el desarrollo de la Óptica espacial en españa · partes del satélite. 3. ... velocidad del sol....

Tomás Belenguer

LINES, Área de Instrumentación Óptica Espacial, INTA

El Desarrollo de la Óptica Espacial en

España

Una visión breve de la instrumentación óptica en las misiones espaciales españolas

2

RESUMEN

Las misiones espaciales de la ESA

Astrofísicas.

Planetarias.

Las misiones espaciales en las queparticipa el INTA

Los retos en instrumentación óptica

La infraestructura de INTA para lainvestigación espacial

II Congreso de Ingeniería Espacial 2017

3

Las Misiones Espaciales en Función del espectro

Las misiones espaciales de la ESA cubren todo elespectro electromagnético

La óptica y la instrumentación se ven potenciadas porla necesidad de explorar el Universo.

La industria Nacional y las OPIs se han desarrolladoeficazmente entorno en las misiones espaciales.

La instrumentación óptica es especifica en cadasector: Industrial, Militar, Espacial


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Las Misiones en las que interviene el INTA

La participación en las misiones espaciales:

necesidad de un equipo multidisciplinar (opticos,mecanicos, termicos, electronicos, software, etc…)


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Misiones INTA

Sistema Solar

Misiones Planetarias

Hitos Tecnológicos

Misiones Astrofísicas

MiniSat 01 Nanosat 1B OptosNanosat 01

OWLS Experiencia en ÓrbitaInstrum. Miniaturizada GAIA

Integral SPICA ASIM

RAMAnMeiga-Metnet Dreams-Exomars 2016

ImaxSoPHI

Sentinel-3

Ingenio/Seosat

Miri/JWST

Rosseta

Las Misiones en las que interviene el INTA


http://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2004/05/Gaia_mapping_the_stars_of_the_Milky_Way

http://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2004/05/Gaia_mapping_the_stars_of_the_Milky_Way

http://www.spaceoffice.nl/blobs/Beeldbank - per thema/astroh.jpg

http://www.spaceoffice.nl/blobs/Beeldbank - per thema/astroh.jpg

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Misiones INTA: MINISAT -01

El primer satélite científico español

Primer satélite totalmente concebido en España, bajo la dirección del INTA.

Primer satélite lanzado al espacio desde territorio de la Unión Europea.

Tres instrumentos Científicos :

• LEGRI (INTA-UV-RAL) – Detector de rayos Gamma basado en nuevas tecnologías de Ioduro de Mercurio

• EURD (INTA-UCB) – Espectrógrafo para medir la radiación difusa en el rango ultravioleta extremo.

• CPLM (INTA-ETSIA) – Dispositivo para estudiar el comportamiento de puentes líquidos en microgravedad

Una Experiencia Tecnológica:

• ETRV – Estudio del Comportamiento en órbita de un nuevo regulador de velocidad para el despliegue de

grandes reflectores y mástiles

1997- Actual. Operativo


7

Misiones INTA: NANOSAT- 01El Primer Nanosatélite español en órbita

El Nanosat, con menos de 20 kilos de peso, lleva a bordo cuatro experimentos, con los que el INTA pretende

demostrar el uso de varias tecnologías nuevas (Micro-Nanotecnología. Comunicaciones Opticas Intrastélite.

Sensores Magnéticos).

Experimentos:

• Sensor AMR

• Magnetómetro de Efecto Faraday

• Sensor Solar de Silicio poroso

• 2 experimentos de Comunicaciones

Ópticas Inalámbricas

2004 - Actual. Operativo

Demostrador Tecnológico


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CARGA ÚTIL

• LDT, Las Dos Torres

(Detector de protones de alta energía)

•Sensores: de Magneto-Impedancia y de dósis

acumulada de radiación - RadFET

Misiones INTA: NANOSAT- 1BSegundo Nanosatélite español en órbita




Año Internacional de la Luz, 27 Nov 2015 9

Misiones INTA: Nanosatélite OPTOS Pequeño Satélite

Experimentos en los campos de aplicación:

Magnetismo, Óptica y Radiación

Carga Útil compuesta por:

1. APIS: cámara sin control térmico activo capaz de tomar

imágenes pancromáticas con una resolución de 200 m, en

un rango de temperaturas de±20º C.

2. ODM: medidor de dosis total acumulada, basado en

sensores RadFET, que permite conocer la radiación a la

que está sometida la electrónica que conforma diferentes

partes del satélite.

3. GMR: permite validar en vuelo un diseño de sensor

magnético en el rango de 100 μT, basado en el uso de

magneto-resistencias gigantes.

4. FIBOS: sensor de temperatura basado en el uso de redes

de Bragg grabadas en el núcleo de una fibra óptica.



Utilización de Tecnología OWLS (Optical Wireless Links for intra Spacecraft Communications) para las comunicaciones Internas


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Misiones INTA: Nanosatélite OPTOSLa Cámara APIS y los desarrollos tecnológicos

Optos (Athermalized Panchromatic Imaging System, APIS)

Camara de Observación de la Tierra. Incluye un dtector CMOS no calificado para espacio Se pretende estudiar la degradación de los vidrios en el espacio Incorpora un sistema de atermalización pasivo

12:46:54

1 2 3 4

5 6 7

8 9

10 11

12 13

14

APIS Camera,T=20 ;P=760 Scale: 5.90 ORA 20-Feb-08

4.24 MM

Detector Window

Focal Plane

Meniscus LensesTriplet

Aperture Stop

La Pupila de Entrada esreal para evitar laradiación difusa delinstrumento.


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Análisis de la pérdida de prestaciones ópticas de vidrios y recubrimientosópticos sometidos a simulación de ambiente espacial.

Parametrización y Modelización del comportamiento de estos materiales enambiente espacial.

Creación de una Base de Datos de materiales ópticos para uso en diferentesmisiones espaciales.

Materiales ópticosMasivos (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

Simulación Ambiente Espacial Desgasificación Vacío y Ciclado térmico Radiación UV Radiación gamma Protones

Necesidad especifica de la tecnología de óptica espacial


Desarrollos tecnologías INTA: Caracterización de materiales ópticos

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Misiones INTA: Nanosatélite OPTOSEL instrumento FIBOS

Retos tecnológicos:

Caificación de un Laser para aplicaciones espaciales

Generación de matrices de control de corriente para asegurar su

comportamiento

Optos (FIBER BRAGG GRATINGS AS OPTICAL SENSORS DEVICES ,FIBOS)

Temperature Sensor Based on a Bragg Grating de (UPV, Dpto de Estructuras y Materiales INTA)


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Sistema Solar: Misión ROSSETA

2 de marzo 2004 - fin 20152014 -Salida de la hibernación

La misión Rosetta tiene como Objeto el estudio de los cuerpos primitivos del sistema Solar.

Encuentro hacia el cometa 67P Churyumov-Garasimenko para el estudio “in situ” de su coma y núcleo.

Visita de los asteroides 2867 Steins y 21 Lutetia. La sonda consta de orbitador y el lander Philae.

La instrumentación científica del orbitador está

compuesta por 11 instrumentos entre ellos OSIRIS,

los ojos de la misión.

El instrumento OSIRIS, compuesto por dos

cámaras de alta resolución, es el encargado de

tomar las imágenes de los asteroides así como

del núcleo del cometa a lo largo de toda la

misión,

RESPONSABILIDAD INTA

• RUEDAS DE FILTROS DE LAS CÁMARAS DE CAMPO

ANCHO (WAC) y DE ÁNGULO ESTRECHO (NAC) que

componen la carga útil del instrumento

• TARJETAS ELECTRÓNICAS DE POTENCIA Y CONTROL

– PCM, CRBs


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Sistema Solar: Misión ROSSETA

2 de marzo 2004 - fin 20152014 -Salida de la hibernación

http://www.elmundo.es/ciencia/2015/09/15/55f853d9ca4741cf488b45dd.html

Instrumentos de Philae

En julio de 2015, los grupos científicos presentaron en la revista Science los resultados de los estudios:

•Presencia de compuestos orgánicos considerados precursores de la vida, que intervienen en la formación de aminoácidos esenciales o de bases nucleicas en la superficie del cometa.

•Se encontraron, específicamente, 16 compuestos orgánicos, entre los que destacan acetamida, isocianato de metilo, propanal y acetona.

•Es la primera vez que se detectan estos compuestos en un cometa.


https://es.wikipedia.org/wiki/Science

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Sistema Solar: SUNRISE - Telescopio Solar


DISEÑO ÓPTICO, DISEÑO OPTOMECÁNICO Y EL CONTROL TÉRMICO

Instrumento IMaX – Es un Magnetógrafo solar diseñado y construido por el

INTA, IAA-CSIC y la UV

Objetivo:

Estudiar el campo magnético solar.

Distribución del campo magnético en el sol con imágenes de altísima resolución.

2009- 1º vuelo

2013 – 2º Vuelo

• La misión SUNRISE consistió en un globo estratosférico con un

telescopio solar de 1 m de apertura a bordo. Se lanzó con éxito el 8 de

junio de 2009 desde el Ártico, dentro del Programa de la NASA, Long Duration

Balloon Program. Duración del vuelo 5 días y 17 horas

Principal objetivo científico: Estudio de los campos magnéticos solares con

alta resolución espacial (100km en la superficie solar)


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Espejos dobladores

Phase Diversity

Soporte Roclis

Sistema Solar: IMaX Demostrador tecnológico para futuras misiones Espaciales

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

12:30:55

IMaX Final Optical Design Scale: 0.37

Positions: 1-2CPS 24-Nov-06

XZ67.57 MM

M1

M2M3

CCDs

ROCLIs

Prefilter

Phase Diversity

Beamsplitter

Etalon

F4

Challenges:Ghost ImagesEthalon control (High voltage)Optical qualityThermal control of ROCLIS and Filter


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Sistema Solar: SOLAR ORBITER SO/PHI y METIS

Lanz. Prev.2018


Instrumento SO/PHI - Solar Orbiter Polarimetric and Helioseismic Imager

OBJETIVO: Medición del campo magnético vectorial y de los flujos de

velocidad del sol. Proporcionará el contexto magnético que precisan

los otros instrumentos a bordo.

SO/PHI es el instrumento que más recursos necesita de la misión.

OBJETIVOS CIENTÍFICOS

Know-how tecnológico: i.e. Primer espectropolarímetro en una misión aerospacial

desarrollado en Europa. 1er polarimetro especial basado en LCVRs

Innovación: i.e. Moduladores de polarización basados en LCVRs, etalones LiNbO3

como filtros sintonizables

Excelencia científica: apoyada en conocimiento tecnológico “in-house”

CONTRIBUCIONES “CLAVE” ESPAÑOLAS

INTA lidera el uso de cristales líquidos para medidas de polarización en aplicaciones espaciales

METIS/SOLAR ORBITERUtilizará también la Tecnología basada en LCVRs


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Ingeniería óptica en… SO/PHI

Se requiere caracterización polarimétrica a las líneas espectrales del Sol de interés (617.3 nm ± 1.5Å)

Se requiere la incorporación de un Celostato en la Sala de integración de OIF. En colaboración con IAC (OGSE-Solar Orbiter)

PICTURE OF A KIS COELOSTAT AT THE TEIDE OBSERVATORY


19

Exploración Planetaria: MEIGA-METNETMars Environmental Instrumentation for Ground and Atmosphere

ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA MARTE

Carga Útil de 198 gramos

Tres instrumentos:

• Sensor de Irradiancia solar – SIS

• Magnetómetro MOURA

• Sensor de polvo en suspensión – DS

Desarrollo dos ASIC de señal mixta afrontados (ASIC-OWLS y ASIC-MOURA) en tecnología de 0,35 μm


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Exploración Planetaria: DREAMS EXOMARS 2016

SIS-OH (Optical Head):25g, 60mW, 7 detectoresUV, NIR, VISTetraedro truncado

SIS-PE (Processing Electronics):63g, 250mWFPGA, MemoriaI/F digital

SIS - Sensor de Irradiancia Solar-desarrollado íntegramente en el INTA para la estación Meteorológica - DREAMS


II Congreso de Ingeniería Espacial 2017 21

Exploración Planetaria: RAMANRaman Laser Spectrometer, RLS

El INTA es responsable del DISEÑO ÓPTICO e INTEGRACIÓN

OPTOMECÁNICA del cabezal Raman (iOH), de la unidad del

espectrómetro (SPU) y de la coordinación de todas los subsistemas del

instrumento que serán embarcados en el rover de la Misión ExoMars de

la ESA

DESARROLLO DE UN ESPECTRÓMETRO PARA EXPLORACIÓN DE RESTOS ORGÁNICOS EN

MARTE

Lanz. Prev.2020

Objetivos científicos del instrumento Raman dentro de la misión

•Búsqueda de signos de vida pasada o presente: Posible detección directa de compuestos orgánicos Identificación de minerales indicadores de actividad biológica

•Estudio de procesos relacionados con la actividad del agua Identificación de fases minerales producidas por la interacción fluido-roca Caracterización de minerales ígneos y sus productos de alteración

Objetivos tecnológicos del instrumento Raman

•Desarrollo de un espectrómetro Raman para misiones planetarias: Unidad de espectrómetro de transmisión Laser, iOH

La VALIDACIÓN y CALIFICACIÓN de COMPONENTES ÓPTICOS para ESPACIO es una actividad prioritaria de este proyecto

El espectrómetro Raman (Raman Laser Spectrometer, RLS) es parte de la carga de pago Pasteur de la misión ExoMars de la ESA y ha sido catalogado como instrumento esencial para la misión. En la presente configuración de la misión, el espectrómetro Raman analizará muestras de la superficie y debajo de la superficie dentro del laboratorio analítico del “Rover”. Estas muestras son recogidas por un perforador y preparadas dentro del laboratorio analítico en forma de polvo cristalino..

22

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)

Ingeniería óptica en … RAMAN

colimador

Red VPH

colector

CCD

Espectrómetro de transmisiónResolución espectral de 0.12-0.15nm/pixelRango espectral de 533-676nmDiseñado para compensar desenfoque térmico(-40ºC-0ºC)

Retos del diseño: masa, envuelta y entorno operativo hostil

Diseño óptico Espectrometro (SPU)


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Ingeniería óptica en … RAMAN

VPH redes de gelatina dicromatadaembebidas 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

Calificación en ambiente espacial: ensayos mecánicos, vacío y cicladotérmico (-70ºC a +70ºC), radiación UV, gamma y protones, esterilización(Planetary Protection)

Diseño óptico Cabezal Interno Óptico (IOH)16:13:59

2 3

4 5

6 7

8 9 11 13

14 16

17 18 19

20 21

22 23

2 3

4 5

6 7

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12

15 18

19 22

23

Laser path Scale: 1.90

Position: 1TBD 12-Jun-13

13.16 MM

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


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Gamma irradiationFour steps: 5 – 10 – 15 – 20 Krad

Proton irradiation: 2.4·1010 protons/cm2 considering 2mm Al @ 10MeV (design margin = 2)

Five steps: 5·108 – 1·109 - 5·109 – 1·1010 - 5.5·1010 @ 50MeV UV irradiation: no steps

Planetary Protection !!!

COMPATIBLE WITH THE STERILIZATION BY DRY HEAT

MICROBIAL REDUCTION (110-125ºC, 20-15h)

Validation campaign

Thermal cycling +

Mechanical tests

(3 pcs)

UV irradiation

(3 pcs)

Proton

irradiation

(3 pcs)

Gamma

irradiation

(3 pcs)

RAMAN: Redes de Difracción Holográficas (Calificación Espacial)


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RAMAN: Laboratorio de proteccion Planetaria

La participación en RAMAN obliga a desarrollar un laboratorio

de protección planetaria (Planetary Protection): Evitar Contaminación (por partículas, molecular o biologica) Evitar la Contaminación a otros instrumentos de la misión Proteger el ambiente Marciano de contaminación biologica terrestre.

1. Trabajo teleoperado 2. Capacidad para realizar exploraciones de

crecimiento de esporas bacterianas (microorganismos)

3. Capacidad para realizar Dry Heat Microbial Reduction (DHMR) para esterilización. (110-125ºC/5-25h)

Proceso de integración muy complicado:1. Incorporación de filtros HEPA2. Limpieza repetitiva.3. Barreras microbiologicas


II Congreso de Ingeniería Espacial 2017 26

Participación INTA en todos los Instrumentos de la Carga Útil

1er. Instrumento bajo desarrollo integramente español. Liderazgo INTA

1. Monitor óptico OMC (Optical Monitoring Camera)

Telescopio refractor con una camara CCD (Charge Coupled Device)

de 1024x2048 píxeles acoplada. El campo de visión es de 5°x 5°,

Muy similar al de JEM-X y es sensible hasta magnitud 17.5.

Mascaras de Codificación de los siguientes Instrumentos:

2. IBIS: generador de Imágenes (15 keV – 10 MeV)

3. SPI: espectrómetro (20 keV – 8 MeV)

4. JEM-X: detector de X blando y duros (3-35 keV)

Misiones Astrofísicas: INTEGRALObservatorio Internacional Orbital de rayos Gamma


4 instrumentos Coalineados Astrofísica Multiespectral 1ª Participación IMPORTANTE de España

en una Misión Científica de la ESA

INTEGRAL (de International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) es un observatorio orbital de rayos gamma, la radiación electromagnética más energética. Se destaca por ser el primer observatorio que puede captar simultáneamente un objeto en rayos gamma, rayos x y visible, lo que ayuda a detectar las fuentes de rayos gamma.

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JWST opera a longitudes de onda infrarrojas para evitar la

dispersión de la luz por las nubes de polvo interestelar y

poder observar objetos fríos: rango de entre 1 y 27

micrómetros.

La emisiones infrarroja del propio telescopio y de los

aparatos de medida debe reducirse al máximo: 50 K (-223º C).

Misiones Astrofísicas: TELESCOPIO ESPACIAL JAMES WEBB

(JWST) Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI)

Lanz. Prev. - 2018

Misión

•Buscar la luz de las primeras estrellas y galaxias formadas tras el

Big Bang

•Estudiar la formación y evolución de las galaxias

•Comprender mejor la formación de estrellas y planetas

•Estudiar los sistemas planetarios y los orígenes de la vida

.


28

Lanz. Prev. - 2018


DISEÑO, FABRICACIÓN, INTEGRACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL

SIMULADOR ÓPTICO DEL TELESCOPIO (MTS, MIRI Telescope

Simulator) para la caracterización del instrumento MIRI que entregaba

la ESA a la misión James-Webb.

El banco óptico entregado fue calibrado y caracterizado a 25K en las

instalaciones del INTA siendo entregado al RAL – Rutherford Appleton

Laboratory en 2011 para la caracterización del instrumento MIRI en

condiciones criogénicas.

Misiones Astrofísicas: TELESCOPIO ESPACIAL JAMES WEBB

(JWST) Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI)


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Misión

Enfocada en el estudio del universo lejano (el más próximo

al Big-Bang)

Observará las galaxias más alejadas de nosotros

Requiere una alta sensibilidad porque al estar tan

alejadas son objetos muy tenues

También estudiará la composición del medio

interestelar (qué moléculas hay y qué reacciones

químicas se producen) y el proceso de formación

de las galaxias

Fecha prevista de lanzamiento: año 2029 (requiere un

alto desarrollo de tecnología que hoy en dia no está

calificada para volar)

• El satélite se posicionará en L2 para asegurar alta

estabilidad y baja influencia de la tierra durante la

observación

Misiones Astrofísicas: SPICASAFARI

• El satélite se compone de un gran telescopio (con un espejo principal de 2,5 m de

diámetro) y 2 instrumentos: SAFARI y SMI

• SAFARI es un instrumento que trabaja entre 34 y 210 micras, es la región más

interesante para conocer su evolución.

• España tiene una participación muy importante en safari: ¡es responsable del

diseño óptico del instrumento!


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SAFARI/SPICA INTA-4K CRYOSTAT

La participación en SPICA nos obliga a contar con una nuevainstalación: Criostato 4K

Operativa: 28/05/2014


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Comunicaciones Ópticas Intra-satélite – OWLS

Línea de Investigación Integramente INTA


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Cuenta con una elevada infraestructura en el segmentoterreno de las misiones espaciales. Red de Antenas de espacio profundo

Antenas de Seguimiento de Villafranca

Posee instalaciones de ensayos específicas para la tecnologíaespacial SPASOLAB

DESGASIFICACIÓN

EMC

ENSAYOS AMBIENTALES

CAMARAS DE VACIO

SALA DE INTEGRACIÓN OPTICA (OIF)

Capacidades del INTA para la investigación espacial


INTA, 19 de Mayo 2015

Jornadas Técnicas de vacío

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Photogrammetry (For measuring deformations of surfaces at vacuum conditions, Thermo-elastic behavior of antennas, 20 microns)

Installation of a externalcamera with specialretroreflectors target andcodecs to measuregeometry or deformationlocally

Optical Metrology

I-CAN 3

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Sala de integración óptica y ensayos ISO-6

Aplicaciones

Sala limpia ISO-6 dedicada a la integración y ensayos decargas útiles (especialmente de gran apertura) paraaplicaciones 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

Operativa desde Agosto 2011

Departamento de Cargas Útiles y Ciencias del Espacio


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Sala de integración óptica y ensayos ISO-6

OTB

InterferometríaRadiometría MTF


36

2) Caracterización óptica y electro-óptica

Medida de la MTFcapturando la imagenaérea de una fuente

puntual (PSF)


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3) Caracterización radiométrica

Esfera integradora

Espectro-radiómetro


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Sala ISO-8 (I)

Sala ISO-8 (II)Pre-montaje ensayo termo-vacío

Ensayo termo-vacío en ISO-8



39

Lab. de caracterizaciónde materiales

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

Lab. para ensayo de prototipos

Lab. Fibra óptica



40

Thanks….




41

Particulate Contamination (how to avoid it)

How to proceed:

•Maintain the filters and air delivery fans

•Monitor clean room performance

•Establish Cleaning schedule for clean room

•Wear correct clean room clothing

•Correct clean room behavior

•Move carefully The floor of a clean room is not clean

• Do not stand between work and filters

•Limit number of people on Lab

•Use only clean tools

•Cover work when not in use

•Police each others activities

•Highest specification sets the standard for all.

•Maintain the standard of the room

PPM/24 hrs PFO=0.069*ClassLevel0.72



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Molecular Contamination (IR analysis)

el desarrollo de la Óptica espacial en españa · partes del satélite. 3. ... velocidad del sol....

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