Investigacion-de-un-sensor-refractometrico-para-la-discriminacion-entre-algunos-lquidos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 
DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
INVESTIGACIÓN DE UN SENSOR REFRACTOMÉTRICO 
PARA LA DISCRIMINACIÓN ENTRE ALGUNOS 
LÍQUIDOS 
 TESIS 
 PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES 
 
 
 
 
P R E S E N T A: 
ENRIQUE LLANITO CAUDILLO 
 
 
 
 
 ASESOR: DR. SERGEI KHOTIAINTSEV 
 
 
CIUDAD UNIVERSITARIA, MÉXICO, D.F., AGOSTO 2010 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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Agradecimientos 
 
A mi madre, por su amor, apoyo, confianza, consejos y los valores que me ha inculcado, 
que me servirán a lo largo de toda mi vida personal y profesional. Josefina eres mi modelo 
a seguir, te admiro mucho. 
 
A mi hermana por su amor, apoyo y sus consejos. Lis gracias por cuidarme eres la mejor 
hermana mayor. 
 
A Erimel por su amor, su apoyo, tolerancia, confianza y todos los bellos momentos que 
hemos pasado juntos. Sin ti este trabajo no podría haber sido posible, te admiro como 
profesionista y como persona. Gracias a tus consejos he llegado a completar una fase 
importante de mi formación. Te quiero mucho. 
 
A mi familia por su apoyo y sus valores que me han inculcado. A mis abuelos Arturo y 
Consuelo gracias a su apoyo cuando los necesite. En particular a Lalo, Bety y Fausto por 
el papel que han tenido a lo largo de este proceso. 
 
A mis amigos Adrian y Alejandro, por sus consejos, apoyo, valores y todos los buenos 
momentos que hemos pasado, gracias por su ejemplo. 
 
A Selene, Alfredo, Jordi y mis compañeros del laboratorio de óptica, por su compañía y 
los buenos momentos que pasamos mientras se llevaba a cabo este trabajo. 
 
Al Dr. Sergei, por darme la oportunidad de colaborar con él, sus consejos y el apoyo que 
me otorgó para finalizar este documento. 
 
A mis sinodales, Dr. Moctezuma, Maestro Juventino, Dr. Matías e Ing. Jesús por ser mi 
jurado y por dar sus consejos para mejorar este trabajo, así como la paciencia y apoyo. 
Índice de Contenido 
 
1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………….….... 1-1 
1.1. Definición del problema…………………..…………………………………… 1-2 
1.2. Motivación…………………………………………………………………….. 1-3 
1.3. Objetivo ………………………………………….…………………………… 1-4 
1.3.1. Objetivo principal……………………………..……………………….. 1-4 
1.3.2. Objetivos particulares……………………………..…………………… 1-4 
2. ESTADO DEL ARTE DE LOS SENSORES REFRACTOMÉTRICOS 
DE FIBRA ÓPTICA…………………………………………….……………….. 2-1 
2.1. Introducción………………………………………………....………………… 2-1 
2.2. Refractometría…………………………………………………….…………… 2-2 
2.3. Técnicas de medición del índice de refracción………………………..……….. 2-5 
2.3.1. Métodos de desviación…………………………………………….…... 2-5 
A Método de desviación lateral………………..…………………………. 2-5 
B Método de desviación angular…………………….…………………… 2-5 
C Método de prisma diferencial………………………………………….. 2-6 
D Método de bloque V…………………………………………………… 2-6 
2.3.2. Método de coincidencia de índices……………………………………. 2-6 
2.3.3. Método de ángulo de Brewster………………………………………… 2-7 
2.3.4. Método de ángulo crítico………………………………………………. 2-8 
2.3.5. Método interferométrico………………………………………………. 2-9 
2.4. Implementación de la refractometría (sensores de fibra óptica) ……………… 2-9 
2.4.1. Clasificación de los sensores.………………………………………….. 2-9 
2.4.2. Estado del arte de los sensores refractométricos de fibra óptica………. 2-12 
2.4.3. Sensor de fibra óptica refractométricos con elemento de detección 
semiesférico……………………………………………………………. 2-13 
2.5 Resumen……………………………………………………………………….. 2-17 
 
3. ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE PROCESAMIENTO DE 
 POLÍMEROS QUE SE PUEDEN UTILIZAR PARA LA FABRICACIÓN DE 
ELEMENTOS ÓPTICOS ………………………………………………………. 3-1 
3.1. Introducción …………………………………………………………………... 3-1 
3.2. Aplicación de los polímeros en la óptica……………………………………… 3-3 
3.2.1. Lentes………………………………………………………………….. 3-3 
3.2.2. Aplicaciones en telecomunicaciones…………………………………... 3-3 
3.2.3. Fibra óptica plástica……………………………………………………. 3-4 
3.3. Polímeros y polimerización…………………………………………………….. 3-5 
3.3.1. Polimerización por adición…………………………………………….. 3-6 
3.3.2. Polimerización por condensación……………………………………… 3-6 
3.3.3. Polímeros termoplástico……………………………………………. …. 3-7 
3.3.4. Polímeros termofijos…………………………………………………… 3-9 
3.4. Factores de selección de los polímeros útiles en la óptica……………………... 3-10 
3.5. Propiedades físicas……………………………………………………………... 3-11 
3.5.1. Densidad……………………………………………………………...... 3-11 
3.5.2. Dureza………………………………………………………………….. 3-11 
3.5.3. Temperatura……………………………………………………………. 3-11 
3.5.4. Conductividad térmica y eléctrica……………………………………… 3-12 
3.5.5. Absorción de agua……………………………………………………… 3-13 
3.5.6. Resistencia a la radiación………………………………………………. 3-13 
3.6. Propiedades ópticas…………………………………………………………….. 3-13 
3.6.1. Transmisión espectral…………………………………………………... 3-13 
3.6.2. Índice de refracción…………………………………………………….. 3-14 
3.6.3. Homogeneidad…………………………………………………………. 3-15 
3.7. Diseño óptico…………………………………………………………….……... 3-15 
3.7.1. Selección del material………………………………………………….. 3-15 
3.7.2. Superficies asféricas……………………………………………………. 3-16 
3.7.3. Consideración de procesamiento……………………………….………. 3-17 
3.8. Proceso de conformación de los plásticos……………………………………… 3-18 
3.8.1. Moldeo por compresión……………………………………………........ 3-18 
3.8.2. Moldeo por inyección………………………………………………....... 3-19 
3.8.3. Extrusión…………………………………………………………….…. 3-20 
3.9. Síntesis de polimetilmetacrilato………………………………………………… 3-21 
3.10. Comparación entre diferentes opciones de fabricación de los elementos 
 de plástico ………………………………………..……………………….…… 3-22 
4. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL……………………………………………. 4-1 
4.1. Introducción……………………………………………………………………. 4-1 
4.2. Descripción del transductor……………………………………………………. 4-1 
4.2.1. Diseño………………………………………………………………….. 4-2 
4.2.2. Definición de parámetros geométricos del transductor…………........... 4-4 
4.3. Descripción de la instalación experimental……………………………………. 4-5 
4.4. Sistema óptico………………………………………………………………..... 4-6 
4.4.1. Fibras ópticas…………………………………………………………... 4-6 
4.4.2. Fuente de luz…………………………………………………………… 4-7 
4.4.3. Foto detector…………………………………………………………… 4-8 
4.5. Sistema mecánico de posiciones………………………………………….......... 4-8 
4.5.1. Requisitos para el sistema mecánico…………………………............... 4-8 
4.5.2. Bases de movimiento triaxial………………………………………...... 4-9 
4.5.3. Soportes de fibra óptica………………………………………………... 4-9 
4.6. Circuitos eléctricos…………………………………………………………...... 4-11 
4.6.1. Requisitos de los circuitos eléctricos………………………………...... 4-11 
4.6.2. Fotorreceptor…………………………………………………………... 4-12 
4.7. Sistema de medición almacenamiento y procesamiento de datos……………... 4-13 
4.7.1. Requisitos para mesura, almacenaje y tratamiento de los datos……….. 4-13 
4.7.2. Generador de señales, osciloscopio y fuente de poder………………… 4-14 
4.7.3. Almacenamiento y procesamiento de datos…………………………… 4-14 
4.7.4. Microscopio……………………………………………………………. 4-16 
5. METODOLOGÍA DEL EXPERIMENTO Y RESULTADOS………………... 5-1 
5.1. Introducción…………………………………………………………………… 5-1 
5.2. Metodología del experimento…………………………………………………... 5-2 
5.2.1. Fabricación de los elementos ópticos…………………………………... 5-2 
5.2.2. Calibración del sensor…………………………………………………. 5-3 
5.3. Retos en la medición…………………………………………………………... 5-6 
5.4. Resultados……………………………………………………………………..5-7 
5.5. Conclusiones…………………………………………………………………... 5-9 
6. CONCLUSIONES GENERALES…………………..……………………………. 6-1 
7. REFERENCIAS………………………………………………………………….. 7-1 
8. FIGURAS…………………………………………………………………………. 8-1 
9. APENDICE 1: Hojas de especificaciones……………………………………......... A1-1 
10. APENDICE 2: Programas………………………………………………………..... A2-1 
11. APENDICE 3: Publicaciones realizadas………………………………………....... A3-1 
 
 
 1-1
1 Introducción 
 
 Los sensores de fibras ópticas ofrecen muchas ventajas sobre los sensores 
mecánicos, eléctricos y otros sensores. Anteriormente se usaban fibras ópticas de silicio 
en los sensores, recientemente el avance significativo en la calidad de las fibras ópticas 
de plástico (POF) ha generado el desarrollo de muchas nuevas aplicaciones para la 
transmisión óptica y el sensado. Las fibras ópticas plásticas son atractivas en el mercado 
debido a que son dispositivos multimodo de un diámetro relativamente grande el cual es 
fácil de manipular e instalar. Los sistemas de transmisión basados en fibras ópticas 
plásticas usan componentes simples y baratos como son LEDS, en el rango de la luz 
visible o cerca del infrarrojo, conectores, divisores, acopladores simples, etc. Todo el 
costo del sistema es bajo y su mantenimiento es simple. Actualmente las POF permiten 
tasas de transmisión de hasta 10 Gbit/s sobre distancias de alrededor de los 300m y al 
igual que las fibras ópticas de sílice son inmunes a interferencias electromagnéticas por lo 
que pueden instalarse junto a cables eléctricos de potencia. Adicionalmente, otra de las 
ventajas de la POF es que las pérdidas por curvatura son muy bajas incluso para radios de 
curvatura de hasta 25 mm, lo que facilita su instalación en paredes y lugares estrechos, 
estas ascienden a tan sólo 8 dB/km a 850 nm. 
 
Las aplicaciones de POF incluyen distancias relativamente cortas en redes de área 
local (LAN) en oficinas, edificios y campus pequeños. Otra aplicación emergente es la 
transmisión de datos óptica (analógica y digital) a bordo de vehículos, camiones, trenes, 
barcos, aviones, etc. Una característica distintiva de los vehículos es que necesitan un 
monitoreo de diferentes cantidades físicas relacionas a la operación del vehiculo 
(velocidad, temperatura, presión, nivel de diferentes líquidos en tanques, etc.). Por lo 
tanto, es de un gran interés agregar comunicaciones ópticas para el sensado óptico a 
bordo del vehículo. Uno de los estándares a bordo de los vehículos es el Domestic Digital 
Bus Dísteme (D2B) el cual especifica un sistema de anillo el cual interconecta diferentes 
dispositivos como el radio, televisión, controladores de CD y sistemas de navegación en 
vehículos, alcanzando una velocidad de 20 Mbps en 10 m. Por otro lado existe Media 
 1-2
Oriented Systems Transport (MOST) es uno de los sistemas mas utilizados en 
aplicaciones de control, seguridad y multimedia con una tasa de transmisión de hasta 150 
Mbps. 
 
La discriminación de líquidos utilizando un sensor refractométrico puede 
utilizarse para diferentes aplicaciones, una de ellas es el sensado de nivel de líquidos que 
es importante en la industria automotriz. Existen un amplio grupo de métodos de sensado 
disponibles para determinar el nivel de líquidos. Ellos incluyen métodos mecánicos, 
eléctricos, ópticos y sus combinaciones. Actualmente los sensores de nivel de líquidos 
eléctricos son empleados para conocer el nivel de gasolina o diesel en los tanques de los 
automóviles. En estos sensores el nivel de la gasolina o diesel es medido con una 
resistencia variable controlada por un flotador dentro del tanque. Estos sensores son 
simples y baratos, pero su resolución es relativamente baja. También, los cables 
eléctricos en un ambiente inflamable presentan un peligro potencial. Los sensores de 
fibra óptica ofrecen distintas ventajas para estas aplicaciones debido a la naturaleza 
dieléctrica de las fibras ópticas, esto es, al no ser conductores de electricidad se pueden 
utilizar cerca de sustancias volátiles, además son menos afectadas por líquidos 
corrosivos, gases y variación de temperatura, etc. En la industria automotriz o depósitos 
donde se almacenen derivados del petróleo, algunos de los principales líquidos utilizados 
son la gasolina en los automóviles y diesel en los vehículos de mayor tamaño (el tipo de 
uso descrito es dentro del contexto observado en México) 
 
1.1 Definición del problema 
 
En la industria frecuentemente se necesita medir el nivel de líquidos en tanques o 
contenedores largos. Esta necesidad no solo surge en la industria pesada donde grandes 
volúmenes de líquidos son almacenados, también en la industria ligera, en operaciones 
de larga escala como suministro de agua y plantas de tratamiento, sistemas de 
almacenamiento de combustible para su transporte y servicios estacionarios. Los líquidos 
pueden ser inertes (como el caso del agua) o altamente inflamables (como el caso de los 
derivados del petróleo). 
 1-3
 
 Para el almacenamiento de combustibles, un método común de medirlos es 
sumergir una varilla dentro de los tanques para determinar el nivel de los combustibles. 
Este es un método rudimentario y tiende a ser lento e ineficiente. 
 
 En los automóviles y naves el combustible es medido por un flotador conectado a 
una resistencia variable que indica el nivel del líquido dentro del tanque. La desventaja 
principal en este sistema es que una corriente eléctrica debe ser introducida en un medio 
inflamable. 
 
 Los sensores de fibra óptica presentan varias ventajas para estas aplicaciones, 
debido a la naturaleza dieléctrica de las fibras. Las ventajas de los sensores de fibra óptica 
no solo están limitadas a su ausencia de conductividad eléctrica, las fibras ópticas 
presentan inmunidad absoluta a campos eléctricos, alta resistencia a químicos corrosivos 
y ausencia de riesgo por una chispa. 
 
 Recientemente el avance en la calidad de las fibras ópticas plásticas da 
oportunidad a nuevas aplicaciones para transmisiones ópticas y sensado óptico. Las fibras 
ópticas son atractivas para el mercado debido a que son dispositivos multimodo con un 
diámetro de núcleo relativamente grande, además de que es fácil de manejar e instalar. 
Los sistemas basados en fibra óptica plástica usan dispositivos sencillos y baratos en 
comparación a sus homólogos en vidrio. 
 
1.2 Motivación 
 
Una de las grandes motivaciones de este trabajo es la mejora en la calidad de las 
fibras ópticas plásticas, las cuales también son buenas candidatas para los sistemas de 
comunicaciones ópticas analógicos y digitales. Además carros, camiones, trenes, etc. 
Presentan varias oportunidades para introducir redes de área local basadas en fibras 
ópticas plásticas, actualmente existen diferentes estándares que se utilizan en este tipo de 
vehículos, es de gran interés complementar este tipo de comunicaciones ópticas con un 
 1-4
sensado óptico a bordo de los vehículos. La discriminación entre diferentes líquidos 
presenta un importante campo para potenciales aplicaciones con sensores basados en 
fibras ópticas plásticas. 
 
1.3 Objetivo 
 
1.3.1 Objetivo principal 
 
 Obtener nuevos conocimientos sobre las propiedades de un sensor de fibra 
óptica refractométrico con un elemento de detección cilíndrica de plástico. 
 
1.3.2 Objetivos particulares 
 
 Diseñar e implementar un sensor óptico refractométrico con una superficie 
de detección cilíndrica hecho de polímeros. 
 Diseñar e implementar una instalación experimental para el 
funcionamiento del sensor. 
 Obtener experimentalmente datos sobre la discriminación entre algunos de 
fluidos (aire, agua, gasolina y diesel) por medio del sensor propuesto. 
 2-1
2 Estado del arte de los sensores 
refractométricos de fibra óptica (revisión 
bibliográfica) 
 
 
2.1 Introducción 
 
En el presente capítulo se discuten el concepto de la refractometría. El índice de 
refracciónes una de las características ópticas importantes de la materia por lo tanto es 
importante cuantificar dicha cantidad, de tal manera que se exploran diferentes métodos 
para cuantificar el índice de refracción de los materiales. 
 
Una de las implementaciones de la refractometría son los sensores de fibra óptica, 
se han desarrollado varios tipos de sensores dentro de los cuales los sensores que 
modulan la intensidad de la luz hacen uso de la refractometría para así lograr su 
funcionamiento. En este capítulo se describirán algunos de los sensores mas 
significativos y aquellos que tienen una mayor relación con el presente trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2-2
2.2 Refractometría 
 
El índice o los índices de refracción de una sustancia describe una parte 
importante de la interacción de la sustancia con la radiación electromagnética. El índice 
de refracción es una cantidad adimensional, real para los materiales transparentes y 
complejos si hay absorción. 
 
Por lo general, depende de la dirección de la luz en relación al material con el cual 
tiene interacción, por ejemplo, muchos vidrios son anisotrópicos, esto es, que poseen más 
de un índice de refracción. En general, el índice es un tensor con un máximo de 9 
componentes. Muchas sustancias son isotrópicas, esto significa que sólo poseen un índice 
de refracción, por ejemplo, los líquidos, vidrios, y otros materiales no cristalinos. 
 
El índice de refracción presenta un interés práctico. Es evidente que es importante 
conocer el índice de refracción de los materiales, como vidrios y plásticos rígidos. En los 
fluidos complejos, tales como bebidas o alimentos, el índice de refracción es una medida 
de disolución. Las aplicaciones más comunes en la industria son para microemulsiones 
para medir la relación aceite/agua, el anticongelante para comprobar la relación 
glicol/agua, y para líquidos inaccesibles, como el electrólito que se encuentra dentro de 
las pilas recargables [1]. Las aplicaciones clínicas de la luz han estimulado el interés en 
refractometría de los bio tejidos [2], además la refractometría es útil para el análisis de 
muestras de bio-fluidos. 
 
El fenómeno de la refracción está basado en el cambio de velocidad que 
experimenta la radiación electromagnética al pasar de un medio a otro, como 
consecuencia de su interacción con los átomos y moléculas de otro medio. Dicho cambio 
de velocidad de propagación se manifiesta en una variación en la dirección de 
propagación. 
 
 2-3
La refractometría es un proceso de medición, por medio del cual se determina un 
valor específico del índice de refracción (mejor dicho, el índice de refracción para una 
determinada longitud de onda de luz) de una sustancia. 
 
La medida relativa de la variación de la velocidad de propagación de una onda 
entre dos medios tomando un medio fijo como referencia se le conoce como índice de 
refracción n y en general esta expresado con respecto al vacío. Cuando la radiación 
electromagnética atraviesa de un medio con índice de refracción n1 a otro con índice de 
refracción n2, cambia su velocidad de propagación. Si la radiación que incide no es 
perpendicular al límite entre los dos medios, también cambia su dirección de 
propagación. El cociente entre la velocidad de propagación en el espacio libre, c y la 
velocidad de propagación dentro de un medio, v se llama índice de refracción del medio, 
n. 
 
cn
v
 (2.1) 
 
Cuando la luz pasa de un medio a otro ocurren varios fenómenos, de los cuales 
puede usarse cualquiera como base de la medición del índice de refracción del medio. 
Entre estos cambios se encuentra: 
 
 La velocidad de propagación; 
 Cierta cantidad de luz se pierde por reflexión; 
 Si la luz incidente no es perpendicular a la superficie entre los dos medios, cambia 
la dirección de propagación y aparecen ciertos efectos de polarización; 
 En determinados ángulos de incidencia puede ocurrir reflexión total. 
 
Para todos los medios ópticos el índice de refracción varía con la longitud de 
onda. En general el índice es mayor para longitudes de onda cortas en comparación con 
las largas. La Figura 2.1 muestra un rayo de luz blanca descompuesto en sus 
componentes de longitudes de onda por una refracción en una superficie. Se puede ver 
 2-4
que el rayo de luz azul es refractado a través de un ángulo menor en comparación con el 
rayo de luz roja. Debido a que n1 sinθ1 = n2 sinθ2 = a una constante en este caso, 
aparentemente si es n2 mayor para la luz azul en comparación con la luz roja, entonces θ2 
debe ser menor para la luz azul que para la roja. La variación en el índice de refracción 
con la longitud de onda es llamada dispersión cromática. La dispersión cromática es dada 
por la expresión Δn = nλ1 – nλ2. 
 
Como la velocidad de propagación de una onda es difícil de determinar 
directamente, se recurre a métodos indirectos, con los cuales se mide el cambio en la 
trayectoria óptica debido al retardo en la propagación de la luz. 
 
 Aplicando leyes a los rayos incidente, reflejado y transmitido en una interfaz 
plana entre dos medios transparentes y considerando por simplicidad un medio 
isotrópico, un rayo de luz incidente colimada, esto es, que sus rayos son paralelos entre 
sí, produce un rayo transmitido y uno reflejado, ambos colimados. Todos los rayos son 
coplanares y definen un plano de incidencia, que es ortogonal a la interfaz plana. La 
Figura 2.2 muestra los rayos incidente, reflejado y transmitido en el plano de incidencia. 
En el primer medio con índice de refracción n1, los ángulos de incidencia y reflexión 
son iguales; θ1. El ángulo de transmisión θ2 en el segundo medio con índice de 
refracción n2 está determinado por la ley de Snell 
 
1 1 2 2sin sinn n  (2.2) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2-5
2.3 Técnicas de medición del índice de refracción 
 
2.3.1 Método de desviación 
 
A. Método de desviación lateral 
 
 Los métodos de desviación lateral y angular hacen uso de la ley de Snell. El rayo 
incidente se encuentra en el medio 1, comúnmente es aire con un índice de refracción 
naire. La desviación lateral l ocurre para un rayo de luz transmitido a través de una 
muestra de caras paralelas de espesor L (Figura 2.3). Si el ángulo de incidencia es θaire, 
por medio de la ley de Snell se tiene que 
 
1/ 22
cos1 sin
sinaire
aire
aire
aire
n
ln
L
 
 
  
  
    
  
   
 (2.3) 
 
 Si θaire y L pueden ser medidas el resultado es más preciso. La precisión del 
método depende en la precisión al momento de medir l. El método de la desviación 
lateral es adecuado para muestras en forma de hojas suficientemente gruesa [3]. 
 
B. Método de desviación angular 
 
En el método de desviación angular se hace incidir un haz sobre una de las caras 
de una muestra en forma de prisma, el cual cuenta con un índice de refracción n. 
Entonces, el haz de salida es desviado en forma angular y su desviación depende del 
índice de refracción de la muestra (Figura 2.4), obteniendo la ecuación 2.4 [3]. 
 
sin
2
sin
2
aire
A D
n
An
 
 
 
 
 
 
 (2.4) 
 2-6
Donde A es el ángulo formado por las caras de entrada y salida del haz en el prisma, y D 
es el ángulo entre el haz incidente y el haz de salida 
 
 
C. Método de prisma diferencial 
 
 El método de prisma diferencial tiene particular interés para hacer un gran número 
de mediciones de rutina o para el control continuo de un proceso. Un par de prismas 
huecos, de ángulos conocidos, se colocande modo que un haz colimado pase por uno y 
luego por el otro y se enfoque sobre una escala. Uno de los prismas se llena con un 
líquido patrón, esto es, una solución de concentración conocida y en la otra celda se 
introduce la muestra. Si se conoce el índice de refracción del líquido patrón, se calcula 
fácilmente el de la muestra por la medición de la desviación angular producida por el par 
de prismas con líquido. En un intervalo moderado, la desviación es directamente 
proporcional a la diferencia entre los índices de refracción de los dos líquidos [3]. 
 
D. Método de bloque V 
 
 El método de bloque V es una variante del método de prisma diferencial, en el 
cual la luz pasa por tres prismas, el primero y el tercero de vidrio de índice de refracción 
conocido y de ángulos medidos cuidadosamente, y el segundo en el prisma desconocido, 
se coloca la muestra que puede ser sólida o liquida. Los sólidos se esmerilan, sin pulirlos 
y se colocan en contacto óptico con las caras pulimentadas del primer y tercer prisma [3]. 
 
2.3.2 Método de coincidencia de índices 
 
 El método de coincidencia de índices de refracción no requiere que la muestra se 
encuentre en una forma geométrica en particular. Por lo tanto, podría ser finamente 
dividida, es decir, un polvo. Suponiendo que la muestra sea isotrópica y homogénea, 
entonces la radiación reflejada, la desviación lateral o angular, y el cambio de fase 
relativa de la luz transmitida llegan a tener un valor de cero cuando hay una coincidencia 
 2-7
de índices. Si la muestra absorbe la luz, el índice de refracción del líquido que rodea la 
muestra que da la mínima visibilidad todavía arroja la parte real del índice de refracción 
de la muestra. Del mismo modo, si la muestra es heterogénea o anisotrópica, el método 
obtiene el índice de refracción promedio de la muestra. El líquido no debe disolverse, 
impregnar, o reaccionar de ninguna manera con la muestra sólida. 
 
 Para muestras macroscópicas se estima una precisión de 0.005 en la obtención del 
índice de refracción n [4] por medio del método del de coincidencia de índices, donde 
una simple estimación ocular es empleada. Para un líquido de índice de refracción nliq, la 
reflectancia de la interfaz varia aproximadamente con la siguiente relación. 
 
 2liqn n (2.5) 
 
Esta expresión cuadrática hace difícil en la práctica juzgar si nliq debe ser 
incrementada o disminuida para mejorar la concordancia. 
 
2.3.3 Método del ángulo de Brewster 
 
 El ángulo de reflexión θB es medido para el cual no hay reflexión de luz 
linealmente polarizada de la superficie de la muestra. La ecuación 2.6 da el índice de 
refracción de la muestra, donde n1 es el índice de refracción del medio que contiene la luz 
incidente y reflejada, usualmente es aire. 
 
2 1 tan( )Bn n  (2.6) 
 
 La luz es polarizada de tal forma que su vector de campo eléctrico vibra 
paralelamente al plano de incidencia (ver Figura 2.5) 
 
 Un láser linealmente polarizado es una fuente adecuada de luz monocromática. 
Las fuentes no polarizadas requieren ser polarizadas con un prisma Glan-Thomson. Con 
 2-8
un láser de HeNe con potencia de 1mW y con un juicio ocular mínimo de reflectancia, 
una precisión de θB cerca de 0.1° puede ser obtenida, dando una precisión en la 
obtención del índice de refracción de la muestra cerca de 0.005. Una mejoría en la 
precisión se puede obtener en factores de 10 a 100 si se remplaza el ojo por un análisis 
fotométrico. El método del ángulo de Brewster es comparable con la precisión del 
método del ángulo crítico. A diferencia del método del ángulo crítico, no se requiere un 
material de referencia con índice de refracción mayor al de la muestra. Si la muestra 
presenta absorción produce menos error en el método del ángulo de Brewster que en el 
método del ángulo crítico [5, 8]. 
 
2.3.4 Método del ángulo critico 
 
 Las muestras liquidas son colocadas directamente sobre una cara del prisma de 
índice de refracción conocido. Las muestras sólidas necesitan que solo una cara sea plana 
y ópticamente pulida, que esta acoplada a la cara del prisma refractómetro usando una 
capa de líquido con índice de refracción intermedio. Para una muestra transparente 
pueden ser usados los modos de transmisión o reflexión, debido a que θc es el mismo para 
ambos (ver Figuras 2.6 y 2.7). 
 
En el modo de transmisión, la interfaz prisma-muestra es iluminada difusamente a 
través de la muestra, el ángulo crítico entonces es el ángulo mas grande en la transmisión 
del prisma. El modo de reflexión, es útil para muestras con gran esparcimiento o 
absorción. El ángulo crítico es donde la reflectancia cambia discontinuamente con el 
ángulo de reflexión dentro del prisma, siendo total para θ ≥ θc. En el modo de trasmisión, 
la transmitancia de la muestra dentro del prisma es cero para θ ≥ θc y finita para θ ≤ θc 
mientras que, en el modo de reflexión una proporción baja de la luz es reflejada para θ ≤ 
θc, y el 100% es reflejado para θ ≥ θc. 
 
 
 
 
 2-9
2.3.5 Método Interferométrico 
 
 En las mediciones interferométricas del índice de refracción, se divide un haz de 
luz en dos partes, una de las cuales sigue una trayectoria de índice de refracción conocida 
y la otra pasa por la sustancia cuyo índice de refracción desea conocerse. Los dos haces 
se recombinan de tal forma que se formen franjas de interferencia. El desplazamiento de 
las franjas, debido al medio de índice de refracción desconocido, es una medida de este 
índice. Si N es el número de franjas desplazadas con respecto a una línea de referencia, λ 
es la longitud de onda de la luz usada y d la longitud del camino recorrido en el medio, el 
índice de refracción, n, esta dado por la siguiente expresión: 
 
0
Nn n
d

 (2.7) 
 
 Donde n0 es el índice de refracción del medio conocido. Como el desplazamiento 
de las franjas es muy sensible a pequeños cambios de índice, el método ofrece gran 
precisión. Aunque es posible usar métodos interferométricos para sólidos y líquidos, se 
usa mas para gases y vapores. El índice de refracción de los gases y vapores difiere poco 
de la unidad, y para hallar diferencias significativas entre los diversos gases se necesitan 
métodos de gran sensibilidad. 
 
2.4 Implementación de la refractometría (sensores de fibra óptica) 
 
2.4.1 Clasificación de los sensores 
 
La industria de la fibra óptica de comunicación revolucionó la industria de las 
telecomunicaciones, proporcionando un mayor rendimiento y enlaces de 
telecomunicaciones más fiables con una disminución constante del costo de ancho de 
banda. 
 
 2-10
Paralelamente a estos desarrollos la tecnología de sensores de fibra óptica ha sido 
un usuario importante de la tecnología asociada a la industria de la optoelectrónica y 
comunicaciones de fibra óptica. Muchos de los componentes asociados a la industria de 
las telecomunicaciones eran a menudo desarrollados para aplicaciones de los sensores de 
fibra óptica. Como los precios de los componentes se han reducido y las mejoras de 
calidad se han hecho, la capacidad de los sensores de fibra óptica para desplazar a los 
sensores tradicionales para medir la rotación, la aceleración, el campo eléctrico y 
magnético, temperatura, presión, amplitud de ondas acústicas, vibración, posición lineal 
y angular, tensión, humedad, viscosidad, las mediciones químicas y una variedad de 
aplicaciones de sensores, ha sido mejorada. En los primeros días de la tecnología de 
sensores de fibra óptica varios sensores de fibra óptica de éxito fueron blanco de lleno en 
los mercados dondela tecnología de sensor existente era marginal o en muchos casos 
inexistente. 
 
 Un sensor es un dispositivo que recibe un estímulo y responde con una señal. El 
estimulo es una cantidad, propiedad o condición que es sensada y convertido a un tipo de 
señal. El propósito de un sensor es responder a un cierto tipo de propiedades físicas de 
entrada (estímulos) y convertirlos en una señal que es compatible con los dispositivos con 
los cuales trabaja, por ejemplo, señales eléctricas las cuales pueden ser canalizadas, 
amplificadas, y modificadas por medio de dispositivos eléctricos. La señal de salida del 
sensor puede estar en términos de la amplitud, frecuencia, fase, o un código digital. 
 
 Todos los sensores pueden ser de dos tipos: pasivos y activos. Un sensor pasivo 
no requiere alguna fuente de energía adicional y genera directamente una señal eléctrica 
en respuesta a un estímulo externo, esto es, la energía de estímulo de entrada es 
convertida por el sensor en una señal de salida. Algunos ejemplos son el termopar, 
fotodiodo y un sensor piezoeléctrico. Muchos de estos sensores pasivos son sensores 
directos, esto es, que realizan conversión de energía directa para generar señales 
eléctricas. 
 
 2-11
Los sensores activos requieren potencia externa para su operación, que es llamada 
señal de excitación. Dicha señal es modificada por el sensor y el elemento medido para 
producir la señal de salida. Los sensores activos comúnmente son llamados parametritos 
debido a que sus propiedades cambian en respuesta a un efecto externo y dichas 
propiedades pueden ser subsecuentemente convertidas a señales eléctricas. 
 
 Al mismo tiempo los sensores pueden ser clasificados en absolutos y relativos. Un 
sensor absoluto es independiente a las condiciones de medición, mientras un sensor 
relativo produce una señal con respecto a un caso en particular. Un ejemplo de sensor 
absoluto es un termistor: un resistor sensible a la temperatura, su resistencia eléctrica esta 
directamente relacionada con la escala de temperatura absoluta Kelvin. Un termopar es 
un tipo de sensor relativo; el termopar produce un voltaje eléctrico que es función de un 
gradiente de temperatura a través de los alambres del termopar. Por lo tanto no se puede 
relacionar la señal de salida con una temperatura en particular sin antes hacer referencia a 
un voltaje. 
 
Los sensores de fibra óptica son a menudo agrupados en dos clases básicas: 
extrínseco o sensores de fibra óptica híbridos, e intrínseco. 
 
La Figura 2.8 ilustra el caso de un sensor de fibra óptica extrínseco o híbrido. En 
este caso, una fibra óptica llega a una “caja negra" que introduce la información en el 
haz de luz en respuesta a un efecto ambiental. La información puede ser introducida en 
términos de intensidad, fase, polarización, contenido espectral u otros métodos. 
Enseguida una fibra óptica lleva la luz con la información ambiental de nuevo a un 
procesador óptico y/o electrónico. En algunos casos la fibra óptica de entrada actúa 
también como fibra óptica de salida. 
 
Un ejemplo de sensor de fibra óptica intrínseco es mostrado en la Figura 2.9; se 
utiliza una fibra óptica para llevar el haz de luz y el efecto del medio ambiente introduce 
la información en el haz de luz mientras la luz viaja en la fibra. 
 
 2-12
2.4.2 Estado del arte de los sensores refractométricos de fibra óptica 
 
 Como se mencionó anteriormente, la información sobre una cantidad física que se 
quiera medir puede estar en términos de la intensidad. Este tipo de sensores son uno de 
los más elementales, ya que para su configuración más simple basta con tener un 
transmisor y un receptor para su funcionamiento. Una clase de sensor de fibra óptica 
basado en su intensidad son aquellos que están basados en la reflexión total interna. 
 
 Un caso de este tipo de sensores se observa en la Figura 2.10, la luz se propaga 
por el núcleo de la fibra y pega en el extremo de la fibra con forma de ángulo. Si el 
medio en que se coloca el extremo con fin angular de la fibra tiene un índice de 
refracción suficientemente bajo entonces prácticamente toda la luz que se refleja cuando 
llega a la superficie reflectante se devuelve a través de la fibra. Sin embargo, si el índice 
de refracción del medio comienza a acercarse a la del cristal parte de la luz se propaga 
fuera de la fibra óptica y se pierde. 
 
Este tipo de sensor de baja resolución puede ser utilizado para la medición de la 
presión o de los cambios del índice de refracción en un líquido o gel con una precisión de 
uno a diez por ciento. Las variaciones sobre este método también se han utilizado para 
medir el nivel de líquido [9] como se muestra en el diagrama de la sonda de la Figura 
2.11. Cuando el nivel de líquido llega al prisma que refleja la luz en gran medida atenúa 
la señal que entra a la superficie. 
 
 Otra aplicación de los sensores refractométricos es para la determinación de los 
índices de refracción de los compuestos absorbentes y volátiles como el combustible y la 
gasolina, esto con el fin de explorar una nueva alternativa diferente a los métodos 
convencionales. 
 
Otro sensor de fibra óptica en término de la intensidad recibida, adecuado para 
medios líquidos y en fase de gas se basa en la excitación de una onda evanescente en la 
interfaz núcleo/revestimiento. La detección es basada en los cambios del índice de 
 2-13
refracción (entre 1,41 y 1,45)1 del medio dieléctrico depositado en la parte sin 
revestimiento de la fibra. La sensibilidad observada es lineal y el límite de detección es 
de 1% (en volumen) de tolueno en el agua [10]. La Figura 2.12 muestra la configuración 
del sensor. 
 
Por otra parte se han realizado sensores de fibra óptica intrínsecos para medir el 
nivel de líquidos, en la Figura 2.13 se puede observar cómo fue diseñado dicho sensor. 
 
La luz procedente de un LED se dirige en una fibra óptica sin revestimiento sumergida en 
el líquido cuyo nivel se quiere medir. La luz viaja a través de la fibra y cuando la fibra 
está completamente rodeada por líquido, el líquido actúa como un revestimiento. Por lo 
tanto, la reflexión total interna se produce en la interfaz núcleo-revestimiento, y la luz 
alcanza el receptor prácticamente sin pérdidas, excepto por absorción. Cuando el tanque 
no está completamente lleno de líquido, una parte de la fibra está rodeada por el líquido y 
la otra parte está rodeada de aire. En la parte sumergida, la reflexión total interna se 
produce porque la fibra tiene un revestimiento (revestimiento de la fibra y el líquido), y 
las pérdidas de luz son muy pequeñas. En la porción expuesta de la fibra, la reflexión 
total interna es menor, se produce porque la fibra sólo tiene el revestimiento y hay más 
fugas de rayos. Si se calibra para las diferentes alturas de líquido en el recipiente, 
simplemente mediante la lectura de la señal de salida del detector se puede determinar la 
altura del líquido. Cuanto mayor sea el nivel, mayor será la lectura de los fotodiodos 
[11]. 
 
2.4.3 Sensor de fibra óptica refractométrico con elemento de detección 
semiesférico 
 
 Es un sensor de fibra óptica extrínseco que mide la modulación de la intensidad, 
por medio de la reflexión parcial o total de la luz en la frontera existente entre la 
superficie del elemento de detección y el medio que lo rodea, la potencia óptica de la 
señal de salida es una medición indirecta del índice de refracción del medio circundante. 
 
1 Índices utilizados en el articulo descrito 
 2-14
 
 El sensor refractométrico se muestra en la Figura 2.14, el elemento de detección 
es de un material dieléctrico y transparente con un índice de refracción ne igual al del 
núcleo de las fibras ópticas. Las dos fibras multimodo tienen parámetros idénticos: un 
núcleo de diámetro D y una apertura numérica (AN) en aire. Las fibrasse encuentran 
colocadas simétricamente con respecto al eje z del sistema de coordenadas en común a 
una distancia L del eje de simetría. 
 
 El sensor refractométrico de fibra óptica con elemento de detección semiesférico 
fue diseñado y analizado teóricamente [12], se desarrolló un modelo y por medio de 
simulaciones, se obtuvieron las características de transmisión. Por medio de un modelo 
en tres dimensiones y los parámetros que definen al sensor, se realizo su modelado por 
medio del trazado de rayos, tomando en cuenta la descripción de la superficie de trabajo, 
así como el posicionamiento de las fibras para obtener las posiciones de los rayos y 
asimismo los puntos de intersección con el elemento de detección. Se calculó el ángulo 
de incidencia de los rayos, la potencia reflejada, el coeficiente de reflexión y por último 
el alcance los rayos reflejados. Se consideró una distribución de luz uniforme del haz, 
utilizando una luz monocromática, no polarizada y no coherente, utilizando 100 000 
rayos. 
 
 La Figura 2.15 muestra la respuesta del sensor obtenida suponiendo que la 
superficie de la semiesfera es totalmente reflejante. Se puede ver que existen zonas en las 
que existe una mayor transmisión, esto se debe a que existe un acoplamiento óptico entre 
las fibras. 
 
 Como se puede observar, el número de reflexiones determina el número de zonas 
de transmisión que se presentan, cabe mencionar que el ancho de las zonas de 
transmisión depende de la apertura numérica AN y el diámetro relativo del núcleo. La 
Tabla 2.1 muestra una relación con las zonas de transmisión (área en la cual existe 
transmisión con respecto a la distancia relativa) y la distancia relativa (es la distancia 
 2-15
variable de las fibras partiendo del eje de simetría al borde del transductor referido al 
radio del elemento de transductor) a las que se encuentran. 
 
Tabla 2.1 Zonas de transmisión donde se presenta un acoplamiento óptico entre las fibras 
a una distancia relativa Λ 
 
#Zona de transmisión Distancia relativa Λ 
1 0 
2 0.707 
3 0.866 
4 0.924 
5 0.951 
6 0.966 
 
 
 Cabe destacar que la primera zona de transmisión es algo físicamente imposible 
ya que se requiere que las dos fibras ópticas ocupen el mismo espacio físico, pero a partir 
de la segunda zona de transmisión existen las condiciones necesarias para que haya 
reflexión total interna. Como se puede ver en la Figura 2.16 en el artículo se realizó un 
análisis de la transmisión variando el índice de refracción con el cual se observa la 
sensibilidad del sensor al cambio del índice de refracción. 
 
Es posible cambiar el número de reflexiones internas en la superficie del 
elemento óptico modificando la distancia relativa Λ de las fibras ópticas, gracias a esto se 
pueden obtener niveles de transmisión adecuados para la medición del índice de 
refracción n. La transmisión la cual es función del índice de refracción, es distinto para 
diferentes valores de Λ. Las posiciones relativas de las fibras son un factor para definir el 
rango de índices de refracción que pueden ser medidos, es decir, la transmisión que 
presente el sensor va a variar con respecto a la sustancia que se esté midiendo y a la 
posición en la que se encuentren las fibras. 
 
 2-16
Debido a que es un sensor refractométrico que se basa en la modulación de la 
intensidad de la luz debido a cambios en el índice de refracción del medio circundante, es 
importante definir ciertos parámetros referentes a la intensidad óptica recibida. 
 
 En [12] se conoce como trasmisión a la relación entre la intensidad óptica de 
salida y la intensidad óptica de entrada del sensor, y al ser es una función del índice de 
refracción del medio externo se define de la siguiente manera. 
 
2
1
( )( ) I nT n
I
 (2.8) 
 
Donde I1 es la intensidad óptica de entrada al elemento óptico por medio de la 
fibra óptica transmisora, e I2(n) la intensidad óptica de salida, es decir, la que llega a la 
fibra óptica receptora. Dicho parámetro puede ser representado en decibeles de la 
siguiente manera. 
 
10( )[ ] 10 log ( )T n dB T n (2.9) 
 
 Dicha función de transferencia (ecuación 2.8) define el comportamiento del 
sensor, sin embargo es imposible medir de una forma práctica y no intrusiva la intensidad 
óptica de salida. La única potencia que puede ser medida es aquella que llega al 
Fotodetector. Con el fin de establecer una cantidad práctica dadas dichas limitaciones, se 
considera una transmisión en el aire, esto se expresa de la siguiente forma. 
 
2
1
( ) aireaire IT n
I
 (2.10) 
 
Donde I2 aire y Taire son la intensidad óptica de salida y la transmisión del 
transductor, respectivamente, cuando el medio circundante es el aire. Esto ofrece la 
posibilidad de definir una nueva cantidad llamada transmisión relativa (con respecto al 
aire) que es definida por la siguiente expresión. 
 2-17
 
*
2
2
2 2
1
1
( )
( ) ( )
aireaire aire
I n
T n I mIT IT I
I
   (2.11) 
 
 En el momento en el que se hace relativa la transmisión de un medio con respecto 
a otro, en este caso al aire, ayuda a excluir las perdidas intrínsecas al funcionamiento del 
sistema y no dependen del fluido que se esté midiendo como medio externo. Esto es 
debido a que las fibras ópticas transmisora y receptora y los acoplamientos entre 
elementos contribuyen a la degradación de la señal y por lo tanto a la atenuación en 
ambos casos, de tal forma que la transmisión relativa T*(n) muestra solamente los efectos 
de atenuación de la señal óptica asociados al medio externo y directamente relacionados a 
su índice de refracción. Por dichos motivos es conveniente usar la transmisión relativa 
para estudiar experimentalmente las características del elemento óptica. Además de igual 
manera dicha cantidad se puede expresar en decibeles como se presenta a continuación. 
 
10
* *( ) 10log ( )T n T n (2.12) 
 
2.5 Resumen. 
 
 En el presente capítulo se definió el concepto de índice de refracción y la 
importancia que tiene para la óptica, en particular para el diseño de sensores. Además se 
observaron diferentes métodos para obtener dicha cantidad, que se pueden resumir en la 
Tabla 2.2. 
 
 
 
 
 
 
 2-18
Tabla 2.2 Técnicas de medición del índice de refracción 
 
Nombre del método Estado de la sustancia que se 
desea conocer su índice de 
refracción 
Cantidad a medir 
Desviación Lateral Muestras en forma de hojas Distancia l entre el rayo 
transmitido y el rayo refractado 
Desviación Angular Muestras en estado sólido Angulo de desviación D 
Prisma diferencial Muestras solidas o líquidas Distancia l entre el rayo 
transmitido y el rayo refractado 
Bloque V Muestras solidas o líquidas Distancia l entre el rayo 
transmitido y el rayo refractado 
Coincidencia de 
índices 
Muestras solidas o líquidas Distancia l entre el rayo 
transmitido y el rayo refractado 
Ángulo de Brewster Muestras solidas o líquidas Ángulo θB 
Angulo Crítico Muestras solidas Ángulo θc 
 
 Se presentó el concepto de sensor y sus diferentes clasificaciones y se exploraron 
algunos ejemplos de sensores refractométricos intrínsecos y extrínsecos basados en la 
medición de la intensidad de la luz. 
 
 
 3-1
3 Análisis de las tecnologías de procesamiento 
de polímeros que se pueden utilizar para la 
fabricación de elementos ópticos. 
 
3.1 Introducción 
 
 Algunos polímeros son trasparentes y sirven para la fabricaciónde elementos 
ópticos. Muchos de esos materiales exhiben ciertas deficiencias físicas comparadas con el 
vidrio. Por otro lado, los procesos de fabricación de elementos de plástico son mas 
sencillos que de los vidrios y pueden ser la mejor opción en algunas aplicaciones. 
 
 Algunos de los polímeros poseen un comportamiento ópticamente útil, a pesar de 
que muchos de estos materiales originalmente fueron desarrollados para otros usos. 
Posiblemente las únicas excepciones son los materiales usados para los anteojos (Poly-
diallylglycol), y materiales para el almacenamiento de información óptico 
(policarbonato). Mencionar las propiedades ópticas de cualquier material polimérico debe 
ser hecho con cierta precaución y reserva, ya que a diferentes grados de fluidez pueden 
mostrar ligeramente diferentes propiedades e índices de refracción. Los aditivos para 
regular la lubricidad, el color, etc. pueden producir alteraciones en las propiedades de la 
transmisión espectral. 
 
Las razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros son las 
siguientes: 
 
 Los plásticos se pueden moldear para conformar partes de intricada geometría, sin 
necesidad de procesamientos posteriores; 
 Los plásticos poseen diferentes propiedades para muchas aplicaciones de 
ingeniería donde la resistencia no es un factor determinante como: Baja densidad 
con respecto a los metales y a los cerámicos, buena relación de resistencia al peso 
 3-2
para ciertos polímeros, alta resistencia a la corrosión y baja conductividad 
eléctrica y térmica; 
 Son competitivos en costo con los metales; 
 Los polímeros generalmente requieren menos energía que los metales para su 
producción; 
 Ciertos plásticos son traslucidos y transparentes lo cual los hace competitivos con 
el vidrio en algunas aplicaciones. 
 
Por otra parte, los polímeros tienen generalmente las siguientes limitaciones: 
 
 Baja resistencia con respecto a los metales y los cerámicos; 
 Las temperaturas de servicio se limitan a sólo algunos cientos de grados debido al 
ablandamiento de los termoplásticos, o la degradación de los termofijos; 
 Algunos polímeros se degradan cuando se sujetan a la luz del sol y otras formas 
de radicación; 
 Los plásticos exhiben propiedades viscoelásticas, lo cual puede ser una limitación 
distintiva en aplicaciones que implican carga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
. 
 
 3-3
3.2 Aplicación de los polímeros en la óptica 
 
3.2.1 Lentes 
 
 Además de los vidrios inorgánicos, existen ciertos plásticos que son utilizados en 
la industria de anteojos. Por ejemplo las resinas termoestables basadas en diglico 
carbonato, derivados de polimetilmetacrilato y policarbonatos han sido usados para 
producir lentes plásticas no fotocromáticas y fotocromáticas5. 
 
 El desempeño de las lentes de plástico fotocromático es dependiente de la 
temperatura. Además de variar la atenuación de la luz, las lentes fotocromáticas ofrecen 
protección contra los rayos UV. Un recubrimiento de plástico fotocromito en los lentes de 
cristal clásicos ofrece una resistencia contra ralladuras y antireflectividad [13]. 
 
3.2.2 Aplicaciones en telecomunicaciones 
 
 Con la llegada de la fibra óptica en las telecomunicaciones en los años de 1970, 
las aplicaciones prácticas para dispositivos ópticos que operan sobre la base de efectos 
electro-ópticos se convirtieron en un objetivo muy serio. Además de materiales 
inorgánicos muchos materiales polimétricos han encontrado un uso en una variedad de 
configuraciones de los dispositivos. 
 
Pueden funcionar como filtros de longitud de onda de Bragg sintonizables, 
moduladores de amplio ancho de banda para telecomunicaciones, moduladores para 
sensado en 3D, transductores de señales electro-ópticas, conmutadores en redes ópticas y 
controladores de fase para radiofrecuencia, señales ópticas, etc. [14]. 
 
 
 
 
 
5 Propiedad de los materiales transparentes de obscurecerse con la presencia del sol 
 3-4
3.2.3 Fibra óptica plástica 
 
Las fibras ópticas plásticas han sido formadas de varios polímeros amorfos como 
policarbonato, polimetilmetacrilato, poliestireno y diglicol dialicargbonato [16]. 
Recientemente la fibra óptica plástica ha llegado a ser atractiva y parece ser de gran 
demanda para transmisiones y procesamiento en las comunicaciones ópticas que 
transmiten una gran cantidad de datos como Internet [15-17]. En comparación con las 
fibras de sílice, las fibras de plástico tienen un mayor calibre, son más baratas en su 
elaboración y es más sencillo este proceso. Sin embargo, debido a la gran atenuación de 
la luz y su estrecho ancho de banda de transmisión, las fibras de plástico sólo pueden ser 
empleadas en redes de información sobre distancias de varios cientos de metros. La Tabla 
3.1 muestra una comparación breve entre las fibras ópticas de sílice y las fibras ópticas de 
plástico. 
 
Tabla 3.1 Propiedades típicas de las fibras ópticas de plástico y sílice [16] 
 
Propiedad Polimetilmetacrilato Policarbonato Si 
Coeficiente de atenuación α (dB/km) 125 a λ=650 nm. 1000 a λ=650 nm. 0.2 a λ=1300 nm. 
Capacidad de transmisión (MHz km) <10 <10 102 a 103 
Apertura numérica 0.3 a 0.5 0.4 a 0.6 0.1 a 0.25 
Diámetro de la fibra (mm) 0.25 a 10 0.25 a 10 9x10-3 a 1.25x10-1 
Máxima temperatura de operación (°C) 85 85 150 
 
 Como se puede observar las fibras de sílice son más eficientes si hablamos de 
atenuación y ancho de banda, pero su diámetro es pequeño y es poco flexible, 
consecuentemente, se debe de contar con cierta habilidad y herramientas de precisión 
para conectar dos fibras ópticas de sílice además que es un proceso que consume tiempo. 
La fibra de plástico tiene más modos electromagnéticos que la fibra de sílice, debido a 
que, su diámetro es más ancho además de contar con una mayor flexibilidad que las 
fibras ópticas de sílice. Debido a que la NA y el cono de aceptación de las fibras ópticas 
de plástico son mayores que las fibras ópticas de sílice, la captación de luz de las fibras 
 3-5
ópticas plásticas es mayor. Asimismo la instalación de fibras ópticas plásticas es más 
sencilla y su costo es mucho menor. 
 
3.3 Polímeros y polimerización 
 
Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada 
molécula esta hecha de unidades repetitivas que se conectan entre si. Puede haber miles o 
millones de unidades en una sola molécula de polímero. El término se deriva de las 
palabras griegas Poly, que significa muchos, y meros que significa parte. La mayoría de 
los polímeros se basan en el carbono, por consiguiente, son considerados sustancias 
químicamente orgánicas. Sin embargo incluye un número de polímeros inorgánicos. 
 Los polímeros se sintetizan mediante la unión de muchas moléculas pequeñas 
para formar moléculas muy grandes, llamadas macromoléculas, las cuales poseen una 
estructura en forma de cadenas. Las pequeñas unidades, llamadas monómeros, son 
generalmente moléculas orgánicas insaturadas simples, esto es, que contienen al menos 
un doble enlace carbono-carbono. Los átomos se mantienen unidos en esta molécula por 
medio de enlaces covalentes, y cuando se unen para formar el polímero, esos mismos 
enlaces mantienen unidos a los eslabones de la cadena, por lo tanto, cada molécula 
grande se caracteriza por sus fuertes enlaces primarios. 
 
 La síntesis del polímero es el proceso de combinar muchas moléculas pequeñas 
(monómeros) en una cadena covalente consolidada. Durante el proceso de la 
polimerización, algunos grupos químicos pueden ser perdidos de cada monómero. El 
pedazo distinto de cada monómero que se incorpore en el polímero se conoce como 
residuo de la unidad. Los procesos de manufactura más ampliamente utilizados son los 
siguientes. 
 
Monómero es una substancia de moléculas pequeñas que finalmente forman el 
polímero al unirse en largas cadenasmoleculares. Las características que comparten todas 
las moléculas pequeñas capaces de formar polímeros por adición es que son 
químicamente insaturadas. A pesar de que esta descripción podría sugerir que dos átomos 
 3-6
de carbono unidos por un doble enlace forman un enlace mas fuerte que un par unido por 
un enlace simple, en realidad no es así. La configuración electrónica en un doble enlace 
es más favorable porque se halla en un nivel de energía más bajo que uno simple. 
 
3.3.1 Polimerización por adición 
 
 En el método de adición para elaborar polímeros se utiliza el monómero como 
materia prima. El procedimiento se inicia con el uso de un catalizador químico 
(indicador) que abre los enlaces dobles de carbono en algunos de los monómeros. Estos 
monómeros se vuelven altamente reactivos debido a sus electrones libres y capturan otros 
monómeros para empezar a formar cadenas reactivas. Las cadenas se propagan, 
capturando además otros monómero, uno a la vez, hasta que se producen grandes 
moléculas y la reacción termina. El proceso funciona como se indica en la Figura 3.1. 
 
Algunos ejemplos de polímeros formados por este método son: polipropileno, 
cloruro de polivinilo, polimetilmetacrilato, poliestireno, politetrafluoroetileno, 
polisopreno entre otros. 
 
3.3.2 Polimerización por condensación 
 
 Este método de obtención de polímeros incluye reacciones químicas comunes. La 
polimerización por condensación ocurre entre las moléculas de monómeros por 
eliminación de una molécula pequeña, generalmente agua. Debido a que la reacción se 
lleva a cabo por etapas, este método de obtención de polímeros se llama polimerización 
de crecimiento gradual. Su nombre anterior era polimerización por condensación, porque 
las reacciones químicas de la esterificación6 se denominan reacciones de condensación y 
se distinguen por la eliminación de una molécula pequeña (agua o alcohol). Entre los 
polímeros que se producen por este método se encuentra el polietilentereftalato, el 
policarbonato (bisfenol) y las poliamidas como el nylon. 
 
 
6 Proceso en el cual se sintetiza un ester 
 3-7
 Los polímeros se dividen en plásticos y hules, los plásticos se pueden dividir en 
las siguientes categorías. 
 
1. Polímeros termoplásticos (TP).- El polietileno (PE), el polipropileno (PP), el 
poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo 
(PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón (o politetrafluoretileno, 
PTFE) y el nylon (un tipo de poliamida) ; 
2. Polímeros termofijos (TS).- Poliuretanos Urea, resinas, melamina Resinas 
fenólicas, Copolímeros y estireno-butadieno; 
3. Elastómeros (E).- Caucho natural (NR), Poliisopreno (IR, forma artificial del 
caucho natural), Polibutadieno, Caucho estireno-butadieno (SBR), Caucho butilo 
(IIR), Caucho nitrilo (NBR) y Neopreno (CR). 
 
Por otro lado los hules es un polímero natural o sintético, en el primer caso hecho de 
la savia de plantas específicas, como por ejemplo la Castilla elástica, y para el segundo 
compuesto por otros polímeros. 
 
Los polímeros usados en la óptica se encuentran básicamente dentro de dos 
categorías, los termofijos y los termoplásticos. El grupo de polímeros termofijos son 
aquellos donde la reacción de polimerización toma lugar durante la creación de la pieza, 
la cual puede ser producida por moldeo. La pieza que ha sido creada al final de la 
reacción puede ser posprocesada. En general las resinas termofijas no pueden ser 
fundidas o reformadas. 
 
3.3.3 Polímeros termoplásticos 
 
 Una característica que define a los polímeros termoplásticos es que pueden 
calentarse desde el estado sólido hasta el estado líquido viscoso, y al enfriarse vuelven a 
adoptar el estado sólido; además, este ciclo de enfriamiento puede aplicarse muchas 
veces sin degradar al polímero. La razón de dicho comportamiento es que los polímeros 
termoplásticos consisten en macromoléculas lineales (ramificadas) que no se encadenan 
 3-8
transversalmente cuando se les calienta. Por el contrario, los termofijos y los elastómeros 
sufren un cambio químico cuando se les calienta, lo cual hace que sus 
moléculas se unan transversalmente y fragüen permanentemente. 
 
Muchos de los polímeros que se utilizan en la óptica se encuentran dentro del 
grupo de los materiales termoplásticos que se suministran en forma polimerizada. Estos 
materiales son normalmente adquiridos como pequeños pellets. Estos pellets son 
calentados a una temperatura mas allá del punto de reblandecimiento, por lo tanto llega a 
formarse una masa viscosa. Esta masa es depositada en un molde para así tomar su forma 
y así formar la pieza deseada. 
 
 Las piezas pueden ser creadas por el proceso de modelado por inyección. La 
capacidad de la tecnología de moldeo moderna para producir piezas ópticas con una 
superficie de buena calidad ha hecho posible la creación de componentes ópticos para 
una amplia variedad de aplicaciones. Dentro de estas aplicaciones se encuentran lentes 
intraoculares, aplicaciones militares, una serie de productos de consumo y un número de 
artículos como carcasas para teléfonos móviles, figuras de juguete, ruedas dentadas para 
mecanismos de regulación en los cuales se encuentran combinadas funciones ópticas, 
mecánicas y eléctricas en una sola pieza. 
 
 
Los termoplásticos típicos a temperatura ambiente poseen las siguientes características: 
 
1. Menor rigidez, el módulo de elasticidad es dos veces (en algunos casos tres) más 
bajo que los metales y los cerámicos; 
2. La resistencia a la tensión es más baja, cerca del 10% con respecto a la de los 
metales; 
3. Dureza muy baja; 
4. Ductilidad7 más alta en promedio, con un tremendo rango de valores. 
 
 
7 Propiedad de algunos materiales para deformarse sin romperse 
 3-9
 Los acrílicos son polímeros derivados del ácido acrílico (C3H4O2) y de sus com-
puestos. El termoplástico más importante en el grupo acrílico es el polimetilmetacrilato 
(PMMA); un nombre más familiar para éste producto es plexíglass (marca registrada de 
Rohm and Haas para el PMMA. Es un polímero lineal que es más sindiotáctico y, por 
tanto, amorfo. Su propiedad principal es que posee una excelente transparencia que lo 
hace competitivo con el vidrio en aplicaciones ópticas. Algunos ejemplos incluyen micas 
para luces traseras de automóviles, instrumentos ópticos y ventanas de avión. Su 
limitación con respecto al vidrio es una resistencia al rayado extremadamente más baja. 
Otros usos del PMMA incluyen ceras para piso y pinturas. Los acrílicos encuentran otros 
usos importantes en fibras textiles; el poliacrilonitrilo (PAN) es un ejemplo mejor cono-
cido bajo los nombres familiares de Orlón (DuPont) y Acrilán (Monsanto). 
 
3.3.4 Polímeros termofijos 
 
Debido a las diferencias en la composición química y estructura molecular, las 
propiedades de los plásticos termofijos son diferentes de los termoplásticos. En general, 
los termofijos son: 
 
 Más rígidos, con módulos de elasticidad dos o tres veces más grandes; 
 Frágiles, prácticamente no poseen ductilidad; 
 Menos solubles en los solventes comunes; 
 Capaces de funcionar a temperaturas más altas; 
 No pueden ser refundidos, en lugar de esto se degradan o se queman. 
 
Las resinas epóxicas se basan en un grupo químico llamado epóxicos. La formulación 
más simple de los epóxicos es el óxido de etileno (C2H3O), la epiclorhidrina (C3H5OCI) 
es un epóxico mucho más utilizado para producir resinas epóxicas. Los epóxicos no 
curados tienen un bajo grado de polimerización. Se necesita usar un agente de curado 
para incrementar el peso molecular y encadenar transversalmente al epóxico. Los 
posibles agentes de curado incluyen a las poliamidas y a los anhídridos ácidos. Los 
epóxicos curados son notables por su resistencia, adhesión,resistencia al calor y a los 
 3-10
agentes químicos. Sus aplicaciones incluyen recubrimientos superficiales, pisos 
industriales, compuestos reforzados con fibra de vidrio y adhesivos. Las propiedades 
aislantes de los epóxicos termofijos los hacen útiles en varias aplicaciones electrónicas 
como el encapsulado de transistores y en la laminación de tarjetas para circuitos 
impresos. 
 
Las resinas termofijas mas comúnmente encontradas son aquellas que se usan 
para la producción de lentes oftálmicos. El monómero, que es almacenado en forma de 
liquito a temperatura baja, es introducido en un molde donde la polimerización toma 
lugar, formando una pieza que toma la forma de la cavidad que la contiene. 
Alternativamente, los elastómeros como la epoxi han sido usados con cierto éxito para 
formar superficies reflectivas, y para producir figuras asféricas. 
 
3.4 Factores de Selección de los polímeros útiles en la óptica 
 
 Prácticamente todos los polímeros con propiedades ópticas útiles son mucho 
menos densos que cualquier vidrio óptico, haciendo a los polímeros dignos de 
considerarse en aplicaciones donde el peso es un parámetro importante. Muchos de ellos 
muestran propiedades de resistencia a los impactos que exceden a algunos vidrios de 
sílice, haciéndolas útiles para productos dirigidos a los consumidores donde la seguridad 
es importante. 
 
 La ventaja más importante de la óptica polimérica es la considerable creatividad 
que es posible lograr en los diseños tanto óptica como mecánicamente. Si bien las 
limitaciones de diseño en la fabricación y el diseño de la óptica de vidrio están bien 
definidos, la réplica de varios procesos utilizados en la fabricación de vidrios pueden ser 
usados en la fabricaron de la óptica de polímero abriendo áreas de oportunidad única 
para la creación de nuevos sistemas ópticos y otros componentes que serían impensables 
o poco viables en vidrio. 
 
 
 3-11
3.5 Propiedades físicas 
 
3.5.1 Densidad 
 
 La densidad de los cristales varía de 3.3 g/cm3 a cerca de 6.3 g/cm3. El polímero 
más pesado posee una densidad de sólo 1.4 g/cm3, mientras que el más ligero tiene una 
densidad de 0.83 g/cm3 [19] 
 
3.5.2 Dureza 
 
 Las superficies ópticas se esperan que sean libres de imperfecciones, esto es, que 
no estén rayadas, no tengan hoyos o algún defecto de fabricación. Aunque los defectos 
superficiales raramente afectan la calidad de la imagen. Ya sea por el uso ordinario, por 
el procedimiento de limpiado, resultan en algunas ralladuras con el paso del tiempo. Los 
cristales más comunes posen una dureza suficiente que son relativamente inmunes a este 
tipo de daños, si se usan con cuidado. 
 
 Por otro lado los polímeros son tan blandos que algo muy pequeño los marcaría 
permanentemente. La dureza de los polímeros es difícil de cuantificar (en comparación 
con la de los cristales), ya que este parámetro no es dependiente sólo del material, si no 
que es también dependiente del proceso por el cual se fabricó. Cabe mencionar que 
algunos procedimientos que pueden resultar en pequeños daños a los elementos de cristal 
pueden producir evidencias considerables de abrasión en la superficie de algunos 
elementos hechos de polímeros, particularmente en los termoplásticos. 
 
3.5.3 Temperatura 
 
 Mientras que los cristales tienen una resistencia a altas temperaturas entre los 400 
y los 700 ºC, muchos de los cristales con propiedades ópticas que son de interés son muy 
frágiles, y son propensas a fallar si se enfrían muy rápidamente. Estas fallas son 
comúnmente atribuidas a la contracción por enfriamiento inducido. 
 3-12
 
 Los polímeros por otro lado tienen un rango de temperatura de operación menor, 
en algunos casos no es mayor que los 60 ºC. Este límite es aproximadamente de 250ºC en 
algunos de los fluoro polímeros. La conductividad térmica de muchos de estos polímeros 
puede ser tanto como un orden de magnitud inferior a la de los cristales y el coeficiente 
de expansión térmica que caracteriza a los polímeros es comúnmente un orden de 
magnitud mayor que el asociado a los cristales. Algunas de las propiedades físicas más 
relevantes de los polímeros más comúnmente usados en dispositivos ópticos son 
mostradas en la Tabla 3.2 
 
 
 
Tabla 3.2 Propiedades físicas 
 
Material Densidad 
(ρ) 
Coeficiente de 
expansión 
térmica (α) 
 
Temperatura 
máxima (Ts) 
Conductividad 
térmica (K) 
Absorción del 
agua (AH2O) 
Polimetilmetacrilato 1.18 6 85 4-6 0.3 
Poliestireno 1.05 6.4-6.7 80 2.4-3.3 0.03 
SAN (Estireno 
acrilonitrilo) 
1.07 6.4 75 2.8 0.28 
Policarbonato 1.25 6.7 120 4.7 0.2-0.3 
Poli metil pentano 0.835 11.7 115 4 0.01 
Nylon 1.185 8.2 80 5.1-5.8 1.5-3 
Poliarilato 1.21 3.3 - 7.1 0.26 
Polisulfona 1.21 2.5 150 2.8 0.1-0.6 
 
 
3.5.4 Conductividad térmica y eléctrica 
 
 Muchos materiales que muestran poca conductividad térmica comúnmente tienen 
una baja conductividad eléctrica. Varios polímeros son muy eficientes como aislantes 
eléctricos, sin embargo estos adquieren una carga estática en su superficie fácilmente y se 
disipa muy lentamente. No es de extrañar que dichas superficies cargadas rápidamente 
atraigan contaminantes cargados con carga opuesta a ellas, muchos de estos 
contaminantes son más duros que los plásticos. Por lo tanto en un intento de limpiar 
dichas partículas acumuladas en la superficie se causan ciertos daños en esta. Aplicando 
 3-13
un recubrimiento de un material inorgánico se proporciona una mayor conductividad a la 
superficie, de esta forma se atraen menos contaminantes y así se mejora la resistencia a la 
abrasión. 
 
3.5.5 Absorción de agua 
 
 Muchos polímeros, particularmente los termoplásticos, son higroscópicos, esto es, 
que tienen la capacidad de absorber o ceder agua al medio ambiente. Tras su 
transformación, el agua puede ser reabsorbida si las superficies de los plásticos no fueron 
tratadas para inhibir la absorción. Mientras que solo una pequeña cantidad de agua se 
adhiere a las superficies de los elementos hechos de cristal. Los polímeros pueden 
absorber agua cerca de entre el 0.003 a 2 por ciento de su peso. El agua acumulada puede 
producir cambios dimensionales, así como algunas modificaciones de menor importancia 
en la transmisión espectral. 
 
3.5.6 Resistencia a la radiación 
 
 Muchos de los polímeros utilizados en la óptica exhiben cierta fluorescencia si 
son irradiados por radiación de alta energía. La radiación de alta energía ultravioleta, 
además produce cantidades variables de reticulación en las cadenas de los polímeros. 
Esto típicamente da como resultado en la decoloración del material, y una absorción no 
uniforme de energía en el material. 
 
3.6 Propiedades ópticas 
 
3.6.1 Transmisión espectral 
 
 En general, los polímeros basados en carbón utilizados en aplicaciones ópticas 
son materiales que trabajan en longitudes de onda de la luz visible, ya que la absorción es 
bastante fuerte en el ultravioleta y en el infrarrojo [20, 21]. 
 
 3-14
 Algunas variantes del polimetilmetacrilato tienen transmisiones útiles debajo de 
los 300 nm [22]. Muchos polímeros, sin embargo, empiezan a absorber en una porción 
del azul del espectro visible, y tiene regiones adicionales de absorción cerca de los 900 
nm, 1150 nm, 1350 nm, y finalmente llegan a ser totalmente opacas cerca de los 2100 
nm. La estructura química que resulta en estas regiones de absorción es común para casi 
todos los polímeros basados en carbón, por lo tanto las características de transmisión 
interna de estos materiales es similar, con la posible excepción de las regiones del azul y 
del ultravioleta cercano. 
 
 
3.6.2 Índice de refracción 
 
 La química de los polímeros basados es considerablemente diferente de los 
vidrios de sílice en el uso común como materiales ópticos. Consecuentemente, las 
propiedades refractivas difieren significantemente. En general los índicesde refracción 
son inferiores, se extiende a cerca de 1.73 en el extremo superior, y hasta un límite 
inferior de alrededor de 1.3. Una característica muy particular es que el número de Abbe8 
varía mucho en estos materiales. Los datos sobre el índice de refracción de algunos de 
estos polímeros se muestran en la Tabla 3.2 
 
Tabla 3.2 Índice de refracción de algunos polímeros a diferentes longitudes de onda 
 
Longitud de onda 
nm 
PMMA P-estireno P-carbonato SAN 
1014 1.483 1.5726 1.5672 1.551 
852 1.485 1.5762 1.571 1.555 
706.5 1.487 1.582 1.5768 1.560 
656.3 1.489 1.5849 1.5799 1.562 
643.9 1.4896 1.5858 1.580 1.563 
589.3 1.4917 1.5903 1.585 1.5673 
587.6 1.4918 1.5905 1.5855 1.5674 
546.1 1.4938 1.595 1.590 1.571 
486.1 1.4978 1.604 1.599 1.579 
480 1.4983 1.605 1.600 1.580 
 
8 El número de Abbe de un material transparente es una cantidad adimensional que surge 
al comparar el índice de refracción del material a distintas longitudes de onda. 
 
 3-15
435.8 1.502 1.615 1.611 1.588 
404.7 1.506 1.625 1.622 1.597 
465 1.5136 1.643 1.643 1.612 
 
3.6.3 Homogeneidad 
 
 Debe considerarse que los polímeros son modelados y no formados 
mecánicamente. Por lo tanto las propiedades ópticas de una pieza, no pueden ser 
cuantificadas antes de la manufactura del elemento. De hecho, las propiedades ópticas 
precisas de un material en un elemento óptico son virtualmente precisadas en función del 
material y por medio de que proceso fue fabricada la parte. Algunos materiales, como los 
estírenos y las resinas son cristalinos en cierto grado, por lo tanto inherentemente son 
birrefringentes. La birrefringencia puede ser desarrollada en materiales amorfos. 
 
3.7 Diseño óptico 
 
Prácticamente todas las técnicas de diseño óptico que se han desarrollado para su 
uso con materiales de vidrio funcionan bien con la óptica de polímero. El trazado de 
rayos, los métodos de optimización, y los fundamentos de la construcción óptica son 
igualmente adecuados para vidrio o plástico. El enfoque generalizado para el diseño 
óptico con materiales poliméricos debe estar fuertemente orientado a medio, es decir, se 
debe hacer para sacar provecho de la flexibilidad de diseño de los materiales y procesos 
de fabricación. Se busca una integración de forma y función, debido a las características 
mecánicas de los polímeros las piezas se pueden moldear integralmente con la óptica 
para reducir el número de pieza de metal y el contenido de mano de obra de montaje en 
muchos sistemas. 
 
3.7.1 Selección del material 
 
Para escoger el mejor material, se debe de tener las menores aberraciones 
cromáticas, además de que el número de Abee debe permanecer en un valor no muy 
 3-16
alejado al central, eso es, que el índice de refracción de material no varíe demasiado con 
la longitud de onda. 
 
La mayoría de los diseñadores de lentes prefieren utilizar materiales con alto 
índice de refracción exclusivamente en su trabajo. La potencia óptica debe ser generada 
con el fin de formar imágenes, dicha potencia se debe a la combinación de la curvatura de 
la superficie óptica y el índice de refracción, estas dos variables se pueden negociar en el 
proceso de diseño de la lente. Como es bien sabido la curvatura genera una aberración 
más fácilmente que una discontinuidad de índice de refracción. Generalmente se prefiere 
para alcanzar una determinada cantidad de potencia de refracción a través del uso de una 
curvatura baja y un índice de refracción alto. Desde esta perspectiva, los polímeros están 
en clara desventaja, la mayoría de los cuales son materiales de bajo índice. 
 
3.7.2 Superficies asféricas 
 
 Se conocen como superficies asféricas aquellas que no son esféricas ni planas. 
Estas superficies son importantes en sistemas ópticos. La importancia de este tipo de 
superficies es debido a que mediante su uso es posible evitar los defectos presentes en las 
imágenes tales como: astigmatismo y distorsión tipo barril, que son consecuencia de las 
superficies esféricas. Además son utilizadas para reducir las pérdidas de acoplamiento de 
láseres semiconductores a fibras ópticas. 
 
Una consideración en la utilización de los polímeros en la óptica es la libertad de 
emplear superficies no esféricas. Si bien estos pueden ser difíciles (y muy caros) para 
producir en vidrio, los procesos que crean las piezas ópticas de plástico no hacen 
diferencia entre las superficies esféricas y no esféricas. 
 
Un diseñador de lentes, puede asegurar que la flexibilidad que las superficies 
asféricas ponen a disposición es muy notable. La fabricación de las superficies esféricas, 
son por medio de esmerilado y pulido, estos procesos pueden generar grandes cantidades 
de aberraciones de alto orden si se utiliza en cualquier geometría óptica que se aparta 
 3-17
significativamente de las condiciones aplanéticos, es decir, suprimir la aberración por una 
superficie esférica. 
 
Por otra parte, la capacidad de utilizar formas de superficie que son más 
complejas que las esferas, permite a los componentes de alta aberración ser moderados, 
reduciendo la cantidad de “aberración transferida''. En un sistema óptico de varios 
elementos, especialmente una cascada que emplean superficies asféricas, el rendimiento 
de las imágenes necesarias se puede lograr utilizando una menor cantidad de elementos. 
Y debido al hecho de que la aberración se ve disminuida, la sensibilidad a los errores de 
posicionamiento también puede ser reducida, con el resultado de que un sistema óptico 
asférico en realidad puede ser más tolerante a la fabricación de su homólogo esférico. 
 
En la práctica, el uso de superficies asféricas en los elementos plásticos va más 
allá de compensar por los obstáculos impuestos por los bajos valores de índice de 
refracción. Con el uso de superficies asféricas, es posible forzar, si no es que rompen, 
muchas de las normas que limitan el diseño con superficies esféricas. Las superficies 
asférica adicionalmente hacen frente a las aberraciones monocromáticas. 
 
3.7.3 Consideración de procesamiento 
 
De la misma manera que el diseño óptico con polímeros es diferente del diseño 
óptico con el vidrio, la fabricación y el montaje son también cuestiones muy diferentes. 
Las principales cuestiones que requieren ser examinadas son los relacionados con los 
propios materiales. Si bien es posible caracterizar el vidrio de un sistema óptico con 
absoluta seguridad antes de realizar cualquier operación de fabricación, con polímeros, el 
conocimiento de los materiales de partida es sólo una indicación aproximada de las 
propiedades ópticas de las piezas acabadas. 
 
Cuando se cuentan con los datos de las propiedades ópticas ofrecidos por el 
proveedor de polímero, se debe tener en cuenta que estos números sólo se aplican a las 
muestras de medición que han sido predefinidas a ciertas condiciones, han experimentado 
 3-18
un tiempo de residencia especificado en el barril de extrusión en condiciones específicas 
de temperatura, han sido inyectadas en el cavidad del molde en las tasas específicas y 
presiones, y así sucesivamente. En consecuencia, es poco probable que las propiedades 
de refracción de un elemento de polímero se ajusten estrictamente a los valores de 
catálogo (si estos valores son efectivamente suministrados). Asimismo la homogeneidad, 
el contenido de burbujas, las propiedades de dispersión, y así sucesivamente, son todos 
los procesos dependientes. Por otra parte, mientras que las hojas de propiedades ópticas 
de los materiales de vidrio son más precisas. 
 
3.8 Proceso de conformación de los plásticos 
 
La importancia tecnológica y comercial de estos procesos de conformado deriva 
del creciente valor de los materiales que se procesa y de que las aplicaciones de los 
plásticos se han incrementado mucho más que para los metales o los cerámicos, así, lo 
mismo sucede