Clase 02: Optomechanics Definition OptoMecánica Dr. Alejandro Farah Instituto de Astronomía, UNAM.

Clase 02:Optomechanics Definition

OptoMecánica

Dr. Alejandro FarahInstituto de Astronomía, UNAM

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“Criterios de Diseño y de Fallapara Sistemas Optomecánicos ”

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOU N A M

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Alcances de la TESIS

“Alcances de la TESIS”

-Descripción Óptica, Mecánica y OptoMecánica-Esfuerzos y deformación óptica y mecánica-Relación entre ellas-Criterios de diseño y de falla

-Análisis conceptual y simulaciones por elementos finitos

-Experimentación con sistema simplificado

-Verificación con los criterios existentes

-Propuesta de criterio en función del experimento y las simulaciones

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Antecedentes

Astronomíaobservacional

Tiempos deexposición

y resolución

Telescopiose

instrumentos

Antecedentes

“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

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Telescopio 2.1m, OAN

Refractores y Reflectores(de pequeño diámetro)

Multiple Mirror Telescope; (1.8-m) equivale a un espejo de 4.5-m Telescopios segmentados Keck (10m)

Galileo 1564-1642

Antecedentes


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Cúpula para el telescopio GTC en la Isla de la Palma, España

Estructura del telescopio GTCdurante su proceso de fabricación

http://www.gtc.iac.es

Antecedentes


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Nuevas necesidades

Tiempos más largos de exposición

Mejor resolución

Mejor estabilidad espacial

En otras palabras

Mejor calidad de imágenes


Antecedentes

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1°- Desarrollo y aplicaciones tecnológico,

en óptica

en electrónica

en control

en mecánica

ManufacturaMaterialesAnálisis y simulaciones


Antecedentes

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2°- Interacción más estrecha entre diversas disciplinas

Mecatrónica

Optomecánica


Antecedentes

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Optomecánica

Definición: Área de la ingeniería que estudia la interacción entre componentes ópticos y mecánicos en un sistema con condiciones de frontera comunes.


Antecedentes

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Sabiendo que en la optomecánica sedeben considerar lineamientos como:

- Interacción mecánica entre componentes ópticos y mecánicos

- Medio y condiciones en las que interactúan

- Propiedades térmicas, mecánicas y ópticas


Antecedentes

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Criterios de diseño y falla

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O S I R I S

Curiosidades:

- para el día uno

- 5 MЄ

- 2 toneladas

- 2.3 m de diámetro

Optical System for Imaging and low/intermediate Resolution Integrated Spectroscopy

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O S I R I S

Diagrama de árbol de la cámara para OSIRIS

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O S I R I S

Modelo KModelo KDiagrama funcional de la cámara OSIRIS

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O S I R I S

¿Por qué tanto lío?

Movimiento de imagen en el detector → x, y < 10 μm(en todas direcciones)

Temperaturas del límite de operación → -6°C a 30°C

Vida útil de OSIRIS → 10 años

Protección contra las arenas del Sahara

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O S I R I S

Fotografía espacial deuna tormenta de arena

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• Soportes radiales

• Soportes axiales

• Unidad de Enfoque

• Compensador térmico

• Ensamble y desensamble

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Soportes radiales


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Soportes radiales


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Soportes radiales


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Soportes axiales


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(Farah, Barril de OSIRIS, 2004)

Unidad deEnfoque

Unidad deCompensación

Térmica

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• Repetibilidad en la translación de enfoque <20µm.

• Resolución en la translación de la unidad de enfoque <4µm

• La velocidad axial de enfoque debe ser de 5 segundos por cm

• Espacio disponible

Unidad de enfoque


Piñón y engrane roscado

Engrane Cremallera Actuador y rodamientos Actuador y deslizamiento

Actuadores

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Compensador térmico

•Pasivo

•120 μm por cada °C

•Envolventes

•Posición

•Inclinación


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Ensamble y desensamble


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…duros pero frágiles

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Birrefringencia

Definición: fenómeno de anisotropía, que en el caso específico de lentes cristalinos, sus propiedades ópticas no son las mismas en todas direcciones


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Criterios existentes:

- El nivel tolerable del esfuerzo de birrefringencia es 3.4 MPa

- para cualquier vidrio cristalino

- solo presenta en las cercanías donde se aplica la carga


Birrefringencia

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MMGG

GMMMGG

AEAEAEAE

TKP23

Distribución de cargas a lo largo del eje óptico

Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):


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T

TDr

tEDETKKS

GMGCMGG

GMR

21

2/154

En la dirección radial, con un arillo continuo



21/04/23 45En ambas direcciones y lentes cementados



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Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:

jiij

zyzxz

yzyxy

xzxyx

FEA


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- Esfuerzos principales

2

2

2,1 22 xyyxyx

- Tresca(cortantes máximos)

2

2

minmax 2 xy

yx


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- Esfuerzos principales

- Tresca(cortantes máximos)

FLUENCIA


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CONCLUSIÓN: no existe un criterio de falla adecuado para cuantificar los esfuerzos de birrefringencia


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- Tradición y aplicación por centurias

- Los hemos aplicado

- No cumplen con las nuevas exigencias

- Son necesarios y factibles de proponer


(Algunos casos propuestos por Yoder)


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ESTADO DEL ARTEde estos criterios

Existen, pero no son adecuados parainstrumentos científicos modernos

(Yoder, Mounting optics in Optical Instruments, 2002)

La liga entre análisis por elementos finitosy óptica aún no contempla (o no logra)modelar los esfuerzo de birrefringencia

(Doyle, Genberg, Michels, Integrated Optomchanical Analysis, 2002)


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Aportaciones a la optomecánica


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Modelos matemáticos y software de interfase

FEA ↔ Experimentación

(SigFit software, Doyle, Gengerg, Michels, 2003

(Doyle, Genberg, Michels, Integrated Optomchanical Analysis, 2002)


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Algunas Imágenes

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Medición experimental de:

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- Optomecánica e instrumentación

Conclusiones


OSIRIS ESOPO

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- Grandes telescopios

Conclusiones


http://www.gtc.iac.es/../../fotos/Cupula/c040714-02p.jpg

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- Telescopios no tan grandes


Conclusiones


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- Telescopios no tan grandes

- Investigación


Conclusiones


Posibilidad de generar tecnologíaAnálisis integral optomecánico

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Alcances de la TESIS

“Alcances de la TESIS”

-Descripción Óptica, Mecánica y OptoMecánica-Esfuerzos y deformación óptica y mecánica-Relación entre ellas-Criterios de diseño y de falla

-Análisis conceptual y simulaciones por elementos finitos

-Experimentación con sistema simplificado

-Verificación con los criterios existentes

-Propuesta de criterio en función del experimento y las simulaciones

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