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1 OptoMecánica Capítulos en: Dr. Alejandro Farah Instituto de Astronomía, UNAM 1

2 OptoMecánica Capítulo I: Historia de la Óptica y la Mecánica Objetivo: Situar al estudiante en el contexto histórico de la materia y mostrar la importancia que ha tenido ésta a lo largo del desarrollo tecnológico e industrial. Contenido: 1.1 Los primeros lentes y espejos. 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos Tipos de materiales utilizados para su fabricación Dimensiones y características generales Limitaciones y motivaciones que influyeron la evolución de la optomecánica. 2

3 Posgrado de Ingeniería, UNAM content Astronomy Telescopes And Instrumentation Technology 3

4 Posgrado de Ingeniería, UNAM Astronomy is the science that studies the stars and celestial phenomena 4

5 Posgrado de Ingeniería, UNAM 2500 años bc egiptians 200 años bc chinese 300 bc mayas 5

6 Posgrado de Ingeniería, UNAM how the astronomy evolves? into the looking for answers raising new questions trying to answer them again. 6

7 Posgrado de Ingeniería, UNAM por ejemplo girarán todas las estrellas y los planetas alrededor de la Tierra? - lentes pulidos a mano - problemas de fabricación - 30 aumentos 7

8 Posgrado de Ingeniería, UNAM por ejemplo girarán todas las estrellas y los planetas alrededor de la Tierra? NO 8

9 Posgrado de Ingeniería, UNAM por ejemplo girarán todas las estrellas y los planetas alrededor de la Tierra? 9

10 Posgrado de Ingeniería, UNAM santísima. inquisición 10

11 Posgrado de Ingeniería, UNAM qué hacía y cómo su telescopio?, el primero en la historia. Refractores (de pequeño diámetro) 11

12 Posgrado de Ingeniería, UNAM qué hacía y cómo su telescopio?, el primero en la historia. Refractores Reflectores (de pequeño diámetro) 12

13 Posgrado de Ingeniería, UNAM Telescopio reflector Sir Isaac Newton ( ) 13

14 Posgrado de Ingeniería, UNAM Marco la pauta a toda una batalla tecnológica 14

15 Posgrado de Ingeniería, UNAM Galileo Refractores y Reflectores (de pequeño diámetro) Telescopio 2.1m, OAN Multiple Mirror Telescope; (1.8-m) equivale a un espejo de 4.5-m Telescopios segmentados Keck (10m) 15

16 Posgrado de Ingeniería, UNAM Tecnología mexicana Telescopio Infrarrojo Mexicano 16

17 Diseño de los Nuevos Telescopios 17

18 Posgrado de Ingeniería, UNAM Estructura del telescopio GTC durante su proceso de fabricación Cúpula para el telescopio GTC en la Isla de la Palma, España 18

19 Posgrado de Ingeniería, UNAM a) Derrama tecnológica (económica) b) Desarrollo científico Cámara de Verificación del GTC Nebulosa del Espirógrafo (NASA) 19

20 Posgrado de Ingeniería, UNAM Curiosidades: - para el día uno - 5 MЄ - 2 toneladas m Optical System for Imaging and low/intermediate Resolution Integrated Spectroscopy 20

21 Posgrado de Ingeniería, UNAM 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 21

22 Posgrado de Ingeniería, UNAM Fotografía espacial de una tormenta de arena 22

23 Posgrado de Ingeniería, UNAM 23

24 Posgrado de Ingeniería, UNAM Primera imagen de GTC con OSIRIS, 30 de Junio

25 Posgrado de Ingeniería, UNAM EL TELESCOPIO ESPACIAL Costó 2,000 millones de dólares Espejo de 2.5 metros de diámetro A principio de su operación tuvo una falla en su espejo primario Reparación más cara de la historia Futuro? HST, Nasa 25

26 Diseño de los Nuevos Telescopios HST, Nasa 26

27 Posgrado de Ingeniería, UNAM HST, Nasa 27

28 Posgrado de Ingeniería, UNAM HST, Nasa 28

29 Posgrado de Ingeniería, UNAM 29

30 Posgrado de Ingeniería, UNAM 30

31 Posgrado de Ingeniería, UNAM 31

32 Posgrado de Ingeniería, UNAM OWL Overwhelmingly Large Telescope Localización: Chile ; European Southern Observatory (ESO) Costo: 1,000 millones de euros Espejo primario: 100 metros de diámetro en 3,048 segmentos de 1.6 metros c/u 32

33 Posgrado de Ingeniería, UNAM Next Generation Space Telescope (NGST) 33

34 Posgrado de Ingeniería, UNAM Otra batalla tecnológica 34

35 OptoMecánica Clase 02: 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos Tipos de materiales utilizados para su fabricación. Dr. Alejandro Farah Instituto de Astronomía, UNAM 35

36 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Euclides de Alejandría: Libro Óptica ~300 a. C. La luz viaja en líneas rectas y describió las leyes de la reflexión. Él creía que estos rayos se emitían desde los ojos. 36

37 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Herón de Alejandría: Tratado de Catóptrica* Entre 100 a. C. y 150 a. C. Mostró por un método geométrico la reflexión de los haces en superficies planas (la más corta). * Parte de la óptica que estudia la reflexión de la luz 37

38 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Claudio Ptolemeo (de Alejandría) ~140 a. C. En una traducción de documentos árabes describe los estudios realizados la refracción, incluyendo la refracción atmosférica. Sugiere que el ángulo de refracción es proporcional al ángulo de incidencia. 38

39 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Ibn-al-Haitham (Alhazen) En sus investigaciones utilizó espejos esféricos y parabólicos. Habla de la aberración esférica, de la magnificación producida por las lentes. Su trabajo se tradujo al latín. 39

40 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. - Robert Grosseteste (Ingalterra) en la Universidad de Oxford. ~1220 ~1267 ~1270 ~ Propuso que la teoría debe ser verificada con la observación. Los colores están relacionados con su intensidad (de blanco a negro). Describió porque ocurren los arcoíris. - Roger Bacon (Ingaterra) Universidad de Oxford La velocidad de la luz es finita y en un medio. - Witelo (Silesia, Polonia) Maquinado de espejos parabólicos. - Zacharius Jensen (Holanda) Construyo un microscopio compuesto por lentes convergentes y divergentes. - Johannes Kepler (Alemania) En su ibro Ad Vitellionem Paralipomena sugiere que la intensidad de la luz es inversamente proporcional a la distancia de su fuente. 40

41 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Hans Lippershey ( ) 1608 Hans Lippershey (Holanda) Conmstruyó un catalejos con un objetivo convergente y una lente divergente. 41

42 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Galileo Galilei (Italia) 1609 Con los principios básicos del catalejos de Lippershey realizó las primeras observaciones astronómicas en

43 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. Willebrord Snell (Holanda) 1621 Descubrió la relación entre el ángulo de incidencia y el de refracción. 43

44 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Criterios de Diseño y de Falla para Sistemas Optomecánicos 44

45 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Nuevas necesidades Tiempos más largos de exposición Mejor resolución Mejor estabilidad espacial En otras palabras Mejor calidad de imágenes 45

46 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. 1 - Desarrollo y aplicaciones tecnológico, en óptica en electrónica en control Manufactura Materiales Análisis y simulaciones en mecánica 46

47 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. 2 - Interacción más estrecha entre diversas disciplinas Mecatrónica Optomecánica 47

48 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Optomecánica Definición: Área de la ingeniería que estudia la interacció componentes ópticos y mecánicos en un siste con condiciones de frontera comunes. 48

49 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Sabiendo que en la optomecánica se deben considerar lineamientos como: - Interacción mecánica entre componentes ópticos y mecá - Medio y condiciones en las que interactúan - Propiedades térmicas, mecánicas y ópticas 49

50 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. 50

51 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Soportes radiales Soportes axiales Unidad de Enfoque Compensador térmico Ensamble y desensamble 51

52 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Soportes radiales 52

53 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Soportes radiales 53

54 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Soportes radiales 54

55 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Soportes axiales 55

56 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? The Moon «Cartoons by Chris Madden 56

57 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? 57

58 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? 58

59 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 59

60 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 60

61 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 61

62 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 62

63 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 63

64 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 64

65 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? f/# = DF / DiámetroObjetiv DF = Distancia Focal Amplificación angular aparente de los objetos observados (acercamiento del objeto). M = DFObjetivo / DFOcular Resolución: capacidad que permite discernir claramente entre varios objetos brillantes que están relativamente cerca (en lo que se refiere a su distancia angular aparente). Depende de la longitud de onda de la luz observada, del diámetro del objetivo y en ocasiones filtros (pueden ayudar) q = 4.56 (ArcSec x in) / D (in) Unidades clásicamente en segundos de arco. Hay varios criterios para determinar la resolución : Criterio de Rayleigh, Criterio de Sparrow/Dawes etc Leonardo da Vinci. 65

66 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Límite de ampliación teórico (criterios): Amax = 60 x D (in) Amax = 2.3. D (mm) Leonardo da Vinci. 66

67 1.3 Evolución de los telescopios y los primeros instrumentos ópticos. Telescopio? Leonardo da Vinci. 67

68 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Unidad de Compensación Térmica Unidad de Enfoque (Farah, Barril de OSIRIS, 2004) 68

69 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Unidad de enfoque 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 Engrane Cremallera Actuador y rodamientos Actuador y deslizamiento Espacio disponible Piñón y engrane roscado Actuadores 69

70 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Compensador térmico Pasivo 120 μm por cada C Envolventes Posición Inclinación 70

71 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. Ensamble y desensamble 71

72 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 72

73 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 73

74 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 74

75 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 75

76 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 76

77 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 77

78 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 78

79 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 79

80 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 80

81 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 81

82 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 82

83 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 83

84 1.2 Influencia de la astronomía en el desarrollo de la óptica y la mecánica. actualmente. duros pero frágiles 84