Descripción técnica del proyecto - Investigación

Comentarios

Transcripción

Descripción técnica del proyecto - Investigación
Descripción técnica del proyecto
Título
Diseño y construcción de un nuevo codificador óptico incremental.
Institución Beneficiaria: Universidad de Buenos Aires
Investigador Responsable: Dr. Fernando Perez Quintián.
Resumen
La creciente demanda industrial de mayor precisión en los sistemas de posicionamiento de
diversas herramientas (como por ejemplo, tornos, fresadoras, rectificadoras, cabezales de
impresoras, plotters, instrumental de precisión de laboratorio, fabricación de circuitos
integrados, robots, orientación de radares, antenas, telescopios) hace necesaria una mejora
continua en los sistemas de control de posición. En la actualidad este control se realiza
mediante codificadores de diversas tecnologías, sin embargo, la mayoría de los sistemas
utilizan codificadores ópticos, que son esencialmente transductores de posición, que pueden
llegar a tener una resolución sub-micrométrica y la posibilidad de realizar recorridos grandes
(hasta varios metros).
En este trabajo nos proponemos diseñar y construir un nuevo tipo de codificador óptico
incremental en el que se reemplaza la tecnología difractiva actual por un sistema que usa
speckle para la obtención de la señal incremental y haces no difractivos para generar la
señal de referencia.
Se espera aumentar la resolución hasta en un orden de magnitud mayor.
Palabras Clave: Codificadores ópticos, Tecnología, Speckle, Interpoladores,
Haces no difractivos.
Contenido
1
Introducción ................................................................................................................. 2
1.1 Codificadores ópticos............................................................................................. 2
1.2 Señales de referencia ............................................................................................ 2
2 Objetivos generales ..................................................................................................... 4
3 Objetivos específicos e hipótesis del plan de trabajo.................................................... 5
3.1 Señal incremental .................................................................................................. 5
3.2 Señal de referencia................................................................................................ 5
4 Relevancia del problema .............................................................................................. 6
5 Resultados preliminares y aportes del grupo ................................................................ 7
6 Construcción de la hipótesis y justificación general de la metodología de trabajo ........ 8
6.1 Generación de la señal incremental. ...................................................................... 8
6.2 Generación de la señal de referencia. ................................................................... 8
6.3 Integración de las dos señales............................................................................... 8
7 Diseño experimental y métodos ................................................................................... 9
7.1 Estudios teóricos iniciales ...................................................................................... 9
7.2 Estudios experimentales iniciales ........................................................................ 10
7.3 Optoelectrónica.................................................................................................... 11
7.4 Electrónica y control. ........................................................................................... 11
7.5 Tecnologías de fabricación de los elementos ópticos .......................................... 13
7.6 Integración de todos los componentes ................................................................. 14
8 Cronograma tentativo de actividades ......................................................................... 15
9 Importancia de los resultados a obtener ..................................................................... 16
9.1 En el área específica del proyecto ....................................................................... 16
9.2 En el sector productivo / socio-económico ........................................................... 16
9.3 En la institución beneficiaria ................................................................................ 16
10 Referencias ................................................................................................................ 17
1
1 Introducción
Antes de definir los objetivos del proyecto es necesario definir algunos términos y conceptos
que se utilizarán en esta descripción técnica, esta es la intención de esta sección. Aunque
introduciremos el tema de forma breve, algunas nociones volcadas aquí, volverán a
aparecer en otras secciones, que siguen el formato indicado en la presente convocatoria,
pero entendemos que vale la pena un poco de redundancia con tal de ganar claridad en la
lectura.
1.1 Codificadores ópticos
El término “codificador óptico” se usa para los sistemas ópticos que se emplean para medir
tanto rotaciones como desplazamientos lineales. Generan una señal de salida que codifica
de alguna manera el desplazamiento de un objeto con respecto a otro en tiempo real. Si el
código permite definir la posición de manera absoluta se denominan “codificadores
absolutos” y si en cambio sólo codifican el desplazamiento a partir de una posición de
referencia se los llama “codificadores incrementales”.
Los fenómenos físicos en los que se fundamentan los codificadores ópticos pueden
clasificarse en dos tipos: métodos interferométricos y métodos de lectura de un patrón de
medida.
El método interferométrico utiliza un láser muy estable cuya longitud de onda sirve como
unidad de medida. La configuración habitual es un interferómetro de Michelson con uno de
sus espejos fijo y el otro que se desplaza con el objeto cuyo movimiento se quiere medir.
Estos sistemas son los que otorgan mayor precisión, pero suelen ser costosos,
especialmente por los requisitos de estabilidad del láser y del ambiente (temperatura y
vibraciones por sobre todo). Este tipo de sistemas se emplea más bien en aplicaciones
metrológicas de laboratorio, fabricación de máscaras para microlitografía, componentes
difractivos y, especialmente, para la calibración de otros codificadores ópticos, pero no se
suele emplear en aplicaciones industriales.
El otro grupo de dispositivos es el que explora optoelectrónicamente algún patrón de
medida. Registran electrónicamente las variaciones de intensidad que se producen al
desplazar un cierto sistema óptico (llamado “cabezal”) a lo largo de un patrón de medida
(llamado “regla”), que habitualmente es una red de difracción de período conocido. Estas
técnicas, por lo tanto, dependen de la calidad del patrón. En estos sistemas, el
funcionamiento del cabezal se basa en el desplazamiento de una red de período igual o
similar al de la regla. A esta red dentro del cabezal se la denomina máscara. Junto con la
máscara se desplazan también emisores y detectores. Al desplazar la máscara sobre la
regla se obtienen variaciones periódicas de intensidad que son registradas por los
detectores. Los fenómenos ópticos para producir las variaciones de intensidad suelen ser
Moiré [1, 2], efecto Lau [3, 4] y autoimagen generalizada [5]. Este tipo de codificadores se
utiliza con períodos de redes que van de los 20 a los 100 micrones, ya que para períodos
menores los efectos de difracción deterioran el rendimiento del equipo, esencialmente en lo
que respecta a las tolerancias del montaje; por ejemplo, para un período de red de 20 m, la
exigencia en la tolerancia para la distancia entre la red y el cabezal es del orden de los 100
m, en cambio si el período es de 2 m, la precisión tiene que ser de aproximadamente 1
m. Mediante la interpolación electrónica de la señal de salida se puede lograr una
resolución de hasta una centésima del periodo de la red, o incluso más, dependiendo de la
calidad y estabilidad de la señal. Su uso habitual es en aplicaciones industriales que
necesiten resoluciones de hasta unas décimas del micrómetro.
1.2 Señales de referencia
Los codificadores incrementales necesitan una señal de referencia (o cero de referencia)
para poder lograr una medición absoluta de la posición, esto es, dando un origen de
coordenadas o una posición de inicio de una máquina herramienta. La señal de referencia,
es simplemente un pulso con un ancho a mitad de altura igual a la mitad del período de la
2
señal incremental del codificador. Tradicionalmente, este pulso se genera mediante la
correlación de dos tiras de código binario pseudoaleatorio, que se imprimen debajo de las
redes grabadas sobre la regla y sobre la máscara en el cabezal de lectura. Estos códigos se
llaman también marcas de referencia. Los códigos están diseñados de manera tal que sólo
cuando están perfectamente apareados (la posición de referencia), la cantidad luz que pasa
a través de ellos es apreciable. En esta posición, un máximo de luz llega al o a los
fotodetectores que hay en el cabezal y se obtiene un pulso estrecho a la salida del sistema.
Se han propuesto diferentes métodos de diseños de códigos para mejorar el contraste de la
señal de referencia, que puede definirse como el cociente entre el número total de
coincidencias en la posición de referencia y el número máximo de coincidencias fuera de la
posición de referencia [6, 7].
Para codificadores de alta resolución (10 m o menos), las configuraciones descriptas
anteriormente para generar señales de referencia demandan distancias extremadamente
cortas entre la regla y el cabezal de lectura, juntamente con unas tolerancias de montaje
prácticamente inalcanzables (similares a las descriptas en el punto anterior) si se tiene la
intención de obtener señales de referencia confiables y repetitivas. Por esta razón, es una
necesidad tecnológica el desarrollo de nuevos esquemas ópticos para el cabezal si se
quiere obtener una señal de referencia adecuada para codificadores de alta resolución.
3
2 Objetivos generales
En el presente proyecto se pretende diseñar y construir un nuevo tipo de codificador óptico
cuya tecnología se puede clasificar dentro de las técnicas que exploran optoelectrónicamente una regla (a partir de ahora cuando nos refiramos a codificadores ópticos
se sobreentenderá que se trata de éste tipo a menos que se indique lo contrario), en el que
los costos y requisitos de estabilidad del equipo sean similares a los existentes en el
mercado. El objetivo es aumentar la resolución base (sin interpolar) estimativamente hasta
los 3 micrones, esto es aproximadamente un orden de magnitud mejor que los codificadores
actuales.
No existe a nivel nacional ningún emprendimiento ni desarrollo tecnológico en el área de los
codificadores de posición. Las necesidades actuales de nuestro país en este campo son
esencialmente en la industria, en la utilización de máquinas herramientas que es a donde
apunta el nivel de precisión del codificador que se propone diseñar y construir.
4
3 Objetivos específicos e hipótesis del plan de trabajo
Para poder diseñar un nuevo tipo de codificador óptico cuya resolución sea del orden de los
pocos micrones, es necesario tener en cuenta los efectos de difracción que se producirán en
el sistema generador de la señal incremental y diseñar un nuevo sistema de generación de
la señal de referencia. A continuación se detallan las hipótesis de trabajo involucradas en
cada una de las etapas.
3.1 Señal incremental
Como se ha dicho en la introducción, la limitación por efectos de difracción es la que impide
llevar los codificadores ópticos a resoluciones menores que 10 micrones. Nuestra hipótesis
es que se pueden aprovechar esos efectos de difracción mediante el uso del speckle o
granularidad laser [8], que tiene una estructura fina que es regulable fácilmente mediante la
elección de parámetros geométricos y también debido al bajo costo actual de los diodos
láser necesarios para generarlo.
Esto se puede lograr modificando la arquitectura del cabezal de lectura con respecto a la
que llevan los codificadores actuales, incorporando un diodo láser, un difusor unidimensional
y un nuevo diseño de máscara que se esquematizarán en la sección “Diseño experimental y
métodos”.
3.2 Señal de referencia
El objetivo fundamental de esta etapa consistirá en implementar un sistema de generación
de señales de referencia de manera que ajuste a los requisitos de resolución (3 micrones
mínimo) que se pretende lograr.
Los haces no difractivos [9] se presentan actualmente como una nueva posibilidad también
debido al bajo costo de los diodos láser. En la última década, los haces no difractivos fueron
intensamente investigados por sus promisorias aplicaciones, entre otras, en atrapamiento de
partículas,
trazadores,
interconexiones
ópticas,
microlitografía
(aumentando
significantemente la profundidad de foco). Los haces no difractivos (o haces de Bessel) se
pueden generar usando aperturas anulares, algunos elementos ópticos cónicos,
hologramas, óptica difractiva, etc. [10-17].
No hay actualmente a nuestro conocimiento aplicaciones en el tema de codificadores
ópticos y entendemos que esto es naturalmente debido a que los cabezales tradicionales no
llevan láseres incorporados, sino que utilizan fuentes de luz incoherente (LED’s). Como en la
generación de la señal incremental se utilizará un láser, esta etapa de generación de la
señal de referencia no implicará ningún costo adicional. Entendemos que esta será una
manera óptima de generarla.
La otra opción ya estudiada y demostrada por nosotros (aunque con un costo mayor) es
mediante el uso de difusores simétricos [18] y correlación electrónica, se implementará en el
caso de que la hipótesis de idoneidad de los haces no difractivos para generarla presente
inconvenientes insalvables.
5
4 Relevancia del problema
La medida precisa del desplazamiento es absolutamente necesaria en la tecnología actual.
Dependiendo de la aplicación, existe una enorme variedad de dispositivos que miden el
desplazamiento de unos objetos con respecto a otros, de manera absoluta o relativa, con
dichos objetos en movimiento (tiempo real) o quietos. De entre todos los dispositivos
capaces de medir movimiento o desplazamiento, un grupo especialmente importante es el
de los codificadores o transductores de movimiento. Un codificador es un dispositivo que
mide en tiempo real el desplazamiento de un objeto respecto de otro, normalmente entre
dos partes móviles de otro sistema del cual, el codificador puede considerarse como
subsistema. Un ejemplo típico lo constituye un motor eléctrico: el eje del motor gira respecto
de su carcasa. Un codificador (de rotación en este caso) conectado al eje medirá su
desplazamiento angular. Otro ejemplo típico es el de las máquinas-herramienta (tornos,
fresadoras, rectificadoras, etc.)
Estas máquinas poseen elementos móviles que desplazan herramientas de corte sobre
piezas u objetos en proceso de mecanización. Para medir, por ejemplo, el desplazamiento
del carro de un torno respecto de la bancada, se utilizan codificadores de movimiento lineal.
Los codificadores informan a los operarios de las máquinas, o a los sistemas de control que
gobiernan dichas máquinas, de la posición relativa o absoluta de las partes móviles. Esta
información es imprescindible si se desea controlar el trabajo de la máquina de manera
automática. En caso de no precisar o no ser posible el automatismo, los codificadores
vienen a sustituir a los husillos junto con las escalas graduadas y los verniers, como un
medio mucho más eficiente y práctico de visualizar la posición o el estado de movimiento.
Son innumerables las aplicaciones en las que los codificadores de movimiento son
insustituibles:
 Máquina-herramienta.
 Orientación de sistemas de apuntamiento (p.ej., antenas, radares, telescopios, etc.).
 Robots o sistemas robotizados (cadenas de producción, sistemas autónomos).
 En general, cualquier dispositivo de movimiento controlado (motion control).
Podríamos afirmar que la codificación óptica está en la base de gran parte de la industria y
la tecnología actuales. Es un negocio que mueve anualmente 3000 millones de dólares a
escala mundial, y las tecnologías que permiten aumentar la precisión, resolución y fiabilidad
de estos sistemas, son de una gran importancia estratégica. Es por tanto un campo en el
que se invierte un gran esfuerzo en I+D y en el que se producen avances continuos a
medida que aumentan los requerimientos de precisión por parte de la industria.
Este proyecto surge como la integración de una labor de muchos años en el tema de la
dispersión de luz (aprovechando la experiencia acumulada por el grupo responsable en el
tema del speckle o granularidad láser) y la estadía post-doctorado del investigador
responsable en España en el tema de los codificadores ópticos.
6
5 Resultados preliminares y aportes del grupo
Los integrantes del Grupo responsable tenemos nuestra formación y la mayoría de los
antecedentes científicos de investigación en el tema de análisis de la luz dispersada,
implicando esto las propiedades tanto de las superficies que la dispersan como la
estadística de las figuras de intensidad que produce (speckle) y la relación entre las
propiedades de una y otra, teniendo más
de
20
artículos
en
revistas
diodo laser
y
internacionales con referato en el tema.
difusor
Los trabajos sobre detección de defectos
en alambres fueron seleccionados como
x
novedad tecnológica en la sección
red
"Photonics Technologic World" de la
revista Photonics Spectra, Septiembre
z
de 2000, pp. 48-49, y particularmente el
máscara
investigador responsable ha recibido un
premio
internacional
por
sus
contribuciones en este tema [19].
El tema de los codificadores ópticos fue
detector
incorporado en el año 2002 a las líneas
de investigación del laboratorio, fruto de
un
posgrado
del
investigador
responsable en el Grupo de Óptica
Figura 1. Esquema del sistema
Aplicada de la Universidad Complutense
propuesto para la generación de la
de Madrid, de amplia experiencia en
señal incremental.
codificadores ópticos y en ese entonces
(actualmente también) con proyectos cofinanciados por la empresa Fagor Automation S. Coop., de reconocido liderazgo a nivel
mundial en ese campo de la tecnología. Como resultado de ese trabajo fue publicado el
artículo ya citado en la Ref. 18. Desde entonces, se han explorado y estudiado algunas
configuraciones experimentales relacionadas con el tema de los codificadores que logran
obtener señales estrechas con una técnica de doble dispersión [20] y que han permitido
caracterizar la estructura del speckle para el campo cercano [21].
Estos trabajos previos han llevado al diseño de una configuración como la mostrada en la
Figura 1 que detalla esquemáticamente el sistema ideado para generar la señal incremental
del codificador. El láser atraviesa un difusor aleatorio y la figura de speckle generada
atraviesa una red de difracción que de alguna manera modula esta figura de intensidad. El
patrón resultante se registra con el detector luego de haber pasado por una máscara. Con
este dispositivo se han logrado generar señales
a la salida del detector que son muy
promisorias, casi las ideales que se requieren
para la salida de un codificador óptico
incremental (esto es, dos señales senoidales
en cuadratura) y son uno de los motivos que
nos han llevado a presentar este proyecto.
De momento, se ha usado como detector una
cámara CCD y la máscara se ha simulado
mediante algoritmos sobre la matriz de
intensidad que representa la imagen.
En la figura 2 se representa el coeficiente de
correlación de una imagen de referencia con
las imágenes obtenidas para distintas
posiciones de la red (representadas en el eje
Figura 2. Señal a la salida del sistema
horizontal, las unidades son 0.1 micrones). El
representado en la figura 1, en función del
período de la red utilizada fue de 3.3 micrones
desplazamiento de la red. Las unidades del
y fue desplazada en la dirección x de la Fig. 1.
eje x son décimos de micrón.
7
6 Construcción de la hipótesis y justificación general de la
metodología de trabajo
El desarrollo del siguiente proyecto involucra dos etapas que son prácticamente
independientes pero que finalmente deben ser integradas en un único dispositivo. En esta
sección entonces describiremos el método a aplicar en tres partes: primero las secuencias
de tareas para la generación de la señal incremental, luego la de la generación de la señal
de referencia y finalmente la construcción del dispositivo integrado.
6.1 Generación de la señal incremental.
En primer lugar es imprescindible hacer un estudio teórico (analítico o numérico) y
experimental de la influencia de cada una de las partes involucradas en la característica de
esta señal, esto incluye:
 Propiedades estadísticas del difusor que genera la figura de speckle.
 Estabilidad de la figura de speckle en función de la temperatura del láser y en función
del tiempo.
 Perfil óptimo de la red de difracción para obtener una señal sinusoidal a la salida del
detector, esto es crítico para asegurar luego una buena interpolación electrónica.
 Optimización de la máscara para obtener las señales en cuadratura de acuerdo a los
estándares de los codificadores incrementales.
Es necesario también sortear simultáneamente las siguientes etapas experimentales de
construcción:
 Construcción del difusor unidimensional con las características deseadas con técnicas
en fotoresinas, de manera similar a los que ya presentamos en la referencia [18].
 Construcción de la red de difracción.
 Construcción de la máscara del fotodiodo.
Superadas estas etapas será imprescindible estudiar experimentalmente la estabilidad del
sistema ante inclinaciones relativas de la regla y el cabezal y las tolerancias de montaje.
Finalmente se experimentará en la máxima interpolación electrónica posible de las señales
en cuadratura obtenidas.
6.2 Generación de la señal de referencia.
El trabajo comenzará con la implementación de un elemento óptico (de fase o amplitud)
construido sobre fotoresinas capaz de generar un haz no difractivo. Para ello se evaluará
teóricamente la conveniencia del tipo de elemento que se implementará (geometría,
distribución de fase, distribución de amplitud).
Se estudiará luego experimentalmente la distribución espacial de intensidad producida por él
y se comparará con las previsiones teóricas.
Se estudiará experimentalmente la estabilidad de la características del perfil de intensidad
ante inclinaciones del elemento óptico con respecto al haz incidente.
Finalmente, se estudiará la máscara de detección óptima, cuya convolución produzca la
señal de referencia buscada.
6.3 Integración de las dos señales
Para realizar esta última etapa será necesario integrar en el diseño del cabezal las dos
etapas anteriores, es decir el difusor unidimensional y el elemento óptico generador del haz
no difractivo para ser iluminados con el mismo láser, y en el sector de detección del mismo
cabezal, las máscaras y detectores de cada etapa.
Luego hay que diseñar el control de todo el dispositivo y finalmente el diseño y construcción
de un prototipo.
8
7 Diseño experimental y métodos
El esquema que se mostró en la figura 1 incluye los elementos fundamentales que formarán
la parte que genera la señal de referencia del codificador propuesto. La red o regla es el
patrón a ser explorado optoelectrónicamente y el resto de los elementos (láser, difusor,
máscara y detector) conforman el cabezal que se desplazará sobre la red y dará a la salida
la señal incremental.
Con una configuración similar (figura 3) se espera generar también la señal de referencia. El
láser incide sobre el elemento óptico difractivo (EOD) que va montado en lo que se pretende
que sea la posición de referencia o cero de la regla, lo que genera el haz de Bessel que
luego de atravesar la máscara llega al
laser
detector.
y
EOD
Estas dos etapas que se desarrollarán en
forma separada serán luego integradas
en un único sistema que consistirá en:
x
1. La regla: Formada por la red de
difracción y el EOD generador del haz nodifractivo. En caso de ser deseable contar
con varias marcas de referencia,
simplemente se colocan en la regla
máscara
varios de los EOD en las posiciones que
se quieren.
2. El cabezal: Que incluye el láser, el
difusor, los detectores y las máscaras.
A continuación se describen con detalle
detector
el método para superar las distintas
etapas en el diseño y construcción de la
regla y el cabezal. La subdivisión no es
Figura 3. Bosquejo del sistema propuesto para
cronológica sino que sigue un orden
la generación de la señal de referencia.
temático, la secuencia temporal tentativa
de las distintas etapas puede verse en la
sección 8.
7.1 Estudios teóricos iniciales
Como se comentó en la sección 5, las configuraciones y resultados preliminares son muy
promisorios en cuanto a las capacidades de generación de la señal incremental, como se ve
en la figura 2. Sin embargo, antes de optar por un diseño particular de cada uno de los
componentes que intervienen y de la configuración relativa entre ellos es imprescindible
realizar un estudio teórico que dé información cuantitativa acerca de cómo se modificarán
las señales de salida al variar los parámetros involucrados en el sistema.
Difusor
Debe ser un difusor unidimensional para garantizar que el sistema sea indiferente a
desplazamientos en el eje y (figura 1). Se pretende además cierta constancia en el tamaño
transversal del patrón de speckle con la distancia entre el difusor y la red.
El tamaño transversal promedio de la figura de speckle producido por un difusor depende de
la ángulo sólido subtendido por el área efectiva del difusor que está dispersando luz hacia el
punto de observación. A distancias cortas este ángulo (y por lo tanto también el tamaño
promedio del grano de speckle producido) es constante. Este estudio ya ha sido realizado
[21]. Se estudiará en este proyecto la dependencia de la estructura longitudinal promedio
como función de la distancia y los parámetros estadísticos del difusor.
Red
Se hará el estudio teórico en forma analítica en caso de ser posible una aproximación
adecuada y en forma numérica en caso contrario. El objetivo es encontrar el perfil de fase
óptimo que debe tener la red para que la distribución de intensidad en el detector sea tal que
produzca una señal senoidal al ser correlacionada con una distribución de referencia.
9
EOD
Para la elección del elemento óptico difractivo (EOD) que generará el haz no difractivo (o de
Bessel) se hará un estudio teórico de la estabilidad del haz producido ante inclinaciones
relativas al cabezal (es decir con respecto al eje determinado por el haz láser incidente), lo
cual es un punto crítico para las tolerancias de montaje. Otro criterio importante para la
selección del EOD será el tamaño que deberá tener para generar un haz de Bessel con un
perfil del orden del micrón.
Máscaras
El cabezal del codificador óptico propuesto llevará dos detectores y dos máscaras (Figs. 1 y
3). La máscara (o las máscaras más propiamente dicho, como se explicará en la sección
7.3) correspondiente a la señal incremental no se estudiará teóricamente, ya que será el
positivo de una distribución de intensidad de referencia. Fue con esa máscara simulada en
la CCD que se obtuvo la señal de la figura 2.
Para la máscara correspondiente al sistema de la generación de la señal de referencia, se
estudiará mediante técnicas de algoritmos de inversión el diseño óptimo que al
convolucionarla con el haz de Bessel generado por el EOD permita obtener una señal
estrecha (igual o menor que el ancho a mitad de altura del haz no difractivo). En este punto
serán válidos valores negativos para la máscara, ya que se puede reemplazar en el
dispositivo final el sistema máscara-detector mediante geometrías de detección, como se ha
introducido hace poco tiempo en algunos diseños nuevos [22].
7.2 Estudios experimentales iniciales
Este es un punto central del proyecto. Todos los ensayos de estabilidad y tolerancias tienen
que ser superados para pasar a la etapa de integración de los distintos elementos que
compondrán el codificador, el tiempo estimado para superar esta fase del proyecto se
estima en aproximadamente un año. El subsidio solicitado se invertirá esencialmente en el
equipamiento que permite controlar con precisión desplazamientos en XZ (Figura 1) y
rotaciones alrededor del eje Y.
Para cada uno de los elementos ópticos se hará un arreglo experimental similar que
consistirá en montarlo sobre las 3 platinas, las 2 de desplazamiento (XZ) y la de rotación
(alrededor del eje Y) según los ejes de las figuras 1 y 3, e investigar la variación en la
respuesta que se pretende ante los distintos desplazamientos y rotaciones. Esto es muy
sencillo de describir pero llevará una carga horaria muy grande para garantizar la precisión
de la alineación en cada experiencia y explorar exhaustivamente todas las tolerancias de
montaje.
Señal incremental
Se estudiará la variación de la estructura longitudinal del grano de speckle producido por el
difusor en función del desplazamiento con una técnica de doble dispersión, de manera
similar a la que se hizo en el trabajo de la referencia [21].
Para el par difusor-red se ensayará cómo varía la figura de intensidad en el detector al variar
la separación entre ellos y las inclinaciones relativas. Se evaluará la dependencia de la
correlación en función de estas variaciones. En esta etapa la máscara se simulará por
software sobre los pixeles de la CCD.
Señal de referencia
Se estudiará la variación de la estructura transversal y longitudinal del haz de Bessel
producido por el (o “los” en el caso de tener más de una posibilidad surgida del estudio
teórico) EOD ante desplazamientos y rotaciones.
Se simularán las distintas máscaras surgidas del estudio teórico por software sobre los
pixeles de la CCD para el sistema alineado y para cada una de las “perturbaciones”
introducidas por los desplazamientos y la rotación.
Para las dos señales, la incremental y la de referencia se ensayarán las prestaciones de la
señal obtenida en función de la temperatura.
10
7.3 Optoelectrónica
El cabezal del codificador óptico propuesto para obtener la señal incremental y la de
referencia, lleva esquemáticamente dos detectores y dos máscaras correspondientes a los
de las figuras 1 y 3.
La máscara correspondiente a la señal incremental estará compuesta en realidad por cuatro
partes (lo mismo el detector), de manera de cumplir con los estándares que se utilizan en la
actualidad. La señal incremental consiste en dos señales en cuadratura, que permiten leer
simultáneamente el sentido y la magnitud del desplazamiento del cabezal. Para lograr que
cada una de estas dos señales en cuadratura sea independiente de la luz ambiente que se
filtra a los detectores, se generan mediante una configuración diferencial, como la que se
muestra en la figura 4.
Figura 4. Un detector comercial estándar actual para
codificadores ópticos incrementales de la empresa iC-Haus.
Este arreglo monolítico de 5 detectores permite obtener las dos señales de cuadratura (que
llamaremos A y B) y la señal de referencia Z. Dos de los detectores con dos máscaras que
produzcan un desfasaje en 180º en las señales generarán al restarse la señal diferencial A
(detectores DPA y DNA en la figura 4) y, similarmente, los otros dos (detectores DPB y
DNB) generarán la señal B, que además está desfasada 90º con la señal A. Debido a esta
configuración diferencial y la construcción monolítica, la corriente de oscuridad está en el
rango de los nA y permite operar con temperaturas de hasta 125 ºC.
Para generar entonces las señales A y B, se construirán las 4 máscaras mediante un
registro fotográfico de la figura de intensidad producida por el sistema láser-difusor-red
sobre el detector para 4 posiciones de la red en el eje x de la figura 1. Si tomamos X = 0,
para la posición de la red que generará el patrón de intensidad para la máscara del detector
DPA, las máscaras para los detectores DPB, DNA y DNB se obtendrán para las posiciones
de red X = ¼ P, X = ½ P y X = ¾ P, donde P es el período de la red.
La máscara para el detector que dará la señal de referencia, en cambio, será diseñada por
computadora habiendo optimizado el diseño previamente como se indicó en el párrafo
anterior e implementada mediante técnicas de microlitografía.
7.4 Electrónica y control.
Interpolador Electrónico
El objetivo del interpolador consiste en aumentar la resolución del sistema a través de un
procesamiento electrónico de la señal incremental suministrada por el sistema optoelectrónico. Además, mediante la señal de referencia y el empleo de un contador interno
puede utilizarse para registrar el desplazamiento total realizado, así como detectar
posiciones específicas de desplazamiento.
Para asegurar el correcto funcionamiento del interpolador es necesario que las señales a
interpolar sean sinusoides puras, o con un grado muy bajo de distorsión de forma. De este
11
modo, dependiendo del circuito utilizado, es posible realizar entre 2 y 1000 interpolaciones
dentro de cada periodo de la señal procedente del sistema opto-electrónico, aumentando en
consecuencia en la misma cantidad de veces la resolución espacial del codificador.
Asimismo, la interpolación debe ser estable para un gran rango de frecuencias de la señal
incremental suministrada por el sistema opto-electrónico (0 Hz – 100kHz).
El estudio consistirá en efectuar un análisis comparativo de distintos circuitos integrados
comerciales. Son escasas las firmas que comercializan este tipo de dispositivos (Ic-Haus,
GEMAC, ETICs) ya que por lo general su aplicación esta restringida a tecnologías muy
especificas. Las variables a tener en cuenta serán: el número máximo de interpolaciones por
periodo, el nivel de tolerancia a distintos tipo de distorsiones en la señal de entrada (forma,
amplitud, fase, etc.), el rango dinámico de respuesta del sistema, la disponibilidad y el costo.
Para realizar el estudio se
propone construir un módulo
de generación de señales de
prueba a ser utilizado según el
Generador
esquema de la figura 5.
de Señales
Interpolador
La tecnología mediante la cual
de Prueba
se implemente el modulo de
generación
de
señales
dependerá específicamente de
Figura 5. Esquema de ensayo para el
la prueba que se realice. Para
interpolador.
realizar pruebas de baja
frecuencia (<10kHz) en las
cuales se desee determinar el nivel de tolerancia ante distintos tipos de distorsiones en la
señal de entrada se utilizará un sistema compuesto principalmente de un conversor digitalanalógico de alta resolución y un microcontrolador. De esta manera es posible almacenar en
memoria señales de forma casi arbitraria para luego utilizar las mismas en la generación de
señales de prueba para el Interpolador. Los resultados obtenidos pueden ser almacenados
en un osciloscopio digital, para ser luego analizados en detalle.
Es posible que esta solución no sea satisfactoria para realizar pruebas de rango dinámico,
en cuyo caso se utilizarán circuitos convencionales de generación de señales sinusoidales y
una red de inversión de fase y ajuste de ganancia.
Este trabajo será una de las tareas específicas del becario de doctorado asignado al
proyecto quien deberá tener una formación equivalente a un título de grado en Ingeniería
Electrónica o superior.
Control
Para realizar la implementación del prototipo será necesario contar con un sistema capaz de
controlar el movimiento del cabezal respecto a la regla (red de difracción fija). El objetivo del
algoritmo de control utilizado consistirá en efectuar el movimiento entre dos puntos
determinados en el menor tiempo posible y considerando la minimización e inclusive la
eliminación de las posibles oscilaciones en el entorno de la posición de destino (proceso de
frenado), a la vez que se espera que las señales de control permanezcan acotadas.
Para el desarrollo del mismo se comenzará por realizar una modelización física de la
mecánica del movimiento, para pasar luego a la etapa de síntesis en la cual se utilizaran
técnicas de control óptimo y control robusto con el fin de obtener un sistema confiable y
capaz de rechazar distintos tipos de perturbaciones (rozamientos, ruido de medición, etc.)
Este trabajo será una de las tareas específicas del becario de doctorado asignado al
proyecto. Además, se cuenta con el apoyo del cuerpo de profesores y auxiliares del área de
Control del Departamento de Electrónica de FIUBA.
La implementación del sistema podrá ser realizada en tiempo real mediante la utilización de
un microcontrolador o alguna tecnología similar (DSP, etc). Los resultados obtenidos serán
contrastados con los sistemas comerciales de posicionamiento de máquinas-herramientas
(tornos, fresas, etc.), radares, telescopios y demás sistemas que utilicen lazos de control con
objetivos de rendimiento similares, y se espera alcanzar un desempeño equivalente al
observado en dichos casos. Las variables a considerar serán: tiempo de respuesta,
estabilidad y las características asociadas al desplazamiento durante el proceso de
arranque, recorrido y frenado (aceleración , velocidad, etc.)
12
7.5 Tecnologías de fabricación de los elementos ópticos
Para las etapas de construcción de los elementos ópticos involucrados en este proyecto
(difusor unidimensional, red de difracción, generador de haz no difractivo y máscaras)
tenemos acceso a dos tecnologías distintas de fabricación.
En primer lugar, contamos con la colaboración del Grupo de Óptica Aplicada de la
Universidad Complutense de Madrid (UCM), en donde disponen de un equipo de
microlitografía. Este equipo consiste en una mesa antivibratoria dispuesta en una sala
limpia. Sobre ella se ubica la plataforma de trabajo que tiene posibilidad de desplazamiento
independiente en los 3 ejes XYZ, y también la posibilidad de rotación independiente. Todos
estos movimientos son controlados desde una PC y están montados sobre cojinetes de aire.
Sobre la plataforma se ubica el sistema para grabar sobre la resina fotosensible que
consiste en un láser, un sistema auto-foco y una celda acusto-óptica que controla la
intensidad del láser. Con este equipo cualquier diseño generado en la computadora puede
ser plasmado en resina y luego ser recubierto con distintos tipos de materiales. La precisión
con la que está trabajando este equipo es de 8 micrones y es posible operar con la mitad de
la resolución, cambiando el objetivo de enfoque del láser y reajustando el auto-foco.
Por otro lado, en el Grupo de Óptica Difractiva de la Universidad de Campinas (UNICAMP),
San Pablo, Brasil, disponemos de un equipo de interferometría holográfica con diferentes
posibilidades de montaje de acuerdo a la aplicación requerida. En la figura 6 se muestra la
configuración para grabar redes de difracción con resoluciones de hasta 0.4 micrones y en
la figura 7 se muestran fotografías de 2 redes obtenidas con un microscopio de barrido
electrónico.
Figura 6. Dispositivo de interferometría holográfica para el grabado de
redes de difracción.
Figura 7. Fotografías de dos redes obtenidas con la configuración de la
figura 6. A la izquierda una red de TiO2 sobre un sustrato de vidrio;
período: 1 m, altura: 0.48 m, espesor: 0.1 m. A la derecha una red
grabada en fotorresina sobre un sustrato de vidrio, obtenida con un
proceso de revelado no lineal. Período: 0.79 m, profundidad: 0.8 m.
13
Para el control de la calidad de los elementos producidos se dispone de un microscopio de
fuerza atómica (AFM) y de un microscopio electrónico de barrido (SEM).
La institución beneficiaria de este proyecto posee convenios marcos con ambas
universidades y más en particular, la Dra. Cescato (directora del Grupo de Óptica Difractiva,
UNICAMP) es integrante del grupo de colaboradores de este proyecto. El Dr. E. Bernabeu
(Director del Dpto. de Óptica de la UCM), fue quien invitara a participar al Investigador
Responsable de este proyecto a realizar los estudios de posdoctorado en su grupo de
investigación en el tema de codificadores ópticos en el año 2001.
7.6 Integración de todos los componentes
En la etapa final del proyecto, que se estima será el último año, se realizará el ensamblado
de las distintas partes que conformarán el cabezal de lectura y la regla.
Dentro del rango de las distancias óptimas de funcionamiento se privilegiará el diseño de
menor tamaño y de más sencillo montaje, es decir, que tenga las máximas tolerancias
posibles.
En el sector de emisión del cabezal, el mismo diodo láser deberá proveer luz para el difusor
(que estará dentro del cabezal) y para el EOD (en la regla). Si los requisitos de
funcionamiento que surjan de la etapa de ensayos experimentales lo permite, se intentará
que esta doble iluminación se obtenga simplemente con la abertura angular del diodo láser.
En caso contrario, se implementará mediante un divisor de haz. El costo del divisor es
mínimo, pero involucra trabajo de alineación (horas hombre) que es lo que determinará
principalmente el precio final de un equipo comercial.
Se prevé que en esta fase de desarrollo sea necesario el servicio especializado de terceros
en la integración del EOD con la red de difracción en lo que será la regla y en el diseño y
construcción del prototipo pre-industrial del cabezal. Contamos para ello con el interés de
empresas como Micro-Mess S.R.L. (se adjunta documentación) que fabrica y comercializa
instrumentos de medición. El objetivo específico de este primer modelo es lograr un
recorrido total estimado de 300 mm, una resolución de 0.1 m y una velocidad del orden de
desplazamiento de 1 m/s.
14
8 Cronograma tentativo de actividades
1er Año
(Trimestres)
1 2 3 4
Actividad
Actualización Bibliográfica
Estudio teórico para optimizar el difusor
unidimensional
Estudio teórico para optimizar la red de difracción
Estudio teórico para optimizar la máscara de
detección.
Estudio teórico para optimizar el elemento óptico
difractivo generador del haz de Bessel
Construcción de los diversos elementos ópticos
Estudio experimental de la estabilidad ante
distintas inclinaciones y desplazamientos de la
señal incremental.
Estudio experimental de la estabilidad del haz de
Bessel ante inclinaciones con respecto al haz
incidente.
Diseño de la máscara para la detección de la señal
de referencia.
Interpolación electrónica de la señal incremental.
Integración en el diseño del cabezal
Diseño del control del dispositivo
Diseño y construcción de un prototipo
Estudio experimental del rendimiento final del
sistema
Publicación de resultados
15
2do Año
(Trimestres)
5 6 7 8
3er Año
(Trimestres)
9 10 11 12
9 Importancia de los resultados a obtener
9.1 En el área específica del proyecto
Es difícil clasificar el proyecto en un área particular, ya que la investigación propuesta tiene
una fuerte carga de óptica física y otra fuerte carga de ingeniería electrónica, por lo que el
nombre más adecuado para la subárea sería "Optoelectrónica".
En esta disciplina el proyecto aportará estudios teóricos que no se encuentran todavía en la
literatura (necesarios para la implementación y optimización del codificador) principalmente
en el área de la óptica física y también hará aportes de diseño de geometrías de
fotodetectores y máscaras en el campo de la tecnología electrónica.
Específicamente, en el área de codificadores ópticos incrementales se introducirá una nueva
tecnología y se espera aumentar la resolución base (sin interpolar) de este tipo de
codificadores en alrededor de 10 veces con respecto a la resolución actual .
9.2 En el sector productivo / socio-económico
El desarrollo de este proyecto permitirá producir un equipo con un valor final que tiene una
fuerte componente de valor agregado y muy poco de materia prima.
Se espera poder plasmar los logros de este proyecto en derechos de propiedad intelectual,
patentando algunos de los resultados.
En el mediano o largo plazo la producción de este codificador requerirá asociar medianas
empresas y permitirá el reemplazo de los equipos importados que se utilizan en la
actualidad en nuestro país.
Podemos afirmar que la codificación óptica está en la base de gran parte de la industria y la
tecnología actuales. Es un negocio que mueve anualmente 3000 millones de dólares a
escala mundial, y las tecnologías que permiten aumentar la precisión, resolución y
confiabilidad de estos sistemas, son de una gran importancia estratégica.
9.3 En la institución beneficiaria
En el corto plazo, este proyecto permitirá la formación de recursos humanos en
investigación, con una clara orientación tecnológica mediante la beca solicitada y también
por la participación de alumnos en el proyecto como parte de sus materias finales (Trabajos
de laboratorio, tesis, trabajos profesionales).
La formación de ingenieros o físicos con esta inquietud constituirá una necesidad
fundamental para el progreso del modelo de elaboración nacional de productos industriales
con alto valor agregado.
A mediano y largo plazo este proyecto dará la posibilidad de interactuar con medianas
empresas demostrando la necesidad de que la industria demande a la universidad
soluciones tecnológicas de alto nivel de desarrollo.
Por último la aprobación de este proyecto también permitirá financiar los viajes necesarios
para hacer efectiva la vinculación con otros grupos de investigación a nivel internacional, lo
cual es imprescindible en la actualidad para el intercambio de información inherente a
cualquier desarrollo tecnológico de punta. Nuestros lazos particulares son con el Laboratorio
de Óptica Difractiva de la Universidad de Campinas (Brasil) que dirige la Dra. L. Cescato,
que está dentro del grupo de colaboradores del presente proyecto y con el Grupo de Óptica
Aplicada de la Universidad Complutense de Madrid, dirigido por el Dr. E. Bernabeu, quien
invitara a participar al Investigador Responsable de este proyecto a realizar los estudios de
posdoctorado en su grupo de investigación en el tema de codificadores ópticos en el año
2001.
El fortalecimiento de estos vínculos permitirá utilizar las instalaciones de estos dos grupos y
facilitará el intercambio académico con profesores de reconocida trayectoria y que están
actualmente investigando en tecnologías de punta, permitiendo a los alumnos de la
institución beneficiaria tener acceso a estos conocimientos.
16
10 Referencias
1. K. Patorski, Handbook of the Moire fringe technique, Elsevier, Amsterdam (1993).
2. L. Wronkowski, “Diffraction model of an optoelectronic displacement measuring
transducer”, Opt. Las. Tech. 27, 81-88 (1995).
3. E. Lau, “Beugungserscheinungen an Doppelrastern”, Ann. Phys., 6, 417-423 (1948).
4. D. Crespo, J. Alonso, T. Morlanes and E. Bernabeu, “Optical encoder based on the
Lau effect”, Opt. Eng. 39, 817-824 (2000).
5. G. Swanson and E. Leith, “Analysis of the Lau effect and generalized grating
imaging”, J. Opt. Soc. Am. A 2, 789-793 (1985).
6. X. Yang, C. Yin, “A new method for the design of zero reference marks for grating
measurement systems”, Journal of Physics-E (Scientific-Instruments). 19, nº.1,.34-7,
(1986).
7. L. Yajun, “Design of zero reference marks for grating measurement systems: a new
method”, Measurement Science & Technology, 1,nº.9, 848-51, (1990).
8. Laser Speckle and related Phenomena, edited by J. C. Dainty, Vol. 9 of Topics in
Applied Physics, Springer-Verlag, Berlin (1984).
9. J. Durnin, J. Opt. Soc. Am. A 4, 651 (1987).
10. A. J. Cox and D. C. Dibble, J. Opt. Soc. Am. A 9, 282 (1992)
11. J. Rosen, B. Salik, and A. Yariv, J. Opt. Soc. Am. A 12, 2446 (1995).
12. J. A. Davis, E. Carcole, and D. M. Cottrell, Appl. Opt. 35, 599 (1996).
13. J. A. Davis, E. Carcole, and D. M. Cottrell, Appl. Opt. 35, 2159 (1996).
14. A. Vasara, J. Turunen, and A. T. Friberg, J. Opt. Soc. Am. A 6, 1748 (1989).
15. W.-X. Cong, N.-X. Chen, and B.-Y. Gu, J. Opt. Soc. Am. A 15, 2362 (1999).
16. E. M. Frins, J. A. Ferrari, A. Dubra, and D. Perciante, Opt. Lett. 25, 284 (2000).
17. J. A. Ferrari, E. Garbusi and E. M. Frins, “Generation of nondiffracting beams by
spiral fields”, Physical Review E 67, 036619 (2003).
18. F. Perez Quintián, J. Alonso Fernández, J. Atencia, E. Bernabeu, “Zero reference
signal using speckle”, Applied Optics Vol. 42, No. 3, pp. 6797-6803 (Dec. 2003)
19. ICO/ICTP (International Commission for Optics / International Centre for Theoretical
Physics) Award, 2001. (Reconocimiento a investigadores menores de 40 años de
países en desarrollo que hayan hecho contribuciones significantes en el campo de la
óptica http://www.ictp.trieste.it/~sci_info/awards/ICO/ICO.html).
20. “Surface characterization from doubly scattered light”, F. Perez Quintián and M. A.
Rebollo. Applied Optics, Vol. 44, No. 5, pp. 2884-2887 (May 2004).
21. “Speckle pattern illumination: two applications” F. Perez Quintián and M. A. Rebollo.
Proceedings of the SPIE, Vol 5622 [5622-264] (Oct. 2004).
22. T. Morlanes, D. Crespo, J. Alonso. Patente Española 200001496. ”Disposición
Optoelectrónica de Fotodetectores para la Medición de Longitud” (2000).
17

Documentos relacionados