Resumen de Reconstrucción de perfiles submicrométricos con Holografía Conoscópica para la medición de rugosidad
En la industria es muy importante el control de las superficies mecanizadas, laminadas y conformadas puesto que esto influye en sus características mecánicas, de fricción y en el acabado final del producto. Actualmente, estos controles se realizan de forma estadística extrayendo muestras periódicamente del proceso productivo, esto implica la posibilidad de estar produciendo fuera de tolerancias durante los periodos entre controles. La tendencia actual, cuando es posible, es realizar un control de la totalidad de la producción. Para ello es necesario disponer de sensores adecuados, que se puedan integrar en el proceso productivo, que trabajen a distancias relativamente grandes, para evitar colisiones, y que proporcionen resoluciones similares a las de los equipos de laboratorio. En esta tesis se hace un repaso de los parámetros que definen la calidad superficial y se estudian las tecnologías existentes en la actualidad para la medición de rugosidad de superficies tanto con contacto como sin contacto. Puesto que en los procesos productivos, en general, no es viable utilizar sensores con contacto, el estudio se centra principalmente en los sensores sin contacto, entre los que se pueden encontrar sensores que realizan una reconstrucción de perfiles de la superficie y los que realizan una estimación de ciertos parámetros de rugosidad de forma indirecta, y se propone el desarrollo de un nuevo sensor basado en Holografía Conoscópica para la medición de rugosidad. La Holografía Conoscópica es una tecnología interferométrica para la medición de distancias, desde el sensor se ilumina la superficie con un punto o línea con una fuente de luz monocromática, como puede ser un láser, el haz reflejado atraviesa el conoscopio formado por dos polarizadores y un cristal uniáxico, esto crea un patrón de interferencia, dependiente de la distancia a la que se encuentra el objeto, que es capturado con una cámara y que es analizado matemáticamente para realizar la reconstrucción del perfil de distancias. Los sensores existentes comercialmente con esta tecnología no resultan adecuados para la medición de rugosidad; en esta tesis se proponen un conjunto de mejoras, tanto en el aspecto óptico como de procesamiento de la señal resultante, que mejoran sus características y los hace adecuados para la reconstrucción de perfiles, obteniendo resoluciones mejores que un micrómetro, para realizar los cálculos de los parámetros que definen la rugosidad de la superficie, y trabajando a una distancia que se puede considerar segura para un proceso industrial. En cuando al procesamiento de las señales, se propone un método para la valoración de la calidad del holograma, lo que permite establecer un criterio para el ajuste de este tipo de sensores. Por otro lado, se proponen algoritmos de mejora que buscan el valor de fase óptimo del patrón de interferencia obtenido lo que mejora considerablemente la relación señal/ruido del perfil de distancias ayudando, por tanto, a mejorar la resolución conjunta del sensor. También se proponen mejoras en el filtrado de la señal que resultan en una disminución del ruido del perfil de distancias obtenido. Así mismo, como complemento del perfil de distancias se desarrolla un método para obtener una imagen pseudo convencional a partir de la información de la información de luminosidad del holograma. En cuanto a la óptica del sensor, las mejoras se dividen en dos partes, por un lado la generación de la línea láser que ilumina el perfil que va a ser medido y por otro lado el conoscopio que genera el patrón de interferencia para la medición de distancias y reconstrucción del perfil. En la generación de la línea láser se propone el diseño de una lente que, aprovechando la forma de emisión de los diodos láser, genera una línea con una distribución de potencia uniforme y enfocada a lo largo de su longitud. Se estudia además un método para la reducción del ruido Speckle, basado en un difusor rotando a alta velocidad en el módulo láser, que aparece debido al uso del láser y que afecta directamente a la resolución del sensor. En el conoscopio se estudia la mejor configuración óptica que permite obtener la resolución necesaria con una profundidad de campo adecuada para su uso en un entorno industrial donde el posicionamiento de la superficie analizada no estará asegurado. Además en el criterio de diseño se incluye como condición que la distancia de trabajo deberá ser suficientemente grande para evitar colisiones. Por último se han realizado un conjunto de ensayos con diferentes configuraciones que permiten establecer los criterios de diseño para un sensor con esta tecnología que cumpla las especificaciones. RESUMEN (en Inglés) In the industry is very important to control the machined, rolled and shaped surfaces as this influences their mechanical properties, friction and the finished product aspect. Currently, these controls are performed statistically taking samples periodically from the production process. This implies the possibility of being produced out of tolerance during periods between controls. The current trend, where possible, is to control the whole production. This requires having suitable sensors, which can be integrated into the production process, work at relatively large distances, to avoid collisions, but provide close resolutions to those in the laboratory. An overview of the parameters that define the surface quality and existing technologies for surface roughness measurement, both contact and non-contact, are studied in this thesis. In general, it is not feasible to use contact sensors in production processes, the study mainly focuses on non-contact sensors, including sensors that can do a reconstruction of surface profiles and those that estimate several roughness parameters indirectly, and a novel sensor based in Conoscopic Holography technology is proposed. The Conoscopic Holography is an interferometric technology for distance measurement. The surface is lighted with a monochromatic point or line and reflected light pass through a conoscopic module that is formed by two polarizers and a uniaxial crystal. This creates an interference pattern, that depends on the distance to the object, that is captured with a camera and analyzed mathematically to obtain the distance profile. Commercial existing sensors, based on this technology, are not suitable for roughness measurement; in this thesis a set of enhancements to both, optical configuration and signal processing are proposed. These improve sensor characteristics and turn it suitable for submicron distance profile reconstruction, in order to allow surface quality parameters calculation and also increases the working distance to make it feasible to use in an industrial environment. Regarding signal processing, a method for assessing the quality of the hologram is proposed, this simplifies the process of setting up the sensor. On the other hand, enhancement algorithms seeking optimal phase value of the interference pattern obtained improves the signal to noise ratio and provides a better resolution. It is also proposed improvements in filtering the signal that results in better noise figures in the resulting distance profile. Likewise, complementing the profile distances, a method is developed to obtain a pseudo conventional image from information of the illumination of the hologram. Optical enhancements are divided into two parts, the first is related to the laser line that illuminates the profile in the surface, the second part is related to the conoscopic module that creates the interference pattern. A novel lens shape design is introduced, this design generates a line from the natural emission of a laser diode making it uniform and focused along its length, even though with low light losses. A method for Speckle noise reduction is proposed based on a high speed rotating diffuser. The best optical configuration is proposed for the conoscope module, it meets the required resolution, depth of field and working distance. Finally there have been a series of test with different configuration to establish a design criteria to achieve the specifications.
