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

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

2 23/04/20152 “Criterios de Diseño y de Falla para Sistemas Optomecánicos ” UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO U N A M

3 23/04/20153 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

4 23/04/20154 Antecedentes Astronomía observacional Tiempos de exposición y resolución Telescopios e instrumentos “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

5 23/04/20155 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”

6 23/04/20156 Cúpula para el telescopio GTC en la Isla de la Palma, España Estructura del telescopio GTC durante su proceso de fabricación http://www.gtc.iac.es Antecedentes “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

7 23/04/20157 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

8 23/04/20158 1°- Desarrollo y aplicaciones tecnológico, en óptica en electrónica en control en mecánica Manufactura Materiales Análisis y simulaciones “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Antecedentes

9 23/04/20159 2°- Interacción más estrecha entre diversas disciplinas Mecatrónica Optomecánica “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Antecedentes

10 23/04/201510 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

11 23/04/201511 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 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Antecedentes

12 23/04/201512 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla

13 23/04/201513 “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

14 23/04/201514 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” O S I R I S Diagrama de árbol de la cámara para OSIRIS

15 23/04/201515 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” O S I R I S Modelo K Diagrama funcional de la cámara OSIRIS

16 23/04/201516 “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

17 23/04/201517 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” O S I R I S Fotografía espacial de una tormenta de arena

18 23/04/201518 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

19 23/04/201519 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Soportes radiales Soportes axiales Unidad de Enfoque Compensador térmico Ensamble y desensamble

20 23/04/201520 Soportes radiales “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

21 23/04/201521 Soportes radiales “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

22 23/04/201522 Soportes radiales “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

23 23/04/201523 Soportes axiales “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

24 23/04/201524 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” (Farah, Barril de OSIRIS, 2004) Unidad de Enfoque Unidad de Compensación Térmica

25 23/04/201525 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

26 23/04/201526 Compensador térmico Pasivo 120 μm por cada °C Envolventes Posición Inclinación “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

27 23/04/201527 Ensamble y desensamble “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

28 23/04/201528 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

29 23/04/201529 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

30 23/04/201530 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

31 23/04/201531 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

32 23/04/201532 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

33 23/04/201533 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

34 23/04/201534 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

35 23/04/201535 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

36 23/04/201536 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

37 23/04/201537 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

38 23/04/201538 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

39 23/04/201539 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

40 23/04/201540 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla …duros pero frágiles

41 23/04/201541 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”

42 23/04/201542 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

43 23/04/201543 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”

44 23/04/201544 En la dirección radial, con un arillo continuo Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales): “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

45 23/04/201545 En ambas direcciones y lentes cementados Criterios existentes de cargas y esfuerzos (experimentales): “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

46 23/04/201546 Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos: FEA “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

47 23/04/201547 Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos: - Esfuerzos principales - Tresca (cortantes máximos) “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

48 23/04/201548 Otros criterios existentes de cargas y esfuerzos: - Esfuerzos principales - Tresca (cortantes máximos) FLUENCIAFLUENCIA “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

49 23/04/201549 CONCLUSIÓN: no existe un criterio de falla adecuado para cuantificar los esfuerzos de birrefringencia “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

50 23/04/201550 - 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”

51 23/04/201551 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) “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

52 23/04/201552 Aportaciones a la optomecánica “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

53 23/04/201553 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”

54 23/04/201554 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Algunas Imágenes

55 23/04/201555 “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Criterios de diseño y falla Medición experimental de:

56 23/04/201556 - Optomecánica e instrumentación Conclusiones “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” OSIRIS ESOPO

57 23/04/201557 - Optomecánica e instrumentación - Grandes telescopios Conclusiones “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

58 23/04/201558 - Optomecánica e instrumentación - Telescopios no tan grandes - Grandes telescopios Conclusiones “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS”

59 23/04/201559 - Optomecánica e instrumentación - Telescopios no tan grandes - Investigación - Grandes telescopios Conclusiones “Diseño Optomecánico; El Barril de la Cámara de OSIRIS” Posibilidad de generar tecnología Análisis integral optomecánico

60 23/04/201560 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