OptoMecánica
Clase 02:
Optomechanics Definition
Dr. Alejandro Farah
Instituto de Astronomía, UNAM
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
UNAM
“Criterios de Diseño y de Falla
para Sistemas Optomecánicos ”
02/10/2015
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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
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Astronomía
observacional
Antecedentes
Telescopios
e
instrumentos
02/10/2015
Tiempos de
exposición
y resolución
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Galileo 1564-1642
Refractores y Reflectores
(de pequeño diámetro)
Telescopio 2.1m, OAN
Multiple Mirror Telescope; (1.8-m)
equivale a un espejo de 4.5-m
02/10/2015
Telescopios segmentados Keck (10m)
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Estructura del telescopio GTC
durante su proceso de fabricación
http://www.gtc.iac.es
02/10/2015
Cúpula para el telescopio GTC en la Isla de la Palma, España
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Nuevas necesidades
Tiempos más largos de exposición
Mejor resolución
Mejor estabilidad espacial
En otras palabras
Mejor calidad de imágenes
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
1°- Desarrollo y aplicaciones tecnológico,
en óptica
en electrónica
en control
Manufactura
Materiales
Análisis y simulaciones
en mecánica
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
2°- Interacción más estrecha entre diversas disciplinas
Mecatrónica
Optomecánica
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Optomecánica
Definición: Área de la ingeniería que estudia la interacción entre
componentes ópticos y mecánicos en un sistema
con condiciones de frontera comunes.
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Antecedentes
Sabiendo que en la optomecánica se
deben considerar lineamientos como:
- Interacción mecánica entre componentes ópticos y mecánicos
- Medio y condiciones en las que interactúan
- Propiedades térmicas, mecánicas y ópticas
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
OSIRIS
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”
OSIRIS
Diagrama de árbol de la cámara para OSIRIS
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
OSIRIS
Modelo
Modelo
K K
Diagrama funcional de la cámara OSIRIS
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
OSIRIS
¿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”
OSIRIS
Fotografía espacial de
una tormenta de arena
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
02/10/2015
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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
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Soportes radiales
02/10/2015
20
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Soportes radiales
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Soportes radiales
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Soportes axiales
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Unidad de
Compensación
Térmica
Unidad de
Enfoque
(Farah, Barril de OSIRIS, 2004)
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Unidad de enfoque
•
Repetibilidad en la translación de enfoque <20µm.
•
Resolución en la translación de la unidad de enfoque <4µm
• Cremallera
La velocidad axial de
enfoquey debe
ser de 5 segundos
por cm y deslizamiento
Engrane
Actuador
Actuador
rodamientos
•
Espacio disponible
Piñón y engrane roscado
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Actuadores
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Compensador térmico
•Pasivo
•120 μm por cada °C
•Envolventes
•Posición
•Inclinación
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Ensamble y desensamble
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
31
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
32
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
36
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
37
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
38
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
39
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
…duros pero frágiles
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Birrefringencia
Definición: fenómeno de anisotropía, que en el caso específico
de lentes cristalinos, sus propiedades
ópticas no son las mismas en todas direcciones
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Birrefringencia
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
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):
P  K 3T 
 E G AG E M A M  M   G 
E G AG  2 E M A M
Distribución de cargas a lo largo del eje óptico
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):



 M   G 
2r
S R   K 4 K 5T  
1


T








1
/
E

D
2
E
t
D

T



G
G
M
C
G
M
G



02/10/2015
En la dirección radial, con un arillo continuo
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales):
En ambas direcciones y lentes cementados
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:
 x

  xy

  xz
 xy
y
 yz
 xz 

 yz 

z
02/10/2015
 ij  
ji
FEA
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:
- Tresca
(cortantes máximos)
 max 
min
 x 

2

- Esfuerzos principales
2
y
02/10/2015

2
   xy

 1, 2 
x 
2
y

 x 

2

2
y

2
   xy

47
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos:
- Tresca
(cortantes máximos)
- Esfuerzos principales
02/10/2015
F
L
U
E
N
C
I
A
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
CONCLUSIÓN: no existe un criterio de falla adecuado para
cuantificar los esfuerzos de birrefringencia
02/10/2015
49
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
- Tradición y aplicación
por centurias
- Los hemos aplicado
- No cumplen con las
nuevas exigencias
- Son necesarios y factibles
de proponer
02/10/2015
(Algunos casos propuestos por Yoder)
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
ESTADO DEL ARTE
de estos criterios
Existen, pero no son adecuados para
instrumentos científicos modernos
(Yoder, Mounting optics in Optical Instruments, 2002)
La liga entre análisis por elementos finitos
y óptica aún no contempla (o no logra)
modelar los esfuerzo de birrefringencia
(Doyle, Genberg, Michels, Integrated Optomchanical Analysis, 2002)
02/10/2015
51
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Aportaciones a la optomecánica
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Modelos matemáticos y software de interfase
(Doyle, Genberg, Michels, Integrated Optomchanical Analysis, 2002)
FEA ↔
02/10/2015
Experimentación
(SigFit software, Doyle, Gengerg, Michels, 2003
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Algunas Imágenes
02/10/2015
54
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Criterios de diseño y falla
Medición experimental de:
02/10/2015
55
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Conclusiones
- Optomecánica e instrumentación
OSIRIS
02/10/2015
ESOPO
56
“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Conclusiones
- Optomecánica e instrumentación
- Grandes telescopios
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Conclusiones
- Optomecánica e instrumentación
- Grandes telescopios
- Telescopios no tan grandes
02/10/2015
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“Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”
Conclusiones
- Optomecánica e instrumentación
- Grandes telescopios
- Telescopios no tan grandes
- Investigación
02/10/2015
Análisis integral optomecánico
Posibilidad de generar tecnología
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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
02/10/2015
60
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Lesson02 - Instituto de Astronomía