UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERA REGIN VERACRUZ
INGENIERA EN ELECTRNICA Y COMUNICACIONES
Automatizacin mediante instrumentacin virtual de un perfilmetro
ptico por corrimiento de fase TESIS QUE PARA ACREDITAR LA E.E.
EXPERIENCIA RECEPCIONAL Y OBTENER EL TTULO DE: INGENIERO EN
ELECTRNICA Y COMUNICACIONES Ebner Daniel Azuara Mora
MATRCULA: S07000958
ASESOR: Dr. ngel Sauceda Carvajal
BOCA DEL RO, VERACRUZ
2011
AGRADECIMIENTOS A Dios por regalarme la vida, bendecirme con una
hermosa familia y permitirme finalizar esta etapa de mi vida. A mis
padres por su apoyo incondicional durante toda mi vida y por
ensearme principios y valores. A mis hermanas: Eldi, Mari y Gabi,
por apoyarme en todo momento con sus consejos y compaa. Al Doctor
ngel Sauceda Carvajal por su asesora y apoyo en la realizacin de
esta tesis, y por compartir sus conocimientos y valiosos consejos.
A la Facultad de Ingeniera de la Universidad Veracruzana por
permitirme ser parte de su comunidad estudiantil y hacer de m un
profesionista que contribuye al desarrollo del pas.
Al Centro de Investigacin en Micro y Nanotecnologa de la
Universidad Veracruzana por brindarme la oportunidad de desarrollar
investigacin.
A la Direccin General de Investigaciones de la Universidad
Veracruzana por brindarme la Beca de Apoyo a miembros del Sistema
Nacional de Investigadores.
A todos mis amigos y compaeros que formaron parte de mi formacin
como profesionista.
A todos mis maestros que compartieron sus conocimientos y
gracias a sus consejos y paciencia termin satisfactoriamente mis
experiencias educativas.
II
RESUMEN
La perfilometra ptica es una tcnica que conjuga el bajo costo,
la facilidad y la versatilidad para estimar espesores, perfiles y
rugosidades a escalas micro y nanoscpica, en materiales y
dispositivos. En particular la basada en Interfermetro por
Corrimiento de fase, PSI, (del ingls phase shifting
interferometry), es una de las opciones ms comunes hoy en da. Sin
embargo, para aplicar este mtodo, es necesario realizar varios
pasos que requieren de cierta sincronizacin en el tiempo y cuya
utilidad requiere de una etapa de
procesamiento; que garantice mediciones confiables. Con la
ayudad de la instrumentacin virtual se ha conseguido automatizar el
perfilmetro PSI utilizando el programa Labview.
En el captulo 1, se realiza un abreve introduccin En el captulo
2 de este trabajo se describen los principios bsicos que son
necesarios para entender . En el captulo 3, se plantea una
propuesta para automatizar el perfilmetro En el captulo 4, se
discuten los resultados y finalmente en el captulo 5, se enlistan
las principales conclusiones a las que se lleg en este trabajo.
III
NDICEAGRADECIMIENTOS
..................................................................................................................
II RESUMEN
................................................................................................................................
III NDICE
.....................................................................................................................................
IV NDICE DE
FIGURAS..................................................................................................................
IV NDICE DE TABLAS
....................................................................................................................
X
CAPTULO
1:INTRODUCCIN.............................................................................................
1 1.1 JUSTIFICACIN
........................................................................................................................
1 1.2 OBJETIVO
..............................................................................................................................
2 1.1.1 OBJETIVOS PARTICULARES
................................................................................................................
2 1.3 HIPTESIS
.............................................................................................................................
2 1.4 METODOLOGA
.......................................................................................................................
2
CAPTULO 2: TEORA
BSICA............................................................................................
5 2.1 PERFILOMETRA
......................................................................................................................
5 2.1.1 PRINCIPIOS, APLICACIONES Y TENDENCIAS DE LA PERFILOMETRA
............................................................ 5 2.2
MTODO DE PERFILOMETRA POR CORRIMIENTO DE FASE: PSI (PHASE SHIFTING
INTERFERENCE) ................ 7 2.2.1 INTERFERENCIA
...............................................................................................................................
8 2.2.2 CORRIMIENTO DE FASE (PHASE-SHIFTING)
........................................................................................
12 2.2.3. DESEMPAQUETADO DE FASE (UNWRAPPING)
....................................................................................
13 2.3 AUTOMATIZACIN DEL PERFILMETRO
.......................................................................................
18 2.3.1 AUTOMATIZACIN MEDIANTE INSTRUMENTACIN
VIRTUAL..................................................................
19 2.3.2 LABVIEW
....................................................................................................................................
21 2.3.2.1 Ciclo While (While loop)
........................................................................................................
24 2.3.2.2 Estructura case (Case structure)
...........................................................................................
24 2.3.2.3 Ciclo For (for Loop)
................................................................................................................
25 2.3.2.4 Estructura de secuencia (Sequence structure)
.....................................................................
25 2.3.2.5 Estructura de evento (event structure)
................................................................................
26
IV
2.3.2.6 Secuencia de planos (Flat Sequence)
....................................................................................
26 2.3.2.7 Tipos de datos
.......................................................................................................................
26 2.3.2.8 Procesamiento de imgenes y captura
.................................................................................
27 2.3.3 ADQUISICIN DE DATOS
(DAQ).......................................................................................................
28
CAPTULO 3: PROPUESTA
...............................................................................................
31 3.1. BLOQUE DE CALIBRACIN
.......................................................................................................
33 3.1.1 CALIBRACIN DEL PIEZOACTUADOR
..................................................................................................
33 3.1.2 CALIBRACIN DE LA CMARA
..........................................................................................................
34 3.2 CAPTURA DE INTERFEROGRAMAS EN TIEMPO REAL
.........................................................................
36 3.2.1 SELECCIN DE LA REGIN DE INTERS
...............................................................................................
36 3.2.1.1 Propiedades de la cmara y de la tarjeta de
adquisicin...................................................... 38
3.2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA CAPTURA DE INTERFEROGRAMAS EN
TIEMPO REAL .................................... 39 3.3 CAPTURA Y
ALACENAMIENTO DE IMGENES EN LA MEMORIA
............................................................ 45
3.3.1 BOTONES E INDICADORES DE CAPTURA Y ROTACIN
............................................................................
48 3.3.2 INDICADORES DE
CAPTURA..............................................................................................................
48 3.4 ALMACENAMIENTO Y PROMEDIADO DE IMGENES
.........................................................................
49 3.4.1 FILTROS
.......................................................................................................................................
51 3.5 DESEMPAQUETADO DE
FASE.....................................................................................................
52 3.7 DESPLIEGUE Y ROTACIN DE
TOPOGRAFA....................................................................................
53 3.7.1 PANTALLA DE GRFICA
...................................................................................................................
56 3.7.2 CONTROLES DE ROTACIN
..............................................................................................................
57
CAPTULO 4: RESULTADOS
.............................................................................................
59 4.1 PANEL FRONTAL
....................................................................................................................
59 4.2 MODO DE
USO......................................................................................................................
60 4.2.1 CALIBRACIN
...............................................................................................................................
61 4.2.2 SELECCIN DE REA Y CAPTURA
.......................................................................................................
63 4.2.3 ROTACIN
...................................................................................................................................
63 4.3
EJEMPLOS............................................................................................................................
63 4.3.1 EJEMPLO A
..................................................................................................................................
63 4.3.2 EJEMPLO B
..................................................................................................................................
65
V
4.3.3 EJEMPLO C
..................................................................................................................................
67
CAPTULO 5:
CONCLUSIONES.........................................................................................
69
BIBLIOGRAFA.........................................................................................................................
70 APNDICE
...............................................................................................................................
72
VI
NDICE DE FIGURASCAPTULO 1 FIGURA 1.1: DIAGRAMA DE BLOQUES DEL
INTRUMENTO...........................................................
4 CAPTULO 2 FIGURA 2.1: INTERFEROGRAMA
................................................................................................
7 FIGURA 2.2: FENMENO DE INTERFERENCIA
.............................................................................
9 FIGURA 2.3: DIAGRAMA ESQUEMTICO DEL INTERFERMETRO DE MICHELSON
...................... 10 FIGURA 2.4: INTERFERMETRO
...............................................................................................
11 FIGURA 2.5: MICROSCOPIO
.....................................................................................................
12 FIGURA 2.6: (A) FASE CONTINUA, (B) FASE EMPAQUETADA
..................................................... 14 FIGURA
2.7: INTERFEROGRAMA
..............................................................................................
16 FIGURA 2.8: (A) IMAGEN CON FASE EMPAQUETADA, (B) LA MISMA IMAGEN
GRFICAMENTE COMO UNA SUPERFICIE
..........................................................................................................
16 FIGURA 2.9: (A) IMAGEN CON FASE DESEMPAQUETADA, (B) LA MISMA
IMAGEN CON FASE DESEMPAQUETADA GRFICAMENTE COMO UNA SUPERFICIE.
................................................. 17 FIGURA 2.10:
EJEMPLO DE PANEL FRONTAL EN
LABVIEW......................................................... 22
FIGURA 2.11: DIAGRAMA DE BLOQUES
...................................................................................
23 FIGURA 2.12: (A) CONO, (B) PANEL CONECTOR
.......................................................................
23 FIGURA 2.13: CICLO
WHILE......................................................................................................
24 FIGURA 2.14: ESTRUCTURA
CASE.............................................................................................
25 FIGURA 2.15: CICLO FOR
.........................................................................................................
25 FIGURA 2.16: ESTRUCTURA DE SECUENCIA
..............................................................................
26 FIGURA 2.17: ESTRUCTURA DE EVENTO
...................................................................................
26 FIGURA 2.18: FLAT SEQUENCE
.................................................................................................
26 FIGURA 2.19: EJEMPLO DE UN VI UTILIZANDO UNA TARJETA DE
ADQUISICIN......................... 29
CAPTULO 3 FIGURA 3.1: DIAGRAMA DE BLOQUES DEL VI
...........................................................................
32 FIGURA 3.2: BLOQUE DE CALIBRACIN DEL PZT
.......................................................................
34
VII
FIGURA 3.3: PROPIEDADES O ATRIBUTOS DE LA
CMARA........................................................ 35
FIGURA 3.4: PANTALLA DE CAPTURA
.......................................................................................
37 FIGURA 3.5: BLOQUE DE PROPIEDADES
...................................................................................
38 FIGURA 3.6: PRIMER SUBDIAGRAMA DE LA ESTRUCTURA DE SECUENCIAS
............................... 40 FIGURA 3.7: SEGUNDO SUBDIAGRAMA
DE LA ESTRUCTURA DE SECUENCIAS. ........................... 41
FIGURA 3.8: CASO IDLE DE LA ESTRUCTURA CASE
.................................................................
43 FIGURA 3.9: CASO ATRTRIBUTE CHANGED DE LA ESTRUCTURA CASE
.................................... 43 FIGURA 3.10: CASO MODE
CHANGED DE LA ESTRUCTURA CASE
............................................ 43 FIGURA 3.11: CASO
VALUE CHANGED DE LA ESTRUCTURA CASE
........................................... 44 FIGURA 3.12: ERROR Y
CONTINUACIN DE LA SECUENCIA
....................................................... 44 FIGURA
3.13: CREACIN DE ESPACIOS EN LA MEMORIA Y CAPTURA CON TRIGGER.
................. 45 FIGURA 3.14: (A) CREACIN DE CANAL Y GENERACIN
DE LAS SEALES BOX CAR Y CUADRADA, (B) INICIO Y FIN DE LA TAREA
..................................................................................................
47 FIGURA 3.15: (A) INDICADOR DE LA VELOCIDAD DE CAPTURA (FRAME
RATE), (B) BOTN PARA INICIAR LA CAPTURA, (C) BOTN PARA DETENER LA
ROTACIN, (D) BOTN PARA ACTIVAR/DESACTIVAR GUARDAR LA TOPOGRAFA
OBTENIDA. ................................................ 48
FIGURA 3.16: INDICADORES DE CAPTURA
................................................................................
49 FIGURA 3.17: DIAGRAMA DE SECUENCIAS. (A) ALMACENAMIENTO DE
IMGENES Y CONVERSIN DE ARREGLO DE IMAGEN A NUMRICO, (B) PROMEDIADO
DE IMGENES. ............................... 50 FIGURA 3.18:
LIBERACIN DE MEMORIA Y FINALIZACIN DEL CICLO WHILE.
............................ 51 FIGURA 3.19: CONTROLES DEL FILTRO
DE MEDIANA
................................................................ 51
FIGURA 3.20 CONTROLES DEL FILTRO KERNEL
..........................................................................
51 FIGURA 3.21: CONTROL DE BORDE CERO
.................................................................................
52 FIGURA 3.22: SCRIPT DE MATLAB.
...........................................................................................
53 FIGURA 3.23: DESPLIEGUE DE INFORMACIN. PRIMER SUBDIAGRAMA DE LA
ESTRUCTURA DE LA FLAT SEQUENCE.
.....................................................................................................................
54 FIGURA 3.24: CONO DEL SUBVI ROT 3D SURFACE
FINAL....................................................... 55
FIGURA 3.25: DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SUBVI ROT 3D SURFACE FINAL
........................... 55 FIGURA 3.26: SEGUNDO SUBDIAGRAMA DE
LA FLAT SEQUENCE. .......................................... 56
FIGURA 3.27: PANTALLA DE LA GRFICA EN 3D
.......................................................................
57 FIGURA 3.28: BLOQUE DE ROTACIN
......................................................................................
58
VIII
CAPTULO 4 FIGURA 4.1: PANEL FRONTAL DEL PROGRAMA
........................................................................
60 FIGURA 4.2: DIAGRAMA DE FLUJO DEL
PROGRAMA.................................................................
61 FIGURA 4.3: CONFIGURACIN DE CMARA
.............................................................................
62 FIGURA 4.4: INTERFEROGRAMAS CAPTURADOS: I1 (A), I2 (B), I3(C),
I4(D). ............................... 64 FIGURA 4.5: TOPOGRAFA
RESULTANTE VISTA DESDE DIFERENTES NGULOS
........................... 65 FIGURA 4.6: SELECCIN DEL REA QUE SE
ANALIZ DEL PATRN. ........................................... 65
FIGURA 4.7: TOPOGRAFA RESULTANTE DE LA CAPTURA DEL REA SELECCIONADA
.................. 66 FIGURA 4.8: SELECCIN DEL REA QUE SE ANALIZ
DEL DISPOSITIVO ELECTRNICO................ 67
IX
NDICE DE TABLASCAPTULO 2 TABLA 2.1: COMPARACIN ENTRE
INSTRUMENTOS TRADICIONALES Y VIRTUALES. .................. 20 TABLA
2.2: HERRAMIENTAS PARA LA MANIPULACIN DE ARREGLOS
....................................... 24 TABLA 2.3: HERRAMIENTAS
PARA EL PROCESAMIENTO DE IMGENES. [8]
............................... 27 TABLA 2.4 HERRAMIENTAS PARA
PROGRAMAS LA CMARA.
[8].............................................. 28
CAPTULO 3 TABLA 3.1: HERRAMIENTAS DE LA PANTALLA DE
CAPTURA......................................................
38
X
CAPTULO 1INTRODUCCIN
En el contexto de las micro tecnologas, particularmente en la
evaluacin del desempeo de los Sistemas Micro electromecnicos
(MEMS), a menudo es necesario estimar espesores, perfiles y
rugosidades de pelculas delgadas o perfiles que no pasan de unos
cuantos nanmetros. La importancia de estas mediciones radica en la
capacidad para evaluar la bondad del diseo y del proceso de
fabricacin en cuestin; pues la fabricacin por lotes de este tipo de
dispositivos es lo que el usuario final disfruta al reducirse los
costos de los productos basados en este tipo de tecnologas. Por lo
anteriormente expuesto, queda clara la necesidad de contar con
mtodos eficientes y confiables que nos permitan realizar mediciones
a esas escalas. Uno de los mtodos ms baratos y ms eficientes lo
constituye la perfilometra ptica, en particular la basada en
Interferometra por Corrimiento de fase, PSI, (del ingls phase
shifting interferometry) 1.1 Justificacin La demanda en la
industria de sistemas de adquisicin de formas en 3-D aumenta cada
da ms debido a la imperante necesidad de mejorar la calidad de la
produccin, sobre todo en los procesos de fabricacin por lotes.
Estos sistemas tienen la capacidad de proveer informacin exacta y
completa acerca de fallas o errores en formas, pero principalmente
en superficies. Otra de las aplicaciones que demandan el desarrollo
de sistemas perfilomtricos en 3-D, es la de adquisicin de modelos
tridimensionales de piezas delicadas o de piezas muy pequeas como
los sistemas microelectromecnicos, MEMS, (del Ingls
Microelectromechanical Systems). En estas y en otras aplicaciones
ms, un factor 1
importante radica en que los sistemas de medicin e inspeccin no
degraden los productos o las piezas a obtener, es decir, realizar
la medicin si contacto directo entre el sensor y el mesurando. En
este contexto, la implementacin de estas tcnicas permitir conocer
la topografa en 3D con medidas y el perfil de una muestra deseada,
sin daarla y con una medicin confiable de hasta unos cinco
nanmetros. 1.2 Objetivo Obtener mediante perfilometra ptica
automatizada la topografa en 3D y las medidas de objetos cuyas
dimensiones de inters se encuentran en la micro y nanoescala.
1.1.1. Objetivos particulares Realizar un programa en LabView que
capture imgenes en tiempo real y las procese de forma automtica.
Implementar el algoritmo de corrimiento de fase (PSI, del ingls
Phase Shifting Interference), interferogramas capturados.
Desarrollar el mdulo de escalamiento de fase para obtener las
dimensiones reales de la topografa de los objetos medidos 1.3
Hiptesis Mediante la instrumentacin virtual se puede optimizar el
proceso de captura, procesamiento y control de un interfermetro
tipo Michelson para realizar perfilometra ptica mediante el mtodo
PSI, el cual requiere el control de varios instrumentos y
dispositivos optoelectromecnicos. 1.4 Metodologa La metodologa que
se seguir en la realizacin de este trabajo, est basada en el
desarrollo de las siguientes actividades: Control de instrumentos o
Seleccin y configuracin de la cmara 2 para decodificar la fase de
los
o Seleccionar la tarjeta de adquisicin y los puertos que se
utilizarn o Calibracin Crear una rampa de voltaje o Crear una rampa
de voltaje utilizando la tarjeta de adquisicin que inicie desde 0
volts. o Automatizar la rampa para que incremente su voltaje hasta
que finalice la captura de imgenes. Captura de interferogramas o
Adquisicin de imgenes a. Seleccionar el rea de la imagen que se
desea analizar b. Capturar 4 imgenes de forma automtica c. Realizar
el promediado de las im Procesamiento de la informacin o Resta y
promedio de imgenes capturadas o Desempaquetar la fase Programar el
algoritmo de desempaquetado de fase para 2 dimensiones. o
Escalamiento de fase Despliegue de informacin o Mostrar el perfil
de la imagen en tiempo real utilizando las herramientas de imagen o
Mostrar la topografa o Rotar la grfica a) Validacin de Resultados
Realizar pruebas para que la captura est sincronizada con la rampa
de voltaje. b) Realizar pruebas para que el desempaquetado de fase
est correcto.
3
c)
Realizar pruebas para que la rotacin de la grfica est correcta y
no modifique las medidas.
Estas actividades sintetizan el desarrollo del perfilmetro
completo. En la figura de abajo se muestra el diagrama de bloques
del instrumento as como las operaciones principales que se realizan
en cada bloque.
Figura 1.1: Diagrama de bloques del instrumento
Conviene recordar que el propsito de este trabajo radica en la
automatizacin mediante instrumentacin virtual de todas estas
tareas. 4
CAPTULO 2TEORA BSICA
2.1 Perfilometra La perfilometra es una tcnica ampliamente
utilizada en la industria para estimar, medir, fabricar formas
tridimensionales de objetos fsicos. El deseo de capturar formas por
medios pticos se remonta a los inicios de la fotografa [1]. En los
aos 1860s Franois Villme invent un proceso conocido como
fotoescultura en el cual se usaban 24 cmaras. Los perfiles del
objeto a reproducir eran tomados en placas fotogrficas, proyectadas
en una pantalla (usando una linterna mgica) y transferidas a una
pieza de barro usando un pantograma. Desde entonces se han
desarrollado muchas tcnicas con los mismos propsitos. En los ltimos
veinte aos, se han producido grandes avances en los
campos de la electrnica de estado slido, visin de computadora y
procesamiento digital de seales e imgenes. Las computadoras
realizan cada vez ms clculos en menos tiempo, esto ha llevado al
desarrollo de tcnicas pticas que no necesitan intervencin humana en
su desarrollo. Por otro lado, sectores como el cultural y el
industrial se han beneficiado de los avances en la tecnologa de
reconocimiento de formas, aplicaciones como el control de calidad y
la documentacin histrica han logrado perfeccionarse gracias a la
adquisicin de formas en 3-D. 2.1.1 Principios, Aplicaciones y
Tendencias de la perfilometra La tcnica de la perfilometra consiste
en obtener una estimacin de la forma tridimensional de un objeto, o
bien, medir las alturas relativas de diferentes puntos de una
superficie y de esta manera conocer la rugosidad asociada a
dicha
5
superficie. Esta medicin se lleva a cabo mediante diferentes
mtodos que se pueden categorizar en: Mtodos mecnicos y mtodos sin
contacto. En la literatura se puede hallar una extensa variedad de
mtodos para obtener el perfil de superficies, los hay tanto de
contacto (como palpadores mecnicos) que presentan la desventaja en
el proceso de medicin, ya que muchas veces no se desea el contacto
fsico directamente de alguna herramienta de medicin, para evitar el
deterioro o rayado en una superficie ya generada. Otra clasificacin
radica en los mtodos que emplean sistemas pticos diversos, como los
interferomtricos; que requieren tcnicas de estabilizacin electrnica
de franjas y tcnicas fotogrficas de alta velocidad, o los no
interferomtricos, que emplean la prueba de Ronchi u otros que
emplean sistemas pticos confocales que muchas veces requieren una
estricta alineacin. La medicin del perfil de una superficie
mediante mtodos sin contacto ha tenido gran importancia en la
manufactura automtica de piezas o en el monitoreo del depsito de
recubrimientos en materiales. Otra categora de stos lo constituyen
los sistemas que emplean topografa basada en el fenmeno Moir. El
problema con la mayora de las tcnicas de perfilometra radica en la
baja resolucin que se obtiene. La mejor tcnica depender siempre de
la superficie a medir y los lmites que el ambiente impone al
sistema de medicin, as como las especificaciones requeridas por el
usuario. En este contexto, la perfilometra basada en la
interferencia de la luz, perfilometra ptica, resulta muy atractiva
y actualmente es una de las tcnicas ms socorridas por la industria
de la microfabricacin y la ciencia de los materiales, ya que porque
conjuga el bajo costo, alta resolucin, es sin contacto y es rpida a
la hora de estimar parmetros estticos en procesos de fabricacin. A
continuacin se describe el mtodo de perfilometra ptica por
corrimiento de fase, que es el que ser utilizado en este
trabajo.
6
2.2 Mtodo de perfilometra por corrimiento de fase: PSI (Phase
Shifting Interference) La perfilometra ptica por corrimiento de
fase, basa su principio en el fenmeno de interferencia de la luz.
Este mtodo explota la capacidad de la luz para formar franjas de
interferencia cuya separacin alternada de zonas brillantes y
obscura, como las de la Fig.2.1, representa cambios, en mltiplos de
/2, en la trayectoria relativa de los haces de luz que
interfieren.
Figura 2.1: Interferograma
La tcnica de perfilometra basada en la interferencia, es
actualmente un procedimiento estndar que permite, basados en la
localizacin de las franjas, determinar la diferencia de camino
ptico de dos haces. S se conoce el camino de uno de ellos, se puede
determinar el camino del segundo. Observando la diferencia de
camino para todos los puntos de la fuente se logra obtener la
informacin topogrfica de un objeto, la cual es optimizada
realizando algoritmos de tratamiento digital de imgenes. Entre las
tcnicas diseadas para decodificar la informacin de la fase del
interferograma; se encuentra el mtodo de corrimiento de fase (en
ingls Phase Shifting), cuyo idea bsica es determinar la fase del
interferograma, adquiriendo varias imgenes del mismo cambiando la
fase en cierta cantidad conocida; estos cambios pueden ser
introducidos tanto en el haz objeto, como en el de referencia.
7
Hay varios algoritmos usados para extraer la informacin de la
fase, estos dependen del nmero de imgenes tomadas durante el cambio
de fase. Una de las principales desventajas de este mtodo radica en
los problemas que se suscitan en las discontinuidades o escalones
mayores que /2. 2.2.1 Interferencia La naturaleza electromagntica
de la luz se fundamenta en las cuatro ecuaciones bsicas del
electromagnetismo, denominadas ecuaciones de Maxwell, [12] que en
el vaco y en ausencia de corrientes y cargas libres, estn dadas
por: I. II. III. IV. Ley de Gauss de la electricidad: Ley de Gauss
del magnetismo: Ley de la induccin de Faraday: Ley de Ampere (con
la generalizacin de Maxwell):
, ,
(1) (2) (3)
,
(4)
Al combinar estas cuatro ecuaciones, se llega a una sola
expresin que representa la variacin conjunta, en el tiempo y en el
espacio, del campo elctrico o el campo magntico; llamada Ecuacin de
Onda, dada por:
Fsicamente La solucin de esta ecuacin representa una perturbacin
que se propaga en el espacio y en el tiempo a una velocidad v, dada
por: v=1/00; y est dada por la siguiente expresin:
8
En el caso concreto de una onda monocromtica como la luz
proveniente de un lser de He-Ne rojo, alineado para que se propague
en la direccin horizontal (eje z) y polarizado en la direccin
vertical (eje x), la expresin matemtica de esta onda est dada
por:
Esta expresin es la base para la descripcin matemtica del
fenmeno de interferencia, que se explota en el perfilmetro
utilizado en este trabajo.
Figura 2.2: Fenmeno de interferencia
En el punto P, o punto de observacin, la cantidad fsica que se
puede medir con un detector cuadrtico como nuestro ojo, una pelcula
fotogrfica o como se hace en la actualidad, con una cmara de CCD,
est dada por la expresin, est dada por
9
en donde I1, I2 representan la intensidad de cada una de las
ondas individuales que se superponen en el punto P de observacin, y
el trmino restante es una cantidad proporcional a la potencia de
cada una de las ondas. Es importante recordar que la cantidad
descrita por la Ec. (8), representa un promedio en el tiempo de la
intensidad en el punto de observacin, ya que, como se sabe, la
frecuencia de oscilacin del campo elctrico a frecuencias pticas es
del orden de los Terahertz. Estas cantidades se relacionan con la
amplitud de cada onda electromagntica a travs de las expresiones: |
| | |
En el interfermetro de Michelson, que es el utilizado en este
trabajo, la Intensidad de la luz detectada por la Cmara de CCD
(Charge Coupled Device), y descrita genricamente por la ecuacin 8,
se convierte en: { [ ]}
Figura 2.3: Diagrama esquemtico del interfermetro de Michelson
donde I(x,y,t) recibe el nombre de interferograma y es una imagen
como la mostrada en la Fig. 2.1, representa la variacin en la
altura de un objeto o 10
el perfil que se requiere determinar,
representa una diferencia de fase que
varia con el tiempo en forma discreta y en nuestro caso est
controlada por la posicin de uno de los haces, el de referencia.
[14] En la Fig. 2.4 se muestra una fotografa del arreglo
experimental que se utiliz para los experimentos y en la Fig. 2.5
el microscopio con la cmara (CCD).
Figura 2.4: Interfermetro
11
Figura 2.5: Microscopio 2.2.2 Corrimiento de Fase
(Phase-shifting) En el mtodo de perfilometra ptica por corrimiento
de fase, es necesario que se tomen varios interferogramas, cada uno
para un valor diferente de (t), o fase de referencia. El hecho de
modificar esta fase es el que le da el nombre al mtodo de:
Corrimiento de fase. Aunque existen muchas formas y tcnicas para
realizar este corrimiento, en nuestro caso describiremos solo uno,
aquel en el que el espejo de referencia se coloca en cuatro
posiciones distintas, es decir, las que consiguen introducir una
fase de: 0, (2/4), 2(2/4), 3(2/4). Equivalentemente, en esta tcnica
cada interferograma resultante tiene una diferencia de camino ptico
de . [2]
Matemticamente la intensidad de cada interferograma est descrito
por: 2 2 2 2 ( )
12
donde IR es la intensidad de referencia o la que refleja el
espejo mvil y IM es la intensidad de la muestra que contiene el
perfil desconocido W(x,y). La fase imgenes. ( ) se puede calcular
realizando la siguiente operacin entre las
De esta manera, la topografa de la muestra est dada por:
Se puede observar que al determinar la fase, el valor de la
inversa slo toma valores entre
tangente
y , mostrando una fase discontinua o
empaquetada en este rango. Para eliminar esta discontinuidad es
necesario realizar una correccin de fase conocida como
desempaquetado (en ingls: unwrapping), con la desventaja de que
existe una ambigedad en la determinacin de las variaciones de fases
mayores a consecutivos. 2.2.3. Desempaquetado de fase (unwrapping)
Supongamos que tenemos la seal figura 2.6(a) y cuya amplitud excede
el rango de [ , mostrada en la ]. Calculando la funcin entre
puntos
empaquetada y graficndola, se pueden observar las
discontinuidades en los mximos, por lo tanto es necesario eliminar
estas discontinuidades (Fig. 2.6 (b)). Este proceso se llama
desempaquetado de fase (en ingls unwrapping phase).
13
(a)
(b) Figura 2.6: (a) Fase continua, (b) fase empaquetada
14
Existen
muchas
aplicaciones
que
producen
imgenes
con
fase
empaquetada o envuelta (wrapped phase). Algunos ejemplos de
estos son el radar de apertura sinttica (SAR), imgenes por
resonancia magntica (MRI) y el anlisis de patrn de franjas de
interferencia. La fase empaquetada que producen estas aplicaciones
no puede ser usada a menos que se haya desempaquetado, formando un
mapa de fase continua. Esto significa que el desarrollo de un
algoritmo robusto de desempaquetado de fase, es un tema importante
para todas estas aplicaciones. El proceso de desempaquetado
consiste en eliminar las discontinuidades producidas por la
operacin arco tangente (arctan). Para esto se realiza una
reconstruccin del mapa del mapa de profundidad en el cual se
trasladarn en magnitud los valores dependiendo de las
discontinuidades prximas. La salida de arco tangente est acotada
entre ingls phase unwrapping), y . En los datos experimentales . El
desempaquetado de fase (en la operacin que elimina estas
encontraremos discontinuidades prximas a [15] es
discontinuidades y convierte la salida en una funcin continua.
El algoritmo de desempaquetado realiza las siguientes operaciones:
1. Se evala la diferencia entre dos valores adyacentes 2. Si son
superiores a cierto umbral el salto entre ellos se corrige. Existen
dos tipos de correcciones: El Negativas: Los valores pasan del
lmite superior al inferior producindose un salto de Positivas: Con
un salto de de fase se puede realizar desenvolviendo .
desempaquetado
secuencialmente las filas o columnas de la imagen empaquetada.
[13] En la figura 2.6 se observa un interferograma capturado. En la
figura 2.7 se muestra la fase envuelta o empaqueta de la figura
2.6. Posteriormente, en la figura 2.8 se muestra la imagen con fase
desempaquetada.
15
Figura 2.7: Interferograma
(a)
(b)
Figura 2.8: (a) Imagen con fase empaquetada, (b) la misma imagen
grficamente como una superficie Al utilizar el algoritmo de
desempaquetado, se puede desempaquetar la fase como se muestra en
la siguiente figura.
16
(a)
(b)
Figura 2.9: (a) imagen con fase desempaquetada, (b) la misma
imagen con fase desempaquetada grficamente como una superficie.
En la mayora de las aplicaciones en el mundo real, incluyendo la
utilizada en este trabajo, producen imgenes con fase empaquetada
que contienen errores. En este caso en necesario utilizar
algoritmos de desempaquetado de fase ms complejos. [5] Al
desempaquetar la fase en 2D existen cuatro fuentes de errores que
complican el proceso de desempaquetado. Estas fuentes de error son
las siguientes: 1. Ruido 2. En el muestreo 3. Cuando la imagen de
fase continua contiene cambios de fase repentinos o bruscos 4.
Errores producidos por el algoritmo de extraccin de fase Partiendo
de que ya se logr la que el haz de referencia, es decir, el
proveniente del espejo mvil, y el haz de la muestra ya forman un
interferograma, los pasos siguientes que se deben realizar para
obtener un perfil de la topografa de la muestra, por el mtodo
descrito aqu son:
17
1. Captura del primer interferograma 2. Desplazamiento del
espejo mvil por /8 3. Captura del segundo interferograma 4.
Desplazamiento del espejo mvil por 2/8 5. Captura del tercer
interferograma 6. Desplazamiento del espejo mvil por 3/8 7. Captura
del cuarto interferograma 8. Operaciones aritmticas entre los
interferogramas 9. Desempaquetado de la fase obtenida 10.
Escalamiento 11. Despliegue de la informacin.
Se puede observar de los pasos descritos arriba, que estas
operaciones se pueden automatizar de manera muy sencilla utilizando
Labview, como se describir posteriormente en la propuesta. A
continuacin se describen las bases del lenguaje de programacin
Labview y las principales razones para automatizar basado en esta
herramienta. 2.3 Automatizacin del perfilmetro La palabra
automatizacin viene del griego auto, que quiere decir: guiado por
uno mismo. Es el uso de sistemas o elementos computarizados y
electromecnicos para controlar maquinarias y/o procesos
industriales
sustituyendo a operadores humanos. Para realizar una tarea en un
sistema automtico, es necesario que un usuario d la orden de
realizarla, es decir, que indique la accin requerida para llevar a
cabo un determinado proceso. Posteriormente, la orden es enviada al
sistema y convertida en seal elctricas a travs de una interfaz; que
puede ser un programa de computadora. La orden requerida es
recibida en la etapa de control, en donde se decide que accin se
realizar, cundo, y de qu manera; si es necesario, se establecen los
valores de los parmetros que definen la tarea. Despus, en la etapa
de potencia, se amplifican las seales recibidas para que se 18
pueda realizar el proceso deseado. La informacin obtenida se
enva a la etapa de control en donde ser analizada y se decidir
cundo finalizar el proceso, basndose en las condiciones
establecidas por el usuario. 2.3.1 Automatizacin mediante
Instrumentacin virtual La instrumentacin es el conjunto de
instrumentos necesarios en una planta o proceso y que son tiles
para la medicin, conversin, transmisin y el control de las
variables manejadas en dicho proceso, tales como presin,
temperatura, humedad, corriente, voltaje, conductividad elctrica,
etc., esto con el fin de optimizar los recursos utilizados, por
ejemplo en las comunicaciones, redes de computadoras, sistemas de
video, entre otros. [4] El concepto de "instrumentacin virtual" va
ms all de la simple medicin de corriente o voltaje, pues tambin
involucra el procesamiento, anlisis, almacenamiento, distribucin y
despliegue de los datos e informacin relacionados con la medicin de
una o varias seales especficas. El instrumento virtual no se limita
a la adquisicin de la seal, tambin involucra la interfaz
hombre-mquina, las funciones de anlisis y procesamiento de seales,
las rutinas de almacenamiento de datos y la comunicacin con otros
equipos. El trmino virtual surge a partir del hecho de que cuando
se utiliza la PC como "instrumento" es el usuario mismo quin, a
travs del software, define su funcionalidad y "apariencia" y por
ello decimos que "virtualizamos" el instrumento, ya que su
funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no
por el fabricante. El instrumento virtual es definido entonces como
una capa de software y hardware que se le agrega a un PC en tal
forma que permite a los usuarios interactuar con la computadora
como si estuviesen utilizando su propio instrumento electrnico
"hecho a la medida". Para construir un instrumento virtual, se
requiere de una PC, una tarjeta de adquisicin de datos con
acondicionamiento de seales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el
software adecuado. Como elemento opcional se tiene un chasis de
19
acondicionamiento, ya que dependiendo de cada seal y/o
aplicacin, se puede o no requerir amplificacin, atenuacin,
filtraje, aislamiento, etc. de cada seal [4]. En la siguiente tabla
(tabla 2.1) se muestran algunas diferencias entre un instrumento
tradicional y uno virtual.Instrumento Tradicional Definido por el
fabricante Funcionalidad especfica, con conectividad limitada.
Hardware es la clave. Alto costo/funcin Instrumento Virtual
Definido por el usuario Funcionalidad ilimitada, orientado a
aplicaciones, conectividad amplia. Software es la clave Bajo
costo/funcin, variedad de funciones, reusable. Arquitectura
"cerrada" Lenta incorporacin de nuevas tecnologa. Bajas economas de
escala, alto costo de mantenimiento. Arquitectura "abierta". Rpida
incorporacin de nuevas tecnologas, gracias a la plataforma PC.
Altas economas de escala, bajos costos de mantenimiento.
Tabla 2.1: Comparacin entre instrumentos tradicionales y
virtuales.
Algunos de los beneficios de la instrumentacin virtual son la
flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reusabilidad, la
personalizacin de cada instrumento, la rpida incorporacin de nuevas
tecnologas, el bajo costo por funcin, el bajo costo por canal, etc.
En conclusin, un instrumento virtual puede realizar las tres
funciones bsicas de un instrumento convencional: adquisicin,
anlisis y presentacin de datos. Adems el instrumento virtual
permite personalizar el instrumento y agregarle muchas ms
funcionalidad sin incurrir a costos adicionales.
20
2.3.2 LabVIEW Fue creado en Austin Texas y posteriormente
lanzado al mercado por National Instruments en 1986 [6]. LabVIEW es
una herramienta para pruebas, control y diseo mediante programacin
grfica. El lenguaje que utiliza se llama lenguaje G o lenguaje
grfico. Incluye funciones que permiten utilizarlo en la adquisicin
de datos, control de instrumentos, anlisis de mediciones y
presentaciones de datos utilizando conos grfico e intuitivos cables
que parecen un diagrama de flujo. LabVIEW cuanta con bloques
prediseados que realizan diferentes funciones previamente
programadas, cuando el usuario las requiere solo tiene que
arrastrar el cono. Esto facilita la comprensin ya que no es
necesario escribir lneas de cdigo y aprender comandos. Dichos
programas llevan el nombre de instrumentos virtuales o Vis. Cada VI
est formado por tres partes: a) Panel frontal. El panel frontal es
la interfaz que permite la comunicacin entre el programa y el
usuario. Se emplea para interactuar con el usuario mientras se
ejecuta el programa. De esta manera, el usuario puede observar el
flujo de datos del programa en tiempo real, para esto, se deben
definir previamente los controles y los indicadores. Los controles
se utilizan como entradas de datos, pueden ser de tipo numrico,
booleano, de cadena, entre otros. Los controles empleados pueden
ser: botones, marcadores, etc. Los indicadores son empleados como
salidas de datos, estos pueden ser de tipo numrico, booleano,
grfico, entre otros. Los indicadores empleados pueden ser
indicadores numricos, grficas, leds, etc.
21
Figura 2.10: Ejemplo de Panel Frontal en LabVIEW b) Diagrama de
bloques El diagrama de bloques es la parte en la que se muestran
los conos o bloques que realizan funciones determinadas, y que,
interconectados entre s, representan al programa, definiendo su
funcionalidad. Es decir, se muestra el cdigo que controla al
programa. Est formado principalmente por tres objetos: nodos,
terminales y alambres. Los nodos son elementos de ejecucin como
sentencias, operadores, funciones, etc. Las terminales son los
puntos de entrada y salida del panel frontal. Los alambres son
trayectorias de datos entre nodos y terminales. El alambrado de los
bloques puede adquirir diferentes colores, esto dependiendo del
tipo de dato que se vaya a transmitir. Por ejemplo: si el dato es
entero, el alambre es de color azul; si el dato es de punto
flotante, el alambre ser anaranjado; si el dato es de tipo
booleano, el alambre ser de color verde; cuando se transmiten
cadenas de datos, el alambre es de color rosa y si se transmite un
paquete de elementos de diferente tipo (clster), el alambre es de
color caf.
22
El flujo de datos entre nodos establece el orden de ejecucin de
un programa. Un nodo se ejecuta slo cuando ha recibido datos en sus
entradas y proporciona datos a sus salidas cuando termina su
ejecucin.
Figura 2.11: Diagrama de bloques
c) Icono/panel conector Cada VI muestra un cono en la parte
superior derecha del panel frontal y del diagrama de bloques. El
cono de un VI es la representacin grfica de este mismo y puede
contener texto, imgenes o ambos. Existen programas o VIs que
requieren de utilizar otros VIs dentro de ellos, a estos programas
que son llamados se les conoce como subVIs. Cuando se usa un VI
como subVI, el cono identifica al subVI en el diagrama de bloques.
En la figura 2.11 se muestra los objetos mencionados.
(a)
(b)
Figura 2.12: (a) cono, (b) Panel conector
23
Gran parte del procesamiento de las imgenes en este programa, se
realiza mediante la manipulacin de arreglos de diferentes
dimensiones. En la tabla 3.4 se muestran las herramientas
utilizadas para la manipulacin de arreglos. cono DescripcinArray
Size: Muestra el nmero de elementos de cada dimensin del arreglo
Index Array: Al conectar un arreglo a esta funcin, la funcin cambia
de tamao automticamente para mostrar las entradas del ndice para
cada dimensin de la matriz. Adems se pueden agregar elementos
adicionales o terminales subarreglo cambiando el tamao de la
funcin. Build Array: concatena mltiples arreglos o le aade
elementos a la matriz. Replace array Subset: Remplaza un elemento o
subarreglo en un arreglo en un punto especfico del ndice. Delete
From Array: elimina un elemento o subarreglo de n dimensin y
muestra el arreglo editado y la porcin del elemento o subarreglo
eliminado
Tabla 2.2: Herramientas para la manipulacin de arreglos
Las principales herramientas de programacin son los arreglos y
ciclos, ya que son los principales elementos que constituyen a la
mayora de los subVIs. A continuacin se explican las principales
estructuras y ciclos. [6] 2.3.2.1 Ciclo While (While loop) Permite
repetir las acciones que se siten en dentro del bucle hasta que
deje de cumplirse la condicin establecida (Fig. 3.14).
Figura 2.13: Ciclo while
2.3.2.2 Estructura case (Case structure) Permite que se ejecute
una porcin de cdigo u otra segn se cumpla o no la condicin impuesta
por el usuario (Fig 3.15). 24
Figura 2.14: Estructura case 2.3.2.3 Ciclo For (for Loop)
Permite la ejecucin del cdigo que situada dentro del bucle un nmero
de veces predeterminada (Fig. 3.16).
Figura 2.15: Ciclo For 2.3.2.4 Estructura de secuencia (Sequence
structure) Presenta varios subdiagramas superpuestos. En la parte
superior posee un identificador del subdiagrama, permite avanzar o
retroceder a otros subdiagramas gracias a las flechas situadas a
ambos lados del mismo. Primero ejecutar el primer subdiagrama de la
primera hoja (frame) nmero 0 y as sucesivamente hasta finalizar con
la ltima hoja (Fig. 3.17).
25
Figura 2.16: Estructura de secuencia 2.3.2.5 Estructura de
evento (event structure) Cuenta con uno o ms subdiagramas o casos
de eventos que se ejecutarn cuando el usuario lo indique. Esta
estructura se caracteriza por que espera a que ocurra un evento
para ejecutar un caso (Fig. 3.18).
Figura 2.17: Estructura de evento 2.3.2.6 Secuencia de planos
(Flat Sequence) Se representa en la figura 3.19. Consiste en varias
tramas o subdiagramas que ejecuta secuencialmente, tiene la ventaja
de que permite asegurarse de que un subdiagrama se ejecute antes de
pasar de otro.
Figura 2.18: Flat Sequence
2.3.2.7 Tipos de datos Existen 12 representaciones para los
controles o indicadores digitales: Precisin simple: 32 bits (SGL).
Precisin doble: 64 bits (DBL). Precisin extendida (EXT): nmeros de
coma flotante. Nmero entero con signo (I8) de tipo byte (8 bits).
26
Nmero entero sin signo (U8) de tipo byte (8 bits). Nmero entero
con signo (I16) de tipo palabra (16 bits). Nmero entero sin signo
(U16) de tipo palabra (16 bits). Nmero entero con signo (I32) de
tipo entero extendido (32 bits). Nmero entero sin signo (U32) de
tipo entero extendido (32 bits). Complejos de precisin simple
(CSG). Complejos de precisin doble (CDB). Complejos de precisin
extendida (CXT): nmeros complejos de coma flotante. 2.3.2.8
Procesamiento de imgenes y captura En la tabla 2.3 se muestra las
principales herramientas utilizadas en el
procesamiento de imgenes, y en la tabla 2.4 se muestran las
herramientas para realizar la captura con la cmara. cono
DescripcinIMAQ create: Crea un espacio temporal en la memoria para
una imagen. IMAQ ArrayToImage: Crea una imagen a partir de un
arreglo de 2D. IMAQ ImageTOArray: Extrae los pixeles de una imagen
o parte de la imagen y lo introduce dentro de un arreglo de 2D.
IMAQ Write: Escribe la imagen en un archivo con el formato
seleccionado. IMAQ GetImageSize: Muestra el tamao (resolucin) de
una imagen. IMAQ NthOrder: Ordena o clasifica los valores de los
pixeles alrededor del pixel que se est procesando. IMAQ Convolute:
Filtra una imagen usando un filtro lineal. IMAQ Histograph: Calcula
el histograma de una imagen. IMAQ GetKernel: Lee un kernel
predeterminado. Este cdigo se compone de tres unidades separadas:
la familia ncleo, tamao de su ncleo, y el nmero del ncleo. IMAQ
Dispose: Elimina la imagen y libera el espacio ocupado en la
memoria.
Tabla 2.3: Herramientas para el procesamiento de imgenes.
[8]
27
cono
DescripcinIMAQ1394 Snap: Realiza la adquisicin de un cuadro y la
almacena en el buffer. IMAQ1394 StopAcquisition: Detiene la
adquisicin asncrona o continua inmediatamente la adquisicin
sncronaIMAQ1394 Close: Cierra la sesin y libera todo el buffer.
IMAQ1394 TriggerConfigure: configura la adquisicin para ser
iniciada desde un Trigger (disparo) externo. IMAQ1394 Sequence:
Realiza la adquisicin de un nmero especfico de buffers, luego se
detiene. IMAQ1394 Init: Inicia la asesin de la cmara seleccionada.
IMAQ1394 GetFeatures: Recupera las lista de caractersticas
soportadas por la cmara. IMAQ1394 SetupGrab: configura e inicia la
adquisicin contnua.
Tabla 2.4 Herramientas para programas la cmara. [8] 2.3.3
Adquisicin de datos (DAQ) En la adquisicin de datos o adquisicin de
seales, se obtienen muestras del mundo real, cuya naturaleza
analgica requiere una etapa de conversin digital. Partir de esto,
se generan datos que pueden ser manipulados por una computadora u
otro aparato electrnico (sistema digital. Frecuentemente es
necesaria una etapa de acondicionamiento que adecue la seal a
niveles compatibles con el elemento que hace la transformacin a
seal digital. El elemento que hace dicha transformacin es el mdulo
de digitalizacin o tarjeta de adquisicin de datos (DAQ). Estos
dispositivos se utilizan ampliamente en la industria, en los
laboratorios de investigacin cientfica, en el control de mquinas y
control de procesos de produccin, en la deteccin de fallas y el
control de calidad, entre otras aplicaciones. [7] Algunas ventajas
son: Flexibilidad de procesamiento Posibilidad de realizar tareas
en tiempo real o en anlisis posteriores Gran capacidad de
almacenamiento 28
Rpido acceso a la informacin y toma de decisin Se adquiere una
gran cantidad de datos para poder analizar Posibilidad de emular
una gran cantidad de dispositivos de medicin y activar varios
instrumentos al mismo tiempo Facilidad de automatizacin
En la figura 2.12 se puede ver un ejemplo del uso de una tarjeta
de adquisicin (DAQ) en un programa de LabView.
Figura 2.19: Ejemplo de un VI utilizando una tarjeta de
adquisicin. En el VI descrito en la Fig. (2.12), los datos se
originan en la funcin de adquisicin y luego fluyen a las funciones
de anlisis y almacenamiento a travs de los cables. Posteriormente
se describirn con ms detalles este tipo de operaciones.
En este captulo se describi detalladamente el mtodo de
perfilometria por corrimiento de fase, as como los beneficios de
automatizarlo utilizando 29
programacin grfica en Labview. Se mencionaron los beneficios de
trabajar con este programa, que permite construir instrumentos
avanzados y manipular mltiples aparatos.
30
CAPTULO 3PROPUESTAEn el captulo anterior, qued claramente
establecida la secuencia de tareas que se requieren para obtener el
perfil de una muestra mediante el mtodo de perfilometra ptica por
corrimiento de fase. De la misma manera, qued clara la factibilidad
de automatizar estas tareas. Este captulo est destinado a describir
la propuesta de automatizacin utilizando Instrumentacin virtual con
Labview. Para llevar a cabo la automatizacin del perfilmetro, adems
de los materiales mencionados anteriormente (cmara e
interfermetro), se utiliz una tarjeta de adquisicin de datos y un
PXI (apndice 2) con el software de programacin grfica LabView. Como
se mencion anteriormente, LabView cuenta con diferentes mdulos que
contienen herramientas que facilitan la programacin. Para realizar
este programa, adems de los mdulos bsicos, se utilizaron los mdulos
de procesamiento de imgenes, adquisicin de datos y generacin de
scripts para utilizar Matlab. La propuesta consiste en automatizar
el perfilmetro utilizando el programa Labview. Se construy un VI
que realiza las funciones mostradas en el diagrama de bloques (Fig.
3.1).
31
Figura 3.1: Diagrama de bloques del VI
32
Debido a la complejidad del cdigo del programa, fue necesario
realizar algunos SubVIs que realizan diferentes tareas. De esta
forma se reduce tamao del cdigo y se facilita el entendimiento del
mismo. A continuacin se explica cada uno de los bloques mostrados
en el diagrama de flujo. Se explicar su funcin en el panel frontal
y diagrama de bloques. 3.1. Bloque de Calibracin La calibracin es
un proceso fundamental en los procesos de medicin para obtener
medidas confiables. En el caso del perfilmetro PSI es necesario
calibrar el voltaje del PZT y la cmara antes de realizar la
captura. 3.1.1 Calibracin del piezoactuador La calibracin se llevar
a cabo en el primer bloque de controles que se encuentran en la
parte inferior de las pantallas de captura y grfica. En la figura
3.2 se muestra el bloque de calibracin, est conformado por dos
controles numricos, un indicador numrico y dos grficas. La que se
encuentra en la parte superior muestra la intensidad de los pixeles
y la de la parte inferior muestra los escalones de voltaje del
piezoactuador con los pulsos de captura. En la parte inferior de
esta grfica ,se encuentran los controles de tamao y nmero de un
filtro Kernel.
33
Figura 3.2: Bloque de calibracin del PZT
3.1.2 Calibracin de la cmara La calibracin de la cmara se
realiza modificando los valores de las propiedades o atributos de
la cmara. De lado izquierdo de la pantalla principal, en donde se
muestra la imagen de la cmara en tiempo real, se encuentran las
propiedades de la cmara (Fig. 3.3).
34
Figura 3.3: Propiedades o atributos de la cmara
En el primer cuadro se muestra el nombre de la cmara que se est
utilizando (en ingls camera name). Debajo del nombre, se encuentra
el cuadro de las propiedades o atributos de la cmara (en ingls
Attributes) en donde el usuario puede seleccionar la propiedad que
desea modificar. Las opciones son las siguientes: Brightness
(Brillo o luminosidad) AutoExposure (Exposicin automtica)
ShutterSpeed (Velocidad del obturador) Gain (Ganancia) Debajo del
cuadro de propiedades tenemos el modo de las propiedades o
atributos de la cmara (en ingls Attribute Mode), en donde existen 5
diferentes opciones: 35
Relative (Relativo) Off (apagado) Auto (automtico) One push
Absolute (Absoluto) Ignore (Ignorar) A continuacin se encuentra el
control (en ingls Attribute value), donde el
usuario puede modificar el valor de la propiedad o atributo
seleccionado anteriormente. Para ello es necesario desplazar la
barra de izquierda a derecha si se desea incrementar, y de derecha
a izquierda en caso de disminuir. Tambin cuenta con un control
numrico en donde se puede escribir el valor deseado o cambiarlo con
las flechas de aumento y decremento. Al final de este bloque se
encuentra el histograma, el cual mostrar la frecuencia relativa de
los pixeles, es decir cuntas veces se presenta el valor de
intensidad o de nivel de gris.
3.2 Captura de interferogramas en tiempo real La captura de
interferogramas se muestra en la pantalla principal y el proceso de
captura en el diagrama de bloques se describir ms adelante. 3.2.1
Seleccin de la regin de inters La imagen de la muestra que se
analizar, se muestra en la pantalla principal o pantalla de
captura. En la parte superior derecha, se cuentan con herramientas
para que el usuario seleccione un rea especfica o analice un perfil
utilizando la lnea. En la figura 3.4 se muestra la pantalla de
captura.
36
Figura 3.4: Pantalla de captura
Las herramientas que se muestran en la figura 3.4 son
fundamentales para el proceso de captura y calibracin. Para empezar
a capturar es necesario seleccionar el rea que se desea analizar
como se muestra en la figura 3.4. En la tabla 3.1 se muestra las
funciones de las herramientas de la pantalla de captura.Herramienta
Funcin Acercar la imagen Seleccionar puntero Mover la imagen
Seleccionar un punto Dibujar una lnea
37
Diferentes formas para seleccionar el rea que se desea
procesar
Tabla 3.1: Herramientas de la pantalla de captura 3.2.1.1
Propiedades de la cmara y de la tarjeta de adquisicin El bloque de
propiedades se encuentra junto al bloque de calibracin. Es
indispensable configurar las propiedades antes de realizar
cualquier proceso. En este bloque se encuentran el control para
modificar la velocidad de muestreo del reloj (desired sample clock
rate), y los canales fsicos (Physichal Channels) que se utilizarn
en las tareas de la DAQ. Es importante mencionar que las tareas
tienen que ser creadas y configuradas desde Measurement &
Automation antes de iniciar el programa. El nmero de imgenes a
promediar (# Im a promediar), es el nmero de imgenes que sern
capturadas y promediadas, es decir, las imgenes a promediar se
multiplicarn por 4 y sern promediadas para reducir los errores
producidos por el ruido. Entre mayor sea el nmero de imgenes se
obtendr un resultado ms exacto, sin embargo el tiempo de
procesamiento ser mayor. Por ltimo, se encuentra el control del
Modo del Trigger (en ingls Trigger Mode). En la figura 3.5 se
muestra el bloque de propiedades.
Figura 3.5: Bloque de propiedades
38
3.2.2 Diagrama de bloques de la captura de interferogramas en
tiempo real El programa est formado por diferentes secuencias en
las cuales se realizan diferentes tareas en ciclos, para que
finalice un ciclo es necesario que el usuario inicie la siguiente
secuencia y automticamente se detendr la anterior. El primer ciclo
se encarga de la captura de interferogramas en tiempo real, se
selecciona el rea que se procesar, se muestra el perfil, se
capturan los datos de los controles para llevar a cabo la
calibracin y las imgenes a promediar, y se modifican las
propiedades de la cmara. El programa inicia utilizando una
estructura de secuencias (Stacked Sequence Structure) que est
formado por varios subdiagramas. En la primer subdiagrama (hoja 0)
se inicia la sesin, se obtienen las caractersticas y se configura
la cmara. Mediante un nodo de propiedad se introducen las
propiedades o atributos de la cmara para ser modificados por el
usuario posteriormente y se crea el espacio para la imagen
utilizando la herramienta IMAQ create. En la figura 3.6 se muestra
la primera secuencia.
39
Figura 3.6: Primer subdiagrama de la estructura de
secuencias.
40
Figura 3.7: Segundo subdiagrama de la estructura de
secuencias.
41
En el segundo subdiagrama (hoja 1) mostrado en la figura 3.7, se
realiza la captura de interferogramas en tiempo real, se modifican
las propiedades de la cmara, se muestra el perfil del ROI
seleccionado y el histograma. Se utiliza la herramienta GetImage
para adquirir las imgenes, dependiendo de la velocidad de captura a
la que se encuentra configurada la cmara (frame rate) se capturarn
interferogramas por segundo. El programa est diseado para una
velocidad de captura de 15 frames por segundo. En la pantalla de
captura se mostrarn los interferogramas y se mostrar el tiempo de
la rampa de voltaje que ser utilizada para la captura de imgenes.
Este subdiagrama se ejecutar continuamente hasta que la condicin
del ciclo While sea verdadera, mediante el botn GO 2 o producido
por algn error del programa. Para modificar las propiedades de la
cmara, se utiliz una estructura case con 4 casos: idle, atributte
changed, mode changed y value changed. En estos casos se utilizan
nodos de propiedad para extraer las propiedades, modo y valores de
la imagen y as poder modificarlos. En el caso idle mostrado en la
figura 3.8, se establecen las propiedades modificadas de la cmara
realiza, adems se le realiza un suavizado de la imagen y un
filtrado lineal. La grfica del perfil y el histograma tambin se
realizan en este caso de la estructura case.
42
Figura 3.8: Caso Idle de la estructura case
Figura 3.9: Caso Atrtribute Changed de la estructura case
Figura 3.10: Caso Mode Changed de la estructura case
43
Figura 3.11: Caso Value Changed de la estructura case
El procesamiento de interferogramas inicia a partir de que el
usuario presiona el botn de captura (GO 2) y finaliza la etapa de
captura de interferogramas. Cuando finaliza la estructura de
secuencias, se detiene la sesin y se despliega el error como se
muestra en la figura 3.12.
Figura 3.12: Error y continuacin de la secuencia
44
3.3 Captura y alacenamiento de imgenes en la memoria Utilizando
un nuevo ciclo While, se cierra la sesin mediante la herramienta
IMAQ1394 Close y se utiliza una estructura de evento (en ingls
event structure) para ser iniciada cuando se presione el botn de
captura (GO 2). Al iniciar la estructura de evento, se crean los
espacios en la memoria que sern utilizados para almacenar el nmero
total de imgenes utilizando un ciclo For, la herramienta Format
Into String e IMAQ crate. La N del ciclo For estar conectada al
nmero total de imgenes y la salida ser un arreglo bidimensional.
Despus de crear el arreglo con los espacios en la memoria, es
necesario iniciar la sesin de la cmara, configurar el modo del
disparo (en ingls trigger) e iniciar la adquisicin de la secuencia.
Utilizando un nodo de propiedad, se extrae el ROI (rea seleccionada
en la pantalla de captura) y se conecta a la herramienta IMAQ1394
Sequence para que capture solamente el rea deseada. Al final se
cierra la sesin como se muestra en la figura 3.13.
Figura 3.13: Creacin de espacios en la memoria y captura con
trigger.
Es necesario sincronizar la captura de los inteferogramas con la
seal box car de voltaje que mover al Piezoactuador. Para ello se
crea un canal un canal virtual de voltaje y se genera una seal
cuadrada utilizando la herramienta Basic Function Generator para
generar los disparos de captura. Mediante la manipulacin de
arreglos se genera la seal box car con cuatro incrementos, en cada
incremento se capturarn el nmero de imgenes a promediar. Al final
se 45
suman ambas seales y se envan al DAQmx Write para que las
muestras se enven a la tarea anteriormente creada. En la figura
3.14 (a) se muestra el
diagrama de bloque que realiza estas funciones. Despus de que
las muestras de las seales han sido escritas, es necesario iniciar
la tarea (Figura 3.14 (b)). Se abre un ciclo While y se utiliza la
herramienta DAQmx Is Task Done para que se detenga hasta que
realice la tarea utilizando el reloj de la tarjeta de adquisicin.
Al final se eliminan los datos de la tarea y se muestra el
error.
46
(a)
(b) Figura 3.14: (a) Creacin de canal y generacin de las seales
box car y cuadrada, (b) Inicio y fin de la tarea
47
3.3.1 Botones e indicadores de captura y rotacin Estos controles
son los que llevarn a cabo los procesos ms importantes del
programa, el botn de captura el proceso de captura de imgenes y
automticamente mostrar la topografa resultante que se podr rotar
con los controles de rotacin que se encuentran en la parte inferior
de la pantalla de grfica. El proceso de rotacin finalizar cuando el
usuario presione el botn stop rot y automticamente volver a la
primera etapa, es decir, la captura en tiempo real de la muestra.
En esta seccin tambin podemos encontrar el indicador de las imgenes
por segundo o velocidad de captura (en ingls Frame rate), donde se
mostrar la frecuencia de captura de los interferogramas. Cuando el
usuario desee guardar los datos de la grfica obtenida deber activar
el botn Guardar Topografa. En la fig. 3.15 se muestran los
controles mencionados.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3.15: (a) Indicador de la velocidad de captura (Frame
Rate), (b) Botn para iniciar la captura, (c) Botn para detener la
rotacin, (d) Botn para activar/desactivar guardar la Topografa
obtenida.
3.3.2 Indicadores de captura Los indicadores de captura indican
el voltaje final del Piezoactuador, la duracin de la rampa que ser
el tiempo promedio en el cual se capturan las imgenes y el nmero
total de imgenes que se utilizaran para el proceso de promediado y
desempaquetado de fase. En la figura 3.16 se muestra los
indicadores de captura.
48
Figura 3.16: Indicadores de captura
3.4 Almacenamiento y promediado de imgenes Una vez obtenido el
arreglo con el nmero total de imgenes capturadas, se crea una Flat
Sequence. En el primer subdiagrama se almacenan todas las imgenes
en una carpeta de la memoria de la computadora. Como se muestra en
la figura 3.17 (a), utilizando un ciclo For se construye un Path
con la ubicacin donde se guardarn las imgenes, para almacenarlas se
utiliza la herramienta IMAQ WriteFile. Posteriormente el
procesamiento se realizar con arreglos, por lo tanto se convierte
el arreglo de imagen a un arreglo numrico y se autoindexa a la
salida del ciclo For creando un arreglo de 3 dimensiones. En el
segundo subdiagrama se realiza el promediado de las imgenes. El
nmero total de imgenes capturadas ser el nmero de imgenes a
promediar que el usuario introduzca en el control multiplicado por
cuatro. Este nmero total contenido en el arreglo de 3 dimensiones,
es dividido entre cuatro y repartido en 4 diferentes arreglos en
los cuales se realizar la suma en todos sus elementos y divido
entre el nmero total de imgenes entre cuatro. Al final se obtienen
4 imgenes como se muestra en la figura 3.17 (b)
49
(a)
(b) Figura 3.17: Diagrama de secuencias. (a) Almacenamiento de
imgenes y conversin de arreglo de imagen a numrico, (b) Promediado
de imgenes.
Las imgenes almacenadas en el buffer son eliminadas utilizando
la herramienta IMAQ Dispose en un ciclo For para que libere la
memoria. Se utiliza las iteraciones del ciclo for (i) y se compara
con el nmero de imgenes capturadas, para indicarle al ciclo While
que encierra a la estructura de evento y a todo el bloque de
procesamiento que debe finalizar. Este proceso se muestra en la
figura 3.18.
50
Figura 3.18: Liberacin de memoria y finalizacin del ciclo
While.
3.4.1 Filtros Adems del promediado de imgenes, el programa
cuenta con diferentes tcnicas para reducir lo ms posible los
errores producidos por ruido u otras fuentes de error. Filtro de
Mediana El filtro de mediana es un filtro de orden estadstico, en
el cual el valor de entrada de un punto es sustituido por la
combinacin lineal de valores ordenados en los puntos vecinos En la
figura 3.19 podemos observar los controles del filtro de
mediana
Figura 3.19: Controles del filtro de mediana
Figura 3.20 Controles del Filtro Kernel
51
En este caso el filtro Kernel realiza un suavizado de la imagen
para disminuir el ruido. El tamao (Kernel Size) indica el tamao
horizontal de la matriz. Puede ser 3, 5 o 7. Eliminacin de borde Al
realizar el desempaquetado de fase se producirn errores en los
bordes de la imagen producidos por el algoritmo de desempaquetado.
Para eliminar estos errores es necesario eliminar algunos pixeles
de la imagen. Para ello se cuenta con el control Borde Cero, el
cual crea una ventana que elimina los pixeles en cada lado de la
imagen. El valor predefinido es de 5 pixeles por lado. En la figura
3.21 se muestra el control para la eliminacin del borde.
Figura 3.21: Control de Borde Cero
3.5 Desempaquetado de fase Uno de los procesos ms importantes es
el desempaquetado de fase. En este programa el algoritmo de
desempaquetado se realiza en Matlab utilizando un script para
vincular ambas aplicaciones. Las entradas sern los cuatro arreglos
que se promediaron en el segundo subdiagrama de la estructura de
secuencias y la salida la imagen con la fase desempaquetada
(Figura3.22). El cdigo en el script es el siguiente: Im=I4-I2;
Re=I1-I3; Z=complex(Re,Im); F=atan2(Im,Re); pu=PUMD(F); L=632.8e-9;
h1=L.*pu./(4.*pi); B=ones(3,3); h1 = conv2(B,h1)./9;
52
Dnde: I1, I2, I3 e I4 son las 4 imgenes de entrada. Im es la
resta de I4 e I2. Re es la resta de I1 e I3. Z convierte todos los
elementos de Im y Re a nmeros complejos. F es un arreglo que
contiene tangente inversa (arc tangente) de cada elemento de las
partes reales de Im y Re. pu es el desempaquetado de F L es la
longitud de onda de la luz roja .
h1 es la multiplicacin de la longitud de onda por la matriz de
elementos con fase desempaquetada y dividida entre B es una matriz
de ceros de 3 por 3 h1 es la matriz resultante de la convolucin de
la matriz B y h1 multiplicada por la longitud de onda y dividida
entre , dividido entre nueve. .
Figura 3.22: Script de Matlab.
La salida del script (h1) ser un arreglo de 2 dimensiones, es
necesario convertirlo a una imagen utilizando la herramienta IMAQ
ImageTOArray. 3.7 Despliegue y rotacin de topografa La imagen con
fase desempaquetada entra a una Flat sequence con dos subdiagramas.
En el primer subdiagrama, utilizando la herramienta IMAQ 53
GetImageSize se calcula el tamao de la imagen y se le resta el
valor del control Borde CERO para eliminar pixeles en cada lado de
la imagen y se introducen a la terminal Optional rectangle de la
herramienta IMAQ ImageTOArray, y de esta forma evitar los errores
producidos por el algoritmo de desempaquetado. Una vez eliminados
los bordes, el arreglo se convierte a imagen utilizando la
herramienta IMAQ ArrayToImage y se le realiza un suavizado para
disminuir el ruido. Una vez ms se convierte la imagen a un arreglo
numrico y se abre un ciclo While y enva al sub VI donde se rotar en
los ngulos de X y Y modificando los valores del arreglo,
posteriormente ser graficada utilizando una grfica de superficie
paramtrica en 3D (en ingls 3D Parametric Surface) tal y como se
muestra en la figura 3.23. El ciclo While finalizar cuando el
usuario presiones el botn STOP ROT, entonces la condicin ser
verdadera, finalizar la rotacin y el programa volver al primer
bloque (captura de interferogramas). En el panel frontal se mostrar
la grfica resultante de todo el procesamiento con las escalas
correspondientes. En el eje z se mostrar la altura aproximada del
interferograma, en eje x y y, se mostrarn el nmero de pixeles de la
imagen
Figura 3.23: Despliegue de informacin. Primer subdiagrama de la
estructura de la Flat Sequence.
54
El subVi de rotacin se encuentre antes de la grfica paramtrica y
su cono se muestra en la figura 3.24. El cdigo del este subVI se
muestra en la figura 3.25. Su funcionamiento est basado en los
ngulos de Euler (apndice 2).
Figura 3.24: cono del SubVI Rot 3D surface final
Figura 3.25: Diagrama de bloques del SubVI Rot 3D surface
final
El segundo subdiagrama finaliza el bloque de rotacin y el ciclo
While del programa. En este subdiagrama se encuentra el botn
llamado Guardar Topografa que est conectado a un ciclo case. Al
activar el botn (Caso 55
verdadero) se guarda el arreglo numrico de la imagen
desempaquetada en un archivo de texto. Si se desea guardar la
grfica, es necesario activar el botn antes de realizar el
procesamiento de los interferogramas, cuando se finalice el
procesamiento se abrir una ventana en donde se escribir la ruta y
el nombre del archivo con el cual se guardarn los datos de la
grfica. En la figura 3.26 se muestra el segundo subdiagrama del
flat sequence. Al finalizar este subdiagrama, termina el ciclo del
programa y vuelve a la captura de interferogramas para comenzar
otra vez el ciclo.
Figura 3.26: Segundo subdiagrama de la Flat Sequence.
3.7.1 Pantalla de grfica De lado derecho de la pantalla de
captura, se encuentra la pantalla de la grfica en 3D. En ella se
mostrar la topografa resultante del procesamiento del rea
seleccionada por el usuario en la pantalla de captura, adems se
visualizar la rotacin que se realice desde los controles del bloque
de rotacin. Se puede observar en la figura 3.27 la pantalla de la
grfica, en el eje x y y se muestran los pixeles de la imagen, y en
el eje z la altura relativa de la superficie obtenida.
56
Figura 3.27: Pantalla de la grfica en 3D
3.7.2 Controles de rotacin En este bloque se encuentra los
controles para llevar a cabo la rotacin de la grfica en 3D obtenida
despus del proceso de captura y desempaquetado de fase. Este bloque
cuenta con tres controles diferentes: Control Angulo en X El
usuario podr rotar la grfica respecto al eje x utilizando la
perilla o el control numrico. Control Angulo en Y El usuario podr
rotar la grfica respecto al eje y utilizando la perilla o el
control numrico. Escala 57
El usuario cuenta con seis escalas, desde la escala milimtrica
hasta la escala nanomtrica. Dependiendo de las dimensiones
obtenidas en la grfica, estas escalas facilitan la rotacin de la
grfica haciendo la rotacin ms pronunciada o menos pronunciada. En
la figura 3.28 se muestra el bloque de rotacin con los controles
anteriormente mencionados.
Figura 3.28: Bloque de rotacin
Al finalizar la rotacin con el botn stop rot, el programa volver
a capturar interferogramas en tiempo real y de esta manera finaliza
un ciclo del programa.
58
CAPTULO 4RESULTADOS
4.1 Panel frontal El panel frontal est compuesto por dos
pantallas en donde se muestra la captura de la cmara en tiempo real
y topografa en 3D. En la parte inferior de las pantallas se
encuentran los controles e indicadores de usuario, ambos estn
divididos en bloques para facilitar su uso. Los bloques son:
Atributos o propiedades de la cmara Calibracin Propiedades del
programa Botones e indicadores de captura y rotacin Rotacin
En la figura 4.1 se muestra el panel frontal del programa. Se
puede observar las dos pantallas principales en donde se muestra la
captura de la cmara y la topografa en 3D. Debajo de las pantallas
se pueden observar los controles e indicadores divididos por
bloques.
59
Figura 4.1: Panel frontal del programa
4.2 Modo de uso Una vez que se ha colocado la muestra en el
microscopio y despus de encender todos los equipos que se
utilizarn, se abre el programa Perfilmetro PSI. El primer paso, ser
realizar la calibracin, posteriormente la captura y el
procesamiento de los interferogramas para obtener la topografa. Los
procesos que realiza el programa se muestran en el siguiente
diagrama de flujo de la figura 4.2.
60
Figura 4.2: Diagrama de flujo del programa 4.2.1 Calibracin
Desde la aplicacin Measurement & Automation de Labview es
necesario seleccionar y configurar la cmara que se utilizar para la
captura de interferogramas. Se puede encontrar al iniciar la
aplicacin y seleccionar Devices and Interfaces, posteriormente en
la pestaa NI-IMAQdx donde se mostrarn las cmaras que estn
disponibles para su uso como se muestra en la figura 4.3
61
Figura 4.3: Configuracin de cmara
Es necesario realizar la calibracin del piezoactuador y de la
cmara. La calibracin de la cmara se realiza en utilizando el bloque
de propiedades de la cmara modificando la velocidad del obturador
(en ingls shutter speed) y la ganancia (en ingls Gain) para que no
se sature la cmara . La calibracin del piezoelctrico se realiza en
el bloque de calibracin anteriormente mencionado. Se realiza
posicionando el cursor vertical en un mximo de la curva, anotando
ese valor como VPzt inicial y posteriormente aumentando o
disminuyendo el valor del piezoactuador con la perilla de control
hasta que el otro mximo (el inmediato) se centra sobre el cursor
horizontal. Es necesario verificar que el modo del trigger (en
ingls Trigger Mode) se encuentre en modo 0 y la velocidad de las
muestras del reloj de la tarjeta (en ingls DESIRED simple Clock
Rate), sea de 1000.
62
4.2.2 Seleccin de rea y captura Utilizando las herramientas de
la pantalla de captura, se dibuja el rea de la imagen que se desea
procesar. Una vez que se ha seleccionado el rea es necesario
indicar el nmero de imgenes a promediar, entre mayor sea el nmero
de imgenes a promediar se obtendrn mejores resultados. Si se desea
guardar los valores de la grfica resultante es necesario activar el
botn Guardar Topografa. Una vez que se haya realizado correctamente
la calibracin y se haya seleccionado el nmero de imgenes a
promediar, se presiona el botn Capturar para iniciar la captura.
4.2.3 Rotacin Una vez que se haya realizado la captura y se hayan
procesado los interferogramas, se mostrar la topografa en la
pantalla de la grfica en 3D y se podr rotar si el usuario as lo
desea. Utilizando las perillas o los controles que se encuentran en
el bloque de rotacin, el usuario podr rotar en los ngulos X y Y
utilizando diferentes escalas dependiendo de las dimensiones de la
topografa. Una vez finalizada la rotacin, es necesario presionar el
botn Stop Rot y el programa volver al inicio. 4.3 Ejemplos Al
realizar los pasos anteriormente mencionados se obtiene la
topografa con resultados satisfactorios como se muestra en las
pruebas A, B y C. 4.3.1 Ejemplo A A continuacin se muestran cuatro
interferogramas capturados.
63
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.4: Interferogramas capturados: I1 (a), I2 (b), I3(c),
I4(d).
El programa realiza el procesamiento automticamente despus de
seleccionar el rea que se desea analizar. El programa mostrar la
topografa resultante como se muestra en la figura 4.2
(a)
(b)
64
(c) Figura 4.5: Topografa resultante vista desde diferentes
ngulos
4.3.2 Ejemplo B Se captur el rea en forma de un rectngulo de un
patrn mostrado en la figura 4.6, obteniendo la topografa
correspondiente.
Figura 4.6: Seleccin del rea que se analiz del patrn.
65
Propiedades Vfin PZT: 0.2903 Duracin de la rampa: 0.8 segundos
Nmero de imgenes a promediar: 4 Rotacin en X: 0 Rotacin en Y: 0
Borde cero: 5 pixeles
Figura 4.7: Topografa resultante de la captura del rea
seleccionada
Altura: .9 nanmetros 66
Tamao de la imagen: 80 X 180 pixeles 4.3.3 Ejemplo C Se captur
el rea cuadrada del centro de un dispositivo electrnico, mostrado
en la figura 4.8
Figura 4.8: Seleccin del rea que se analiz del dispositivo
electrnico.
Propiedades Vfin PZT: 0.5236 Duracin de la rampa: 2.8 segundos
Nmero de imgenes a promediar: 10 Rotacin en X: 0 Rotacin en Y:
0
67
Borde cero: 5 pixeles
Figura 4.6: Topografa resultante del rea analizada del
dispositivo electrnico.
68
CAPTULO 5CONCLUSIONES
Como resultado de este trabajo de tesis se pueden sealar las
siguientes conclusiones: La perfilometra ptica es una tcnica
eficiente para conocer la topografa y el perfil de una muestra
deseada sin daarla. Se realiz la automatizacin del perfilmetro
ptico con resultados satisfactorios utilizando programacin grfica
en LabView Es indispensable realizar la calibracin de instrumentos
para obtener resultados confiables. LabView. es una excelente
herramienta para automatizar y realizar el procesamiento de
imgenes, sin embargo, es necesario contar con todos los mdulos
necesarios y saber utilizar los tipos de imgenes, ya que pueden
existen problemas de compatibilidad entre los Vis. Uno de los
principales problemas en el procesamiento de imgenes es el ruido,
por lo tanto es necesario utilizar filtros y promediado de imgenes
para reducir el error y obtener resultados ms exactos. El uso de
arreglos en 1,2 y 3 dimensiones, facilit de manera considerable la
programacin. Fue necesario crear un SubVi que rotara la grfica en
3D en los ejes de X y Y para obtener la altura aproximada de la
topografa. Es necesario crear un algoritmo de desempaquetado de
fase ms robusto para eliminar errores.
69
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[15] Ayuso Prez Luis Fernando. Adquisicin de informacin de
profundidad mediante la tcnica Structures Light , three
phase-shift, Trabajo fin mster en sistemas inteligentes,
Universidad complutense de Madrid. Septiembre de 2011. pag
23-25.
71
APNDICE1) ngulos de Euler El subVI de rotacin se basa en los
ngulos de Euler, los cuales constituyen un conjunto de tres
coordenadas angulares que sirven para especificar la orientacin de
un sistema de referencia de ejes ortogonales. En el diagrama de
bloques (Figura 3.25) de este subVI se crea la matriz de rotacin
tridimensional que representa la trasformacin de coordenadas desde
el sistema fijo al sistema mvil. En la ecuacin [6] se muestra la
matriz de rotacin tridimensional llamada [ ]. [ ] [ ][ ][ ]
(16)
2) PXI El PXI es una plataforma basada en PC que ofrece una
solucin de despliegue de alto rendimiento y bajo costo para
sistemas de medida y automatizacin. La tecnologa PXI combina el bus
elctrico de Interconexin de Componentes Perifricos (PCI) con el
robusto y modular paquete Eurocard de CompactPCI y aade buses de
sincronizacin especializados y caractersticas clave de software. El
PXI tambin aade caractersticas mecnicas, elctricas y de software
que definen sistemas completos para aplicaciones de pruebas y
medidas, de adquisicin de datos y de manufactura. Estos sistemas
son tiles para aplicaciones tanto militares como aeroespaciales y
automotrices; y para pruebas tales como de manufactura e
industriales.
72