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

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

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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

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

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Nuevas necesidades

Tiempos más largos de exposición

Mejor resolución

Mejor estabilidad espacial

En otras palabras

Mejor calidad de imágenes

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

Antecedentes

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1°- Desarrollo y aplicaciones tecnológico,

en óptica

en electrónica

en control

en mecánica

ManufacturaMaterialesAnálisis y simulaciones

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

Antecedentes

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2°- Interacción más estrecha entre diversas disciplinas

Mecatrónica

Optomecánica

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

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.

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

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

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

Antecedentes

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

Criterios de diseño y falla

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

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

O S I R I S

Diagrama de árbol de la cámara para OSIRIS

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

O S I R I S

Modelo KModelo KDiagrama funcional de la cámara OSIRIS

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

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

O S I R I S

Fotografía espacial deuna tormenta de arena

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

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

• Soportes radiales

• Soportes axiales

• Unidad de Enfoque

• Compensador térmico

• Ensamble y desensamble

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Soportes radiales

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

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Soportes radiales

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

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Soportes radiales

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

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Soportes axiales

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

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

(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

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

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

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

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Ensamble y desensamble

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

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…duros pero frágiles

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

Criterios de diseño y falla

…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

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

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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

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

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):

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

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T

TDr

tEDETKKS

GMGCMGG

GMR

21

2/154

En la dirección radial, con un arillo continuo

Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):

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

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

Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):

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

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Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:

jiij

zyzxz

yzyxy

xzxyx

FEA

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

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Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:

- Esfuerzos principales

2

2

2,1 22 xyyxyx

- Tresca(cortantes máximos)

2

2

minmax 2 xy

yx

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

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Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:

- Esfuerzos principales

- Tresca(cortantes máximos)

FLUENCIA

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

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

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

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- Tradición y aplicación por centurias

- Los hemos aplicado

- No cumplen con las nuevas exigencias

- Son necesarios y factibles de proponer

Criterios de diseño y falla

(Algunos casos propuestos por Yoder)

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

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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)

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

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Aportaciones a la optomecánica

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

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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)

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

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

Algunas Imágenes

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

Criterios de diseño y falla

Medición experimental de:

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- Optomecánica e instrumentación

Conclusiones

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

OSIRIS ESOPO

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- Optomecánica e instrumentación

- Grandes telescopios

Conclusiones

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

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- Optomecánica e instrumentación

- Telescopios no tan grandes

- Grandes telescopios

Conclusiones

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

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- Optomecánica e instrumentación

- Telescopios no tan grandes

- Investigación

- Grandes telescopios

Conclusiones

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

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