Óptica
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<strong>Óptica</strong><br />
<strong>Óptica</strong> ondulatoria<br />
Holografía de reflexión de luz blanca<br />
Objetivos del experimento<br />
� Producción de hologramas por reflexión de luz blanca.<br />
LD<br />
Hojas de<br />
Física<br />
Producción de hologramas por<br />
reflexión de luz blanca en un<br />
banco de óptica láser<br />
� Diferenciación entre hologramas de amplitud y de fase, y entre sus respectivas elaboraciones fotoquímicas.<br />
� Reconstrucción de hologramas por reflexión de luz blanca.<br />
Fig. 1 Fotos de hologramas<br />
1<br />
P5.3.6.1<br />
Fundamentos<br />
En la fotografía, la imagen del objeto fotografiado es fijada en<br />
la película. Por el contrario, en la holografía se graban las<br />
ondas mismas de luz reflejadas en la superficie del objeto. La<br />
película traza no solamente la amplitud de la radiación de las<br />
ondas sino también su fase, con lo que el holograma graba la<br />
posición en el espacio de cada punto del objeto.<br />
Existen diversos tipos de holograma. Por su sencillez, el<br />
montaje para producir hologramas por reflexión de luz blanca<br />
es especialmente adecuado para el principiante en holografía.<br />
Para producir hologramas por reflexión de luz blanca, un rayo<br />
láser expandido atraviesa un medio fotosensible (película) e<br />
incide sobre un objeto que se encuentra atrás. En su viaje de<br />
vuelta, la luz, reflejada en la superficie irregular del objeto,<br />
alcanza al medio fotosensible, donde se superpone con las<br />
ondas de luz del rayo láser original. Dentro del medio<br />
fotosensible surgen, debido a la interferencia, ondas<br />
estacionarias, o sea, varios planos sucesivos de nodos y<br />
vientres con una distancia entre sí de λ/4. En los planos de los<br />
vientres se producen impresiones por exposición a la luz, en<br />
los planos de los nodos no. La impresión queda fija en forma<br />
de capas semitransparentes de plata. Se crea una rejilla<br />
tridimensional en la que se almacena información sobre el<br />
objeto en una especie de código óptico.<br />
En la reconstrucción, la luz que incide sobre el holograma ya<br />
listo es reflejada por las capas semitransparentes. Esta luz<br />
posee propiedades iguales a las de las ondas que<br />
originalmente vienen desde el objeto. Los paquetes de ondas<br />
que salen de las distintas capas se amplifican sólo cuando<br />
tienen idéntica fase. Esto hace que, en la reconstrucción de la<br />
imagen, ocurra una selección de longitudes de onda debida al<br />
holograma. Dado que la condición de igualdad de fase sólo se<br />
cumple para una determinada longitud de onda, es posible<br />
reconstruir la imagen con luz blanca. Luego, un holograma<br />
por reflexión de luz blanca posee la propiedad de seleccionar,<br />
entre toda la gama de longitudes de onda, sólo aquella que<br />
necesita para generar la imagen tridimensional del objeto<br />
original.
P5.3.6.1 LD Hojas de Física<br />
Equipo<br />
1 banco de óptica láser ................................ 473 40<br />
1 láser de He-Ne, polarización lineal ............ 471 840<br />
1 soporte de láser ........................................ 473 41<br />
3 pies ópticos ............................................... 473 42<br />
1 sostén de película ..................................... 473 44<br />
1 sostén de objeto ....................................... 473 45<br />
2 lentes esféricas, f = 2,7 mm ...................... 473 47<br />
1 escala de madera ...................................... 311 03<br />
1 enchufe múltiple de 5 tomas ..................... 663 615<br />
1 cronómetro II ............................................. 597 41<br />
1 bandeja moldeada de 6 compartimentos .. 649 11<br />
3 botellas de polietileno, 1000 ml ................. 661 234<br />
1 tijera con punta, 200 mm ........................... 667 016<br />
1 película para holografía 1) .......................... 473 442<br />
1 accesorio para cámara oscura .................. 473 446<br />
1 reactivo fotográfico 2) ............................................ 473 444<br />
para producir hologramas de fase:<br />
Hierro (III)-nitrato-9-hidrato, 250 g ................ 671 891<br />
bromuro de potasio (KBr), 50 g .................... 672 491<br />
además:<br />
gotas de detergente para vajilla<br />
1 apoyo absorbente, por ejemplo, un repasador<br />
preferentemente:<br />
1) Agfa-Gevaert 2NFXQ HOLOFI 8E75 T3 HD NAH<br />
2) revelador para papel Agfa Neutol,<br />
fijador Tetenal Superfix<br />
Indicaciones para la seguridad<br />
El láser de He-Ne satisface las “Exigencias de seguridad<br />
técnica para material didáctico – Láser, DIN58126 parte 6”<br />
para láser de clase 2. Observando en las instrucciones de<br />
uso las indicaciones correspondientes se evita todo peligro<br />
al experimentar con láser de He-Ne.<br />
� No mirar de frente el haz directo ni el reflejado.<br />
� Evitar pasar el límite de enceguecimiento (o sea,<br />
ningún observador debe sentir que se enceguece).<br />
Los reactivos fotográficos son, en parte, venenosos y<br />
agresivos.<br />
� Tener en cuenta sin falta las indicaciones de seguridad<br />
del envoltorio de los reactivos.<br />
� Usar gafas y guantes de protección y delantal.<br />
Los reactivos fotográficos ya usados son dañinos para el<br />
medio ambiente. No arrojarlos al desagüe.<br />
� Evacuar los reactivos junto con la basura especial.<br />
2<br />
Según el tratamiento fotoquímico de la película expuesta se<br />
diferencian dos clases de hologramas:<br />
Un holograma de amplitud consta de partes transparentes y<br />
no transparentes que son provocadas por los granos de plata<br />
que aparecen luego del revelado.<br />
En un holograma de fase, la capa revelada pierde su<br />
ennegrecimiento debido a un procedimiento de decoloración.<br />
Entonces, la información se conserva, según cuál sea el<br />
procedimiento de decoloración, por modificación del índice de<br />
refracción, por espesor o por ondulaciones con relieve de la<br />
superficie del holograma. Así, al reconstruir el holograma, las<br />
ondas de luz deben recorrer diferentes caminos geométricos y<br />
ópticos, con lo que surgen diferencias en la marcha de las<br />
distintas ondas. Entonces se dice que el holograma está<br />
modulado por fase.<br />
Dado que los hologramas de fase no absorben nada de la<br />
energía lumínica que ingresa en la reconstrucción, son<br />
notoriamente más luminosos que los ennegrecidos<br />
hologramas de amplitud. Es por eso que en las actuales<br />
aplicaciones tecnológicas se prefieren los hologramas de<br />
fase.<br />
Advertencias preliminares<br />
Para producir buenos hologramas deben tomarse ciertos<br />
recaudos. Las influencias del ambiente y una manipulación<br />
incorrecta pueden impedir fácilmente la formación de un<br />
holograma o, al menos, provocar un detrimento de la calidad.<br />
Influencias del ambiente:<br />
Entre las interferencias más importantes figuran los<br />
movimientos incontrolables entre el campo de interferencia y<br />
el medio fotosensible. Ya una variación del camino óptico<br />
entre objeto y medio fotosensible del orden de λ/4 durante el<br />
registro destruye por completo el holograma.<br />
Estas interferencias pueden darse, por ejemplo, por<br />
vibraciones en el dispositivo montado o por corrientes de<br />
aire. En el presente experimento, estas influencias son<br />
sensiblemente menores, ya que se monta todo en el banco de<br />
óptica láser, que amortigua las vibraciones. El banco<br />
descansa sobre una cámara de aire que lo aísla de dichas<br />
vibraciones y posee, además, una cubierta para disminuir los<br />
efectos de la convección.<br />
A pesar de un muy buen aislamiento es posible que se<br />
transmitan vibraciones mecánicas desde el ambiente hacia el<br />
montaje y que éstas tengan una intensidad tal que puedan<br />
influir en el campo de interferencia durante el registro. Esto<br />
puede producirse, por ejemplo, por el golpe de puertas al<br />
cerrarse o abrirse, por dar pisotones en el piso o por el<br />
funcionamiento de una máquina. Estas circunstancias deben<br />
ser evitadas.<br />
También las variaciones de temperatura y presión del<br />
ambiente influyen en el campo de interferencia, ya que<br />
provocan cambios en el índice de refracción del aire. Por ello<br />
es que no resulta recomendable que haya aireaciones,<br />
corrientes de aire o aparatos de calefacción en las cercanías.<br />
Sus efectos son aún más perniciosos cuando comienzan a<br />
actuar con el experimento puesto en marcha. Pequeñas<br />
corrientes de aire pueden llegar a ser producidas por el<br />
mismo realizador del experimento. Es por ello que no debe<br />
situarse demasiado cerca del montaje en el momento del<br />
registro ni exhalar en él. Lo mismo vale, por cierto, para las
LD Hojas de Física P5.3.6.1<br />
demás personas que se encuentren en la habitación del<br />
experimento. Utilizando la cubierta pueden disminuirse en<br />
buena medida los efectos negativos de estos factores.<br />
La influencia de las vibraciones mecánicas o de las corrientes<br />
de aire pueden observarse fácilmente con el interferómetro de<br />
Michelson, que también puede montarse en el banco de<br />
óptica láser (ver "Montaje de un interferómetro de Michelson<br />
en un banco de óptica láser"). El interferómetro de Michelson<br />
reacciona de manera más sensible que el presente montaje<br />
para holografía, con un movimiento del patrón de franjas de<br />
interferencia debido a las influencias mencionadas. Por este<br />
motivo constituye un aparato apto para que el realizador del<br />
experimento pondere las influencias del ambiente.<br />
Elección del objeto:<br />
El objeto a representar por holografía debe ser<br />
suficientemente rígido. Por ello resultan adecuados materiales<br />
como, por ejemplo, metales, plásticos duros, madera, piedra,<br />
etc., e inadecuados otros como telas, papel o plantas, ya que<br />
pueden llegar a moverse (aunque sea levemente) durante el<br />
registro.<br />
Los objetos que puedan tambalearse deben ser sujetados con<br />
el brazo del sostén de objetos a fin de que permanezcan algo<br />
más estables sobre el platillo portaobjetos. Los autos de<br />
juguete poseen generalmente amortiguación; por eso el<br />
platillo portaobjetos macizo del sostén de objetos viene con<br />
un puente delgado al costado sobre el que puede ubicarse el<br />
auto de manera que sus ruedas queden suspendidas en el<br />
aire.<br />
Solamente pueden generarse buenos hologramas por<br />
reflexión de luz blanca con objetos que reflejen mucha luz<br />
láser. Los objetos oscuros pueden ser acondicionados con<br />
tinturas en spray claras o plateadas. Cuanto mejor reflejen la<br />
luz sobre la película, más luminoso será el holograma. Es por<br />
esta razón que las monedas suelen dar muy buenos<br />
resultados.<br />
Manipulación de los componentes ópticos:<br />
También se dan fenómenos de interferencia de gran contraste<br />
por la presencia de partículas de polvo, raspaduras o huellas<br />
digitales que pueden encontrarse en la lente esférica por su<br />
manipulación inapropiada. La luz es difractada en las<br />
impurezas, con la consecuencia de que las zonas del<br />
holograma que corresponden a los máximos de difracción son<br />
impresionadas en exceso y las correspondientes a los<br />
mínimos de difracción son impresionadas en defecto. Por<br />
consiguiente, la calidad de la reconstrucción del holograma<br />
será menor. La lente esférica se debe manipular, entonces,<br />
de manera muy cuidadosa y debe estar libre de polvo. No se<br />
debe dañar su superficie ni ser tocada directamente con las<br />
manos.<br />
Las lentes esféricas sucias pueden retirarse del sostén y<br />
limpiarse con un paño que no deje hilachas o con papel para<br />
limpiar lentes. En cualquiera de los casos, atender siempre a<br />
las instrucciones de uso.<br />
Requisitos del sitio de experimentación:<br />
El ambiente donde se realice el experimento debe poder<br />
oscurecerse, ser ajeno a toda vibración mecánica, además de<br />
presentar una temperatura suficientemente estable. Además<br />
se requiere una conexión eléctrica para alimentar el láser y la<br />
lámpara de la cámara oscura, agua corriente para el enjuague<br />
final y una mesa estable no demasiado alta.<br />
3<br />
Preparación<br />
Corte de la película:<br />
Dado que la película posee muy baja sensibilidad para una<br />
longitud de onda de 505 nm, puede trabajarse con una<br />
lámpara para cámara oscura de baja potencia color verde<br />
oscuro (o verde azulado).<br />
Dentro de lo posible, no iluminar la película con luz directa.<br />
Tener cuidado con la cara recubierta de la película. La<br />
película cuenta con una marca en el borde. Si ésta se<br />
encuentra abajo a la derecha o arriba a la izquierda, significa<br />
que la que se está observando es la cara recubierta.<br />
Manipular la película con cuidado a fin de no maltratar el<br />
recubrimiento.<br />
El material de la película consiste en placas plásticas<br />
recubiertas (película plana) de 10,2 cm × �12,7 cm, que se<br />
deben recortar en un formato adecuado.<br />
− Extraer la cantidad requerida de placas en un ambiente<br />
oscuro por completo y guardar la película sobrante<br />
nuevamente en recipientes opacos (si además son<br />
refrigerados, esto contribuye a una mejor conservación de<br />
la película).<br />
− Marcar los lugares de corte con, por ejemplo, un marcador<br />
fino y recortar luego con una tijera trozos de 42 mm × 51<br />
mm (tolerancia: 1 mm) (ver instrucciones de uso para el Kit<br />
de óptica láser).<br />
− Guardar los recortes en recipientes absolutamente opacos<br />
(tener cuidado con la cara recubierta) y utilizar dentro de<br />
las siguientes semanas.<br />
Preparación de los reactivos fotográficos:<br />
− Limpiar bien los recipientes para conservación (botellas de<br />
polietileno).<br />
− Verter el revelador, según instrucciones de uso, en un<br />
recipiente para conservación y volcar una parte en el<br />
correspondiente compartimiento de la bandeja.<br />
Para producir hologramas de fase:<br />
− Verter el blanqueador, consistente en 100 g de hierro (III)nitrato-9-hidrato<br />
y 30 g de bromuro de potasio (KBr) en 1 l<br />
de agua (eventualmente destilada), en otro recipiente para<br />
conservación y volcar una parte en el correspondiente<br />
compartimiento de la bandeja.<br />
Y/O para producir hologramas de amplitud:<br />
− Verter el fijador, según el prospecto del fabricante, en un<br />
recipiente para conservación y volcar una parte en el<br />
correspondiente compartimiento de la bandeja.<br />
− Llenar con agua otro de los compartimentos (baño de<br />
paro).<br />
− Llenar un compartimiento con agua y detergente<br />
lavavajillas (sólo una gota).<br />
− Preparar cerca del agua corriente un compartimiento para<br />
el enjuague final.<br />
− Rotular cada compartimiento según su contenido.
P5.3.6.1 LD Hojas de Física<br />
Fig. 2 Montaje del experimento para hologramas por reflexión de luz<br />
blanca en el banco de óptica láser, visto desde arriba<br />
a banco de óptica láser<br />
b cubierta<br />
c lente esférica<br />
d sostén de película<br />
e sostén de objeto<br />
Montaje<br />
La disposición de los componentes ópticos en el banco de<br />
óptica láser se representa en la figura 2. Seguir los pasos<br />
siguientes para el montaje (sujetar bien los componentes en<br />
los sostenes):<br />
Banco de óptica láser y láser:<br />
− Inflar la cámara de aire.<br />
− Fijar la cubierta (b) al banco de óptica láser (a).<br />
− Ubicar el banco de óptica láser junto con la cámara de aire<br />
de forma horizontal y estable sobre la mesa de<br />
experimentación.<br />
− Montar el láser en su soporte.<br />
− Ubicar el láser en el margen izquierdo del banco de<br />
manera que la cubierta pueda cerrarse sin inconvenientes.<br />
− Conectar el láser al enchufe múltiple y encender.<br />
− Aflojar las tuercas de seguridad de los tres tornillos de<br />
ajuste del soporte de láser.<br />
− Ajustar la altura y la inclinación del láser con ayuda de los<br />
tornillos de ajuste de forma que su haz se desplace de<br />
manera perfectamente horizontal a 75 mm<br />
aproximadamente sobre el banco (de modo que entonces<br />
queda margen para un ajuste fino). Volver a medir con la<br />
escala de madera.<br />
− Apretar nuevamente las tuercas de seguridad.<br />
Sostén de película:<br />
− Sujetar lo recortado y un trozo de papel blanco en el sostén<br />
de película (d), y ubicar éste, según muestra la figura 2, a<br />
25 – 30 cm del láser e interponiéndose en la marcha de los<br />
rayos de modo que sea alcanzado en su centro por el<br />
láser, desde atrás.<br />
4<br />
Lente esférica:<br />
Indicaciones:<br />
El tamaño del área iluminada por los rayos láser se puede<br />
modificar con la distancia entre el sostén de película y la<br />
lente. Un holograma sólo puede aparecer en los lugares<br />
donde luego este así llamado rayo de referencia incide sobre<br />
la película. Por ello, la zona iluminada debe ser al menos tan<br />
grande como el objeto a registrar por holografía. Por otro lado,<br />
la intensidad lumínica se torna mayor cuanto menos se<br />
expande el rayo. De esta manera puede elegirse un tiempo de<br />
exposición más breve, para así también no exponer el<br />
montaje a influencias del medio durante el registro.<br />
La pureza del rayo expandido tiene una especial importancia<br />
para la calidad del holograma. Por ello debe evitarse, en la<br />
medida de lo posible, toda figura de difracción que pueda<br />
aparecer por un mal ajuste o por impurezas o daños de la<br />
superficie de la lente o el divisor de haz.<br />
− Para ensanchar el haz de láser, ubicar la lente esférica (c)<br />
(con una menor abertura de entrada de haz del apoyo de<br />
lente mirando al láser) entre el láser y el sostén de la<br />
película.<br />
− Ubicar la lente esférica lateralmente y arriba, de manera<br />
que pueda ser atravesada axialmente por el rayo láser.<br />
Elegir una distancia al láser lo suficientemente grande<br />
como para que la cubierta (b) pueda seguir cerrándose<br />
(ver figura 2).<br />
Sostén de objeto:<br />
− Extraer el papel del sostén de película.<br />
− Según las posibilidades, fijar el objeto con el brazo de<br />
sostén al sostén de objeto (e).<br />
− Acercar lo más posible el sostén de objeto a la película,<br />
según muestra la figura 2. Cuidar que el objeto refleje<br />
mucha luz a la película y que reciba los rayos en el centro<br />
y con una buena exposición.<br />
− Procurar que la cubierta pueda seguir cerrándose.<br />
− Cambiar la potencia del láser a 1 mW y controlar la pureza<br />
y la marcha del rayo expandido; eventualmente ajustar la<br />
lente.
LD Hojas de Física P5.3.6.1<br />
Realización<br />
Colocación de la película:<br />
Se puede trabajar en la cámara oscura con la lámpara verde<br />
oscuro (o verde azulado).<br />
Aún así, cuidar de no iluminar la película directamente ni<br />
desde corta distancia.<br />
− Apagar el láser (para no mover el montaje luego durante la<br />
exposición a la luz, se corta la alimentación de la fuente<br />
con ayuda del interruptor del enchufe múltiple, sin usar la<br />
llave del láser).<br />
− Fijar con los dedos el pie óptico del sostén de película (d) y<br />
alejar cuidadosamente del montaje el sostén de película.<br />
− Oscurecer la habitación.<br />
− Extraer del recipiente opaco un trozo de película recortada<br />
teniendo cuidado de tocarlo sólo en sus márgenes a fin de<br />
no arruinar su recubrimiento de emulsión.<br />
− Abrir las mordazas de sujeción del sostén de película<br />
girando el tornillo de cabeza moleteada.<br />
− Deslizar la película dentro del sostén de manera que la<br />
cara con recubrimiento quede finalmente mirando al objeto.<br />
− Tensar cuidadosamente la película cerrando las mordazas<br />
de sujeción<br />
− Fijar con los dedos el pie óptico del sostén de película y<br />
volverlo a ubicar en el montaje.<br />
− Cerrar la cubierta.<br />
Exposición:<br />
El tiempo óptimo de exposición depende de la expansión del<br />
rayo láser, del objeto y de la clase de holograma. Se lo debe<br />
averiguar de manera empírica. Como valor de partida para<br />
hologramas de fase con 1 mW de potencia de láser puede<br />
emplearse un tiempo de entre 1 y 3 segundos<br />
aproximadamente. En los hologramas de amplitud, el tiempo<br />
de exposición es aproximadamente entre tres y cuatro veces<br />
menor.<br />
Para limitar la potencia del láser a 0,2 mW se usa un filtro gris<br />
que arruina la calidad del holograma mediante interferencias<br />
adicionales y hace elevar los tiempos de exposición<br />
aproximadamente al quíntuplo.<br />
− Esperar unos cinco minutos para que la película y las<br />
tensiones en el montaje se asienten.<br />
− Durante la exposición no tocar nada que pueda influir en el<br />
campo de interferencia sobre la superficie de la película<br />
(ver Advertencias preliminares).<br />
− Impresionar la película encendiendo y apagando el láser<br />
desde el enchufe múltiple, sin mover el montaje (por<br />
ejemplo, corriendo el cable de conexión del láser a la red).<br />
− Abrir la cubierta, alejar del montaje el sostén de película y<br />
tomar la película abriendo las mordazas de sujeción<br />
cuidando siempre de tocar la película sólo en sus bordes.<br />
Elaboración fotoquímica:<br />
Tras haber elegido correctamente los tiempos de exposición,<br />
luego del revelado los hologramas de fase aparecen en gris<br />
oscuro y los de amplitud en un gris suave. Quienes cuentan<br />
con experiencia en hologramas pueden variar el tiempo de<br />
exposición y lograr así resultados óptimos. Si se usan<br />
reveladores viejos o ya usados, aumentar el tiempo de<br />
revelado de manera acorde, ya que el revelador no tiene ya el<br />
mismo efecto.<br />
− Sujetar la película en una esquina con una pinza de<br />
fotografía y moverla durante 60 segundos en el revelador.<br />
− Detener el revelado moviendo la película durante dos<br />
minutos en el baño de paro. La fase sensible a la luz ya<br />
finalizó y, de ser necesario, puede volver a encenderse la<br />
luz normal.<br />
− Para producir hologramas de fase, sumergir la película<br />
unos 5 minutos en el blanqueador y mover<br />
convenientemente al menos tanto tiempo como sea<br />
necesario para que deje de verse su ennegrecimiento; no<br />
pasar la película por fijador.<br />
− Para los hologramas de amplitud, pasar la película por<br />
fijador según prospectos del fabricante.<br />
− Enjuagar entre 5 y 10 minutos en agua corriente.<br />
− Sumergir brevemente en agua con una gota de lavavajillas<br />
y evitar que se formen manchas durante el secado.<br />
− En posición vertical para el secado, disponer el holograma<br />
sobre un apoyo absorbente.<br />
− Limpiar bien la pinza de fotografía con agua.<br />
Análisis<br />
Luego del secado puede reconstruirse el holograma con luz<br />
blanca. Para ello se lo debe exponer a la luz en la misma<br />
dirección que el rayo láser durante el registro. Esta es la<br />
misma dirección en la que debe ser observado. Los<br />
hologramas se muestran más nítidos si se los reconstruye con<br />
luz homogénea de igual divergencia que la del rayo láser<br />
expandido. Las fuentes de luz adecuadas para reconstruir<br />
hologramas son las lámparas de escritorio, las halógenas, la<br />
luz solar y también el rayo láser expandido. El holograma<br />
exhibe, si se mueve la fuente de luz durante la reconstrucción,<br />
propiedades de reflexión similares a las del objeto.<br />
Si se gira el holograma de manera que la luz le incida en la<br />
cara incorrecta, entonces se tiene la impresión de que el<br />
objeto (algo menos nítido) yace por delante del plano de la<br />
película.<br />
Información adicional<br />
Los hologramas de fase son más fotosensibles que los<br />
hologramas fijos de amplitud. Además se decoloran más<br />
fácilmente. Su estabilidad con la luz puede ser mejorada a<br />
través de un baño en una solución de 2,5 g de yoduro de<br />
potasio (KI) y 1 litro de agua. Durante este proceso son<br />
levemente cubiertos de amarillo.<br />
Al hacer el registro del holograma, la película debe estar en<br />
una posición no perpendicular al rayo láser. Cuando ésta es<br />
dispuesta de manera torcida, durante la reconstrucción del<br />
holograma, el observador no es enceguecido por el reflejo de<br />
la fuente luminosa en la superficie de la película. Entonces, la<br />
película se puede iluminar mejor en toda su extensión.<br />
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