Tesis Moises
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7/26/2019 Tesis Moises
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UNIV
FA
Un especrpi
TESIS
MEST
(ESPECIALIDAD
NG.
DR. RA LDR. A
RSIDAD AUTONOMA DE
SAN LUIS POTOS
ULTAD DE CIENCIAS
rmetro para la medicia de fotorreflectancia
UE PARA OBTENER EL TITULO DE
IA EN CIENCIAS APLICADAS
N INSTRUMENTACI N ELECTRO- PT
PRESENTA:
MOISS GARCA MARTNEZ
ASESORES:
DUARDO BALDERAS NAVARROFONSO LASTRAS MART NEZ
San Luis Potos, S. L. P., Ag
n
ICA)
sto de 2010
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Agradecimientos
ii
AGRADECIMIENTOS
Esta Tesis, si bien ha requerido de un gran esfuerzo y mucha dedicacin, no
hubiese sido posible su finalizacin sin la ayuda y cooperacin desinteresadade todas y cada una de las personas que a continuacin citar y muchas de las
cuales han sido un soporte muy fuerte en momentos de angustia y
desesperacin.
Primero y antes que nada, dar gracias a Diospor estar conmigo en cada paso
que doy; por fortalecer mi corazn e iluminar mi mente y por haber puesto en
mi camino a aquellas personas que han sido un soporte y compaa durante
todo el periodo de estudio.
Agradecer hoy y siempre a mi familia porque, a pesar de no estar presentes
fsicamente, est claro que si no fuese por el esfuerzo realizado por ellos, mis
estudios no hubiesen sido posibles. A mis padres Rosalio y Mara Teresa, mis
hermanos Emmanuel y Abraham y mi hermana Diana Karen.
A mi asesor de tesis, Dr. Ral Balderas Navarro, por su colaboracin,
paciencia y apoyo brindado desde siempre y por ser una persona con la que
siempre puedo contar; al Dr. Gustavo Ramrez Flores por su paciencia,
consejos y sobre todo por las facilidades prestadas en la obtencin del material
del laboratorio; al Dr. Alfonso Lastras por facilitar los dispositivos y elhardware usados en este trabajo y un reconocimiento por haber promovido el
rea de super-cmputo en el Instituto.
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Agradecimientos
iii
Un agradecimiento especial a mis compaeros, Miguel Lastras Montao y
Alan Sustaita quienes dieron un aporte especial a esta tesis con sus consejos,
conocimientos y sobre todo su colaboracin, ya que sin ella parte de este
trabajo no hubiese podido ser concretado.
Tambin quiero agradecer a mis compaeros Ricardo Eliu Lozoya, Luis Javier
Ontan y Gerardo Mndez, por todo el nimo, toda la paciencia, por confiar
y creer en m, por ser como mis hermanos y sobre todo por su valiosa amistad
a lo largo de todos estos aos.
De igual manera a Diana Almaguer mi ms sincero agradecimiento porque en
su compaa las cosas malas se convierten en buenas, la tristeza se transforma
en alegra adems de haber demostrado ser una gran persona y sobre todo una
gran amiga con la que se que podre contar siempre. A mi gran amigo Omar
Aguilera por el apoyo y la confianza brindados desde siempre, adems de ser
mi compaero inseparable de aventuras extremas.
En general, quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que han
vivido conmigo la realizacin de esta tesis, con sus altos y bajos y que no
necesito nombrar porque tanto ellas como yo sabemos que desde los ms
profundo de mi corazn les agradezco el haberme brindado todo el apoyo,
colaboracin, nimo y sobre todo cario y amistad.
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Resumen
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Resumen
Se reporta el desarrollo de la fotorreflectancia (FR) basada en la operacin de
un espectrmetro en escalas de segundos dentro un rango de longitudes de
onda entre 400 nm a 1100 nm. Adicionalmente, debido a que se requiere el
manejo de un gran nmero de espectros medidos (decenas de miles) en
tiempos cortos, el uso de una computadora personal limita el tiempo de
procesado de stos y lo hace imprctico. En relacin a esto ltimo, una
particularidad de este trabajo es que se introduce el uso de sper cmputo en
paralelo, el cual ha tenido un avance significativo en los ltimos aos y escapaz de procesar enormes cantidades de informacin en tiempos
extremadamente cortos (unos cuantos milisegundos en sta ampliacin de
FR). El sper computo se realiza a travs de una GPU (Graphics Processor
Unit) que es una tarjeta de video y tiene como principal ventaja el uso de
pequeos procesadores en paralelo y, gracias a esto, algunas aplicaciones que
son cclicas pueden ejecutarse en poco tiempo; en nuestro caso operaciones
matemticas bsicas.
Se prueba la funcionalidad de este sistema con espectros de GaAs y una
estructura de Al0.30Ga0.0.7As/GaAs/In0.15Ga0.85As/GaAs/Al0.3Ga0.7As, en las
regiones de E1y E1+1y E0. Se comparan stos con mediciones realizadas con
el arreglo de FR convencional usando un amplificador Lock-in.
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ndice General
v
ndice General
Agradecimientos ii
Resumen ivndice v
CAPITULO UNO
1. Introduccin 1
CAPITULO DOS
2. Principios de la Fotorreflectancia 5
2.1. Descripcin detallada de la tcnica 7
2.2. Anlisis de la tcnica 9
2.3. Caractersticas y fuentes de ruido 10
CAPITULO TRES
3. Descripcin del montaje ptico 12
3.1. Elementos usados en la construccin del sistema 12
3.1.1. Laser 12
3.1.2. Chopper 12
3.1.3. Lmpara 14
3.1.4. Espectrmetro 173.1.5. BreakOut Box 19
3.2. Diseo y construccin del sistema 21
3.2.1. Construccin de la parte ptica 22
3.2.2. Diseo de la parte electrnica 24
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ndice General
vi
CAPITULO CUATRO
4. Desarrollo de software 27
4.1. Interface para el usuario 27
4.1.1. Configuracin 284.1.2. Estado del software 29
4.1.3. Resultados 30
4.2. Desarrollo del cdigo 31
4.2.1. Inicializacin 32
4.2.2. Adquisicin 34
4.2.3. Procesado 36
4.2.4. Filtrado 38
4.2.5. Almacenamiento 40
CAPITULO CINCO
5. Anlisis de Resultados 41
5.1. Calibracin 41
5.2. Medicin del semiconductor GaAs 42
5.3. Medicin del semiconductor GaAsAl 45
CAPITULO SEIS
6. Conclusiones 47
Apndice A. Libreras para el espectrofotmetro HR4000A.1. Desarrollo de drivers 50
A.2. Desarrollo de libreras 52
A.2.1. Lectura y escritura 52
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ndice General
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A.2.2. Set de instrucciones 53
A.3. Libreras extras 76
A.4. Diagrama general de subrutinas 80
Apndice B. Libreras de CUDA
B.1. Tarjeta de grficos (GPU) 82
B.2. Desarrollo de programacin 83
Referencias y Bibliografa 90
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Introduccin
1
Capitulo Uno.
Introduccin.
En los ltimos aos ha sido enorme el avance tecnolgico en los
dispositivos y sistemas que conforman las computadoras, cmaras fotogrficas
y de video, telfonos celulares, lseres, sensores, etc., y un sinfn de elementos
relacionados con los que son fabricados. Dicho avance en los dispositivos
semiconductores radica en la exigencia de una mayor rapidez en elprocesamiento de datos, lo que est ntimamente relacionado con la
miniaturizacin de los componentes y su calidad estructural y es por esta
razn ha aumentado en forma radical la investigacin cientfica para contar
con tecnologa de sistemas electrnicos y opto-electrnicos integrados.1
Para crear dispositivos opto-microelectrnicos que sean confiables es
necesario que posean propiedades fsicas y qumicas deseables y que cumplan
con una calidad estricta, hasta el punto de demandar un control durante el
momento mismo de los procesos cruciales de fabricacin; es decir, in-situy en
tiempo real. Esto se ha llevado a cabo utilizando sondas electrnicas y
fotnicas.2 En el caso de stas ltimas, no se requiere un ambiente especial y
operan bajo casi cualquier condicin ya que usan como agente sensor un haz
de luz (usualmente proveniente de lmparas intensas o lseres).
En el caso de dispositivos semiconductores, una propiedad importante
es su campo elctrico superficial o interfacial, el cual modifica la respuesta
ptica de stos y a su vez provee informacin cuantitativa de los niveles de
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Introduccin
2
impurificacin de la estructura, entre otras propiedades. Para tal fin, las
espectroscopias pticas han sido las herramientas de preferencia en ambientes
industriales por ser no invasivas.2Por otro lado, dichas espectroscopias, para
ser operativas en un ambiente industrial y diagnstico en lnea, se requierenque sean funcionales en tiempo real, con una respuesta en el rango de
segundos y que provean resolucin espectral suficiente para su correcta
interpretacin y utilidad en la mejora de dispositivos va un sistema de control
retroalimentado.2
En esta Tesis nos enfocaremos en el desarrollo de la fotorreflectancia
(FR) ya que es una tcnica fotnica no destructiva y que es ampliamente
usada para el estudio de estructuras semiconductoras3,4,5. La particularidad de
la contribucin de ste trabajo de Tesis radica en que la operacin del
espectrmetro en la adquisicin de espectros de FR es en tiempos cortos, en
escalas de algunos segundos en un rango de longitudes de onda entre 400 nm a
1100 nm. Adicionalmente, debido a que se requiere el manejo de un gran
nmero de espectros (decenas de miles) en tiempos cortos, el uso de una
computadora personal limita el tiempo de procesado de stos y lo hace
imprctico. En relacin a esto ltimo, otra particularidad de este trabajo es que
se introduce el uso de sper cmputo en paralelo el cual ha tenido un avance
significativo en los ltimos aos y es capaz de procesar enormes cantidades de
informacin en tiempos extremadamente cortos.6,7,8 El sper computo se
realiza a travs de una GPU (Graphics Processor Unit) que es una tarjeta devideo y tiene como principal ventaja el uso de pequeos procesadores en
paralelo y gracias a esto, algunas aplicaciones que son cclicas pueden
ejecutarse en poco tiempo (en nuestro caso operaciones matemticas). En esta
tesis utilizamos la tarjeta GTX 280 de la compaa Nvidia.9 Es justo
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Introduccin
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mencionar que existe un compromiso con respecto al tiempo de medicin y
ruido. Tradicionalmente, en la mayora de las tcnicas de espectroscopia se
utilizan amplificadores Lock-In que toman alrededor de minutos para tomar
una medicin que est libre de ruido. El inters de este trabajo es poder tenermediciones en tiempos cortos y que contengan la menor cantidad de ruido.
Para poder realizar este trabajo se diseo e implemento un software en
la plataforma LabView de National Instruments ya que permite realizar mono
tareas y multitareas en tiempo real y as usar de forma eficiente la CPU y la
GPU. Es importante mencionar que la parte de sper computo se realiz en
lenguaje CUDA el cual fue desarrollado por Nvidia especialmente para sus
tarjetas graficas y una vez programada se llama por medio de una librera dlla
Labview.
Esta Tesis se organiza como sigue.
En el Captulo Dos se explicar con cierto detalle la tcnica de FR, as
como la base terica en la que se sustenta el montaje ptico requerido.
En el Tercer Captulo trata de la implementacin y desarrollo del
montaje ptico y los elementos que fueron requeridos. Un elemento esencial
en esta tesis es el espectrmetro comercial HR4000de Ocean Optics,con el
cual se puede realizar un barrido de intensidad en funcin de la longitud deonda en tiempo real utilizando un dispositivo CCD con 3648 pixeles. Para
poder manejar y manipular este espectrmetro se realizaron libreras de
control las cuales se detallan en el Apndice A.
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Introduccin
4
En el Captulo Cuatro se aborda el desarrollo correspondiente al
software que controla tanto al montaje ptico como al sper cmputo,
haciendo uso de las libreras mostradas en el apndice A. En el Apndice B se
muestra a fondo la parte de sper cmputo realizada en CUDA. Por ltimomostraremos los resultados obtenidos de algunas muestras y se har una
comparativa con los resultados que existen en la literatura. Por lo que este
trabajo propone un prototipo para estudios cientficos y dinmicos en tiempo
real usando la tcnica de FR.
Finalmente, se dan listan las conclusiones obtenidas en este trabajo y se
discuten propuestas para mejora en trabajos futuros.
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Principios de la Fotorreflectancia
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Capitulo Dos.
Principios de la Fotorreflectancia.
Explicar y predecir las propiedades generales de los slidos a partir de
los tomos constituyentes es uno de los principales objetivos de la fsica del
estado slido y en general de la materia condensada. La implementacin y
avance de la instrumentacin electro-ptica ha sido una forma tradicional de
observar y estudiar las propiedades pticas y electrnicas de los
semiconductores y metales.4 Entre las principales maneras para caracterizar
experimentalmente los sistemas semiconductores pticamente, estn las
mediciones de transmisin y de absorcin que presentan dificultades
inherentes debidas la poca resolucin en energa en sus espectros. Por esta
razn se requiere de pelculas delgadas sobre sustratos. Por otra parte, las
mediciones de reflectividad son relativamente sencillas ya que en principio
solo exigen una fuente de luz, un monocromador y un detector, pero esto no es
suficiente para alterar el campo elctrico superficial de la muestra de manera
controlada; por esta razn se han desarrollado tcnicas de reflectividad
modulada como lo es la fotoreflectancia (FR) y electrorreflectancia (ER),
entre otras.4
La espectroscopia de (FR) es una forma de electromodulacin que norequiere contactos elctricos, a diferencia de la ER, la cual s necesita de dos
contactos en la muestra para pode modular el campo elctrico superficial.3,4,5
Dichas espectroscopias de electromodulacin presentan excelente sensibilidad
y son muy utilizadas para el estudio fundamental de transiciones pticas
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Principios de la Fotorreflectancia
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asociadas a estructuras electrnicas de estructuras semiconductoras. El mtodo
convencional de la FR consiste esencialmente en iluminar peridicamente la
superficie de la estructura con un haz monocromtico (usualmente un lser y
que se denota como el haz de bombeo) y, mediante tcnicas de amplificacinsensibles a la fase, se miden los cambios asociados a la modulacin de la
reflectividad.3 Dicho haz de bombeo debe tener una energa fotnica ms
grande que la mayor brecha energtica de la estructura a estudiar para as
poder modular los campos elctricos asociados a sta. Estos cambios por lo
general se analizan en funcin de un haz de prueba en un rango espectral de
energa del fotn. Para la mayora de los semiconductores estudiados, este
rango se encuentra entre el infrarrojo mediano hasta el ultravioleta cercano.
Esta forma de FR es la tradicional y toma alrededor de varios minutos para
poder obtener un espectro de calidad. Sin embargo, su uso est limitado a
investigacin bsica para la determinacin de parmetros fsicos3y en el caso
industrial, no se aplica para diagnostico en lnea en tiempo real.
Un mtodo alternativo, y que es el que se presenta en este trabajo, es
usar luz blanca como haz de prueba. El haz de bombeo es el mismo que el
usado en el arreglo convencional de FR. En la configuracin de ste trabajo de
Tesis se ilumina la superficie con luz proveniente de una lmpara sin ser
dispersada antes por un monocromador. Se usa una lmpara de xenn o
deuterio, para el caso de regiones en el visible-ultravioleta; y de tungsteno,
para regiones espectrales en el cercano infrarrojo. La luz blanca que se reflejapor la muestra se dispersa entonces con un espectrgrafo multicanal para su
posterior procesamiento en tiempo real.
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Principios de la Fotorreflectancia
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2.1. Descripcin detallada de la tcnica.
La FR es una tcnica muy poderosa para semiconductores ya que se
puede obtener informacin precisa de los niveles de energa en los puntoscrticos del semiconductor, por la razn de ser una espectroscopia asociada a
derivadas de la funcin dielctrica.3 Como habamos mencionado antes, se
requiere una fuente de luz que modificara el campo elctrico superficial de la
muestra, en este caso esta fuente de luz es un laser rojo (633nm) y es
modulada por medio de un recortador mecnico (chopper) a una frecuencia de
10 Hz para poder medir los cambios que sufre la muestra en su espectro de
reflectividad. De manera simultnea, la muestra es a su vez tambin iluminada
con luz blanca de tungsteno y con ayuda de un espectrmetro comercial, la luz
incidente es dispersada en su correspondiente espectro y as podemos observar
los cambios que sufre la muestra en funcin de la longitud de onda, o energa
del fotn, 1239.4/. Ms adelante explicaremos a detalle elfuncionamiento del espectrofotmetro HR4000 as como sus caractersticas
prcticas. La FR, adems de ser no destructiva, no requiere de contactos
elctricos ni componentes adicionales y se puede realizar a temperaturas bajas
o altas; razn por la cual se dice que puede ser una tcnica in situ. El
mecanismo fsico de la FR en superficies simples se describe a continuacin.
La FR es la modulacin del campo elctrico superficial o en la interfaz
por generacin de pares electrn-hueco.3
Cuando un semiconductor esexpuesto a condiciones ambientales, su superficie es atacada por el aire
formndose una capa de xidos, generando un conjunto complejo de estados
electrnicos localizados, o trampas superficiales, creando as una regin de
carga espacial responsable de la existencia de un campo elctrico intrnseco y
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Principios de la Fotorreflectancia
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estados dentro de la brecha prohibida, similar a como lo hacen las impurezas,
pero localizados espacialmente en la superficie generando as una densidad de
estados superficiales que son ocupados por electrones del interior del cristal.
Debido a la presencia de electrones en los estados superficiales se crea unabarrera de potencial para los otros electrones que llegan a la superficie,
haciendo que las bandas de conduccin y de valencia se curven cerca de la
superficie. La presencia de una alta densidad de estados superficiales hace que
se modifique el nivel de Fermi para mantenerlo constante en la interface
semiconductoraire, acercndolo a energas mayores (para tipo n) y a energas
menores (tipo p).
En FR se emplea un lser interrumpido mecnicamente como fuente de
modulacin de tal manera que cuando el obturador se interpone, es decir
cuando el lser no est incidiendo sobre la muestra, las bandas energticas
estn curvadas por la ocupacin de los estados superficiales que estn por
encima del nivel de Fermi. As, cuando el lser incide sobre la muestra con
energas mayores a la banda prohibida, se crean pares electrn-hueco
fotogenerados (Ver Fig. 2.1), que son separados por el campo elctrico interno
generado en la superficie; es decir, electrones de la banda de valencia se
excitan a la banda de conduccin y se difunden dentro del material. Los
huecos que quedan en la banda de conduccin neutralizan electrones de la
superficie haciendo que la barrera de potencial disminuya, tratando de aplanar
las bandas energticas en la regin de carga espacial, lo cual induce un cambioen la reflectividad.
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Figura 2.1.Representacin esquemtica del efecto de la FR. Cambios foto-inducidos en lasbandas de energa en superficie para un semiconductor tipo n.
2.2. Obtencin de espectros de FR.
Al ser la FR una tcnica modulada tendremos esencialmente 2 seales
en el haz de prueba: una asociada cuando el laser est incidiendo sobre la
muestra (Rprendido) y otra cuando el lser no ndice sobre sta (Rapagado). La
diferencia de los 2 espectros es proporcional a los cambios de reflectancia,3,4,5
. (1)
La seal de foto-reflectancia se puede obtener tomando la Ec. 1 y
dividiendo entre el promedio de R,
. (2)
Para minimizar el ruido que se produce por ser adquiridas en tiempos
cortos, se puede tomar N mediciones y promediarlas; por lo que se tendra:
. (3)
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Principios de la Fotorreflectancia
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. (4)
Combinando las ecuaciones 3 y 4 dentro de la ecuacin 2 tenemos
. (5)
2.3Caractersticas y fuentes de ruido.
En los espectrmetros que utilizan CCDs como elemento detector, el
ruido total est dado por:10,11 , en donde es elruido inducido por el efecto del barrido (lectura) de los pixeles asociados al
CCD; es el ruido negro (dark noise) y que est relacionado con laacumulacin de carga (electrones) parsita en los pixeles de los CCD y esel ruido estadstico asociado a los fotoelectrones (ruido 1/f). ydependen del instrumento y la electrnica asociada a ste, mientras que es independiente y est presente en todo instrumental que utilice luz y no se
puede eliminar y se debe a fluctuaciones estadsticas inherentes a la naturalezade la carga del electrn. En la Figura 2.2, se muestra el ruido asociado a la
lectura del los pixeles con una constante de tiempo tpica de 6 mili segundos.
La entrada del monocromador fue bloqueada.
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Principios de la Fotorreflectancia
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200 400 600 800 1000
490
500
510
520
530
540
550
560
570
Intensidad(cuen
tas)
long de onda (nm)
ruido NR
Figura 2.2.Ruido asociado a la lectura de un espectro sin luz, tiempo de integracin 6 milisegundos.
Los ruidos NR y ND dependen de la intensidad de luz que entra al
sistema as como del tiempo de integracin. Existe un compromiso entre stas
situaciones. En el presente trabajo no se realiz en detalle un estudio para
optimizar los tiempos de integracin y la intensidad de luz entrante al
monocromador. Esto se debe de realizar a detalle en un trabajo a futuro. En
cada situacin experimental se especifican los tiempos de integracin
utilizados en cada situacin.
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Descripcin del Montaje ptico
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Capitulo Tres.
Descripcin del Montaje ptico.
3.1. Elementos usados en la construccin del sistema.
Antes de mostrar el montaje ptico que utilizamos en este trabajo
presentaremos las partes y los dispositivos que lo componen incluyendo sus
caractersticas ms relevantes a la tcnica de FR.
3.1.1. Laser.
Para realizar la excitacin de foto-portadores en la muestra se utiliz un
laser como haz de bombeo de la compaa JDS Uniphase modelo 1144P,
como. Su potencia media es de 35mW, a una de longitud de onda de 633 nm.
(Ver. Fig. 3.1 y Fig. 3.2).
Figura 3.1.Laser de la compaa JDS Uniphase usado como haz de bombeo.
3.1.2. Recortador de haz de bombeo (chopper).
Hay que recordar que la FR es una tcnica modulada por lo que es
necesario bloquear y permitir el paso del laser a cierta frecuencia. Por tal
razn se hace uso del chopper de la compaa Stanford Research Systems
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Descripcin del Montaje ptico
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Figura 3.2. Espectro del Laser.
modelo SR540 que cuenta con 6 aspas exteriores y 5 interiores. En este trabajo
se utilizaron las aspas exteriores. El chopper se puede observar en la figura
3.3.
Figura 3.3.Recortador mecnico utilizado para modular el Laser.
Este dispositivo tiene una frecuencia mxima de 4KHz y cuenta con 2
salidas digitales a 5 Volts. Una de estas salidas muestra la frecuencia de corte
del chopper y es la que usaremos para sincronizar el estado del dispositivo con
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Espectro del Laser
Longitud de Onda
Intensidad
-
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Descripcin del Montaje ptico
14
la computadora personal, mientras que la otra salida muestra la frecuencia
multiplicada por 5.
3.1.3. Lmpara (haz de prueba).Para detectar los cambios en la muestra es necesario iluminarla con luz
blanca, para tener una gama ms amplia de resultados se utilizaron 4 tipos
diferentes de emisiones las cuales se describen a continuacin.
a) Lmpara de Tungsteno.
Figura 3.4.Lmpara de Tungsteno con salida de fibra ptica (conector SMA).
Esta lmpara pertenece a la compaa StellarNet y el modelo
correspondiente es Sl-1. En la Fig. 3.4 se aprecia una imagen de la lmpara y
en la Fig. 3.5 se muestra su espectro de emisin.
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Descripcin del Montaje ptico
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Figura 3.5. Emisin de la lmpara de tungsteno.
b) Lmpara de Halgeno y Deuterio.
Figura 3.6.Lmpara de Halgeno y Deuterio.
Esta fuente de luz tiene como principal caracterstica la posibilidad de
emitir luz de Halgeno y de Deuterio ya sea independiente o simultneamente.
Dicha lmpara es de la Ca. Avantes y el modelo es Avalight-DHS. La Fig. 3.6
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Espectro de lampara de Tungsteno
Longitud de onda (nm)
Intensidad
-
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Descripcin del Montaje ptico
16
muestra una imagen de la lmpara, y en las siguientes figuras se muestra su
espectro de emisin.
Figura 3.7. Emisin de la lmpara de Halgeno.
Figura 3.8. Emisin de la lmpara de Deuterio.
0 200 400 600 800 1000 1200500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000Espectro de lampara de halogeno
Longitud de onda
Intensidad
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Espectro de lampara de Deuterio
Longitud de onda (nm)
Intensidad
-
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Descripcin del Montaje ptico
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Figura 3.9. Emisin de las lmparas de Halgeno y Deuterio.
3.1.4. Espectrofotmetro.
Figura 3.10. Espectrmetro HR4000 de Ocean Optics
El espectrmetro HR4000 de la Ca. Ocean Optics es un
espectrofotmetro que tiene integrado un detector multicanal de tiempo real
con el cual se pueden determinar los rangos de emisin de cualquier fuente de
irradiacin. Entre sus principales aplicaciones se encuentran la caracterizacin
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Espectro de lampara de Halogeno-Deuterio
Intensidad
Longitud de onda (nm)
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Descripcin del Montaje ptico
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de lseres as como mediciones de absorcin en gases. Cuenta con un arreglo
lineal de 3648 CCDs y su respuesta espectral va desde los 196 nm hasta 1118
nm. En la Fig. 3.10. se muestra una imagen del espectrmetro. Para
comprender mejor su funcionamiento en la Fig. 3.11. se muestra su diagramainterno.
Figura 3.11. Funcionamiento interno del espectrmetro HR4000. (1,2,3) entrada deconector SMA para fibra ptica. (4,6) son espejos y (5) es la rejilla de difraccin. (7-10) es
el chip detector CCD con la correspondiente electrnica e interface USB para lacomputadora.
Se puede observar que incide luz blanca (proveniente y reflejada por la
muestra) y por medio de una rejilla de difraccin interna, se obtiene el
espectro en todas sus componentes (luz monocromtica) la cual es dirigida
hacia el arreglo de CCDs y posteriormente digitalizada por medio del
convertidor A/D de 14 bits de resolucin y finalmente se enva por el puerto
deseado. El espectrmetro cuenta con un puerto USB que permite
comunicacin en USB 1.1 y USB 2.0, adems de contar con un puerto
expandible de 30 pines en el cual se puede conectar un dispositivo de
-
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Descripcin del Montaje ptico
19
complemento del cual haremos uso y explicaremos a detalle ms adelante. En
la Tabla 3.1. se muestran las principales caractersticas del HR4000.
Caracterstica Especificacin
Frecuencia de muestreo 1 MHzConvertidor A/D 14 Bits
Tiempos de Integracin 3.4 ms a 10 s
Interface USB 1.1, USB 2.0
Resolucin ptica 0.03 nm 1.0 nm
Puerto de expansin 30 Bits
Alimentacin 5 VoltsTabla 3.1. Principales caractersticas del HR4000.
3.1.5. El BreakOut Box.
Figura 3.12.BreakOut Box.
Una parte crucial en este montaje es la sincronizacin entre el chopper y
la computadora, ya que al ser una tcnica modulada, necesitamos un
dispositivo que se haga cargo del proceso de sincronizacin; por esta razn
hacemos uso del BreakOut Box el cual se conecta al puerto expandible del
espectrmetro y con esto tenemos ms puertos de entrada/salida disponibles.
-
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En la Fig. 3.12. se muestr
muestran las principales c
Caracterst
Puertos DigCanales An
Interface
Puerto GPI
Trigger Ext
Alimentaci
Voltaje de pTabla 3.2. P
Figura
El puerto de entra
localiza por dentro del
ubicacin, el cual tiene s
del chopper est regulada
se utiliza el regulador de
Fig. 3.14 se muestra una i
Descripcin del Mon
a una imagen del BreakOut Box y en la
aractersticas del mismo.
ca Especificacin
tales E/S 6lgicos E/S 2
SPI, I2C, RS-232
10 Bits
rno Disponible
n 5 Volts
uertos Digitales 3.3 Voltsrincipales caractersticas del BreakOut Box.
3.13. Puerto GPIO del BreakOut Box.
da que usamos en este trabajo es el
BreakOut Box. En la Fig. 3.13. se
porte para 3.3 Volts hay que recordar
a 5 Volts, por lo que para lograr acopla
voltaje MCP1700 de la compaa Micr
magen del regulador.
taje ptico
20
abla 3.2. se
PIO que se
muestra su
ue la salida
r las seales
Chip. En la
-
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Fig
Una vez que la seal del
sta al puerto GPIO y e
medio de software. En la
Figura
3.2. Diseo y construcci
El arreglo ptico q
es relativamente sencillo
Un diagrama general se
Para dar una mejor
en la primera parte exp
pticos y mostraremos
mostraremos la instrume
Descripcin del Mon
ra 3.14.Regulador de 3.3 Volts MCP1700.
chopper pasa a travs del MCP1700 se
ste poder sincronizar la adquisicin
ig. 3.15. se muestra la seal regulada.
3.15. Seal del chopper regulada a 3.3 Volts.
n del sistema.
e se utilizo en el desarrollo de este trab
ya que no requiere un gran nmero de c
uestra en la Fig. 3.16.
explicacin del montaje se ha dividido
icaremos la disposicin fsica de los i
imgenes del sistema. En la se
tacin electrnica, los dispositivos usad
taje ptico
21
puede enva
e datos por
jo de Tesis,
mponentes.
en 2 partes:
nstrumentos
unda parte
s y la forma
-
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Descripcin del Montaje ptico
22
en que estn interconectados para ser capaces de censar y sincronizar el estado
del chopper con la PC.
Figura 3.16.Diagrama general del arreglo ptico para la fotorreflectancia rpida.
3.2.1. Construccin de la etapa ptica.
De la figura anterior se puede observar que la muestra es iluminada con
luz blanca de Tungsteno/Halgeno/Deuterio. Dicha luz es guiada por mediode fibra ptica y con la ayuda de una lente convergente es enfocada hasta la
muestra. En la Fig. 3.17. se muestra este paso. Posteriormente la luz que es
refleja por la muestra es nuevamente enfocada y guiada por una segunda fibra
ptica hasta la entrada del espectrmetro HR4000. En la Fig. 3.18. se puede
observar este procedimiento.
-
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Figura 3.17. (1)La luz inci
Figura 3.18. (1)La luz refleja
por
Por otra parte tene
producir los cambios enbombeo es modulado a u
Fig. 3.19. se puede apre
mencionar que para cens
3
Descripcin del Mon
ente es guiada por medio de fibra ptica y(2) e
una lente, (3) hasta la muestra.
da por la muestra, (2) es enfocada por una lent
ibra ptica hasta el espectrmetro.
os el bombeo que es realizado con el l
el campo elctrico superficial de la m a frecuencia de 10 Hz por medio del ch
ciar el funcionamiento del chopper. E
r los cambios en el campo elctrico sup
taje ptico
23
nfocada por
e y (3) guiada
aser, el cual
estra; dichoopper. En la
importante
erficial de la
-
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Descripcin del Montaje ptico
24
muestra, el tamao de la luz blanca (spot) tambin debe coincidir con el
tamao del spot del laser y en la misma posicin.
Figura 3.19. A) Chopper bloqueando el paso del laser B) Chopper sin bloquear el paso dellaser.
3.2.2. Diseo e implementacin de la parte electrnica.
El dispositivo principal de esta parte es el espectrmetro ya que se
encarga de separar la luz que incide sobre su arreglo lineal de CCDs y, una
vez que digitaliza la informacin, ste la organiza y la enva a la computadora
en turno. Adems ste debe enviar informacin acerca del estado del chopper,la cual proviene del BreakOut Box. En la Fig. 3.20. se observa cmo estn
comunicados estos 2 dispositivos.
El estado del chopper viene desde del control de frecuencia el cual,
antes de ser enviado al BreakOut Box, debe pasar por una etapa de control en
donde se regula su nivel de voltaje de 0-5Volts a 0-3.3Volts. Esta etapa se
puede observar en las Fig. 3.21a, mientras que en la Fig. 3.21b se muestra
completa la parte electrnica del sistema.
-
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Descripcin del Montaje ptico
25
Figura 3.20. Conexin entre el BreakOut Box y el espectrmetro.
Figura 3.21. A) Etapa para regular voltaje, B) Sistema electrnico.
Antes de finalizar con este Captulo, mostramos en la Fig. 3.22 una
imagen en donde se aprecian las 2 partes del montaje, la parte ptica y la parte
electrnica.
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Descripcin del Montaje ptico
26
Figura 3.22.Montaje completo del sistema.
-
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Desarrollo del Software
27
Captulo Cuatro.
Desarrollo del Software.
Este Captulo tiene como objetivo describir el desarrollo del software
del sistema para el espectrmetro de FR rpida. Para tal fin, se muestra su
funcionamiento y su estructura por medio de diagramas de flujo. Una parte del
software fue desarrollado en la plataforma LabView versin 8.6 de National
Instruments, la cual es una herramienta muy potente y fcil de usar ya que esun lenguaje de programacin grfico (lenguaje G). Por otro lado tenemos la
parte de sper cmputo en paralelo, la cual se desarroll por medio de CUDA,
que es una arquitectura de clculo en paralelo desarrollado por NVidia. Esta
arquitectura aprovecha el potencial de la GPU (Unidad de Procesamiento
Grafico) y permite realizar operaciones matemticas extremadamente masivas
en poco tiempo (rdenes de milisegundos).6-9Por lo tanto este software hace
uso de la CPU y de la GPU logrando un flujo de informacin en tiempo real.
La explicacin del software se divide en 2 bloques, en el primer bloque se
habla acerca del despliegue de la informacin y en el segundo bloque se
detalla el cdigo fuente.
4.1. Interface para el usuario.
El programa est dividido en tres campos principales, los cuales son:
Configuracin
Estado del software
Resultados
-
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Desarrollo del Software
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4.1.1. Configuracin.
En esta pestaa se le permite al usuario configurar algunos parmetros
que son necesarios antes de comenzar la adquisicin de datos. En dicha
pestaa se solicita informacin acerca del espectrmetro: se selecciona elpuerto en el que se encuentra el espectrmetro, as como el tiempo de
integracin deseado que por default es de 6 mili segundos; adems de esto, se
puede especificar la regin espectral en nanmetros en la que se desea estudiar
la muestra, la cual depende del espectrmetro y en este caso puede ser de 196
nanmetros hasta 1118 nanmetros. En la ltima subdivisin se pide
informacin acerca del almacenamiento que, por default, todas las mediciones
que se realicen sern guardadas en el directorio C:\Mediciones\ con el nombre
especificado. Por ejemplo, una medicin seria C: \Mediciones\AsGa.txt. Las
mediciones se almacenan en archivos de texto para que puedan abrirse de
forma universal con programas comerciales como Origin, Excel, Block de
notas (notepad), etc.
Si se desea realizar varias mediciones, el programa es capaz de hacerlo
de forma automtica; por ejemplo, si la medicin tiene por nombre AsGa y
se requieren 10 mediciones, automticamente se agregara AsGa_1 a la
primera medicin y AsGa_10 a la ltima medicin. Es importante sealar que
cada medicin es un promedio de varias adquisiciones. Esta pestaa de
configuracin se puede ver en la Fig. 4.1.
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Desarrollo del Software
29
Figura 4.1. Pestaa de Configuracin.
4.1.2. Estado del Software.
En esta pestaa, como su nombre lo indica, se puede conocer el estado
de algunas variables del programa mientras ste se est ejecutando. La primera
variable que se puede observar es un led,el cual indica el estado del chopper ysaber si est bloqueando el paso del laser o s lo deja pasar. Las siguientes
variables que se pueden visualizar muestran el numero de adquisiciones que se
han ledo en una medicin con el laser bloqueado y con el laser sin bloquear;
un ejemplo seria si realizamos 500 adquisiciones estos contadores deberan
mostrar cada uno el valor de 250. La ltima variable que se visualiza muestra
el nmero de medicin actual en la que se encuentra el programa. En la Fig.4.2. se muestra esta pestaa.
-
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Desarrollo del Software
30
Figura 4.2. Pestaa de estado del software.
4.1.3. Resultados.
La ltima pestaa con la que cuenta el programa es la de resultados.
Esta contiene 2 grficas en las que se despliegan la seal de FR que es tratada
por medio de filtros digitales. En la primera grfica se muestra el caso en elque la seal es tratada con un filtro de tipo exponencial y en la segunda grafica
es tratada con un filtro de tipo gaussiano triangular. Adems, en esta pestaa
se muestra el tiempo requerido por la GPU para realizar el procesamiento de
FR y por lo tanto en este tiempo no se incluye el procesado de los filtros, ya
que este es realizado por la CPU. Otro punto muy importante es poder
diferenciar el tiempo de procesamiento al tiempo de adquisicin: el tiempo deprocesamiento de la GPU es en promedio de 30 milisegundos, mientras que el
tiempo de adquisicin depende del nmero de adquisiciones que se deseen. En
la Fig. 4.3. se muestra una imagen de esta pestaa.
-
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Desarrollo del Software
31
Figura 4.3. Pestaa de resultados.
4.2. Desarrollo del cdigo.
En esta seccin se muestra y se explica detalladamente el programa de
FR. Es importante sealar que para lograr crear este programa se realizaron
con anterioridad las libreras, as como los drivers necesarios para elfuncionamiento del espectrmetro. La explicacin y cdigo fuente de las
libreras se encuentran en el Apndice A. En la Fig. 4.4. se muestra un
diagrama de bloques con la partes principales del sistema y para dar una mejor
explicacin del cdigo fuente del programa principal, ste se ha divido en las
siguientes partes;
Inicializacin Adquisicin
Procesado
Filtrado
Almacenamiento
-
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Desarrollo del Software
32
A continuacin se describen cada una de ellas.
4.2.1. Inicializacin.
En la inicializacin del sistema no solo se incluye la inicializacin devariables y del espectrmetro, sino que se realizan una serie de pasos ms
complejos. En la Fig. 4.5. se puede observar un diagrama de flujo de la
inicializacin y a continuacin se entra a detallar cada paso de este proceso.
Figura 4.4.Diagrama de flujo con las partes principales del programa.
Inicio Inicializacin Adquisicin de
Procesamiento yfiltrado de la
Secompleto# de adq.
Almacenamiento
Secompleto el
# de
mediciones.
No
No
-
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Desarrollo del Software
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Figura 4.5.Diagrama de flujo de la inicializacin.
Al llamar la inicializacin del sistema, lo primero que se produce es la
inicializacin (reset) de las variables; es decir igualar a cero las variables y as
evitar tomar valores que pudieran estar almacenados con anterioridad. A
continuacin se inicializa el espectrmetro y se define el tiempo de
integracin. En el Apndice A se explica a detalle cmo llevar a cabo estos
pasos. Recordemos que el espectrmetro trabaja con pixeles (3648 pixeles en
total); por lo tanto para poder saber que longitud de onda le corresponde a
cada pixel, es necesario leer los coeficientes de calibracin internos del
espectrmetro y, de acuerdo a la Ec 4.1, podemos obtener la correspondencia
pixel-longitud de onda. Este proceso se realiza pixel por pixel por lo que
podemos aprovechar este paso para encontrar los pixeles inicial y final de la
regin a estudiar y as minimizar los tiempos de ejecucin.
(4.1)
InicioInicializacinde variables
Encuentraespectrmetro y se
inicializa
Se define tiempode integracin
Se leen coeficientes de calibracin, se creaarreglo de longitudes de onda y arreglo deenerga (eV), se encuentra pixel inicial y final deregin a estudiar
-
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Desarrollo del Software
34
En la Fig. 4.6 se muestra el cdigo de Labview para inicializacin haciendo
uso de las libreras.
Figura 4.6.Inicializacin del sistema.
4.2.2. Adquisicin de espectros.
Una vez que el sistema se inicializa, ste se encuentra listo para iniciar
la adquisicin de datos. En este bloque de programacin es en donde se
sincroniza el estado del chopper con el programa. Una medicin es el
promedio de N de adquisiciones, por lo que este bloque es un ciclo que se
ejecuta N veces. En la Fig. 4.7. se observa su correspondiente diagrama de
flujo.
-
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Desarrollo del Software
35
Figura 4.7.Diagrama de flujo de la adquisicin de datos.
En este ciclo se hace uso de 2 contadores con el fin de saber la cantidad
exacta de adquisiciones que se realizan en cada estado del chopper; esto es,
realizamos N adquisiciones por lo que en el caso ideal se tendran N/2 lecturas
con el laser bloqueado y N/2 lecturas sin bloquear el laser; pero esto es en
caso ideal. En la prctica no es as y por esta razn hacemos uso de los
contadores y de esta forma obtener un correcto promedio. Finalmente despus
de realizar todas las adquisiciones se cierra el puerto USB en el que se
encuentra conectado el espectrmetro. En la Fig. 4.8. se muestra el cdigo en
Labview nuevamente usando las libreras del apndice A.
Estado delchopper
Laserobstruido
Leerespectro
Leerespectro
Increment.Contador
Increment.Contador
Se completo# de
adquisicione
Si
No
No
-
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Desarrollo del Software
36
Figura 4.8.Adquisicin de datos.
4.2.3. Procesamiento de informacin.
Una vez que se han adquirido los datos se hace el procesamiento de los
mismos por medio de CUDA o sper-computo, ya que es una cantidad tan
grande de informacin que a la CPU le tomara demasiado tiempo procesarla.
En este paso la informacin se trata como matrices y a la salida nos arroja un
vector de resultados. En la Fig. 4.9. se muestra un diagrama de flujo de este
bloque.
Al iniciar este bloque se tiene la informacin dividida en 2 matrices. Enuna se encuentran los espectros adquiridos con el laser bloqueado y en la otra
matriz con el laser sin bloquear. Idealmente estas matrices deberan de ser de
N/2 X M, donde N/2 es la mitad de las N adquisiciones y M el nmero de
pixeles en la regin a estudiar.
-
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Desarrollo del Software
37
Figura 4.9.Diagrama de flujo del procesamiento de datos.
El primer paso en este bloque es reducir las matrices a vectores. Esto se
logra promediando las N/2 adquisiciones y despus de aplica el principio de
FR con lo que el resultado final es un vector de M pixeles. En el programa
principal todo el sper computo se incluye en una subrutina. En la Fig. 4.10 se
muestra el cono y su cdigo correspondiente en Labview y en el Apndice B
se muestra la programacin correspondiente.
Matriz RonNa Adquisiciones
M Pixeles
Matriz RoffNb Adquisiciones
M Pixeles
1
1
Vector Rson
M Pixeles
Vector Rsoff
M Pixeles
Vector R
M Pixeles
-
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Desarrollo del Software
38
Figura 4.10. Programacin de sper computo.
4.2.4. Filtrado.
Despus de haber promediado las seales y obtener la seal de FR
aplicamos 2 diferentes filtros digitales tipo smoothing, con el fin de obtener
una seal ms limpia. Labview ya cuenta con este tipo de filtros (ver Fig.
4.11.).
Figura 4.11. Filtros digitales tipo smoothing.
Este tipo de filtro al ser tipo smoothing no tienen frecuencia de corte.
El tipo exponencial tiene una constante de atenuacin con la que se eliminan
los picos de la seal y el tipo triangular requiere de una constante de vecinos
con la cual para obtener la siguiente muestra hace un promedio de los vecinos
-
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Desarrollo del Software
39
anteriores y de igual forma elimina los picos de la seal. En la Fig. 4.12. se
muestra una seal de FR de un sustrato de GaAs sin dopar, adquirida con el
sistema y tambin se muestra la misma seal despus de ser procesada con el
filtro exponencial.12
Figura 4.12. Seal procesada con filtro exponencial.
En la Fig. 4.13. se muestra una seal de FR adquirida con el sistema yadems se muestra la misma seal procesada con el filtro triangular.12
Figura 4.13. Seal procesada con filtro Triangular.
1.39 1.4 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 10-6 Filtro Exponencial
Energia (Ev)
Intensidad
Seal sin Filtrar
Seal Filtrada
2.8 2.85 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x 10-4
Energia (Ev)
Intensidad(Cuentas
Filtro Triangular
Seal Filtrada
Seal sin Filtrar
-
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Desarrollo del Software
40
4.2.5. Almacenamiento de Datos
La informacin que llega a este punto se encuentra almacenada en la
memoria RAM de la computadora y en este paso la informacin se almacena
en el disco duro. Dicha seal se almacena en 3 archivos diferentes: en elprimero se almacena la seal sin ningn tipo de filtro, en el segundo y tercero
se almacena con el filtro triangular y exponencial, respectivamente. Para
almacenar los datos se utiliza una subrutina la cual se muestra en el Apndice
A y en la Fig. 4.14 se muestra la parte del programa en la cual se guardan los
datos.
Figura 4.14.Almacenamiento de datos.
-
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Anlisis de Resultados
41
Captulo Cinco.
Anlisis de Resultados.
5.1. Calibracin.
Antes de comenzar con la captura de espectros de FR, se realizaron
varias adquisiciones del espectro de una lmpara de mercurio con la finalidad
de corroborar la calibracin del espectrmetro. Se emple una lmpara de
mercurio ya que tiene un espectro caracterstico que nos permite ubicardistintas longitudes de onda y se obtuvo una total concordancia tanto con los
datos del fabricante de la lmpara; as como con el software original del
espectrmetro. En la Fig. 5.1. se muestra el espectro de emisin de la lmpara
de mercurio.
Figura 5.1. Espectro de emisin de lmpara de Mercurio.
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Longitud de onda
Intensidad(Cuentas)
Lampara de Mercurio
-
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Anlisis de Resultados
42
5.2 Medicin del semiconductor GaAs.
Se presentan los resultados obtenidos en alta energa para una muestra
de n-GaAs en la Fig. 5.2. Con color negro se muestra el resultado de la
literatura (medida con el arreglo convencional usando un amplificador Lock-In) y en rojo la curva que se obtiene con nuestro sistema. sta captura se
realiz antes de limpiar la muestra por lo que contiene oxido. Se puede
observar que ambas posen la misma forma pero la roja se observa ms angosta
y corrida asimtricamente en referencia a 3.05 eV. Para esta captura se utiliz
un tiempo de integracin de 6ms, promediando 100 adquisiciones, y utilizando
un filtro triangular, esta medicin tomo 4 segundos. El proceso de filtrado
distorsiona el espectro.
2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
E1+
1
R/R
Energa (eV)
FR convencional
n-GaAs
T=300 K
E1
Figura 5.2. Captura de n-GaAs con oxido. El espectro rojo fue adquirido con el sistema
propuesto en este trabajo.
Despus de realizar un decapado con cido sulfrico y perxido de
hidrgeno con agua desionizada (1:5:1), se volvi a medir la muestra y se
observan los resultados en la Fig. 5.3. La captura se llev a cabo con los
-
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Anlisis de Resultados
43
siguientes parmetros: tiempo de integracin de 6ms, promediando 300
adquisiciones, y utilizando un filtro triangular. Esta medicin tom 10
segundos.
2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0,0000
0,0001
0,0002
0,0003
E1+
1
R/R
Energa (eV)
FR convencional
n-GaAs
T=300 K
E1
Figura 5.3. Captura de FR de GaAs. El espectro rojo es de FR convencional usando un
amplificador Lock-In.
Tambin se realizaron capturas de FR en la brecha fundamental con la
misma muestra de GaAs. En la fig. 5.4. se muestra el espectro obtenido con
los siguientes parmetros: tiempo de integracin de 6ms, promediando 400
adquisiciones y utilizando un filtro triangular. Dicha medicin tom
aproximadamente en 10 segundos. En la figura 5.5. se muestra el resultado
para el mismo punto pero con los siguientes parmetros: tiempo de integracin6ms, promediando 700 adquisiciones, utilizando un filtro exponencial y un
laser verde.
-
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Anlisis de Resultados
44
1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45 1,46
-10
-5
0
5
10
15
20
25
104
FR
Energa (eV)
Eo
GaAs
T=300 K
convencional
Figura 5.4. Captura de FR alrededor de la brecha fundamental de GaAs usando un lser
rojo como haz de bombeo. La lnea azul corresponde a un espectro de FR obtenido con elarreglo convencional empleando un amplificador Lock-In.
1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45
-10
-5
0
5
10
15
20
25
104
FR
Energa (eV)
Eo
GaAs
T=300 K
convencional
Figura 5.5. Captura de FR alrededor de la brecha fundamental de GaAs usando un lser
verde como haz de bombeo. La lnea azul corresponde a un espectro de FR obtenido con elarreglo convencional empleando un amplificador Lock-In.
-
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Anlisis de Resultados
45
5.3 Medicin del semiconductor AlGaAs.
De igual forma se realizaron mediciones de FR de una estructura lser
de un pozo cuntico de InGaAs. Las barreras son de Al0.3Ga0.7As y las guas
de onda son de GaAs. En este caso no se tienen mediciones de esta muestracon la FR convencional, pero se realiza un comparativo de capturas realizadas
con la FR convencional a una pelcula de AlGaAs (color azul en la grfica).
En la figura 5.6. se muestra la captura con nuestro sistema con los siguientes
parmetros: tiempo de integracin 6ms, promediando 600 adquisiciones,
utilizando un filtro exponencial. Esta medicin tomo un lapso aproximado de
20 segundos. En la Fig. 5.7. se muestra el espectro de FR para la capa tipo
p++ en la superficie del laser.
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1
0
10
InGaAs
105
R/R
Energa del Fotn (eV)
Al0.35
Ga0.65
As
GaAs
estructura Lser de AlGaAs/GaAs/InGaAsT= 300 K
AlGaAs
FR, convencional
Figura 5.6. Medicin de FR rpida de una estructura lser de un pozo cuntico de InGaAs.Las barreras son de Al0.30Ga0.70As y las guas de onda son de GaAs. El espectro con lneaazul corresponde a la medicin de FR convencional de una pelcula de AlGaAs (al 30%)
sobre GaAs.
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Anlisis de Resultados
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2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0,0000
0,0001
0,0002
0,0003
R/R
Energa (eV)
estrcutura lser
AlGaAs/GaAscapping p+
FR convencional
Figura 5.7. Lnea azul: medicin de FR de una estructura lser de un pozo cuntico
alrededor de E1. Esta componente se asocia a la pelcula capping p++ en la superficie de laestructura lser. La lnea negra es de una muestra de GaAs dopada tipo n obtenida por el
mtodo convencional de FR.
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Conclusiones
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Capitulo Seis.
Conclusiones.
En la actualidad existen un nmero de tcnicas de espectroscopias
pticas las cuales son usadas en un amplio rango de aplicaciones. Una de las
principales diferencias de los sistemas utilizados actualmente y el presente
desarrollado en esta Tesis, es que el implementado tiene la posibilidad de
medir simultneamente un amplio rango de espectro y no solo una longitud deonda por medicin requiriendo un tiempo relativamente pequeo.
Es importante mencionar que los espectros comparativos obtenidos de
la literatura se midieron utilizando diferentes tcnicas de espectroscopia en las
cuales se ilumina la superficie con una sola longitud de onda a la vez y el
tiempo que toma una de estas mediciones puede llegar hasta minutos. Esto
contrasta enormemente con el desempeo del sistema desarrollado en esta
tesis. Otro punto que es importante mencionar es que el tiempo que se toma en
realizar una medicin depende nicamente del numero de adquisiciones ya
que al utilizar tcnicas se sper computo el tiempo que se toma en realizar el
procesado es de milisegundos. Por lo que el tiempo final depender de las
necesidades especificas del experimento.
En la mayora de las mediciones obtenidas se puede observar un
corrimiento de la seal al comparar nuestros resultados con los que existen
usando la FR convencional. Esto se debe a varios factores. Uno de ellos es el
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Conclusiones
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tipo de filtros que se usan; ya que para eliminar los picos y el ruido se toman
como referencia N muestras, al tomar ms muestras se obtiene una seal
resultante con menos ruido pero presenta ms corrimiento. Otro factor que
produce corrimiento es la resolucin del espectrmetro, entre menosresolucin se tenga ms corrimiento se presenta en los resultados. Por lo tanto
debe existir un compromiso entre el tiempo de captura y resolucin del
espectrmetro.
Podemos resumir de manera general los resultados de este trabajo de
tesis como siguen:
Se dise y se implement un sistema de medicin que permite ser
usado para espectroscopia por fotorreflectancia seleccionando la regin
que se desea estudiar.
Se desarroll un software en entorno de programacin grafica
(Labview) para la captura de datos de un detector multicanal de la
compaa Ocean Optics, logrando un rango de captura espectral que va
de los 200 a los 1100 nanmetros.
Se probo el sistema con diferentes tipos de procesamiento hasta llegar al
sper computo as como varios tipos de filtrado.
El tiempo que requiere el sistema para llevar a cabo una medicin
depende de la calidad que se requiera en la captura, el tiempo ms corto
que se registro fue de 1 segundo. Por otra parte, sin embargo, se observque para mediciones con ms de 1000 adquisiciones se tiene un total en
tiempo de procesado de aproximadamente 40 segundos y no presentan
gran modificacin en la forma de la curva.
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Conclusiones
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An se pueden realizar muchas mejoras en los tiempos de adquisicin:
recordemos que la frecuencia del chopper se fij a 10 Hz debido a que
el BreakOut Box es muy lento en las operaciones del GPIO, y
cambiando de puerto la sincronizacin sera mucho ms rpida, peroesto conlleva a una electrnica ms complicada adems de nueva
programacin en el software.
Este software est optimizado para mediciones de espectroscopia por
foto reflectancia y es importante mencionar que el haberlo realizado en
Labview lo hace sumamente transportable y de manejo simple; as
como una gran facilidad en el cdigo fuente en el caso de que deba sermodificado.
Finalmente, podemos concluir que se puede realizar la captura de espectros
en mltiples longitudes de onda y en base a esto poder hacer mediciones de
espectroscopia en tiempo real, adems de que es posible obtener mejoras en la
velocidad de muestreo ya que se cre un software que interacta directamentecon el circuito integrado del espectrmetro por lo que se tiene un control total
sobre el mismo. Esto es una gran ventaja ya que no existen limitaciones por
parte del espectrmetro. Se propone como trabajo a futuro mejorar el sistema
ptico, el filtrado de la seal, alineacin automtica y emplear una variedad de
muestras; as como el uso de un espectrmetro multicanal de mayor resolucin
(tamao en distancia focal). Se espera que con ste trabajo, se introduzca el
empleo de tcnicas de supercmputo en paralelo aplicado a las
espectroscopias moduladas.
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Apndice A
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Apndice A.
A.1. Desarrollo de drivers.
Los drivers son necesarios para poder comunicar cualquier dispositivo
con el CPU. La compaa Ocean Optics ofrece drivers de manera gratuita pero
estos solo funcionan con su software de propiedad (p. ej. Spectra Suite). Por
esta razn es necesario programar nuestros drivers; esto se logra mediante la
aplicacinDriver Wizard de National Instruments.
Esta aplicacin nos programa los drivers de cualquier dispositivo y solo
necesita de cierta informacin como son: Bus del dispositivo, Vendor ID,
Product ID, etc. Toda esta informacin es proporcionada por el fabricante (en
este caso Ocean Optics) y est disponible en su hoja tcnica de datos.
En las siguientes figuras se muestra el desarrollo de los drivers.
Figura A.1. Se especifica el Bus del dispositivo.
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Apndice A
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La compaa Ocean Optics nos proporciona la siguiente informacin:
Bus del dispositivo: USB (High Speed y Full Speed)
Vendor ID: 0x2457
Product ID: 0x1012 Modelo: HR4000
Figura A.2.Informacin especfica del dispositivo.
Con dicha informacin quedan listos los nuevos drivers los cuales
usaremos para el desarrollo de esta Tesis. En la siguiente figura se muestra la
diferencia que hay al instalar los drivers originales y los de National
Instruments Driver Wizard.
Figura A.3.Drivers de Ocean Optics y de NI Driver Wizard.
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Apndice A
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A.2. Desarrollo de libreras.
Las libreras son las que hacen posible la manipulacin del
espectrmetro. Estas libreras se programaron en base a la hoja tcnica y se
mostraran fragmentos de la misma para una mejor comprensin de laprogramacin.
El HR4000 cuenta con un conjunto de 22 instrucciones previamente
definidas por el fabricante. Se mostrara a detalle el funcionamiento de cada
comando as como la programacin en Labview. Anlogamente, para escribir
comandos, se debe utilizar el mtodo bulk outy para leer el bulk in, tambin
conocidos como End Point Out y End Point In; esto es por ser comunicacin
USB.
A.2.1. Lectura y Escritura.
El HR4000 cuenta con 4 diferentes tipos de End Point (EP) para la
comunicacin de estos, 3 son de lectura y 1 de escritura.
Tabla A.1. Tabla de End Point del HR4000.
El fabricante nos especifica el uso de cada uno de estos EP de la
siguiente forma.
Todos los comandos son enviados a travs del EP1 Out (0x01).
El espectro es adquirido mediante EP2 In (0x82) y EP6 In (0x86).
Otras opciones se realizan por medio de EP1 In (0x81).
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Apndice A
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A.2.2. Set de Instrucciones.
A continuacin se mostrara la lista completa de comandos aceptados
por el HR4000 as como una descripcin detallada de cada una de las
instrucciones.
Tabla A.2. Set de instruccin del HR4000.
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Apndice A
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Inicializar HR4000 (0x01).
Inicializa los parmetros predeterminados en el HR4000 y fija un
conjunto de variables internas dependiendo de la velocidad a la que funciona
el dispositivo. Este comando debe ser llamado al comienzo de cada sesin. Sinembargo, si no es llamado, ste se ejecutar en el primer comando de solicitud
de escaneo. Este comando no regresa informacin alguna.
La forma de enviar el comando es:
En cuanto a la programacion de este comando, por ser el primero en
ejecutarse, se deben de asignar los End Point correspondientes y estos
quedaran fijos para el resto de los comandos a menos que se reasignen los End
Point. Para la correcta ejecuacion de esta instruccin, se debe ejecutar el
comando (0xFE), Informacin del estado actual del espectrmetro (ms
adelante se explica a detalle su funcionamiento), la cual nos proporciona la
velocidad a la cual funciona el espectrmetro. En la Fig. A.4. se muestra la
programacin del comando Inicializar.
Figura A.4.Inicializar el espectrmetro HR4000.
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Apndice A
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Tiempo de Integracin (0x02).
Establece el tiempo de integracin del HR4000 en microsegundos. El
valor es un dato de 32 bits cuyo rango aceptable es de 10 - 65.535.000 s.
Para tiempos de integracin menores de 655.000 s, se tiene una resolucin de10us. Para tiempos de integracin mayores, se tiene una resolucin de 1 ms.
Este comando no regresa informacin alguna.
La forma de enviar el comando es:
El formato de este comando exige que el dato a enviar tenga el orden
invertido esto se puede observar en la siguiente figura que muestra el cdigo
de programacin de esta instruccin.
Figura A.5. Configurar el tiempo de integracin.
Habilitar el Estado del Strobe (0x03).
Habilita el estado de la lnea Strobe (J2 pin 4). Con esta instruccin solo
se configura el estado de la lmpara ms adelante veremos cmo configurar
los modos de funcionamiento. Se puede habilitar como single strobeo como
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Apndice A
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continuos strobe. Este comando no regresa informacin. La forma de enviar el
comando es:
Esta instruccin solo puede tener un valor 1 o 0, a continuacin se
muestra el cdigo de programacin.
Figura A.6. Configuracin del Strobe.
Habilitar modo de bajo consumo (0x04).
Cuando se habilita el modo de bajo consumo el microcontrolador (FX2)
sigue funcionando pero sus funciones son deshabilitadas excepto la
comunicacin I2C. En este modo el consumo se reduce a 250mA. Este
comando no regresa informacin.
La forma de enviar el comando es:
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Apndice A
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Consultar informacin (0x05).
Consulta cualquiera de las 20 variables de configuracin almacenadas
en el espectrmetro. Este comando regresa informacin y se recibe a travs
del EP1 In. El orden de las variables se muestra a continuacin.
Tabla A.3. Variables almacenadas en el espectrmetro.
La forma de enviar el comando es:
La forma en la que se reciben los datos es de la siguiente forma y
terminan con un 7.
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Todas estas variables se encuentran en la memoria EEPROM del
espectrmetro por lo que es necesario especificar la direccin que se desea
leer, el siguiente programa muestra como leer una direccin especfica de la
memoria.
Figura A.7.Leer una localidad de la memoria EEPROM.
El siguiente cdigo muestra cmo obtener los 4 coeficientes de
calibracin que estn almacenados en la memoria EEPROM en las
localidades: 1, 2, 3, 4.
Figura A.8. Obtener los coeficientes de calibracin.
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Tambin podemos obtener los coeficientes de correccin no lineal que
estn en las localidades 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 de la memoria EEPROM a
continuacin se muestra el cdigo correspondiente.
Figura A.9. Obtener los coeficientes de correccin no lineal.
Escribir Informacin (0x06).
Escribe en cualquiera de las 19 variables de configuracin almacenados
en la EEPROM del espectrmetro. Las 19 variables de configuracin tienen el
mismo ndice como se describe en la consulta de informacin. Este comando
no regresa informacin.
La forma de enviar el comando es
Todas estas variables se encuentran en la memoria EEPROM del
espectrmetro por lo que es necesario especificar la direccin que se desea
escribir, el siguiente programa muestra cmo escribir una direccin especfica
de la memoria.
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Figura A.10. Escribir en una localidad de la memoria EEPROM
Ya hemos mostrado como se leen los coeficientes de calibracin pero
estos tambin pueden ser cambiados. A continuacin se muestra como escribir
nuevos coeficientes de calibracin. Hay que recordar que estos coeficientes seencuentran en las localidades: 1, 2, 3, 4.
Figura A.11. Escribir nuevos coeficientes de calibracin.
Entre las variables almacenadas en la memoria EEPROM se encuentra
la constante de luz difusa. El siguiente cdigo muestra como cambiar esta
constante que se encuentra en la localidad 5 de la EEPROM.
Figura A.12.Nueva constante de luz Difusa.
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Apndice A
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Solicitud de espectro (0x09).
Con este comando el HR400 adquiere el espectro completo (3840
valores). Los datos son regresados por medio de transferencia bulk a travs del
End Point 2 y End Point 6 dependiendo de la velocidad de comunicacin.La forma de enviar el comando es
La informacin que regresa este comando depende de la velocidad de la
comunicacin esta puede ser: High Speed (480 Mbps) o Full Speed (12 Mbps)
en ambos casos cada pixel contiene 16 bits que estn organizados de bit
menos significativo (LSB) a ms significativo (MSB) adems al final se
manda un paquete de sincronizacin que se utiliza como bandera para
asegurar la correcta sincronizacin entre el HR4000 y la PC.
Formato de transmisin en High Speed (480 Mbps)
En este modo los primeros 2K de informacin se leen por medio del End
Point 6 In y el resto se lee por medio de End Point 2 In. A continuacin se
describe el formato completo.
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Tabla A.4.Relacin numero de paquete-Pixel en High Speed.
La informacin que regresa este comando tiene el siguiente formato
Y el paquete adicional para la sincronizacin
En la siguiente figura se muestra el cdigo para adquirir el espectro a
una velocidad de 480 Mbs, es importante mencionar que los primeros 4
paquetes se reciben a travs de End Point 6 In, los siguientes 11 paquetes conEnd Point 2 In y finalmente se vuelve a asignar End Point 1 In para que acepte
cualquier comando.
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Figura A.13.Adquirir Espectro en High Speed (480Mbs).
Adems hay que recordar que el espectrmetro cuenta con 3648 pixeles
y se adquieren 3840 por lo que hay que reordenar esta informacin y borrar
los pixeles que no se usan.
Formato de transmisin en Full Speed (12 Mbps)
En este modo los toda la informacin se lee a travs de End Point 2 In. A
continuacin se describe el formato completo.
Tabla A.5.Relacin numero de paquete-Pixel en Full Speed.
La informacin que regresa este comando tiene el siguiente formato
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Y el paquete adicional para la sincronizacin.
Cuando se trabaja a una velocidad de 12 Mbs todos los paquetes se
reciben con el End Point 2 In y despus hay que cambar a End Point 1 In. De
igual forma hay que borrar los pixeles que no se utilizan a continuacin se
muestra el cdigo.
Figura A.14.Adquirir Espectro en Full Speed (12 Mbs).
Modo de disparo (0x0A).
Establece el modo de disparo en el HR4000 existen 4 tipos de disparos. Normal
En este modo el HR4000 utiliza el tiempo de integracin definido por el
usuario y realiza un escaneo continuo del arreglo de CCD.
Disparo externo por software
En este modo el HR4000 utiliza el tiempo de integracin definido por elusuario sin embargo el convertidor A/D es obligado a esperar hasta que la
seal de entrada pasa a ALTO antes de que adquiera los datos en el siguiente
perodo de integracin. Este es un modo de disparo asincrnico que permite al
usuario definir un perodo de integracin a travs de software.
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Disparo externo por hardware
En este modo el HR4000 utiliza un flanco de subida de una seal TTL
externa para comenzar un ciclo de integracin.
Disparo por sincronizacin externa
En este modo el HR4000 el tiempo de integracin es esencialmente la
entrada del espectrmetro, esto permite que el espectrmetro sea sincronizado
con otro dispositivo. La seal debe ser de tipo TTL con un rango de 5ms a
60s.
La forma de enviar el comando es
La siguiente figura muestra el cdigo (0x0A) para configurar el tipo de
disparo (Trigger) pero adems usa el comando correspondiente al cdigo
0x6A28 la cual se explicara ms adelante y se usa para escribir en un registro
del HR4000.
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Figura A.15. Configurar el tipo de disparo.
Numero de accesorios conectados (0x0B).
Determina los accesorios que estn conectados al momento de encender
el HR4000 y cada vez que se envi este comando.La forma de enviar el comando es:
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma y
termina con un 7:
Informacin de accesorios conectados (0x0C).
Este comando regresa 7 bytes con el ltimo byte siempre en cero. Cada
uno de los 6 primeros bytes corresponde a dispositivos compatibles con el
HR4000 que respondieron de manera adecuada a la comunicacin I2C con
direcciones de 2 a 7. Las direcciones estn reservadas para diversas categoras
de dispositivos y el valor de cada categora se muestra ms adelante. Las
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Apndice A
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direcciones 0-1 son reservadas para cargar el programa desde la memoria
EEPROM.
La forma de enviar el comando es.
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma y
termina con un 7
Detectar accesorios conectados (0x0D).
Lee todos los accesorios que estn conectados al bus I2C. Este comando
no regresa informacin.
La forma de enviar el comando es
El siguiente cdigo hace uso de las instrucciones: Detectar accesorios
conectados (0x0D), Numero de accesorios conectados (0x0B), Informacin de
accesorios conectados (0x0C).
Figura A.16. Comunicacin con dispositivos externos.
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Lectura del bus I2C (0x60).
Realiza una lectura de propsito general en los pines del I2C para hacer
interface con los perifricos conectados. El tiempo para completar el comando
se determina por la cantidad de datos transferidos y el tiempo de respuesta delos perifricos. El bus I2C corre a 400KHz. El nmero mximo de bytes que se
puede leer es de 61.
La forma de enviar el comando es
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
Tabla A.6. Cdigo de resultados al comunicarse por medio de I2C.
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Apndice A
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Escritura del bus I2C (0x61).
Realiza una escritura de propsito general en los pines I2C para hacer
interface con los perifricos conectados. El tiempo para completar el comando
se determina por la cantidad de datos transferidos y el tiempo de respuesta delos perifricos. El bus I2C corre a 400KHz. Los cdigos de los resultados son
los mismos que en la lectura citados ya anteriormente.
La forma de enviar el comando es
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
El siguiente programa muestra como comunicar el espectrmetro con
algn otro dispositivo por medio de la comunicacin I2C.
Figura A.17. Comunicacin I2C.
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SPI Lectura/Escritura (0x62).
Este comando realiza una lectura y escritura en el bus SPI. El tiempo
para completar este comando se determina por la cantidad de datos
transferidos y el tiempo de respuesta de los perifricos. El bus SPI se ejecuta a~25KHz. El nmero mximo de bytes que pueden ser escritos o ledos es de
61. Durante la transferencia de informacin el pin de Chip Select pasa a
estado lgico bajo.
La forma de enviar el comando es
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
El cdigo que a continuacin se muestra implementa una comunicacin
de tipo SPI con algn dispositivo que est conectado al HR4000.
Figura A.18. Comunicacin SPI.
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Escribir en el registro de informacin (0x6A).
La mayora de los parmetros controlables del HR4000 son accesados a
travs de este comando. Se presenta una lista completa de estos parmetros.
Todos los datos transmitidos son de 16 bits primero se enva el bit mssignificativo (MSB) y al final el bit menos significativo (LSB). Este comando
requiere al menos 100ms para completarse. Este comando no regresa
informacin.
La forma de enviar este comando es
Tabla A.7. Parmetros accesibles por medio de la instruccin 0x6A.
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Apndice A
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El siguiente cdigo configura el tiempo del strobe esto se logra
mediante el comando 0x6A por medio de los registros 0x08, 0x0C, 0x38,
0x3C mostrados en la tabla anterior.
Figura A.19. Configuracin del Strobe.
Leer el registro de informacin (0x6B).
Con este comando se puede leer el valor de cualquiera de los registros
anteriores.
La forma de enviar este comando es
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
A continuacin se muestra un programa en el cual se configuran lospines del puerto GPIO, se configuran las entradas y salidas del GPIO y por
ltimo se hace una lectura y escritura del mismo.
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Figura A.20. Configuracin de puerto GPIO.
Leer la temperatura del circuito impreso (0x6C).
El HR4000 contiene un sensor de temperatura (DS1721) que est
montado en la parte inferior del circuito impreso (PCB). El valor que regresa
es el resultado del A/D y es un valor de 16 bits con signo.La temperatura se puede obtener de la siguiente forma:
Temperatura (C)=0.003906 * Valor de A/D.
Este comando se enva de la siguiente forma.
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
Si la operacin fue exitosa, el resultado de la lectura debe ser 0x08.
Todos los dems valores indican la operacin no tuvo xito.
El siguiente cdigo lee la temperatura del circuito impreso (PCB) por
medio de la instruccin 0x6C y adems hace la conversin a grados Celsius.
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Figura A21. Temperatura del Circuito Impreso.
Leer factores de irradiacin (0x6D).
Con este comando se leen 60 bytes que se utilizaran para la calibracin
de la irradiacin. Esta informacin es leda desde la memoria EEPROM.
Este comando se enva de la siguiente forma.
La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma
Escribir factores de irradiacin (0x6E).
Con este comando se escriben 60 bytes que se utilizan para la
calibracin de la irradiacin, esta informacin es almacenada en la memoria
EEPROM. Este comando no regresa informacin.
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Este comando se enva de la siguiente forma
Informacin del estado actual del espectrmetro (0xFE).
Regresa un paquete de informacin que contiene el estado de la
operacin actual. La estructura de este paquete se muestra a continuacin
Tabla A.8.Relacin numero de Byte-Descripcin del resultado.
La forma de enviar este comando es
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El siguiente cdigo muestra el estado actual de 6 variables de las 12
disponibles en el espectrmetro.
Figura A.22. Estado actual del espectrmetro.
A.3. Libreras extras.
Adems del set de instrucciones del espectrmetro se programaron ms
subrutinas con la finalidad de poder manipular todas las opciones del HR400.
El espectrmetro tiene la capacidad de procesar la seal adquirida en
diferentes formas de las que se uso en esta tesis entre las cuales son:
Absorcin, Transmisin e Irradiancia relativa.
El espectro de absorcin generalmente es utilizado para medir en una
escala logartmica la cantidad de luz de una fuente que es absorbida por una
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superficie, lquido o gas. En la figura A.23 se muestra la programacin de este
tipo de espectros.
Figura A.23. Procesamiento para obtener el espectro de absorcin.
El espectro de transmisin es una medicin que se utiliza para calcular
la cantidad de luz que se transmite a travs de una materia determinada y por
lo general se mide como un porcentaje. La programacin de esteprocesamiento se muestra en la Fig. A.24.
El espectro de irradiancia relativa normalmente corrige la forma de un
espectro para mostrar las deficiencias en la ptica y en el detector del
espectrmetro. La forma es alterada para ajustarse a la de un cuerpo negro
ideal. Bsicamente cualquier cosa que se caliente lo suficiente comenzara a
emitir energa, algunos de los cuales pueden ser luz visible. Utilizando una
fuente de luz que est cerca de un cuerpo negro ideal en sus emisiones reales,
la forma de su espectro se ha corregido para que coincida con la forma terica
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de un cuerpo negro a la misma temperatura. En la figura A.25 se muestra la
programacin de este procesamiento.
Figura A.24. Procesamiento para obtener el espectro de absorcin.
Figura A.25. Procesamiento para obtener el espectro de irradiancia relativa.
Como habamos mencionado en el Captulo 4 se realizo una subrutina
que calcula la relacin entre pixeles y longitud de onda de acuerdo a la
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ecuacin (4.1), adems de encontrar los pixeles inicial y final de la regin a
estudiar. Esta subrutina se muestra en la figura A.26.
Figura A.26. Conversin de pixeles a longitud de onda.
De igual forma en el Capitulo 4 usamos una librera para almacenar losdatos en el disco duro. El cdigo de esta se presenta en la Fig. A.27. En esta
rutina se puede modificar la ruta en la que se guardan los archivos, la cual esta
pre-definida en C:\Mediciones\; adems de que se puede definir qu hacer en
caso de que se presente un archivo existente (sobre-escribir o continuar).
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Figura A.27.Almacenamiento de los datos en el disco duro.
Por ltimo se realiza una subrutina en la que se cierra el puerto decomunicacin y as queda libre tanto el puerto como el espectrmetro y
memoria.
Figura A.28. Cerrar puerto USB y finalizar espectrmetro.
A.4. Diagrama general de subrutinas.
En la Fig. A.29. se muestran todas las subrutinas que son necesarias
para tener un control total sobre el espectrmetro y en donde se han
clasificado a las subrutinas para tener una visin ms clara acerca de su uso.
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Figura A.29. Conjunto de rutinas del HR4000.
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B.1. Tarjeta grafica (GPU).
Como ya hemos mencionado la parte de sper computo consiste en
realizar toda la parte matemtica por medio de la GPU (Tarjeta grafica). Esta
tcnica de procesamiento a tenido un avance exponencial en los ltimos aos
y la programacin se desarrolla en CUDA por sus siglas en ingles (Compute
Unified Device Architecture), que consiste en una arquitectura de cmputo en
paralelo desarrollado por NVidia, la cual presenta un alto desempeo y
adems es accesible a todos los desarrolladores a travs de lenguaje C con
extensiones de NVidia.
Se ha demostrado que por medio de la GPU se pueden acelerar procesos
de todo tipo de forma radical7como son: simulaciones de electromagnetismo,
procesamiento de imgenes, simulaciones en MatLab etc. logrando reducir
hasta en 18 veces los tiempos de procesamiento.
Un punto importante en esta tcnica es que si bien se debe de programar
en CUDA los procesos a agilizar una vez que estos son compilados pueden ser
transportados con facilidad a un gran nmero de lenguajes comerciales para
desarrollo como son MatLab y LabView, esto es una gran ventaja ya que sepuede acoplar a cualquier tipo de lenguaje de programacin y aprovechar el
uso de la CPU y de la GPU.
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La tarjeta que se uso en este trabajo de tesis es la GTX 280 de NVidia y
se muestra en la figura B.1.
Figura B.1. Tarjeta GTX 280 de NVidia.
Esta tarjeta se conecta directamente al puerto PCI Express de la
computadora y tiene una memoria con una capacidad de 1Gb con velocidad
DDR3 y su principal caracterstica es que cuenta con 240 ncleos en paralelo
que son los que nos permiten realizar operaciones de computo masivas en
tiempos extremadamente cortos.
Por otra parte es importante mencionar que no todas las aplicaciones sepueden gestionar con CUDA, estas deben de cumplir con el requerimiento de
de ser iterativas. Adems otro punto importante es que CUDA maneja
precisin en enteros y en punto flotante por lo que esta tcnica es totalmente
verstil.
B.2. Desarrollo de programacin.Para programar la GPU utilizamos Visual Basic Studio versin 2005. Se
crea un proyecto nuevo y la programacin se divide en 2 archivos a los cuales
hemos llamado templatey template_kernel. En la Fig. B.2. podemos ver una
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imagen del proyecto creado. A continuacin se explicara el contenido del
archivo template.
Figura B.2. Proyecto en Visual Studio para programar la GPU.
Uno de los requisitos que exige CUDA es definir desde un principio la
cantidad de memoria que se va a utilizar y cuanta de esta ser usada para
entrada y cuanta para salida, as como la precisin en la que sern declaradas
las variables estn pueden ser enteras, de punto flotante, dobles, etc.
Una vez que se tiene la memoria reservada es necesario copiar los datos
que estn involucrados en el proceso desde la CPU hacia la GPU. A esteproceso tambin se le conoce como copy host memory to device y es
despus de este punto cuando se ejecutan to