1. Nombre del proyecto.Membranas Ópticas Activas.

2. Responsables del proyecto.Esteban Luna

3. Breve descripción del proyecto. El tema de este proyecto está enmarcado en la óptica activa, en particular, para superficies de membrana (razón diámetro/espesor >300) con calidad óptica para ser utilizadas como espejos. Este proyecto se basa en un nuevo concepto desarrollado por los participantes y es una variante de la óptica activa tipo push-pull, en donde la componente pull es común a toda la superficie y se genera por medio de vacío controlado; la componente push se logra por medio de actuadores neumáticos (diafragmas). En los sistemas push-pull convencionales cada actuador cuenta con ambas componentes activas. Este proyecto está motivado por varios experimentos de óptica activa sobre diversos tipos de espejos que se han realizado a lo largo de varios años. Esta idea es novedosa, original y puede ser extendida de manera natural a espejos de membrana y otras aplicaciones diversas en donde se requiere el control de la figura de una superficie. El concepto se basa en fabricar una celda hermética a la cual se le maquina una superficie base, es decir, la superficie que mejor se aproxima a la superficie deseada. A esta celda se le agregan una serie de actuadores neumáticos. Esta celda es el substrato sobre el cual se coloca la membrana o superficie a deformar. Al evacuar el espacio entre la celda y la membrana, ésta se deforma, aproximándose a la superficie base generada en la celda. Para obtener la superficie deseada, las presiones en cada actuador neumático maquinado en la celda son controladas de tal forma que permite obtener la figura óptica final, que puede ser una superficie de revolución o de forma libre y cuya corrección depende del número, tamaño y geometría de los actuadores. Este concepto permite utilizar materiales comerciales de bajo costo (cristal flotado) para construir superficies activas de gran tamaño y con buena calidad óptica. Esta aplicación podría ofrecer una alternativa para la construcción de las futuras generaciones de telescopios gigantes del orden de 100 m de diámetro. Sin embargo, este concepto no está limitado a aplicaciones astronómicas; existe una amplia gama de aplicaciones en óptica que requieren superficies deformables.

4. Importancia del proyecto. El objetivo principal de este proyecto es la investigación sobre un nuevo concepto de óptica activa de tipo push-pull. Para demostrar el concepto, se desarrollarán espejos primarios del orden de un metro de diámetro con diversos materiales con el objetivo de obtener superficies en eje y fuera de eje. También se investigará el comportamiento de espejos secundarios activos. Existen otras aplicaciones para este concepto que incluyen el generado de superficies para pruebas nulas que exploraremos en este proyecto.Este concepto fue aplicado en el diseño de la suspensión activa del espejo terciario del TSPM, lo cual demuestra una aplicación astronómica para telescopios actuales.

5.- Trabajo realizado durante el 2017Durante este período se avanzó en la construcción del horno refractario con capacidad para deformarsuperficies de vidrio de hasta un metro.Se instalaron y conectaron todas las resistencias en el techo del horno y se diseñaron y construyeron

cuatro ventiladores verticales refractarios (VAWT, Vertical Axis Wind Turbine) para uniformizar el calentamiento dentro de todo el volumen del horno. Estos ventiladores se maquinaron utilizando material refractario con nuestra maquina CNC. Tienen una geometría optimizada para uniformizar la temperatura para el volumen dentro del horno, debido a que la convección no es eficiente y tiende a haber zonas mas calientes que otras.

Fig. 1 Diseño y fabricación de ventiladores verticales refractarios

Estos ventiladores están motorizados por debajo del horno por medio de traspasadores de acero inoxidable.Actualmente el consumo eléctrico en el IAUNAM en Ensenada está al límite de su capacidad y se estatramitando ante la CFE un nuevo contrato con mayor capacidad. No se nos permite utilizar el horno hasta que se instale el nuevo sistema de suministro eléctrico en el instituto, sin embargo, se han hecho pruebas a escala con un horno refractario de 10x10 pulgadas con el que cuenta nuestro laboratorio.Las pruebas de deformación que se realizaron fueron con placas de vidrio con distintos espesores. Paraestas pruebas se maquinó un molde esférico sobre material refractario con un radio de curvatura de 1515 mm y una apertura de 200 mm que se colocó dentro del horno refractario y sobre el cual se colocó la muestra a deformar. Se utilizaron materiales de distintos espesores y composiciones, que van desde 0.5 mm hasta 3 mm. El radio de curvatura se escaló de tal forma que fuera equivalente a una superficie de 1 m de diámetro con espesor de 3 mm, que es el tamaño de nuestra celda activa experimental. Se experimentó con varias temperaturas / tiempos de calentamiento para determinar la mejor temperatura de deformación que mantuviera la rugosidad de la superficie a un mínimo.

Fig. 2 Tejo01 : (20170322), vidrio de ventana, espesor t=3mm,Temperatura =650ºC, tiempo =1.0 h muestreo del perfilómetro hecho en casa Δx = Δy = 15 mm; sobre la superficie.

En el contexto del control de posición de las membranas activas, se aprovechó una temporada en eltelescopio de 2.1m en el OAN SPM, para probar la motorización las celdas de carga (load cells) que definen la posición del espejo primario con respecto a la celda que lo alberga (mirror cell). El motorizar los definidores con sus celdas de carga, permite automatizar y optimizar la calidad de imagen del sistema óptico, dado que permite que los ejes ópticos de ambos espejos (primario y secundario) sean colineales. Este experimento es directamente trasladable a nuestro sistema de membranas activas ópticas. Motorizar las celdas de carga permite cerrar el lazo de control para mantener la imagen del telescopio estable. Después del experimento se retiraron los motores y el sistema se dejó como estaba originalmente. Estos motores se pueden colocar rápidamente en la celda del telescopio.Se esta trabajando también en tres ideas para recuperar la fase de una superficie con baja calidad óptica(RMS de micrómetros). Esto se hace primero por fotogrametría, que consiste en tomar múltiples imágenes a diferente ángulo de la superficie, estas se van hilando (stitching) hasta formar la figura 3D del objeto fotografiado. Esto nos permitirá obtener la figura en baja resolución de la superficie, en nuestro caso, la membrana.Otro método para encontrar la figura del espejo, sin necesidad de tener que adquirir y procesar muchasimágenes, es por medio de la proyección de franjas programadas en tres longitudes de onda diferentes ymezcladas para hacer RGB y que se alimentan a un proyector. Las franjas proyectadas sobre la superficie de interés se adquieren con una cámara digital, para luego, mediante programas de computadora, descomponerlas en sus tres colores. De ahí se obtiene la figura de la superficie como un corrimiento de fase, con el cual se permite obtener la información de la superficie con una sola imagen.El otro método que se esta estudiando es partir de una imagen digital de la superficie de interés y suponer que esta imagen fue generada por un frente de onda que inicialmente tenia amplitud y fase. La adquisición de la imagen (Amplitud al cuadrado) cancela la fase por tratarse de luz visible (longitudes de onda cortas).Siguiendo las leyes de la difracción, y de acuerdo al algoritmo de Gerchberg y Saxton*, se puede recuperar la fase, en donde se encuentra la información de la superficie.*R.W. Gerchberg and W.O. Saxton, Optik, Vol. 35, 237 (1972)

6.- ParticipantesEsteban Luna: 33%. Pruebas ópticas, de temperatura, metrología y optimización del control del horno, diseño y experimentos de deformación térmica y gestor del proyecto. Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente.Elfego Ruiz: 33%. Diseño del sistema de control push-pull. Experimentos y pruebas con este concepto. Optimización de celdas activas. Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente. Experimentos de deformación térmica. Luis Salas: 33%. Desarrollo de Software. Simulaciones. Diseño electrónico. Metrología. Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente.Erika Sohn: 33%. Diseño y construcción de los elementos push-pull (electrovalvulas). Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente. Diseño y construcción de sistemas electrónicos, mecánico y ópticos . Maria Pedrayes: 30% Simulaciones por elemento finito para obtener los parámetros óptimos para la celda activa tipo push-pull con pull generalizado y actuadores de diafragma. Se investiga como refigurar con la celda activa una membrana para pasar de una esfera a una cónica en eje y fuera de eje.

7.- Financiamiento empleado en el 2017.La fuente de financiamiento es el proyecto PAPIIT IT100116, el cual estamos renovando. No utilizamos financiamiento interno y se aprovecharon las estancias en el IA Ensenada del proyecto HyDRa para optimizar los gastos de estancia de dos de los participantes en este proyecto.

8. Propuesta de trabajo para el 2018.Caracterización de las componentes para calentar y sensar (resistencias, termopares y ventiladores) la temperatura del horno.Construcción y caracterización del sistema de control de temperatura basado en un microcontrolador.Pruebas y optimización del control de temperatura del horno.Pruebas de deformación térmica con diversos materiales y espesores para luego deformarlos por medio de vacío (slumping / fire polishing). Construcción de un sistema de control para generar push-pull y vacío para 40 actuadores.Optimización de celdas y actuadores push-pull neumáticos en base a los resultados de los experimentos de deformación por vacío y térmicos.Todos estos experimentos están sujetos a la instalación eléctrica para poder operar el horno.Erika Sohn: 33%. Diseño y construcción de los elementos push-pull (electrovalvulas). Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente. Diseño y construcción de sistemas electrónicos, mecánico y ópticos . Maria Pedrayes: 30% Simulaciones por elemento finito para obtener los parámetros óptimos para la celda activa tipo push-pull con pull generalizado y actuadores de diafragma. Se investiga como refigurar con la celda activa una membrana para pasar de una esfera a una cónica en eje y fuera de eje.

9. Infraestructura. Se utilizarán el taller y laboratorio de óptica del IA-Ensenada, así como el laboratorio de electrónica y taller mecánico de precisión.

10. Financiamiento solicitado al Instituto de Astronomía para el 2018. Solicitamos que el IA nos apoye con parte del costo de instalación del alambrado para pasar un suministro eléctrico de la subestación al taller del óptica. Los cables y otros accesorios para realizar la instalación eléctrica ya fueron comprados mediante el proyecto IT100116.

11. Resumen del calendario de trabajo y del uso pasado, y necesidades futuras de recursos humanos, de infraestructura y financieros.

Uso pasado de recursos humanos:Esteban Luna: 40%. Desarrollo y construcción de un horno refractario, pruebas ópticas, de temperatura, metrología y optimización del control del horno, diseño y experimentos de deformación térmica y gestor del proyecto.Elfego Ruiz: 40%. Simulaciones por elemento finito de diversos materiales para obtener los parámetros óptimos para el diseño de celdas activas tipo push-pull con pull generalizado y actuadores de diafragma. Diseño del sistema de control de presión. Experimentos y pruebas con este concepto. Diseño y construcción de celdas activas. Experimentos de deformación térmica.Luis Salas: 40%. Desarrollo de Software. Simulaciones. Diseño electrónico. Metrología.Erika Sohn: 40%. Diseño de celdas activas. Experimentos de fotoelasticidad para evaluar esfuerzos de superficies deformadas térmicamente. Diseño y construcción de sistemas electrónicos, mecánico y ópticos . Desarrollo de un horno refractario para esferizar membranas planas vítreas.

Eduardo López: 5% Construcción de un marco-soporte en PTR y solera para albergar el horno. Se agradece mucho su ayuda.Uso futuro de recursos humanos (ver inciso 6). Como este es un proyecto abierto, se solicitaran recursos humanos similares a los que hemos reportado en los dos años pasados.

Se requiere el uso de laboratorios y talleres del IAUNAM (Ensenada y CU).Solicitamos que el IA nos apoye con parte del costo de instalación del alambrado para pasar un suministro eléctrico de la subestación al taller del óptica. Los cables y otros accesorios para realizar la instalación eléctrica ya fueron comprados mediante el proyecto IT100116. Esperamos que con nuestra aportación a la instalación eléctrica, se pueda operar el horno pronto.

Financiamiento pasado y futuro:Casi desde su inicio, este proyecto ha contado con financiamiento de un proyecto PAPIIT (aproximadamente $200,000 pesos por año) y lo seguirá teniendo este año. Esperamos solicitar un nuevo proyecto PAPIIT a finales del 2018 con aproximadamente el mismo monto anual, dado que consideramos que este es un tema de investigación abierto que tiene un gran potencial para su explotación y en el cual seguiremos trabajando hasta considerar agotado el tema.

Metas a grandes rasgos:Este es un tema de investigación tecnológica. Las metas generales a las que aspira este proyecto son el desarrollo de membranas ópticas activas de mediano tamaño con materiales de bajo costo (vidrio flotado). Estas superficies activas pueden ser teseladas para formar superficies mayores que pueden ser aplicadas a la fabricación de telescopios de bajos costo y/o colectores solares. También puede ser posible aplicar este concepto a superficies del orden de 50 cm o menores para la aplicación de metrología óptica como por ejemplo, sistemas nulos. En general, este concepto permite ser utilizado en una amplia gama de aplicaciones de óptica activa.

12. Dificultades encontradasNo se pudo avanzar en algunos de los experimentos del horno debido a la imposibilidad de conectarlo a la linea eléctrica, dado el consumo al límite del IAUNAM-ENS, como se explicó arriba. Esperamos que con nuestra aportación a la instalación eléctrica, se pueda operar el horno pronto.