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¿Por qué la luz reflejada en la pantalla de un televisor LED forma un patrón nítido en forma de X?

Si se dirige un puntero láser o, en general, cualquier luz coherente a la pantalla de un televisor nuevo y elegante, se obtiene un patrón X muy nítido.

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Creo que esto es una propiedad de las pantallas LED específicamente. Este fenómeno se ha observado muchas veces ( 1 , 2 , 3 , 4 ), pero todas las respuestas son insatisfactorias, porque todas dicen "es una rejilla de difracción".

Si la pantalla del televisor fuera como una rejilla de difracción bidimensional, habría una cuadrícula bidimensional de puntos en el patrón de difracción; ese es el patrón universal que se obtiene de la dispersión de un cristal o un pantalla del teléfono . Pero nunca he podido ver ningún punto de esta cuadrícula además de la propia X, incluso en buenas fotos como la de arriba; es imposible que un patrón tan nítido y no cuadriculado se produzca por difracción de una cuadrícula bidimensional.

Buscando por ahí, he visto muchas discusiones en internet sobre esto, pero ninguna resolución. Sospecho que el efecto se debe a algo así como la difracción de una sola rendija de las pequeñas características de cada píxel. (Como las cosas más grandes hacen patrones de difracción más pequeños, en este caso la retícula bidimensional seguiría estando ahí, pero sería demasiado pequeña para verla). Pero puede ser más complejo; estos píxeles son componentes ópticos bastante complicados.

¿Alguien sabe con precisión cuál es la causa de este patrón?

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Mark Elliot Puntos 31871

Como sabemos, el patrón de difracción es una imagen de Fourier de la rejilla. En su caso, el patrón se parece mucho a dos patrones cruzados de rejillas habituales de 1D simétricas a lo largo de una de las direcciones (como en el experimento de muchas rendijas). Si intentamos encontrar la transformada de Fourier inversa de un patrón fabricado artificialmente similar al de la imagen en el OP, lo veremos:

Patrón de difracción (rellenado intencionadamente con espacio vacío para que el dominio sea cuadrado):

diffraction pattern

Su transformada de Fourier inversa:

inverse Fourier transform of the pattern above

Así que las matemáticas dicen lo mismo que yo suponía arriba (y lo que la respuesta de flippiefanus intentaba decir). Ahora, lo que realmente está haciendo este patrón - que no puedo decir con seguridad (ni siquiera sé el modelo de su televisor para hacer cualquier investigación). Mi suposición es que podría ser la disposición de los conductores que alimentan los píxeles. O puede ser el patrón de una de las capas del sistema de propagación de luz de la luz de fondo (si no es un televisor OLED - estos no tienen luz de fondo).

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flippiefanus Puntos 1

Algunas consideraciones físicas básicas pueden ofrecer una explicación parcial (cualitativa). Sin embargo, tal vez esa explicación parcial sea suficiente en este caso (?). La idea es utilizar los conocimientos básicos de la difracción para invertir el proceso. En otras palabras, la pregunta es ¿cuál tendría que ser el campo de entrada para producir el patrón de difracción observado?

Primero, como una especie de referencia, consideremos lo que produciría una cuadrícula de puntos en el patrón de difracción. Para ello, vamos a suponer que la cuadrícula es perpendicular. Al final podemos considerar lo que ocurriría con otros ángulos. En este caso, se puede escribir la retícula de puntos (de forma burda) como el producto de dos funciones $$F(x,y)=F_x(x) F_y(y) . $$ Como son perpendiculares, las transformadas de Fourier que produjeron el patrón de difracción también operarían independientemente en las dos direcciones. Así que el campo de la fuente también sería un producto de dos funciones $$F(x,y)={\cal F}\{g_x(u)\}{\cal F}\{g_y(v)\} . $$ El efecto de un ángulo arbitrario puede introducirse mediante una transformación afín adecuada en las coordenadas. Por los teoremas de Fourier, se deduce entonces que se tendría la transformada afín inversa en las coordenadas de la función fuente.

Ahora consideramos el caso en el que no tenemos una rejilla, sino una X. De nuevo, empezamos suponiendo que los tramos son perpendiculares. En este caso, el patrón de difracción es una superposición $$F(x,y)=F_x(x) + F_y(y) . $$ Así que la fuente tendría que ser una superposición también $$F(x,y)={\cal F}\{g_x(u)\}+{\cal F}\{g_y(v)\} . $$ Pasando a ángulos arbitrarios, se encuentra entonces que el campo fuente sigue siendo una superposición, pero con las orientaciones de las variables independientes de estas funciones no siendo ortogonales entre sí. El campo fuente se produce al reflejarse en la parte frontal de la pantalla del televisor, mientras se multiplica por la reflectancia. La reflectancia es una función periódica en dos direcciones. Por lo tanto, se puede pensar en ello como dos rejillas de difracción, pero en lugar de una multiplicación de sus funciones de transmisión (o funciones de reflectancia), tenemos la adición de sus funciones de transmisión.

Lo siguiente es utilizar la naturaleza cualitativa de la variación de la amplitud a lo largo de los tramos de la X para determinar la naturaleza de las rejillas. Está claro que hay cierta periodicidad en esta función, junto con una envolvente general. Se puede modelar este caso (a lo largo de $x$ por ejemplo) por $$ F_x(x) = h(x)[p(x)\star C(x)] $$ donde $C(x)$ es un tren de pulsos (función de peine); $\star$ representa la convolución; $p(x)$ da la forma de cada pulso; y $h(x)$ es la envolvente global. La transformada inversa de Fourier nos daría entonces la función de rejilla $$g_x(u) = H(u)\star [P(u) C(u)] $$ donde $P(u)$ y $H(u)$ son las transformadas inversas de Fourier de $p(x)$ y $h(x)$ respectivamente, y $C(u)$ es de nuevo una función de peine. En este punto se puede empezar a identificar los orígenes físicos de todas estas funciones: $H(u)$ rige la forma de cada línea de la rejilla, que probablemente está determinada por la forma del píxel de la pantalla del televisor; $P(u)$ da la forma general del campo de la fuente, que probablemente está relacionada con la forma del punto iluminado. Si se puede obtener información cuantitativa sobre el patrón de difracción, se puede incluso determinar con más exactitud cuáles son las formas de estas funciones.

Esperemos que esto proporcione una mejor comprensión. La clave está en darse cuenta de que el patrón de difracción puede, efectivamente, estar formado por rejillas de difracción, pero donde sus funciones de transmisión se suman en lugar de multiplicarse.

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Steve Puntos 140

No puedo dar una respuesta completa y no he podido reproducir el efecto exacto en ningún televisor de mi casa (de edades variables entre 1 y unos 12 años) utilizando una luz simple (no un lápiz láser). Todas mis pantallas son antideslumbrantes y no brillantes.

Los patrones que observo son un patrón dominante en forma de "plus" (que puede deberse a la fuente de luz LED en mi caso), y un patrón mucho más tenue y totalmente simétrico en forma de "x" (no la forma de "x" comprimida de tu imagen).

Sugiero que lo que estás viendo es la agregación de "picos de difracción" de los reflejos a través de las múltiples aberturas rectangulares de la pantalla. Este es un efecto familiar en la fotografía, por ejemplo.

https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_spike

Los lóbulos de la difracción en los enlaces dados y la foto publicada, no son totalmente simétricos en parte presumiblemente porque las propias aperturas son rectangulares en esas pantallas - es decir, porque los píxeles son más altos que anchos, hay un sesgo hacia la difracción horizontal en lugar de la vertical.

Por cierto, al contrario de lo que afirmas en tu pregunta, hay claros "puntos" en la difracción que demuestran que no es de una sola apertura. Esto se puede ver porque se repiten los arcos iris de intensidad decreciente. La difracción depende obviamente de la frecuencia, por lo que las longitudes de onda separadas se dividen, pero si sólo hubiera un punto, entonces habría como máximo un arco iris en cada lóbulo.

Tampoco es un patrón unidimensional: es claramente un patrón en dos dimensiones.

EDITAR:

Imagen añadida para apoyar los comentarios de abajo.

Diffraction grating

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