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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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
DISEÑO Y DESARROLLO DE SISTEMAS ÓPTICOS
ELECTRÓNICA DE CARGAS ÚTILES
INTEGRACIÓN Y VERIFICACIÓN ENSAYOS Y METROLOGÍA ÓPTICA
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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) Operativa desde Agosto INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de2011 diseñadores ópticos de España 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 3ª 2012 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 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 11
Sala de integración óptica y ensayos ISO-6 Interferometría
MTF
Radiometría
OTB
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 12
1) Montaje y alineamiento de sistemas ópticos
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 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 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 14
3) Caracterización radiométrica Esfera integradora
Espectro-radiómetro
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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)
FTS
SW
Camera Bay
IOM
MW POM
LW From telescope
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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
Position: 1 Calificación en ambiente espacial: ensayos mecánicos, vacío y ciclado térmico Laser path TBD 12-Jun-13 Scale: 1.90 (-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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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
13 12 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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
Phase Diversity
Challenges: Ghost Images Ethalon control (High voltage) Optical quality Roclis INTA, 3 de Oct 2012 3ª Jornadas de diseñadores ópticos de España Soporte 31 Thermal control of ROCLIS and Filter
Ingeniería óptica en…
IMaX (Sunrise)
IMaX-SUNRISE: description 12:30:55
ROCLIs
M3
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 Scale: 0.37
IMaX Final Optical Design
Liquid Crystal Variable Retarders
prefiltre
CPS
MM
XZ
24-Nov-06
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 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 µm Angular range 2mrad, resolución 10 µrad
Moveme nt Referenc e
Z Fixed Reference
X
·
Y
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 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 3ª 2012 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 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 39
www.inta.es belenguer@inta.es
INTA, 3 de Oct 3ª 2012 Jornadas de diseñadores ópticos de España 40