Che cos'è la progettazione optomeccanica?

La progettazione optomeccanica è la sottodisciplina della progettazione ottica che si concentra sull'integrazione dei componenti ottici nelle strutture meccaniche che servono a contenerli e spostarli, riducendo al minimo l'impatto di carichi strutturali, dinamici e termici sulle prestazioni ottiche. Si trova all'intersezione tra progettazione ottica e progettazione meccanica con l'obiettivo di produrre dispositivi ottici robusti, a costi vantaggiosi e fabbricabili.

Il progetto risultante deve soddisfare un'ampia gamma di requisiti, tra cui costi dei componenti, costi e tempi di produzione, costi e tempi di assemblaggio, affidabilità meccanica, interventi di manutenzione, dimensioni, peso, imballaggio e spedizione, facilità di allineamento e prestazioni ottiche.

La progettazione optomeccanica non è uguale alla progettazione di un sistema ottico su una tavola ottica, in cui l'obiettivo è semplicemente creare prototipi dell'ottica o esplorare una nuova area delle scienze ottiche. L'optomeccanica si concentra sulla parte meccanica dei prodotti utilizzati al di fuori di un laboratorio di ottica, di solito da persone che non sono ingegneri ottici o ricercatori. Tutto, dalla fotocamera dello smartphone agli specchi e alle lenti del telescopio spaziale James Webb, richiede un largo impiego di optomeccanica per garantire che l'intero prodotto soddisfi o superi tutti i suoi obiettivi di progettazione.

Una volta definito e caratterizzato il percorso luminoso per il dispositivo ottico utilizzando uno strumento come il software di progettazione e analisi dei sistemi ottici Ansys Zemax OpticStudio, è possibile iniziare il processo di progettazione optomeccanica utilizzando la geometria ottica come punto di partenza. 

Ogni dispositivo ottico avrà requisiti e fasi di progettazione differenti, ma la maggior parte dei passaggi rientra in una delle seguenti cinque categorie.

1. Selezione dei materiali

La prima fase consiste nel definire i materiali utilizzati per produrre ogni parte ottica e meccanica nel sistema. Le lenti possono essere realizzate in vetro o polimeri, mentre gli specchi e i componenti meccanici hanno diverse opzioni di materiale. 

Poiché le differenze nel coefficiente di espansione termica possono causare problemi di allineamento, sollecitazioni e resistenza meccanica, è importante scegliere materiali con un coefficiente di espansione termica (CTE) simile. L'alluminio e l'acciaio inox sono materiali comuni per i componenti strutturali. Il vetro o i polimeri al carbonio possono fornire proprietà simili a un peso inferiore, mentre i materiali compositi possono offrire una rigidità molto elevata e un CTE basso. Anche quando si utilizzano componenti pronti all'uso, i progettisti devono conoscere i materiali utilizzati in tali sottoassiemi.

Una volta che i materiali di base sono stati definiti, gli ingegneri devono specificare il tipo di post-elaborazione da applicare. La post-elaborazione del materiale può consistere in rivestimento, anodizzazione, finitura superficiale o trattamento termico. Ogni fase influisce sulle caratteristiche meccaniche e ottiche delle parti trattate.

Un'altra considerazione nella scelta dei materiali è il materiale utilizzato per adesivi e dispositivi di fissaggio nel progetto. Le mancate corrispondenze termiche tra i dispositivi di fissaggio e il materiale da fissare possono causare un carico significativo. Adesivi errati possono rilasciare gas, che può ricoprire le superfici ottiche e, se non sufficientemente resistenti per l'applicazione, le lenti che trattengono possono disallinearsi.

2. Progettazione strutturale

Per un corretto funzionamento di un progetto ottico, i componenti nel percorso della luce devono rimanere nel loro orientamento e posizione nominali. Il progettista optomeccanico deve decidere quali sono i componenti meccanici migliori per sostenere ciascun componente ottico e come la struttura meccanica viene collegata per formare un assieme. La tolleranza svolge un ruolo essenziale in questa fase. 

Inoltre, se qualsiasi funzione ottica richiede un movimento controllato durante il funzionamento, è necessario scegliere e progettare meccanismi di azionamento. I metodi di azionamento standard includono viti a testa e sfera, interfacce filettate di precisione, bobine vocali e solenoidi. Anche ingranaggi di precisione, camme e motori elettrici possono far parte dei dispositivi di azionamento. Nell'ottica adattiva, uno specchio viene deformato dagli attuatori meccanici per modificarne le proprietà ottiche, spesso correggendo le aberrazioni ottiche. 

La maggior parte degli oggetti che compongono il progetto strutturale ha lo scopo di sostenere o spostare l'ottica, ma alcuni di essi hanno anche la funzione di proteggere l'ottica da contaminazioni, carichi termici e luce esterna indesiderata. Cilindri, deflettori e alloggiamenti sono alcuni dei componenti tipici utilizzati per proteggere il percorso ottico.

Anche il peso e le dimensioni svolgono un ruolo essenziale in questa parte del processo di progettazione. La progettazione strutturale inizia con la posizione dei componenti ottici e dell'involucro, inclusa la massa, nel quale il dispositivo deve essere inserito. Gli ingegneri valutano i carichi esterni sotto forma di forze, accelerazione e variazioni di temperatura per vedere quanto ciascun componente potrebbe muoversi o deformarsi e per assicurarsi che la struttura non si deformi o si danneggi in modo permanente. Inoltre, il progetto viene modificato per evitare contaminanti indesiderati come polvere, sostanze chimiche, umidità e luce. 

Un'altra parte della progettazione strutturale è la gestione termica. Le sorgenti luminose come i laser spesso generano calore e i sensori hanno in genere intervalli di temperatura di esercizio molto specifici. Entrambi devono essere mantenuti entro i limiti di temperatura consentiti e a volte è necessario un raffreddamento passivo, attivo e criogenico.

3. Progettazione dell'interfaccia di montaggio della lente

Una volta che i team di progettazione decidono come contenere o posizionare l'ottica, devono definire come collegare ogni lente alla struttura. La progettazione del montaggio delle lenti è un problema meccanico specifico, affrontato con metodi collaudati. I dispositivi di fissaggio come anelli di ritenzione, anelli elastici, distanziatori, flange ad anello e supporti laterali presentano tutti vantaggi e svantaggi. Gli ingegneri devono comprendere i carichi, i costi e le tolleranze ottiche di ciascun approccio per scegliere quello giusto. 

La progettazione dell'interfaccia di montaggio della lente è spesso un processo interattivo tra il progettista della lente e l'ingegnere meccanico. Ciò è dovuto al fatto che molti schemi di montaggio dipendono dalla curvatura e dalla superficie ottica di precisione lucidata della lente per fissare la posizione assiale della lente e impedire che ruoti fuori dall'asse ottico. 

L'elevata precisione di ciascuna superficie consente un posizionamento accurato. Tolleranze più basse sul bordo smerigliato o sulla smussatura risultano più ampie e meno ideali per tenere le lenti in posizione. In alcuni progetti, elastomeri o adesivi fungono da interfaccia tra la lente e l'hardware di supporto.

4. Altra progettazione di interfaccia per componenti ottici

Una progettazione efficace include anche la definizione dell'interfaccia optomeccanica per i componenti, oltre alle lenti. Le sorgenti ottiche e i rilevatori sono una parte importante del percorso della luce e la loro posizione rispetto ad altri componenti è fondamentale. Spesso sono montati su una scheda a circuito stampato (PCB) o sono contenuti in un alloggiamento specifico, pertanto gli ingegneri devono comprendere i requisiti di montaggio e regolare il progetto di conseguenza. 

Quando le lenti sono cilindri sottili, specchi e prismi possono avere forme diverse che determinano le opzioni che gli ingegneri hanno a disposizione per tenerle in posizione. Gli specchi sono particolarmente sensibili alla distorsione, quindi vengono utilizzati schemi di montaggio specifici per evitare di piegare lo specchio mentre i prismi spesso possono essere ingombranti e sono molto sensibili all'angolazione delle proprie superfici ottiche rispetto all'asse della luce. Morsetti e viti sono schemi di montaggio comuni per questi tipi di componenti, così come gli adesivi o gli elastomeri. 

5. Progettazione per costi, producibilità, assemblaggio e allineamento ottico

La categoria finale delle attività di progettazione esamina il costo delle varie soluzioni di progettazione, il modo in cui influiscono sulla producibilità del sistema ottico, il processo di assemblaggio e come allineare i componenti ottici. Tutti questi fattori influiscono sulla fattibilità commerciale complessiva del prodotto che utilizza il sistema ottico. 

Il team deve collaborare con gli ingegneri di produzione e qualità non solo per ridurre il costo di ogni parte dell'assieme, ma anche per creare processi preliminari per la pulizia, l'assemblaggio, l'allineamento e il fissaggio della posizione dei componenti ottici in modo automatizzato e ripetibile. Inoltre, l'esportazione del progetto su PanDao può aiutare a identificare la catena di fabbricazione e i fornitori ottimali durante la fase di progettazione, garantendo soluzioni convenienti e fabbricabili.

Per i progetti più grandi, i team di ingegneri meccanici, ottici e optomeccanici collaborano per integrare l'optomeccanica nel processo di progettazione. Nei team più piccoli, gli ingegneri devono adottare un approccio multidisciplinare e comprendere il funzionamento ottico e meccanico. 

Il tipico flusso di progettazione di un sistema ottico, inclusa l'optomeccanica, può essere suddiviso nei seguenti passaggi:

1. Progettazione ottica

   Il primo passo consiste nell'ottimizzare i componenti ottici del sistema, come lenti, specchi, prismi, sorgenti e rilevatori. In questa fase, gli ingegneri definiscono le proprietà, la forma, la posizione e la posizione relativa di ciascun componente ottico. Calcolano quindi le prestazioni ottiche, prevedono come varia la luce mentre si sposta attraverso gli elementi ottici e variano la geometria e le posizioni fino a quando le prestazioni ottiche non soddisfano i requisiti di progettazione.

2. Progettazione dei sistemi optomeccanici

   La progettazione optomeccanica generale si concentra sulla progettazione della struttura che deve contenere tali componenti, sul controllo del loro movimento meccanico qualora debbano essere azionati durante il funzionamento o sulla protezione dall'ambiente esterno e dalla luce dispersa. Il team di progettazione optomeccanica lavora anche per calcolare e ridurre al minimo i costi, massimizzare la producibilità e considerare le esigenze di assemblaggio e allineamento.

3. Carico e risposta optomeccanici

   Gli ingegneri quindi determinano e applicano carichi ambientali quali gravità, variazione di temperatura, vibrazioni, accelerazione e forza durante l'assemblaggio e il funzionamento. Calcolano quindi il modo in cui la struttura meccanica si flette e il modo in cui i componenti ottici vengono distorti o spostati dalla loro posizione nominale.

4. Valutazione dell'impatto sulla progettazione ottica

   Le prestazioni ottiche vengono quindi rivalutate con i componenti ottici distorti o spostati per determinare se le prestazioni rientrano ancora in un intervallo accettabile.

5. Iterazione tra progettazione ottica e optomeccanica

   Se le prestazioni ottiche risultanti non rientrano nei limiti consentiti, gli ingegneri ripetono la progettazione ottica e optomeccanica fino a quando i costi e le prestazioni ottiche non sono accettabili. Simulazioni accurate e tempestive, dati di test significativi e comunicazioni chiare tra le diverse discipline favoriscono l'efficacia e l'efficienza delle iterazioni.

L'impatto economico e di pianificazione di ciascuna opzione di progettazione deve essere ridotto al minimo mantenendo le prestazioni del sistema ottico entro valori accettabili. Il raggiungimento di questo obiettivo è la sfida fondamentale dell'optomeccanica. 

Le considerazioni sulla progettazione ottica dominano in una situazione di laboratorio in cui un circuito sperimentale può essere creato e modificato manualmente. Tuttavia, quando viene inserito in un prodotto, gli ingegneri devono considerare i requisiti in conflitto nel guidare la progettazione verso una soluzione ottimale. I team di successo utilizzano un solido processo di progettazione combinato con la simulazione per superare queste sfide. 

Processo di progettazione collaborativo, multidisciplinare e iterativo

Il settore ha sviluppato la sottodisciplina dell'optomeccanica per rispondere alla necessità di un processo di progettazione più iterativo e multidisciplinare. Prima della sua introduzione, gli ingegneri ottici sviluppavano un progetto ottico e lo inviavano a un team di ingegneria meccanica per capire come contenere, spostare e proteggere l'ottica. Questo approccio disgiunto spesso determinava un progetto che non rispondeva alle specifiche ottiche o comportava costose correzioni nelle fasi avanzate del processo di progettazione. 

Per risolvere questo problema, le aziende formano team multidisciplinari con ingegneri che comprendono gli aspetti meccanici univoci dei sistemi ottici e i principi fondamentali dell'ottica per considerare entrambe le aree al momento di prendere decisioni di progettazione. Una comunicazione chiara, frequente e concisa è fondamentale per il successo di qualsiasi team multidisciplinare. 

Inoltre, il processo di progettazione deve essere iterativo, consentendo la valutazione delle modifiche di progettazione in entrambe le aree. Sono necessari strumenti che consentano di trasferire le informazioni sulla geometria e sulle tolleranze tra le diverse discipline. La progettazione di sistemi ottici segue solitamente le fasi standard di progettazione concettuale, preliminare e finale, con iterazioni in ogni fase. Team efficaci utilizzano simulazione, prototipazione, test, revisioni dei progetti e documentazione tecnica appropriata per individuare e risolvere i problemi nelle prime fasi del processo di progettazione. 

Progettazione optomeccanica basata sulla simulazione

Sia la simulazione ottica che quella meccanica svolgono un ruolo importante nel soddisfare e superare le sfide poste dall'optomeccanica. La creazione di una rappresentazione virtuale del progetto consente agli ingegneri di comprendere rapidamente le prestazioni del progetto da una prospettiva ottica e meccanica, nonché la modalità di interazione tra le due. 

Un tipico flusso di lavoro di simulazione per la progettazione optomeccanica prende la geometria derivata da una simulazione ottica e la trasferisce a strumenti di progettazione meccanica dove viene specificato il progetto di montaggio e alloggiamento. 

Gli ingegneri utilizzano pacchetti di simulazione strutturale, cinematica, fluidodinamica di calcolo (CFD) e termica come il software di analisi degli elementi finiti strutturali Ansys Mechanical, che utilizza il metodo di analisi degli elementi finiti (FEA) per simulare vari aspetti della progettazione meccanica. Essi applicano quindi carichi ambientali quali forze, accelerazione, urti, vibrazioni e variazioni di temperatura e calcolano la risposta dell'assieme.

Una volta che la simulazione ha ottenuto una stima del comportamento del sistema sotto carico, gli ingegneri trasferiscono le informazioni su distorsione fisica risultante e le tolleranze calcolate allo strumento di simulazione ottica per l'esecuzione e il controllo da parte degli ingegneri ottici per verificare se le prestazioni ottiche rientrano nei limiti accettabili.

Un flusso di lavoro di simulazione più efficiente utilizza uno strumento come Zemax OpticStudio per la progettazione a livello di componente, che si integra direttamente con Mechanical CAD grazie a un flusso di lavoro che include un numero crescente di funzionalità di progettazione e simulazione optomeccanica all'interno del software di progettazione ottica stesso. Zemax OpticStudio Enterprise porta questo flusso di lavoro a un livello superiore con strumenti integrati di caricamento, adattamento e visualizzazione multifisica.

Gli ingegneri possono inoltre utilizzare strumenti di convalida e progettazione ottica a livello di sistema come il software di simulazione ottica e illuminazione integrato in CAD Ansys Speos per valutare altre considerazioni di optomeccanica. Il software Speos consente la valutazione della luce dispersa riflessa dai componenti meccanici, il blocco della luce da parte di componenti optomeccanici o la vignettatura, ovvero la regolazione della saturazione o della luminosità sulla periferia del percorso del fascio. Una convalida a livello di sistema può anche osservare la qualità e la forma della messa a fuoco e le dimensioni del punto sul rilevatore. 

Negli ultimi anni, l'optomeccanica si è evoluta rapidamente per far fronte al crescente utilizzo di sistemi ottici in un'ampia gamma di settori. Questi settori si affidano a diverse telecamere e altri sensori per:

• Prodotti di consumo
• Dispositivi medici
• Fotografia
• Metrologia
• Comunicazione ottica
• Automazione della produzione
• Internet delle cose (IoT)
• Osservazione della terra
• Applicazioni aerospaziali e della difesa
• Sensori automobilistici
• Sistemi autonomi lidar e telecamere ottiche
• Strumenti scientifici
• Astronomia

I nuovi progressi nei metodi di produzione, i miglioramenti nella scienza dei materiali, la miniaturizzazione e le maggiori risorse informatiche, in grado di gestire l'elaborazione e la memorizzazione delle informazioni ottiche, guidano questo elenco di applicazioni in continua evoluzione.

Tutti questi cambiamenti sono alla base della necessità di miglioramenti nell'optomeccanica. 

Ecco alcune tendenze che i progettisti devono conoscere e prepararsi ad affrontare: 

Miniaturizzazione continua

I miglioramenti nei materiali e nei processi di produzione stanno spingendo le dimensioni degli assiemi ottici e dell'optomeccanica a loro sostegno verso dimensioni sempre più ridotte. Man mano che le parti diventano più piccole, la complessità e la precisione dei componenti strutturali devono migliorare.

I progetti di dimensioni più ridotte sono anche più sensibili alle variazioni di temperatura. La miniaturizzazione rende inoltre più difficoltosi i test fisici, aumentando la necessità di simulazioni per realizzare prototipi virtuali di progetti optomeccanici.

Evoluzione dell'ottica adattiva

L'evoluzione continua della forma e, pertanto, le proprietà ottiche di lenti e specchi rappresentano un modo promettente per compensare le distorsioni causate dai carichi meccanici e termici. Queste regolazioni in tempo reale richiedono uno straordinario software di controllo abbinato ad un azionamento elettromeccanico rapido e preciso.

La progettazione di un'ottica adattiva efficace e conveniente richiede un processo di progettazione ottica comprovato che includa un potente flusso di lavoro di optomeccanica.

Produzione additiva

L'uso della produzione additiva (AM), denominata anche stampa 3D, offre agli ingegneri optomeccanici nuove libertà di progettazione per creare geometrie complesse in grado di migliorare drasticamente la robustezza meccanica e la gestione termica.

La tecnologia AM consente la creazione di complessi assemblaggi come singole parti o l'integrazione del raffreddamento nella struttura. I moderni sistemi AM sono in grado di creare parti in metallo, in polimeri e in polimeri al carbonio di alta precisione. 

Ambienti operativi più impegnativi

La crescita delle applicazioni dei sistemi ottici implica anche il funzionamento di strumenti ottici in ambienti più difficili. Le variazioni di temperatura e i carichi aumentano poiché i dispositivi non si trovano più all'interno di un ambiente controllato.

Un ottimo esempio è rappresentato dalle applicazioni ottiche nei veicoli autonomi. I progettisti automobilistici stanno aggiungendo più telecamere e sensori lidar, sottoposti a forti vibrazioni e temperature estreme. 

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