Diseño y verificación de sistemas ópticos freeform para aplicaciones espaciales

• Autores: Andrés García Moreno
• Directores de la Tesis: Luís Miguel González Fernández (dir. tes.), Tomás Belenguer Davila (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Número de páginas: 269
• Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Alda (presid.), Javier Vargas Balbuena (secret.), María Manuela Fernández Rodríguez (voc.), Félix José Salazar Bloise (voc.), Sergio Barbero Briones (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Óptica, Optometría y Visión por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Astronomía óptica
      • Telescopios
  • Física
    • Óptica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La óptica freeform consiste en la rotura de la simetría de revolución en alguna de las superficies que componen el sistema óptico. De este modo, constituye una potente herramienta en la corrección de aberraciones ya que proporciona al diseñador un mayor número de grados de libertad. Esto permite reducir el tamaño, número de elementos y masa de sistemas ópticos o alcanzar campos angulares mayores manteniendo la calidad óptica. El uso de óptica freeform presenta un gran número de ventajas, pero implica el desarrollo de nuevas metodologías de trabajo. En esta tesis se proponen novedosos métodos de trabajo en las áreas de diseño óptico, verificación de superficies ópticas y alineamiento de sistemas ópticos freeform.

    El método establecido de diseño óptico de sistemas freeform se basa en la combinación del conocimiento de las aberraciones generadas por la componente freeform proporcionado por la Teoría Nodal de Aberraciones (NAT) y la optimización multiparamétrica. De este modo, NAT se emplea para seleccionar los coeficientes que se van a introducir como variables durante la optimización. Sin embargo, hasta el momento, en la literatura solo se habían presentado las expresiones de las aberraciones generadas por componentes freeform descritas mediante los polinomios de Zernike. Por ello, en esta tesis se propone la extensión de NAT a sistemas cuya componente freeform está descrita mediante la base de los Q-polynomials. Esta base permite limitar la desviación de las pendientes locales a lo largo toda la superficie de manera sencilla durante la optimización del sistema. Esto supone una potente herramienta para llevar a cabo un diseño orientado a facilitar la posterior fabricación y verificación de las superficies ópticas que lo componen. Una vez hecho esto, se propone un método de diseño en el que se combina el uso de las bases de polinomios de Zernike y de Q-polynomials para describir la componente freeform, empleando cada una de ellas en la tarea para la que está mejor optimizada. Este método se ha validado mediante el diseño de un telescopio freeform de dos espejos para una misión de Observación de la Tierra.

    En cuanto a la verificación de superficies ópticas freeform, la principal dificultad radica en que es habitual que las pendientes locales que genera la componente freeform a lo largo de toda la superficie sean demasiado pronunciadas. Esto implica que, en una medida interferométrica, se genera una densidad de franjas tan alta en algunas zonas que el interferómetro no las puede resolver. En el caso de la componente freeform del espejo secundario del telescopio previamente diseñado, se ha podido medir la componente freeform directamente mediante interferometría gracias a la limitación en las pendientes que se introdujo durante el proceso de optimización del diseño. Este método de verificación es específico para el espejo secundario de este telescopio, es decir, no se puede adaptar de forma sencilla a la verificación de otras superficies. Por este motivo, adicionalmente, se ha propuesto un método alternativo que emplea un modulador espacial de fase (SLM) para compensar la componente freeform del espejo y generar un frente de ondas plano en el interferómetro.

    En el alineamiento de este tipo de sistemas ópticos, aparece la dificultad añadida de que las posiciones de campo en las que las aberraciones son mínimas no coinciden necesariamente con el eje. Puede ocurrir que la calidad óptica en eje sea demasiado baja como para emplear esta posición de campo como referencia para el alineamiento. Este es el caso del telescopio que nos ocupa. Por ello, se ha propuesto un método para acceder a las distintas posiciones de campo a lo largo del plano focal del telescopio. Este acceso a todo el plano focal permite medir la dependencia de las distintas aberraciones con el campo para comprobar que los nodos de aberraciones, puntos con valor nulo o mínimo de aberraciones, se encuentran en las posiciones adecuadas.

  • English

    Freeform optics consists of breaking rotational symmetry in one of the surfaces that make up the optical system. In this way, it is a powerful tool in the correction of aberrations as it provides the designer with a larger number of degrees of freedom. This makes it possible to reduce the size, number of elements and mass of optical systems or to achieve larger angular elds while maintaining high opticalquality. The use of freeform optics presents a wide range of advantages, but it implies the development of new working methodologies because the previously established methods for optical systems that maintain the rotational symmetry areno longer valid. This thesis proposes new working methods in the areas of optical design, veriffication of optical surfaces and alignment of freeform optical systems...