Diseño de circuitos integrados en tecnologías cmos para adquisición y procesamiento de señal en codificadores ópticos de posición basados en técnicas interferenciales.

• Autores: Betsaida Alexandre Barajas
• Directores de la Tesis: Gustavo Liñán Cembrano (dir. tes.), Elisenda Roca Moreno (dir. tes.), Ángel Benito Rodríguez Vázquez (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Servando Espejo Meana (presid.), Rocío del Río Fernández (secret.), Rafael Jesús Navas González (voc.), Ricardo Carmona Galán (voc.), Fernando Vidal Verdú (voc.)
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• Resumen

  • En los últimos años, con los importantes avances realizados en los sensores de imagen en tecnologías CMOS, se han obtenido prestaciones similares a las que se ofrecían con la tecnología CCD, con las ventajas de que se puede incluir más circuitería y funcionalidad, además de obtener en un mismo sustrato sensado de la imagen y procesamiento, logrando sistemas más versátiles con menor consumo de potencia. Esta bondad, es lo que ha permitido el desarrollo de nuevos sistemas de visión. Este tipo de soluciones, se denominan sistemas de visión ¿on-chip¿ (Vision System on-Chip, VSoC). Existe una amplia variedad de dispositivos capaces de medir movimiento o desplazamiento, un grupo especialmente importante es el de los codificadores ópticos lineales. Fueron los primeros utilizados en máquinas de alta precisión y en la actualidad siguen siendo muy empleados en aplicaciones industriales, por ser muy fiables y capaces de alcanzar altas resoluciones. Entre los codificadores ópticos lineales, existe un grupo muy utilizado en la industria, especialmente en las aplicaciones máquinas-herramienta, conocido como codificadores ópticos lineales basados en formación de imagen.

    Estos codificadores poseen una regla o guía y una cabeza lectora, la cual está atada al objeto en movimiento. El funcionamiento de estos sistemas se cimenta en el uso de sistemas de doble difracción, donde un haz de luz (con diferentes características según la configuración) pasa consecutivamente por dos redes de difracción, identificadas como regla y máscara. A una cierta distancia de la segunda red, es decir de la máscara, se forma una figura de franjas que se desplaza en el plano de observación. La medida del desplazamiento del codificador es igual al movimiento que experimenta la figura de franjas, el cual depende del desplazamiento relativo entre las dos redes. El principal problema en estos dispositivos radica en poder detectar de una forma eficaz el desplazamiento de la figura de franjas que se forma.

    El presente trabajo de investigación ofrece a los codificadores ópticos lineales la posibilidad de incluir sensores de imagen fiables e inteligentes; con óptimos consumos de potencia, los cuales puedan ser integrados en las máquinas herramientas (tornos, fresadores, rectificadores, etc). La investigación ha sido desarrollada en el marco de un proyecto industrial CENIT ¿eEe Tecnologías Avanzadas para los Equipos y Procesos de Fabricación de 2015, a través de un contrato subscrito entre el IMSE-CNM y Fagor Automation.

    En esta tesis se reporta un prototipo de VSoC, diseñado y fabricado en una tecnología CMOS de 0,35µm, denominado FPOD200, capaz de medir el desplazamiento con precisión en las cabezas lectoras de los codificadores ópticos lineales para máquinas-herramienta industriales usando técnicas interferenciales. El chip ha sido diseñado teniendo en cuenta las fuertes restricciones de diseño impuestas por la aplicación. Presenta dos bloques principales uno analógico, que constituye el núcleo principal del FPOD200 y uno digital encargado de las tareas necesarias, tales como comunicación, decodificación, configuración, entre otras, para que el bloque analógico realice sus funciones correctamente. El bloque digital aunque está dentro del VSoC, no forma parte de este trabajo de investigación, correspondiendo a otro trabajo de tesis doctoral realizado en el grupo de investigación.

    El bloque analógico del FPOD200, incluye un procesador de plano focal compuesto principalmente por un arreglo unidimensional (1-D) de 200 píxeles principales, los cuales incluyen el elemento fotosensor y circuitería de procesamiento. Estos píxeles trabajan en tiempo continuo, por lo que tanto el sensado de la luz como el procesamiento de la señal se diseñaron en tiempo continuo. Su función principal es implementar la correlación de las corrientes fotogeneradas, y las máscaras de correlación que modelan las geometrías óptimas de detección. Para lo cual se desarrollaron escaladores de corriente cuyos coeficientes se almacenan localmente en cada píxel. También incluye 3 filas de 100 fotosensores funcionando en modo integración a través de los cuales es posible obtener los perfiles espaciales del patrón de franjas proyectadas sobre el codificador óptico.

    El trabajo presentado en esta Tesis constituye una contribución novedosa al campo de los sistemas de visión artificial de propósito específico, aportando soluciones originales al diseño de sistemas autónomos de visión. Asimismo abre un amplio abanico de nuevas perspectivas en campo de los sistemas de sensores inteligentes para visión, concretamente la implementación de la correlación de señales, puede brindar grandes aportaciones en aplicaciones biomedicas y militares.