0 a 0 ,5 \x, m ien tras que la resolución de las piozas f ibrosas en el m ejor de los casos no sobrepasa 10 jx.

A con tinuac ión se enum eran los factores fu n dam en ta le s que res tr ingen el poder reso lu tivo del haz de gu ías de luz.

1. L im itac ió n d ifracc ional R . A unque los experim entos dem ues tran que la rad iac ión se propaga en p a r te por las f ibras incluso cuando los f i lam en tos t ien en u¡n d iám etro de sólo u n a m iera o menos; sin em bargo , cuando dicho d iám e tro es conm ensurab le con la lo n g i tu d de on da de la rad iac ión , a causa de la difracción (fenómeno por el que la luz se desvía de la ley de la propagación rec ti l ínea : difracción s ignif ica doblamient.o, en co rvam ien to ) , las f ibras em piezan a a c tu a r como qu ias do ondas, y una p a r te considerab le do la energía se escapo a t ra v és do la f ron te ra de sepa rac ión f i lam en to — en v o l tu ra . De acuerdo al flujo ú ti l cl)n en la sa l ida esto conduce a una fuerte d ispers ión y am pliac ión de la ab e r tu ra de sa l ida del f lu jo d>n; como resu l tad o de esto, los rayos <!>„ t ienen u n a inc l inac ión con respecto a l eje de la p ieza cons ide rab lem en te m ayo r que u0. La m ism a fuerte dispersión (am pliación do la ab e r tu ra do sa lida) la e x p e r im e n ta n tam bién los rayos de o tros com ponen tes del f lu jo . Todo esto conduce a u n co n tra s te de la im agen t ra n s m i t id a e x t rao rd in a r iam en te bajo y no acep tab le en la práctica .

2. L im itac iones de los a p a ra to s R . Inc luso si se desprec ian las l im i tac io nes d ifraccionales (supongam os que las ex igencias del s is tem a respecto al co n tra s te de la im agen son bajas) o se d ism in u y e su acción por m ed io de algún m étodo , cpm o regla general aparecen l im itac iones de


ca rác te r in s t ru m e n ta l , debido a las cuales otros parám etros ópticos del haz de gu ías de luz no sa t is facen la sens ib i l idad del s is tem a dado* Por e jemplo, si el d iám etro de los f i lam entos es de lp, y el espesor de la en v o l tu ra aisladora de luz es igua lm en te do t p , se t iene una resolución teórica de ñ = (2D/)-1 = 250 l íneas /m m , y u n coeficiente de re lleno de la cara por los f i lam en tos de so lam ente 0,226, o sea, que incluso si se desprecian todas las dem ás f non tes de pérdidas lum inosas (véase, el cap. TI) y se tom a A 0 > 1, de todo el f lu jo inc iden te so lam ente corea del 23% lo cons t i tu ye el f lujo ú t i l , y en la inmensa m ayo r ía de los s is tem as no es aceptable.

L a s i tu ac ión no se mejora mucho cuando el d iám etro de los f i lam en tos es igual a 1,5 y 2 ,0 p; con el m ism o espesor de las envo ltu ras de 1 jx, la resolución teórica es de 200 y 167 l íneas /m m respec t ivam en te , y los coeficientes de ocupación, de 0,32 y 0,40. E n todos los casos, el ongrosa- m ien to del f i lam en to conductor o de la envoltu ra reb a ja la resolución teórica , y el aum en to del grosor de la en v o l tu ra reduce el coeficiente de relleno r«?.

3. L im itac iones de construcción f í . P a ra d ism in u ir la escala y au m en ta r la lum inosidad de la imagen, en m uchos apara tos se u t i l izan p iezas f ibrosas en form a de focón reduc to r (fig. 36, 6). E n este caso, el poder reso lu tivo dol s is tem a se de te rm ina por el d iám etro de una f ib ra sobre la ca ra g rande de en trada del focón: f í = (2D 2y l . Si se t iene en cuen ta la necesidad de concordancia en tre las aber tu ras de en trad a y de sa lido de los elementos del s is tem a, entonces la d ism inuc ión posible (es decir la m u lt ip l ic id ad del cam bio de la escala) del d iám etro sobre la cara de e n trad a está res tr ing ida por el d iám etro de las f ib ras sobre la cara pequeña do sa lida , la cual es tá su je ta a l im itac iones difraccionales,


E n tales piezas fibrosas, el coeficiente de relleno por los f i lam entos de la c a ra de en trad a es igual al relleno de la cara de sa l ida (es decir , sobre la cara de en trad a , los f i lam entos es tán rodeados por envo l tu ras m ás gruesas), puesto que con los procesos tecnológicos ex is ten tes hoy en d ía la relación en tre el d iám etro de los f i la m entos y el espesor de las en vo l tu ra s es igual en am bas caras. E n princip io es posible diseñ a r focones en los cuales el grosor de las envoltu ras a is ladoras do luz en cada u n a de las caras sea el m ín im o permisible . Pero la verificación en la p rác t ica de talos p rocedim ientos tecnológicos h a dem ostrado la ex trao rd ina r ia com ple j i dad de su realización.

8. MOTO DOSDE ELIMINACION DEL CARACTER MOSAICO DE LA IMAGEN

E l ca rác te r de la e s t ru c tu ra del haz de guías de luz y do la imagen t ra n sm i t id a cons t i tu ye uno de los defectos desagradables — aunque o b je t iv am en te ex is ten te s— de las piezas f ib ro sas, que reba jan de hecho todas sus ca ra c te r ís t i cas óp ticas . P o r es ta razón , los especia lis tas de la optotécnica de guías de luz p e rm anen tem en te buscan y e laboran diferentes m étodos para dism in u ir la influencia del ca rác te r mosaico do la es truc tu ra en los a r t ícu los fibrosos y do su com p le ta e l im inac ión . E xam inem os los m étodos conocidos hoy en día.

Haces de guías de luz en desplazamiento transversal. Con una ráp id a y desordenada t ras lac ión transversa l de la pieza fibrosa con respecto a la im agen fija p royec tada sobre su cara de e n t ra d a , se logra una elevación sus tanc ia l del poder resolu t iv o y del coeficiente de transm is ión de co n tra s te del haz de guías de luz (y, re spec t ivam en te , del


FIG. 38. Comparación <Je Jas imágenes de dos objetos (a) con sus imágenes transmitidas por haces do guías de luz inmóvil (b) y en vibración transversal (r)

volumen de información y del contraste do la imagen transmitida). Si se agita rápidamente y en desorden la cara de en trada del haz de guías de luz frente a la imagen que se quiere transmit i r y la cara de salida ejecuta idénticos desplazamientos, tiene lugar una atenuación del carácter mosaico de la imagen y de la defectuosidad de la estructura de la pieza fibrosa (fig. 38). Resulta que para borrar todas las señales de la estructura en la imagen final, es suficiente desplazar el haz de guías de luz en unos cuatro o cinco diámetros de las fibras individuales con una fre-


Cuencía de v ib ra c ió n d e s o rd e n a d a s u p e r io r a la f recu en c ia c r í t i c a d e cen te l leo d i s t in g u ib le p o r ol ojo h u m a n o . E n ta i c a so t e n c a d a p o s ic ió n del f i l a m e n to en v ib ra c ió n , la lu m in o s id a d de su to p e de s a l id a es un ifo rm e , pero v a r í a e n d e p e n d e n c ia d e i b r i l lo de l e lem en to de l a im a g e n que se t r a n s m i t e en un in s t a n te d ad o .

L o s haces de g u ía s de lu z e n d e s p la z a m ie n to t r a n s v e r s a l e l im in a n po r c o m p le to u n a serie de m o t iv o s de p é r d id a de in fo rm a c ió n , y a que en t a l caso los f i la m e n to s en v ib ra c ió n r e c u b re n la supe rf ic ie que o c u p a b a on la p ie za in m ó v i l la e n v o l tu ra a i s la d o ra de luz; po r es to el coef ic ien te de re l len o de la c a r a po r los f i l a m e n to s no co n d u ce a l a p é rd id a de in fo rm ac ió n .

Do l a m ism a m a n e r a se d i s m in u y e s u s t a n c ia l - m e n te la in f lu e n c ia do la s c a u sa s tecn o ló g icas de p é r d id a de in fo rm a c ió n ( ta les com o l a au sen c ia de s e m e ja n z a de la im a g e n con el o b je to y los f i l a m e n to s no t r a n s p a re n te s , ) p u e s to que los e le m e n to s de la im a g e n q u e a n te s so p e r d ía n a c a u s a de l a o p a c id a d de f i l a m e n to s , o se desfig u r a b a n po r v io la c ió n de la i d e n t i d a d de d i s t r i buc ión de éstos so b re a m b a s c a ra s de la p ieza f ib ro sa , son a h o ra «citados» y t r a n s m i t id o s po r o t ro s f i lam en to s .

E n v i r t u d del deso rden de l d e s p la z a m ie n to del haz de g u ía s de lu z , l a fo rm a de co locac ión do los f i l a m e n to s no in f lu y e so b re e l v o lu m e n de la in fo rm a c ió n t r a n s m i t id a . E l p o d e r re so lu t iv o del h a z es p r á c t ic a m e n te el m ism o s ien d o la e s t r u c tu r a c u a d r ic u la r o h e x a g o n a l . E l h a z de g u ía s de lu z en v ib r a c ió n t r a n s m i t e p a r t i c u l a r i d a d e s m ás su t i le s d e l a d i s t r ib u c ió n de lu m in o s i d a d en la im a g e n p r im i t i v a , l a s c u a le s no son re su e l ta s en u n a p ieza in m ó v i l .

D e ta l su e r te , u n haz de g u ía s de lu z e n v ib r a c ió n se d is t in g u e p o r u n a p é rd id a de in fo rm a c ió n c o n s id e ra b le m e n te m e n o r q u e uno in m ó v i l . A l


elim inar por completo el carácter mosaico y ia defectuosidad de la estructura de las piezas fibrosas, el método en cuestión conduce, a una elevación de su poder resolutivo y del coeficiente de transmisión, de contraste. E l poder resolutivo de u n haz de guías de luz en vibración se dolor- m ina por La fórmula

R - 4 ^ - , (41)

y, como se ve al comparar esta últ ima con la (37) y (41), supera más de dos veces el poder resolutivo del haz inmóvil.

Sin embargo, ta l método resultó, en la práctica de construcción de aparatos, completamente no viable, puesto que requiere la vibración de toda la pieza fibrosa si su construcción es rígida; y si es flexible, la vibración sincrónica do ambos extremos. Los mecanismos vibratorios resultan pesados, voluminosos y poco seguros; además, cuando la estructura del haz de quías de luz v ibrante es flexible, tiene lugar la destrucción de las fibras.

Vibración de la imagen con respecto al haz de guías de luz. Las ventajas de método do e lim inación del carácter mosaico de la imagen por medio de u n haz de guías de luz vibrante son tan notables, que no se puede renunciar a su utilización únicamente a causa del defecto señalado.

E l carácter mosaico se elimina gracias al desplazamiento del haz de guías de luz con respecto a la imagen. E l mismo efecto se logra al desplazar la imagen con respecto al haz de guías de luz y observarla sobre la cara de salida con el mismo sistema, que compensa sincrónicamente las vibraciones de la imagen con respecto a las fibras. Para ello se colocan en los sistemas de visión directa placas de vidrio planoparalelas en los extremos de en trada y de salida del haz de guías do luz,


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o prismas en los sistemas de observación lateral, quo se ponen en vibración como se muestra en la figura 39, a. Como evidencia el paso de los rayos, con diferentes posiciones de las placas o de los prismas, un mismo rayo va a incidir en diíeren- tos puntos do la cara de entrada del haz de guías de luz. La amplitud de las vibraciones de las placas o de los prismas se elige do tal manera que las oscilaciones de un elemento de i a imagen con respecto al haz de guias de luz sean iguales a unos cuatro o cinco diámetros de una fibra individual. Con esto el carácter mosaico se elimina prácticamente por completo. La realización de la vibración sincrónica de las placas de vidrio o do los prismas en las caras de entrada y de salida de la pieza es considerablemente más simple que la de la propia trenza do fibras.

Ilacea inestructurados de guías de luz. Por diferentes procedimientos tecnológicos se fabrican piezas fibrosas (fig. 39, b) en las cuales las envolturas aisladoras de luz se reducen a la nada en las caras, conservándose en la parte restante de la longitud de los filamentos. Este método al reducir sustancialmente el carácter mosaico de la imagen, no aumenta ol poder resolutivo de la pieza, pero contribuye a la elevación del coeficiente de transmisión de contraste del haz de guías de luz.

Microlentes sobre los topes de los filamentos. El científico soviético V. B. Weinberg propuso un método para eliminar el carácter mosaico de la imagen y elevar la transmisibilidad luminosa de las piezas fibrosas por medio de la aplicación de microlentes en las caras de entrada y de salida

<------FIG. 3^. Eliminación del carácter mosaico do una imagen transmitida por un haz do gulas do luz:J —lentea; 2—prisma; 3 — haz de guías de luz; placas de vidrio p lanas y paralelas; 5—ojo; G —microlentes

l i — 0 3 6 5 0 161www.FreeLibros.org

vlc coda filamento (fig. 39, c). Teniendo en cuenta la condición do concordancia de las aberturas de los elementos del sistema, la curva tura de las microlentes y el índice do refracción del material se eligen de tal modo que cualquier rayo, una voz atravesada la lente, cae necesariamente sólo en la cara de ontrada de un filamento. E n las caras de entrada do las envolturas no incide prácticamente ningún rayo, o sea, si se respeta el principio de concordancia do las aberturas, la aplicación del método de Weinberg garantiza que todo el flujo incidente va a ser ú ti l . Esto permite elevar sustancialmenlc el coeficiente de transmisión do contrasto del haz de guías de luz, y, gracias a que todos los rayos inciden únicamente sobre las caras de los filamentos, se puedo considerar que el coeficiente de relleno de la cara por los filamentos es igual a 1. Este método no aumenta el poder resolutivo do la pieza, pero eleva suslancial- mente el coeficiento de transmisión de contraste de las guías de luz y su capacidad para dejar pasar flujo luminoso útil.

Filtración espacial óptica de la estructura. En los haces do guías de luz, los trozos defectuosos están d istr ibuidos generalmente en desorden a lo largo do la pieza. La estructura mosaica de los artículos fíbricos está sujeta a una rigurosa ley de distribución en toda la cara y es equivalente a una frecuencia determinada de las rayas. Para e l im inar el carácter mosaico de la imagen, se pueden u ti l iza r f il tros ópticos (los llamados de ruido de fase y de ruido de am plitud). En tal caso, la imagen del objoto J se proyecta (fig. 40) por medio del objetivo 2 a la cara de en trada de la pieza 3\ la imagen que transfiere el haz de guías de luz es proyectada por el objetivo 5 a la pantalla 6 . Delante del objetivo 5 se coloca un filtro óptico 4> sobre cuya superficie se aplica, con-la distribución de perfil requerida, un recu-


FIG . 40. S is tem a p a ra la f i l t ración espacial dol cuadro de la e s t ru c tu ra p rop ia cíe un haz de g u ia s de luz en una im agen t r a n s m i t id a por un co rdón fibroso inm óvil

b r im ie n lo t ra n sp a re n te (f i l tro ( le íase) o ab so rben te ele lu z ( f i l t ro de a m p l i tu d ) .

E l f i l t ro 4 en e l s is tem a pieza f ib rosa — f i l t ro — o b je t iv o fu n c io na de ta l m an e ra que p ued e c a m b ia r ya sea ol coef ic ien te de t r a n s m i sión de c o n t ra s te del s is tem a p a ra una d e te rm in a d a frecuencia de las ray as , ya sea su cap ac id ad para d e ja r p a sa r u n a d e te rm in a d a f recuencia . Así pues , si e l c a rác te r m osaico de u n a pieza f ib rosa d ad a va a co rresponder a una frecuencia d ad a de la s ray as v c, en tonces p a ra es ta frecuencia y con a y u d a de u n f i l t ro , el s is tem a liaz de g u ía s do lu z — f il tro — ob je t ivo poseerá un coef ic ien te de t ra n sm is ió n do c o n t ra s te m u y bajo , o no va a d a r paso en ab so lu to a es ta frecuencia , con lo cu a l o sé e l im in a por co m p le lo o se reduce el c a r á c te r m osaico de la im agen . M e d ia n te un m é tod o aná logo se logra ta m b ié n e l im in a r ( f i l t ra r) los defectos de la s p iezas f ib rosas . E n esencia , un f i l t ro óp t ico es un f i l t ro de in fo rm ación que d e t ien e u n a pa r to de ella reduciondo su volum en y la t r a n s m is ib i l id a d lu m in o sa de l s is tem a.

E n la f igu ra 41 se m u e s t r a n las fo tog ra f ía s de u n a im ag en q u e se ha t r a n s m i t id o a t r a v é s de un m ism o h a z de q u ía s do lu z , con reg ím enes e s tá tico do I rab a jo en e l p r im e r caso y d in ám ico en e l segundo y u t i l iz a n d o u n L i t r o óp t ico espa cia l en el te rcero . Al v ib ra r el h a z de g u ía s de luz se logra r e a lm e n te , com o se vo en la f igu ra 41 , ó, u n a g a n a n c ia en la re so lu c ió n , e l im in á n d o se por


o l ra p a r le e l c a r á c te r m osa ico de l a im ag en . E s té c a r á c te r de l a im a g e n d esapa rece a l a p l i c a r u n f i l t ro ó p t ico e s p a c ia l , pe ro a c a u sa d e l m ism o se r ed u c e t a m b ié n e l v o lu m e n d e la in fo rm a c ió n t r a n s m i t i d a , inc luso si se io c o m p a ra con el del h a z d e g u ía s de luz f i jo . E l de fec to s e ñ a la d o re s t r in g e la a p l ic a c ió n d e l m é to d o de f i l t r a c ió n ó p t ic a e sp ac ia l p a r a la e l im in a c ió n d e l c a r á c te r m osa ico de l a im ag en .

M étodo de e lim in ac ió n espectral del carácter mosaico de la es truc tura . E s t e m é td o es e x t r a o r d i n a r i a m e n te in te re s a n te p a r a los s i s te m a s óp ticos de obse rv ac ió n . E n él, l a im ag en d e l o b je to (fig. 42) se t r a n s m i t e a t r a v é s de u n o b je t iv o , u n p r i s m a A m ici y u n o b je t iv o do p roy ecc ió n a la c a r a de e n t r a d a de l h a z de g u ía s de luz , r e p i t i é n dose ta l s i s t e m a ó p t ico id é n t i c a m e n te a l o t ro l a d o de la c a ra de s a l id a . L a lu z b la n c a q u e sa le d e u n e le m en to d ado de la im a g e n se descom pone d e n t ro del p r i s m a en u n e sp e c t ro que es p ro y e c t a d o a l a vez a v a r io s f i l a m e n to s de la c a ra de e n t r a d a . P o r e jem p lo , l a luz b la n c a q u e sa le del p u n to A in c id e , después d e l p r is m a , en l a cara de l h a z de g u ía s de lu z , de ta l fo rm a que a l f i l a m e n to 1 l lega u n ra y o azu l , a l 2 , a m a r i l l o y a l 3 , ro jo . Al o t ro l a d o , e l s i s te m a ó p t ico id é n t ic o r e ú n e esos r a y o s e n u n solo p u n to , q u e es la im a g e n de) p u n to A . L a lu z b la n c a d e l p u n to B después de descom ponerse en el e sp ec tro in c id e t a m b ié n en la c a ra de e n t r a d a do la p ie z a , poro su r a y o azu l cae e n e l f i l a m e n to 2 , el a m a r i l lo , en e l 3 y e l ro jo en el á. A la s a l id a , l a im a g e n de l p u n to B se reco m p o n e de l a m is m a m a n e r a que la del A . D e t a l s u e r te , en e s te m é to d o c a d a f i l a m e n to t r a n s m i t e no la im a g e n de u n e le m e n to

>F IG . 41. F o tograf ías de u n a im agen que se ha t r a n s m i t id o p o r haces do g u ía s do luz in m ó v il (a) y en v ib ra c ió n (b) y u t i l i z a n d o la f i l t r a c ió n espacial


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K

FIG. 42. Esquema del método de eliminación espectral del carácter mosaico de la es tructura de una imagen transm it ida por un haz de guías de luz

dado del ob je to , sino sólo una par te de la información (en este caso espectra l) do u n con jun to de e lementos diferentes de ln imagen, o sea , la rad iac ión de un e lem ento dado del objeto es t ra n sm i t id a , descom puesta en el espectro, por varios f ilamentos.

Sem cajam e m étodo de t ran sm is ió n de la im a gen e l im ina las pérd idas de inform ación des truyen do ln m ic ro iden lic idad en la disposición de los f i lam en tos sobre las caras de la pieza. Si algunos f ilam entos dejan pasar la rad iac ión sólo en par le o son com ple tam en te opacos, ello no im plica la pérd ida com ple ta de la in fo rm ación acerca de un elemento dado de la imagen; se p ie rde so lam ente una parle , lo cual cam bia u n poco la coloración dol m ism o. E l ca rác te r de la disposición de los f i lam enlos tam poco concluco a la pé rd ida do la inform ación sobre un e lem ento dado. En el método descrito , el coeficiente de relleno de la cara por los f i lam entos influyo sobre la I ransm i- s ib i l id ad lum inosa de la pieza fibrosa.

Debido a que a través de cada f i lam en to se propaga una rad iac ión con diferentes long itudes de onda, cada f i lam ento a la sa l ida cons ti tuye , en rea lidad una fuente de luz casi b lan ca . Po r es to a! proyectar la im agen de la cara de sa lida


sobre la p a n t a l l a , c ad a f i la m e n to p rod u ce espec tro y los e sp ec tro s de los f i la m e n to s vecinos se su p e r ponen p a rc ia lm e n te unos sobre o tro s , pero no se n o ta el c a rá c te r m osa ico de la im ag en , y la repi'e- s e n la e ió n de l o b je to o r ig in a l se fo rm a de m a n e r a p rec isa y r ig u ro sa en el «enm arañado» cu ad ro .

L a t r a n s m is ió n de u n a im ag en descom poniendo la r a d ia c ió n de c a d a e le m e n to del ob je to en sus colores c o m p o n en te s ( lo ng i tu des de o n d a) , la su b secu en te t ra n s fe ren c ia de los ú l t im o s po r f i la m e n to s a is lados y la reu n íf icac ió n p os te r io r de los colores in d iv id u a le s , después de s a l i r del h a z de g u ía s de lu z , en u n solo p u n to de l p la n o de la im a g e n , p e r m i te n a u m e n ta r e l p o d e r de reso luc ión de has p iezas f ib rosas a l doble del v a lo r c a lc u la b le po r l a fó rm u la (37), e le v a r n o ta b le m e n te el coef ic ien te de t r a n s m is ió n de c o n tra s te de l h a z de g u ía s de lu z y e l im in a r po r co m p le to el c a r á c te r m osa ico de la im ag en (fig- 43).

A u n q u e e x is te n , com o te s t im o n ia lo exp u es to , d i fe ren te s m é to d o s p a r a e l im in a r e l ca rác te r m osa ico de la ia m g en , y a lgunos do ©líos inc luso p e r m i te n a u m e n ta r s u s ta n c ia lm e n te el poder re so lu t iv o y e l coef ic ien te de t ra n sm is ió n de c o n t r a s te de las p iezas f ibrosas, n o o b s ta n te e l p ro b le m a de la e l im in a c ió n de l c a rá c te r m osaico no h a s ido re su e l to d e f in i t iv a m e n te . E n efecto , e l h a z de gu ías de lu z e n v ib ra c ió n , e l m o v im ie n to o sc i la to r io de la s p la ca s de v id r io y de los p r is m as , la s ra ic ro len le s sobre las ca ras de los f i la m e n to s , la f i l t r a c ió n e sp ac ia l ó p t ica y el m é tod o de la c o m p e n sa c ió n e sp e c t ra l de l c a rá c te r m osaico son v ia b le s ú n ic a m e n te en s is te m a s óp ticos , ad em ás de que a m e n u d o la s ex ig en c ia s con respec to a la c o n s t ru c c ió n de a p a ra to s ópticos ex c lu y en la p o s ib i l id a d de e m p le a r c u a lq u ie ra de los m é to d o s e x a m in a d o s . Sólo la s p iezas f ib rosas in e s t ru c tu ra d a s p u ed en se r u t i l i z a d a s t a n to


O)

F IG . 43. F o to g ra f ía de u n a im u g e n £ t ra n s m i t id a p o r un h az do g u ía s <10 luz sin u t i l i z a r el m é to do esp ec t ra l de d i m in u c ió n del c a rá c te r m osaico (a) y u t i l i z a n d o el m ism o (6)

en a p a r a to s ó p t ic o s com o en ó p t ico -e lec t ró n ico s , pero la e fe c t iv id a d de e s te m é to d o es in fe r io r a la de la s m ic ro len te s , la de l a c o m p en sac ió n e s p e c t r a l y la do la s p laca s v ib ra n te s .

P o r e s ta razó n , el p ro b le m a de e l im in a r el c a r á c te r m osa ico de la im a g e n a t r a e c a d a voz m á s


l a a tención de un am plio círculo de especialistas. Las investigaciones en esta dirección se l levan a cabo a r i tm o acelerado.

9. CARACTERISTICAS OPTICAS DEL 1IAZ DE GUIAS DE LUZ

La transm is ión de luz, el poder resolutivo, la caracterís t ica frecuencia — contraste , la heterogeneidad ¡n terolem ental (ruido in i croest.ru c tu ral) de los parám etros ópticos a lo largo de la pieza — resu l tan te de la es tructura mosaica de cualquier haz de guías de luz — y la defectuosidad consistente en la pérdida parcia l o to ta l de algunos filam entos o grupos de ellos de la transmisión de luz, consti tuyen las caracterís t icas ópticas fundam enta les de un haz do guías de luz, las cuales d e te rm inan la posibilidad de su aplicación en un apara to concreto.

Transmisión de luz del haz dc guías lumino- conductores. En el capítu lo II fueron exam inadas a s cuatro causas básicas de pérdidas de luz en las guías de luz monofílares. En el haz de guías de luz existe tam b ién o tra causa do pérdida do luz que es el área que ocupan sobre la cara de en trada las envolturas aisladoras de luz. Si un manojo cónico de rayos incidente sobre la cara de en trad a t iene una aber tu ra ux ^ solamente será ú t i l la par te del flujo incidente que cao sobre las caras do en trada de los filamentos. La pérdida de luz condicionada por la presencia de las envo ltu ras se caracteriza por el coeficiente t 5 de relleno de la cara del haz de guías do luz por los f i lam entos de guías de luz. E n dependencia del d iám etro de los f i lam entos , del carácter de su disposición, del espesor de las envolturas y del método de cober tura de los extremos del haz de guías de luz, la superficie de la cara ocupada por las envo ltu ras consti tuye del 10


a l 50% del área de toda la cara . La transra is i- b i l id ad lum inosa to ta l del haz de guías de luz, ten iendo en cuenta la expresión (15) y el coeficiente t 5 de relleno, se de term ina por la fórmula

T* = 7 \ t 5 = (42)E l coeficiente x 5 de relleno comienza a p reva

lecer sobre las dem ás causas de pérd idas de luz en las piezas fibrosas (le f ilam entos de poca long i tud , cuando la absorción de luz , la dispersión y las perdidas por reflexión en am bas caras y por las m ú lt ip les reflexiones in te rnas son re la tiva- menio pequeñas. E l coeficiente t5 de relleno depende del ca rác te r de la disposición de los f ilamentos: con una disposición cuadricu la r (fig. 44. a) x5 = 0,785 (D J D )2, y con una hexagonal,(fig. 44, b), r 5 se eleva hasta 0,903 (D J D )'¿. Aquí D c es el d iám etro de los f i lam entos; Z>, el paso de la disposición, que de term ina el poder resolutivo del haz de guías de luz por la fórmula (37) y es igual a D c + ó, siendo 6 el espesor do la envo ltu ra a is ladora de luz en su luga r más fino. Como se vo en la figura 44, el paso O de la d isposición es igual a la d is tancia en tre los centros de f ilam entos vecinos. Pero si la forma ta n to de los f ilam entos como de las envo ltu ras es hexagonal (fig. 44, c), entonces t 5= (D J D )2\ es decir, la m áx im a transm is ión de luz de un haz de conductores de luz se obtiene con f ilam entos de corte hexagonal.

La transm is ión de luz dél haz de guías de luz se de term ina generalm ente en un dispositivo que consta dc u n apa ra to de i lum inación y do un receptor de radiación (fig. 45). E n ta l disposit ivo se mide primero el flujo incidente <X>(fig. 45, a) y después, el flujo &np que pasa a través de la

>•FIG . 44. Relleno de la cara do una pieza fibrosa por fi lamentos conductores de luz


e o i 9 * o « 6« « « • • • • <

9 0 9 9 * 9 * 1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 * 9 9 9 9 9 9 9 0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

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p ieza f ib rosa (fig. 45, b). L a re lac ión e n t r e estosrios v a lo res T — ' da la m a g n i tu d de lat r a n s m is ió n de luz del h a z de g u ía s de luz . E n una p ieza f ib ro sa la t r a n s m is ib i l id a d lu m in o sa p a ra l a r a d ia c ió n d ifusa se m id e i lu m in a n d o la ca ra de e n t r a d a con u n a esfera fo to m ó tr ic a (fig. 45 , c). E l e sq u em a do m e d id a a n a l iz a d o se u t i l i z a a m p l ia m e n te p a ra la d e te rm in a c ió n de la t r a n s m is ib i l id ad lu m in o sa to t a l de u n a pieza f ib rosa con d ispos ic ió n i r r e g u la r de f i la m e n to s , es dec ir , de a q u e l la quo es tá d e s t in a d a ú n ic a m e n te p a ra t r a n s m i t i r luz a d i s t a n c ia . Como se co lige del e fec to de los t re s an i l lo s , en es te caso se m ide la t r a n s m is ió n de luz de todos los com p o n en te s en to t a l , pues to que e n el recep to r de r a d ia c ió n in c i den todos ios co m p o n en te s de l f lu jo t r a n sm i t id o .

Si el haz de g u ía s de luz e s tá d es t in ad o a la t r a n s m is ió n de im ágenes , la t r a n s m is ib i l id a d lu m in o sa m e d id a según el e sq u em a de la f igur a 45 , a , b y c no c a ra c te r iz a la t r a n s m is ió n de luz d e l f lu jo ú t i l <t>n ; la t r a n s m is ib i l id a d lum inosa m e d id a es su p e r io r a l a c a lc u la d a po r la fó r m u la (31). E n la p rá c t ic a es to conduce f recu en te m e n te a equ iv ocac ion es : al o rd e n a r u n a d e te rm in a d a t ra n sm is ió n de luz d e l h a z de gu ías de luz s in m e n c io n a r e l m é to d o p a ra m e d i r la , se t iende a creer que la t r a n s m is ib i l id a d lu m in o sa m e d id a po r e l m é to d o g en e ra l (fig. 45 , a , b , c) se refiere al f lu jo ú t i l , pero com o e l cá lcu lo p o r l a fó rm u la (31) da u n v a lo r m e n o r que ol m e d id o , q ued a c la ra la<-------

FIG. 45. Esquema de medición de la transmisión do luz de la pieza fibrosa: a — del flujo incidente ; b — del flujo pasado Opa; c — de la luz difusa; d — del flujo útil CDn; e — cara de salida de la pieza sin diafragmo; / — cara de salida do la pieza con diafragma:J t - f u e n t e d o l u z ; 2— c o n d e n s a d o r ; a — d i a f r a g m a d e e n t r a d a : 4 —

p i e z a f ib ro s a ; S — d i a f r a g m a d o s a l i d a ; 6 — e s f e r a f o t o m é t r i c a ;

7 — s i B t e m a c o n c é n t r i c o c s p e c u l a r - r e f J e c t i v o


no ob je t iv idad del método eii cuestión. E n realidad , la fórmula (31) da la Iransm isib il idad lu m inosa del f lujo ú ti l , o sea, precisamente la trans- m isib i l idad que a todos interesa cuando se t ra ta de t ra n sm it i r una imagen (¡y no s im plem en te luz!) a través de un haz de guías de luz. E n t r a bajos técnicos, para u n haz de guías de luz destinado a t ra n sm it i r imágenes hay que inc lu ir la t ransrn is ibü idad del flujo ú t i l , que es el po r tador do la información, y no de todo ol flujo que pasa, y por consiguiente , u t i l iz a r otro método de m edición.

Para m edir la t ransm is ión de luz so lam ente del flujo ú t i l , a la sa lida de la pieza fibrosa se coloca un d iafragm a 5 (fig. 45, d), cen trado con e l d iafragm a de en trada 3 . Este ú l t im o elim ina la posib il idad de que incidan a l receptor rayos de componentes parásitos , los cuales sa len a través do partes de la cara de salida co lindantes con los f ilam entos portadores de flujo ú ti l . Además, la cara do en trada del haz de guías de luz se i lum ina a t ravés del d iafragm a 3 por m ed io 'de un haz de rayos dirigido con una c ier ta inclinación u 0 > ux >> 0. E n este caso, a la sa l id a de la pieza aparecen dos anillos luminosos que corresponden a las componentes <l)n -j- y Ou- Para e l im inar la incidencia del flujo O cu al receptor de rad iac ión , la aber tu ra do en trad a del ú l t im o se tom a m enor que el ángulo de sa lida de los rayos <!>£ del haz de guías de luz (fig. 45, d ). Todos estos métodos en su conjun to perm iten e l im inar p rác ticam ente por com pleto la incidencia al receptor de rad iac ión de componentes parásitos del f lujo, es decir, m ed ir la t ransm is ib i l idad luminosa del flujo útil .

P a ra obtener un haz de guías de Luz con una a l t a t ransm is ión de luz de flujo ú t i l , como se deduce de la expresión (42), es necesario lo siguiente:


1) c o n co rd an c ia im p re sc in d ib le de las a b e r tu ra s de l h a z in c id e n te ( p a r l a d o r do la in fo rm ac ión ) y del h a z de g u ía s de luz (xA — 1 );

2 ) u t i l i z a c ió n de m a te r ia le s p a ra los f i la m e n tos y las e n v o l tu ra s con e l m ín im o índ ice de refracc ió n p e rm is ib le , que g a ra n t ic e n sólo la a b e r tu ra n u m ér ica A 0 necesaria p a ra r e d u c i r las pé rd id as po r re flex ión en a m b a s ca ras del haz de gu ías de lu z , es decir , para o b ten e r u n a l to x.¿; con este f in se u t i l i z a n as im ism o co b e r tu ra s c la r if ican tes sobre l a s caras;

3) u t i l iz a c ió n de m a te r ia le s para el f i lam en to y su e n v o l tu ra con absorc ión de luz y difusión de la luz m ín im a s , a fin de o b ten e r u n a l to x 3;

4) em p leo de m a te r ia le s y p roced im ien tos tecnológicos que g a ran t icen la m ín im a l iz a c ió n de las p é rd id a s por reflexión en la f ro n te ra f i la m e n to — e n v o l tu ra y u t i l iz a c ió n de m a te r ia le s espec ia lm e n te t ra n sp a re n te s ta m b ié n para la en v o l tu ra en la s p iezas f ibrosas d e s t in a d a s ú n ic a m e n te a la t ra n sm is ió n de luz y no de im ágenes (x4 — 1 );

5) u t i l iz a c ió n de l espesor m ín im o perm is ib le desde el p u n to do v is ta de l a is la m ie n to de luz de la s e n v o l tu ra s , y em pleo do la fo rm a hexagonal de los f i lam en to s a f in de o b ten e r u n e levado re l leno x5.

C arac te r ís t ica frecuencia — co n tra s te y poder reso lu t ivo del haz de gu ías de luz . U no de los c r i te r ios básicos p a ra v a lo ra r la c a l id a d de la im agen lo c o n s t i tu y e su co n tra s te m v que se d e te rm in a po r la fórm ula

^ m áx ^ m l n /ttv — v-r ~ i ¡r » \4d)A m á x ' r mín

donde Zfmax y #mln son la lu m in o s id ad en la im agen de los d e ta l le s c la ro s y de los oscuros, por e jem p lo , de la s r a y a s e n la im agen de la m ira . U n haz de g u ía s de luz t ra n sm iso r de im ágenes se va lo ra po r su coefic ien te K do transm is ión


do contraste.

™ 0 v

donde m0v es el conlraste de la imagen enviada a la cara de en trada del haz do guias de luz, por ejemplo, de rayas con frecuencia v; mv, el contraste de la imagen a la salida para una frecuencia v. E l coeficicnlo de transmisión de contrasto se determina con diferentes frecuoncias do las royas de la mira; su dependencia de la frecuencia de las rayas se denomina característica írecuenciol y do contraste del haz de guías de luz.

En la imagen do la mira transm itida por el haz de guías de luz, a causa de la redistribución del flujo entre las rayas claras y oscuras (véaso § 5), ln luminosidad on la fórmula (43) es diferente de cero, o sea, tiene lugar una disminución del contraste de la imagen transm itida por la pieza fibrosa. La causa de la reducción del coeficiente de transmisión de contrasto es la presencia de las componentes 0 £, y O J en la salida.Do tal suerto, la fórmula (44) para el coeficiente de transmisión de conlraste muestra el grado de reducción por la pieza fibrosa del contrasto de la imagen en comparación con ol original.

Para determinar el coeficiente de transmisión de contraste de un haz do guí^.s de luz, se mide el contraste de la mira para diferentes frecuencias (fig. 46, a), para lo cual la mira se ilumina con un microobjetivo de abertura conocida, mientras que otro de abertura dada atrapa los rayos de las rayas claras y oscuras de la mira y los envía al fotorreceptor. Por medio do la fórmula (43) se determina el conlraste de las rayas para diferento frecuencia. Después se coloca sobre la mira una pieza fibrosa (fig. 46, b) y por un método análogo so determina ol contraste de la imagen transm itida, mientras que por la fórmula (44) so calcula


FIG. 40. Esquema do medición del coeficiente de transmisión do contrasto de u n haz do guías de luz:3 — fuente de luz; 2 —condensador; 3 , s —m ícroobje l ivos de a lu m b r a d o y de recepción; 4 —m ira ; G — fotonm ít ipH cador crin rendi ja , 7— pieza fibrosa; 8—cristal opal ino; esfer.i foto métr ica

e l coeficiente de transmisión de contrasto del liaz do guías de luz y so construye su dependencia do la frecuencia v de las rayas de la mira (fig. 47). Para de term inar oi coeficiente do transmisión de- contraste en el caso de la iluminación y recepción difusa de la luz, se coloca bajo la m ira un cristal opalino (fig. 40, c) o una esfera fotométrica (fig. 40, d ), los cuales dan u n a radiación difusa, y el flujo saliente se percibo con un microobjelivo de abertura numérica de 0,95—1,0.

Al au m en ta r la frecuencia de las rayas de la m ira , disminuye el coeficiente de transmisión de contraste del haz de guías do luz, y con una frecuencia de vn se in terrum pe (fig. 47). La ¡frecuencia v„ de las rayas so denomina pode?’

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*

FIG . 47. Dependencia del poder resolutivo vp de una pieza fibrosa de la sensibilidad de contrasto K n del receptor do la imagen con la característica do frecuencia — contrasto determinada de un h a 7. de guías de luz

resolutivo del haz de guías de luz. De esta m anera , el poder resolutivo dc una pieza fibrosa os la m áx ima frecuencia rasolutiva do las rayas con un determ inado contraste , que corresponde al punto l ím ite sobre la curva de dependencia del coefic ien te do transmisión do contraste de la frecuoncia de las rayas para el haz de guías de luz.

Para m edir d irec tam ente el poder resolutivo de una pieza fibrosa, con ayuda de un microscopio se exam ina la imagen de la m ira t ransm itida por la pieza fibrosa fija. P a ra hacer las mediciones se coloca la m ira en contacto con la cara de en trada de la pieza, y sobre la p la t ina del microscopio se pone debajo de la m ira u n cris ta l opalino. La frecuencia de las rayas se considera resuelta cuando se pueden ver separadam ente Jas imágenes de las rayas claras y de las oscuras, tales imágenes no tienen interrupciones o desplazamientos y se puede con tar su número.


E l poder resolutivo del haz de guías de luz depende de la sensib il idad de con tras te del recep to r de la imagen. P a ra el ojo, la sensib ilidad de con tras te se encuen tra en tre 0,05 y 0,10, por lo cual p rác t icam en te todas las piezas fibrosas resuelven, a l ex am in a r la imagen a ojo, u n a frecuencia vnr, que os el pun to l ím ite sobre la curva de la ca rac te r ís t ica frecuenciaI y de contraste y que coincido con el va lor del poder resolutivo no m in a l que se ca lcu la por la fórmula (37): R = (2D ) - 1. La frecuencia que puede resolver u n a pieza fibrosa (o en o tras pa lab ras , la que se puede rea l iza r en el apara to) , puede varia r para o tros receptores, por e jem plo , para objetivos y fo tom aloría les con o tra sensib il idad do contraste . Como se ve en la f igura 47, cu an to m enor sea la sensib il idad del recep to r (o sea, cuan to m ás altos sean los con tras tes que puede sen tir el receptor) m ás ba ja .será p a ra él la frecuencia que resuelve la p ieza fibrosa. Así, para la carac terís t ica frecuencia l y de contras te de la pieza fibrosa a que se refiere la f igura 47, a l exam inar la imagen a ojo, el poder reso lu tivo es de 1 0 0 l íneas/m m ; si se u t i l iz a un s is tem a receptor con u n a sensib il idad de co n tra s te de 0,30, la resolución posible en el ap a ra to se reduce bas ta 8 8 l íneas/mrn, y sí se reg is tra la imagen por m edio de una placa fotográfica con una sensib il idad de con tras te de, por e jemplo, 0,50, la frecuencia reso lu tiva se reduce has ta 74 l ín eas /m m . E n todos los casos, el poder reso lu tivo n o m in a l del haz de gu ías de luz R = (2D)~x es m ayor que la frecuencia resolut iv a del a p a ra to cuando se u t i l iz a u n receptor con u n a sensib i l idad m enor que la de l ojo.

De los razonam ien tos hechos se deduce que la frecuencia de las ray as que puede resolver el a p a ra to (es decir , el poder reso lu tivo de l s istema haz de gu ías de luz — receptor de imagen) se puede a u m e n ta r e levando el coeficiente de t rans


misión de contraste para las a l ta s frecuencias de las rayas, en par t icu lar p a ra el poder .resolutivo nom inal de la pieza fibrosa. E l aum ento del coeficiente de transm isión de contraste da I q s elementos fibrosos para altas frecuencias implica su aum ento tam bién para las bajas. Los métodos de elevación del coeficiente do transmisión (le contraste de las piezas fibrosas so describen en el § 5 (al exam inar el efecto de los tres anillos) y en el § 8 .

Factores que determinan el^ coeficiente de transmisión de contraste de u n has de guías de luz. De lo expuesto se desprende que la caracterís tica fundam enta l del haz de guías de, luz es la frecueucial y de contraste* la cual describe la imagen t ra n sm it id a por la pieza fibrosa en térm inos tan to cua li ta t ivos (contraste) como cu an t i ta tivos (poder resolutivo). Por esto los especialistas en óptica de las f ibras buscan perm anentem ente métodos para olevar la caracterís tica frecueucial y de contras!© e investigan los factores que la determ inan. Los científicos soviéticos han demostrado que la caracterís tica frecuencia! y de contras te de una pieza fibrosa dependo de un conjunto de factores que, teniendo en cuenta las par t icu la ridades de las piezas fibrosas y de sus condiciones de funcionamiento en los sistemas ópticos y óp tico-electrónicos, se pueden d iv id ir en cinco grupos:

1 ) leyes de propagación do la rad iac ión a ¡través de una pieza fibrosa (efecto de los tres anillos);

2 ) aberraciones estructurales como consecuencia del carácter discreto de la pieza fibrosa como sis tem a compuesto de un conjunto de f ilamentos, cada uno de los cuales está rodeado por una envoltura;

3) aberraciones (alteraciones) tecnológicas en la imagen del sem iplano , las cuales tienen lugar en las piezas reales a causa de los defectos en los métodos de fabricación;

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4) flujo difuso en los mícrodoíoctos internos;5) pa r t icu la r idades de construcción de las

piezas fibrosas.E xam inem os por separado cada uno de los

f ac t ores se ña la d os.Efecto de los tres anillos. D ism inuye el coefi

c ien te de transm isión de contras te de las piezas fibrosas por igual para todas las frecuencias como consecuencia de la red is tr ibución de flujos entro las rayas cloras y oscuras en la imagen de la m ira . La red is tr ibución de los flujos depende de las aber tu ras num éricas del s istema que precede a lo pieza fibrosa y del de recepción, de la abertura num érica nom ina l de los gu ías de luz, dol índice de absorción dol m a te r ia l de los f ilamentos y de las envo l tu ras y el coeficiente do relleno de la cara de la pieza por los f ilamentos. Se puede dem ostra r que la influencia negativa del efecto de los tres an il los puede reducirse un poco aum entan do la relación en tre la longitud de la pieza fibrosa y su sección transversal.

La dependencia del coeficiente do transm isión de contrasto de una pieza fibroso del c itado grupo de factores se com prueba exper im en ta lm ente . En la f igura 48 se m uestran las caracter ís t icas frecuenciales y do contras te de diferentes piezas. Como se puode ver ah í , el coeficiente de transm is ión de co n tra s te de una pieza fibrosa con envo l tu ras t ranspa ren tes aum en ta —siendo las demás condiciones iguales— con el crecimiento de A o (curvas 2 y 4) y el aum en to del índico do absorción de los m ate r ia les do las envo ltu ras a is ladoras do luz (curva 9 2 y 3). Pero el au m en ta r las aber tu ras num éricas de los s is tem as de ilum inación y recepción, m an ten iendo iguales- las dem ás condiciones, d ism inuye el coeficiente do t ransm is ión de contras te de la pieza on cues tión / E s to se dem uestra en el ejemplo de' la pieza fibrosa con envo l tu ras t ran spa ren tes .


0 , 2 ____________________________________________________________O 4 0 8 0 V . I f n e a s / m m

FIG . 48. Caruclcrísticas do frecuencia—contraste do elem entos fibrosos A 0 *» 0 , 5 4 ; --------------------A o — 0 . 8 4 ; ------- — A D =• 1 .1 ; 2 , 5 ,5 —

A i = 1 .0 ; A t — 0.95*. J — A t = A , — 1 ,0 ; 4 - A , = A s — 0 ,6 5 ; 6 . 7 , ¿ — A , = A t = 0 .40

Aberraciones estructurales. Como consecuencia del ca rác te r d iscro to do la e s t ru c tu ra de la p ieza fibrosa y de la s im etr izac ión dol haz de rayos den tro dol f i lam en to , la im agen de, po r e jem plo, la f ron te ra de un sem ip lano , en el caso genera l aparece q u eb rad a sobre la cara de sa l id a de la pieza f ib rosa , d is tr ibu yén do se la p e r tu rb ac ió n de la co n t in u id ad en la imagen a la s partes oscura y c lara en no m ás del d iá m e t ro de un f i lam en to in d iv id u a l . Lo dicho se m ues tra en la f igura 49, donde se p resen ta e sq u em áticam en te la t ran sm is ió n de la f ron tera de u n sem ip lano por p iezas cío gu ías de luz rnonofilares con d ife ren tes form as de sección. La frecuencia del r a y a d o de los f i lam en to s fron ter izos es in v e rsam en te proporc iona l a la lum inos idad de sus ca ra s de sa lida .

E n v i r tu d de l a s ab errac iones es truc tu ra le s , para u n a frecuencia v d ad a el coefic ien te de

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transm isión de contrasto dependo del d iám etro del f i lam ento guía de luz ind iv idu a l y, como se ve en la f igura 49, de la forma de sección dei f i lam en to y su envo l tu ra , así como del carácter de la disposición de las f ibras e lem entales . Los exper im en tos y el cá lcu lo m uestran que sí se tom an en cuenta ú n icam en te la s aberraciones es truc túra los , el coeficiente de transm isión de con tras te d ism inu ye al a u m e n ta r la frecuencia de las rayas y no depende de la longitud de la pieza fibrosa.

La dependencia del coeficiente de transm isión de contrasto en las piezas f ibrosas del c i tado grupo de factores se com prueba ex per im en ta l mente. E n p a r t icu la r , en la f igura 48 se m uestran las ca rac te r ís t icas frecuenciales y de contras te de dos piezas f ibrosas que se diferencian únicam ente por el d iám etro de los f i lam entos: la curva 7 corresponde a la pieza con D c = 12 4 p., la ó'a la pieza con D c — 4 ~ 5 p. Como puede verse, el coeficiente dc transm isión do co n tra s te dc la pioza do m enor d iám etro es, por ejemplo, para una frecuencia de 40 lm eas /m m un 30% m ás a l to que el de la pieza de m ayor d iám etro .

Aberraciones tecnológicas. Por causas tecnológicas, las guías de luz m ult i f i la ros que se u t i l izan para la fabricación de piezas fibrosas, se d is t inguen por la sección var iab le a lo largo de su long itud y por un cierto ángulo do torsión a lrededor del eje. Es to conduce a una alterac ión de la imagen t ra n sm it id a un poco m ayo r que la que existe a causa do la es tructura a p a n d a d a de las piezas y de la f ín i tu d del f i lam en to ind iv idua l . E n la im agen de un objeto, la m agn itud de estas a l te rac iones depende de la tecnología de fabricación de las piezas (fig. 50).

Si se tom an on cuenta sólo las aberraciones tecnológicas, el coeficiente de t ransm is ión de contras te depende dc la m agn itud Á lT de las


o)

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FIG. 50. Alteraciones tecnológicas en la imagen de un sennplanu transmitido por una pieza fibrosa de guías do luz íniiUifilares de sección poliedra (a) y cuadrada (ó):i— frontera real <iu e n semiplano; 2 — gulas do luz mult if i larre , 3 — desplazamiento para le lo dc la frontera; 4— giro cicla frontera del ficmiplano p o r una guía dc luz imiKirílar enrollada antes de* prensado térmico; -5—giro <!© la frontera de un aemiplano p o r u n a guía de luz m u l l t f i l a r enro l lada duran te el prensado térmico

alteraciones introducidas y disminuyo con el aumento do la longitud de la pieza fibrosa y de la frecuencia do las rayas. La medición del coeficiente I í de transmisión de contraste dc una pieza fibrosa para 2 0 líneas/mm, en tres casos de desplazamiento paralelo dc la frontera del semipleno, muestra que si AZr = 0 no hay tal desplazamiento y K = 0,76; con AlT = 6 [i, o sea un desplazamiento a 0,25 del grosor de la raya, se tiene K = 70; cuando el desplazamiento es aproximadamente do la mitad del grosor de la raya, Al r = 12 ja, K = Ó,35f

Flujo difuso. E n el interior de la pieza fibrosa ocurre la difusión dc la luz en todos los micro- < -FIÓ. 49. Alteraciones estructurales en la imagen ile un semiplano transmitido pbr una pieza fibrosa do guías do luz hexaedraa (a), cuadradas (6) y esféricas (c);J —frontera real de u n semipiano; 2- -g u ía dc luz olcmontal {filam ento guia do luz en u n a envo l tu ra aisladora do luz)


defectos posibles del material del filamento y do la envoltura, 011 las fronteras filamento-envoltura y envoltura-envoltura y en las fronteras entre guís de luz multifilares. La magnitud de la radiación difusa depende de la calidad del material do fabricación (burbujas, partículas de carga no fundida, retorcimientos, etc.) y de ios métodos de elaboración de las guías do luz y de la pieza acabada.

El mecanismo de propagación del flujo difuso está sometido a las leyes determinadas por el efecto de los tres anillos. Sobre la cara de salida do la pieza, tal flujo crea un fondo parásito que reduce el contraste de la imagen transformada. El flujo difuso ilentro de la pieza so eleva al aumentar la longitud (le la guía de luz, como consecuencia del aumento de la longitud del paso del rayo, y al disminuir el diámetro del f ilamento guía de luz, debido al aumento del número do reflexiones de los rayos. Esto ú lt im o so explica a causa do la localización de la mayor parte de los defectos tecnológicos interiores de Jas guías de luz sobre la frontera f ilamento—envoltura.

Los experimentos muestran que el coeficiente de transmisión de contraste 0 11 las piezas fibrosas fabricadas según una tecnología que excluya la penetración entro ol filamento y la envoltura do partículas ajenas, manteniendo iguales las demás condiciones, es mayor en un 1 0 a 15%.

Así pues, si so toma en cuenta sólo el flujo difuso, el coeficiente de transmisión de contrasto depende de la calidad de los materiales de fabricación, de la longitud de las guías de luz y del número de reflexiones que experimentan los rayos al propagarse por ol filamento guía de luz.

Particularidades de construcción. La característica frecuencia—contraste del haz de guías de luz depende de su construcción y es diferente para las piezas rectas y las curvadas, para ele


m entos rectos e inversores de la imagen, con caras rec tas y con oblicuas, de sección permanente o variable, etc. A sí t al t r a n s m i t i r l a imagen desde la cara g rande a la pequeña, el contrasto en los tocones os m ayor que al t ra n sm it i r la imagen con aum ento . Las piezas fibrosas con caras curvadas tienen una carac terís t ica írecuencial y do cont ra s te m enor que las de caras rectas.

Características de ru ido del haz de guías de luz. E n los tubos catódicos, por ejemplo en el televisor, la imagen la forma on el luminóforo un haz de electrones por medio do un ráp ido re corrido (exploración) por líneas do la pan ta l la . Genera lm ente el d iám etro del haz es pequeño, entre 1 0 y 2 0 0 p dependiendo de la destinación del tu bo catódico. Al em plear en ca lidad de veri- tan a fron ta l del tubo catódico una pieza fibrosa, el luminóforo se ap lica en la cara do en trada . En estas condiciones, el carác ter mosaico de la estruc tu ra del haz de guías de luz y sus defectos se convier ten en causa de irregularidad de la transm is ión de luz eri el cam po de la pieza fibrosa.

inc luso en el caso de un haz de guías de luz ideal, el ca rác te r mosaico de la es truc tu ra , al separar pequeñas partes de su cara iguales en área a unos cuantos filamentos, conduce a quo el coeficiente de relleno de tales partes por los f í lam ontos sea d is t in to , y consocuentomonto se diferencie tam bién la t ransm is ión de luz de esas partes.

E n resumen, cam bia la transm isión de luz a t ravés del campo, lo cual influyo tam bién en el coeficiente de transm isión do contras te y en el poder resolutivo locales. La variación de la transm is ión de luz local do un haz do guías de luz a l exp lorar su cara de en trad a con u n a pequeña m ancha luminosa se denom ina ruido micro- estructural. Este ru ido cons ti tuye una caracter ís tica objetiva , n a tu ra l e inev itab le de la pieza


fibroso, y se puede d i sm in u i r e l ig iendo una e s t ru c tu ra ó p t im a p a ra el haz do guías de luz; se logra e lim inarlo ' ' por com ple to ú n icam en te por m odio de la u t i l izac ión de c ier tos m étodos que sel describen en el § 8 . P o r lo general , en las piezas fibrosas el ru id o m ¡croesfruc to ra l no es m u y grande y es igual al ~ h l ,5 — 6 % , con una frecuencia do aparic ión de i r regu la r idad des do 20-70 m m -1. S em ejan te m a g n i tu d de ru id o micro e s t ru c tu ra l no es u n obstácu lo para Ja u ti l izac ión do piezas f ibrosas, incluso en tubos ca tód icos a l ta m e n te resolu tivos.

A l u t i l iz a r piezas f ibrosas en tu b o s oatódico*s. los defectos, es decir , la pérdida local parcial o com ple ta de la t ra n sm is ió n de luz (de a lgunos f i lam en to s o de sus grupos), con s t i tu y en frecu en tem en te un serio obs tácu lo puesto que conducen a u n a fuorto i r reg u la r idad t a n to del coefic iente de t ra n sm is ió n do co n tra s to com o del poder reso lu tivo a t rav és dol cam po de la p ieza . La v a r iac ió n de la t ra n sm is ió n de luz en el cam po de u n a pieza f ibrosa a causa de trozos defectuosos cuando se exp lo ra la cara de e n t ra d a con una pequeña m a n c h a lu m in osa , se d en o m in a ruido macroestructural; su m a g n i tu d , g enera lm en te igual al 1 0 -í- 4 0 % , supera n o ta b le m e n te la a m p l i tu d del ru ido microest.ructural, pero la frecuencia de apar ic ión cu an d o se explora es m eno r y, com o regla genera l , igua l a 1 — 2 m m -1.

P a r a m ed ir los ru ido s del haz de g u ía s de luz se u t i l iz a un m é to do según el cual la cara de e n t ra d a se i lu m in a con una pequeña m ancha lu m in o sa que so form a, po r e jem plo , en u n a guía de luz m o n o fí la r (fig. 51); el d iá m e t ro de este ú l t im o 'puede oscilar en tre 5 ji y 3 m m . L a cara de en tra d a del haz de gu ías de luz se i lu m ina ya sea po r m edio de un microobjeti .vo do ab e r tu ra de te rm in ad a (en la fig. 51, / ) , ya sea con una esfera fo tom étr ica ( / / ) . L a a b e r tu ra de la g u ía


do luz de te rm ina la ab o r ta ra dol haz do rayos q u e i lu m in a , y el d iá m e tro de su f i lam ento , el t a m a ñ o de la m ancha exploradora- La pieza f ibrosa se pone en m o v im ien to con relación a la ca ra de sa lida del cond uc to r lum inoso . E l flujo sa l ie n te y su variación cuando se exp lo ra se m iden con un recep to r (esfera fo tomé trica). E n la f igura 52 se m ues tra u n e jem plo ele registro de ru id o s en u n a pieza fibrosa: la a m p l i tu d pequeña de la oscilación correspondo al ru ido micro- e s t ru c tu ra l , m ie n t ra s que la s ir rupciones bruscas seña lan el ru id o m acroes truc tu ra í .

E l ru id o m ic roes truc tu ra l sólo se m anif ies ta en el caso de form ación de im agen sobre la cara do en tra d a del haz de. g u ía s de luz por m edio de una m ancha ex p lo radora lum inosa de pequeño d iám etro , es decir, el ru ido influye en la ca l idad do la imagen sólo en los tubos catódicos, f ía los d ispos it ivos óptico-electrónicos y óptico- mecánicos, en donde, como regla general , la im agen sobre la cara do en trada del haz do guías de luz es fo rm ada por el haz de rayos (electrónico o luminoso) a l mismo tiem po en todo el cam po, el ru ido m ic roes truc tu ra l no aparece y su influencia n e g a t iv a sobre la ca rac te r ís t ica frecuencia — cont ra s te del s is tem a es por lo general insignificante .

E l ru id o m acro es truc tu ra í se m an if ies ta en los tres t ipos de dispositivos, o sea, en los tubos ca tódicos, en los convert idores óptico-electrónicos y en ios d isposit ivos óptico-mecánicos. Es te ru ido orig ina la reducción local do la cnractorís- ticaj frecuoncial y dc con tras te , la pérd ida de in fo rm ación y confiero a )a imagen básica un desorganizado c a rác te r mosaico desagradable a la v is ta . La defectuosidad de las piezas fibrosas dependo do la tecnología do su fabricación y puede ser e l im inad a por com ple to .

Correlación dc las caracterís t icas ópticas del haz de guías de luz. La transm is ión de luz total


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P ió . 34. Esquema do la medición de los ruidos de piezas fibrosas:1 —fuente de luz; 2—condensador, 3—microohjctivo, 4, 8—esferas fotométricas; 5—guía de luz monofilar, 6‘—platina, 7—piex.a fibrosa; 0—fotomuitiplicador; 10—aparato registrador

(en p a r te t a m b ié n l a t ran sm is ión do luz del flujo ú t i l ) , la c a ra c te r ís t ic a í rccuene ia l y do contrasto (y a t r a v é s de e l la el poder reso lu tivo) y las ca rac te r ís t ic a s de ru id o del haz de g u ía s de luz es tán ín t im a m e n te re lac io n a d as e n t re sí, y, c o m ú n m e n te , la var iac ión do una de e l las im p lica in e v i ta b le m e n te el cam bio de la s demás.

A l u t i l i z a r e n v o l tu ra s a is la d o ra s de luz t ra n s paren tes , com o ev iden c ia el efecto de los tres an i l lo s , todos Jos com ponen tes del f lu jo (a excepción de O u 3) salen del haz de gu ías de luz; l a t ra n sm is ió n de luz to ta l de l a pieza es en este caso m a y o r y Ja c a ra c te r ís t ic a frecuencia-cont r a s te m en or que cu an d o se em p lean en vo l tu ra s s em it ran sp a ren te s ; es decir , una e levac ión de la t ra n sm is ió n de luz im p lica u n a reducción del coeficiente de t ra n sm is ió n do c o n tra s te y a la inversa . P a r a u n haz de gu ias de luz dado, con p a rá m e tro s d e te rm in ad o s , se puede represen ta r es ta corre lac ión en form a de un balancín t 0 — K que se apo ya en el p u n to O (fig. 53, a). La e lev a ción del b razo t 0 del b a lan c ín conduce a la reducción del brazo K y viceversa . P a r a lograr va lores d e te rm in ad o s de x 0 y K es necesario un cam b io co rrespond ien te en e l m a te r ia l do guías do luz , en la e s t ru c tu ra de] haz y en la tecnología . A dec ir v e rd ad , el p rob lem a de los Lecnóiogos do la f ib ro ó p t ica se reduce al desp lazam ien to necesario del p u n to de apoyo O en ol ba lanc ín t 0 — K . L a p rác t ica d e m u es tra que es posible u n a posic ión del p u n to de a p o y o O t a l que una <-------F IG . 52. E jem plo de regis tro de los ru idos de una pieza fibrosa en u n a placa fotográfica


oX

K > 'át

FIG. 53. «Balancín» do la correlación de la transmisión de luz to tal Xo, tlel cooficiento de transmisión do contrasto K y dol ruido estructural Ax

pequeña variación de la transmisión de luz x0

conduzca a variaciones considerables 011 ol coeficiente de transmisión de contraste K (fig. 53, ó) o a la inversa (fig. 53, c).

La correlación señalada se manifiesta en un grado consideciblemente menor entro la transmisión do luz xn del flujo ú t i l y el coeficiente de transmisión de contraste, puesto que para un diámetro dol filamento y un espesor do la envoltura dados, el aumento de la densidad óptica (/) = — )g x) del material do la envoltura desde 0 hasta 0 ,3 —siendo el grosor do Ja pieza fibrosa por dol eje d é la s guías de luz do unos 5 a 10 mm — casi no reduce t„. Esto ú l t im o se explica en rozón de que para longitudes tan pequeñas (pero típicas on la construcción de aparatos) (le los filamentos, son pequeñas también las pérdidas por reflexiones internas que están ligadas con la disminución de la transparencia del material de las envolturas. Lo dicho so comprueba con los datos del experimento que aparecen en latabla 5.


C uan to m ás t ra n sp a ren te sea ol m a te r ia l de la e n v o l tu ra , t a n to m ay or será la m a g n i tu d del flujo que sale a t rav és de sus topes (es decir la sum a de los com ponen tes <t>“ y o sea, t a n to m enorserá la d ife rencia en lu m in o s id a d de l a s caras de e n t r a d a de f i lam en tos y en vo l tu ras , y por cons igu ien te , t a n to m onor es ol ru id o m icroestruc- tu ra l . P o r o tra p a r te , a l a u m e n ta r la absorción do luz (densidad óptica) do las env o l tu ras , crece el coefic ien te do t ra n sm is ió n de c o n tra s te y d ism inuye la t ran sm is ió n de luz to ta l ; además, a u m e n ta la diferencia en la lum inosidad de las ca ras do sa l id a de f i lam en tos y env o l tu ras , es decir, crece ol ru id o m ic ro es tru c tu ra l , como se ve en la tab la 5. Así pues, u n a d ism inuc ión de la

T a b l a 5Transm is ión de luz y coeficiente de t ransm is ión ___________ dei con tras te del haz de gu ías de luz

Densidad ó p t i c a d e lo

. e n v o l t u r aT0

e n % Tnen %

K con23 1 i n c a s /m m

R u id o en %

0 , 0 2 80 56 0 , 5 0 ± 1 , 50 , 0 8 70 5 6 0 , 7 0 ± 30 , 1 3 (52 5 5 0 , 8 3 + 50 , 3 0 35 5 2 0 , 9 1 ± 7

t ra n sm is ió n de luz to ta l en el haz de gu ías de luz im p l ica un a u m en to de la ca rac te r ís t ica frecuencia-contras te y del ru ido m icroes truc tu raL Al u t i l iz a r el m étodo de la f igura 46 p a ra m ed ir el coeficiente de transm is ión do co n tra s te do las piezas f ibrosas, e s t r ic tam en te h ab lan d o , h ab ía que t ra n s fo rm ar los re su l tado s del exper im en to según la fó rm ula

m — ¿ A g m á x ) ~ l g m l n =*= A g m t n ) ,V ~ ( ¿ m á s ± ¿ ¿ m á s ) + ( ¿ m í a ± ¿ ¿ 'm ín ) * 1 '

donde A g mte y A ¿’m¡n son la s var iac iones loca les

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de lu m in o s id a d en la supe rf ic ie de la s r a y a s c la ra y oscu ra de la m i r a , es decir , la s a m p l i tu d e s de l r u id o m ic ro e s t ru c tu ra l . E n l a p r á c t ic a los r e su l ta d o s de los e x p e r im e n to s se p ro cesan por l a s fó rm u la s (43) y (44), p a ra lo cu a l so em p le a n la s r a y a s la rg as de la m i r a y u n a r e n d i ja recep to ra la rg a con e l f in de h o m o g en iza r la in f lu en c ia de l ru id o m ic ro e s t ru c tu ra l sobre l a supe rf ic ie do la s r a y a s . D e la fó rm u la (45) se d e sp re n d e que el r u id o m ic ro e s t ru c tu ra l e s tá l ig a d o con e l coef ic ie n te de t r a n s m is ió n do c o n t ra s te .

A l d is e ñ a r e le m en to s y d isp o s i t iv o s f ib ro - óp t icos en b a se a l a s t re s c a ra c te r í s t ic a s ó p t ic a s f u n d a m e n ta le s de l h a z d e g u ía s de lu z (la t r a n s m is ión de lu z t o t a l , l a c a ra c te r í s t ic a frecuenc ía l y de c o n t r a s te y el ru id o m ic ro e s t ru c tu ra l ) , es necesario te n o r e n c u e n ta l a in te rc o n e x ió n e s t re c h ís im a y o b je t iv a q u e e x is te e n t r e e l las .

C arac te r ís t icas óp ticas d e los m an o jo s de piezas f ibrosas. E n m u c h o s t ip o s de d isp o s i t iv o s óp t ico -m ecán ico s , ó p t ico -e lec t ró n ico s y e lec tró - n ico -óp ticos , so e m p le a n v a r ia s p ieza s f ib ro sas co locadas en el i n s t r u m e n to s u c e s iv a m e n te u n a t r a s o t r a y u n id a s e n t re sí o d i r e c ta m e n te , o b ien a t r a v é s de e lem en to s de ó p t ic a lu m in o s a o elect ró n ic a . Com o e je m p lo p ued e s e rv i r e l c o n v e r t id o r de t re s c á m a r a s ó p t ico -e lec tró n ico , e l c u a l cont ien o sois e lem en to s fibrosos. E n t a l e s d i s p o s i t i vos, la s p iezas f ib rosas f o r m a n u n m a n o jo , cu y as c a ra c te r í s t ic a s ó p t ic a s se d i fe ren c ian de los p a r á m e t r o s de l a p ieza f ib ro sa in d iv id u a l .

L a t r a n s m is ió n de lu z r£ m de u n m a n o jo de k p ie z a s lu m in o sa s se d e te r m in a m u l t i p l i c a n d o sus co e f ic ien tes do t r a n s m is ió n do luz:

T m = T \T 2T 2. . . 7 \ % (46)La t r a n s m is ió n de lu z t o t a l , co m o se ve en e s ta fó rm u la , de seis p iezas f ib ro sa s (si l a de c a d a u n a es 0,62) se rá (0,62)° = 0 ,09 , os decir , m e n o s del


10%. Reduciendo las pérdidas por reflexión en las caras de los filamentos (por ejemplo, con ayuda de recubrimientos clarificantes y de capas de inmersión) se puede aumentar la transmisión de luz to tal del manojo de piezas fibrosas.

E l coeficiente K vc de transmisión de contraste del manojo do piezas fibrosas es igual al producto de los coeficientes individuales para una frecuencia dada de las rayas de la mira:

/£vc= K í K 2K 3 . . . Kfr. (47)De aquí se deduce que el coeficiente total de transmisión de contraste de un manojo de seis piezas fibrosas (si en la frecuencia dada cada una tiene K x = 0.85), será (0,85)8 = 0,38, o sea, en este caso el manojo de seis piezas tiene un coeficiente de transmisión de contraste de casi la m itad del de una pieza individual. Al disminuir el K y do cada pieza crece la velocidad de reducción del K yc total.

Se acostumbra determinar el podor resolutivo R m del manojo de piezas fibrosas por la fórmula

= - j ? r + - • ■ + - irr - (48)R‘m R\ 1 Rí ' R T(hSi los poderes resolutivos de todas las piezas son iguales y tienen un valor de i?lt la expresión{48)se simplifica: R m = -7 — . Por ejemplo, si en uny kmanojo de seis piezas i?, = 80 lín/mm, según la fórmula (48) la resolución to ta l del manojo seráde sólo R m = — 33 lín/mm.

y "Sin embargo, como muestran investigaciones

realizadas por ciontíficos soviéticos, el poder resolutivo de un manojo de seis piezas fibrosas con una abertura numérica nominal de 1 , por ejemplo, es de 56 y no de 33 líneas/mm. Las investigaciones demuestran que la utilización simultánea de las fórmulas (47) y (48) es incorrec

1 9 5 43*www.FreeLibros.org

t a , ya que la expresión (47) es o b je t iv a ta n to p a ra la d e te rm in ac ión do la ca rac te r ís t ica frecuencia! y de con tras te de l m an o jo de piezas f ib rosas com o p a ra la determinación, de su poder reso lu t ivo como p u n to l ím i te sobre la c u rv a de l a ca rac te r ís t ica frecuoncial y de c o n tra s te . E n efecto, si para u n a frecuencia de 56 l ín eas /m m u n a pieza f ibrosa con poder re so lu t iv o do 80 l ín eas /m m t iene u n coefic iente de t ra n sm is ió n de co n tra s te de 0 ,70, en tonces en u n m an o jo de seis p iezas sem ejantes K — 0,12, o sea, el cont ra s te y, co rrespond ien tem en te , la f recuencia de la s ray as sou perfec tam en te d is t in g u ib le s .por el ojo. Las investigaciones exp e r im en ta le s dem u es t ra n que la fó rm ula (48) puede ser u t i l i z a d a si u n a frecuencia de la s ray as de v = R , p roporciona u n co n tra s te de la im agen que sup e ra la sens ib i l idad de co n tra s te del recep to r do la m ism a. T am b ién on este caso, n o obstan te , todos los re su l tad os del cá lcu lo d ivergen su s tan c ia lm en te del experim ento .

P o r eso p a ra un m ano jo de p iezas f ib rosas h ay que em p lea r so lam en te la fó rm u la (47).

Las ca rac te r ís t ica s de ru ido del m an o jo de piezas f ibrosas son diferentes p a ra los ru idos m ic ro es tru c tu ra l y macroes truc tu ra 1. E l ru ido m ic ro es tru c tu ra l d ism inuye a l a u m e n ta r el n ú m ero dc piezas en el m anojo : ocurre u n a especie de «aplanam iento» de la e s tru c tu ra . E s de seña la r que u n a d ism inuc ión del coeficiente to t a l de transm is ión de con tras te en u n m ano jo de haces de g u ía s de luz t a m b ié n va aco m p añ ad a dc u n a redución dol ru ido m ic roes truc tu ra l .

Con el aum en to del núm ero de p iezas en el m anojo , el ru ido m ac ro es t ru c tu ra l se au m e n ta t a n to en a m p l i tu d como en frecuencia de a p a r i ción. E s to ú l t im o se explica en razón do que el c a rác te r mosaico y los defectos de cada pieza f ibrosa precedente se t r a n sm i te n a la e n tra d a de la


s ig u ie n te y , co m o r e s u l t a d o , p a s a n a la s a l id a de l m a n o jo m is m o con a m p l i t u d a u m e n t a d a . P e ro co m o la d i s t r i b u c ió n de o l las es d e s o rd e n a d a , e n to n c e s creco t a m b i é n l a f re c u e n c ia de su a p a r ic ió n . P o r eso, m i e n t r a s m á s p ie za s f ib ro s a s u n id a s s u c e s iv a m e n te h a y a e n el d i s p o s i t iv o , m á s r ig u r o s a s y e le v a d a s s e r á n l a s e x ig e n c ia s q u e se le h a c e n a l a a u s e n c ia de l c a r á c t e r m o s a ic o y defecto s de l a e s t r u c t u r a e n c a d a p ieza i n d i v i d u a l .

T r a n s m is ió n d e u n a im a g e n po r u n h a z de g u ía s d e o n d a . L a im a g e n p u e d e t r a n s m i t i r s e a t r a v é s de u n h a z de g u í a s de o n d a , p e ro (a c a u s a do l a p e q u e n e z de lo s d i á m e t r o s de lo s f i l a m e n to s g u í a s de lu z — del o rd en d e 0 , 1 a 2 p — y do l a i n a d m i s i b i l i d a d de d i s m i n u i r el e speso r do l a s e n v o l t u r a s a i s l a d o r a s de lu z h a s ta u n g ro so r m e n o r q u e l a l o n g i t u d de o n d a d e l a r a d ia c ió n t r a n s m i t i d a ) ol c o e f ic ie n te de r e l le n o de l a c a ra p o r lo s f i l a m e n t o s e s p e q u e ñ o . P o r oso t a m b i é n el co e f ic ie n te de t r a n s m i s i ó n de c o n t r a s t e de l h a z de g u ía s de o n d a es m u y b a jo , a d e m á s ol g r a d o de s u r e d u c c ió n e s c o n s id e ra b le m e n te m a y o r q u e en e l h a z de g u ía s de lu z a l a u m e n t a r la f re c u e n c ia de l a s r a y a s . E l e fec to do lo s t ro s a n i l lo s se o b s e rv a t a m b i é n en e l h a z de g u í a s de o nd a en f o r m a m o d i f i c a d a , s in e m b a r g o lo s r a y o s de c a d a c o m p o n e n te (en t re e l lo s d e 0 „) s a le n del h a z de g u í a s de o n d a f u e r t e m e n te d i fu so s , a pesar de q u e la m a y o r p a r t e de e l lo s sa le en d i re cc io n e s d e t e r m in a d a s p o r e l e fec to do lo s t r e s an i l lo s .

S o b re l a c a r a de s a l i d a de l h a z de g u í a s de o n d a , e l c u a d r o «ondu la r» d i f i c u l t a la o b se rv a c ió n y e l a n á l i s i s de l a im a g e n c u a n d o l a s f re c u e n c ia s de Jas r a y a s so n c e rc a n a s a l a re so lu c ió n n o m in a l de l a s p ie z a s f ib ro s a s , R = (2£>)“L L a in f o r m a c ión se t r a n s m i t e a t r a v é s do los c a n a le s o n d u la res on f o r m a de d i f e re n te s t i p o s do m o d o s , pe ro a d u r a s p e n a s se l e p u e d e l l a m a r ó p t i c a en el s e n t id o h a b i t u a l de l a p a la b r a ;www.FreeLibros.org

CLASIFICACIÓNDELOS ELEMENTOS FIBROSOS Y PRINCIPIOS DESU APLICACIÓN

E n la f ib roóp tica h a s ta ©1 m o m e n to es tán en consideración la s cuestiones re lac io n a d as con los princip ios generales de ap l icac ió n de los e lem en tos f ibrosos en la fab r icac ión de in s t ru m e n to s y los parám etros logrados por los s is tem as de conducc ión de la luz ap l icab le s a los in s t ru m e n to s , o sea, los acep tab le s para reso lver u n p rob lem a dad o ju n to con o tros s is tem as óp t icos y e lectro- noópticos. L as inves t ig ac io nes in c o m p le ta s a este respecto se deben e n t re o t ra s causas a la in e x is te n c ia de u n a c las if icac ión de los e lem en tos fibrosos. La gran d ive rs id ad de es tos ú l t im o s po r su const ru c c ió n , f le x ib i l id a d , rég im en de t r a b a jo en el in s t ru m e n to , t r a n sp a re n c ia en d e te rm in a d a r e gión de l e spec tro de radiación* los m a te r ia le s


empleados, aplicación, hermeticidad y otros parámetros más, dificulta la realización de una clasificación exacta.

Ex is te tam bién cierta dificultad para realizar esta clasificación debido a que en oualquior sistem a se puede encontrar una pieza fibrosa, es posible que puede ser clasificada en dos tipos a la voz.

Clasificación de los elementos fibrosos. Los artículos fibrosos para 'un parámetro característico dado se pueden d iv id ir en 'rígidos y flexibles, monofilares y multifilares, selectivos y neutrales a la transmisión de luz regularos e irregulares, aplicables en régimen estático y aplicables en régimen dinámico, con la sección constante o variable por la longitud, de vidrio y polímeros, no vacuoherméticos y herméticos, ote. Los problemas fundamentales que se pueden resolver a base de la fibroóptica son los siguientes:

transm isión a distancia de una señal luminosa; transm isión a distancia de una imagen óptica

o óptico-electrónica;reconstrucción de la forma de una señal lum i

nosa;transformación de una imagen óptica.Los elementos fibrosos se emplean para deter

minada transformación (transmisión y reconstrucción) de la información óptica (organizada o no organizada) y esto es su aplicación en la construcción de instrumentos. Tomamos como base de la siguiente clasificación el conjunto de problemas ópticos quo pueden ser resueltos por determinado artículo fibroso. E n este caso se distinguen c laramente diez tipos de elementos fibrosos.

L a clasificación propuesta abarca prácticamente todos los t ipos de elementos fibrosos, pero no está libre de insuficiencias. Así, por ejemplo, de acuerdo con el conjunto de problemas que pue-

| 1 9 9www.FreeLibros.org

C lasificación dc elem entos fibrosos y ejem plos de suutilización

Tabla CCl

ase

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Destinación o característica

Ejem plos deelem entosfibrosos

E jem plos do instrumentos

Difusión aproximada en la fabri

ca ción de instru

mentos dc los e le mentos de cada clase, en

%

Prim

era

Transm isión do luz a distancia (inform ación desorganizada)

Haces de f ibras fle x i- b lescon distribución irregular

Gastroscopios y laringoscopios para m edicina; diferentes equipos para la transm isión de soñal de re í- roncia

6

«01£a»

.>*

Transm isión a distancia do la imagen óp tica (in form ación organizada)

H aces regularos do f ibras f le x i

bles

Endoscopios para m edicina o industriales d

Terc

era

T ransform ación de la form a geom étrica de una señal lum i- nosu (in form ación desorganizada)

Pol im echas fibrosas flex ib les

C olectores lu- m inotécn icos y distribuidores de radiación , analizadores do imagen

Más do 60

aMCT2oCJ>

Transform ación de la imagen óptica (in form ación organizada)

Conductos de luz íocones

doblados para la inversión total

de la imagen

Laringoscopios para m edicina

Más de 14

f .


Tabla 6 (con tin u a c ió n )

! Qu

inta

1

S e lección de rad ia c ión de determ inado inte rv a lo do lo n g itu des do ondas

D iscos f i - b roóp ticos densos para v a c ío , transparentes a ran gosu ltra - v io le la s del espectro

Tubos de rayos ca tód icos , v id i- conos para la te lev isión a c o lores 2

es

8CO

C apacidad de transform ar un esp ectro o amp li f ic a r la señ a l do entrada

F lacas p o li- canales activadas

Transductores o p loo lcctrón icos em pleados en la transform ación y a m p lifica c ión del b r il lo de la imagen

;j

nen«*a>en

M ejoram iento d e lo s parám etros’ tóen ic.os do los 'in stru m en tos a baso do la u t iliz a c ió n en régim en d in á m ico

Haz do f i bras lib res , un o x tronío dol cu a l está form ado por un b lo que com pacto

Analizadoresoptoacu sticos(soptrones)

Menos de 1

Oct

ava

O bserva ción y form a ción de la im agen (óp tica de lám inas)

F oclin es Sistem as le c to res reprodu ctores do son ido en los fonogram as fo tog rá fico s de p roy ecc ión do c in e

21o

F orm ación independiente de la imagen

Conductos do luz de cu toen foqu e (sel focos)

Instrum entos para m edicina

cía•Mü‘OO

T ransm isión a d istancia de inform ación lu m inosa on form a de tipos de on das (m od os);

G uías de on das

Lincas de telc- com un í c ac iones ópticas


den resolver, los elementos del q u in to t ipo se pueden s i tuar en una de las p r im eras cu a t ro c la ses. M uchas clases de e lem entos fibrosos pueden resolver varios p rob lem as a l a vez, como por ejem plo,-la t ransm is ión de la im agen a d is tanc ia con la variac ión de la escala y l a corrección de la cu rva tu ra del cam po de los s is tem as an ter io res y posteriores. L a clasificación dada puede ser m ás correcta si en tre las cu a t ro pr im eras clases se s i tú an los ar t ícu los fibrosos t ransparen tes sólo en el espectro visible de la luz. E s ta clasificación en la e tap a ac tu a l del desarrollo de la f ibroóptica es la m ás aceptable . P o r lo menos las cua tro prim eras clases do e lementos fibrosos se diferencian ac tu a lm en te do la s ú l t im as seis clases por una aplicación m ás am p l ia y va r iada en la fabricación de in s trum en to s que los elem entos de las ú l t im a s seis clases.

E n la ta b la 6 se dan e jem plos de aplicación do los elomentos fibrosos de diferentes clases en la fabricación de ins trum en tos . L a difusión ap rox im ada de los e lem entos fibrosos de cada clase dada en la tab la 6 , corresponde al período entro los años 1971— 1972. E s posible que estos da tos en ol fu tu ro varíen y so verifiquen.

Más abajo es tán d ispuestas d iferentes clases do e lem entos fibrosos, vienen dadas las peculiaridades de sus construcciones, los p r inc ip ios básicos de u t i l izac ión y a lgunos ejemplos de ins trum en tos a base do s is tem as de conductos de luz.

10. P R IM E R A C LA SE ;ELEM EN TO S F IB R O S O S LU M IN O TE C N IC O S

Los e lem entos fibrosos de la p r im era clase es tán destinados a la t ran sm is ión do la señal lum inosa en form a do inform ación desorganizada (en general no óptica) a d is tanc ia , por m edio de canales rígido o f lexib le , rec to o cu rvo (esquema 1 ).


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Como se puede observar en la t a b la 6 , la d ifusión de este t ip o de e lementos es cerca del 6 % de todo ol conjunto de s is temas de conductos de luz aplicables. E n la fabricación de in s trum entos s iem pre ha ex is t ido la necesidad de transm it i r una información lum inosa de u n pun to a otro, d is tanciados éstos por e lem entos complejos de la construcción, lo que ha perm it ido sólo el empleo de tub i l lo s curvos de t ransm is ión lum inosa. E n princip io , este problema so puedo resolver con ayuda do la óptica clásica; s in embargo, no es fácil hacerlo a causa de la s l im itac iones volumé^ tr icas d é lo s ins trum entos y la d if icu ltad de const ru i r u n tu b i l lo lum inoso curvo . E l problema general os p rácticam ente inso lub le cuando so t r a ta do la variación constan te de la c u rv a tu ra del canal lum inoso y requiere que éste posee una a l ta lum inosidad . Los transm isores lum inosos de la f ibroóptica perm iten en forma simple resolver este problema, con la s ven ta jas de u n a construcción com pacta del in s trum en to y la t ransm is ión a d is tanc ia de los flujos lum inosos con aber tu ras m u y a l ta s para t rayec to r ias de cu rv a tu ra s complejís im as variables inclusive .d u ran te el empleo del instrum ento .

Como regla general, los e lem entos de la clase dada deben t r a n sm i t i r haces de rayos con apertu ra s num éricas a l tas , en la m ayor ía do los casos en tre 0 ,5 —0,87, ra ra vez 1,0. Si u n conducto de luz o una f ib ra se incluye en u n ins trum en to d irec tam ente es obligatoria la construcción monofilar. E n este caso, el relleno seccional de f ilam entos e s —t 6 = 1 , lo que perm ite un grado m ás a l to de transm is ión lum inosa quo en el caso de un conducto de luz polifilar.

Elementos polifilares transmisores de lu z . La ab e r tu ra num érica sen u de u n conducto do luz monpfilar con un d iám etro de f i lam en to 2 r c y doblado circunferencialm onte con un rad io i?,


d ism inuye al a u m e n ta r el d iám etro 2 rc del filam en to y al d ism in u ir el rad io de cu rv a tu ra f í según es ta expresión:

(49)Si la f ib ra o el conducto de luz se em plean en

un in s tru m en to en form a doblada , de ta l manera que el rad io de c u rv a tu ra sea pequeño, puede ocurr ir que la ab e r tu ra num érica de este conducto de luz resulte m enor que la ab e r tu ra num érica del baz de ray o s inc iden te , o sea, la transm isión de luz será m enor que 1. H a s ta de term inados l ím ite s es tas pérd idas se pueden despreciar para a lgunos apara tos , s in em bargo , para 7? m uy pequeños ya son s ignif ica tivas. E n esto caso, se em plean f ib ras polif i lares o conductos de luz, con lo cual se logra una gran d ism inución de r c de cada f i lam en to para u n m ism o /?, es decir, un au m en to ta n considerable de la ab e r tu ra num ér ica del haz en com paración con su construcción m onofilar . P a r a las construcciones polifilares el re lleno seccional do toda la espiga es t 5 < 1 , pero genera lm en te la s pérd idas son menores que la d ism inuc ión de la transm is ión de luz por una d ism inución de la a b e r tu ra num érica de los conductos de luz. La componsacíón de a lgunas pérd idas como, por e jemplo, la d ism inución de t 5, a causa de la d ism inución de o tras, como, por ejemplo, ol au m en to de genera lm ente es fácil de ca lcu lar y se de te rm in a para cada in s tru m ento dado. Solam ente por l a dependencia entro la a b e r tu ra num érica del conducto do luz y la relación en tre el rad io de su f i lam en to y el rad io de c u rv a tu ra se explica la aplicación de las construcciones po lif i la res en los e lem entos f i


brosos de la primera clase. E n este caso, si no se exige una gran compacidad dol haz (rígido o flexible), se emplean generalmente haces con distr ibución irregular; en caso contrario so emplean sólo regulares.

Papel de la abertura nominal. Como se puedo observar en la fórmula (49), la aber tu ra numérica de u n conducto de luz curvo depende de rc y R y aum enta con el aum ento del coeficiente de refracción n c del f ilamento y con la disminución dol índice de refracción n u del revestimiento, o sea, es d irectamente proporciona l a la abertura numérica nominal Y n c — del conducto de luz. Por este m otivo es im portan te tener aberturas nominales a l tas de los conductos de luz cuando se tienen f ibras o haces de fibras m u y dobladas. Cuanto mayor sea A 0 = Y n c — n u t a n to mas se puede curvar el conducto de luz para un radio dado r c dol filamento, o para un radio dado i? de curva tura se pueden emplear f ilam entos más gruesos (y con esto aum entar t 5) disminuyendo insignificantemente la aber tu ra del conducto de luz hasta , por ejemplo, el valor tolerable.

Condiciones de utilización de los conductos de luz y su flexibilidad. Las fibras y haces flexibles se emplean cuando el elemento transm isor de luz debo estar en continuo m ovim iento: cuando varía el carácter de la trayectoria y la curvatura en tram os dados, cuando h ay una variación de la distancia directa geométrica m ín im a desde la cara de en trada has ta la de sa lida y el grado de torsión del canal alrededor dc su eje.

Los conductos de luz y los haces rígidos se emplean cuando es necesario un canal transm isor de luz con curva tura constante, r íg ida y además compleja.

Veamos algunos principios y ejemplos de elementos fibrosos de la prim era clase.


5

F IG . 54. Esquema óptico do un autocolimador: a — con u n cubo y dos placas; b — con una fibra monofilar combada

Simulación de una fuente puntual de luz y de un receptor puntual de radiación. E n la fig. 54,a se representa el esquema do u n autocolimador clásico: la cruz trazada en ol fondo oscuro de u n a placa horizontal 5 e i lum inada por una fuen te 6 , env ía u n flujo lum inoso en dirección a un cubo 3 divisor de luz; de éste, par te de los rayos se refleja en dirección al objetivo 2 y después va como un haz paralelo has ta el espojo 1 . E s to se cum ple cuando la cruz se encuentra en el p lano focal del objetivo. La luz reflejada por el espejo 7, después de a travesar el obje tivo y el cubo, forma la imagen de la cruz en el p lano de la placa vert ica l 5, la cual debe tam bién encontrarse justo en el plano focal del objetivo. Si el espejo 1 se ha l la en posición ju s tam en te perpendicular al eje óptico del autocolimador, entonces la imagen de la cruz hor izon ta l coincide con la cruz-marca en la placa vertical.

E n form a análoga funciona el autocolim ador de f ib ra óptica (fig. 54, b). La bombilla"# ilum ina la fibra curva monofilar 4 de d iám etro de 5 a 15 jx,


i lu m in ad a por u n a lá m p a ra 5 ? env ía a t rav és de su cara de sa l id a (fuente p u n tu a l de luz) un haz de rayos, d ivergen te cónico a l ob je t ivo 2 \ los rayos se refle jan por el espejo 1 y regresan a la fuen te de luz, o sea, a la cara de sa l id a de la f ib ra . Si esta ca ra se encuen tra en el p lano focal del ob je t ivo 2 y el espejo 1 es tá p e rp end icu la r al eje óp t ico del s is tem a, la im agen de la ca ra do sa l id a coincide ex ac tam en te con la m ism a cara . E s ta co inc idencia se es tab lece fác i lm en te por m edio del ocular 3 al desaparecer u n a m an ch a lum inosa b r i l la n te . E l em pleo del s im u lado r fibroso de la fuen te p u n tu a l a u m e n tó la e x a c t i tu d del au loco l im ador, s im plif icó m ucho su a l i neación y es truc tu ra .

L a f ib ra m onofi la r en ca l id a d de p lu m a lu m inosa (análoga a una p lu m a corr ien te con t in ta ) so em plea para escrib ir en la oscuridad sobre papel fotosensible y t a m b ié n p a ra la fo tograbac ión la ten te . L a p lu m a lum inosa a l recorrer l a superficie de la m a t r iz com pues ta de ú n co n jun to de receptores fo tosensib les , com unica la in fo rm ación codif icada a t ra v és de la ve locidad y el carácter de la t ra y ec to r ia de m o v im ien to de la p lu m a lu m inosa y adem ás a t rav és do la a m p l i tu d del f lu jo lum inoso , que pasa por la f ib ra en un m o m ento dado. L a in fo rm ación codif icada e n v ia d a por las cé lu las fotosensibles es t ra n s fe r id a al ana l izado r general de la inform ación .

Las fibras y los conductos de luz m on o fí la re s se em plean para n iv e la r la lu m in o s id ad po r la superficie de la m an ch a lum inosa igual o co in c id en te con la cara do sa l id a de aquéllos.

Sonda de pruebas lum inosa . D u ra n te l a rea l ización do diferentes t ip o s de exper im en tos con los cam pos lum inosos son necesarios receptores de rad iac ión capaces do m ed ir la i r rad iac ión en áreas del orden de décim as y m ilés im os de m il ím e tro s in in f lu i r sobre el cam po lum inoso .


A ntes del d escu b r im ien to de los m é to d o s de la f ib ro ó p t ic a , sem e jan tes inves t ig ac io nes q u e d a ban , en la m a y o r ía de los casos, i r rea l izab les . A hora , con a y u d a do la s f ib ra s ó p t ica s de d iá m e t ro e n t re 5 y 300 j a , s o rea l izan p rá c t ic a m e n te inves t igac iones m icroscóp icas de los cam pos lum in osos . L a sonda de p ru ebas lu m in o sa en form a do m icrosonda do f ib ra s p en e tra c ad a vez m ás en lo s a p a ra to s fo tom étr icos . E n la fig. 55 so m u e s t ra el e squem a do un m ic ro fo tó m e tro do f ib ra s p a ra la m ed ic ión de la d is t r ib u c ió n de la i lu m in a c ió n en la m a n c h a focal de los c o n c e n t ra dores de los ray o s solares. E n el p lan o focal del espejo e s tá m o n ta d o u n disco 1 con u n m ecanism o m ic ro m é tr ico 2 q u e desp laza , con a y u d a de un soporte 3 , en el cam p o lum ino so inv es t igad o , la ca ra de e n t ra d a de la f ib ra m o n ofi la r 4 . L a cara de sa l id a de la f ib ra se in t ro d u c e en la esfera fo to m é tr ic a d , en conex ión con u n a te rm o p i la 5.

L a f ib ra ó p t ic a u n i t a r i a ha re su l ta d o ser una sonda de p rueba lu m in o sa de a l t a e fec t iv id ad . T iene u n a g ran f le x ib i l id a d , su t ra n sm is ió n de luz (si la a b e r tu ra n u m ér ic a es m ás de 0,95) p rá c t ic a m e n te no v a r ía con c u r v a tu r a s de la fibra to le rab le s (sin des trucc ión) a t e m p e ra tu r a s no rm ales . E s t a c u a l id a d p e rm ite e m p le a r la s en p u n to s de l cam p o lu m in o so de d if íc i l acceso de m ed ic ión . G rac ias a l pequeño ospesor, la micro- sonda do f ib ras no d is to rs ion a p rá c t ic a m e n te el cam p o lu m in o so in ves t igad o .

L a m ic ro so n d a do f ib ra s puede f i j a r i r r a d ia ciones del c a m p o lu m in o so p a ra c u a lq u ie r a b e r tu ra c a ra c te r í s t ic a de éste , inc luso ei f lu jo d ifuso en el a ire o en l íq u id o de b a jo coefic ien te de refracción. U na a l ta t ra n sm is ió n de luz de la fibra ó p t ica u n i t a r i a (do 0 ,70 a 0 ,90 en u n m e t ro de lo n g i tu d ) g a ra n t iz a u n a g ran sen s ib i l id ad de la sonda de p ru eb as lu m in o sa y p e rm ite u t i l i z a r la ta m b ié n p a ra el a n á l i s i s de cam p o s lu m in osos

1 4 — 0 1 6 5 0 2 0 9www.FreeLibros.org

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débiles. La d is tanc ia entre ol punto investigado del cam po lum inoso y el receptor puedo ser p rác t icam en te cualquiera .

Esquem a típico de empleo de los ^conductos de luz unitarios. E n la fig. 56, a se representa el p rinc ip io de em pico de los elementos fibrosos. Los rayos 1 de la fuente de emisión se concentran por un sistema óptico 2 sobre el extremo de salida 3 del canal de transm isión de luz 4 , se d ifunden por éste y salen por el extremo de sa lida 5- E n lajfig. 56, b se representa un conducto do luz para la" i lum inac ión a d is tancia en form a do un haz de f ib ras flexibles 4 y el cual t ran sm ite a d is tancia la rad iac ión do la lám para 6, concentrada por el obje tivo 2 . E s tos haces de iluminación empleados en los ins trum entos lum inotécnicos t ie nen una serie de venta jas: en la fig. 56, c se represen ta la i lum inación de un objeto v ib ran te ; gracias a la f lex ib il idad del conducto de luz, la lám para y sus conexiones quedan fuera del campo de acción de l a v ibración, lo quo aum en ta su f iab il idad y ol plazo de funcionam iento . La combinación del conducto de luz 4 y la célula fo toeléctrica 7 (fig. 50,d) perm it ió s im plif icar el mecanismo de cóm puto o la determinación de posición del objeto: el f lujo lum inoso salien te del conducto de luz se refleja del objeto 8 e incide en la célula fotoeléctrica 7. U na gran venta ja de los elementos fibrosos de ilum inación consiste en que ellos absorben los rayos infrarrojos (denom inados tam bién caloríficos) y t ran sm iten sólo el in te rva lo visible de longitudes de ondas (fig. 56, é). E s to es necesario para muchos tipos de ins trum en tos , po r ejemplo, los empleados en m edic ina , ve te r ina r ia , en ilum inación de objetos explosivos, en la biomicroscopia, etc. E n

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FIG. 55. Esquema de un microfotó metro de fibras


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la fig. 56, f se representa la iluminación de la plat ina de un microscopio con luz fría.

E n la fig. 57 se representa un instrumento para el examen de las superficies internas do los dientes. Este proceso se dificultaba antes del empleo de las fibras ópticas debido a la baja iluminación; al in troducir el espejo 1 del instrumento en la boca los dientes se veían mal. Los instrumentos modernos por su mango 2 so hace pasar un conducto de fibra de luz 5, cuyo extremo de en trada está unido, por un haz de fibras flexible 4, con una lámpara distanciada; la luz del extremo de salida 5 incide directamente sobre el objeto (fig. 57, a) o al ser reflejada en un espejo 1 (fig. 57, b)

E l relé en fibra do desconexión (fig. 58) se basa en el hecho do que al alcanzar un objeto (en este caso la superficie del liquido) determinada posición (nivel) la luz do la fuente i , al reflejarse del objeto 2 y incide sobre el conducto de luz 3 y a través do ésto va al fotorreceptor, el cual desconecta el movimiento del objeto (en nuestro caso, la alimentación de agua).

Refractórnetros con conductos de luz mono filares sin revestimiento. Estos instrumentos están destinados para la medición del índice do refracción de líquidos. La abertura numérica del conducto de luz sen r¿ 0 = j/'n% — n* para determinado índico de refracción n c del filamento dependo del índice de refracción n u dol revestimiento; por lo tan to , l a transmisión de luz, t 1? determinada por la relación (4), depende del índice de refracción del revestimiento. Esta propiedad de los conductos de luz es la base del principio de funcionamiento do los refractóme- tros con conductos do luz (fig. 59). La luz dé la

-----------FIG. 56. Elomento9 fibrosos de primera clase para transm itir la luz a distancia


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F IG . 57. I n s t ru m e n to con u n h az de gu ías de luz para el ex a m e n de l a s superf ic ies in te rn a s de lo s d ien tes<-------l á m p a r a I se c o n c e n t ra p o r el m ic ro o b je t iv o 2 sobre el e x t r e m o de e n t r a d a de l c o n d u c to de luz 3 7 e l c u a l e s tá m o n ta d o d e n t ro de u n a c u b e ta 4 que no de ja p a s a r l a lu z y co n t ie n e el l íq u id o a in v e s t ig a r . E l f lu jo lu m in o so s a l ie n te se f ija por m e d io de l fo lo r recep lo r 5.

Gomo se pu ede ver en la f ig . 59, a, el haz lu m inoso in c id e n te sobre el e x t r e m o do e n t r a d a , se d iv id e e n t re s c o m p o n en te s : u n a c o m p o n en te sin re f le ja rse de l a s p a red es del c o n d u c to do luz in c id e d i r e c ta m e n te sobro ol fo to r re c e p to r , la s eg u n d a l lega a l fo to r r e c e p to r después do u n a serie de re f lex iones in te rn a s t o t a l e s en el l ím i te de s e p a ra c ió n c o n d u c to do l u z — líq u id o , y la te rce ra , que no os re g is t ra d a p o r el recep to r , in c id e sobre el l ím i t e de s e p a ra c ió n c o n d u c to de l u z —l íq u id o b a jo u n án g u lo m e n o r q u e el ángu lo c r í t i c o de re f lex ión t o t a l i n t e r n a y sa le del cond u c to de lu z . M ie n t r a s m eno r sea la d ife ren c ia ti(• — n a m a y o r es l a m a g n i tu d de l a te rc e ra com p o n e n te , y m e n o r es la t ra n sm is ió n de luz . E s to p e rm ite , seg ú n n c c o n o c id a , d e te r m in a r n u del l íq u id o .

E n la fig. 59, a se p u e d e ver q u e l a m a g n i tu d do l a p r im e ra co m p o n e n te no d epende de l a r e la ción n c — n u . D ic h a c o m p o n e n te en es te i n s t r u m e n to n o co n t ien o n in g u n a in fo rm ac ió n , t iene u n c a r á c te r p a rá s i to y l i m i t a l a s e n s ib i l id a d del re f r a c tó m e tro c u a n d o n c — n u es p eq u eñ a . P a r a c o m p e n sa r es to , en l u g a r de u n co n d u c to do luz rec to s in r e v e s t im ie n to se em p lea u n c o n d u c to de luz cu rv o (fíg. 59 , b). E n a lg u n o s re frac tó m etro s , p a ra a u m e n ta r la ve lo c id ad y e x a c t i tu d do m ed ic ión se u t i l i z a u n a serio do co n d u c to s do lu z con

F IG . 58. R e lé con gu ía de luz fibrosa


determinados índices de refracción conocidos (fig. 59, c); la luz de la fuente 1 a través de un monocromodor 6 incide sobre un extremo de uno de los conductos de luz. La cubeta con los conductos de luz es dosplazable en el plano perpendicular al eje óptico del monocromodor. Este ú l t im o se u ti l iza para la i lum inación de los conductos do luz con un flujo de longitud prefijada do onda.

Los elementos fibrosos de la prim era clase se emplean además para la i lum inación de in s tru mentos y escalas d im inu tas , la i lum inación de piezas in ternas para fac i l i ta r su inspección, el control de la l lam a en las calderas, la i lu m in a ción de te jidos profundos por medio de agujas de inyecciones intravenosas, la fo tom etría a bajas tem peraturas , se usan en los ins trum entos para m edicina , y todo esto os sólo u n a pequeña enumeración do los usos de los elementos fibrosos de la primera clase.

Régimen de trabajo f bidireccional de Jos conductos de luz. E l flujo lum inoso, a diferencia do la corriente eléctrica, f lujo de líquidos, gases y par t ícu las sólidas, se d is t ingue por su siguiente propiedad: los rayos luminosos pueden difundirse en u n medio dado independientemente uno de otro cruzándose e incluso yendo al encuentro entre sí, A baso de esta propiedad se u t i l iz a u n mismo conducto de luz 1 (fig. 60, a) para la transm isión s im ultánea de luz desde la lám p ara de señales 3 al fotorrccoptor 4 y la transm isión de la in formación luminosa desde la lám para 5 a la fotocélula 2 . El régimen de trab a jo ;bi dirección al de los conductos do luz do la primera clase^cn- contró una am plia util ización y un uso original en los dispositivos de señalización, en los siste-

>FIG. 59. Esquema de un refractómotro con conductos de

luz


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mas óptico-electrónicos, en las com putadoras óp ticas y otros insten montos.Fibras a uto luminiscentes* Su funcionam ien to se basa en el régimen bidircccional de t ra b a jo de los conductos de luz. P o r ejemplo, en los estab lec im ien tos son necesarios con frecuencia tableros lum in iscen tes que l lam en la a tención del público. Es te tipo de problema existe en la técnica de propaganda. E n ostos casos so emplean los conductos do luz curvos (fig. 60, b) cuyas caras fo rm an un c ircu ito requerido . Al conectar la luz los rayos inciden sobro cada uno de los extrem os do los conductos de luz y salen, respect iv am en te , por los extrem os opuestos. 321 circuito , form ado por los extrem os do un conjunto do conductos do luz, t iene au to lum in iscencia bril lan te en el fondo de las paredes y objetos c ir cundantes . Es te tipo de tableros se puede const ru i r con v idrio de color o u n a var iedad de conductos de luz a colores. E n este caso no es necesaria Ja a l im entac ión eléctrica para los conducios de luz au to lum iniscentos .

Conexión en paralelo de varios conductos de luz. Esto método perm ite s im plif icar considerablemente la construcción do los ins trum entos , dism inu ir sus dimensiones y peso. Para obtener datos sobre el estado de una superficie som etida a un experim ento (por ejemplo, térmico) so emplean dos haces transm isores do luz (fig. 61, a), por uno de los cuales se t ransm ite a la superficie la luz <le una fuente a lejada y por el segundo, ol flujo reflejado llega al foLorreceptor. La variación del es tado de la superficie duran te las pruebas so de te rm ina y registra según la variación del flujo lum inoso incidente en el conducto receptor de luz. Un princ ip io do uso s im ila r se emplea <——FIG. 60. Régimen do trabajo bidircccional de conductos de luz


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FIG. 61. Conexión en paralelo de varios conductos do luz

para el cóm puto del núm ero y longitud de ciertos objetos que se m ueven, por ejemplo, por un t ranspo r tad o r (fig. 61, ó). E l em pleo de dos conductos de luz perm ite de te rm in a r no sólo el estado de la superficie en. prueba, sino adem ás la transm isión de luz de un m a te r ia l ^transparente (fig. 61, c). P a r a una resolución m ás exac ta , por ejemplo, del es tado de la superficie exper im en tada o para el cóm pu to diferencial de objetos de diferente coloración (supongamos verde, am aril la o roja) que se mueven por el t ranspor tado r , se em plean varios e lementos de f ibra , transm isores de luz; uno de ellos t ra n sm ite la i lum inación y, después de su reflexión sobre la superficie de los objetos, la luz incide eu los dem ás conductos luz conectados en para le lo con los folorreceptores 1 , 2 y 3 por medio do f i l t ros de coloros, cada uno do los cuales perm ite pasar sólo los rayos de de term inado color, por e jem plo, color verde V , am ar i l lo A y rojo B (fig. 61, d). E n esto caso, cada uno de los conductos receptores de luz se convierte en un contador de objetos del color (cromaticidad) correspondien te al f i l t ro crom ático a la salida.

Una lámpara para todo e l automóvil. El sistem a de i lum inación de un au tom óvil m oderno es b a s ta n te complicado. P a ra d ism inu ir la can t id ad de lám paras , por ta lám paras , longitud do cables, se em plea la óptica de f ibras en los modelos exper im en ta les u l tram odernos en forma de conexiones en paralelo de haces flexibles. Una sola lám p ara de iodo de 100 W do potencia , de la cua l par ten a d is t in tos lugares los conductos de luz f lexib les d is tr ibuyendo así la luz por diferentes puntos, su s t i tuye un s innúm ero de lám paras < - —F IG . 62. Esquema de bloqueo con conexión on serie do varios conducios de luz


en el automóvil. Sólo quedan los faros principales, para los cuales es necesario un fuerte flujo de luz

Conexión en serie de varios conductos de luz. Este tipo de conexión se emplea am pliam ente en la técnica de señales y bloqueo. La forma- cómo accionan los elementos fibrosos empalm ados se puede observar en la fig\ 62. Cuando las puertas de la cám ara están cerradas, la luz de la lámpara 3 pasa a través de los conductos de luz 2 em palmados en serie, y en el tablero de m ando el operador ve los extremos de Salida luminiscentes 6‘. Además, por medio de las derivaciones 5 de los haces de fibras la luz se conduce a las fotocélulas, las cuales t rab a jan en régimen de bloqueo. Si Ja puer ta se abre, se a lte ra el empalm e de los conductos de luz 1 y S, y en el tablero de control se apaga el extremo do salida 7; en consecuencia, la señal oléctrica de la fotocélula 4 , transformada en señales luminosa o acústica, indica para le lamente la infracción on el circuito de los conductos de luz. E n tales sistemas do señalización se empican, como regla general, lámparas multifilares, de ahí que si un filamento se daña, esto no afecta el trabajo del sistema en .general.

Am plificador de A - M . Ja lfin . Uno do los ejemplos de conexión en serie de los conductos de luz de la primera clase es el amplificador de brillo de radiación, como es una fuente luminosa débil m uy alejada: la luz 1 (fig, 63) a través de la lente de enfoque 2 se reúne en una en trada 3 del amplificador de bril lo y saca del cátodo fotoeléctrico 4 los o l e d roñes; estos ú ltim os son acelerados por el campo eléctrico y, al incidir on el luminóforo 5, provocan su luminiscencia, la que, al observarla a través de la ventana de salida 6 , unas 15 a 20 veces es m ás b r i l lan te que los rayos 1.

El flujo luminoso ya amplificado se transm ite de nuevo por medio del conducto de luz 7 a la


FIG. 63. Amplificador del brillo do luz coa conducios do luz

entrada del amplificador aumentando así su intensidad en 15—20 veces; ésta, a su vez, vuelve a transmitirse, a través del conducto de luz, a la entrada. El flujo emergonto 8 queda muy amplificado con respecto al flujo inicial incidente 1.

Los elementos fibrosos de la primera clase empleados en conexiones on serie, se utilizan en los sistemas do señalización para abrir o cerrar puertas, en los lugares donde no hay puertas para la determinación del paso de los objetos, en las cajas fuertes, en los submarinos, en las instalaciones de técnica de seguridad, y otros.

La vontaja de los conductos fibrosos do luz consiste en su involurabilidad. Otros elementos auxiliares (como lámparas, baterías, fotocélulas) deben ser sustituibles o dispuestos en lugares de fácil kaeceso para simplificar su reemplazo, o al contrario, dispuestos en lugares de difícil acceso para protegerlos de acciones externas. Los sistemas fibrosos de señalización se distinguen por sus pequeñas dimensiones, cómoda construcción y alta seguridad de funcionamiento durante su empleo.!

Elementos fibrosos en laholograjía . El esquema elemental de obtención de hologramas consiste


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en lo siguí en le: La luz del láser 1 a través del dilalador 2 del haz de rayos (fig. 64, a) incide en el objeto 3. La onda de luz difundida por el objeto 3 (haz de rayón de trabajo) incide sobre una placa fotográfica 5. Sobre esta misma placa incide el haz de rayón de referencia, o sea, parle de la luz del mismo láser reflejada por el espejo 4. En Ja placa fotográfica queda grabada la figura interferencia! de la acción conjunta de Jos rayos llegados a través dol ramal ríe trabajo y del de referencia del interioróme tro. Después de revelada la placa fotográfica, prácticamente £e puede observar una figura que so diferencia poco de una placa fotográfica velada uniformemente y desde el punto do vista óptico qji ella no hay ninguna imagen. Pero si ahora se conecta de nuevo el láser, y se coloca el hqlograma habiendo quitado ol objeto, podemos observar a través del holograma al igual que por Ja ventana, el objeto 6 en el misino Jugar (fig. 04, ó), como si no hubiera sido quitado. El objeto observado tiene un aspee lo al parecer real: variando la posición do la vista se pueden ver las parles alejadas y cercanas dol objeto, e incluso, algunas partes que no se ven desdo una posición y son visibles desde otras.

El empleo de la fjbroóplica permite obtener hologramas do objetos dispuestos en lugares inaccesibles y peligrosos: como do partículas en suspensión en un líquido, contenedores cerrados, dómenlos de combustión en reactores nucleares, mecanismos internos de máquinas y otros. En la fig. 6 4 ,ese representa oi esquema de obtención dol holograma de un motor eléclrico tí: Ja luz del láser / , que pasa o través de la placa divisara de luz 2 y los objetivos 3 incido sobre los <—- —FIG. 04. Elementos fibrosos de primera clase cu ludo- grafía

1 5— o i e a o 2 2 5www.FreeLibros.org

conductos de luz 4 y 5 (el conduelo do luz 4 fuii- ciona on la sección de trabajo y el conducto do luz 5 y en la sección de referencia del interferó- metro). La radiación del láser a travos del conducto do luz 4 , el objetivo y el espejo sem itransparente incide sobre el objeto tí y la luz difundida por éste incide en la p laca fotográfica 7, sobre la cual además incido el haz de roferencia a través del conducto 5 . El holograma obtenido de esta forma contieno la información sobre el estado y defectos de trabajo del m otor en el momento de la radiación. E l holograma así obtenido se expone a la i luminación por el mismo láser a través del conducto de luz 5, después de lo cual se estudia el objeto fijado.

Los ejemplos anteriores son algunos de casos en que se emplean los elementos fibrosos de la primera clase, y no expresan la verdadera difusión y las posibilidades de uso de los esquemas de éstos en la fabricación de instrumentos; la propiedad de las fibras de t ransm it i r rayos de diferentes colores ha perm itido su empleo en la colorimetría (medición de colores), los haces de fibras irregulares se emplean para la transmisión a distancia de flujos potentes de radiación, por ejemplo, desde la mancha focal de los helicon- centradorcs, para la transm isión do la radiación del lásor, incluso adentro del organismo humano con fines radio terapéutica in terna , la t ransm isión de señales de m ando a distancia de diferentes m áquinas, el control a d istancia de sistemas de calefacción central, en los apara tos de en trenam iento de pilotos y cosmonautas, la transmisión de señales de láser en los sistemas de rad io y comunicación telefónica, de señales de corriente continua en los rectificadores semiconductores, la transmisión de la señal luminosa de referencia en los instrumentos de fotometría y muchas cosas más.


i i. SEGUNDA GLASE:ELEMENTOS FIBROSOS PARA LA TRANSMISION DE IMAGENES OPTICAS

A la segunda clase se refieren ios elementos fibrosos regulares (esquema 2 ), destinados a la t ransm isión a d is tancia de la imagen óptica, o sea, la información organizada, por medio do canales rígidos o flexibles, rectos o curvos.

Como se puede observar on la tabla 6 , ac tua lm ente la difusión de los elementos do esta clase en la fabricación de instrumentos es cerca del 9% del número to ta l de tipos de s is temas de conductos de luz. Los elementos do esta clase es tán constitu idos por construcciones m ult i f i la - res con igual d istr ibución regular de filamentos elementales, conductores de luz, en ambos extremos del haz con bocas-campos luminosos (informativos) ob ligatoriam ente iguales por su form a y superficie de t raba jo en ambos extremos del haz, y , como regla general, do secciones rectas. A la segunda clase pertenecen dos tipos de elementos fibrosos: haces do fibras regulares flexibles y rígidos (ostos ú lt im os, de acuerdo con las exigencias, so fabrican rectos y con curva tu ra r íg ida constante). E n la ac tu a l id ad , Jos haces de conductos de luz de la .segunda clase más empleados en la fabricación de instrumentos, t ienen secciones de 0 ,5 a 400 m m y longitudes por el ejo del conducto de luz de 0,5 a 4000 mm y más.

Requerimientos técnicos ^básicos a los elem entos fibrosos. La transmisión de luz de los conductos se de term ina por la relación entre el flujo luminoso do en trada y el de sa lida por am bos extremos, es decir, os algo así como el rendimiento energético. Po r esto, en todas las diez clases de elementos se requiren a l ta s cua l idades en cuanto a la transmisión do luz. Si para


E s q u e m a é

S e g u n d a c i a s e ; e l e m e n t o s f i b r o s o s p a r a l a t r a n s m i s i ó n d e ] n i m a g e n

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a l vací<* a l v a c í o v a c í o

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los co n d u c to s de luz do b» p r im era c iase Los req u e r im ie n to s de t ra n sm is ió n do luz son fundam e n ta le s , para los de la seg un da clase se exige la reso lución de d e te rm in a d a frecuencia de línons do m i r a , así como t r a n s m i t i r la im agen con dete rm in ad o c o n tra s te , o sea , deben tener de te r m in a d o coefic ien te de transm is ión de co n tra s te , es dec ir , un rendim iento in form ativo . E n el c ap í tu lo I I I se d em o s tró que p a ra los s is te m as de conduc tos de luz d es t inad os a la t ra n sm is ió n de la im agen ó p t ic a , la t ra n sm is ió n de luz y el coef ic ien te de t ra n sm is ió n de c o n tra s te (y por lo ta n to , el poder re so lu t iv o y los ru idos m icro y m a croes tru a tú ra le s ) e s tá n to n l igados en tre sí que es im posib le la va r iac ión a r b i t r a r i a de un o sin v a r ia r o tro . De aq u í que las ca rac te r ís t ica s ó p t ica s ta le s como la a b e r tu ra n u m é r ic a , la t ra n sm is ió n de luz, el coefic ien te de transm is ión do c o n t r a s te , el poder reso lu t ivo y los ru id o s estruturales= de los s is tem as do conduc tos de Luz de la segunda clase y los requ er im ien to s reclam ados a el Los se cons ide ran en su in le rre lac ión para cada caso concre to de las condiciones de t ra b a jo de los e lem en tos fibrosos en los in s t ru m en tos .

1. E l s is tem a o b je t iv o —Liaz do conduc tos do lu z — ocular os un o de los m ás t íp icos y d i fu n d i dos en la fabricac ión de in s t ru m e n to s óptico- m ecán icos . Ya que la a b e r tu ra num érica de los o b je t iv o s y ocu lares g en e ra lm e n te no os m u y g ran d e (cerca de 0 .4 —-0,6), p a ra o b te n e r u n coefic ien te a l io rio t ra n sm is ió n de c o n tra s te se debe o b l ig a to r ia m e n te olmdecer el p r in c ip io de conco rdanc ia de las a b e r tu ra s (véase el c a p í tu lo 11), o sea , la a b e r tu ra del haz do conduc ios de luz t ie n e que ser igual o un poco m a y o r que la a b e r tu ra de l ob je t ivo y del ocu la r . E l poder reso lu t ivo del haz de conduc tos de luz en estos s is tem as debe ser, po r regla genera l , m a y o r de 50 l ínoas/m m


y g ü a lgunos in s t ru m en to s ha de l le g a r has ta 100— 120 l íneas /m m . E l ru id o m ic ro es t ru c tu ra l no se no rm a liza , pero se ex igen requer im ien tos r igurosos en cuan to a los defectos y a l aspecto inacromosaico. P a ra la t ra n sm is ió n de im ágenes a colores, por e jem plo , e n los in s t ru m en to s em pleados en m ed ic ina , es necesario u n a t ra n sm is ió n de luz equ id im ensiona l on u n in te rv a lo de longitudes de o n d as en tre 0 ,4 y 0 ,8 fx y, en tre o tras cosas, es ta condición es m ás im p o r ta n te que la ob tenc ión de u n a a l t a t ran sm is ió n de luz sólo para long itudes do ondas m edias , po r e jem plo , en tre 0 ,5 y 0,6 p..

2. E l s is tem a ob je t iv o — haz de conduc tos de lu z —ojo p e rm ite em p lea r e lem entos fibrosos con u n poder reso lu t ivo de cerca de 10— 15 l ín eas /m m , los aspectos m acrom osaicos y defectos e s t ru c tu ra les no m ayores que 100 [x. E s tos ú l t im o s , aunque ten g an d im ensiones h a s ta u n a s decenas de m ieras , no h an de localizarse en espacios de m á s de 100 jx. E n a lgunos s is tem as las ex igencias , en lo que se refiere a los defectos, son m ás r igurosas y a que en dependencia de las condiciones de a lu m b rad o de l ex trem o de e n t ra d a incluso los m icro defectos de 10— 20 se conv ie r ten en fuentes de d ispersión in tensa de la luz , percep tib les po r s im p le v is ta . E n cu an to a los ru ido s m ic ro es truc tu r ales no h a y requer im ien tos , el c o n tra s te de la im ag en no debe ser m en or que la sen s ib i l id ad de con tras te de l ojo h u m an o (cerca de u n 5 —10% ).

3. E l s is tem a lu m in ó fo ro —haz de conduc tos de lu z —-ojo h u m an o está d ifund ido en la fab r icación de in s t ru m en to s ópticos. E l lum inófo ro es u n a fuen te de rad iac ió n d ifusa (A i — 1). Cuando las observaciones deben realizarse a d ife ren tes inclinaciones angu la res , inc luso con ángulos .'andes con respecto a l eje de los conductos de luz, p a ra ob tener una a l t a ti ansm isión de luz y u n a l to con tras te de im agen es necesario que los


conductos de luz tengan u n a aber tu ra numérica no m in a l A 0 > 1. Esto se deduce del p r inc ip io de concordancia de las aber tu ras . Si las observaciones se realizan en direcciones próximas a la normal, en presencia do una fuerte i lum inación ex te rna , entonces es pe rm it ido (violando ol principio de concordancia de aber tu ras ) em plear el haz de conduc tos de luz con A 0 < ¿ 1 . pero con u n a l to coefic iente de t ransm is ión de con tras te (o sea, con el recu b r im ien to de las f ibras quo absorbe la luz) y , por consiguiente , u n a t ransm is ión de luz r e la t iv am en te ba ja . L as exigencias en cu an to a los ru ido s es truc tu ra les , defectos y ol poder reso lu t ivo son s im ila res a l caso an te r io r .

A. E l s is tem a lum inófo ro—haz de conductos do lu z —placa fotográfica se om plea on la fabricación de in s trum en tos electronoópticos para el fo torreg is tro por contac to de la imagen obtenida en ol ex trem o de sa l ida del e lem ento fibroso. A base del p r inc ip io de concordancia de abertu ras se logra una relación ó p t im a en tre la transm isión de luz y el con tras te para ab e r tu ra s num éricas A 0 > 1. E n com paración con el ojo hu m ano la p laca fotográfica puedo reg is t ra r con tras tes más a ltos y por eso es necesario un coeficiente de con tras te m ás a l to . Los defectos y aspectos macromosaicos son inacep tab les en la m ayor ía de los casos, las exigencias en cuan to al poder resolutivo, en dependencia del destino de los in s t ru m entos e lectroópticos , oscila desde 20—25 (como en los tubos oscilográficos do rayos catódicos) has ta 90— 100 l íneas/m m (como ol co nver t ido r olcctronoóptico de tres cámaras). E l nivel de ru ido m ic ro es truc tu ra l debe ser m u y ba jo en los tubos do rayos catódicos de a l to poder reso lu tivo , y puede ser un poco m ás alto en los tubos de poder reso lu tivo en tre 25 y 35 líneas/m m y no se norm aliza (o sea, no influyo en la ca lidad de la información) en los tubos de rayos catódicos


estilográficos. E l ru ido inicrocslrucí oral cons c ie n te on la i rregularidad do la transm isión de luz que aparece duran te la exploración do una m ancha luminosa con área de 5 a 1 0 filamentos conductores de luz, lleno lugar sólo en los tubos ile rayos catódicos en los cuales lo imagen so forma por la m ancha de exploración. En los convertidores eloctronoóp ticos, como en los instrumentos mecanoópUcos. la imagen en lodo el campo se. forma a un mismo tiempo y no en forma de exploración. Por esta causa el ruido miccoes truc tura 1 no es perceptible en estos instrum entos y no se reglamenta en las exigencias que se presenten a los ar tículos fibrosos.

Si en r*l sistema antes visto, la holgura entre el haz de conductos de luz y la placa fotográfica es en gran medida superior a l — 2 p , para la obtención de una fotografía con suficiente contrasto son necesarias piezas fibrosas de aber tu ra num érica do 0,5—0 .Í) con una intercalación aislante y absorbente de luz entre los f ilamentos. Estos dos últimos factores im plican una indica triz a la rgada de la distr ibución luminosa a la salida de los conductos do luz, lo que contribuyo a la d isminución del grado de decrcmento del contrasto de la imagen fijada en la placa fotográfica.

5. E l s istema ob je t ivo— haz de conductos de luz— placa fotográfica exige do los elementos fibrosos propiedades análogas al caso anterior: a l ta transmisión de luz, abortura numérica A 0 — = 1 , a l to coeficiente de transmisión del contrasto. poder resolutivo de 8 0 o 1 0 0 líneas/mm y más. H ay <pic tener on cuenta cpie en estos s is temas es l im itado el poder resolutivo del haz de conducios de luz (véase el capitu lo 1 1 1 ), lo que no deja realizar en la salida los poderes resolutivos, ha- bit.ualmenle altos, de los objetivos. Los defectos y los aspectos mosaicos on estos s is tem as son inadmisibles. El ruido mieroostruclural no se


reglamenta debí tío a la formación simultánea de la imagen en todo el campo.

fi. E l sistema objeto— holgura— haz do conductos de luz—receptor de Información lia sido suficientemente examinado en el capítulo III. Debemos recordar que en osle sistema se exige una alia transmisión do luz, la existencia de palilallas de absorción do luz en Jos extremos do entrada de las intercalaciones aislantes do luz o la existencia de envolturas semitransparentes y relativamente pequeñas aberturas numéricas de los conductos de luz. Los defectos y aspectos mosaicos no son permitidos, el ruido microostriic- tu ral no : se normaliza.

Para los elementos fibrosos de la segunda clase es necesaria una flexibilidad igual a la de los elementos do la primera clase. En la ac tualidad esla flexibilidad de los hoces do fibras se emplea sobro lodo en la fabricación de instrumentos médicos.

E l campo luminoso que es el área do los extremos dc los conducios de luz, de diferentes dimensiones y formas se emplea en la fabricación do instrumentos. En particular, ios campos luminosos (le los elementos do fibra emjileados en la fabricación do instrumentos oleclronoópticos, así como en calidad de pantallas traslúcidas (en lugar de pantallas opalinas, males y enceradas), tienen un diámetro o diagonal en los rectángulos basta de 400 mm y a veces más; las formas inásldi- fundidas son la redonda, cuadrada y rectangular, también se emplean en forma do tira alargada entre 1 0 y 2 0 mm de ancho.

Principios de empico de los conducios de luz. De lo anteriormente expuesto se pueden deducir algunos principios de empleo de los elementos fi- b rosos de la según da clase on la fabricación de instrumentos. A continuación so exponen algunos principios fundamentales no descritos anteriormente.www.FreeLibros.org

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1. La rea l izac ió n de func iones (lo e lem entos do dos clases en u n m ism o haz de co n d u c to s do lu z es en p r in c ip io p o s ib le , a u n q u e r e la t iv a m e n te u n caso poco frecuen te . A sí , po r e jem p lo , la aguja-microscopio h ip o d e rm ic a (fig. 65, a) que p e r m i te a los m éd ico s o b se rv a r los te j idos d ispues to s p ro fu n d a m e n te s in n eces id ad do in te rv en c ió n q u i rú rg ic a , t i e n e el liaz fino re g u la r d e f ibras ó p t ica s 3 in te rn a d o e n la a g u ja p a t ró n 4 p a ra inyecc ion es h ip o d é rm ic a s . L a lu z de la l á m p a r a 7 a u n ángu lo su f ic ie n te m e n te g ra n d e <C u 0 in c ide sobro el e x t rem o 2 de l haz de f ib ra s , se t r a n s m i t e a l o t ro e x trem o 5 e i lu m in a los te j idos e n c o n ta c to con el e x t r e m o . L a im ag en d e la sección de l t e j id o en c o n ta c to con el e x t re m o 5 d e l h a z do f ib ra s se t r a n s m i to a l e x t re m o 2 o b se rv a d o po r m ed io de u n m ic roscop io . P a ra f i ja r l a im ag en t r a n s m i t i d a el m ic roscop io e s tá d o ta d o de u n a c á m a ra fo tográf ica .

E n el i n s t r u m e n to d a d o se em plea el p r in c ip io de ré g im e n de t r a b a jo b id i recc io n a l de l haz de co n d u c to s de luz e l c u a l c u m p le las funciones de los e lem en to s de la p r im e ra clase ( t ran sm is ió n de luz p a ra la i lu m in a c ió n ) y lo s co n d u c to s de luz de la segu nd a clase ( t r a n sm is ió n de la im a gen) , E n ta le s in s t ru m e n to s so e m p le a n dos m é to d o s fie observac ión de la im ag en : de i lu m in ac ió n to ta l (fig. 65. b) y de so m b ra to t a l (íig.. 6 5 ,c). Al em p le a r e l m é to d o de observac ión de i lu m in a c ió n to t a l los ray o s in c id en tes en el

F1C». 05. [Esquemas de agujas -microscopios para observaciones inpodórmicas: a, b — iluminación do la cara del haz recular do conductos de luz bajo el ángulo ut < uo (observación con iluminación total); c, d — (observación con sombra total):T—fuente do luz; 2 —cara del haz de conductos do luz; 8—haz de conductos de luz para transmitir la Imagen; 4—aguja; 5 —cara distal de los conductos de luz; G—condensadores; 7—espejos; 8—microscopios; 9—pantalla opaca; jo—haz alumbrador de libras


F I G . 00. E sí]«tenia de un e n d o sco p io f le x ib le p a ra ob ser v a r ca v id a d e s p o c o a cces ib le

extrem o 2 del haz de conducios do luz tienen una reflexión parcia l (llamada tam bién reflexión ele Fresnal) y son captados por el microscopio y luego por el ojo, d ism inuyendo así el contraste de la imagen. Este fenómeno no se observa cuando se emplea el método de sombra to ta l: los rayos reflejados del extremo 2 del haz de conducios no son captados por el ojo.

2. La combinación de elementos fibrosos de dos o más clases en u n solo instrum ento , cada uno de los cuales l leva a cabo sus funciones, está b as tan te d ifundida en la fabricación de ins tru mentos. E n la fig. 6 b se representa el esquema de uu endoscopio flexible para la observación de los órganos internos del hombre. E n este in s trum ento so emplea el haz flexible transm isor luminoso de fibras 3, elemento de la primera clase que transmite la radiación de ia lam para / . a través de las lentes 2 térmicam ente aisladas, en forma de «luz fría» para la iluminación, dol objeto 6 en la cavidad in terna. Los rayos, después de reflejados por el objeto 6\ se proyectan por medio del prisma 5 y el objetivo 4 al ex trem o de en trada del haz regular flexible de fibras 7 (elemento de

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la seg un da cíase); es te u l t im o t r a n s m i te la im a gen a l e x t rem o cíe sa l id a donde es ob se rvada por m ed io del o cu la r .y.

3. Las conex iones en serie y en p a ra le lo de los conduc tos de luz de la segu nd a clase oslan b a s ta n te d i fu n d id a s en Ja fabricac ión de in s t ru m entos . E n la fig. 67, a se rep resen ta el esquem a de conex ión en pa ra le lo de haces regulares de f ib ras . La im agen del ob je lo 7 po r m ed io de los o b je t iv o s 2 se p ro y e c ta sobre los ex t rem o s (caras) «le e n t r a d a de los conduc tos de luz H y se t ra n sm ite a los ex trem o s de s a l id a , con lo c u a l se logra Ja t ran sm is ión de la im agen de un ob je to por m edio de var ios haces a d i fe ren te s observadores . La conexión en serie de e lem en tos fibrosos de Ja s eg u n d a clase es m á s f recuen te en la fab r icac ión de in s t ru m e n to s quo l a co n ex ió n en pa ra le lo . En a lg un os d isp os i t ivo s se exige la t ran sm is ión de un ob je to 7 (fig. 67, b) po r m ed io de un haz regula r de f ib ras f le x ib le # ; la im agen a Ja sa l ida debe ser a u m e n ta d a p o r u n s is tem a s in oculares (el co n la c to de l ojo con el ocu la r os in a d m is ib le en a lgunos d ispos i t ivos como en el caso de v ib rac io nes o cuando e l o p e rad o r debe obse rvar var ias fuen tes de in fo rm ación a la vez). E n esto caso se acop la en serie al ex trem o de sa lida de l liaz f lex ib le un focan r íg ido de en sanchado 4 . Gomo y a se h a b ía ind icado en el c a p í tu lo 1 IT. Ja conex ió n en serie do haces regulares de conduc tos de luz d ism in u y e la t ra n sm is ió n ríe luz to t a l , el coefic ien te de t ra n sm is ió n de c o n tra s te y el poder reso lu tivo .

4. Los conduc tos do luz de la segunda clase se e m p le a n en los in s t ru m e n to s en reg ím enes e s tá t icos y d in ám ico s . Los haces f lex ib les do fibras regu laros g en e ra lm e n te se em plean en los regím enes d in á m ico s de t ra b a jo , d u ra n te los cua jes v a r ía n (periód ica o c o n t in u a m e n te ) el c a rác te r y g rado de c u rv a tu ra y to rc im ien to del cana l


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fíG. 6 ?. Conexiones en paralelo (a) y en serie (b) do elementos fibrosos para transmitir la imagen<------y igualmente la distancia geométrica mínima entre los extremos de entrada y salida. E n la gran mayoría de los casos se emplean los haces rígidos regulares de fibras en posición fija y estát ica , inmovilizados durante el montaje y reglaje de todo el dispositivo. Sin embargo, en algunos instrumentos los conductos do luz rígidos se emplean en regímenes dinámicos. En la fig, 6 8 se representa el esquema de un periscopio de vista circular por exploración: la imagen del objeto por medio del objetivo 1 se proyecta sobre el extremo de entrada del haz rígido do fibras doblado 2 y se transmito, a través de la lente 3 y el prisma 4 y el ocular 5, al observador. El sistema formado por el objetivo 1 , el conducto de luz 2 y la lente 3 gira alrededor del eje A B explorando de tal forma el espacio exterior y transmite su imagen al observador fijo.

5.------En una serie de instrumentos, debido a las limitaciones de espacio, es imposible disponer el sistema de lentes en el extremo do entrada del haz de conductos de luz para formar por proyección la imagen del objeto sobre esto extremo, como en el caso, por ejemplo, de la aguja-microscopio antes vista (fig. 65, a). En la fabricación do instrumentos, el principio de transmisión de imagen a contacto o cuasicontacto por medio de un haz de fibras es empleado ampliamente. En la fig. 69 se representa el esquema de una cámara de exploración utilizada en investigaciones de zonas activas de un reactor atómico. La luz de la fuente 3 por medio del condensador 4 y el espejo 2 se recoge en el extremo redondo de entrada del <-------FIG. 68. Régimen dinámico do empleo del haz rígido regular de conductos de luz


FIO. 00. Rs»|»iema do una cám ara con óptica fibrosa liliiizuda para invcsfligaciwios do fus zonas ac t ivas do un reactor atómico

h a / irregular do fibras 5 (ol elemento de la tercera clase) y se t ransm ite al ex trem o alejado de la sonda estrecha transforma rulo la mancha luminosa c ircu lar en la de forma de ranura . Por medio del prisma 6 la luz se refleja a la superficie del canal estrecho de la zona ac t iva del roaclor nuclear. Los rayos reflejados del ob je to inciden sobre el prisma 6\ sufren una reflexión y se envían al haz regular de fibras 8 . La d is tancia (juego) entre el ex trem o de en trad a del haz S y a través del prisma, y ol objeto es igual a 0 ,45— 0 .‘2Q mm. La imagen en e l extremo fie salida dol haz 8 se registra en la película fotográfica 1 por medio del objetivo 9. La exploración dol objeto se efectúa por medio de la introducción constan te en ol canal 7 de los haces planos 5. 8 unidos en paralelo. Es ta cám ara lia dado buenos resultados en lo* ensayos prácticos realizados con olla, perm itiendo fijar señales insignificantes y de-? lectos re la tivam ente grandes de Ja superficie interna del canal.


Ejemplos de instrumentos con^conductos de luz^de la segunda^clase.* De la enorme variedad existente voamos sólo unos cuantos instrumentos con elementos fibrosos de la segunda clase.

Pantallas fibrosas. En la fabricación optome- cánica de instrumentos se emplean ampliamente las pantallas de difusión de luz a base do los vidrios opalinos o m aleados y las pantallas enceradas (fig. 70, a): la imagen del objeto se proyecta sobre la pan ta l la 2 por medio del objetivo 1 y se observa en el lado opuesto de ésta. La radiación comprendida dentro del ángulo 2 uv inr- cide sobro la pan ta l la y después do ser difundida por ésta sale en todas las direcciones en un ángulo 2 = 180°, es decir, que la mayor parte de la luz se difunde inúti lm ente y no llega hasta el observador, el cual generalmente se encuentra on los l imites de un ángulo 2u 2 = 40 90°.La imagen se percibe como de baja iluminación. Debido a esta difusión de luz el coeficiente do transmisión de contraste y el poder resolutivo en las pan ta l las clásicas son rc iá ti vamonte bajos; por tal razón, en los últimos años en lugar de éstas se están, empleando pantallas de fibras 3 (fig. 70, b): gracias a la direccionalidad de la in- dicat.riz de distribución de la luz (los rayos están comprendidos en u n ángulo no m ayor do 2 z¿0) la imagen es captada como a ltam ente iluminada; un alto con traste se logra m ediante los revest imientos de absorción de luz do los filamentos, lo que es imposible lograr en las pantallas clásicas, y la organización y monodireccionalidad de los granos de difusión (o sea, de los fila metilos conductores do luz) conduce a un a unión lo do 8 a 1 0 veces del poder resolutivo de las pantallas de fibras en comparación con las clásicas. Si hay necesidad de una transformación espectral do la radiación en estos sistemas La cara de entrada do la pan ta lla de fibras so recubro con un 1 uminó

l e — 0 1 6 50www.FreeLibros.org

foro 4 (íig. 70, c). l2n ú l t im o caso las pan ta l las do fibras pueden ser u t i l izadas como transparentes (fig. 70, c) o como reflectoras (fig. 70, d). Para la obtención de pan ta l la s reflectoras de fibras se ap lica tam bién el recubrim iento metálico b r i l lan te 5 a la cara de placas de fibras (fig. 70, e).

E l esquema de la fig. 70, / so emplea en las fo tocámaras de fibras para la fotografía en rayos X . E l lum inófo ro transforma los rayos X 6 en luz visible, la cua l se t ransm ite por medio de la p an ta l la de fibras a la em ulsión do la película 7 que so encuentra en contac to con la o tra cara de la placa (fig. 70, /). La fotografía y la f ilmación rá p id a en los rayos X invisibles perm iten investigar procesos de so ldadura eléctrica, el trabajo de contac tos eléctricos den tro de los bloques herméticos, el com portam iento del fusible eléctrico, la d is tr ibución de las masas y velocidades de par t ícu las en las toberas de los cohetes duran te la com bustión y o tros procesos complejos de transcisión rápida.

En la fig. 70, g se representa u n indicador fibroso do nitidez de la imagen, compuesto por la p an ta l la de f ibras 3 con superficie delan tera escalonada y superficie posterior lisa. E l obje tivo 1 proyecta sobre las caras do las pan ta l la s la imagen dol objeto. Por medio de la lupa 8 e l observador ve la imagen con varios grados de n it idez . Desplazando el objetivo en el p lano de las p an ta l la s se introducen diferentes zonas de imagen. E l plano de la p an ta l la de f ibras que corresponde a la m ayor n i t idez , so hace co incid ir con el p lano de l a placa fotográfica. Si so calcula el grosor de las pan ta l la s de fibras de modo que el obje tivo dé una imagen n í t id a de los objetos, s i tuados a d is tanc ias de term inadas, sobre la superficie do de te rm inada pan-

>FIO . 70. Principios funda muí ítalos del empleo de elementos fibrosos do segunda clase


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ta l la , este ind icador se puede u ti l iza r en ca lidad de telémetro óptico.

Conductos de luz en la endoscopio, para medicina . Los dispositivos endoscópicos es tán destinados al examen v isual de superficies y objetos in ternos situados en lugares de difícil acceso. La f lex ib ilidad del canal, las pequeñas dimensiones t ra n s versales, el poder resolutivo lo suficientemente alto , da posibilidad de t ra n sm it i r la imagen in dependientem ente del grado do cu rva tu ra y torsión, las longitudes re la tivam ente grandes y otras cualidades más de los haces flexibles regulares de fibras los hicieron elemento fundam en ta l p rác ticamente do cualesquier endoscopios. E n la ac tu a l i dad la endoscopia médica e in d u s t r ia l se ha convert ido en una de las ram as de la fabricación óptica de amplio y ráp ido desarrollo. E l endoscopio para m edicina con haces de f ib ras en paralelo de la primera y segunda clases (fig. 56) está resolviendo muchos problemas de diagnóstico. Veamos tres tipos de endoscopios para medicina.

E l endoscopio esofágico o esofagoscopio está destinado para la inspección y fotografía por medio de una cám ara fotográfica ex terna (fig. 71, a) de las diferentes sectores del esófago. Para la iluminación de las paredes in ternas , se t ransm ite , por medio do un haz de f ibras flexible irregular, luz fría de fuerte in tensidad. La fotografía ex ter io r exige del haz dc f ib ras flexible regular altas cualidades en cuanto a la transm isión do luz, la neu tra l idad de ésta en el in te rva lo 'de longitudes de ondas entro 0 ,4 y 0 , 8 p (para la obtonción de fotografías en colores de a l ta calidad) y en cuan to a l poder resolutivo. E l esofagoscopio tiene el m icroobjetivo dispuesto en un term inal f lexible m andado d is ta l , el cual puede girar a determ inado ángulo si es necesario, de t a l forma

— — . .>

FIG . 71. endoscopios flexibles fibrosos


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que d u ran te la observación no queden «zonas ciegas» que tienen lugar al rea lizar la inspección con los ondoscopios clásicos y adem ás se facili ta la «puntería» de la b iopsia ,o sea, extirpación de cuerpos homogéneos. En un tubo de 10 —13 mm de d iám etro se incluyen tam bién canales para b o m bear aire a presión a la cav idad a observar con el fin de hacer indoloro el proceso de introducción» para ciertos mecanismos de teledirección del term in a l , de limpieza de lentos y para las pinzas biópsicns. E l b loque de teledirección se encuentra en el ex trem o ex ter io r del dispositivo. L a cám ara fotográfica se puede su s t i tu i r fác ilm ente por el ocular.

La gastrocámara está des tinada para la fotografía de las paredes in ternas del estómago (fig. 71, b) con la ven ta ja sobre los gastroscopios clásicos de que la fotografía se realiza no a ciegas. La gas trocám ara contieno un haz regu la r flexible de f ibras con un ocu lar en el ex trem o externo y un ob je t ivo en el ex trem o d is ta l . E l haz es tá d es t in a do sólo para localizar el lu g a r necesario, por lo que las exigencias respecto a las carac ter ís t icas ópticas de estos haces son menores que en el caso an te r io r de fotografía exterior . U na m icrooám ara fotográfica se encuentra m o n tad a en el extremo distal del gastrocám ara (fig. 72). La i lum inación de las paredes estomacales so efectúa por medio de lá m p a ra s eléctricas, d ispuestas tam b ién en el ex trem o d is ta l del endoscopio. EJ m édico al observar a l pacien te por medio del haz de fibras no sólo ve y escoge el lugar en el estómago que debe fo tograf iar , sino que adem ás puede hacer g ira r la cám ara y v a r ia r la d is tancia focal nece-

FTG. 72. Esquem a do una microcámara fotográfica montada -en el extremo distal de la ga s i r o c o m ara fibrosa:7— chasis ; 2 — p ó r t a l á m p a r a ; 5 —l á m p a r a p a r a Ja col imación:

l á m p a r a d e flash p a r a fo tog ra f ia r : 5—c á m a r a fotográf ica; p r i s m a d e co l im ac ió n ; 7— obje t ivo . 6 — haz f lex ib le r e g u la r de

f ib ras


sa r ia , con lo que ob tiene la s fotos de los lugares que le in te resan . L a gas trocám ara m encionada puede to m a r 32 fo tograf ías seguidas. El empleo do baces de f ib ra s h a a n u lad o la ex is tencia de zonas estom acales no visibles.

E l cisloscopio es ta des t in ado para l a in v e s t i gación de la vejiga u r in a r ia del hom bre; en él se u t i l iz a u n conduc to de luz m u l t i f i l a r recto y rígido. L a im agen es p royec tada a l ex trem o de en trada del conduc to de luz po r m edio de un m ic roob je t ivo a t rav és do un prism a si la observación es la te ra l y sin p r ism a si la observac ión es d irec ta ; el ex trem o de sa l ida se observa a t rav és del ocular.

findoscopia técnica . D iferentes endoscopios de haces fibrosos se em plean para la observación de las paredes in te rn as de tubos y cav idad es en la fabricación do m aq u in a r ia s y en d iferen tes exper im entos de labora to r io : exam en de las c á m a ras de. co m b us t ió n , estado de tnbos de rad io y de cabezas de co m ba te , detección de un d ien te roto en una ca ja de cam bio de ve loc idades , rev is ión del es tado de to rn i l lo s , d ism inuc ión del t iem p o de contro l técnico , lec tu ra de inscripciones o in fo rm ación de in s t ru m en to s , e tc . Todo es to d ism inuye el t iem po necesario para la inspección técn ica. E n la g ran m a y o r ía de endoscopios técnicos u t i l izab les no h a y pe lig ro de «quemaduras» (excepto el caso de endoscopia de los obje tos in f lam ables y explosibles), com o esto suele ocurr ir en la m ed ic ina . D ebido a esto , en los endoscopios técnicos la i lum inac ión so efectúa por m ed io de u n a lá m p a ra e léc tr ica em p leando el b a z de f ibras f lex ib le reg u la r sólo p a ra la t ran sm is ión de l a im agen. E n la fig. 71, c se rep resen ta el aspecto ex terno de u n endoscopio técnico .

L a conexión en para le lo de haces en la endoscopia técn ica perm ite to m a r a la vez fo tografía y f i lm ación de v a r io s pun to s del ob je to es tu d iad o


(fig. 73 , a). Sobro el c i l in d ro del m o to r 7 so fijan los co l im a d o re s 2> cu y o s len tos enfocan la im agen cíe lu m in isc e n c ia en la c a m a r a d e co m b u s t ió n del m o to r sobre los ex trem o s de los co n d u c to s de luz Al m ism o l iem p o se reg is tra la lu m in o s id ad por m ed io de una fuen te de luz c a l ib ra d a 4. Todos los ex trem o s de so l id a de los co n d u c to s de luz se co locan en un p la n o y form an el cuad ro 5. P o r m ed io del o b je t iv o fí de la c á m a ra c in e m a to g rá f i ca se efecti'ia la t ra n sm is ió n de la im agen de un c u a d ro a u n a pe l ícu la c in em ato g rá f ica 7.

D eb id o a «pie la c á m a ra d u ra n te la f i lm ac ión debo desp lazarse , aparece una serie de d i f i c u l t a des. E s im p os ib le f i lm a r b a jo a lgunos ángu los dé to m a . P o r e jem p lo , es im posib le f i lm a r por enc im a de un g rupo de personas si la cá m ara so e n c u e n t ra ju n to a o llas ti i tam poco ro d a r u n a película por debajo de un c a b a l lo en ca r re ra . Da fibr.oópti- ca h a liocbo de las c á m a ra s f l im ad o ras y de los operadores c in em ato g rá f icos «temerarios» y «omn iv iden tes» . A la cám ara c in em ato g rá f ica se acop la un liaz f lex ib le de f ib ras (fig. 74), do tal form a que la im agen del ob je to l lega a un m ism o t ie m p o al o b je t iv o do la c á m a ra y al haz . La im agen en la s a l id a de este ú l t im o po r m ed io de un espejo de inversión y el o cu la r so observa por el operario .

E l o cu la r del v iso r do f ib ra s se f i ja en el casco. U n a c á m a ra c in em a to frá f ica de esto t ip o puede f i ja r los t ru c o s m á s inesperados: pnode f i lm a r do deba jo de las ru e d a s do un t ren en m o v im ie n to , de un a u to , e tc . E n t ro t a n to , el o p e ra d o r puede o b se rv a r t r a n q u i l a m e n te a t ra v és del v iso r s in exponerse a n in g ú n r iesgo. E l o p e ra d o r ten iendo t a l c á m a ra f i lm a d o ra con u n v iso r de f ib ras puede e n v ia r la , según se dice, co n t ra v ien to y m area . Si se acop la u n v iso r de f ib ras de lo n g i tu d necesaria a u n a c á m a ra de contro l rem o to se puede f i lm a r en el e x te r io r de la c a b in a de un


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F IG . 73. Conexión en para ló lo do haces en la endoscopia técnica■<-------a u to m ó v i l , a v ió n , n a v e cósm ica , m a n leu i endose e n t r e ta n to d e n t ro d e la c ab in a .

F re c u e n te m e n te , d u r a n te u n a f i lm ac ión es necesario f i ja r a u n m ism o t ie m p o la im ag en del objeto 1 (fig. 73, bj y de l objeto p a i tó n 2 , como son m arcas , nú m eros de los cu ad ro s , fechos y l u gares do f i lm ac ió n , in sc r ipc iones , etc. E m p le a n d o haces de f ib ra s de la segundo c la se es le p ro b le m a se resue lve c o n r e l a t iv a fac i l id ad . U no de los posib les esq uem as v ie n e dad o en l a fig. 73, b: el o b je t iv o 3 fo rm a u n a im a g e n t r a n s i to r i a del ob je to en el p lan o 4 , con e l cua l e s tá on co in c id en cia e l e x t re m o de s a l id a del h a z r e g u la r de f ib ra s 5 . L a im agen del o b je to y del ob je to p a t ró n por m e d io d e l o b je t iv o 6 se p ro y ec ta a l m ism o t iem p o en e l p la n o 7 de l a p e l ícu la fo tográf ica . E l m é tod o de t ra n s fe re n c ia de la im a g e n de l o b je to p a t ró n po r m ed io de u n h a z de co n d u c to s de luz es un o do los m á s d i fu n d id o s en la co ns trucc ión de in s t r u m en tos . E n a m b o s esquem as rep resen tado s en la fig. 73 se e m p le a es te m étodo .

E lem entos de fib ras e n la holografía . E n el p á r ra fo 1 0 hem os e x a m in a d o la u t i l iz a c ió n de los c o n d u c to s de lu z en la ho logra fía (fig. 64). Los e le m en to s de f ib ra s p e rm i te n en g ran m ed id a s im p l i f ic a r la co n s tru cc ió n de i n te rf e róm e t ro s ho log rá f icos u t i l i z a n d o en u n a de su s r a m a s (de t r a b a jo , de re fe renc ia o a m b a s a l a vez) conduc tos de lu z . D e es ta fo rm a se d is m in u y e n el n ú m ero de e lem en to s necesarios , la s d im ensiones y el peso del in s t ru m e n to , a u m e n ta n d o su lu m in o s id a d . La v e n ta ja f u n d a m e n ta l de los co n d u c to s de luz , al ser u t i l i z a d o s oñ la ho lo g ra f ía cons is te en la <-------F IG . 74. V iso r f lex ib le do f ibras pa ra u n a c á m a ra c in e m atog rá f ica


F IG . 75. E squem as <¡n d ispo s i t ivo s pal a ob tener bolo- g ra m a s de los o b je tos de difíc i l acceso

«ampliación de los m é to d o s in to r lo ren c ia le s de in v es t ig ac ió n : e s tu d io de. o b je lo s y c a v id a d e s de d if íc i l acceso, s im p l i f ic a c ió n cm lo f i lm ac ió n de in te r fe ro g ram a s de o b je to s b a jo d ife ren tes áng u lo s de f i jac ión { lo q u e es im p o r t a n te sobre to d o , c u a n do se t r a t a de in v es t ig ac ió n de fo rm a s co m p le ja s het.orogénas). E s to d a la p o s ib i l id a d de o b ten e r e n u n a m is m a p laca fo tog rá f ica y con u n haz de referencia c o m ú n v a r io s ho logra m as co r re sp o n d ie n te s a d ife ren tes áng u lo s de f i jac ión .

E n l a f ig . 75, a e s tá r e p re s e n ta d o el e squem a de o b ten c ió n de l io log ram as del o b je to 7, por m ed io de dos haces f lex ib le s do f ib ra s 3 , q u e se en c u e n tra den tro de u n a cám ara do d if íc i l acceso <S\ La r a d ia c ió n del lá se r a gas .7 se d iv id e en dos haces po r m e d io de la p laca d ív iso ra 2 , in c id ien d o el h a z de r a y o s de re ferenc ia d i r e c ta m e n te sobro la p la c a fo tográf ica 4 después de re f le ja rse del espejo 5. E l h a z de ra y o s de t r a b a jo se d i r ig e por m ed io de u n h a z f le x ib le de co n d u c to s de lu z a l


objeto 7 y después cíe su reflexión por éste incide sobre la placa fotográfica** través do los lentes 6' y el segundo haz de libras flexible regular; en esta placa, luego de la interferencia de los haces de trabajo y dc referencia se obtiene el holograma del objeto 7. En los esquemas semejantes, cuando no hay requerimientos en cuanto a la flexibilidad, con igual éxito se pueden emplear los conductos dc luz polifilares regulares y rígidos; estos últimos pueden alcanzar la curvatura necesaria por medio de un tratamiento térmico. La calidad informativa de los hologramas no se empeora si cambia la curvatura y torsión alrededor del eje de los haces de conductos de luz.

En la fig. 76 se observa un intorferograma do llama del infernillo, el cual ha sido obtenido por ayuda del haz regular flexible de fibras dispuesto en la sección de trabajo (fig. 76, a) y en la sección de referencia (fig. 76, b) del interferóme tro holo- gráfioo.

E n la fig. 76 se puede observar que la calidad óptica de los conductos de haz, utilizándolos en la sección de trabajo del intorferómotro es considerablemente m ayor que en el brazo de referencia: los defectos en los extremos de los haces se reflejan en la imagen obtenida en forma de grietas.

Como puede deducirse do la fig. 75, la luz difundida por el objeto 7 es concentrada por los lentes 6 en el extremo del haz, o sea que la imagen so proyecta cotí disminución. En estos esquemas de utilización do los haces do fibras regulares el grado de disminución admisible de la imagen de un objeto está limitado por el poder resolutivo de los elementos fibrosos.

Elementos fibrosos en los tubos de rayos catódicos. De todo el gran conjunto de dispositivos optoelectrónicos de diferentes tipos empleados en la actualidad con éxito y alta efectividad construidos a base de los elementos fibrosos, veamos


FIG. 76. Intoríerograma do la llama de un infernillo

los tubos de rayos catódicos receptores, llamados tam bién cinescopios.

E l cinescopio es una am polla de vidrio o m eta l herm éticam ente cerrada al vacío cuya cara fronta l 2, por la superficie in terior, está recubierta de u n luminóforo 1> el c u a l sirve de fuente de difusión de la luz (fig. 77, a). E l rayo electrónico de exploración 8 alj incid ir sobre este ú l t im o da origen a una im agen de¿ d iám etro en tre 1 0 — 200 ji. Si sobre u n cinescopio de este t ip o se coloca una película fotográfica, no se obtiene ninguna imagen, puesto que es tá separada de la fuente


o)

F IG . 77. E sq uem a de un tubo do rayos catódicos

lu m in isc e n te po r u n v id r io de grosor r e l a t iv a m e n te g rand e . P a r a f i j a r l a im ag en de la p a n ta l la del c inescopio se u t i l i z a u n a cám ara fo tográf ica , por m edio do la cu a l e l ob je t ivo 3 co n cen tra la im agen sobre la pe lícu la 4. S in em b arg o , el c o n t ra s te de la im agen (y, por cons igu ien te , el poder reso lu t iv o d e l c inescopio) r e s u l ta bajo.

L a causa do este efecto son los l la m a d o s ha los (fig. 77, b): la em is ión d ifus iva del lum inó fo ro se d i fu n d e po r l a c a p a p o te n te de la v e n ta n a de v id r io , los r a y o s co m pren d ido s e n u n ángulo igua la 2 u c — 2 a rcsen — « 8 0 ° , a l s a l i r de l v id r io ,Ticcu b ren to d a s la s d irecciones e n e l a i re a u n ángulo de 480°. D e t a l m o d o , m á s de la m i t a d de la luz

O

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Q — 4— o

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0


em itida por el luminóforo se transforma en halos. Los rayos incidentes a un ángulo mayor que u c se reflejan de nuevo hacia el luminóforo provocando su luminiscencia. Como resultado se forma alrededor de la imagen de la mancha 5 el halo lum iniscente 0 del cual surgen los halos secundarios 7 más débiles y así sucesivamente. E l radio r del primer líalo, para un grosor de la ventana de v idrio d , es igual a r = 2 d Ig u c. Generalmente el diámetro del primer halo es de 2 0 mm puesto que el grosor del vidrio no puede ser menor de una magnitud determinada por sus propiedades de rigidez.

Los líalos d isminuyen considerablemente el contrasto. Para aumentar su m agnitud se emplea un vidrio neutra l semitransparente (recuerden los recubrimientos aisladores de luz semitransparentes utilizados en la fibroóptica) en calidad de material para el vidro frontal, teniendo un coeficiente de transmisión de luz 0 ,6—0,7. Esto permite aumentar el contraste de la imagen en algunas veces. El aumento del contraste en esto caso se explica por el traspaso doble, a t r a vés del vidrio, de los rayos que generan los halos: desde ol luminóforo hacia la superficie externa y atrás, mientras que los rayos que salen atraviesan el vidrio sólo una vez, o sea, los rayos de los halos se atenúan en más de dos vecos que los ra yos emergentes. El brillo de toda la imagen en esto caso disminuye, lo que hay que compensar aumentando el flujo dei rayo electrónico 8.

Como se puede observar en la fig. 77, a, no todos los rayos salientes de la pan ta lla del cinescopio pueden ser captados por el objetivo 3\ parte de éstos pasan de largo. Si se emplea un objetivo de especial luminosidad se puede aumenta r la cantidad de rayos captados, pero siempre será menos del 1 0 0 % de los rayos emergentes; entre otras cosas, esto implica un aumento


s ign if ican te de las d im ensiones y com ple jidad de cons trucc ión del d ispos i t ivo de fotografía . Si se em plea u n ob je t ivo su f ic ien tem en te lu m in o so con u n a a b e r tu r a r e la t iv a 1 : 1 y que t ra sm i ta la im ag en a la pe lícu la con un a u m en to igual a 1 , el ángulo dol r a y o ex trem o en el v id r io que puede se r c ap tad o por ol ob je t ivo no es m ás de 8 —9o. T en iendo en cu en ta to d as las causas de pé rd id as de rayos lum inosos, en tre e l las las re la c ionadas con el m a te r ia l de l o b je t iv o , so puede d em o s tra r que sólo e l 1 —2 % de to d a l a em isión lu m in o sa de l lu in inóforo desde el p u n to S l lega h a s ta el p u n to S", es decir , que el rendim iento luminoso p a ra es te m é to d o de fo tograf ía de la im agen d i re c tam en te de la p a n ta l la del cinescopio, es m enor de l 2 %.

Los c inescopios clásicos, adem ás de las desventa ja s ind icadas , se ca rac te r izan ta m b ié n por el para la je ; la im agen de l p u n to 5 ba jo este efecto parece encon tra rse no en el lu g a r verdadero , sino e n u n a posición S x (fig. 77, a).

L a f ib roó p t ica ha efec tuado un perfeccionam ien to de los c inescopios a u té n t ic a m e n te revo lu c ionar io . Esto ocurrió cuando en ca l idad de venta n a de v id r io f ro n ta l fue em p lead a u n a p a n ta l la de f ib ras (fig. 77, c): l a im agen fo rm ad a e n el lu- minóforo se t ra sm i te por los f i lam en to s de conductos de lu z a la superfic ie ex te r io r de la le n te de f ib ras . Cada uno de los f i lam en tos , para A 0 1, deja p a sa r p r á c t ic a m e n te toda la rad iac ió n del lum ínófo ro l a cu a l in c id e to ta lm e n te en la pe l í cula 4 , e n co n tac to con la ca ra de sa l id a de la p a n ta l la de f ib ra s , o sea, el r e n d im ie n to lum inoso del f i la m e n to u n i ta r io es de cerca de l 1 0 0 %, lo que es 50 veces m a y o r q u e en el m é tod o clásico de fo tograf ía . E n genera l , para la p a n ta l la de fibras,: ten ien d o en cuen ta que es tá c o n s t i tu id a de f ib ras , el re n d im ien to lum inoso es ig u a l a xh X X l 0 0 % . Supongam os que x 5 = 0,7; en tonces el

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ren d im ie n to lum inoso de to d a ía p a n ta l la es el 70% y 35 veces m ay or que ol ren d im ien to del s is tem a clásico*

E l registro fotográfico de con tac to de la im agen ha d ism inu ido cons ide rab lem en te las d im ensiones del s is tem a, unas cu an ta s decenas de veces ha au m en tad o su lum inos idad , o sea , la b r i l lan tez de la im agen . Esto ha perm itido au m en ta r en igual núm ero de veces la velocidad de g rabado fo tográf ico , ol co n tra s te y la frecuencia do resolución. Los cinescopios de pan ta l la s f ro n ta le s de f ibras es tán l ib re s de p a ra la je . La ca l id a d do la im agen ha au m en tad o ta m b ié n grac ias al a u m e n to brusco dol núm ero de elementos: 250 000 e lem en tos en la im agen do televisión com ún y varias docenas de m il lones do elem entos (f i lam entos conductores de luz) en la p an ta l la de f ibras .

S i a l pasar de l cinescopio clásico a un tub o de p a n ta l la de f ib ras no se p la n te a como tarea p r in c ip a l u n a u m e n to no tab le del b r i l lo de la im agen , sino que se prevé so lam ente un aum e n to del poder reso lu t ivo , a base de la a l ta lu m in o s id a d de la p a n ta l l a se puede lograr una gan anc ia en los pa rám etro s e léc tr icos dol cinescopio: a u m e n ta r la ve loc idad de exp lorac ión , d i sm in u i r la tensión del e lec trodo acelerador, d ism in u ir la corr ien te de t ra b a jo en ol r a y o electrón ico , a t e n u a r la q u em ad u ra del lum inóforo , d ism in u ir la po tenc ia em p lead a e n los esquem as de desv iac ión del rayo , red u c ir la ra d ia c ió n de ray o s X del tubo , pa rás i to s y per jud ic ia les para la s a lu d de l hom bre , y m uchas cosas más.

Los espec ia lis tas cons ide ran que uno de los cam pos para n uev as ap l icac iones de los cinescopios de p a n ta l la s de f ibras será la te lev is ió n de uso dom éstico , donde estos tubos p e rm i t i r á n un aum ento de la ca l id ad de la im agen y ver program as en condiciones de i lu m in ac ió n diurna»


12. TERCERA CLASÉ:ELEMENTOS FIBROSOS PARA LA TRANSFORMACION DE LA INFORMACION LUMINOSA

Los e lem en tos fibrosos de la tercera clase (e sq u em a 3) e s tá n des t inados para la t ransfo rm ac ión — t ra n sm is ió n y convers ión de la in fo rm ación lu m in o sa deso rgan izada , de señales lu m in o sas, e t c . , es decir , de in fo rm ación no en la fo rm a de im a g e n ó p t ica c o m ú n . Como so puede o bse rvar e n la t a b la 6 , es ta c lase de e lem en tos f ibrosos son ios q u e t ien en en la a c tu a l id a d m a y o r d ifusión en la fab r icac ió n de in s t ru m en to s : m ás del 60% de to d o s los t ip o s de los s i s te m a s de conduc tos de luz em p leado s y en proyección. E s to s e lem en tos fibrosos de es ta c lase h an p e rm it id o u t i l i z a r una serie de p r in c ip io s c o n s t ru c t iv o s en la t ra n sm is ió n , a lm a c e n a m ie n to y reproducción de la in fo rm ac ió n , a s í , po r e jem p lo , ios p r inc ip ios de i n versión de la im a g e n , nuevos m étodos de e x p lo ra c ió n a l t e r n a t iv a y g i ra to r ia , la d iv is ió n de la in fo rm ac ió n en e lem en tos según una loy p ref i jada , la v a r iac ió n de la s d im ens ion es y fo rm a to de la im ag en , la cod if icac ión y descodificación de in fo rm ación , la t ran sfo rm ac ió n de la seña l lu m in o sa en fo rm a m ás cóm oda p a ra la exp lo rac ión por m ed io de d isp o s i t iv o s s im p les d u ra n te la búsqueda y seg u im ie n to a u to m á t ic o y m uchos o t ro s m ás. P o r reg la g en e ra l , los s is tem as a baso de los co n duc tos de luz , ad e m ás de la s p ro p ied ades a n te r io res p a ra la t r a n s fo rm a c ió n do la in fo rm ac ión lu m in o sa , se ca rac te r izan po r su c o m p a c t ib i l id a d , peso l igero , f i a b i l id a d do fu n c io n am ien to , reg laje y ex p lo ta c ió n s im p le de los d isp o s i t iv o s y o t ra s v e n ta ja s m ás.

S in em b arg o , no so lam onto por e s ta s c u a l id a des se puede e x p l ic a r la a l t a d ifus ión de los conduc tos de lu z de es ta c lase y s u em pleo c ad a vez m ás a m p l io en nu evo s t ip o s de t rans fo rm ad o res de


E s q u e m a 3

Tercera clase — elementos fibrosos para ia t ransformación de la información luminosa

I

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f ib ras de información. L a causa fundam en ta l r a dica en la resolución de una serie enorme de problem as de información de los cuales una gran m ayoría o eran insolubles por m étodos clásicos de la óp tica , o eran solubles en principio, pero de uno forma no m u y acabada , con grandes d im ensiones y peso, con u n reglaje compiojo de un número enorm e de e lem entos ópticos y con bajos parám etros de sa l ida , que no hubo posibilidad de su empleo.

Con los ejemplos que daremos a continuación, de algunos de los miles d ispositivos existentes, se pueden dem ostrar las a l ta s cualidades y venta jas de los transform adores do fibras en los cuales se u t i l iz a n con gran efec tiv idad los s is temas do conductos do luz de la tercera clase. L a optoelec- trónica, los métodos de exploración au tom ática , los s istemas de exploración, la c ibernética técnica, los s is tem as óptico-lógicos, la fabricación de instrum en tos cósmicos y o tras direcciones de la ciencia y la técnica se basan generalm ente en los elementos conductores de luz.

E n el e jemplo concreto de dispositivos veremos los t ipos fundam enta les de transformación de inform ación desorganizada que se efectúa por medio de los elementos fibrosos de la tercera clase y fam iliar izándose de paso con algunos pr inc ip ios fundam enta les de su uti l ización de la fabricación de instrum entos.

Variación dc las dimensiones de una mancha luminosa. La transform ación e lem enta l efectuada por los elementos de la tercera clase es la variación de las dimensiones de una m ancha luminosa conservando la semejanza geométrica de la forma de los extremos de los conductos de luz al cam b ia r la aber tu ra de los haces de rayos. Los conductos de luz monofílares resueleven a su vez el p roblema de una i lum inación promediada super1- ficial del ex trem o de salida independientem ente


de la d is tr ibución de lo i lum inación superficial en el ex trem o do en trad a , lo que en la fabricación do in s trum en to s se u t i l iza para ol a lum brado uniforme de una superficie expuesta a la i r rad ia ción" como, por e jemplo, de la superficie fotosensible de un fotorroceptor. Los conductos de luz que en ol t rayec to del rayo van d ism inuyendo su sección concentran el f lu jo lum inoso , inc iden te en el extremo de en trad a , en el ex trem o pequeño, creando de esto forma una g ran lum inos idad do éste y aum en tando así la aber tu ra del baz de rayos emergentes del ex trem o pequeño. E n dirección con trar ia a l desplazam iento de los rayos ocurre u n a «difusión» de este f lu jo en la superficie grande, u n a d ism inución de la lum in o s id ad y de la ab e r tu ra de los rayos sa l ien tes del extremo. En los focones y foclines va r ían las dimensiones de las caras m an ten iendo u n a semejanza geométrica perfecta; en los anam órfotes se m an t ien e cons tan te la dimensión do una sección transversa l y la otra varía , o sea, que la forma do las caras de los extremos es cuasisem ejante . P a ra com pensar la dependencia en tre la ab e r tu ra de los conductos de luz y el rad io de cu rv a tu ra com pleja de los conductos de luz de la tercera clase, al igual que en los conductos de luz de la prim era clase, se u t i l iza la es truc tu ra m u l t i f i la r . Los foclines y los anam órfo tes se em plean frecuentem ente en los dispositivos en forma enrollada.

En la fig. 75, b se represen ta el esquem a de obtención de hologram as por m edio de los conductos de luz, los cuales bacen v a r ia r las d im ensiones de lo m ancha lum inosa y la ab e r tu ra del haz de rayos: la rad iac ión 1 del láser después de d iv id irse en una placa divisora de luz 2 incide a t ravés de los focones 3 sobre el ob je to 4 y la placa fotográfica 5. Los focones 5, cuyo d iám etro d ism inuye g rad u a lm en te , f lexib les o r íg idos , con un d iám etro de sa l ida de varios micrones, se


FIG. 78. Disector fibroso do información: a — división física de u n a im agen enteriza en pun tos discretos; b — fotorrcceptor mosaico do m últ ip les elementos con conductos do luz que transforman oí tam añp do la mancha luminosa

disponen en las secciones de referencia y de t r a bajo dol s is tem a y desem peñan el pape l de ob jetivo microscópico de d iafragm a p u n tu a l , dando a la sa lida p rác t ica m en te una onda esférica ideal. En ensanch am ien to an g u la r del haz do rayos es igual a la d ism inución del d iám etro del ex trem o de sa lida con respecto a l de en trad a .

E n la fig. 78, a se represen ta un d isector f i broso de inform ación , el cual f ís icam ente d iv ide en p u n to s discretos los cam pos adyacen tes de una im agen p lan a en teriza: los conductos de luz del focón que es tán d ispuestas en fo rm a com pac ta en u n ex trem o , se encuen tran d iv id idos en el


olro ex trem o , lo que fac i l i ta el p rob lem a de recepción o de oxplorsición de la imagen.

E n la fig. 78, b se rep resen ta la construcción de fo to rrecep to r de m ú l t ip le s e lem entos , el cual cons is te en u n m osaico de e lem en tos sensibles ap l icados en u n a p laca 2 y conec tado en form a escaqueada.

P a ra e v i ta r l a in fluencia de in te rva los no ac t ivos ocupados po r los cables de conexión , se em plea el b loque J de co n d u c to s de lu z p i ra m id a les, uno p a ra cada e lem en to sensib le . E l ex trem o de e n t ra d a de cada co n d u c to , de luz corresponde al d iá m e tro do la m an ch a de d ifusión del s is tem a óp tico y t iene la s d im ensiones de 0 , 2 6 X 0 , 2 6 mm; los ex trem o s de sa l ida corresponden a u n a pequeña superfic ie del e lem ento fo tosensib le y t ien en las d im ensiones de 0 , 1 3 X 0 , 1 3 m m .

E s te t ip o de fo torrecep tores de m ú l t ip le s e lem en to s se om plea p a ra r e sa l ta r b lan cos p u n tu a les s i tu ad o s en e l fondo do los o b je to s n a tu ra le s de c a rá c te r con tinuo .

T ransfo rm ac ión de la fo rm a de una m ancha lum inosa . Los e lem entos fibrosos p e rm ite n real iz a r u n a t ransfo rm ac ión , p rá c t ic a m e n te cua lqu ie ra do la form a geom étr ica com pac ta de la m ancha lum inosa , incluso reconstruyendo la fo rm a de la m an ch a y fo rm ando s ím bolos , es decir , pe rm iten la fo rm ac ión de obje tos i lum inados . E n la fig. 79, a so rep resen ta la fo rm ación de la cifra «5» por m edio do u n haz f lex ib le de f ib ras ; en la fig. 79, ó, la fo rm ac ión de u n an il lo lum inoso que a su vez pu ede se rv ir de le t ra «O» o do c if ra «0 »; en la fig. 79, cy la fo rm ación de la c i f ra «/>>. Al re a l iz a r la t ran sfo rm ac ió n d e - la . fo rm a de-runa m ancha lum inosa , las áreas de los ex trem o s de los t ran sfo rm ado res de f ib ras pueden ser^ iguales o pueden diferenciarse.

E n la fabricac ión de in s t ru m e n to s óp t icos , para u t i l i z a r por co m ple to l a rad iac ió n en l a re-


so lución de m uchos p rob lem as se exige la t r a n s fo rm ación de la fo rm a de u n a m an ch a lum inosa conservando la m a g n i tu d de su área, por ejemplo, la t ra n sm is ió n de la r a d ia c ió n de u n a fuento est re c h a y a la rg a d a (en ren d i ja ) a un fo to rrecep to r cuya área sensib le suele ten e r u n a fo rm a c ircu la r o c u a d ra d a . P ro b le m a s sem e jan te s se resuelven por m ed io de t ran s fo rm ad o res de la fo rm a de la m a n c h a lum inosa t ip o ren d i ja — cu ad rad o (fig. 80) con iguales á reas de am bos ex trem os (caras). E s to s t ran s fo rm ad ores , e s tán des tinados , en p a r t ic u la r , para recoger la luz de u n a zona es trecha en rend i ja de l cam po curvo de un objet iv o y t r a n s m i t i r l a al fo to r recep to r p lan o con pequeña área de la sección recep to ra . Además de la t ra n s fo rm ac ió n de la form a de la m ancha lu m in o sa y de la concen trac ión de la lu z desde una ren d i ja a un cuadrado* e llos ta m b ié n co rr i gen la c u rv a tu ra de l cam po dol s is tem a óptico an te r io r . L as d im ensiones de los t ransform adores de f ib ras son g en e ra lm e n te pequeñas . Los colectores de lu z de la fig. 80 t ie n e n las s iguientes d im ensiones: el ex trem o en ren d i ja , 0 ,9 XX 70 m m ; el e x t rem o cu ad rad o , 8 x 8 m m ; la lo n g i tu d a lo la rgo dol e je óp tico del co n d u c to de luz e lem en ta l m edio , cerca de 75 m m .L a t ra n sm is ió n do luz de los t ran sfo rm ad ores sem e jan tes depende del re l leno seccional del ex trem o do o n tra d a po r f i lam en to s conduc to res de luz; de la t ra n sp a re n c ia d é l o s v id r io s co m ponen tes del f i la m e n to y e l r e cu b r im ien to de los conductos de luz ; de la c a l id a d de la ba rre ra d iv isora f i lam en to — re c u b r im ien to ; de la a b e r tu ra n u m é rica de e n t ra d a y ángu lo de deflex ión de los e x t re m o s de los conduc tos de luz e lem en ta les . E l em pleo de los conduc tos de lu z m onofi la res de d iá m e tro e n t re 0 ,9 y 1,0 m m con el grosor m ín im o ad m is ib le . de l , r e c u b r im ie n to a is lado r de luz y con com presión té rm ica de los ex trem o s de los


F i G . 70. T ran s fo rm ad o res d e f ib ra s ele l a fo rm a do la m an ch a lu m in o sa

co n d u c to s , ha. p e rm it id o r e a l iz a r u n re l len o con f i la m e n to s del e x t re m o -en r e n d i j a de l t r a n s f o r m a do r de cerca del 9 5 % . E l em p leo de los p a re s de v id r io s de a l t a c o m p a t ib i l i d a d tecno lógea b an dado p rác t icam en te una barrera d iv iso ra idea l f ilam ento — recu b r im ien to . E n estos t ra n s fo rm a d o res los conduc tos do luz u n i ta r io s l legan a los extrem os en form a p e rp e n d ic u la r para que debido al án g u lo de deflexión de los ex trem os no d ism in u y a la a b e r tu r a de éstos. P a r a la o b ten c ión de u n t r a n s fo rm a d o r del t i p o r e n d i ja — c u a d ra d o son a c e p ta b le s s o la m e n te los co n d u c to s de luz d o b la d o s f le x ib le s y r íg idos .

O tro s t r a n s fo rm a d o re s de f ib ra s s e m e ja n te s se p ueden e m p le a r t a m b ié n en u n r é g im e n de t r a n s fo rm ac ión de m a n c b a lu m in o sa e n r e n d i ja a u n a c u a d r a d a o r e d o n d a de c u a lq u ie r fo rm a d a d a del e x t r e m o en r e n d i ja : c ó n c a v a , p la n a o convexa (fig. 81 , a, £>, c), on d e p e n d e n c ia de l a c u r v a tu r a del c a m p o a n te r io r del t r a n s fo rm a d o r y s ig u ie n te de los s i s te m a s ópticos.: E s pos ib le u n proceso inverso (fig. 81, d).

E l em p leo de u n t r a n s fo rm a d o r de f ib r a s del t ip o c írcu lo — r e n d i ja fue p ro p u es to p o r p r i m e ra vez en 1939 por . S. T o la n s k y ( In g la te r ra ) . El d isp o s i t iv o de i lu m in a c ió n e m p le a d o (fig. 81 , e) p e rm it ió o b se rv a r l a g a rg a n ta de u n a persona . E l e x t r e m o de u n a b a r r a de v id r io se c a le n tó para d a r le l a fo rm a de u n a e s p á tu la y así poder pegar la le n g u a y n o d i f i c u l t a r la i lu m in a c ió n y observación de la g a r g a n ta . E n el o t ro e x t r e m o del c o n d u c to de lu z so acop ló u n a p e q u e ñ a l a m p a r i t a

FIG. 80. Transformador de fibras de la forma de la man cha luminosa del tipo rendija—cuadrado: a — vistalateral; b — luminiscencia de la cara en rendija cuando se ilumina la cara cuadrada


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V I G. 81. T ra n s fo rm a d o re s de f ib ra s d e la m an ch a lu m inosa con u n fixU'omo l inea l ---------------

c u y a luz po r i n t e r m e d io de l c o n d u c to de luz iba d i r e c ta m e n te a la g a r g a n ta . Los t r a n s fo rm a d o re s de f ib r a s de m a n c h a s lu m in o s a s se p u ed en hacer de f ib r a s m onofLiaros (fig. 81 , e) y m u í t i f l l a r e s (fig. 80), r e c t i l ín e a s y d o b la d a s , in c lu so las t o r c id a s a l r e d e d o r de su eje , r íg id a s y f lex ib les . Transform ador de f ib ra s de la fo rm a de u n a m ancha lu m inosa en u n espectrógrafo este lar. D u r a n te la s in v e s t ig a c io n e s e s p e c t r o g r a f í a s d e lo s o b je to s a s t ro n ó m ic o s a p a re c e n d i f i c u l t a d e s r e la c io n a d a s co n la p o ca l u m in o s id a d de es to s . In c lu so con u n a s c o n d ic io n e s v e n ta jo s a s de la a tm ó sfe ra y u n a a l t a l u m in o s id a d del s i s te m a ó p t ico , la c a n t i d a d de luz in c id e n te sobre la p la c a fo to g rá f ica n o s ie m p re es s u f ic ie n te p a r a l a o b te n c ió n de b u e n o s e sp e c t ro g ra m a s . A d e m á s l a h e n d id u r a d e e n t r a d a de l e sp ec tró g ra fo reco r ta sólo p a r t e de l a im a g e n , po r e jem p lo , d e u n p la n e ta , y po r es to , h a s ta l a s ex p o s ic io n es l a rg a s n o d an los r e s u l t a d o s e sp e rad o s ; b a jo la s c o n d ic io n es m ás f a v o ra b le s s o la m e n te o n t r e u n 70 y un 7 5% de t o d a l a luz q u e to m a p a r te en la fo rm a c ió n de la im a g e n en e l p la n o do la h e n d id u r a de e n t r a d a , inc ido e n l a p la c a fo tog rá f ica .

P a r a e m p le a r a l m á x im o la lu z , .se u t i l i z a un haz de f ib r a s t r a n s f o r m a d o r de c írcu lo en l ín ea (fig. 81 , d ) , d e t a l f o r m a q u e sobre el e x t r e m o c i r c u la r de e n t r a d a de l haz de f i b r a s l (fig. 82) se p ro y e c ta l a im a g e n de l o b je to , q u e a l l l e g a r a l e x t r e m o de s a l id a c o in c id e n te co n l a h e n d id u r a de e n t r a d a de l e sp ec tró g ra fo , se t r a n s fo rm a de

F IG . 82. V is t a genera l de u n d i sp o s i t iv o p a r a re g is t ra r espec tros do p lan e ta s :J — h a z d e f i b r a s ; 2 — p l a c a d e v i d r i o ; 3 — o b j e t i v o c o l i m a d o r ;

4 — p r i s m a ; o b j e t i v o d e l a c á m a r a ; 6 — l e n t e c i l i n d r i c a ; 7 — p l a c a

f o t o g r á f i c a


c ircu lar en u n segm ento de la rec ta de long itud igual a la long itud de la h en d id u ra . La luz recib id a del p lan e ta de es ta form a se em plea m ucho m ás en su to ta l id ad , puesto que el área to ta l de cada uno de los ex trem os es igual, sobre todo cuando se t r a ta de construcciones m onofüa res del t ra n sfo rm ad o r de f ibras . L a s pérd idas to ta le s de la luz no son grandes. Las pé rd idas do Fresnel debidas a la re f lex ión en los ex trem os pueden d ism inu ir por m edio de recubrim ien tos . P a ra corregir los aspectos mosaicos se em plea la p la ca oscila toria de v id r io 2 , y p a ra l im i t a r la a l tu ra del espocto so em plea la len te c i l ind r ica 6.

Tipos de conexiones de los conductos de luz. E n la tercera clase de e lementos de f ib ras adem ás de las conexiones en para le lo y en'serie ca rac te r ís t icas para las dos pr im eras clases de e lementos u t i l izad os en la fabricac ión de in s t ru m e n to s , está d ifund ido el t ip o de conexión m ixta . Las conex iones en para le lo de los conductos de luz de la p r i m era y tercera clases so d iferencian bás icam ente . Los haces de conductos de luz 1 (fig. 83, a) de la prim era clase un idos en para le lo se encuen tran c la ram en te d iv id idos en un ex trem o com ún 2, m ien tras que los haces de conductos de luz de la tercera clase en el ex trem o com ún n o e s tá n d iv ididos: las f ib ras u n i ta r ia s de cua lq u ie r haz 3 pueden ir a p a ra r a cu a lq u ie r p u n to del ex tre mo 4 (fig. 83, b).

E n la fig. 83, ese represen ta una conexión m ix t a de haces de conductos de luz de la tercera c la se: la luz del oxteromo 6 sale por los ex trem os 5, 7, 9 T11 y al ex trem o 9 llega ta m b ié n de los extre-* mos S, 1 0 y 12. La conexión en serio de dos t ra n s form adores de f ib ras m ix to s com plica ol ca rác te r de la conexión (fig. 83, d). E s te t ip o do conex iones se em plea am p l ia m en te en lo s l la m a d o s esquem as in tegrales ópticos, los cua les pueden t r a n s form ar, t r a n s m i t i r y a s im ila r la in form ación


según la loy prefijada correspondiente a l earácte- d e te rm in ado de conexión de los haces de conducr tos de luz. E n este caso la señal sobre la llegada y p a r t ic u la r id a d de la inform ación para el análisis se c ap ta a un mismo t iem po por varios receptores. De o tro lado , a un m ism o recep to r que a n a liza la inform ación por un pa rám e tro de te rm in a do puede llegar la inform ación lum inosa por varios canales.

Dispositivo para la identificación de signos por medio de u n transformador de fibras. E s te d ispos i t i vo es un e jem plo de conexión m ix ta de haces de conduc tos de luz (fig. 84, a): la cifra por id en t i f icar 1 por m edio del ob je t ivo 2 se proyecta al ex trem o de en trada 3 del t ransfo rm ador de f ibras . E s te ex trem o de e n t ra d a consiste en u n a m atr iz con un co n ju n to de ce ld il las o do ex trem os cuadrados do e n t ra d a , los cua les fo rm an t ransfo rm ado r de haces de f ib ras . E s tos ú l t im o s en el ex t re mo de sa l ida so d iv iden en rn^ mechas e lem en ta les, donde m* es el núm ero de im ágenes de las cifras inc iden tes en la /c-ésima ce ld i l la , donde 0 sgl rn/, ^ 10. De cada una de las celd il las sobre las cuales se proyecta una cifra dad a , so de

FIG. 83. Conexiones en paralelo, en serie y mixta dohaces do conductos do luz do torcora clase


r iva una m echa e lem enta l de l ib ras ; estas mechas se unen en un haz y van a parar a l fo torreeep tor 4, correspondiente a u n a cifra dada . E l núm ero de celd il las sobre las cuales se p royec ta u n a cifra dada es transm it ido por un número igual de m echas de f ibras e lem entales a cada uno de los 10 fotorrcceptores. E n la fig. 84, b se rep resen tan a lgunos ejemplos de proyección de c ifras al ex trem o de en trad a del transform ador; los núm eros puestos en cada ce ld i l la del ex trem o de en trada indican en cuán tas m echas e lem enta les se d iv ide a la sa lida el haz de f ib ras de u n a ce ld il la dada . Los d isposit ivos de este t ip o pe rm iten id en t i f ica r no sólo cifras, sino cua lqu ie r otro s ím bolo de contorno conocido (modelo, po r ejemplo).

Más ade lan te cuando se e x a m in a rá n los t ipos cpucretos de transform ación y de d isposit ivas , se c i ta rá n e jem plos do lo s 3 t ipos de conexiones de conductos de luz.

T ransform adores unilineales de fibras. E n los s is tem as de con tro l de los pa rám etro s geométricos de los objetos se em plean am p l iam e n te los t ransform adores de f ibras un il inea les en los cuales las fibras forman en el ex trem o de e n t ra d a una pup i la lum inosa estrecha l ineal y en el de salida las f ib ras es tán d ispues tas según el p r inc ip io de exploración del tu b o do te levis ión o del s is tem a de barrido . E n la fig- 85, a se representa un transform ador de f ibras . A la en trad a las f ib ras 1 de la sección rec tangu la r de disposición com pac ta cu línea 2 , los ex trem os de sa lida 3 de f ib ras están dispuestos en a rande la 4 a iguales in te rv a lo s a lo largo de u n a l inca en espira l . L a a ran de la 4 es la ven tan a de en trad a de uju tub o transm isor de te levisión . La im agen del ob je to m ed ido 6 se p royecta por m edio del obje tivo 5 a l ex trem o de

FIG . 84. Dispositivo pa ra la identificación <le signos p o r medio de un transform ador de fibras


umtwvjikiiwrtmaiiiMa H Q f jf jM i'- ^ R iif jr in D f iUE£fflUMPÎ'JU»UllMfnranFi^MijauMU!jütlÛMM'l-JNUUÜUU□HHFLMM’IMHMMWMHUUUEJUWJUMUiaUUMU O W r a W J ^ U /J I l i f J M D t lo U r¿ r 5 1 ;¡ Í--1 m ¡ ¿ ragfai u jM N M Q ftV U jn N W lM H M □ nu utttj ¡itinn jiu uyIM KJUU ti U U v * it i fftiU y m sw a u ^ M ri i f i iU U W 1 U FJ W Í J N M M U U U Mh r.«tn w m tiy»é*i ritmé w W J M U M W M T J flM «r íP lM UaHBtíttílfcJUfttJLlMU ( lU M U U tJ M U M U riN M N

18— 0 1 6 5 0www.FreeLibros.org

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ontrada de la regla de fibras 2. D uran te el barrido de in terrogación por medio do un haz electrónico a lo largo de la línea do exploración on espiral del tubo se generan impulsos aislados cuyo núm ero en un período de interrogación es igual al núm ero de fibras i lum inadas, es decir, corresponde a las dimensiones del objeto on medición.

Si en un tub o de TV el barr ido por medio de un haz electrónico se lleva a cabo no en espiral sino por l íneas m edianto el barrido a l te rna t ivo , entonces en el ex trem o ele salida las f ibras se disponen on u n a t ram a rec tagular m ult i l inea l (fig. 85, b) con igual d is tancia entre aquéllas en la s líneas. La imagen dol objeto 1 por medio del ob je t ivo 2 se proyecta al extremo de en trada uni- l incai 3 del transfo rm ador do f ibras 4 . La información transform ada se proyecta desdo ol extremo de sa l ida por medio del obje tivo 5 a la ventana de en trada 6 del tub o de TV transm isor 7 y aparece en forma de una señal eléctrica numérica 8 . En la fig. 85 están representados los extremos de en trada 9 y de sa lida 7.0 del t ransform ador y la trayectoria 11 de barr ido dol haz electrónico. E n este transform ador de fibras, la im agen linoal unidim onsional del objeto a la salida se transforma en b id im ensiona l . E l sistema descrito ha perm itido resolver ex itosam ente el problema do determ inación in s tan tán ea y m u y oxacta de las d imensiones del lam inado caliente que se desplaza por una mesa de rodillos a la velocidad de un tren expreso. Dosde 1966 t rab a ja un transductor semejante on el tren de lam inación con tinua de la fábrica m eta lúrg ica de Gherepoviéts.<-------FIG. 85. Transformadores do fibras: a — transformación de una línea en espiral; b — transformación do la línea en una imagen multilineal; c — dispositivo opticomccá- nico para la medición de dimensiones exteriores de objetos con el transformador de fibras del tipo línea—anillo y con un conducto de luz de interrogación


E n los dos s is tem as an te r io res se ha em pleado el b a r r id o por m edio do un haz e lectrónico . E n la fig. 85, c so represen ta el esquem a de u n in s t ru m e n to para la m edic ión de d im ensiones geom é tr ic a s t a n to lo ng i tu d como sección del ob je to 1 cuya im agen por m edio de l ob je t ivo 2 se proyecta a l ex trem o de e n t ra d a raonolineal 3 de l t r a n s fo rm ad or do l ib ra s 4. Los ex trem o s de sa l id a de las f ib ras u n i ta r ia s e s tán d ispues tos en agujeros que a t rav ie san u n disco inm óv il 5 a in te rv a lo s iguales. E l b a r r id o de in te rrogac ión se l leva a cabo por m ed io del co n d u c to de luz r íg ido cu rvo g i ra to r io 6 cu y a señal a t r a v é s del foto- r recop lo r 7 llega al a p a ra to 5 el cu a l denuc ia señales de impulsos.

Colectores irregulares de f ibras . P a r a la reso lución de m uchos p rob lem as , en la fabricac ión de in s t ru m en to s y en la s inves t igac iones c ien t í ficas es necesario e l r e p a r t im ie n to de u n a señal lu m in o sa de u n a fu en te com ú n en tro v a r io s foto- rroeeptores a lo jados o la t ra n sm is ió n de la ra d iac ión de v a r ía s fuen tes a le ja d a s a u n solo fo- toiTcccptor. D eb ido a que la fu en te (o fotorreceptor) c o m ú n en el t ranscurso del t r a b a jo pu ede desplazarse con respec to a los fo to rrecep to res (o fuen tes) d i s ta n te s en el ospacio, se exige f le x ib i l id a d de c a d a can a l u n i t a r io que es p o r ta d o r de la señal lu m in o sa e lem en ta l . L a reso luc ión de es te prob lem a se hace m ás com plejo ta m b ié n porque on la construcción do in s t ru m e n to s el á rea de la sección t ran sv e rsa l del f lu jo lum ino so de u n a fu en te com ún y el área sensib le de i fo to r recep to r son, com o regla genera l , pequeñas.

La recolección (concentración) de luz de v a r ia s fuen tes y ol p rob lem a inverso se resuelve s im p le m en te por m edio de co lectores de f ib ra s consisten tes ou haces do f ib ras d iv id id o s en u n e x trem o por v a r ia s m echas e lem entales . Los ex trem o s de f ib ras de éstas so pueden d isponer en c u a lq u ie r


pun to del extremo común; pero si ellos ocupan espacios locales no se exige exac t i tud de la forma geométrica de los extremos de las mochas elem entales en el ex trem o común. Este tipo de colectores de fibras so denominan irregulares.

E n la fig. 58 se representa ia uti l ización dol colector do este tipo 5 para la concentración de luces (de la radiación) do varias lámparas 4 en un receptor. De acuerdo con la m agnitud dol flujo luminoso emergente se determina el nivel de agua en la vasija. E n la fig. 8 6 , a se representa el p rincip io de «multiplicación» de la fuente de luz. E n la fig. 8 6 , fe y c se muestra el empleo ele colectores do fibras irregulares para la observación y anális is do ta r je tas perforadas de las computadoras.

Colectores de fibras regulares. E n la fabricación de instrum entos ópticos y olectronoópticos hay una. serie de exigoncias para los colectores de señalos luminosas: la util ización al m áxim o posible del flujo luminoso de una fuente'do radiación común, la semejanza de cada mecha elemental por sii transisión de luz, tolerancias r íg idas en las irregularidades do transm isión de luz de mechas elementales por aparte , interacción luminosa m ín im a do canales individuales para la obtención de una a l ta relación señal/ruido.

Al emplear los coJectoros de señales luminosas en los sistemas de identificación de la imagen se oxigo determ inada regularidad en la distribución de los extremos de en trada de las mechas elem entales en el área luminosa (de trabajo) común de salida del colector. Casos particulares do esta ordenación son: la forma cuadrada del extremo elem ental, la igualdad de áreas do los extremos de salida de todos los canales unitar ios y las d istancias constantes entre los centros de ex tre mos de canales contiguos en todo el campo de t raba jo de en trada del colector. Esta serie do


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exigencias son sa tisfechas por m edio de colectores de f ib ras f lex ib les regulares.

-El e lem en to bás ico de los colectores de f ibras regu la res es el haz f lex ib le de u n co n ju n to de f ib ras d ispues tas i r reg u la rm en te (fig. 87, a, b). Con es to se g a ra n t iz a la f lex ib i l id ad de c ad a cana l del co lector. E l c u m p lim ie n to de las exigencias an te s d ichas se hace m ás d if íc i l m ie n t ra s menor sea el área del ex trem o de la m echa e lem enta l . U n a u m e n to del n ú m ero de m echas e lem en ta le s en el co lec to r de f ib ras con lleva , genera lm en te , a la neces idad de a u m e n ta r la lo n g i tud de cana les in d iv id u a le s deb ido a u n a d is t r ib uc ión no com pacta de los fo torrecep tores (o de fuen tes u n i ta r ia s de rad iac ión ) . E n la fig. 87, c se rep resen ta la dist r ib u c ió n de ex trem os de la s m echas e lem entales a la e n t r a d a com ún del co lec to r d u ra n te la i lu m in ac ió n de los ex trem o s opuestos de pa r te de canales e lem enta les . Si aparece la neces idad , por e jem plo , en lo s s is tem as lu m in i técn ico s , la s m echas con t ig uas pueden ser u n id a s , en el ex trem o l ib re , en un ex trem o com ún.

L o s colectores regu la res de f ib ras se em plean ám p l ia m o n te en la construcción de in s trum en tos . De la serie de m étodos de su u t i l iz ac ió n se pueden d is t in g u i r dos principios. E n el p r im er caso , la im agen del ob je to so p royec ta al ex trem o común del co lector, g rac ias a los e lem entos m ú lt ip le s de es te ú l t im o la im agen se d iv id e en e lem entos cada u no de los cuales por 'm odio de correspondiente m echa se t r a n sm i te a su p rop io fo torrecep lor . La señal de to d o s los fo torrecep tores se concentra en u n an a l iz a d o r co m ún de inform ación . P o r este p r inc ip io so rea liza l a b úsqueda unietápica de un ob je to lu m in oso p u n tu a l , p a ra lo cual los e x t re mos de sa l ida de to d as las m echas se disponen en l ínea y , em pleando el m étodo do observación

FIO . 80. Colectores irregulares de fibras


unietápica en serie de todos los extrem os en esta l inea, so encuonlra una m ed ia e lem enta l en cuyo extrem o de en trada ha sido proyectada la imagen del objeto pun tua l . Las coordenadas del objeto pun tua l se determinan por la escala de la l ínea in dicadora de coordenadas a la salida d é la mecha dada.

De acuerdo con o tro principio de u t i l izac ión de colectores regulares, los extremos libres de las mechas elementales se disponen 011 una m atriz bajo de term inada ley, por ejemplo en línea, es* piral, etc. La información que llega a la matriz y que se transforma en imagen m u i t i l in ea l , se sum in is tra al extremo común, donde es analizada , por ejemplo, empleando el método de barr ido a l te rn a t iv o por líneas.

Transformadores de fibras regulares con ra~ mificación múltiple en serie. E n los colectores do fibras regulares se efectúa la conexión en serie de mechas elementales en un ex trem o com ún y la ramificación u n i ta r ia do éste. E n la construcción de instrum entos se emplean am pliam ente los colectores de fibras on los cuales cada mecha elementa l so ram ifica en mechas m ás finas (bifurcación doble en serie), es tas ú l t im a s se subdividon en o tras aún más finas y así sucesivamente; este t i po de colectores dan lugar a una división m últ i ple en serio do la información recibida en el extrem o común de en trada del colector. Los colectores de ramificación en serie m últ ip le se d iv iden on dos tipos: el número de divisiones de mechas elementales en más f inas es igual para todas las mechas del colector y el grado de ramificación de aqué l las obedece de term inada ley. Exam inem os

FIG- 87. Colectores de fibras regulares: aspecto exterior del colector de 400 (a) y de 1(5 (¿>) canales elementales, c — fotografía del sector do la cara de entrada del colector con la i luminación de las caras opuestas de una parte de los canales d o m en Lalos


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FIO. 88. Esquema de la distribución de fibras en el transformador para la búsqueda bietápica do un objeto puntual y el trayecto de exploración de la cara de salida

los dos tipos de colectores de fibras en el ejemplo de dispositivos concretos.

Dispositivo de fibras para barrido bieiápico. Los colectores de conductos de luz de igual núm ero de ramificaciones para todas las mechas elementales permiten la transformación de la información de igual manera para todos los elementos de la imagen. E n el dispositivo de búsqueda bietápico del objeto puntual se emplea un colector do fibras regular, análogo al representado en la fig. 87 pero con mechas elementales d iv id idas en dos ramas en los extremos libres, ¿ a im agen del espacio donde so encuentra el objeto puntual buscado se proyecta por medio del objetivo al extremo 1 do en trada (fig. 8 8 , a) del transformador de fibras constituido por N celdillas elementales. Este ú lt im o realiza una división de la imagen espacial en N elementos, cada uno de los cuales se t ransm ite a la salida en forma de dos señaIes,correspond¡ci»Les a dos ramas de Ias mechas elementales. Se cumple además que unas


ra m a le s se colocan en el e x t rem o de sa l id a 2 al igua l que en el de e n t r a d a y los segundos ram ales de los e lem entos de u n a co lum n a se reúnen en un haz y se d isponen en una l ínea apar te . Do esta fo rm a, en el e x t re m o de sa l id a el núm ero de colu m n a s qu eda igua l que en el ex trem o de en trad a y el núm ero de l íneas resu l ta en u n a más.

E n la p r im era e ta p a de b ú squeda se rea liza la observación sucesiva del cam p o de la linca in fe r io r del e x trem o do sa l id a (fig. 8 8 , b ) f em pezando por la región 3 del t ra n s fo rm a d o r do fib ras , m ie n t ra s no se d e té c te la región 4 con ol objeto. E n la segunda e ta p a se observa sucesivam ente la c o lu m n a v e r t ic a l co rrespond ien te a la región4. La bú squeda te rm in a al de tec tarse el ex tre m o de sa l id a 5 en el cual está d ispues to el objeto . E s te d isp o s i t iv o pe rm ite ro a l iz a r una b úsqueda m ás r á p id a del ob je to p u n tu a l lu m in oso que por la observación u n ie tá p ic a an te r io rm e n te descrita de to d o s los ex trem o s do sa l ida , ya que en la b ú sq u ed a b ie tá p ic a se observa so lam en te una l ínea y u n a co lum na.

D eterm inación instantánea de la posición de un objeto p u n tu a l luminoso. Los t ran sfo rm ado res de f ib ras de in fo rm a c ió n p e rm iten rea l iza r el c a p t a do r de posición de l objeto p u n tu a l lum inoso que de te rm ina in s ta n tá n e a m e n te dos coo rdenadas del objeto en ol espacio deb ido a la e l im inac ión de la necesidad do rea l iz a r el b a r r id o uni y b ie táp ico do in te rrogac ión del ex trem o de sa l id a . E s to se logra d iseñando m ás com ple ja la cons trucc ión del e lem ento de f ib ras , en j ía r t icu la r , por m edio de la u t i l iz ac ió n de u n co lector de f ib ras aná logo al rep re sen tad o en la fig. 87 pero, en p r im er lugar, con ram if icac ión a la sa l ida de los haces de f ib ras e lem en ta le s y , en segundo, con un g rado do ram if icac ión desigual para diversos haces.

E s te d isp o s i t iv o funciona de la s igu ien te forma: el ob je to buscado / h(fig. 89 , a), por m ed io del


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objetivo I I se proyecta al ex trem o do en trada del t ransfo rm ador de fibras / / / en el cua l los haces e lem enta les de f ib ras es tán dispuestos on forma de m a tr iz rec tangu la r (fig. 89, b). Cada haz a la salida se d iv ide en m~Vk ramificaciones, donde m es ol núm ero de cifras por la coordenada x y h por la coordenada y .

E n la fig. 89, b se representa el esquema do d is tr ibución do los haces do f ibras elementales do sa lida . Cada ram a de f ibras va a su correspondiente fotorroceptor I V . P o r ejemplo, desde el haz correspondiente al punto con coordenadas x — 1 2 o y = 28 las ram as de f ibras van a un receptor que in d ica el núm ero de decenas por el ojo x (en este caso 1 ), y al receptor correspondiente al núm ero de u n id ad es por el eje x (en este caso 2 ); aná logam en te , do este m ism o haz salen los r a m a les correspondientes, a los receptores do la coordenada y . Las señales de los fotorreceptores so t r a n sm i te n a los d isposit ivos num éricos ind icadores V. Si sobre los ejes x , y h a y has ta 999 p un tos de coordenadas, entonces el número m áxim o de ram ificaciones del haz u n i ta r io de f ib ras en este t ransfo rm ador de f ib ras es igual a 9 (m =* 3, k = 3). A las coordenadas x — 3, y = 13 corresponde un haz do f ib ras con tres ram ificaciones (m = 1, k — 2), y a las coordenadas x = 53, y = 567 con cinco ram ificaciones (m = 2, k == 3). E n el cap tad o r exam inado el t ransfo rm ador d& inform ación de f ib ras de construcción com pleja perm ite en fo rm a bas tan te s im ple y orig inal resolver el p rob lem a de de term inac ión ins tan tánea de dos coordenadas de un objeto lum inoso puntual. E l em pleo de dos cap tadores de este t ip o on

<-------F IG . 89. Esquem a de un cap tad o r do dos coordenadas do un objeto p u n tu a l con un transform ador do fibras y con d is tr ibución de fibras


conjunto y a un mismo t iem po dispuestos a de term inada d is tanc ia (denom inada de base), perm ite d e te rm in a r una torcera coordenada del objeto.

13. CUARTA CLASE:ELEMENTOS FIBROSOS PARA LA TRANSFORMACION DE LA IMAGEN OPTICA

Uno do los primeros a r t ícu los sobre fibroóp- tica referido a la e tapa m oderna de su desarrollo fue dedicado a la facu l tad del haz de conductos de luz de transform ar la im agen óp tica . Es te fue el a r t ícu lo de V an H u í (H olanda) sobre la codificación y descodificación de la im agen por un haz de f ib ras irregular. E n general, cua lqu ier elem ento fibroso debido a su es truc tu ra discrota t ran sm ite la imagen del ob je to y «lo forma? en el ex trem o de sa lida con una transformación del con tras te y núm ero de e lementos, es decir, con determ inado grado de semejanza do la im agen al objeto pero no con u n a abso lu ta semejanza. Con o tras pa labras , no h a y una microsemojanza de los elementos de la im agen al original, pero h ay dete rm inado grado de macrosemejanza: los contor-» nos, una de term inada d is tr ibuc ión de los elementos macroscópicos del objeto, el ca rác te r de ma- crod¡atribución del con tras te e i lum inac ión superficial de la imagen. E s ta clase incluye los elementos fibrosos que rea lizan una m acro trans- íormación de la imagen con de te rm inado grado de macrosemejanza a su original.

E n esta cu a r ta clase (esquema 4) se incluyen los elementos fibrosos regulares , des tinados para la transform ación y transm isión de la información luminosa organizada en forma de imagen óptica; variación de la escala, anam orfism o, inversión com pleta y especular de las imágenes, corrección del campo de imagen y o tras. Como se puede ob


servar en la tabla O, esta clase de sistemas do conductas de luz ocupa en la actualidad el segundo puesto por su difusión en la fabricación rio instrumentos: ol 14% de todo el número de clases do elementos fibrosos empleados y en diseño. Veamos los tipos fundamentales de transformación de la imagen óptica que se realizan por medio do elementos fibrosos de la cuarta clase.

Transíormnción de la imagen óptica sin alteración de su estructura. Los haces de conductos de luz han permitido transmitir la imagen óptica con su transformación poro sin alterar la generalidad del cuadro, es decir, conservando su estruc tura organizada. No vamos a tener en cuenta objetivamente la microdiseretización de la imagen con estructura mosaica de los elementos fibrosos.

Elementos fibrosos de inversión. Los haces de fibras regulares de la segunda clase solamente transmiten la imagen desde un plano a otro que no está situado obligatoriamente en forma paralela con el primero, sin variación de la magnitud (escala) del cuadro (fig. 90, a, ó, c). Los elementos fibrosos de la cuarta clase transmiten también l a ’imagen de un plano (extremo de entrada) a otro (extremo do salida) conservando la magnitud del cuadro, pero transformándolo, en particular, con inversión de la imagen. E n la óptica clásica son conocidos los sistemas de inversión de imagen. Estos sistemas dan una imagen simétrica especular o completamente invertida. Los elementos de fibras permiten realizar estos dos tipos de inversión de la imagen y obtener una imagen especular o completamente invertida.

En la fig. 90, ó, c se representa esquemáticamente la distribución de filas y columnas de conductos de luz en los extremos do entrada y salida dol haz de conductos de luz do la segunda clase. En los elementos fibrosos especulares do inversión


Cuarta clase—elementos fibrosos paraI

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(fig. 90, by d) el orden ele disposición de las columnas en el extremo dejcntvada*se ha conservado, m ientras que las filas han cam biado especularmente de lugares; a una inversión completa, por ejemplo, de 180°, el orden de disposición tan to de las filas como de las co lum nas se conserva (fig. 90, b, e)y pero todo el extremo de salida con respecto al de en trada , jun to con él la imagen, está invertido a 180° alrededor dol eje del haz (fig. 91). Las piezas de fibras de este t ipo se fabrican por calentam iento de una pieza b ru ta ter- moprensada p re lim inarm enle con conductos de luz dispuestos en paralelo y después con una torsión forzada alrededor del eje a un ángulo exigido.

Los haces inversores de conductos de luz se pueden utilizar en los sistemas ópticos y electro- noóptieos donde la estructura mosaica do los elementos de fibras no sean un im pedim ento para su cmploo. L n cuanto a la t ransm isión de luzceden an te los sistemas clásicos. Sin embargo,las perspectivas de su empleo en la fabricación de instrumentos de los haces do conductos de luz do inversión, están determinadas por la gran abertura de los conductos do luz, la cual supera eL valor medio de los sistemas ópticos comunes, el paralelismo plano de ambos extrem os de trabajo de las piezas fibrosas de inversión y adem ás la posibilidad de realizar, ju n to con u n a inversión de la imagen y la corrección del campode curvatura de los sistemas an ter io r y posterior.

Variación ¡simétrica de las dimensiones de la imagen. Un haz de conductos de luz dispuestos regularm ente y con sección variab le a lo largo, t ra n sm ite la imagen aum entada o disminuida.

— —>FIG . 90. Transmisión do una imagen por un haz do conducios de luz


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FIG. 91. Elementos fibrosos de in versión do la imagen

E n la fig. 92, a so representa la parte delantera de una imagen disminuida. Se cumple, además, que en el extremo pequoño de salida aumenta la luminosidad en comparación con el de entrada; la inclinación angular de los rayos salientes del extremo pequeño es mayor que la de los de entrada en el extremo grande. E n el caso do una transmisión de lo imagen a la inversa su dimensión aum enta y disminuye la luminosidad, al igual que el ángulo do los rayos salientes del extremo mayor. E n la fig. 92, b aparece el esquema de principio del microscopio-aguja 3. Al introducir una aguja de este t ipo , por ejemplo, en el tejido 1 do un animal, se pueden observar las células adyacentes al extremo pequeño del focón 2 . La imagen transm itida con aumento se observa por medio del ocular 4 en el extremo de salida.

Anamorfadores fibrosos. E n la fabricación de instrumentos se util iza frecuentemente la trans-


m isión de la imagen v a r iand o sus dimensiones en u n a dirección y conservando las diraensones perpend icu la res a !a p r im e ra , d irección , l o q u é c o n s t i tu y e el denom inado anam orfism o de la ima-> gen. E n la óptica clásica este p roblem a se solucion a con el em pleo de lentos c i l indricas . Los t r a n s form adores de f ib ras de imagen ta m b ié n pueden t r a n s m i t i r la im agen var iando sus dimensonos sólo en una dirección. E n la .fig. 92, c so represen ta la t ra n sm is ió n po r medio de u n anam orfador do im agen con la d ism inuc ión de las dimensiones do las le t ra s en dirección del renglón . E n el caso de una transm is ión a la inversa es ta imagen a u m en ta en una dirección y se conserva igual en la otra .

Funcionalidad m ú ltip le de los transformadores de fibras . A lgunas de sus ven ta ja s fundam enta les se verán m ás ad e lan te al rea l iza r el anális is concreto de los dispositivos. Los focones de la fig. 92, d t r a n sm i te n la im agen sólo con la va r ia c ión de Jas m ag n i tu d es del objeto , s in embargo, los focones ind icados en la fig. 92, e, adem ás do la d ism inuc ión de las d im ensiones de la imagen, rea l izan la inversión de la m ism a. E n el la r in goscopio para m ed ic ina , de producción soviética , so u t i l i z a un focón-conducto de luz, el cua l cumple a la vez var ias operaciones: la t ransm is ión de la im agen a t r a v é s de u n cana l de com ple ja configuración , la inversión com ple ta do la im agen en 180°, ol a u m en to s im étr ico do las d im ensiones do la im agen del ob je to en cinco veces, la corrección do la c u rv a tu ra del cam po de la im agen do los s is tem as ópticos de e n t ra d a y sa lida .

Transform adores de fibras de la imagen en Ja construcción de objetivos. S in de tenem os en el empleo que se da on las diferentes ram as de la técnica a los haces de conduc tos do luz que rea l i zan la transfo rm ac ión de la im agen s in la a l te ración de la in teg r id ad , nos l im i ta rem o s sola-


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FIO . 93. Trans forma dores tic libras do imagen en los objetivos on calidad de lonies colectivas

m e n t e a e x p o n e r l o s p r i n c i p i o s d e s u u t i l i z a c i ó n e n la c o n s t r u c c i ó n do o b j e t i v o s . P a r a m e j o r a r la c a l i d a d d e l a i m a g e n a f r e c u e n c i a s d e l r e t í c u l o e s p a c i a l e n t r o 6 0 y 8 0 l í n e a s p o r m i l í m e t r o y p a r a e l a u m e n t o d e l á n g u l o d e v i s i ó n y l a l u m i n o s i d a d e n l o s d i f e r e n t e s t i p o s de o b j e t i v o s se e m p l e a n lo s t r a n s f o r m a d o r e s d e f i b r a s do la i m a g e n : p a r a l a n i v e l a c i ó n d e l c a m p o d e la i m a g e n , e l a u m e n t o de la i l u m i n a c i ó n d e l a i m a g e n , l a c o r r e c c ió n d e la d i s t o r s i ó n y o t r o s m á s . E s t o s e l e m e n t o s do f ib r a s se p u e d e n e m p l e a r p o r p a r t e s o e n c o n j u n t o e n f o r m a d e c o n e x i o n e s on s e r i e .

L e n te s c o le c t iv a s d e f ib ra s . E l l iaz do c o n d u c t o s de l u z 2 c o n u n a s u p e r f i c i e m ie r o e s c a l o n a d a en a m b a s c a r a s e n f o r m a d e l e n t e s d e F r e s n c l ( f ig . 9 3 , a ) en e l s i s t e m a do o b j e t i v o 1 — h a z de c o n d u c t o s d e l u z 2 — o c u l a r 3 , c o r r i g e l a c u r v a -<------FIG. 92. Transformadores do fibras do imagen: a — disminución asimétrica de In imagen por ol ojo', b — esquema de aguja — microscopio; c — variación do las dimonsione.s on una dirección; d —■ transmisión de la imagen por jocones con disminución; c — con inversión

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tu ra del campo do la imagen del objetivo y dol ocular y además realiza las funciones de colector. Este tipo de lentos de fibras puede ser empleado en los sistemas angulares amplios, permitiendo a la salida dol sistema un poder resolutivo dol campo y la característica de contraste-frecuencia más uniformes en ol campo, simplificando al mismo tiempo la construcción del objetivo y del ocular. Sin embargo, la dificultad tecnológica de construcción de las lentes de fibras con superficies microescalonadas de las caras y la dificultad de su explotación l im itan las posibilidades del empleo de estas lentes de fibras colectivas on la fabricación de dispositivos ópticos.

La lente de fibras colectiva 2, en forma de un foc.ón bicóncavo (fig. 93, b), al ser u tilizada en los sistemas ópticos (por ejemplo, microscopios, instrumentos telescópicos y otros) concentra los rayos entrantes al objetivo 1 y los dirige a la pupila de salida 5 del ocular 4\ durante este proceso a la vez se corrigen la curvatura y distorsión de la imagen del objetivo y del ocular. E n este t ipo do lentes de fibras, el rayo que pasa a través del centro del objetivo o dol ocular, después de la refracción en las caras del hilo conductor de luz dado se dirige a lo largo de su eje. E n el sistema óptico representado en la fig. 93, b el poder resolutivo y el coeficiente de transmisión de contraste son lo suficientemente uniformes en el campo; sin embargo, el poder resolutivo to ta l de todo el sistema está l im itado por el poder resolutivo del haz de conductos de luz.

Nivelación de la curvatura del campo de la imagen de los objetivos. Las lentes a base de conductos de luz para la corrección de la curvatura de la imagen de los objetivos de campos de visión pequeño y medio (fig. 94, a) consísten en un haz do conductos de luz colocados en paralelo, cuya cara de entrada tiene una superficie cón-


F IG . 94. Transform adores de fibras de la cu rva tu ra (le la imagen en ca lidad d e l a v e n ta n a do sal ida de objetivos: J —lente; 2 —transformador do fibras do imagen; 3—placa fotográfica

cava que corresponde a la c u rv a tu ra del cam po de la im agen d ad a po r el ob je t ivo . A la cora p la n a de sa l id a se a p r ie ta en co n tac to una pelícu la fo tográfica o la im agen se observa d i re c ta m e n te p o r el ojo h u m an o . D u ra n te la u t i l iz ac ió n de o b je t iv o s con u n cam p o cu rvo se em plea un haz de co n d u c to s de luz p a ra le lo s que au m e n ta ol poder re so lu t iv o en los ex trem os del cam p o de v isión y lo d ism in u y e en ol centro . E s to t ip o de len te s do f ib ra s produco la d is to rs ión , o sea la com presión do la escala de la im agen ai ex trem o del c a m p o h a s ta los l ím i te s gen e ra lm en te perm it idos en los o b je t iv o s so lam en te con cam pos do visión, m edios . P a r a lo s ob je t ivos g ran angu lares , por e jem plo , los concéntr icos , la s lon tes de f ibras hechas de conduc tos de luz d ispues tos parale-


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lam ente no se pueden u ti l iza r ya que no dejari pasar en los extremos del campo do visión aquellos haces de rayos luminosos que tienen ángulos grandes de inclinación. Este problema origina inevitablemente una fuerte disminución do la lum inosidad no permisible g ii los extremos del campo de visión. Las lentes do fibras de esta clase se emplean para campos de visión comprendidos ontre 2u x ^ 50—60°.te*? E n los objetivos gran angulares se emplean Ion tes de fibras t ipo focones, en los cuales los hilos conductores do luz elementales llegan en forma perpendicular al extremo de entrada cóncavo y a l de salida plano. En la fig. 94, b se representa el esquema de un objetivo esférico gran angular; la curvatura del campo de imagen y la distorsión en esto objetivo se corrigen por medio de un focón de fibras. Sin embargo, en este sistema óptico que tiene un focón de ensanche, la luminosidad a la salida disminuye desde el centro al extremo en forma directamente proporcional al cubo del coseno de la distancia angular, lo que es un defecto de este sistema. E n la fig. 95, a indica un esquema de rectificación de la curvatura y la distorsión do la imagen de un objetivo concéntrico t ipo «Sferogon». La corrección de l a distorsión Ac con tales focones se realiza a baso de la distorsión propia de éstos, que tiene forma acubada o de a lm ohadilla (fig. 95, b).

Las lentes de fibras focones pueden rectificar la curvatura del campo de imagen de los objetivos, gran angulares de a l ta luminosidad dando lugar en contraposición al caso anterior, a una iluminación uniforme por oí campo de imagen (en el extremo do salida del focón). Este sistema

FIG. 95. Esquema He rectificación de la curvatura y la distorsión do la imagen de un objetivo concéntrico del tipo «Sferogon»


form ado por el ob je t ivo esférico y el focón es trechado se ind ica en la fig. 94, 6 , pero esto s istema poseo, en general, una d is to rs ión m u y grande a la sa lida en forma do a lm ohad i l la .

Como hem os v is to an te r io rm en te , la r e c t i ficación do la c u rv a tu ra de la im agen do los ob je tivos gran angulares, por e jem plo , en los ap a ra to s c inem atográficos y cám aras , por medio do lentes de f ibras , perm ite em plear objetivos de a l ta lum inosidad logrando con osto corregir la distorsión (figs. 94, ó, 95, a) pero a l te ra r la d is tr ibuc ión de la lum in o s id ad a la solida en el p lano de la im agen, o a la inversa, a l in t ro d u c ir una a l ta d istorsión se puede n iv e la r la lu m inosidad en el p lano de sa lida (fig. 94, c). E l cam po de v is ión de los s is tem as ob je t ivo — focón puede ser grande y a lcanzar un valor 2u x = 120— 150°, pero el poder reso lu tivo de estos s is tem as es tá l im i tad o por la resolución do los e lem entos fibrosos.

A um ento de la luminosidad de los objetivos con pequeños campos de visión. E s to se puedo lograr m ed ian te el em pleo de foconos m u y es trechados a la sa lida de los objetivos. E n la fig. 96 , a se m ues tra el esquem a de un ob je t ivo de len te especu lar 1 con el focón 2. Un aum ento b a s ta n te g ra n de de la lum inosidad en el ex trem o de salida pequeño del focón ha p e rm it id o ob tener fotografías del re lieve lu n a r por medio del m étodo do con tac to . P a r a au m e n ta r b ruscam en te la lum inosidad del ob je t ivo í , el cua l t iene un cam po de v is ión pequeño, a la sa lida (fig. 96, b) se em plea el focón 2 que corrige a la vez la cu r v a tu ra del cam po de im agen del objetivo .

Es te t ip o de s is tem a perm ite n n g ran aum ento de la i lum inac ión en el ex trem o de sa l ida . En los ú l t im o s dos o t re s años se propone frecuentem ente u t i l iz a r un objotivo «superluminoso», con lo que los au to res a f irm an que dicho ob je t ivo


i

F IG . 96 . A u m e n to do l a lu m in o s id a d do lo s o b je t iv o s

pose© u n a l t o p o d e r r e s o lu t iv o , peso l i v i a n o , y a l t o co e f ic ie n te d© t r a n s m is ió n d e c o n t r a s t e y u n a u n i f o r m i d a d de to d o s lo s p a r á m e t r o s ó p t i c o s del c a m p o , e s d e c i r , q u e p r á c t i c a m e n t e n o t i e n e defectos . E x a m in e m o s el o b j e t i v o m e n c io n a d o con m á s d e te n im ie n to .

L a im a g e n c a p t a d a p o r el o b je t iv o de l e n te se p r o y e c t a a l e x t r e m o a n c h o de l focón y se t r a n s m i t e co n d i s m in u c ió n (y p o r lo t a n t o a u m e n t a n d o l a l u m i n o s i d a d ) a l e x t r e m o p e q u e ñ o . E n c o n ta c to con e s te ú l t i m o se d isp o n e u n a p e l íc u la fo to g rá f ic a p a r a r e g i s t r a r l a im a g e n . E l p o d e r r e s o lu t iv o de l o b j e t i v o j u n t o co n el focón s e d e t e r m in a por e l p o d e r r e s o l u t i v o del e x t re m o gTande de e n t r a d a del fo c ó n . E l d i á m e t r o Z> 2 y I a m a g n i t u d / ? 2 = — (2 D 0)* 1, d o n d e D 2 es la d i s t a n c ia e n t r e los c e n t ro s de lo s h i lo s a d y a c e n te s a la s a l i d a d e l focón , c a r a c t e r i z a so lam ente la d e n s id a d de in fo r m a c ión e n el e x t r e m o de s a l i d a , es d e c i r , d e te r m in a el g r a d o de c o m p re s ió n , de d i s m in u c ió n de l a im a g e n . S u p o n g a m o s q u e e l o b je t iv o do l e n te a l a e n t r a d a de l focón t i e n e u n p o d e r r e s o lu t iv o i n f in i t o y q u e su c o e f ic ie n te de t r a n s m is ió n de con-


traste 011 todo el campo y para todas Jas frecuencias do la imagen de prueba es igual a 1. Incluso con oslas suposiciones extremas ol poder resolutivo del sistema objetivo de lento — focón estrechado es igual a (2D j)”1, donde D x es la distancia entro los centros de los hilos adyacentes en la cara de entrada de! focón.

Sin tener en cuenta que ya para diámetros de los hilos do fibras entre 2 —3 p ocurre una difusión y difracción luminosa fuerte, y que, además, este tipo de densidad de los filamentos conductores de luz, y, por lo tanto, la cantidad de información son difíciles de lograr desde el punto de vista de los aparatos. Vamos a suponer que el diámetro de un filamento a la salida de un focón es igual a 1,5 p y que el espesor de las capas aisladoras luminosas es de 1 p. Veamos solamente un focón de reducción al décuplo. E n este caso los filamentos a la entrada del focón tienen un diámetro de 15 p , un espesor del aislador de 10 p y un paso de construcción D x = 15 + 10 = = 25 p , o sea, que el poder resolutivo teórico o nominal del oxtremo de en trada grande del focón es igual sólo a 7?x — (2D¿)~x *= 1/50 = = 20 línoas/mm. El coeficiente de rolleno por filamentos de la cara de entrada del focón, o sea, la capacidad de su transmisión de luz, (sin tener cri cuenta las pérdidas en las refloxionos de Fros- nel y en la absorción on el vidrio) t 5 — = 15V(15 + 5) 2 — 15V2Q1 = 56%. Además de

esto, la abertura de entrada de cada una de las fibras elementales en la entrada del focón es de sólo 9°. De esta forma, un objetivo que tenga un focón fuertemente estrechado a la salida (fig. 96, b) so distingue por su bajo; poder resolutivo, una transmisión de luz no m uy alta y puede aum entar realmente la luminosidad de los objo- tivos sólo en el caso en que estos ú ltim os tengan un pequeño campo visual.


3<0

F IG . 97 . F ocones — lupas de fibras <le con la c lo con las caras m ayores con v ex a (a) y cón cava : j —objeto; 2 — tocones; 3 — pupilo de salida

Lupas de contacto. Los focones superpuestos con su extremo estrecho sobre el objeto investigado (fig. 07) transmiten al extremo de salida su imagen aumentada. Esto tipo de lupas no roquieren enfoque. A diferencia de las lupas comunes, la imagen transmitida por el íocón es real y directa y se encuentra sobre el plano del extremo de salida. Mientras más grande sea el aumenlo de las lupas focones, menor es la abertura de los rayos emergentes que portan la imagen del objeto. Estos lupas transm iten la imagen do objetos tan to luminosos como opacos. En este ú lt im o caso, la iluminación so realiza por parte del observador, o sea, a través del oxtromo mayor: la luz va a tra vés de las fibras, so refleja del objeto yrogresa al extremo mayor. E l aumento de las lupas focones de contacto puede ser de 2 a 6 veces.

Elementos de fibra en Ja fabricación de dispositivos electronoópticos. La ventana frontal de los tubos de los rayos catódicos 1 en forma de un haz de conductos de luz dispuestos on paralelo con una superficie cóncava 2 (fig. 98, a) corrige la curvatura del campo de la imagen electrónica y transmite esta imagen de la superficie interna


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de la ventana (lol cinescopio, la cual ha sido recubierta por un lu minó foro a Ja superficie externa, fisto permite, en lugar de la foloimpresíón de proyección de la pantalla do los tubos de rayos catódicos, emplear un registro fotográfico de la imagen en contacto en la película la cual exige una exposición menor on varias decenas do veces. E n la fig. 98, b so representa un cinescopio con una ventana frontal de foeón la cual corrige la curva tura del campo de la imagen electrónica y la transmito con un aum ento de escala a la película 3. Eslos focones pueden, a la ves, corregir también la distorsión de la imagen electrónica. Son m uy variadas las versiones posibles de construcción de esquemas de los sistemas electronoópticos que contengan en su composición elementos fibrosos de la cuarta clase-

Los convertidores eloctrónico-ópticos de imagen (CEO) están destinados para Ja amplificación del brillo do la imagen y para la transformación espectral do la radiación. E n los CEO clásicos (fig. 99. a)} el objetivo 2 forma la imagen del objeto 1 en el fo tocá todo«?, cuyo flujo de electrones se amplifica y forma la imagen on el luminó- foro 6. Esto tipo de CEO monoeámara amplifica el brillo de la imagen do 100 a 150 veces- Sin embargo, debido a que las superficies dol fotoca- todo y del luminóforo son planas y quo el campo de la imagen electrónica es curvilíneo, el poder resolutivo R de estos CEO es grande en el centro del campo de visión, y decrece on los extremos del campo.

<— .—

FIG. i)8 . Ventanas frontales de fibras on los tubos do rayos catódicos:a — corrección do ia curvatura do la imagon electrónica por medio de un hoz de conductos do luz paralelos; b — por medio de un focón quo se dilata; c — transí or> mación do la imagen on una línea.

20—0165 0 305www.FreeLibros.org

o)4 5 6

b)

cj

i

O — R

FIG. 99. Elementos fibrosos en los convertidores electró- nico-ópticos:J —obieto; 2 —objetivo; j —fotocátodo; len te electrónica; 5 — recorrido de los rayos electrónicos; Q —lum ínóforo; 7—ocular; í —elem entos fibrosos de variac ión de la c u rv a tu ra del cam po de Imagen

Si en calidad de ventanas de entrada y de salida del CEO se utilizan las convertidores de fibras de curvatura del campo (fig. 99, b), sobre cuyas superficies cóncavas se superponen respectivamente el fotocátodo y el lumínóforo, el poder resolutivo hacia el extremo del campo de visión aumenta bruscamente y disminuye un poco en el centro. En la fig. 99 a la derecha se indica la distribución del poder resolutivo R de los CEO en le ventana de salida.

Este brusco aumento del campo de información de los CEO con convertidores de fibras es una ventaja cuali ta t iva , por lo cual a veces des-


precian que el efecto de transm is ión de luz^dol haz de conduc tos do luz es de 1,3 a 2 veces menor quo la t ransm is ión do luz por Las ven tanas m onolít icas de v id r io de los C E O clásicos. Debido a la corrección do l a c u rv a tu ra dol cam po de la im agen e lec trón ica por m edio de e lem entos fibrosos de la c u a r ta clase no so lam ente au m e n ta bruscam ente el cam po do inform ación ú t i l a la salida del CEO, sino que adem ás la v e n tan a de f ib ras de sa l id a p e rm ite rea l iza r u n registro fotográfico de con tac to de la im agen, e l im ina r la para la je de la im agen d u ra n te la observación por el ojo h u m a n o y , lo que es m u y im p o r ta n te , obtener, por acop lam ien to d irecto a t ravés de la s ven tanas de f ib ras (fig. 99, c) de var ios CEO m onocám aras , u n CEO de p o l icám arascon u n a a l ta am plif icac ión de b r i l lo de la im agen. Esto perm ite rea l iza r las observaciones inc luso por la noche. Transform ación de la im agen^óptica con una conversión caótica de su e s tru c tu ra . E s ta t ra n s fo rm ación se l lev a a cabo fác i lm en te po r m edio de e lem entos fibrosos y es im posib le rea l iza r la u t i l izando los e lem entos do la óp t ica com ún. E n la fig. 1 0 0 , a se m ues tra e l esquem a de transm is ión de la im agen po r m edio de u n haz , r ígido o flexible, de conductos de luz dispuestos regu la rm ente en to d a la long itud del haz. L as im ágenes en la s a l id a y en cua lq u ie r sección in te rm ed ia son sem ejan tes . Si esto haz de conductos de lu z no tiene u n a disposic ión regu la r en su la rgo , entonces la e s truc tu ra m o sa ica de aqué l descompone la im agen en e lem entos (fig. 1 0 1 ) y a la sa l id a de esté haz se obtiene u n a «imagen» co m p le tam en te d is t in ta de la o r ig ina l . S in em bargo , si a es ta im agen codificada se ap l ica este m ism o u o tro conver t ido r semejan te c o m p le ta m en te según el p r inc ip io de d isposición desordenada , este «caos» se hace ordenado y se rea liza la descodificación o u n a res tauración de la im agen in ic ia l (fig. 1 0 2 ).


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FIG . 100- Esquem a de transmisión do la imugon por u n h az (le conductos do luz<-------

Esto tipo de t ransform adores de f ib ras de la im agen óp tica t iene m ocho porven ir en la f a b r i cación de in s trum en tos . E n la fig. 100, b se m ues tra el esquema de t ransm is ión do las im ágenes c if radas por m edio de e lem entos codif icadores de conduc tos do luz: la im agen t ra n sm it id a del objeto 1 se codifica por medio del haz de conduc tos de luz 2 y se t ran sm ite por el t r a n s m isor 3 a c ie r ta distancia* la Imagen codif icada después del recep to r 4 se descodifica po r u n haz de conduc tos de luz 5 análogo y a la sa lida se r e produce la im agen óp tica G con u n d e te rm inado g ra do de sem ejanza a la or ig inal . E l g rado de sem ejanza se de te rm ina genera lm ente po r la ca lidad óp t ica de los e lem entos fibrosos codificadores y descodificadorcs.Cámara cinematográfica de fibras s in cuadros. U n m ism o elem ento fibroso, en dependencia del m é to do de su u ti l izac ión en un d isposit ivo , puede sor inc lu ido en d ife ren tes clases. Como ya hemos visto , los haces regulares de f ibras pueden in d ic a r se com o e lem entos de la prim era clase si en el esquem a del d isposit ivo desem peñan popel do cana l t ra n sm iso r de luz para la i lum inac ión , y pertenecen a la segunda clase si se em plean para la transm is ión de la im agen . U n caso análogo ocurre con los haces irregulares de conductos de luz. Por ojemplo, el conver t ido r de f ib ras de tipo rend i ja -m anch a (fig. 81) se puede e m p le a r no solam en te para la conversión de la forma de la m an ch a lu m in osa , s ino tam bién para la t r a n s formación de la im agen óp tica .

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F íG . 101. Principio1 de funcionamiento de un dispositivo codificador de fibras


3

-I

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FIG. 102. Fotografías de un objoU»: miras (a), su imagen codificada (¿>) y descodificaila (c)

E n la fig. 103 viene dado el esquema de una cámara film adora on la cual la imagen varía sua vemente. En un extremo del convertidor de fibras 2 todas las f ibras es tán dispuestas en una fila. E l objetivo 1 proyecta la imagen variable con ol tiempo al extremo c ircu lar de en trada 7 del haz de fibras. E n contacto con el extremo do salida 3 , so desplaza uniformemente la película 6. Cada filamento im prim e sobro la película una pista continua de oscurecimiento variable correspondiente a las variaciones de brillo del elemento dado do la imagen. Al revelar la película y hacer pasarla por este mismo apara to con este mismo convertidor de fibras, y al i lum inarla por el extremo opuesto a través de la lente c i l ind rica 5 y m ediante la fuente 4 y on el extremo 7 obtendremos una distr ibución de lum inosidad suavem ente

b

e

w m m mxwioara

m 3


variable y en la pan ta l la , una imagen variable uniformemente de los fenómenos filmados. El número de elementos de la imagen, durante la f ilmación y reproducción por medio de esta cám ara filmadora, está l im itado por el d iá m etro de los extremos de los f ilamentos conductores de luz y el poder resolutivo do la película.

Transformación de la imagen óptica con conversión regular de su estructura. Además de la transformación de la imagen óptica sin a l te ra r su macroestructura (por ejemplo, véanse las figs. 90- 92) o con \ma conversión caótica de su estructura (por ejemplo, véanse las figs. 101-103), los elementos fibrosos de la cuar ta clase realizan la transmisión de la imagen óptica con una conversión de su estructura en determinada regularidad. E n la fig. 104, a se muestra la conversión de la imagen del cuadro en la lineal; duran te este proceso los elementos de cada línea del cuadro se encuentran en orden anterior y a olios quedan contiguos los elementos de la segunda línea del cuadro, es decir, se forma una sola línea larga, pero con determinada regularidad correcta de la descomposición de los elementos de la imagen del cuadro en línea. E n la fig. 104, b se indica una exploración regular en línea de elementos de la imagen de un anillo. Este t ipo de transformadores regulares de fibras pueden realizar una conversión inversa. Los transformadores de fibras que se m uestran on la fig. 104 se u ti l izan am pliam ente para la transmisión de la imagen con conversión de las pan ta l las de aparatos de rayos catódicos sobre una película fotográfica. A la vez pueden util izarse directam ente como soporte-ventana para el luminóforo (fig. 98, c) o pueden utilizarse en contacto con la ventana frontal de fibras de los dispositivos de rayos catódicos, por ejemplo, los representados en la fig, 98, b en los cuales, entre o tras cosas* el haz de (electrones en. e l tubo de


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F IC . 403. Esquema de una cámara cinematográfica sin ven tana de fotograma con un convertidor de fibras

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rayos catódicos puede rea lizar un barrido lineal a l terno (fig. 104, a) o c ircu la r (fig. 104, b).

Gomo ejem plo ele u ti l ización do Jos transform adores de f ib ras del t ipo an tes v isto , puede servir el sistema óptico electrónico de reconocimiento aéreo del terreno (fig. 105): el sector del terreno en reconocimiento se proyecta por medio del obje tivo 1 a l extremo extendido de en trada del conver t ido r 2 y cuya imagen lineal larga se t ra n s forma en form a rec tangular o en cuadro. La exploración del cam po de visión en dirección perpendicu la r a la línea de en trada larga del conver t ido r de f ibras 2 f se efectúa por medio del desplazam iento del apa ra to en vuelo. El extremo rec tangular do sa lida se encuentra en contacto óptico con la ven tan a de salida del d isposit ivo de rayos catódicos o superorticón 3. La im agen del blanco dol superorticón se conm uta con el haz electrónico y se transform a en u n a señal do video; esta ú l t im a se t ran sm ite por el s is tem a receptor terrestre dolado del tubo de rayos ca tó dicos i) con u n a ven tana frontal de f ibras en contac to con la cual se acopla eJ convert ido r de imagen ó’, análogo al dispuesto en el apara to t ra n s m isor 2 . El convert ido r de fibras S reproduce la imagen del sector del terreno transm it id o por el objetivo 1 a la en trad a dol convertidor 2. La pelícu la 7 so desplaza en con tac to con el ex trem o lineal de sa l id a del convert ido r de fibras <S', en— —

I 1G. 404. Transformadores do fibras de la imagen óptica: a — conversión cíe u n a t ram a en una línea; b — conversión do una exploración circular en una lineal:; - su p cro r tico n o sco jñ o , 4>—c o n v e r t id o r d e f ib raa ; 3 —p elícu la fotográfica


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FIG. 105. Sistema do reconocimiento aéreo del terrono con óptica de fibras:i — objetivo: 2 , 8 — convertidor de fibras do la forma del cuadro; 3—superorticón con la ventana de fibras; 4—bloque de formación de una sefíal de video; 5—amplificador de la señal; c — transmisor;7—película fotográfica; 9—cinescopio receptor; 1 0 —receptor do una estación terrestre

forma sincrónica con ©1 movimiento del aparato volador. Sobre esta película se reproduce la imagen del: terreno.

La uti l idad efectiva de los elementos de la cuarta clase en la fabricación de aparatos se puede ver en el ejemplo del sistema mecánico-óptico de barrido del rayo do láser (fig. 106): la radiación de láser 1 a través de las lentes 2 y del modulador 3 incide en ol espejo 7> realizando un barrido cónico gracias a la conexión con la varilla de resonancia 8 y con el convertidor piozoeléctri- co 9. E l espejo 7 realiza también un barrido circular dol rayo de láser, reflejándolo al extremo anular del convertidor de fibras 4 . E l extremo de salida de este ú ltimo es una línea recta. En un período completo de oscilación del espejo 7 la mancha luminosa recorre a lo largo do todo el extremo de salida. Con esto se logra de una form a extraordinariamente simple el barrido por líneas del rayo de láser. El convertidor regular de fibras de anillo a línea permite realizar un barrido circular gracias a lo cual quedan excluidas las pérdidas de tiempo en el trayecto de regreso del rayo. E l barrido por cuadros se lleva a cabo por medio del espejo 12 que oscila por el electroimán 10.4------FIG. 106% Sistema mecánico-óptico do exploración dol rayo do láser:i —láser; 2 — lentes; 3— modulador; 4 — elemento fibroso; .5—rayo de láser; 6—rayo do láser cónico do exploración reflejado: 7—espejo de explorador; 8— ojo de resonancia; 9—convertidor piezoeléctrico; 1 0 — bloque de exploración por cuadros; 1 1 — lento; 12 — espejo


V i. O T R A S C L A SE S DE ELEM EN TO S FIB R O SO S

Como se puede observar en la tab la 6 , la d ifu sión re la t iv a de s is tem as de conductos de luz do la q u in ta a la décim a clases no es m u y grande en la fabricación de apara tos : m enos del 1 1 % de la to ta l idad do todos los e lem entos de f ibras u t i l i - '¿ables y en e laboración . E s to so explica no sólo por las cua l idades y ven ta jas de los d e m o n io s f i brosos de la prim era , segunda, cu a r ta y sobre todo, do la tercera clases, y porque las posib il idades técnicas y la eficiencia de los e lementos de la q u in ta a la décima clases lian empezado a des- cubrirse sólo en los ú l t im os años; adem ás de esto, ol grado de su realización tecnológica es por el m om ento re la t iv am e n te bajo. E n la ac tua l id ad se llevan a cabo investigaciones in tens ivas sobre los parám etros de estas clases de e lem entos fibrosos con el fin de ad ap ta r lo s a los d isposit ivos y se efectú an e laboraciones tecnológicas p a ra uti l ización en var ian tes óptim as.Quinta clase: elementos selectores de fibras. Enes la clase de elementos (esquema 5) se incluyen los s is tem as dé conduc tos de luz t ranspa ren tes en un in te rva lo estrecho de longitudes de ondas en las bandas u l t ra v io le ta , v isib le o in frarro ja del espectro: haces de conductos de luz monocrom áticos , s is tem as de f ibras tr ic rom áticos , haces de f ibras policrom áticos, e lem entos de conductos de ondas t ran sp a ren te s en la ban da u l t rav io le ta del espectro, por ejemplo, en el in te rva lo de 0 , 2 0 a 0,85 p , o en la ban da in frarro ja del espech o , por e jem plo, en in tervalos de 1,0 a 5,0; 0 a 14 ó t a 15 p y otros.

F¿broóptica infrarroja. Verem os so lam ente un ejemplo de u ti l izac ión de las f ib ras in frarro jas en la fabricación de ins trum en tos . El desarrollo de la microelectrónica p lan teó e l p roblem a de


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JFIO. 107. Sistema tcrmográfico con empleo do fibras infrarrojas ópticas

rea l iza r el co n tro l a u to m á t ic o del e s tad o de m ic rocom ponen tes a is lados en los d ispos i t ivos m icroe lec trón icos en condic iones de t r a b a jo . El em p eo ram ien to de los p a rám e tro s de los m icro- com ponen tes genera lm en te va acom p añ ad o de u n a va r iac ión de su ra d ia c ió n t o t a l in f ra r ro ja deb ido a la v a r iac ió n de t e m p e ra tu ra de t ra b a jo de ellos. E n es ta dependenc ia se basa el p r inc ip io (m étodo) de te rm o gra f ía en ra y o s infrarro jos: la to m a de l te rm o g ra m a del m ic roco m p on en te cont ro la d o y la revelac ión de la s an o m al ía s té rm icas d eb id as a los defectos do co ns tru cc ió n o defectos de p roducc ión o al enve jec im ien to de la s piezas.

L a p a r te fu n d a m e n ta l de u n s is tem a te rm o - gráfico la c o n s t i tu y e n la s f ib ras ó p t ica s las cua les son t ra n sp a re n te s en la b a n d a in f ra r ro ja del espectro (fig. 107). P o r m edio de és tas se l le va a la superfic ie e x te r io r d e l d ispos i t ivo m icro- e lec trón ico 2 u n a pa r te de la ra d ia c ió n in fra r ro ja de los e lem entos contro lados: t ran s is to res , resistencias, un iones de co n tac to , e tc . E n los ex trem os ex te r io res 8 de las f ib ras in f ra r ro ja s ba r re pe r ió d icam en te u n rad ió m o tro in fra rro jo , el c u a l m i do la in te n s id a d de l a rad iac ió n , o sea, l a tem pe-


r a tu ra de d iferen tes e lem entos del s is tem a. E s tas f ib ras se fabrican a base^de v id r io s sulfuroso- arseniosos que hacen pasar la rad iac ión infrarro ja en u n a b and a de 1,5 a 8 ¿i, p e rm it ien d o m edir la var iac ión de la t e m p e ra tu ra en los l ím i te s ent re 30 y 200° C. Los p a rám e tro s del rad ióm etro aseguran u n a e x a c t i tu d en la m edic ión de la tem p e ra tu ra has ta I o C. La a b e r tu ra num érica de las f ib ras in fra rro jos es m ucho m a y o r que 1 ; es to da la p o s ib i l id ad do co n cen tra r y t r a n s m i t i r al rad ióm etro una c a n t id a d de rad iac ió n in fra rro ja igual a la c a n t id a d que so t ra n sm ite en los d ispos i t iv o s in frarro jos de m ed ic ión corrien tes desde una superfic ie em isora que supera var ias decenas do veces la sección de la f ibra.

L a s f ib ras in fra r ro ja s se u t i l iz an para la m ed ic ió n a d is tanc ia de tem p e ra tu ra s en lugares de d if íc i l acceso o peligrosos, donde los parám etros com unes no pueden usarse. Las ven ta jas del m é to do de te rm ograf ía de la f ib roóp tica rad ican en la s im p l ic id ad , u n iv e rsa l id ad y e fec t iv idad , en la a l t a e x a c t i tu d , construcción com pac ta y en la p os ib i l idad de au to m a t izac ió n de la e laboración de los d a to s obtenidos.

Elem entos tricromáticos de fibras. Desde el 1 de o c tu b re de 1967 en la U R S S com enzaron las t r a n s m is iones regu la res de te levis ión a colores. L a p a n ta l la a colores del tu bo de te lovisión es tá com pues ta de l íneas ver t ica les , q u e a l te rn a n seg ún el co lo r de la lum in iscencia : rojo, verde y azu l . L as cám a ra s t ran sm iso ras a colores m odernas son com plejas en su construcción y se basan en t re s o cu a t ro tu b o s transm isores . Los espec ia lis tas sovié ticos se pusieron como m e ta la creación de u n a cám ara u n i tu b u la r a colores a b a so de u n tu bo del t ip o v id icón . P a ra u n a solución c a rd in a l de osto p rob lem a se propuso el em pleo de haces de conduc tos de luz de e s tru c tu ra regu la r en form a de ray as a l te rn ad a s de haces de


f ibras : rojos, verdes y azules. La anchura do las ban d as vertica les de f ib ras do cada co lor beberá corresponder a l d iám e tro (2 0 — 1 2 0 p) dol haz electrónico de exploración del tubo- E s te t ip o de v id icón a colores de f ib ras resuelve a la ve? una serie de p rob lem as de la te levis ión a colores, s im plif ica n o to r iam en te todo ol s is tem a en genera l y perm ito rea l iza r la te levis ión a colores a base de uno o dos tubos de rayos, ca tódicos en voz de los tres o cua tro u t i l izado s on las cám aras m odernas de transm isión .

Haces de conducios de luz policromáticos. Estos consis ten en un co n ju n to de haces do conductos de luz polif i lares ax ia lm en to s im étr icos , com puestos de f i lam entos conductores de luz on diferentes zonas del espectro: a lgunos f i lam en tos son t ra n s paren tes en una zona u l t ra v io le ta del espectro, o tras en la zona u l t rav io le ta cercana, los terceros en la azu l , los cu a r to s en la verde , los q u in to s en Ja ro ja , etc, o sea, este cqnductp de luz p o l i f i la r y tam b ién el haz respectivo de estos conductos , es t ran sp a ren te en u n in te rv a lo m u y ancho de long itudes do ondas , desde 0 , 2 0 h a s ta 2 0 p , por ejemplo.

L a in fo rm ación t ra n sm it id a po r e l haz po lic rom ático do conductos de luz se ana l iza por m edio de fo to [\receptores len ta o r á p id a m e n te c a m biab les los cuales t ienen una sens ib i l idad sólo en de te rm inado in tervalo , de long itudes de ondas, o ún icam en te po r m edio do un solo recep to r para seleccionar la inform ación en un in te rv a lo re querido y en un m om en to dad o de long itudes de ondas de rad iac ión . r

Sexta clase: e lementos fibrosos ac tivos. A. osla clase do e lem entos (esquema 6 ) per tenecen los s is tem as do conductos do luz que rea l iz a n una conversión espectra l de la rad iac ión transfo rm ada , por e jemplo, u l t ra v io le ta , en luz visib le, o los s is tem as am plif icadores del b r i l lo de la señal


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F IG . 108. Láse r de fibras: a — esquem a del sistema de exc i tac ión ; b — e lem entos principales:1 t4 — Jóser d e f ib r a s ; 2 , S — 2 ¿ m p a ra a d e f l a s h ; 3 — re f le c to r

lu m in o sa t r a n s m i t id a , o los s is tem as que resuelv en a la vez am bos problem as: convers ión espect r a l y am p lif icac ió n de po tenc ia . Como ejem plo de es te t ip o de e lem entos s irv en los conductos de luz de cen te l leo , los láseres de f ib ras , los h a ces de f ib ra s m e ta lov id r io sos , los conductos de luz de cá to do s lu m in iscen te s , los e lem entos crista lo f ib rosos , la sv p lacas m ic ro caná l icas y otros.

Láseres de fibras . U n co n d u c to de luz de v idr io cuyos f i lam en tos co n t ien en en el v idrio neod im io , puede g en e ra r u n a ra d ia c ió n lá se r de lo n g i tud d e o n d a de cerca d e 1,06 p . E n l a lá m p a ra re lám p ag o 2 (fig. 108) se en ro l la u n a f ib ra a c t i v a d a co n neod im io 2. P a r a u n a u t i l iz ac ió n m ás co m p le ta de l a rad iac ió n de la lá m p a ra 2 y é s ta se d ispone ju n to co n el lá se r de f ib ra 1 d e n t ro del c i l ind ro ref lec to r 3. A l o cu rr i r e l des te llo de la l á m p a ra 2 su ra d ia c ió n exc i te la f ib ra 1 y po r el ex trem o de sa l id a de ésta sa le u n rayo b r i l la n te p o te n te de láser. Los láseres de f ib ras se u t i l i z a n no sólo p a ra genera r su rad iac ió n p ro p ia , sino adem ás en c a l id a d de am plif icadores de láseres de f ib ra s de ra d ia c ió n de o tros láseres, in c lu yendo el generador de f ib ras . E n este ú l t im o caso el gene rad o r de rad iac ió n de f ib ras y el a m p l i f i cador de conduc tos de luz de ray o láse r so conectan en serie- L a v e n ta ja de los láseres de f ib ras consiste en l a g ran re lac ión en tre la superf ic ie de las f ib ra s y su vo lum en , lo que m ejora esenc ia lm en te la so luc ión de p ro b le m as de refr igeración del m ed io ac t iv o en el proceso de t ra b a jo de los láseres. A dem ás , l a s f ib ras pueden to m a r c u a l qu ie r fo rm a, lo que fac i l i ta c rea r los láseres<-------FIG . 109. Centelleado!' de f ib ras ópticas


óompactos de pequeñas dimensiones, por ejemplo, para los sistemas optoelectrónicos, cibernéticos y computadores electrónicos.

Los láseres de fibras se fabrican en forma de una construcción de conductos de luz (en esto caso el rayo láser se difunde dentro dol filamento conductor de luz) y en forma de guías do ondas. En estos últimos la mayor parto de la onergia del rayo láser se difunde fuera de la fibra, lo que permite realizar una interconexión por guía- ondas con los láseres de guías de ondas o adyacentes y de esta forma crear esquemas lógicos variados para los sistemas cibernéticos.

Fibras luminiscentes. En la física nuclear se utilizan las cámaras luminiscentes para localizar y registrar vestigios de partículas y para medir su intensidad. Las fibras ópticas de material luminiscente se disponen en capas alternas perpendiculares entre sí. En contacto con los extremos de salida se disponen las películas fotográficas P y Q (fig. 109). Al pasar una partícula activa por este haz de fibras, por ejemplo, en la trayectoria -45, se genera la luminiscencia de aquellas fibras que son atravesadas por dicha partícula. La luz de las fibras excitadas se transmite a los extremos de éstas y en las películas fotográficas recíprocamente perpendiculares se registran las proyecciones a 'V y a " 6 " de la t ra yectoria do la partícula en los planos P y Q, por medio de los cuales se puede fácilmente determ inar la intensidad y trayectoria en el espacio tridimensional.

En la actualidad, se llevan a cabo investigaciones para la creación de materiales luminiscentes de alta efectividad. Con las fibras luminiscentes de vidrio que hace poco han sido creadas es posible la fabricación de elementos herméticos al vacío para su utilización en calidad de ventanas de entrada en los convertidores de imagen.


FIG . 110; Convert idor electrónico-óptico con u n a placa raícrocanálica: a — im agen esquem ática de! dispositivo; b — esquem a do la m u lt ip l icac ión do electrones en un canal:i — ra d ia c ió n ; 2 — fo to c á to d o ; 3 — p la c a m lc ro c a n á l tc a ; 4 —p a n ta l l a lu m in isc e n te ; 3 — e n t r a d a d e l c a n a l ; Q —c o n ta c to ; 7 —c a n a l u n i t a r io ; a —s a l id a de c a n a l

E spec ia l in te rés t ienen los raa lor ía les de cátodo lu m in isc e n te y f ib rocr is ta les los cua les a l ser i r ra d ia d o s po r u n haz e lec trón ico generan luz v is ib le de d ife ren tes colores; éstos han sido crea* dos por los espec ia lis tas soviéticos . Su empleo en la fabricac ión de a p a ra to s e lec tronoópticos e l im in a la necesidad de a p l ic a r los lum inóforos. P a ra la generac ión y t ra n sm is ió n de la luz t ienen bu en as p os ib i l id ad es la s f ib ras cap i la re s huecas, re l lenas de lum inóforos o de l íq u id o s lum in iscen tes.

Placas microcanálicas. E s ta s cons is ten en un e lem en to f ibroso ac t iv o dol c u a l en lodo el c a m po h a n s ido e x t ra íd o s los f i lam en tos conductores de luz , o sea , se t r a t a de un haz de cana les de v id r io huecos d ispues tos en para le lo , de d iá m e tro en tre 5 y 40 ¡x. L a superfic ie in te rn a de los

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canales t iene una alta resistencia y un coeficiente do emisión secundaria del ordon de 3 a 5- Las placas microcanálicas se em plean, por ejemplo, en los convertidores electronoópticos (véase la fig. 99). E n estos ú lt im os, en el t rayec to del flujo electrónico que porta y forma la im agen electrónica se dispone una placa de microcanales, y a sus extremos se aplica una tensión del orden de 2

a 3 kV. Los electrones del fotocátodo 2 , al incid i r en lo in terio r del canal 7 de la placa de microcanales 3 (fig. 110), chocan con tra sus paredes generando una emisión de electrones secundarios. Estos son guiados por el campo in te rno de cada canal y realizan, a m edida que se desplazan, una serie de actos de emisión secundaria , como resultado de lo cual el flujo electrónico a la salida del cana l supera varias veces el flujo de en trada . P a ra una am plificación m ás efectiva debida a la emisión secundaria es necesaria una relación entre la longitud y el d iám etro del cana l entre

, 50 a 100.El coeficiente de amplificación del convertidor

electronoóptico con una placa m icrocanálica os igual a 10*—10°. E l flujo electrónico de salida de cada canal excita la pan ta l la lum iniscente 4, sobre la cual se forma la imagen del objeto transformada en espectro y am plif icada esencialmente en brillo . E l poder resolutivo de los dispositivos electronoópticos con placas m icrocanálicas se determ ina en general por el d iám etro de los canales, es decir, por el paso de la es truc tu ra . La amplificación del flujo electrónico on los convertidores electronoópticos con placas m icrocanálicas es igual e incluso algo m ayor que la am p l i ficación de los CEO de tres cámaras (fig. 99, b). Este ú l t im o tiene mayores dimensiones, peso y costo. Todas las venta jas antes indicadas de las placas microcanálicas han sido básicas para su am- p liau t i l izac iónen los dispositivos electronoópticos.


Séptima clase: elem entos fibrosos vibratorios.A este t ip o (esquema 7) pertenecen los sistemas de conductos de luz em pleados en dispositivos de régimen dinám ico, es decir, sistemas do vibración por la acción de una señal ex terna y que transforman a la vez la información de luz; este tipo de e lem entos son, por e jemplo, los vibroendoscopios a base de fibras u n i ta r ia s y polifilares, cep- trones-analizadores de fibras optoacústicos y otros más.

Vibroendoscopios para la transmisión de la luz y la imagen . P a ra t ran sm it i r la luz por medio de pequeños canales curvos con el fin de i lum inar un área que supere m uchas veces la sección del pequeño canal, se u t i l izan fibras flexibles monofilares en el ex trem o de en trad a da las cuales se concentra una rad iac ión poderosa; a los extremos de sa lida de las fibras d ispuestas en el canal pequeño curvo se les im prim e u n m ovim ien to vibratorio desordenado con una am p li tud mucho m ayor que el d iám etro de la f ibra. Con esto se logra la ilum inación de u n área re la t ivam en te grande.

U na fibra raonofilar un i ta r ia o una fibra flexible m u l t i f i la r do sección axia l s im étrica o de sección de forma rec tangu la r en líneas son u t i l i zadas para la transmisión de la im agen desde un área que supera m uchas veces su sección t ra n s versal. P a ra lograr esto a ambos extremos de la fibra so comunica un m ovim iento oscilatorio sincrónico y cofásico, con una frecuencia de oscilaciones m ayor que la perceptible por la vista h um ana . Si el d iámetro de una fibra monofilar o el de u n f ilam ento de una fibra m ult i f i la r corresponden a 2 ó 3 ja, se obtiene un poder resolutivo alto para este vibroendoscopio, cerca de 300 — 400 líneas/mm. Además, a través de la un idad de la sección transversal de estos vibroendoscopios se puedo t ransm it i r m ayor volumen de información que a través de un haz do fibras con


E s q u e m a 7


un área de la sección igual a la superficie investigada. Sin embargo, el volumen total de la información transm itida , debido a la pequenez del área investigada duran te la vibración, y el valor modio de la transmisión de luz con el tiempo (aunque es a lta la transmisión de luz de la misma fibra) son bajos. Estas dos causas limitan las posibilidades de utilización de los vibroendoscopios a base de fibras mono y multifílares.

El sistema de un conjunto de fibras multifilares unidas en un haz en la parte media y ap a r ta das unas de otras en ambos extremos para poder lograr una vibración sincrónica y cofósica libre de sus exiremos garantiza un alto volumen do información transm itida con alta resolución y a lta calidad de la imagen. En estos sistemas os obligatoria la condición do que en el proceso del movimiento oscilatorio de todas los fibras se recubra y se interrogue toda el área do la imagon transmitida.

En el vibroendoscopio de un conjunto de fibras libros en los extremos la transimisión media de luz en el tiempo es menor quo la transmisión de luz de las mismas fibras; adornas, osle tipo de endoscopios so caracterizan por la complejidad do su construcción.

Los vibroendoscopios en forma de un haz de fibras de disposición compacta en los extremos, los cuales han sido examinados en el capítulo I II , si sus extremos están sometidos a oscilaciones desordenadas cofásicas y sincrónicas con la am plitud del orden de 4 a 5 diámetros de fíJamen l os y con la frecuencia obligatoriamente m ayor quo la perceptible por la vista hum ana, se caracterizan por un gran volumen (lo información transm it ida , un alto poder resolutivo (el doble del valor nominal R ~ (2/>)~l , donde D es el paso do la estructura) y alta transmisión de luz. Sin embargo, la posibilidad de oscilación


de los ex trem os de las mechas flexibles de fibras está l im i tad a por la sección del haz, por la es ta b il idad de las fibras u n i ta r ia s a las flexiones m ú lt ip les y por la com plejidad de la construcción. Cuando estas l im itaciones se hacen no to rias se aplica el método de vibración de la im agen con respecto a l haz de fibras.

Fibras fijas en soportes. Las fibras cuyos ex tre mos pueden oscilar l ib rem ente bajo acciones externas son un ejemplo b as tan te d ifundido de la u t i l izac ión do las fibras ópticas de la sép tim a clase. Veamos dos casos. E l primero de ellos es el aceierómetro de f ibras que es u n dispositivo para la medición de la aceleración (fig. 411). E l núcleo de este dispositivo lo cons ti tuye la fibra óptica 2 , cuyo extrem o se sujeta r íg idam ente y forma un todo con el cuerpo [del aceierómetro. E l extremo fijo de la fibra se i lum ina por la lám para 1\ la luz a l sa lir por el segundo extremo libre se proyecta por medio del objetivo 5 a la película fotográfica 4. La fibra es puesta en oscilación por acción de las fuerzas externas. Según la trayectoria do la m ancha luminosa ob ten ida

FIG. 111. Aceierómetro con fibra óptica

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en la película después de revelarla, se puede considerar la dirección y magnitudes máximas de las aceleraciones accionantes. Si durante la investigación la película se desplaza con determinada velocidad, la fijación obtenida permite determinar la variación en el tiempo de las aceleraciones dirigidas por el eje perpendicular al sentido de desplazamiento de la película. Para aumentar la gama de aceleraciones registradas se pueden emplear varias fibras ópticas, dispuestas cerca en un mismo plano perpendicular a la dirección de desplazamiento de la película fotográfica. E n este caso, las fibras vSe distinguen entre sí por ol diámetro si están hechas del mismo par de vidrios. Para la medición de la amplitud de oscilaciones y aceleraciones en una dirección estudiada, los científicos soviéticos en 1965 u tilizaron las fibras ópticas de forma asimétrica en una sección transversal, por ejemplo, rectangular. Esta fibra tiene una rigidez un poco menor en la dirección de la aceleración que en la dirección perpendicular.

En la actualidad, uno de los elementos de la séptima clase, más difundidos en la rama de construcción de aparatos, son los septrones o analizadores optoacústicos do fibras. El septrón está constituido por el haz de fibras ópticas i (fig. 1 1 2 ,a) un extremo de las cuales se encuentra rígidamente fijo en el soporte cuneiforme 2. La diferencia de longitudes así obtenida, teniendo un diámetro igual para todas las fibras, asegura la diferencia entre las frecuencias propias de resonancia de ellas. Los extremos filos de las fibras son iluminados por la fuente 3. Al conectar el alumbrador, la luz se transmite wa través de las fibras c incide en la película á, en que tras de ser revelada aparecen los puntos oscuros frente a los extremos de salida de las fibras. Si se coloca esta película en la posición anterior, al iluminar de


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nuevo las fibras inm óviles en ia fotocélula 6 no incide la luz. Si por m edio del cap tado r 5 (fig. 1 1 2 , b) se t ra n sm ite una señal sonora de de te rm inada frecuencia, las f ib ras que tengan una frecuencia de resonancia p rop ia igual empiezan a v ib ra r ; la fotocélula indica la apar ic ión do esta señal. Mas esta máscara estática sólo puede indicar la l legada de una seña l de frecuencia correspondiente a l con jun to de f ibras del haz y no de te rm ina d irec tam en te es ta frecuencia

Por m edio de este mismo haz de fibras se cons truye la máscara de obstrucción 7, para lo cual a las fibras se ap l ica una señal do frecuencia conocida (fig. 112, c). Ya revelada y dispuesta en su lugar ia mascara de obstrucción 7 da una m ayo r sens ib i l idad a todo el s is tem a en conju n to : si se sabe con seguridad que el sep lrón ha recib ido uua seña l pero se encuen tra «en s ilencio», esto significa que la señal rec ib ida es igual a la señal g rabada en la m áscara de obstrucción . Pero la u t i l izac ión p rác t ica do los septronos «silenciosos» os incóm oda. P o r esto , em pleando los m étodos de fo to im presíón , se p repara la foto- m áscara básica 9 {fig. 112, d); se im presiona el pos it ivo 8 de la m áscara de obs trucción 7. La com b inac ión fotográfica 9 del negativo de la máscara e s tá t ica y dol posit ivo de la m áscara de obs tru c ción (fig. 1 1 2 , e) ya asegura una reacción ac t iva del sep trón : la fo tocélu la reg is tra la llegada do la señal con la frecuoncia d ad a y las dem ás frecuencias, o sea, la luz sa lien te de o t ra s f ib ras , son b loqueadas por la m áscara .

E n la fig. 113 se represen ta un sep trón raul- t ib loquo: al l legar la información a este sep trón program ado p a ra de te rm in adas pa lab ra , señal o frecuencia sonora el ap a ra to , en el orden de< -----------------FIG . 112. Septrón y esquema de recepción do una foto- máscara do memoria


FIG. 113. Esquema'ljdo un analizador óptico-acústico do fibras (septrón):J —alumbrador común; s—bloquo de múltiples septronca Individuales; 3—foto máscaras; 4—fotor recepto res, 5—funda común del analizador; 8—generador de aonldo común; 7—entrada de la señal; i — salida de los fotorrecoptorea; 9 — bloque-esquema de selección de resolución; id—salida de la seña» descifrada

llegada de las señales sonoras, «indica» la apar ición de éstas; el convertidor 9 graba la información recibida o da la orden 10 a los sistemas siguientes. Las dimensiones del bloque-septrón, cuyo esquema se indica en la fig. 113, son, en general, pequeñas, puesto que los d iám etros de los filamentos aqu í u t i l izados son de 5 a 2 0 0 p, y longitud de 5 a 100 m m . Aquí sólo se ha in d icado un esquema s im plif icado de programación de los septrones. E n la prác tica , en la foto máscara básica 3 do cada b loque de fibras 2 se graba una señal sonora compleja, por ejemplo, una palabra; en este caso sólo varias f ibras son activas. La metodología de la obtención de la máscara fotográfica básica no varía : se obtienen el negativo de la máscara es tá t ica , el positivo de la máscara de obstrucción para la señal compleja


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FIG. 114. Esquema de \a propagación de u n rayo un uno copa conductora do luz: a — planop avalóla; b — cunoi formo

dada y su fo tocom blnac lón pora la m áscara bás ica m erao r izado ra .

E l cam po do u t i l izac ión do los ana lizadores op toacús tícos de fibras, es b a s ta n te am p lio : la iden tif icac ión de señales acústicas , do s ím bolos hab lados , el con tro l del es tado de las m á q u in a s a base dol «ruido» propio de t r a b a jo , el aná l is is de la voz del hom bre , de an im ales , de de lf ines , la inves t igac ión del t ra b a jo del corazón, el d iagnóst ico c lín ico y técnico y m uchos o tros aspectos.

Octava clase: óptica] de capas. E n la óptica de^capas (e sq u em a 8 ) , l a form a del f i lam en to cond u c to r de luz no t iene s im e t r ía ax ia l . Debido a esto , la d ifusión de los rayos su je tos , obedeciendo las leyes de la ó p t ica geom étr ica de los con-


oFIG . 115. P rinc ip ia do funcionamiento «lui goniómetro on capas

ductos do luz, t iene su p a r t ic u la r id a d : las proyecciones del ángulo de inc linación del rayo a la s a l id a de los conductos de luz en capas son diferen tes on dos p lanos rec íprocam ente perpend icu lares y adem ás no aparece la mezcla de rayos en la sa l ida . Es to se puede observar en la fig. 114 donde so ind ican los esquemas de difusión de los rayos a t ravés de los conductos de luz p lanopara- lelo y cuneiforme. E s ta p rop iedad de los sistemas conductores de luz en capas perm ite fo rm ar la im ag en de un objeto d is ta n te s in ayuda , a la e n t r a d a , de los e lementos de la óptica corriente . E n la sa lida el s is tem a óptico es obligatorio , por e jem plo , e l ojo.

E n la fig. 115 se m ues tra el p r inc ip io de t ra ba jo del goniómetro en capas. Al observar a través del elemento conductor de luz do capas p lanas 3 % cons is ten te en una resma de v idrios p lanoparale- los lum inosam en te ais lados, u n objeto lum inoso 1 (fig. 115, a) el que se observa en form a de dos imágenes 1 y;, ~ 2 inve r t idas especularm ente (fig. 115, b); c o n c ie r to giro de la resm a se puede lograr la c o m p a t ib i l id a d de a lgunas par tes de las dos imágenes (fig. 115, c). A la derecha de la fig. 115 se m u es tran las fotografías de un objeto

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y siis im ágenes observadas a t r a v é s del elementó co n d u c to r de luz en cap as 3.E n la fig. 116 se in d ica u n s is tem a en capas para la obse rvac ión a t ra v és de u n a ra n u ra en la pared. P a r a las d im ensiones com o las in d icadas en la fig. 116, a una d is ta n c ia del ojo de 40 m m del e x tre m o de sa l id a del e lem en to , el cam po v isual es de 30 X 60°, y a l desp lazar la cabeza , 125 X l30° E n fig. 117 ostá rep resen tado ol esquem a de p r inc ip io del sistema de relrovision en capas: la im ag en que viene en el sen t id o N (7, 2) so t r a n sm i te a la d irección N ' ( l 7, 2 ') . E s te s is tem a puede ser com pac to y ligero; po r e jem plo , se puede f i ja r en ca l id a d de v isera en el casco do un m otoc ic l is ta .

Las inves t igac iones p re l im in a re s a l respecto d e m u e s tra n q u e po r m edio de s is tem as co n d u c to res do luz en capas en una serie de casos so logran ca rac te r ís t ic a s c u a l i t a t iv a s m ejores de los s is te m as óp t icos en co m p arac ió n con el uso de los e le m en tos de la ó p t ic a c o m ú n . L a fo rm ación de la im agen po r m ed io de e lem en tos en cap as de los conduc tos de luz se d ife rencia m u c h o de la form ac ió n de la im agen po r m ed io do e lem entos de la ó p t ica c lás ica . Los e lem en tos en cap as do los conduc tos de luz pueden a c tu a r como s is tem as óp t icos ind epen d ien tes a la percepción de la im agen p o r el ojo h u m an o o p ueden fo rm ar par te de s is tem as ópticos com plejos que consisten adem ás de aque l lo s , en los e lem en tos de la óp t ica co m ú n y los e lem entos f ibrosos de las o t ra s nuevo clases. L a ó p t ica de capas es una tondencia nuova y p ro m e ted o ra de la f ib roóp tica .

Novena clase: e lem entos fibrosos de formación au tó n o m a de im agen . E n el c a p í tu lo I I I so m ostró q u e en tre los s is tem as de conduc ios de <— —FIG. 110. E squem a de u a sis tema para la observación a t ravés do u n a ranura en la pared


FIG. i 17. Esquem a de p rinc ip io del s is tem a retrovisor en capas para conductores

luz do form a s im é tr ic a a x ia l de los f i lam en to s conducto res de luz sólo u n haz do f ib ras m u y es trech ad o , o sea , e l ob je t ivo focón, posee la p ro p ie d a d de fo rm a r en su e x trem o de s a l id a la im ag en de un ob je to a d is ta n c ia s in e m p le a r en la e n t ra d a cu a lq u ie r s i s te m a óp tico . Los s is tem as de co n d u c to s de luz basados en f i la m e n to s conduc to res de luz a x ia lm e n te a s im é tr ico s , es decir, la ó p t ica de capas , e s tá n en c a p a c id a d de t r a n s m i t i r la im agen de un ob je to a le jado en form a in d iv id u a l (sin e m p le a r en la e n t r a d a la óp t ica co m p le m e n ta r ia ) . Al efecto se c u m p le q u e en el e x t rem o de s a l id a dol e lem en to de cap as , a diferencia dol o b je t iv o focón. la d i s t r ib u c ió n de la i lu m in a c ió n no es u n aná logo de l ob je to * o sea, no h ay sem ejanza desde el p u n to de v is ta óp tico . L a im agen se fo rm a po r e l s i s te m a óp t ico en u n p lan o in c o m p a t ib le con e l e x t rem o de sa l id a de l e lem ento c o n d u c to r do luz en capavS. E n c a l id a d de este s is tem a óp t ico so pu ede co n s id e ra r el ojo


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F IG . 118. P ropagación do i a luz on un sel foco y on un . co n f l ic to de luz com ún do dos capas

>h u m a n o cu yo o b je t iv o c r i s ta l in o fo rm a la im agen en la supe rf ic ie de la re l ina .

E n los ú l t im o s 5 ó 6 a ñ o s se ha creado u n a c lase especia l (esquem a 9) de co n d u c to s do luz de fo rm a s im é tr ic a a x ia l de la sección, los denom in a d o s selfocos, los cua les pueden fo rm a r ind iv id u a lm e n te l a im ag en del objeto en el ex trem o de s a l id a fo rm ado en el e x t re m o ele e n t r a d a . Los selfocos co ns ta n de los co n d u c to s de luz monofi- la res s in recu b r im ien to s de sección t ra n sv e rsa l g en e ra lm e n te c i r c u la r y con s im e t r ía a x ia l y cuyo índico de refracc ión v a r ia b le en la sección. Si e l ín d ice de refracción d ism in u y e desde el eje h a s ta el e x t re m o en fo rm a p a ra b ó l ic a (por e jem p lo , n = n c (1 — 0 ,5 ar 2), donde n c es el ín d ice de refracción en ol e je y n , el ín d ice de re fracc ión a u n a d is ta n c ia r del eje) , la d ifus ión de los ray o s no ocurre en t r a y e c to r ia r e c t i l ín e a q u e b ra d a (fig. 118, b) con re f lex ió n en la f ro n te ra f i l a m e n to — re c u b r im ie n to com o en los co n d u c to s de lu z com unes con r e c u b r im ie n to a i s l a dor , '1 s ino so d ifundo en c u rv a s in uso ida l •(fig. 118, a). D eb ido a la va r iac ió n (d ism in uc ión ) de l ín d ic e de re f racc ión en la sección los selfocos t i e n e n la p ro p ie d ad de d a r u n en foque lum inoso : el h a z de ray o s d i r ig id o a la p a r te p e r ifé r ica del co n d u c to de luz s iem p re se va a d e sv ia r en la d irección a l eje.

Con t a l c a rá c te r de d ism in u c ió n del ín d ice de re fracc ión desde e l eje h a c ia ol e x t re m o , u t i l i zando d e te rm in a d a s re lac io nes e n t re la lo n g i tu d y el d iám e tro de l selfoco, éste cu m p le la s p ro p ie d ad es de la s le n te s ó p t ica s y de e s ta m an e ra

F I G . 119. Micro fotografía de la c a ra do e n t r a d a de un h az de selfocos


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forma la imagen en el ex trem o de sa lida : los rayos de un punto dado del extremo de e n trad a se reúnen en un pun to del ex trem o de sa l ida , conjugado con el primero. Como esto se cum ple para todos los puntos del extremo de en trad a del selfoco la imagen form ada en este extremo se transm ito al ex trem o de sa l ida formándose aquí mismo. E n la fig. 119 se m ues tra u n a fotografía del ex trem o de sa lida de u n haz de selfocos a la en trada do los cuales fuo proyectada la im agen de un mismo objeto.

De esta forma, si para la t ransm is ión de la imagen por medio de los conductos de luz comunes es necesario tener un haz de f ibras u n i ta r ia s d ispuestas regu larm ente , el mismo selfoco u n i t a rio t ransm ite la imagen (fig. 118, c, d). L 0 9

haces regulares flexibles o rígidos de selfocos se convierten do esta forma en elementos optofibro- sos de grandes posibilidades, puesto que al proyecta r a l extremo de en trada de este haz una imagen, el elemento resolutivo no es l im itad o por el d iá m etro del f i lam ento , sino es mucho menor; cada uno de los f i lam entos selfocos t ransm ite más de ta l ladam en te la información-imagen del objeto inicial.

La luz quo sale de los conductos de luz comunes resulta dispersada'debido a la difracción en la sa lida de las fibras; en el flujo de sa lida se encuentran rayos con los más diferentes p lanos de polarización y las a tenuaciones, con grandes dosfasajes debido al número ta n d is t in to de reflejos que soportan diferentes rayos a l difundirse por un f ilam ento . E n los selfocos la a tenuac ión de todos los rayos es igual y , adem ás, no hacen var ia r la fase del f lujo t ransm it ido . Las cua l idades indicadas de los selfocos les h an dado grandes perspectivas para la técnica de láseres.

Los láseres comunes de fibras (fig. 108) g racias a una superficie ex ter io r extensa han m ejo ra


do e se n c ia lm e n te el p ro b lem a de refr igeración de l lá se r de con du cc ió n de luz e x c i ta d o (que por es to m ism o se r e c a l ie n ta ) . s in em b arg o , a l a s a l id a de l lá se r com iin de f ib ra s la ra d ia c ió n se d ispersa d eb id o a l a d if racc ión de los ray o s en el e x t re m o de sa l id a de la f ib ra . Los láseres de sol- focos en lo s cua les lo s iones de neod im io so e n c u e n t r a n u n i fo rm e m e n te d is t r ib u id o s en la secc ión y el ín d ic e de re fracc ión d ism in u y e p a ra b ó l ic a m e n te h a c ia el ex trem o perifér ico , n o disp e r sa n el r a y o l á s e r s a l ie n te s ino a l c o n tra r io , lo en focan . A dem ás , los láseres no h acen v a r i a r la a m p l i tu d n i la fase de los ray o s sa l ien te s .

P a r a lo n g i tu d es igua les del e je y di ám otros secc iona les , l a lo n g i tu d m ed ia de reco rr ido de los ray o s en los selfocos es m e n o r q u e en los cond u c to s de luz com un es . L a d i fu s ió n de la luz en u n a t r a y e c to r i a s in u s o id a l c o n t in u a p rovoca u n fenóm eno com o si no e x is t i e r a n reflex iones , o sea, q u e no ex is ten p é rd id a s en las re f lex iones m ú l t i p les en e l l ím i te de sep a rac ió n f i la m e n to — re c u b r im ie n to . E s ta s dos ú l t im a s p ec u l ia r id a d e s de d ifu s ión de l a lu z a t r a v é s de los selfocos hacen q u e p a ra igua les lo n g i tu d es de e llos la t r a n s m is ió n de lu z sea m a y o r q u e en los conduc tos de luz com unes .

E n la a c tu a l id a d ¡son a m p l i a m e n te conocidos d ife ren tes m é to d o s de o b te n c ió n de los selfocos. E n 1965, lo s c ien t í f ico s sov ié t icos fueron los p r im ero s en id e a r u n m é to d o de o b ten c ió n de los c o n d u c to s de lu z a p a r t i r de un v id r io de una m is m a com posic ión po r m ed io de u n t r a t a m ie n to q u ím ic o de l a supe rf ic ie l a t e r a l de la s f ib ras lo g ra n d o de e s ta fo rm a l a d ism in u c ió n de l índ ice de re f racc ió n desde el eje h a c ia el e x trem o del c o n d u c to de lu z . L a c o m p ro b ac ió n e x p e r im e n ta l h a d em o s t rad o la e fec t iv id ad de e s te m étodo- E n l a a c tu a l id a d se e m p le a ^ a m p l ia m e n te e l m é tod o denom inado~de in te rc a m b io ión ico p a r a la o b te n


ciÓn de selfocos y se fu n d am en ta en lo s iguiente : m ed ian te el correspondiente t ra tam ien to químico de los conductos de luz s in recub rim ien to , po r su superficie la te ra l se logra el in te rcam bio de iones, o sea, se le q u i tan unos y en su luga r son in troducidos otros. Debido a que la ac t iv id ad del método d ism inuye con la p ro fund idad del m a te r ia l , esto da luga r a una d ism inución del índice de refracción desde el eje hac ia el ex trem o por selección de los respectivos vidrios , las sustancias quím icas ac tivas y eligiendo el régimen de t r a ta m ien to de las fibras.

Los selfocos son elementos de la fibroóptica que t ienen grandes posib ilidades en los diferentes ram as de la fabricación de ins trum entos . En u n a serie de ap a ra to s sust i tuyen efectivam ente a los conductos de luz comunes. Los selfocos pueden funcionar en conexiones en serie con los haces comunes de conducto de luz , desempeñando en este caso el papel de m icroobje tivos de a l ta resolución con una gran profund idad de enfoque. E n la ac tu a l id ad ya se lian diseñado selfocos de es truc tu ra compleja: curvos, de sección variab le a lo largo de la long itud (focones para la inversión do la imagen). Ahora el campo de u ti l izac ión de los selfocos es am plio : para las líneas de com unicación óptica a larga d is tanc ia , los elementos ópticos microenfoca dores, la m icroelectrónica óp tica , los esquemas in tegrales ópticos en m in ia tu ra , los^ endoscopios técnicos y m edicinales, la*"técnica láser y otros m ás.

Décima clase: guías ' de ondas. D u ran te el es tudio de los e lementos fibrosos de las nueve clases an ter io res nos hem os basado to ta lm en te en las leyes de la óptica geom étrica , en p a r t icu la r , en la trayectoria, rec t i l ínea do los rayos en un medio con índice de^refracción cons tan te . Es ta consideración es ju s ta s iem pre y cuando el^diá- m etto del f i lam ento conduc to r de luz sea supe-


rior varias veces a la longitud de onda X de la radiación transm it ida y, además, que el grosor de la capa aisladora entre dos filamentos no sea menor de 1,5 a 2 X. Al ocurrir una reflexión interna to ta l la onda luminosa entra on el segundo medio a m uy pequeña profundidad (del orden de la longitud de onda) retornando to ta lm ente al p rim er medio si el segundo medio es lo suficientem ente grande. Cuando el diámetro del f ilamento llega a ser conmensurable con la longitud de onda de la luz t ransm itida por aquel, empiezan a ac tuar y dominar las propiedades ondulatorias de la luz. Por ejemplo, si el diámetro del f ilamento es igual o menor y el espesor del recubrimiento es varias decenas de veces mayor que la longitud de onda luminosa, ocurre que la energía de la luz se difunde, en general, en el material del recubrimiento. Este tipo de fibras realizan las funciones de guías de ondas (esquema 1 0 ). Por regla general, el m ateria l del recubrimiento en las fibras de vidrio es mucho más transparente que el m ater ia l del filamento, y como en las guías de onda la onergia luminosa se difunde generalmente en el m ateria l de los recubrimientos, entonces las pérdidas de absorción en las guías de ondas es menor que en los conductos de luz. i

Al dism inuir el diámetro del filamento y al adelgazar bastante o s implemente eliminarse el recubrimiento, parte de Ja energía luminosa sale de los l ím ites de la fibra, difundiéndose a lo largo do ésta gracias a la «interconexión» entre estas dos. Al d ism inuir notablemente el d iámetro de la f ib ra ,^m ás y más cantidad de energía luminosa sale de la fibra y se difunde en el aire, prácticamente s in absorberse, puesto que la absorción luminosa del aire es incomparablemente menor que la absorción de la luz por el vidrio u otro m ater ia l cualquiera; la transmisión


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énergética de luz de la s guías de ondas aum en ta m ás si del espacio in terf ib roso se saca e l a ire . E n es te caso cada f ib ra queda como u n r ie l por el cua l se conduce el flujo lum inoso . G racias a la a l t a t ran sm is ió n energé t ica las f ib ras superf inas (guías de ondas) pe rm iten t r a n s m i t i r a una d is tan c ia de var ios c ien tos de m etros e incluso a v a r ia s decenas de k i lóm etro s señales lum inosas p o r ta d o ra s de in fo rm ación codif icada ; la señal lum inosa a te n u a d a se am plif ica por u n re t ra n s m iso r láser y se t ra n sm i te hac ia ad e lan te por la f ib ra s igu ien te . L a s gu ías de ondas de v id r io h a n resu l tad o ten e r grandes pos ib i l idades como e lem entos p a ra las l íneas óp ticas de com unicac ión a la rg a d is tan c ia en luga r de los cables telefónicos y guías de rad iondas . E n los cables de guías de ondas de v id r io de todo el co n ju n to de f ibras u n i ta r ia s , cada u n a de ellas rep resen ta u n cana l in fo rm a t iv o que t ra n sm i te una inform ación var ias m iles de veces m a y o r que u n p a r de cables com unes de teléfono, y varias veces m ás in fo rm ac ión que po r los mediofc a c tu a lm e n te em pleados p a ra la re t ran sm is ió n de p rog ram as de te levisión .

L á creación de las guías de ondas f ib rovidr io - sas, adem ás del va lo r p u ra m e n te ap l icab le t iene u n g ra n va lo r c ien tíf ico . La rad iac ión se d ifunde a lo largo de las guías de ondas de f ib ras como las ra d io n d as u l t ra c o r ta s por las gu ías de rad iondas . E s ta s u l t im as consis ten . en tu b o s m etá l ico s huecos (recuérdense los conduc tos de ondas de. V . N . Chikoliev) y en cables coaxiales , los m is m os que, por e jem plo , v an desde las an ten as de te lev is ión h a s ta los te levisores. La luz y las rad io n d as son formas de las ondas e lec trom agné t i cas . Los procesos, com plejos de d ifusión de r a d io n das en las guías de rad io n d as h a s ta ahora son so lam en te descritos po r com ple jas fórm ulas .

L as guías de ondas f ib rovidriosas h an perm i- , t id o ver con sus propios ojos diferentes t ipos de


F IG . 120. Microfotografía do varios tiposTde ondas que se observan en las caras de sa l ida de una guía do ondas de vidrio

ondas y , por lo t a n to , h a n p e rm i t id o com prender m ás p ro fu n d am en te el m ecan ism o de d ifus ión de la s o n d as e lec tro m agn é t icas a t ra v é s de las gu ías de rad io n d as . A l obse rvar e l e x t re m o de sa l id a de las gu ías de on d as de f ib ras en el o tro e x tre m o de las cua les inc ide la luz b la n c a , se puede ver u n a im ag en a colores que dá u n a idea del c a rác te r t a n com plejo de la re f lex ión in te rn a to t a l en la s gu ías de o n d a s y , e n p a r t ic u la r , de m u e s t r a que a t r a v é s de las gu ías de o n d as se pueden d i fu n d ir sólo la s o n d as lu m in o sas de d e te rm in a d a long i tud .


A diferencia de ios conduc tos de luz, en lugar de la i lum inac ión uniform e observable en los ex trem os do sa l id a , se ven m anchas oscuras y c la ras a l te rn a s d ispuestas s im étr icam en te , d iferentes por su forma y color en las d is t in tas f ib ras (fig. 120). L a irregu la r idad de la i lum ina ción do los ex trem os de sa l ida de las f ibras se explica por las s igu ien tes causas. A una ap ro x im ación del d iám etro de las f ibras y de la longitud de onda lum inosa , la reflexión in terna to ta l no aparece para ángulos de incidencia de la luz m ayores que el ángulo c r í t ico , sino solam ente para algunos valores discretos de éstos, denom inados carac te r ís t icos . A cada uno do estos valores corresponden su p rop ia form a de difusión de la o nd a lum inosa en la f ib ra , su propio t ipo de ondas , su d is tr ibuc ión de la energía en la onda lum inosa y su in ten s id ad , así como, de te rm inada im agen a colores en la sa l ida . Con el aum ento del d iám otro de la f ib ra se au m e n ta e l núm ero de t ipos de ondas d ifund ib les en la fibra dada . Si la f ib ra es lo sufic ien tem ente gruesa se obtiene para las d iferentes ondas lum inosas u n conjun to continuo de ángulos carac terís t icos , las diferontes d is tr ibuc iones de la energía lum inosa para cada uno de olios se superponen e n l re s í y la d is tr ibución to t a l do la luz en el ex trem o do sa l ida resu lta un iform e, os decir, ten iendo una guía de ondas y au m en tan d o su d iám etro (o la relación ontre d iám etro y la long itud de onda) se puedo llegar a l conducto de luz.

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MÉTODOS DELA TÉCNICA ÓPTICA CLÁSICA YLA FIBROÓPTICA

L o s p r in c ip io s bás icos de d ifu s ión de l a luz y t ra n s fe re n c ia de la im a g e n p o r m ed io de ele-, m e n to s de f ib ra s h a n s ido su f ic ie n te m e n te b ien e s tu d ia d o s h a s ta el m o m e n to , y de p o r sí los a r t ícu lo s f ibrosos se u t i l i z a n a m p l i a m e n te en la f a b r ic a c ió n de a p a r a to s . S in em b a rg o , h a s ta aho ra no h a y u n a co n f ro n ta c ió n de m é to d o s e n t r e la ó p t ic a c lás ica y la o p to te c n ia de f ib ra s y no e s tá n d e f in id as la s cond ic iones l ím i te s en l a s cua les lo s e lem en to s f ib rosos p u ed en d a r té c n ic a m e n te u n a so lu c ió n m á s pe r fec ta de los p ro b le m a s que los e le m e n to s de la ó p t ic a c lás ica .


15. C O N F R O N T A C IO NE N T R E L A T E C N IC A O P T IC A C L A S IC AY LOS SISTEMAS DE CONDUCTOS DE LUZ

L a co m p arac ió n do las ca rac te r ís t ica s y prop iedades básicas do los s is tem a s óp ticos clásicos y los e lem entos do la f ib roóp lica viene dada en la ta b la 7.

Luminosidad y transm isión de la luz. Lose lem entos fibrosos t ien en u n a a b e r tu ra num érica en tre 0 , 0 1 y 1 y co n s id e rab lem en te super io r , es decir , su p e ran e sen c ia lm en te on lum inosidad (capac idad de condensac ión lum inosa) a los s is tem as óp ticos com unes . E s ta v e n ta ja de los e lem entos conduclo ros de luz se logra no 0 1 1 fu n ción de la co m p le j id ad de la cons trucc ión del s is tem a , como en la óp tica c lás ica , s ino a base de la e lección respec t iva del p a r de vidrios . E s ta v e n ta ja de los e lem en tos fibrosos da lugar a u n a a m p l ia u t i l iz a c ió n a c tu a lm e n te (y con aú n m ás p e rspec t ivas on u n fu tu ro no m u y le jano) on la fab r icac ión de in s t ru m en to s m ecano- óp t icos y e lectrono-ópticos.

S in em b arg o , los e lem en tos fibrosos t ienen con respecto a los s is tem as c lás icos u n a m ás a l ta lu m in o s id a d , pero 1 1 0 la t ran sm is ión de luz en el caso general. No se puedo o lv id a r que si la lo n g i tu d de l conduc to de luz es de 1 m , esto im p l i ca que el grosor de l v id r io en el cam ino de l royo de luz no es m eno r de 1 m y q u e en este t ra y e c to el rayo de luz se a te n ú a c o n s ta n te m e n te deb ido a la absorc ión en e l v id rio . A dem ás, en los s is te m as óp ticos , cua lq u ie r rayo que h ay a inc id ido en la e n t ra d a l im i t a d a po r su a b e r tu ra llega h a s ta el p la n o de la im agen . Y en u n haz de conduc tos de luz los ray o s que inciden en los e x t r e m os de e n t ra d a do la s in te rca lac iones lum inosas a s i lad o ra s son ray o s p a rá s i to s , los cua les d ism in u y e n el con tra s to de la im agen y son a ten u ad o s

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po r varios métodos. E l recu b r im ien to con sustan> cias no m e tá l icas de las ca ras del haz do conducto s de luz en la m ay or ía de los casos no d a los re su l tado s deseados.

Desde el p u n to de v is ta de la transm is ión de luz como una ca rac te r ís t ica energética del s is tem a los e lem entos fibrosos t ien en la v en ta ja sobre los s is temas ópticos de que on el haz de conductos de luz ex is ten so lam ente dos superfic ies reflectoras de Fresnel: e l ex trem o de en trada y el de sa l ida . E n u n s is tem a óptico clásico com puesto de un núm ero no m u y g rande de lentes, prism as, espejos, la c a n t id a d de superficies reflectoras do Fresnel es m ayor; s in em b argo, gracias a u n recorrido m enor de los rayos a t ravés de l v idrio , como m edio absorbente , la a tenuac ión to ta l de la luz es m enor que d u ran te la d ifusión de la rad iac ión a t rav és de u n haz de conductos de luz. De es ta m an era , la t ra n s misión do luz to ta l en los s is tem as ópticos de un pequeño núm ero de lentes, p r ism as, espejos es m ayo r que la t ransm is ión de luz por los e lem entos fibrosos. A una m ism a long itud ax ia l de los s is tem as ópticos y fibrosos en los s is tem as ópticos de m ú lt ip le s com ponentes (o sea, de g ran núm ero de lentes, prism as, espejos) la lo n g i tud de recorrió do de los rayos en e l v idrio es_m enor que en el haz de conductos de luz, pero el núm ero de superficies reflectoras de Fresnel es m u y g rande . Por e jem plo , en los endoscopios flexibles p a ra m ed ic ina a base de e lem entos de la óptica corriente el núm ero de superficies re frac ta r ias llega has ta 8 0 —90. Esto conlleva a u n a fuerte a tenuac ión to t a l de la luz debido a las reflexioues de Fresnel. La transm is ión de ^luz de este t ipo de s is tem as ópticos es m enor que en los e lem entos fibrosos ( tab la 7).

Transm isión de radiación . Cuando h a y necesidad de t ra n sm it i r la rad iac ión a d is tanc ia , por


ejemplo, para la i lum inación de cavidades de difícil acceso o en ca lidad de señal pa trón , es muy acertada la u ti l ización de elementos fibrosos. En este caso se puode e levar la in tensidad luminosa de la fuente, o sea el ex trem o de sa lida del haz de fibras, cientos veces en com paración con la in tensidad luminosa de la lám para dispuesta en es ta cav idad .

Los elementos luininotécnicos fibrosos en com paración con los s is temas de iluminación comunes presentan una sorie de ventajas: poquo- ñas dimensiones y peso, la forma compacta y flexible del conducto de luz, ia posib il idad do ob tener p rác t icam ente cua lqu ie r forma de la fuente de i lum inación , o sea, el ex trem o de salida del elemento fibroso. Además de esto, los a lum bradores de f ibras i r rad ian a la sa l ida , luz fría, es decir, luz en u n in tervalo de longitudes de onda en tre 0 ,4 y 0,8 p., gracias a la absorción de los rayos infrarrojos y u l t rav io le ta s . E s to constituye u n a gran vontaja para su u ti l izac ión en los ins trum entos para m edicina , ya que a diferencia de los a lum bradores eléctricos no dan la sensación de quem adura .

Transmisión de la imagen. Los s is temas óp t i cos t ran sm iten la imagen de u n objeto alejado y lo forman fuera de ellos en una superficie alejada no tab lem en te del s is tem a. E s ta cualidad de formación independien te de un objeto d istante no es propia de los elementos fibrosos. La única excepción la consti tuye el ob je t ivo focón; sin em bargo , en p r im er lugar , éste a la sa l ida form a la imagen sólo en su extremo de sa lida y , en segundo lugar, h ay que reconocer que los s is temas ópticos clásicos resuelven m ás e legantemente este problema. Los conductos de luz de autoenfo- que, o sea los selfocos (novena clase), tampoco form an l a imagen de u n objeto a le jado , éstos so lam ente t ran sm iten y form an la imagen que


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ha s ido p royec tada a l ex trem o de en trada en su extrem o de sa l ida . De esta m anera , s in tener on cuen ta e! caso pa r t icu la r del ob je t ivo focón y los selfocos, los e lementos fibrosos se d is t inguen en princ ip io de los elementos de la óp tica clásica po r la incapacidad de formar la imagen (en este caso no estamos considerando los e lem entos de la óptica de capas do conductos de luz , es decir , la oc tava clase).

Gomo so señaló an te r io rm en te , los elementos de f ib ras debido a su es truc tu ra mosaica d iv iden una imagen, p royec tada a i ex trem o de en trada , en e lem entos y rea lizan una transm isión de cada e lem ento de la imagen al extremo de sa l ida . Sí recordamos que el d iám etro de los f i lam entos conductores de luz do los e lem entos fibrosos os igual a varias m ieras , es correcta la s iguiente afirm ación: la imagen t ra n sm it id a y formada por los s is tem as ópticos clásicos no posee com ple ta m en te es truc tu ra y mosaica. Desde osle pundo de v is ta los s is tem as clásicos son ind iscu tib lem ente m ás perfectos; la gran desventaja de los haces de conductos do luz rad ica en que la imagen transm it id a os mosaica. La es truc tu ra discreta del haz de conductos de luz sirve como fuen te de pérdidas de información que en los e lem entos fibrosos superan varias veces las pérd idas on los s is temas ópticos comunes.

Los apara tos do fibras se carac ter izan po r tener ru ido s micro y m acroes lruc lu ra les ; adem ás, el n ive l del ru ido en com paración con los s istemas ópticos comunes es tan a l to que t iene sentido la s igu ien te afirmación: los s is tem as ópticos clásicos poseen u n n ive l nulo de ruidos. E s ta ven ta ja y cualidad de los s is tem as ópticos comunes son m ás comprensibles y no tab les si recordamos que en los s is tem as ópticos clásicos «la ven tana lu m inosa» que forma u n e lem ento dado de la imagen, lo cons ti tuye todo el cam po del s is tem a, por


ejemplo, todo el diámetro de la lente o del espejo. E n las piezas fibrosas, cada elemento do la imagen se transm ite y forma en el extremo de salida del haz de conductos de luz solamente por su ventana luminosa constituida por el f ilam ento un ita rio de guía de luz. Esto no solamente es una diferencia de principio do los sistemas de fibras sino además es la base de exigencias al mejoramiento tecnológico de fabricación do elementos fibrosos y la calidad de los vidrios iniciales, puesto que un filamento parcialmente transparente u opaco provoca la pérdida del elemento dado de la imagen, es decir, la disminución del volumen de información transm itida .

Poder resolutivo. La dimensión l de un elemento de la imagen resuelta por el objetivo disminuye al d ism inuir la longitud de onda X de la luz y a l aum entar la abertura numérica A del sistema óptico:

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La resolución de los sistemas ópticos comunes se determ ina por medio de fenómenos do difracción. E l poder resolutivo de un haz do conductos de luz (como se ha visto en el capitu lo I I I ) está l im itado no sólo por la difracción de la radiación sino además por una serie de otros parám etros y su calidad es m uy inferior a la de los s is temas de la óptica clásica. E l l ím ite de resolución de los sistemas ópticos modernos con aber tu ras num éricas e n t r e 0 , 5 y l , 0 e s igual a 0,5— 1 p., la resolución de los elementos fibrosos has ta el momento no pasa de 4 — 6 p,. Al nivel ac tua l de conocimientos, el poder resolutivo de u n haz do conductos de luz ostá l im itado por u n a m agnitud del orden de 1 0 0 l íneas/mm y, aplicando métodos especiales para el aumento del poder resolutivo, del orden de 200 líneas/mm. A* base de lo antes


dicho, se puede observar que la utilización de un haz de conductos de luz es posible en los casos en que se necesita t ransm it ir haces de rayos con grandes aberturas, los cuales llevan una imagen re la tivam ente bas ta , y no es aconsejable la u t i l i zación de elementos de la fibroóptica para la transmisión de elementos suficientemente pequeños por medio de haces de rayos de abertura relat ivam ente pequeña. E n los sistemas ópticos que consisten, por ejemplo, en un objetivo de alto poder resolutivo y un haz de conductos de luz, este ú lt im o no realiza el poder resolutivo del objetivo y l im ita la resolución to ta l del sistema objetivo — haz de conductos de luz.

A diferencia de los sistemas ópticos comunes el poder resolutivo de u n haz dado de conductos de luz no depende de la longitud de onda de la radiación, puesto que aquél se determ ina en general por el paso de la estructura , o sea, por la distancia entre los centros de los filamentos adyacentes, y es igual para todas Jas longitudes de onda. P a ra un haz dado de conductos do luz sólo la transmisión de luz y el coeficiente de transmisión del contraste son los que dependen de la longitud de onda do radiación. Si un elemento fibroso está destinado para una radiación de longitud de onda más corta, entonces el haz de conductos de luz se puede hacer con un poder resolutivo mucho más alto que podría realizarse por apara to óptico.

Sin embargo, la posibilidad de elevar el poder resolutivo de los elementos de fibras a base de la disminución de la longitud de onda de la radiación os, en general, insignificante. Veamos unos ejemplos extremos particulares. Consideremos que el d iám etro mínimo posible do un filamento conductor de luz D c debe ser igual a 1 0 longitudes de onda y que el grosor mínimo ó de la intercalación aislante de luz no debe ser menor que las dos


longitudes de onda do la rad iac ión . D uran te la elaboración de los elementos fibrosos, los p a rá m etros geométricos do la es truc tu ra se calculan por la frontera do longitudes de onda la rga del in te rva lo do longitudes de ondas do la rad iac ión para el cual es tán dostinadas los conductos de luz. Supongamos que so desea e laborar elementos de fibras con un podor resolutivo posible a l m áx im o para dos in tervalos de longitudes de ondas: 0 ,4—0.8 y 0 ,2—0.4 \i. Teniendo en cuenta las consideraciones a rr iba descritas, para el p r im er in tervalo ol d iám etro del f i lam onto D cl — 8 p y ol grosor del a is lam ien to ÓL = 1 . 6 p , es decir, el paso de disposición D T = D cl + óx = 9 ,6 p. E s to da lugar a un poder resolutivo nominal R = (2D )-1 — 52 línoas/mm. Para el segundo in terva lo do longitudes do ondas leñemos D c2 = 4 ja; 8 .,» = 0 .8 p; D 2 — 4 ,8 p y el poder resolutivo nom inal R = 104 l in /m m . Gomo podemos observar por los ejemplos vistos, los poderes resolutivos nominales de los haces de conductos de luz para dos intervalos diferentes de longitudes de ondas se de term inan por la f ron tera de longitudes de ondas largas y están relacionados por la dependencia R l/R 2 =

Do aquí , en la ac tua l idad ol poder resolutivo de los elementos fibrosos esié l im i ta d o y son pocos los métodos conocidos p a ra su m ejoram ien to . E l podor resolutivo de los s is tem as ópticos clásicos es de 5 a 15 veces m ayor que el de los elementos fibrosos. Pero no está e l im inada la posib il idad de que en un fu turo no m u y lejano se encon trarán medios do m ejoram iento dcl podor reso lu tivo do los elementos do fibras realizable por e l apara to . En este caso se t ra ta no de un poder reso lu tivo geométrico de un haz de conductos do luz , puesto que el método de conducción m últ ip lo y fabricación de los conductos de luz m ult if i la res permite obtener cua lqu ier d im ensión del d iám etro del


f i lam ento u n i ta r io , sino de la resolución aceptable por los ap a ra to s de un haz de conductos de luz teniendo en cuen ta el coeficiente de transm isión del con tras te y la t ransm is ión de luz de u n flujo ú t i l de información.

Relación contraste — frecuencia . E l coefic ien te do transm is ión del con tras te de los s is temas ópticos comunes t iende a 1 a l d ism in u ir la frecuencia de las rayas de la im agen de prueba; para un haz de conductos de luz ostoj no es posible debido a l ru ido microes truc tu ra 1 ob je t ivo , a no ser que se u t i l icen m ed idas especiales tendientes a e levar e l coeficiente de t ransm is ión del con tras te . Otra diferencia consiste en que, a una frecuencia ex trem a p e rm it id a de las rayas , el coeficiente de transm isión de l contraste de los s is tem as ópticos t iende a cero y en los elementos de fibras es m ayo r que cero y puede a lcanzar valores h a s ta de 0,20 a 0,40.

E l poder reso lu tivo y el coeficiente de t ransmisión del contraste en los s is tem as ópticos comunes son m áxim os eu el centro de l campo y d ism inuyen hac ia los extrem os de éste. E n ios elementos de f ibras de caras p lanopara le las todas las caracterís t icas ópticas a n iv e l del campo son iguales. Si el haz de conductos do luz es p lanocóncavo o bicóncavo y adem ás los conductos de luz e lem entales l legan a las superficies de t ra b a jo (extremos) n o rm alm en te , entonces el poder, re so lu t ivo y el coeficiente de transm isión del contrasto p rác ticam ente permanecen constan tes en todo el cam po de la imagen, tanto en el centro como en los extremos.

P u p ila de salida . Los e lem entos fibrosos tienen d ifum inados los contornos de la pup i la de sa l id a , lo que cons t i tuy e su desventa ja con respecto a los s is tem as ópticos comunes y conduce a u n a d ism inuc ión do la ca l idad de la imagen t ran sm it id a . La causa de la d ifum inac ión de la


pupila de sa lida se debo a una serie de factores: el doblamiento de los conductos de luz, la diferencia en la forma y carácter de disposición de los filamentos conductores de luz, la variación en las dimensiones y forma de la sección transversal a lo largo de los f ilamentos elementales, la falta de perpendicularidad de los ejes de algunos f ilamentos con respecto a las superficies (extremos) de traba jo , la dispersión de la luz en los microdefectos de los f ilamentos y en la frontera de división f ilam ento — recubrim iento , el desbordamiento de la luz do un f ilam ento a los c ircundantes, la veladura la te ra l por la luz dol haz de fibras (en este caso la luz la te ra l al dispersarse en los microdefectos, se dirige a l extremo de salida y disminuye el contraste de la imagen),

ote.Guando los filamentos conductores de luz

tienen diámetros pequeños se no ta entonces un gran efecto de la difracción en los extremos de en trada y de salida de cada uno de los f ilamentos sobre la difuminación de la pupila de sa lida de los elementos fibrosos. E n la fig. 121 se representa una d ila tación por difracción en la salida de ángulos de inclinación de los rayos de u n elemento anu lar del cono en los l ím ites del cual los rayos salen del f i lam ento . El efecto de los tres anillos se cum ple incluso para diámetros m uy pequeños de los f ilamentos pero la figura de d is tr ibución luminosa se obtiene sum am ente difu- m inada . La difuminación por difracción de la pupila de salida de los elementos fibrosos para ui ^ uo aum ente además debido a las componentes Ocn y sobre todo O n puesto que esta última sale de los extremos de salida do las intercalaciones aislantes do luz cuyo grosor es menor que el diámetro de los f ilamentos. Aún cumpliendo el principio de concordancia entre las aberturas (pupilas) de las componentes de lentes y de fibras


F IG . 121. D ila tac ión por’difracción dol an i l lo do luz en l a sa l ida de la gu ía de luz i lum inada con un haz do rayos delgado (paralelo): a — conducto fino de luz; b — conduc to grueso de luz

de u n s is tem a dado , en la pup i la de sa l ida incide p a r le de los rayos y p a r te de la com ponen te <!>£, o sea , que éstas to m an p a r te en la d ism inución de la ca l idad de la im agen. La d ifum inac ión por difracción de la pup i la de sa l ida de los e lem entos fibrosos d ism inu ye con la d ism inuc ión de la lo n g i tud de on da de la rad iac ión .

F lex ib il idad del canal in form ativo . U n a diferenc ia fu n d a m e n ta l en t re los haces de f ib ras y los s is tem as ópticos consiste en la f lex ib i l idad denlos p r im eros , la cua l perm ite u t i l i z a r e l cana l dado

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qué transm ita la información én un réginleú dinámico variando constantemente la curvatura del canal. Incluso en el caso de conducios de luz rígidos polifilares, curvos, la transmisión do la imagen a través de vin canal estático de curvatura compleja os mucho más simple que como si esto canal estuviera compuesto de elementos do Ja óptica clásica. Indudablemente, la ventaja de los canales de fibras rígidos y flexibles de curvaturas complejas consiste no sólo en la simplicidad do transmisión de la imagen a través de los canalos curvilíneos, sino además en la transm isión de haces de rayos con aborturas muy grandes. La construcción de sistemas flexibles de lentes es posible (un ejemplo de ollas son los endoscopios clásicos de lentes), sin embargo, su construcción está supeditada a las leyes del recorrido de rayos a través de un tubo clásico luminoso y, en p a r t i cular, del recorrido rectilíneo de los rayos. E n los sistemas ópticos clásicos la longitud del recorrido rectilíneo libre de los rayos es muy grande, uîeu- tras que en los conductos de luz se puede dism inuirla prácticamente hasta el infinito.

Es necesario no tar que los sistemas flexibles de lentes hasta el momento han sido poco investigados, por lo tan to es imposible llevar a cabo una comparación exhaustiva con todo el complejo de características ópticas y de explotación entre éstos y los sistemas flexibles de fibras. E l concepto generalizado de que la utilización do los haces flexibles de fibras en los sistemas flexibles tiene una ventaja absoluta en comparación con los sistemas de lentes no es totalmente evidente.

En comparación con los sistemas ópticos flexibles exislentos por ahora, los dispositivos flexibles de fibras tienen las siguientes ventajas: pequoñas dimensiones seccionales de canal informativo; mayor transmisión de luz en comparación con los sistemas flexibles de múltiples lentes;


a l ia ab e r lu ra num érica ; invar iab i l idad de la transm is ión de luz y del poder resolutivo duran te el dob lam ien lo de los haces de fibras.

División de la im agen en elementos* La separación do la imagen en e lem entos gracias a la e s t ru c tu ra mosaica do los a r t ícu los fibrosos es la ven ta ja fu n d am en ta l de éstos en la so lución do problemas en los que so exige u n a d iv is ión de la información en diferentes com ponentes p a ra u n aná l is is por partes, o la descomposición de estas ú l t im a s según una ley d e te rm inad a . La cuantiza- ción de la im agen en microelementos, por ejemplo, de dimensiones en tre 3 y 10 (.i y la codificación y dcscodiíicación do éstos por medio de elementos de la óptica corriente es prácticam ente imposible. A l m ism o t iem po , cua lqu ie r transform ación es e jecutable en princip io por m edio de los elementos ópticos clásicos, incluso la subdiv is ión on macro- elementos que se realiza por los elcmonlos fibrosos (la tercera clase); pero en esto caso, las d im ensiones geométricas y el peso do los transform adores ópticos corrientes en varios órdenes son mayores, y la transform ación de luz y la f ia b i l id ad de explotación son mucho m ás ba ja s que en los transform adores de f ibras do información. E n los t ra n s formadores ópticos sería necesario el reglaje complejo de u n a can t id ad sufic ien tem ente grande de elementos: de lentes, de prism as, de espejos, e tc . La f lex ib il idad de las f ibras ópticas da lugar a la realización de transformadores de in fo rm ación a l ta m e n te com pactos y de construcción re la t ivam en te s im ple.

La gran m ayoría de las transformaciones de la información lum inosa quo se llevan a cabo en la a c tu a l id a d con e lem entos fibrosos y em pleando m étodos de la óptica clásica son prácticam ente irrea lizables (el a u to r no discuto u n a realización on p rinc ip io , sin tener en cuenta las exigencias a u n d isposit ivo concreto).

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Las ven ta jas an te r io rm en te expues tas de los t ransform adores do f ib ras sobre los s is tem as ó p t i cos corrien tes so exp l ican po r la g ran difusión de los s is tem as do conductos de luz de la tercera clase en la construcción de apara to s . E s c la ro quo estas ven ta jas y en tre ellas la co m pac t ic id ad de los t ransform adores de f ibras , son rea lizab les con ayu da de la óp t ica clásica; adem ás , la u t i l i z a ción de los e lem entos de la f ib roóp tica os inconcebible s in com binarlos 'pon^ los s is tem as ópticos comunes y e lcctronoópticos.

Características respecto al peso. Los t ra n s formadores fibrosos de inform ación lum inosa o rgan izada y desorganizada t ienen m enor peso en com parac ión con los s is tem as potenciales do la óptica clásica so lam ente gracias a la com pac tic idad y re la t iv a s im p lic id ad en la rea lizac ión de dicha t ransform ación . E n los s is tem as donde sea necesaria u n a transm is ión a d is tanc ia de la im agen, el peso de los e lem entos fibrosos es, por regla general, m a y o r que en ios s is tem as análogos do la óptica c lás ica . E n rea l id ad , au n q u e los e lem entos fibrosos es tán con s t i tu id o s por f ibras f in ís im as y l igeras , t ien en un peso grande, puesto que la transm is ión de la im agen por elem entos conduce a la necesidad de la ex is tencia de u n f i lam en to u n i ta r io conduc to r do luz rodeado de un recubrim ien to lu m in oa is lad o r po r debajo do cada uno de los e lem entos do la im agen . El m a te r ia l de estos c o n d u c to s de luz es el v idrio , quo tiene u n peso ospecífico en tro 3 y 4 g /cm 3. De o tro lado , para u n poder reso lu tivo dado , lo m ism o quo p a ra el área de los ex trem os de t r a bajo, e l volumen de la inform ación t ra n sm i t id a y la lo ng i tud de los haces de conduc tos de luz los haces regulares r íg idos de f ib ras t ien en u n peso m eno r quo los flexibles puesto que a la es truc tu r a de estos ú l t im os se agregan la lub r icac ión in lerf íb rosa , el forro p r im ar io re cu b r id o r , el


forro secundario recubridor que protege contra la acción m ecánica ex ter io r y l im i ta el radio de doblam ien to de los haces, la a rm ad u ra de en trada y sa lida y algunos otros elementos de la construcción de los hacos flexibles. E n ca lidad de ejemplo se puode indicar que el peso de los gastroscopios de fibras es do 1 , 2 a 2 veces m ayor que el do los gastroscopios en los cuales han sido uti l izados so lam ente e lementos de la óptica común.

A nter io rm ente se han com parado los e lem entos de la óptica clásica y de la f ibroóptica en cu an to a los parám etros fundam enta les de ellos (ver labia 7). Además de las ven ta jas y desventajas, expuestas a r r iba , de los métodos de la fibroóptica y com paradas con la optotécnica común, podemos recordar que la óptica de f ibras tiene un am plío campo visual que es difícil a lcanzar por la óptica clásica, lo que perm ite en forma suficientem ente s im ple realigar u n campo de la pup ila de salida mucho m ayo r que on la óptica clásica. De es ta m anera , la fibroóptica tiene ventajas notables y desventajas objetivas. Al ser u t i l izada eti la fabricación de apara tos es necesario exam inar todos los parámetros en su conjunto , todas las ventajas y desventajas, ca lcu lar e l efecto económico y técnico de la u t i l izac ión de los elementos de la fibroóptica en un dispositivo concreto.

1G. FIBROOPTICAY PATENTESDE LA NATURALEZA

D uran te largo t iem po los constructores de naves aéreas estuvieron buscando e l m étodo de a tenuac ión dol flameo, o sea, la vibración do las a las de los aviones. Y sólo a costa de muchas vidas hum anas y enormes pérdidas m ateria les pudo ser construido u n dispositivo antif lam eo.


Pronto fue determinado que con m ucha anterioridad este dispositivo hab ía sido descubierto en la biología duran te ol estudio do la biom ecánica de las libélulas. E s curioso no ta r quo la topografía de los dispositivos contra el flameo en las alas do los aviones y libélu las son com pletam ente a n á logos.

E n la historia de la ciencia y de la técnica hay muchos ejemplos en los quo el hombre al ha lla r la resolución de un problema técnico-científico complejo se daba cuenta do (pie el problema había sido resuelto hace t iem po y en forma original por la naturaleza y , generalmente, en forma más com pacta , e legante c ingeniosa y con m ayor f iab il idad . Aquí viene a l caso recordar las pa la bras del filósofo m ater ia l is ta francés del siglo XVTÍI J . L am e t t r i : «¡No consideraremos l im i ta dos los recursos do la naturaleza! jCon la ayuda dol arte humano ellos pueden tornarse i l im i ta dos!».

E n los ú l t im os decenios la biofísica se ha convertido en objeto de investigaciones m inuciosas y a ten tas por los científicos y no ta n to con el fin de u n a investigación cognoscitiva de los procesos biofísicos, como con el propósito do conocer su sen tido para poderlo ap licar en su ac t iv idad práctica . Realm ente , el conocimiento e investigación do los pa ten tes de la na tura leza ayudan a l hombre a realizar ol respectivo perfeccionam iento de los procesos, los s istemas, dispositivos y m aqu inar ia quo ha croado ya o está croando.

Un caso semejante se puede observar en la fibroóptica. Muchos do los métodos de la fibro- óptica hace tiempo que han sido «patentados» por la na tura leza . Veamos unos cuantos ejemplos.

Conductos de luz en nuestros ojos. E l ojo hum ano se puedo com parar con una cám ara fotográfica en la cual el cris ta lino (fig. 1 2 2 ) juega


1 2 ¿ 4

F IG . 122. Corto horizontal dol ojo derecho humano;J — c r is ta l in o ; 2 — cám ara d e lan te ra ; 3 — iris; 4 — córnea; 5 —h u m o r v i treo ; 6 —ojo v isua l; 7 —eje óp tico ; 5—hoyo c e n tra l ; o —m ancha a m a r i l la ; 1 0 —nerv io óptico ; 1 1 —re t in a ; 1 2 — capa vascu la r , 13— esclerótica

ol papel cío objetivo do enfoque autom ático . Los músculos quo rodean el cristalino hacen var ia r su cu rva tu ra para enfocarlo de esta forma en función de la distancia has ta el objeto y hacer n í t ida la imagen proyectada a la re tina. La re t ina lia sido creada por la natura leza en forma de una superficie curvilínea para corregir la curva tura del campo de imagen del cristalino y simplificar de esta manera la «construcción» del cristalino- objetivo.

E n el analizador visual (o sea el ojo) la n a tu raleza ha u ti l izado muchos métodos y elementos de la fibroóptica, los cuales sólo en los últimos dos decenios han sido descubiertos y diseñados por el hombre.

Evolución del analizador visual. E l ojo como un órgano ind iv idual apareció por primera vez


en la epidermis de los gusanos en forma de varias manchas fotosensibles que permitían solamente determirar de qué lado incidía la luz. E l desarrollo posterior continuó por dos ramas. La rama del denominado ojo externo se caracteriza por una transformación de la mancha fotosensible a una protuberancia (fig. 123, a — c) de varias células individuales sensibles a la luz. Al desarrollarse posteriormente la protuberancia cada una de estas células se fue haciendo más fina y más profunda. La célula desempeñaba el papel de un conducto de luz monofilar cónico estrechado, en cuyo extremo menor (fondo de la célula) había un elemento fotosensible. El conducto de luz estrechado (ver el cap. I I) , en la parto del extremo mayor tiene una pequeña abertura numérica, la cual disminuye al aumentar la diferencia entre los extremos de entrada y de salida. Lógicamente, cuanto más profunda y delgada sea la célula tanto mejor determinaba la dirección de incidencia de la luz.

El haz de talos conductos de luz en forma de ojo daba una información más detallada sobre el medio ambiente. Este tipo de ojo exterior es el que tienen los insectos (fig. 124), entre otros, el ojo de la libélula que so alimenta de pequeñas moscas que atrapa al vuelo, contiene hasta 25 000 celdillas-conductos de luz individuales. Este ojo externo complejo, según el

-— »FIG. 123. Esquema del desarrollo dol ojo exterior (a—b) e interior (d—g): a — mancha fotosensible del ojo exterior; b — celdillas epiteliales; c — ojo complejo; d — mancha fotosensible cóncava; e — cavidad llena do sustancia transparente; / — cavidad abierta; g — cavidad cerrada de córnea y llena de humedad vitrea; h — cavidad cerrada con la humedad vitrea y el cristalino; i — cavidad cerrada con córnea, cristalino y cámara delantera; i — córnea; b — cristalinos cónicos; 3 — retina.


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principio (le t ransm isión de la información, es análogo a un objelivo focón (ver el cap. I I I ) . Es in teresante señalar que la es tructura del ojo de los insectos es tá consti tu ida por conductos de luz do forma seccional ap rox im adam ente hexagonal para obtener un relleno m áxim o del ex tremo de en trad a con filam entos conductores de luz.

De la m ancha fotosensible s i tuada en la epidermis del gusano parto tam bién la segunda ram a de desarrollo del analizador v isua l , o sea, la ram a del denominado ojo interno con que cuentan todos los vertebrados, incluso el hom bre . E l esquema de desarrollo del ojo in te rno viene dado en la fig. 123, d — i. La im agen de los objetos en los ojos de los vertebrados (fig. 1 2 2 ) se forma on la re t in a que cubre el fondo del globo del ojo. La re tina corrige, do modo semejante a los correctores fibróopticos del campo, la cu rva tu ra del campo de la imagen. Pero aqu í no term ina la analogía entre ellos. La re t in a en la penú lt im a

F I G . 124. O j o s d o iu s o c lo a {d e una m osca )


capa de las 1 0 que t iene , poseo e lem entos fotosensibles, o sea, conos y bastoncillos; así pues, el ojo, al igual que los e lem entos fibrosos e labora la inform ación por e lem entos m ed ian te la cuan t izac ión de lá im agen . S in embargo, el ojo supera a lo s a r t ícu lo s f ibroópticos en lo den s idad de e lem entos fotosensibles, aunque ya en a lgunos p roduc tos fibrosos el núm ero do f ibras se acerca a rail m illones. P o r e jemplo, la r e t in a con tiene cerca de 7 m illones de conos y a lrededor de 130 m illones de bastoncillos. Como com parac ión recordem os que la imagen en b lan co y negro de la p a n ta l la do un televisor contiene tinos 250 m il e lementos; un m icroscopio t r a n s m i te cerca de 500 m il elementos: u n a buena fo tografía com ún de pequeño form ato con tiene has ta var ios millones; u n a fo tografía de superio r cua l idad y gTan ta m añ o , h a s ta v a r ia s decenas de m il lones de elementos.

L a na tu ra leza ha resuelto en u n a form a m uy or ig ina l el p rob lem a de a tenuac ión de la luz difusa v de elevación dol con tras te . E n la í ib ro- óptica esto se efectúa em pleando un recubrim ien to sem it ranspa ren te . E n el ojo, de trás do la capa de bas tonc il los y conos, h ay u n a capa de p igm ento m oreno cuyos gránulos penetran entre los e lem entos fotosensibles cuando incide sobre el ojo dem asiada luz. E l p igm ento m oreno a te n ú a la luz d ifusa en la capa fotosensible , a u m en ta el co n tra s te y protege los bas tonc il los y los conos con tra la acción de una i lum inac ión excesiva. E s te p igm ento ac túa au to m áticam en te , como si m a n tu v ie ra un equ il ib ro en tre la t r a n s m is ión de luz y el coeficiente de transm isión del co n tra s te . L a acción de este p igm en to es análoga a la de los reves t im ien tos a is ladores de luz fotoc rom áticos, los cuales ba jo la acción de un f lu jo lum inoso pequeño casi no se oscurecen, o sea, t ra n sm iten m a y o r lu z sin v a r ia r


ol co n tra s te , y ba jo u n a fue r te i lum in ac ió n se oscurecen en u n grado m ayor , a ten u an d o de es ta form a l a transm is ión de luz y au m e n ta n d o el con tras te . Recordem os que el h om bre pudo l lega r a resolver el p rob lem a de los re v e s t im ien tos fo tocrom áticos so lam en te en 1968; m ie n t ra s que la eficiencia «técnica» y l a e legancia de la resolución de es te p rob lem a por la na tu ra leza son. s in d u d a , m ás a l tas .

Poder resolutivo del ojo y de los elementos fibrosos. E l poder reso lu t ivo se d e te rm in a por las d im ensiones del e lem ento : el d iá m e t ro del cono en los ojos y el d iá m e tro del f i lam en to en los s is tem as do conduc tos do luz. Al o bse rvar un objeto vo lum inoso c u y a im agen cubre un gran núm ero de conos, el ojo puedo d is t in g u i r sobre la superfic ie del ob je to m uchos de ta l les d is t in tos . Al a le ja r el objeto la s d im ensiones de la im agen y el núm ero de conos ex c i tado s se reduce, por lo que d ism inu ye respec t iv am en te ol núm ero de de ta l les d is t ingu ib les . Al obse rvar dos pun tos lum in iscen tes dispuestos un o cerca del o tro , en dos áreas vec inas de la re t in a se form a n dos imágenes de difracción. P a r a d is t in g u i r dos pun to s de u n o tro m ás b r i l l a n te es necesario que en tre la s im ágenes de estos pun tos se encuen tre po r lo m enos un cono que sea i lu m in ad o m ás déb i lm en te . E s te m ism o princ ip io aparece en la f ib roóp t ica : para poder d is t in g u i r dos p u n to s es preciso quo en tre éstos q uep a por lo menos u n f i lam en to con du c to r de luz con o tro brillo.

E n la a c tu a l id a d , en los e lem entos fibrosos de poder superreso lu t ivo ol d iám e tro de lo s f i la m en tos conducto res de lu z es tá en tre 2 y 3 ¡i. D e te rm inem os el d iám e tro de los conos e n el ojo h u m a n o . D u ra n te el d ía u n ojo n o rm a l t iene un poder reso lu tivo de u n m in u to an gu la r . La d is tan c ia focal del ojo es de cerca de 17 m m .


A una distancia angular entro dos puntos visibles igual a 1 rain, la distancia lineal entre los centros do sus imágenes en la retina es igual a 17 x 0,0003 = 0,005 mm =* 5 p. Comparando este resultado con la condición necesaria de tener entre los imágenes do dos puntos contiguos por lo menos un cono con su iluminación sensiblemente menor, podemos ver quo ol diámetro del cono en la cavidad central del ojo no puede ser mayor de 2— 3 p. En otras palabras, la dimensión del cono en el analizador visual del hombre es igual al diámetro dol filamento en los elementos de superresolución de la fibroóptica.

Visión crepuscular. La taroa do los bastoncillos y los conos en el ojo es diferente para cada uno: los bastoncillos son mucho más sensibles a la luz y constituyen la visión crepuscular (visión escotópica), los conos, para los cuales es necesaria una gran cantidad de luz, funcionan de día (visión fotópica) y dan la posibilidad de distinguir los colores. Al caer el crepúsculo la cantidad de luz que incide sobre el ojo disminuye, a pesar de La dilatación de la pupila, de aquí que la sensibilidad do los conos resulta insuficiente, se atenúa y posteriormente desaparece la distinción de colores. Aquí comienzan a actuar los bastoncillos.

El gran número de bastoncillos periféricos que ocupan en la re tina una amplia área mucho más que el área de un cono, y que corresponden a una sola fibra nerviosa de la visión, captan el flujo luminoso en forma semejante a los colectores ópticos fibrosos en una sola fibra del nervio óptico. Asi so logra ver bajo una iluminación externa baja.

La conexión de muchos bastoncillos on una sola fibra del nervio óptico como si aumentara el área del elemento fotosensible unitario . Al


igual que d ism inuye ol poder resolutivo de los s is temas conductores de luz, debido a l aum ento del d iám etro del f ilam ento , ocurre tam bién con el poder resolutivo del ojo. P a ra el ojo hum ano la d is tancia angular m ín im a en tre dos objetos distinguibles de noche, dispuestos uno cerca del otro, es ap rox im adam ente u n grado (en lugar de un m inu to d u ran te el día). A la vez d ism inuye la sensib ilidad de contras te del ojo.

La existencia de u n a visión d iurna y crepuscu lar en el hombre lograda por diferentes elementos fotosensibles tiene una analogía en la fibroóplica con los elementos conductores de luz policromáticos. Estos ú l t im os es tán constituidos po r f ilamentos conductores de luz a l te r nativos, t ransparen tes en las diferentes partes del espectro de radiación. Al em plear un fotorreceptor que sea sensible en un in te rva lo dado do longitudes de ondas de rad iac ión , de todo el complejo de f ib ras se u t i l izan sólo aquellas que sean transparentes en este in te rva lo . Si es necesario el análisis de la información t ran sm itida por el mismo elemento fibroso policroma-' t ico, on otro in te rva lo do longitudes de ondas de rad iac ión se efectúa un cam bio colocando un nuevo fotorreceptor con la sensib ilidad espect ra l correspondiente. E l cambio de fotorreceptores es equ iva len te en este caso a la adaptación visual, o sea, la reconstrucción de la v is ta de un nivel de i lum inación a otro, el c am bio de la luz por la oscuridad y viceversa.

Análogo de loa elementos fibrosos de vibración. Po r la óptica clásica se sabe que la im agen óptica formada en un vidrio m a te se to rna m ás n í t ida si se pone este vidrio en m ovim ien to ráp ido , por ejemplo, en u n m ovim iento g ira torio .

Al poner en v ibración s incrónica los dos extremos de un liaz de f ibras su poder resolutivo aum en ta más o menos al doble y , lo m ás impor-?


tan le, desaparece el electo mosaico do la estructu ra .

Es te efecto, am pliam ente d ifundido en la fibroóptica on los ú ltim os años, ha sido u t i l i zado por la na tu ra leza mucho an tes de que el hom bre lo descubriera- E l globo ocular se encuentra en un movimiento au tom ático constan te (en oscilaciones), lo que da como resultado que la im agen de los objetos se desliza constante- monto de ta l forma que oscila en la superficie de la re t ina . Es ta oscilación continua de la ret ina n ivela su os tructura g ranu la r aproximando su efecto al que tendría una capa fotosensible sin es tructura .

Cristalino del ojo y fibroóptica. Si com paramos u n a cám ara fotográfica con el ojo humano, el equ ivalen te del fotoobjetivo sería el c r is ta lino. Pero se les puede com parar sólo en que am bos forman la imagen de un objeto externo.

Efectivam ente, las ú l t im as investigaciones de los científicos de la Universidad Lomonósov de Moscú Popov V. N. y S im akov Yu. N. han descubierto tales secretos del cris ta lino que has ta un objelivo ultraperfeccionado con la m ejor óptica al lado de ésto parece un disposit iv o prim itivo .

E l cris ta lino del ojo crece toda la vida; entre o tras cosas, Las célu las viejas no so desprenden como ocurro en los dem ás órganos. Las células de la pa r te an te r io r del cris ta lino , o sea los epitelios, se transform an en fibras las cuales, al m adura r , se desplazan hacia el centro y ceden el lugar a las células jóvenes.

Los científicos han podido observar que el rayo láser, al coincidir con el eje óptico del crista l ino , no llega hasta la rotina. E l rayo desplazado un poco a u n lado, transpasa el c r is ta lino como una lente óptica común formando la


im agen en La re t ina . Las investigaciones de las l ib ra s del c r is ta l ino han dom ostrado que éstas t ienen la forma hexagonal de u n a long itud en tre 9 y 10 \i, y d iám etro do cerca de 2,0 — 2,5 p y adem ás todas las f ib ras es tán c u b ie r ta s de una sustancia cem en tan te la cua l la s une en ío rm a do capas. E l Indice de refracción de este recubrim ien to (envoltura) es m enor que el de la f ibra . E l recubrim ien to es a l ta m e n te t r a n s paren te y po r esto absorbe m u y poco la luz. ¡Por lo an te r io r v isto , podemos observar quo el haz de célu las vivas en el c r is ta l ino del ojo no es m ás que un elemento f ib roóptico corriente!

L as f ibras conductoras do luz del c r is ta l ino se encuen tran dobJadas en form a de S. Esto forma les perm ite ju g a r el pape l de una p laca de resorte que puede a y u d a r al c r is ta l ino d u ra n te su acom odación o sea, cuando ésta cam bia su cu rv a tu ra . E l ex trem o do e n trad a de las f ib ras se encuentra en la parto an to r io r de la superficie del c r is talino* en los cam pos donde los rayos de luz em pie zan su recorrido por el ojo. Los ex trem os de sa l ida se encuen tran en la porte posterior do la superficie d ir ig ida hacia la re tina.

Cuando ex is te u n a i lum inac ión fuerte la p u p i la se contrae. La m ay or p a r te de la luz que incide sobre la pup ila , se d ifunde po r los conductos de luz vivos y su pequeña porción a t r a viesa el c r is ta l ino y fo rm a en la r e t in a la imagen. Los rayos t ransm it id os a t ravés de los conductos de luz se en cu en tran con los n u c ióos s i tuados en cada u n a de la s f ib ras y se d ispersan . E l c r is ta l ino luco en este caso en form a parecida a una l in te rna m a te i lum inando toda la re t ina . E s to provoca u n a n ivelac ión del con tras te en la re t in a en tre lo luz y la sombra. Nunca percibim os var iac iones t a n fuertes del con tras te como las que re su l tan en las fo tografías de los fotógrafos novatos.


E n los crepúsculos» cuando la pup ila está d i la ta d a , l a m ayoría do los rayos llega has ta la re t in a rodeando el haz de fibras; la i lu m in a c ión en la cám ara visual resu lta débil. Más n í t ida llega a ser la im agen y nosotros distinguimos m ejor los objetos a pesar de la m a la i lum ina ción.

Además, las f ib ras ópticas v ivas conducen la luz h a s ta las células del epitolio fac ili tando de es ta form a su crecimiento.

Las investigaciones de los científicos de la U niversidad Lomonósov de Moscú han demost rado que el c r is ta l ino es un depósito de plomo en el organismo vivo. In ic ia l mente el piorno es poco, pero a m ed ida que el c r is ta l ino m adura , todo el plomo como si se congregara en ello. Es te resu l tado es b as ta n te in te resan te si se recuerda que la gran m ayoría de los vidrios u ti l izados en la fabricación de f ilam entos conductores de luz de los elementos fibroópticos ar t if ic ia les son a base de plomo, es decir , cont ien en en su es truc tu ra uno gran ca n t id ad (a veces bas ta u n 60% del peso) de este elemento.

Guías de ondas de fibras en nuestros ojos. Al d ism in u ir el d iám etro de los f i lam entos de los conductos de luz has ta las dimensiones com parab les con la longitud de onda de la r a d ia ción t ra n sm i t id a , las f ib ras funcionan como las guías de ondas, es decir, t ran sm iten determ inado t ip o de ondas y la d is tr ibuc ión lum inosa a la sa lida del ex trem o de f ilam entos no tom a un va lo r m edio sino que t iene el aspecto correspond ien te a u n tipo dado de onda.

Las investigaciones de los ú l t im os 10— 15 años, que h an sido es tim uladas por la aparic ión e im petuoso desarrollo de la f ibroóptica , han dem ostrado que en los ojos de los mamíferos no sólo existen conductos de luz fibrosos sino adem ás guías de onda fibrosas.


La cantidad do tipos do ondas que puodon difundirse por el filamento dado con parámetros concretos se determina por el parámetro carac

terístico í i = ^ ~ A 0y donde X es la longitudde onda de radiación on el aire. Cuanto es menor el parámetro l i , tanto menor será el número de tipos de ondas que puede transmitirse a tra vés do una fibra dada.

El diámetro de algunos elementos fotosensibles, como los conos y los bastoncillos on la retina del ojo de los mamíferos se aproxima a Ja longitud de onda de la luz, por lo cual éstos tienen las propiedades do las guías de onda. Ya hace más de 1ÜÜ años se sabe que el índico de refracción do los elementos fotosensibles do la retina es mayor que el do la sustancia intercelular quo rodoa estos elementos (el índice de refracción de la sustancia oscila en un intervalo entre 1,334 y 1,347). La distancia entro los elementos es algo mayor quo la longitud de onda de la Juz, por lo que no se viola la condición de reflexión interna total, y la luz no se infiltra entre los elementos vecinos. De esta manera, la sustancia intercelular de baja refracción juega ol papel de intercalaciones aíslan- íes de luz. Los diámetros y el índice de refracción de los elementos fotosensibles se encuentran en tales intervalos de magnitudes que el valor del parámetro l i no es grande con que se realiza el mecanismo de guía de ondas en la difusión do la luz.

Las investigaciones experimentales sobre los elementos fotosensibles de la rotina del ojo de los mamíferos (ratas, conejos, primates y hombre) han demostrado que estos elementos transm iten la radiación en forma de guías de ondas. El aspecto do distribución de la luz en diferentes tipos de ondas es prácticamente igual


en las guías de ondas naturales y artificiales (fig. 125).

Por medio de investigaciones se ha llegado a la conclusión de que muchas peculiaridades de la transferencia de radiación por medio de guías de ondas artificiales tienen lugar también en las guías de ondas del ojo: la dependencia entre la d istr ibución de luz en el extremo de salida y el tipo de la onda difundida en función de la * longitud de onda de radiación, la interrelación de las diferentes guías de ondas, la dependencia de la distribución de luz respecto al- ángulo de incidencia a la entrada, y otros.

Seplrón de fibras en el aparato auditivo. En los septrones fibrosos las señales sonoras se analizan gracias a la vibración de cada fibra; la am pli tud y la frecuencia del sonido recibido se fijan por medio de una máscara. Es ta máscara es i lum inada con luz que pasa a través de las fibras que vibran, o sea, la información sonora se transforma en un análogo luminoso y se analiza. A base do los septrones de fibras v ibra una varilla fija en consola bajo la acción de un sonido externo.

Un principio análogo, pero realizado de una m anera más sutil, es utilizado en el aparato auditivo de los animales y del hombre, el cual juega un papel no sólo de analizador de audio (parecido a los septrones de fibras) sino que además permite determ inar la dirección de la posición de la fuente de sonido y es tam bién un órgano de equilibrio.

E n ios anfibios, roptiles y aves las ondas sonoras inciden sobre el t ímpano obligándolo a realizar vibraciones, las cuales se transm iten al buesecillo aud it ivo que so encuentra unido al t ím pano; el otro extromo del buesecillo auditivo se apoya contra la membrana de la ventana oval, es decir, puede moverse libremente; esta

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m ovil idad es netésarxa para que haya una trang- misiónj efectiva de las vibraciones del t ímpano a l oído interno. De esta manera el sonido se analiza con ayu da ún icam ente de un hueseciLLo audit iv o fijo en consola (de u n a sola f ibra), sin neces idad de transform arlo en información de la luz.

R n los m am íferos, incluyendo al hombre, la construcción del apa ra to au d i t iv o es más com pleja (fig. 120). A través del conducto a u d i t iv o I (oído extom o), el sonido llega al t ím pano 1 . Este ú l t im o separa ol oído externo del oído medio I I , Las vibraciones se t ran sm iten del t ím p ano al m ar t i l lo 2 , el cua l se encuentra adherido jun to con el t ím p ano por el manyo 5 en toda su extensión. Su o tro ex trem o, por medio de una ligazón, es tá un ido a l yunque 3 y e s te ú l t im o , a l es tr ibo 4 , E l m a r t i l lo 2 , el yunque 3 y el es tr ibo 4 form an en tre sí u n a espi cié de conexión a r t icu lad a f lex ib le que les perm ite una suficiente l ib e r tad para sus vibraciones. El sonido en form a de v ibraciones so t ran sm ite del estr ibo a l oído in te rno I I I do donde la señal, a t ravés del nervio au d i t iv o 6', l lega a la corteza encefálica, donde se produce el anális is de la inform ación recib ida. E l oído hum ano , en promedio, es capaz de- d is t ingu ir sonidos con un número de oscilaciones com prendido en tre 16 has ta 2 0 0 0 0 vibraciones por segundo.

Vemos, a p r im era v is ta que los principios de acción de un septrón n a tu ra l y de u n an a l i zador de sonidos fibroso tienen gran analogía; sin embargo, existen en tre éstos diferencias^----------

FIG. 125. Cuadros típicos do distribución do luz característicos para diferentes tipos do ondas, fotografiados con luz monocromática en las caras de salida de elementos fotosensibles: a — retina del ojo humano y del ojo del mono saimirí; b — conductos fibrosos do vidrio do ondas


Osencialqs. Con el objeto de c rear la s condiciones p a ra un aná l is is efectivo de la señal el sep trón do f ib ras t ransfo rm a l a información, sonora o de au d io en lum inosa y ana liza so lam en te «la im agen luminosa» del sonido. C ua lqu ie r t r a n s form ación de las in form aciones t r a e consigo una p érd ida de inform ación . E n u n sep tró n n a tu ra l no ex is te e s ta c lase de transform ación .

E n el s e p tró n de f ib ras la s f ib ras u n i ta r ia s son e lem entos sensibles a la a m p l i tu d y frecuencia de oscilaciones. L a c a n t id a d de es tas f ibras d e te rm in a la capac idad de inform ación de l sis-: tem a . R ig u ro sam en te h ab lan d o , los septronos de f ib ras .tienen una sen s ib i l id ad d iscre ta en cu an to a. frecuencia se refiere. E n e l ap a ra to a u d i t iv o el t ím p a n o es un e lem ento sensible a la a m p l i tu d y frecticncia en un in te rv a lo de frecuencias, p rá c t ic a m en te con t in uo , que cubro desde 16 hasta 20 000 vibraciones on u n segundo. H ay que a n o ta r que las peculiaridades de la co n s tru c ción de u n sep trón de f ib ras p e rm iten am p l ia r la gam a do frecuencias p e rm it idas t a n to hacia las frecuencias m ás ba ja s como hac ia las frecuencias m ás a l tas .

Los tam años de los septronos de f ib ras son m ucho m ayores quo las d im ensiones d e l a p a ra to a u d i t iv o ju n to con su ana l izador . Recordemos: que los tres huesecillos a u d i t iv o s son los huesos más d im in u to s que ex is ten en el esquele to de los mamíferos.

A c tu a lm en te se rea l izan esfuerzos p a ra u t i l iza r las pecu lia r idades po s i t iv as de los septrones n a tu ra le s en la e laboración do los septrones

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FIG. 126. Esquem a de la es truc tura del apa ra to aud i t ivo humano: a — succión ver tica l del pabellón de la oreja; b — esquema dol ap a ra to aud i t iv o ; c — esquem a dcl huesccillo aud i t ivo :] — tím p a n o ; 2 —m a r t i l lo ; 3— y u n q u e ; A —e s tr ib o ; s — m a n g o de m a r t iJ lo . G — n e rv io a u d i t iv o


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sintéticos (artificiales), incluso para los analizadores óptico-acústicos. En particular, la transmisión del riquísimo colorido dol timbre sonoro, por medio del aparato acústico humano con ayuda del tímpano y do un huesocillo fijo en consola, nos lleva a la idea de que, no en vano, la naturaleza ha fijado el martillo a través de su mango en toda la extensión de la membrara (tímpano) desdo la periferia hasta el centro (fig. 126) y en la transmisión simultánea de sonidos de diferentes frecuencias y amplitudes a través de un sólo martillo, desempeña, por supuesto, un papel primordial la construcción «focúnica» de esto último.

Minerales naturales — pieza fibrosa. En la naturaleza existen cristales con estructura fibrosa quo poseen propiedades ópticas semejantes a los elementos fibrosos creados artificialmente. En particular, estos elementos transmiten una imagen do una superficie a otra. Como ejemplos do estos minerales se pueden citar la selenita y la ulexita.

En la selenita la luz pasa a través de diferentes cristales como a través de fibras ópticas. Como luminoaislador sirve la eutéctica, quo llena el espacio entro los cristales. La 'abertura numérica de la selenita es de 0,20—0,30 por esta razón la imagen so transmite solamente por los rayos con abertura muy pequeña, lo cual limita el campo de empleo de este material natural.

La ulexita se encuentra, generalmente, en forma de inclusiones esféricas en los yacimientos de bórax y en las capas de sal con un tamaño «------FIG. 127. Transmisión de la imagen de la mira a través de un cristal de ulexita: a — cristal; b — fotografía de la mira; c — imagen transmitida por la ulexita; d calidad de la imagen transmitida por la ulexita (baja)


h a s ta de 100 m m , por ejemplo, en los E E .U U . (el desierto de Moja ve), :en Chile, en Argentina y otros países. Com únm ente , la es truc tu ra f i brosa de esto m inera l 1 1 0 es regular.. E n la var ie dad de u lex i ta ha l lada en California, las f ibras es tán o r ien tadas pa ra le lam en te u n a a o tra . E n ausencia de im purezas ex trañas estas f ib ras son sufic ien tem ente transparen tes . Si cor tam os la u lex i ta pe rpend icu la rm en te a los ejes de las f ibras y pulim os sus caras , ésta puedo t r a n sm i t i r una imagen (fig. 127), resolviendo en este caso has ta 10 l íneas /m m . La e s t ru c tu ra de la u lex i ta es m u y v a r iad a en cuan to al t a m a ñ o y la form a de las f ibras e lem entales , adem ás las f ib ras separadas se d iferencian b a s ta n te en cuan to a su t ransm is ión de luz. Todo esto conduce a l gran ru ido e s t ru c tu ra l de los e lem entos fibrosos de u lexita .

Lo an te r io r se explica por la e s truc tu ra de la u lex i ta . Es te m inera l posee una es truc tu ra cristalográfica t r ic l ín ica , es decir , su índice de refracción es diferente en t re s direcciones m u tu a m e n te perpendiculares. Así pues, si el eje de las f ibras se hace co inc id ir con la dirección O X , los índices de refracción de la u le x i ta en las tres direcciones son iguales a nx — 1,501, n v = 1,491 y n z — 1,520. E l p roblem a del a is la m ien to lum inoso on los m anojos de f ibras do u lex i ta creados por la na tu ra leza ha sido resuelto de u n a m anera m u y ingeniosa. Pues to que en la dirección de l eje óptico de las f ibras (eje O X) el índice de refracción es nx = 1,501, en ta n to que la o r ien tac ión de las f ibras en las o tras dos direcciones es desordenada, la dirección del índ ice de refración m áx im o n en u n a f ib ra puedo co inc id ir con cierto va lo r in te rm edio en la o tra f ibra , incluso con n y 1,491. Como resu l tado de esto, se crea una fron tera de separación de los m ate r ia les con diferentes índ ices de refrac


ción. S in em bargo , en este caso, de las dos fib ra s vec inas u n a resu l ta ó p t icam en te a is lada; en la o t ra , en cam b io , no se cu m p le la condición de re flex ión in te rn a to ta l . P o r esta razón las a b e r tu ra s num éricas do las f ib ras sep a rad as son diferentes; las f ib ras "separadas se d is t inguen ta m b ié n po r su t ra n sm is ió n de luz. La ab e r tu ra de todo el haz os igua l a u n cierto va lor e s ta d ís tico m edio de las a b e r tu ra s do las f ib ras sep a rad as . L a d iferencia m áx im a posible en tro los índ ices de refracción es n z — nv — 0,029, lo c u a l corresponde a u n a aber tu ra numérico A 0 =

= 0,30.A unque la u le x í ta es u n m a te r ia l n a tu ra l

f ib roóptico in te resan te , no ha encon trado una u ti l izac ión prác tica , puesto que los c r is ta les do tam añ o s g randes son m u y escasos. Además, su b a ja a b e r tu ra n u m ér ica , su poco poder resolu t iv o y la he terogeneidad de s u e s tru c tu ra , c o lis t i tu y en r estr íe ció nes consi d erable s .

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CONCLUSION

La variedad de los elementos fibrosos está l im itada , primero, por la imaginación de los diseñadores de instrumentos y , segundo, por la factibilidad tecnológica del elemento fibroso requerido. Observemos que en la ú lt im a década la fibroóptica en la U R.SS experimentó una ampliación continua y considerable del arsonal de procedimientos tecnológicos para el diseño, perfeccionamiento y fabricación de elementos fibrosos. Po r otra parte, prácticamente cada día aparecen nuevas sugerencias, a veces inesperadas, acerca de la utilización de la fibroóptica en la fabricación do instrumentos.

Por lo visto, una de las c a u s a s d e esto es que precisamente en los últimos seis—ocho años los diseñadores do diversos dispositivos obtuvieron elementos fibrosos factibles tecnológicamente y al mismo tiempo se convencieron de las grandes posibilidades técnicas de éstos y de sus deficiencias objetivas, enterándose además de las causas que l im itan su utilización en la construcción de instrumentos. Esto ú lt im o, n a tu ralmente, condujo a la búsqueda de principios y de métodos de construcción en los cuales la acción de estas restricciones se ha reducido al mínimo posible.


Los fundam en tos de la f ib roóptica expuestos en este l ib ro on esencia ponen al descubierto el es tado a c tu a l de los m étodos de elaboración y c ie r tas ram as de g ran perspectiva en la técnica de la conducción de la luz. E l r i tm o del desarrollo de la f ib roóptica y la am pliac ión de su u t i l izac ión , Jo m ism o que la p ro fund idad de los t rab a jo s de investigación científ ica , según los m étodos de la técnica de conducción do la luz, conducen a u n a revelación cada vez más precisa de las ven ta jas rea lm en te efectivas y fac tib les en la práctica y de los principios de u ti l izac ión de Los e lem entos fibrosos y de sus desven ta jas objetivas.

E l conocim iento de estos factores es t im u la a científicos e ingenieros a buscar los métodos para e l im in a r tales inconvenientes y para am plia r las posib il idades do la f ibroóptica . Lo p r inc ipa l , lo básico o, en o tras pa lab ras , el profundo po tencia l de la f ibroóptica h a s ta ahora em pieza a m anifes tarse y los p róxim os d i e z - quince años serán años de grandes o in teresantes descubrimientos.

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«Mir* edita librus soviéticos traducidos al español, inglés, francés, árabe y otros idiomas extranjeros. Entro ellos figuran las mejores obras de las distintas ramas de la ciencia y la técnica: manuales para los centros de enseñanza superior y escuelas tecnológicas; litera tura sobre ciencias naturales y médicas. También se incluyen monografías, libros de divulgación diontífica y ciencia- ficción.D irijan sus opiniones a la E d ito ria l «Mil», 1 R izhski per., 2, 129820, Moscú, M IO , GSP, URSS.

A N U E S T R O S L E C T O R E S :

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M1R PU B LIC A

LOS S IG U IE N T E S

LIBROS: 1977

CURSO

DE M IN E R A L O G IA B E T JáJT IN A.

E l académico Anatoli B e te j t in , no tab le científico soviético, en su m an ua l dedicado al es tud io de los cristales ana l iza con p len l i tu d y c la r idad las nociones m odernas sobre la s propiedades físicas y quím icas de ios minerales; se es tud ia su ligazón m u tu a con su composición y e s t ru c tu ra c r is ta l ina . E l au to r investiga la naturaleza de la s com binac iones de los m inerales y el ca rác ter sucesivo de su formación com ple ja en menas y rocas, p lan tea la forma de em pleo de esta na tu ra leza en la búsqueda y prospección geológica de los yac im ientos de minerales.

En el l ib ro se p res ta a tenc ión p a r t icu la r a los conoc im ien tos concretos que con tr ibuyen a la de terminación exac ta de los m inera les y a la ac la rac ión de las cond iciones de su d is t r ibuc ión en la na tu ra leza .

E i au to r recurre a las ú l im us realizaciones de las ciencias ex a c ta s en la s que se fu nd am en ta la m ineralogía pa ra m o s t ra r que las propiedades m ás im p o r tan tes de los m inera les dependen do las par t icu lar idadeswww.FreeLibros.org

de la estructura de la sustancia cr istalina. Además del índico do materia, figura una relación de los minerales más importantes, según I ob metales (elementos) principales. E! «Curso de mineralogía* ha sido utilizado por gonoraciones enteras do geólogos soviéticos y es de gran provecho puru los estudiantes de facultades de investigación geológica. Su valor a nivel del conocimiento científico lo hace m uy úti l para aquellos quo se interesan por la mineralogía como ciencia.

La obra ha sido reeditada en ruso y traducida al español inglés y francés.

ENIGMAS DE MICROMLNDO CHERNOGOROVA V.

La autora do C9te libro colabora en el ins t i tu to de investigaciones nucleares de la ciudad de Dubna donde durante doce años ha participado en los experimentos en el sincrociclotrón. Los resultados de este trabajo aparecen en una serio de obras científicas que ponen a conocimiento del lector las propiedades de los muones.

En este libro Vera Chemogórova so refiere a las investigaciones más recientes en la rama do las par t í culas elementales. Según A. Baldin. miembro correspondiente de la Academia do Ciencias de la URSS, no existen todavía monografías ni trabajos de divulgación científica sobre una serie do problemas planteados en osle libro.

No os sorpresivo entonces quo osla obra sea una especio do reportajes desde la línea principal de la ciencia; las ciudades do Dubna y de Serpujov donde funciona el smcrofasortón uno de los más grandes dol inundo, du Jos lahonitorios do los más prominentes científicos soviéticos.

La ausencia de cálculos complejos y la exposición figurada hacen el libro accesible al amplio círculo de lectores que no poseen preparación especial.

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P r o b l e m a s

D E E L E C T R O T E C N IA

Y D E ELECTRONICA INDUSTRIALP E T R O V V.. SNLAPFNTOJ L.

La selección rio los problemas p lan teada p o r los ingenieros electr ic istas soviéticos V. Pctrov y L. S h la - p in to j , consta de dos partes.

En la pr im era p a r te se incluyen problemas de elect ro tecn ia , de e lec trostá tica , leyes de la corriente con tinua , electromagnetismo, inducción e lec tromagnética, corr iente a l terna mono y trifásica, mediciones eléctr icas , transform adores y m áqu inas eléctr icas de corriente co n t inu a y a l te rna .

La segunda p a r te contiene problemas do los fundam entos de la electrónica industr ia l : válvulas electrónicas , ap a ra to s iónicos, fotoelementos, diodos y t r io dos semiconductores, rectificadores, generadores y relés.

El l ib ro s irve como m anua l para los es tud ian tesde las escuelas técnicas profesionales, tam bién puedeuti l izarse para la enseñanza indiv idual o en grupos.

MEDICION

DE F U E R Z A S P E Q U E Ñ A S

EN E X P E R IM E N T O S

FISICOSBR AGUINSK.I V . t M A N U K IN A.

En esta monograf ía se exam inan problemas relacionados con la medición de fuerzas y desplazamientospequeños al rea l izar experimentos físicos exactos conwww.FreeLibros.org

cuerpos do prueba; se hace un análisis dol coniportamiento del oscilador macroscópico al accionar sobre 61 una gran fuerza rogular externa, se estudia la influencia dinámica y íluctviacional del instrumento que registra los desplazamientos pequeños mecánicos del cuerpo de prueba y están formulados los principios de La estrategia óptima de los dimensiones teniendo en cuenta las variaciones cuánticas del instrumento. Se adjunta la descripción de algunos experimentos, donde la detección del efecto 9© reduce a la medición do fuerzas pequeñas y momentos de fuerzas. Está descrito con todo detalle el experimento fundamental de comprobación del principio de equivalencia. Se examinan la9 condiciones que debe satisfacer el acelerómetro para crear un aparato cósmico que so muevo solamente bajo la acción de fuerzas gravitacionales. El libro presenta un resumen de las fuerzas posibles astrofísicas de la emisión gravi- tacional y discuto las perspectivas del aumento do la sensibilidad do detectores gravitacioualcs de varios tipos.

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Fibra Optica Ed.moscu Sattarov