Issuu on Google+

III Jornadas de Diseñadores Ópticos de España

Óptica Espacial en INTA

Tomás Belenguer


RESUMEN

  

Presentación del INTA Capacidades y Servicios que presta el INTA a la Industria Espacial Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio  

Capacidades y servicios Composición de la plantilla

Proyectos ópticos en desarrollo en las diferentes areas: 

Instrumentación Óptica Espacial.

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

2


Presentación del INTA    

Organismo Público de Investigación especializado en la investigación y desarrollo tecnológico aeroespacial. Creado en 1942 para el desarrollo nacional de la Investigación Aeronáutica. Pertenece al Ministerio de Defensa. Desde 1960 ha incorporado en su actividad la ingeniería e investigación espacial:    

Cohetes de sondeo para investigación atmosférica. Globos estratosféricos para el estudio de la atmósfera, de la radiación y de la influencia de las partículas. Desarrollo de satélites nacionales (desde INTASAT-74 hasta Nanosat-04). Estrecha colaboración con agencias espaciales extranjeras como la NASA o ESA

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

3


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio Objetivo Potenciar las tecnologías y el I+D+i relacionadas con el diseño, desarrollo, integración, calibración, ensayo y explotación en vuelo de cargas útiles de interés espacial que satisfagan las necesidades de las comunidades Científica e Industrial.

  

I+D+i: Desarrollo de instrumentación centrado en áreas de conocimiento como óptica, magnetismo y microgravedad espacial Proyectos: Investigación aplicada e Ingeniería Ensayos: I+D+i y servicios

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

4


DEPARTAMENTO DE CARGAS ÚTILES Y CIENCIAS DEL ESPACIO

UNIDAD DE GESTIÓN ADMINISTRATIVA

UNIDAD DE INFRAESTRUCTURAS EXPERIMENTALES

UNIDAD DE COORDINACIÓN Y SEGUIMIENTO DE PROYECTOS

AREA INSTRUMENTACIÓN OPTICA ESPACIAL (LINES)

ÁREA INGENIERÍA TERMO-MECÁNICA Y CRIOGENIA

ÁREA SENSORES DE CARGA ÚTIL

NUEVOS DESARROLLOS Y TECNOLOGÍAS ÓPTICAS

SISTEMAS TÉRMICOS Y MECANISMOS

MAGNETISMO ESPACIAL

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES ÓPTICOS

AIVT CARGAS ÚTILES

OPTOELECTRÓNICA Y RADIACIÓN ELECTRÓNICA DE CARGAS ÚTILES

DISEÑO Y DESARROLLO DE SISTEMAS ÓPTICOS INTEGRACIÓN Y VERIFICACIÓN

ENSAYOS Y METROLOGÍA ÓPTICA

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

5


Área de Instrumentación Óptica Espacial (LINES) 

El LINES es el laboratorio del INTA cualificado en óptica para aplicaciones aeroespaciales  Ingeniería Óptica  Investigación y Desarrollo

  

Cuenta con las capacidades, tanto técnicas como humanas. Estratégicamente, sirve de nexo y referencia entre grupos externos y los distintos proyectos y programas del sector aerospacial vinculados al INTA La experiencia en este campo le permite liderar los proyectos del INTA relativos a esta tecnología (generados tanto desde el propio Instituto como de forma externa mediante la colaboración con otros centros de investigación u otras Agencia Espaciales)

Capacidades y servicios en ÓPTICA ESPACIAL  Desarrollo integral de cargas útiles e instrumentación científica  Diseño y desarrollo de sistemas ópticos  Integración y ensayos de sistemas ópticos

  

Metrología óptica (en ambiente y condiciones criogénicas) Caracterización de materiales ópticos Ensayos ambientales y funcionales de cargas útiles

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

6


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio    

Diseño Licencias SW de diseño óptico: CodeV, Zemax, ASAP Licencias diseño mecánico: KATIA Implementación de técnicas “computer-aided alignment” durante la fase de integración

 

Integración, caracterización y ensayos Instalaciones  

Equipamiento para:   

Salas limpias Laboratorios Montaje y alineamiento de subsistemas opto-mecánicos Caracterización óptica y electro-óptica completa Ensayos criogénicos “dinámicos”

Metodología de AIV conforme a ECCS

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

7


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio

Instalaciones  Sala de integración óptica ISO-6 (225 m2)  2 salas de integración óptica ISO-8 (225 y 70 m2)  Laboratorio de caracterización de materiales  Laboratorio de óptica (prototipos)  Laboratorio de holografía  Laboratorio de fibra óptica Otros equipamientos  Criostato para ensayos a 20K (Instrumento MIRI-MTS)  Criostato para ensayos a 4K (Instrumento SAFARI/SPICA)

Instalaciones y equipamiento surgen a partir de las necesidades de los proyectos y actividades en los que se participa

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

8


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio Sala de integración óptica y ensayos ISO-6 Aplicaciones   

  

Sala limpia ISO-6 dedicada a la integración y ensayos de cargas útiles (especialmente de gran apertura) para aplicaciones espaciales. Integración opto-mecánica y metrología de precisión Alineamiento óptico mediante técnicas interferométricas y “wavefront sensing” Verificación de calidad óptica y electro-óptica (MTF, SNR, distorsión, etc.) Medida de precisión de prestaciones radiométricas Ensayos finales a nivel de instrumento

USO ACTUAL: Integración y campaña de ensayos Carga Útil SEOSAT (Programa Nacional de Observación de la Tierra) INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España Operativa desde Agosto 2011

9


Sala de integración óptica y ensayos ISO-6 Características         

250 m2, 5 m altura, nivel de limpieza ISO-6 según ISO 14644-1 Monitorización continua de nivel de contaminación por partículas, temperatura y humedad 4 mesas ópticas (Newport series RS-2000) equipadas con sistema de aislamiento de vibraciones Validada frente a ESD conforme a MIL-STD-883 Amplio acceso para permitir la entrada de contenedores y equipos de grandes dimensiones Prevista la instalación de un celostato que proporcione iluminación solar directa sobre las unidades de ensayo (Solar Orbiter) Implementación de política de contaminación molecular y particular conforme a los estándares de la ESA (ECCS) CCTV (4 cámaras) Grúa portátil compatible ISO-6

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

10


Sala de integración óptica y ensayos ISO-6 Equipamiento ZYGO GPI-XP Interferometer: F/3.2, F/5.5, F/7.2 and F/10.7 transmission spheres, 12” Reference Flat  L-shape Target Projection Bench for MTF measurements: 10” aperture, 3,5 meters focal length OAP mirror, motorized gimbal supporting a 450mm steering mirror  LABSPHERE US-4000 Integrating Sphere (300 mm output port)  HASO3 (Imagine Optic) wavefront sensor based on Sack-Hartmann technique  Optical alignment: LEICA theodolites (x3), autocollimators (NIKON 6D, TRIOPTICS and electronic NEWPORT LDS100 Vector), large distance microscopes, etc  Radiometric equipment: kit for measuring polarization sensitivity (analyzer + polarizer), radiometers, spectroradiometer, monochromator  Mechanical assembly: FAROArm Platinum In addition: optical power meters, visible and IR illumination sources, USS-600 Labsphere integrating sphere, ORIEL quartz-tungsten and Xe lamps and mechanical and optical miscellanea INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España 11 


Sala de integración óptica y ensayos ISO-6 Interferometría

MTF

Radiometría

OTB

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

12


1) Montaje y alineamiento de sistemas ópticos

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

13


2) Caracterización óptica y electro-óptica Medida de la MTF capturando la imagen aérea de una fuente puntual (PSF)

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

14


3) Caracterización radiométrica Esfera integradora

Espectro-radiómetro

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

15


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio Ensayo termo-vacío en ISO-8

Sala ISO-8 (I)

Pre-montaje ensayo termo-vacío

Sala ISO-8 (II)

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

16


Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio Lab. de caracterización de materiales

Pre-sala ISO-6 (lab. ensayos criogénicos)

Lab. Fibra óptica

Lab. para ensayo de prototipos INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

17


Ingeniería óptica en…

SEOSAT

En colaboración con SENER  

Análisis óptico de tolerancias, soporte al diseño óptico y análisis de straylight AIV del instrumento (alineamiento telescopio, integración instrumento, campaña de verificación)

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

18


Ingeniería óptica en…

SO/PHI

Consorcio español: IAA, INTA, IAC, GACE, UPM • Diseño opto-mecánico de PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager) y campaña de AIV (Assembly, Integration & Verification)

Validación de cristales líquidos para espacio

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

19


Ingeniería óptica en…   

SAFARI/SPICA

Diseño opto-mecánico e integración óptica en criogenia de un instrumento de infrarrojo lejano (34 a 210 micras) trabajando a 4K Alineamiento y pruebas ópticas en criogenia Extraordinario reto tecnológico en el desarrollo de instrumentación científica de infrarrojo. Estado del arte de todas las tecnologías involucradas (óptica, control térmico, mecanismos) SW

Camera Bay FTS IOM

MW POM

LW From telescope INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

20


Ingeniería óptica en…

JEM-EUSO

En colaboración con consorcio español para el desarrollo de una cámara infrarroja  LINES: diseño óptico, integración y ensayos

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

21


Caracterización de materiales ópticos para aplicaciones espaciales  Análisis de la pérdida de prestaciones ópticas de vidrios y recubrimientos ópticos sometidos a simulación de ambiente espacial.  Parametrización y Modelización del comportamiento de estos materiales en ambiente espacial.  Creación de una Base de Datos de materiales ópticos para uso en diferentes misiones espaciales. Simulación Ambiente Espacial  Desgasificación  Vacío y Ciclado térmico  Radiación UV  Radiación gamma  Protones Materiales ópticos Masivos (7): FK51, LF5, SFL57, CaF2 (VIS), Sílice Fundida, BK7, Clear Ceram  Recubrimientos (6): TiO2 (evaporado y Sol-Gel), SiO2, Antirreflejante, Filtro interferencial, Espejo

Caracterización Óptica  Transmisión  Índice de refracción complejo  Rugosidad superficial  WFE INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

22


Ingeniería óptica en …

RAMAN

Desarrollo del instrumento RLS (Raman Laser Spectroscopy) para la misión ExoMars  Diseño óptico e integración Espectrómetro (SPU)  Diseño óptico e integración Cabezal Interno Óptico (IOH)  Calificación en ambiente espacial: redes VPH (Volume Phase Holographic), vidrios, filtros (Dichroic Long Pass, Long Pass, Laser Line) Red VPH

CCD

Diseño óptico Espectrometro (SPU)

colector

colimador

Espectrómetro de transmisión Resolución espectral de 0.12-0.15nm/pixel Rango espectral de 533-676nm Diseñado para compensar desenfoque térmico (-40ºC-0ºC)

Retos del diseño: masa, envuelta y entorno operativo hostil INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

23


Ingeniería óptica en …

RAMAN

16:13:59

Diseño óptico Cabezal Interno Óptico (IOH)

2 3 23

4 5 6 45 6

7 7

8 9 89

11 11

14 13 12

15

16 17

18 19

18 19

Diseño óptico combina dos caminos: 1. camino de excitación: focaliza luz láser en muestra 2. camino de colección: recoge la señal Raman hasta el SPU

20 21 22 23

22 23

13.16

MM

1 Calificación en ambientePosition: espacial: ensayos mecánicos, vacío y ciclado Laser path TBD 12-Jun-13 Scale: 1.90 térmico (-70ºC a +70ºC), radiación UV, gamma y protones, esterilización (Planetary Protection)

 VPH redes de gelatina dicromatada embebidas en Sílice Fundida  Filtro láser 532nm  Filtro Dicroico de paso alto 535-676nm (45º)  Filtro de paso alto (nano edge 532nm)  Vidrios de IOH y SPU INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

24


Ingeniería óptica en…

EChO

En colaboración con INTA, CAB, IAC, IAA, ICE, UCL, RAL, INAF, OBSPM, ARCETRI,… • Diseño óptico del espectrómetro en la banda infrarroja cercana (SWiR: Short-Wave infra Red 2.45 a 5.45 micras) para el estudio de las atmósferas de exoplanetas. T=-40ºC

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

25


Ingeniería óptica en…

IACATS

IAC Atmosphere and Telescope Simulator for Adaptive Optics IACATS (Lidax , INTA) 

Simulador de óptica adaptativa de:   

Turbulencias atmosféricas Telescopios (OGS, WHC y GTC) Estrellas (número y magnitud

Incluye: 3 láminas de fase y 1 sensor Shack-Hartmann

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

26


Optical Engineering Optos (Athermalized Panchromatic Imaging System, APIS) 

Erath observing camera.   

CMOS detector not qualified For testing the lost of glass performances in space environment Incorporate a passive athermalization system 12:46:54

Triplet

1

2 3

4

5

Meniscus Lenses 6 7 8

9 10

11

1213 14

Focal Plane

Detector Window Aperture Stop

4.24

APIS Camera,T=20 ;P=760

Scale:

5.90

ORA

MM

20-Feb-08

Real Entrance Pupil for easy rejection of the stray light INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

27


Ingeniería óptica en…

Optos

Optos (APIS) 

Retos de Diseño:   

Tolerancias ópticas (EFL=20 mm. #F2.5, 12x9º FOV) No hay referencias mecánicas bien definidas Sin cubo de alineamiento

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

28


Optical Engineering Main Optical System (MOS): 

It provides the optical characteristics and quality equivalent to JWST Optical quality: Nominal WFE much higher than λ/20 at 5μm for all MIRI FoV

A mask reproduces the telescope pupil shape

MOS ILS INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

29


Ingeniería óptica en…

MIRI

(James Webb Space Telescope )

MTS (MIRI Telescope Simulator) Challenges:  

MTS: Optical Bench for Calibrating MIRI Compatibility of Materials at 35K    

 

Ethalons at Cryo Mechanisms at Cryo Very Compact optical design Very Critical Flat Field

Alignment and characterization at Cryo Thermal behaviour

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

30


Ingeniería óptica en…

IMaX (Sunrise)

IMaX, (Imaging Magnetograph Experiment, an instrument for SUNRISE) Solar observation system, IAC, INTA, IAA, GACE, UPM.

Espejos dobladores

Challenges: Ghost Images Ethalon control (High voltage) Optical quality INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España Thermal control of ROCLIS and Filter

Phase Diversity

Soporte Roclis

31


Ingeniería óptica en…

IMaX (Sunrise)

IMaX-SUNRISE: description 12:30:55

M3

ROCLIs

M2

F4

M1 Etalon

Prefilter

etalon

Etalon LiNbO3 double pass Phase Diversity

High spatial resolution FoV: 50”x50” 525.02 nm Spectral resolution: 70mÅ  Stoke´s vector Images each 30s; (I,V) each 5s  2 CCDs working together  Phase diversisity    

Beamsplitter

CCDs

LCVR

67.57

Positions: 1-2 CPS Scale: 0.37

IMaX Final Optical Design

Liquid Crystal Variable Retarders INTA, 3 de Oct 2012

prefiltre

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

MM

XZ

24-Nov-06

32


Participación del LINES en…

IMaX: as built

IMaX (Sunrise)

IMaX integrado

Lanzamiento SUNRISE Junio 2009, Kiruna 2º vuelo, lanzado en Junio 2013 INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

33


Metrología óptica en INTA

Optical Activities  Optical Metrology


Optical Metrology SENTINEL (SENER-JENOPTICA) El FMD (Flip Mirror Device) fast moving mirror to conect two telescopes. Range: ±9.4º Resolution: ±10 arcmin Step: 0.14 arcmin.

The main requirements cover, flipping 4 times within a 602 msec period, with a switching period of 20ms and stabilizing period of 15 ms, flipping rotation of 18.8° (+/-9.4°), a small ~14 mm aperture mirror, and tight allocated volume.

Performed tests at vacuum conditions

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

35


Optical Metrology SENTINEL (SENER-JENOPTICA)

Challenge:  Characterize the tooling required at vacuum conditions from -40 to +50 ºC  Measure the movement at kHz  Design of the flip flop mirror  All the measurements externally to the vacuum chamber

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

36


Optical Metrology

GAIA (SENER-ASTRIUM)   

5 DoF of a Flat mirror measure at 100K lineal range 400 micras, resolution 1 mm Angular range 2mrad, resolución 10 mrad

Moveme nt Referenc e

Z Fixed Reference

X

INTA, 3 de Oct 2012

·

Y

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

37


Optical Metrology SENER-GAIA

Challenges 

Measure with the two cryo pumps and Cryogenic device running

Thermal gradient

Combine the optical equipment through the optical window

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

38


Optical Metrology Photogrammetry (For measuring deformations of surfaces at vacuum conditions, Thermo-elastic behavior of antennas, 20 microns) Installation of a external camera with special retroreflectors target and codecs to measure geometry or deformation locally

I-CAN 3

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

39


www.inta.es belenguer@inta.es

INTA, 3 de Oct 2012

3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España

40


15 iii jornadas de diseñadores ópticos de españa