ES2610232T3 - Sistema de posicionamiento de fibras ópticas - Google Patents

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Abstract

Un sistema de posicionamiento para anclar un terminal de fibra en una ubicación en una placa de campo de un telescopio, comprendiendo el sistema de posicionamiento: un dispositivo de posicionamiento piezoeléctrico (702) para posicionar el terminal de fibra, caracterizado por que el dispositivo de posicionamiento comprende una cámara (804) que tiene una abertura, estando situada la abertura contra la placa de campo definiendo, en uso, un volumen sustancialmente cerrado en el interior de la cámara; una bomba (802) para reducir la presión en el interior del volumen cerrado; un camino (820) que conecta la bomba y el volumen cerrado de tal modo que, en uso, la bomba efectúa una reducción de presión en la cámara anclando de ese modo el terminal de fibra a la placa de campo; y un sistema de control para controlar el movimiento del dispositivo de posicionamiento piezoeléctrico en la placa de campo del telescopio; estando dispuesto el sistema de posicionamiento para mantener la reducción de presión en la cámara durante el movimiento del dispositivo de posicionamiento piezoeléctrico.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de posicionamiento de fibras opticas Sector tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere a un procedimiento y un sistema para el posicionamiento de fibras en astronoirna de campo amplio. En una forma, el procedimiento y el sistema de la presente invencion se refieren al anclaje de terminales de fibra junto a, o contra la placa de campo de un telescopio.
Antecedentes de la invencion
Los grandes telescopios opticos se utilizan para observar objetos astronomicos, tales como estrellas y galaxias, y para reunir datos para medicion y analisis cientffico. Se muestra una representacion esquematica de un telescopio 100 en la figura 1, donde la luz procedente de objetos astronomicos, tales como estrellas 102, se refleja en un espejo 104, y la luz reflejada 106 es enfocada en el plano focal del telescopio, donde esta situada una placa de campo 108. Esta luz reflejada 106 es capturada por fibras opticas 110 y alimentada a uno o varios espectrografos 112 para medicion y analisis de los datos. Habitualmente se utilizan cientos de fibras. Los terminales de recogida 114 de las fibras respectivas estan posicionados en la placa de campo 108 con una precision suficiente como para que se pueda recoger la luz reflejada desde objetos astronomicos espedficos. Por lo tanto, para cada diferente campo de estrellas y de galaxias es necesario reposicionar adecuadamente todas las fibras.
En la figura 2A se muestra un tipo de tecnologfa de posicionamiento de fibras utilizada para posicionar las fibras en la placa de campo. Estan situados multiples casetes 202 alrededor de una placa de campo metalica 204 del telescopio, y cada casete 202 aloja una serie de fibras opticas (habitualmente 10). Los casetes 202 utilizan retractores cargados por resorte, para mantener rectas las fibras cuando estan colocadas en la placa de campo 204. Cada fibra tiene un terminal de fibra 206, y estos terminales 206 son posicionados en la placa de campo 204 mediante una maquina de coger y colocar 208, tal como un posicionador de fibra robotico de un campo de 2 grados (2dF). El posicionador 2dF coge cada vez un terminal 206 y lo coloca en la posicion correcta, y a continuacion los terminales de fibra son anclados magneticamente a la placa de campo metalica 204. Este proceso de posicionamiento es complejo, consume mucho tiempo y reduce la cantidad de tiempo de observacion disponible para el astronomo debido a lo que se tarda en para posicionar los terminales de fibra.
Haciendo referencia a la figura 2B, cada terminal de fibra 206 esta conectado a un iman 210 que se utiliza para anclar el terminal a la placa de campo metalica 204. Para que cada fibra 212 capture la luz reflejada desde el espejo (indicada por la flecha 214) del telescopio, cada terminal de fibra 206 requiere asimismo un prisma 216 que curva hacia la fibra la luz reflejada. Por lo tanto, la construccion de dicho terminal de fibra es muy voluminosa, requiriendo tanto un iman como un prisma.
Los telescopios grandes que tienen varios espectrografos multi-objeto grandes dan lugar a grandes longitudes de ranura, de tal modo que se requieren numeros muy grandes de fibras para llenar las ranuras. Debido a la utilizacion de casetes asf como al tiempo que se tarda en el posicionamiento, el numero de fibras que se pueden alojar esta limitado. Otros problemas incluyen que la configuracion cargada por resortes tiene como resultado fuerzas no deseadas ejercidas sobre el posicionador y las fibras que cruzan el plano focal cuando se posicionan los terminales. A medida que crece el numero de fibras, crecen asimismo estos problemas.
Debido a las muchas desventajas asociadas con los procedimientos de posicionamiento existentes, es deseable tener una manera alternativa de posicionar y anclar fibras opticas en grandes telescopios.
Resumen de la invencion
En un aspecto, se da a conocer un sistema de posicionamiento segun la reivindicacion 1.
El dispositivo de posicionamiento piezoelectrico puede comprender dos cilindros piezoelectricos concentricos y la camara esta situada entre los dos cilindros. El dispositivo de posicionamiento piezoelectrico puede comprender un cilindro piezoelectrico y la camara esta situada dentro de una pared de dicho cilindro.
La bomba puede estar compuesta por una bomba de vado para extraer moleculas de gas del volumen cerrado, reduciendo de ese modo la presion en la camara. La bomba puede comprender ademas un tampon de vado situado funcionalmente entre la bomba de vado y el camino, de tal modo que el camino interacciona con la bomba por medio del tampon de vado.
El camino puede comprender tubos que conducen de la bomba al volumen cerrado.
La bomba puede comprender: un elemento termico para calentar el aire en la camara, una primera valvula unidireccional; y una segunda valvula unidireccional; donde, en uso, calentar y enfriar a continuacion el elemento termico activa un movimiento de aire a traves de la primera y la segunda valvulas, reduciendo de ese modo la presion en la camara.
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El sistema de posicionamiento puede comprender asimismo un sistema de control para controlar el movimiento de los dispositivos de posicionamiento. El sistema de control se puede utilizar para controlar de manera sustancialmente simultanea el movimiento de mas de uno de los dispositivos de posicionamiento.
En otro aspecto, se da a conocer un procedimiento para anclar un terminal de fibra, segun la reivindicacion 11.
Tal como se utiliza en la presente memoria, excepto cuando el contexto requiera lo contrario, el termino "comprender" y las variaciones del mismo, tales como "que comprende", "comprende" y "comprendido", no estan destinados a excluir otros aditivos, componentes, numeros enteros o etapas.
Otros aspectos de la presente invencion y otras realizaciones de los aspectos descritos en los parrafos anteriores resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion, proporcionada a modo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una representacion esquematica de un gran telescopio.
La figura 2A es una fotograffa de una maquina de coger y colocar, posicionando fibra optica en la placa de campo de un telescopio.
La figura 2B es una representacion esquematica de la configuracion del terminal de fibra de las fibras posicionadas en el telescopio de la figura 2A.
La figura 3 es una vista parcial, en perspectiva, de la placa de campo de un gran telescopio con dispositivos automotrices utilizados para posicionar la fibra optica.
La figura 4A es un diagrama esquematico de dos diferentes configuraciones de dispositivos de posicionamiento automotrices.
La figura 4B es un diagrama esquematico de las etapas consecutivas que tienen como resultado un movimiento de traslacion de uno de los dispositivos automotrices mostrados en la figura 4A.
La figura 4C muestra otra realizacion del dispositivo automotriz, en la que el electrodo interior esta dividido en un electrodo superior y un electrodo inferior, y un diagrama esquematico de las etapas consecutivas que tienen como resultado un movimiento de traslacion de esta realizacion del dispositivo automotriz.
La figura 4D es un diagrama esquematico de las etapas consecutivas que tienen como resultado un movimiento de rotacion de otra realizacion mas del dispositivo automotriz.
La figura 4E es una vista superior de la realizacion del dispositivo automotriz mostrado en la figura 4D.
La figura 4F muestra posibles movimientos en una vista superior esquematica del dispositivo automotriz mostrado en la figura 4D.
La figura 5 es una representacion esquematica de una realizacion de los dispositivos automotrices utilizados para posicionar fibras opticas.
La figura 6 es un diagrama esquematico que muestra varias posiciones de un gran telescopio cuando el telescopio rastrea objetos astronomicos.
La figura 7 es un diagrama esquematico de un dispositivo de posicionamiento de fibras segun una realizacion de la invencion.
La figura 8A es otro diagrama esquematico del dispositivo de posicionamiento de fibras de la figura 7.
La figura 8B es un diagrama esquematico del sistema de bombeo mostrado en la figura 8A.
La figura 9A muestra un diagrama esquematico de un sistema de bombeo de vacfo segun una realizacion de la invencion.
La figura 9B muestra una vista lateral, en perspectiva, de un dispositivo de posicionamiento.
La figura 9C muestra una vista lateral y superior del dispositivo de posicionamiento de la figura 9B.
La figura 10A es un diagrama esquematico de otra realizacion de la invencion.
La figura 10B es otro diagrama esquematico del dispositivo de posicionamiento de fibras de la figura 9.
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La figura 11 es una representacion esquematica del hardware del sistema de control, utilizado para controlar el movimiento y el anclaje de los dispositivos de posicionamiento.
La figura 12 es una representacion esquematica de un modelo del sistema de control para posicionar y anclar dispositivos de posicionamiento.
Descripcion detallada de las realizaciones
En la presente memoria se describen procedimientos y sistemas para el posicionamiento y anclaje de fibras basados en dispositivos de posicionamiento automotrices individuales, estando cada uno asociado con un terminal de fibra que se tiene que posicionar en una placa de campo. Haciendo referencia a la figura 3, se muestra una placa de campo 302 de un telescopio, donde la placa de campo 302 se compone de vidrio u otro material ngido transparente adecuado, tal como plastico.
La boveda de plastico transparente necesaria, utilizada para la placa de campo 302, no tiene por que estar fabricada con alta precision y, por ejemplo, se puede conseguir a base de laminas de vidrio disponibles comercialmente. Ademas, la placa de campo no tiene por que tener forma de boveda sino que puede ser sustancialmente plana.
Habitualmente se proporcionan alimentaciones de fibra para una serie de espectrografos y/o de tipos de espectrografos. Se alimenta un gran numero de "unidades de fibra desplegables" (DFUs, deployable fibre units) a cada espectrografo. Las DFUs pueden incluir desde una sola hasta cientos de fibras (por ejemplo, 900) con diametros de fibra individuales que vanan desde 50 micras hasta varios cientos de micras, y proporcionan diversas geometnas de apertura, tal como una sola apertura y multiples aperturas de segmentacion de la imagen.
Las fibras que son colocadas por los dispositivos y conducen a los espectrografos del telescopio tienen habitualmente un diametro exterior de 250 pm, en funcion del aumento optico del telescopio y del tamano de los objetos a estudio. Un conjunto de fibras forma un modelo individual que termina en un enchufe macho conectorizado. Los espectrografos son alimentados por medio de ranuras de fibra, cada una con su propio enchufe hembra conectorizado. Los modulos son entonces intercambiables entre los espectrografos, y se pueden anadir, actualizar o sustituir modulos a conveniencia. Alternativamente, se adaptan DFUs espedficas a un espectrografo espedfico. Algunas DFUs incluso se dividen entre espectrografos para estudiar un objeto con diferentes espectrografos que tienen, por ejemplo, longitudes de onda y/o resoluciones diferentes.
Los terminales de fibra 304 son desplazados a lo largo de la placa de campo 302 y anclados en la misma, mediante dispositivos de posicionamiento 306. Las fibras opticas 308 se extienden desde sus respectivos terminales 304 hasta una placa de arnes 310 donde las fibras se fijan a conectores 312 antes de ser agrupadas en modulos y alimentadas a los espectrografos del telescopio. La placa de campo 302 esta soportada una distancia fija desde la placa de arnes 310 mediante un poste 314 de soporte de la placa de campo.
Ademas de desplazar y anclar terminales de fibra, los sistemas y procedimientos de posicionamiento y anclaje que se describen en la presente memoria se utilizan para localizar conjuntos de sensor optico que pueden incluir por sf mismos un terminal de fibra, una lente o un conjunto de lentes y/o un sensor optico, tal como un fotodetector.
Cada terminal de fibra 304 se posiciona mediante un respectivo dispositivo de posicionamiento 306 que actua como un robot de posicionamiento en miniatura automotriz. La configuracion mostrada en la figura 3 proporciona a cada dispositivo de posicionamiento 306 un "area de patrulla" para simplificar y acelerar la reconfiguracion. Las areas de patrulla solapan y no limitan significativamente las configuraciones disponibles. Dado que los terminales de fibra 304 se pueden desplazar en paralelo, la reconfiguracion requiere mucho menos tiempo del que se requiere, por ejemplo, con un robot de coger y colocar, como el robot 2dF, donde el tipo de configuracion tiene una dependencia lineal con el numero de elementos desplegados y el tamano de la placa de campo. El robot 2dF que se muestra en la figura 2A requiere del orden de una hora para posicionar 400 fibras en la placa de campo, mientras que un dispositivo de posicionamiento automotriz equivalente puede tener un tiempo tfpico de configuracion del campo de menos de 2 minutos.
La configuracion mostrada en la figura 3 que utiliza dispositivos de posicionamiento automotrices tiene una serie de ventajas adicionales, que incluyen:
• Las fibras se posicionan en el lado opuesto de la placa de campo en relacion con la configuracion de la figura 2A. Este modo 'suspendido' invertido elimina el cruce de la placa de campo por las fibras y los retractores de fibra que restringen el movimiento (asignacion de objetivos) y el numero de dispositivos.
• La distancia de separacion entre los terminales de fibra puede ser menor debido a que la luz viaja en lmea recta desde el espejo hasta la entrada de la fibra, sin que el terminal de fibra requiera un prisma para curvar la luz hacia la fibra, tal como es el caso con las fibras originadas en casete. Esto significa que el tamano ffsico del dispositivo de posicionamiento permite una separacion entre dispositivos de posicionamiento de 5-20 mm.
• Dado que no hay retractores ni fibras que crucen el plano focal, se pueden desplegar cantidades muy grandes de posiciones de fibra.
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• Puesto que no se utiliza un robot de coger y colocar, se reduce significativamente el peso del instrumento y este se puede manejar en un espacio limitado.
• Los dispositivos de posicionamiento automotrices permiten una gran flexibilidad, tal como la capacidad de funcionamiento en micro-seguimiento, que incluye corregir los efectos de distorsion intra-campo de una refraccion diferencial atmosferica cambiante as^ como el giro de la imagen o la rotacion de la pupila durante la observacion, lo que se describe en mayor detalle a continuacion.
• Los dispositivos de posicionamiento automotrices tienen una mayor fiabilidad debido a menos fallos del sistema en puntos aislados.
En una disposicion, los dispositivos de posicionamiento 306 pueden mover los terminales de fibra 304 debido a que consisten en un dispositivo piezoelectrico que cambia de forma en funcion de (i) la polaridad de un campo electrico aplicado y (ii) las especificaciones materiales del material piezoelectrico utilizado, generando de ese modo un movimiento mecanico con la aplicacion de formas de onda electricas. Haciendo referencia a la figura 4A, en una configuracion el dispositivo 430 consiste en un solo tubo piezoelectrico 432 con mas de uno, pero logicamente como mucho cuatro electrodos para permitir la flexion o curvatura radial en las direcciones indicadas por las flechas 434 y 436, y en las direcciones normales a las flechas. El dispositivo se puede por lo tanto desplazar en un plano x-y (paralelo a la placa de campo) o girar en torno a un eje ortogonal a la placa de campo. El interior del tubo 432 es una camara 433 que soporta el terminal de fibra, y adicional o alternativamente puede asimismo soportar una o varias lentes, tales como lentes de fibra y/o sensores opticos (por ejemplo, fotodiodos). El dispositivo 430 se puede curvar o flexionar para un movimiento lateral y desplazar el terminal de fibra, por ejemplo utilizando un procedimiento de sacudida ("stick-slip") inercial, tal como se describe en A. McGrath et al. "Deployable payloads with Starbug," Proc. SPIE 6273 (2006). Se pueden cincelar una o varias camaras a traves de la pared del tubo 432 para ayudar a anclar el dispositivo a una placa de campo, tal como se describe en mayor detalle a continuacion haciendo referencia a las figuras 8 a 10.
En otra configuracion, el dispositivo 450 incluye dos cilindros concentricos: un cilindro interior que forma una pared interior 414 y un cilindro exterior que forma una pared exterior 412, definiendo de ese modo una camara 804 entre los dos cilindros. El cilindro interior se utiliza para soportar el terminal de fibra, y adicional o alternativamente puede asimismo soportar una o varias lentes, tales como lentes de fibra y/o sensores opticos (por ejemplo, fotodiodos).
Los dispositivos de posicionamiento pueden, alternativa o adicionalmente, incluir un receptaculo que incluye un medio de posicionamiento piezoelectrico e incluye asimismo una camara u otro volumen cerrado utilizado para anclar los dispositivos.
Haciendo referencia a la figura 4B, la aplicacion de una tension positiva +V a traves de una pared del tubo ceramico piezoelectrico 414 hace que esta pared se contraiga, y la aplicacion de una tension negativa -V a traves de la pared opuesta hace que la pared opuesta se expanda. Por lo tanto, se puede crear un movimiento de curvatura simple aplicando potenciales diferentes en lados opuestos del tubo. Ademas, se puede generar un movimiento de curvatura doble si el electrodo de, por ejemplo, el tubo interior esta dividido en un electrodo superior y uno inferior a los que se aplican tensiones diferentes, tal como se muestra en la figura 4C, en que se aplica una tension Va al electrodo superior y se aplica una tension Vb al electrodo inferior. Esto mantiene la superficie extrema del dispositivo 450 en paralelo con la placa de campo, permitiendo el desplazamiento sin hacer que el posicionador se incline. Por ejemplo, en la etapa 480, el electrodo superior y los electrodos inferiores tienen aplicada respectivamente una tension igual pero opuesta, de tal modo que el tubo interior 412 presenta una forma de S. En la etapa 482, el tubo exterior 412 se reduce en longitud, por ejemplo, aplicando la misma tension positiva V+ a ambas paredes del tubo exterior 412, que por lo tanto se contrae. El tubo interior 414 curvado en forma de S puede, por lo tanto, entrar en contacto con la placa de campo 416 y descansar sobre la misma. En la etapa 484, las tensiones aplicadas al electrodo superior y al electrodo inferior se invierten, provocando que el tubo interior 414 se curve en forma de S inversa y provocando que el dispositivo 450 se traslade. Para seguir desplazando el dispositivo 450, el tubo exterior 412 se puede extender primero en longitud, por ejemplo, aplicando la misma tension negativa V- a ambas paredes del tubo exterior 412 (y por lo tanto, expandiendolas), de tal modo que el tubo exterior 412 descansa sobre la placa de campo 416. Las etapas 480 a 484 se pueden repetir a continuacion para mantener el movimiento del dispositivo 450.
El desplazamiento del tubo depende de la magnitud de la tension aplicada, y es del orden de diez micras para varios cientos de voltios. El movimiento del dispositivo 402 se muestra en las etapas 404, 406, 408 y 410 de la figura 4B. El dispositivo 402 incluye dos tubos o cilindros piezoelectricos coaxiales: un tubo exterior 412 y un tubo interior 414. Accionando los dos tubos coaxiales del dispositivo con formas de onda periodicas alternas espedficas, se puede conseguir un movimiento de traslacion gradual en las direcciones x e y. Para una traslacion gradual, en primer lugar el tubo exterior 412 se extiende en la direccion de las flechas 413, de tal modo que el tubo interior 414 esta suspendido alejado de la placa de campo 416. A continuacion, en la etapa 404, el tubo interior 414 se curva hacia la derecha tal como se indica por la flecha 418, seguido por la contraccion del tubo exterior 412 en la etapa 406, de tal modo que el dispositivo 402 esta soportado contra la placa de campo 416 mediante el tubo interior 414 curvado y se inclina hacia la derecha tal como se muestra mediante la flecha 220. Finalmente, el tubo interior 414 se curva hacia la izquierda tal como se indica por la flecha 222, lo que impulsa el dispositivo hacia delante tal como se indica por la flecha 224. Este ciclo se repite para producir un movimiento de 'caminar'.
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La amplitud tipica de la forma de onda es de 120 a 200 V a una frecuencia de 100 Hz. Cada ciclo de la forma de onda es una unica etapa de aproximadamente 5 micras para una longitud y un diametro del posicionador de 20 mm y 8 mm respectivamente, que equivale a una velocidad tipica de 0,5 mm/s. La velocidad se puede variar cambiando la frecuencia de todas las formas de onda o bien cambiando el tamano de la etapa mediante cambiar la magnitud de la curvatura del tubo interior modificando las amplitudes de pico de las formas de onda aplicadas.
La descripcion anterior dirigida a la figura 4B se refiere al movimiento de traslacion del dispositivo de posicionamiento. Adicionalmente, el dispositivo puede realizar movimiento rotacional. Accionando los dos tubos coaxiales del dispositivo con formas de onda periodicas alternas espedficas, se puede conseguir un movimiento rotacional gradual. En particular, el dispositivo se puede configurar para posicionar angularmente el terminal de fibra con el fin de corregir la rotacion de la pupila durante la observacion del telescopio. El eje en torno al cual se produce la rotacion de la pupila puede ser un eje normal a la placa de campo o al plano focal, es decir, normal al plano de los movimientos de traslacion (x, y).
La figura 4D muestra vistas laterales de una realizacion de un dispositivo de posicionamiento apto para el posicionamiento angular de la placa de campo 416. La serie de diagramas de la figura 4D muestran varias etapas o pasos 490, 492, 494, 496 y 498 durante el movimiento de rotacion del dispositivo 450. Para simplificar la ilustracion, el dispositivo 450 mostrado en la figura 4D no incluye el movimiento de curvatura doble. El movimiento de rotacion se puede obtener asimismo con un dispositivo dividido en electrodos superior e inferior, tal como se muestra en la figura 4C.
Para conseguir el movimiento de rotacion y por lo tanto, el posicionamiento angular, el dispositivo 450 puede utilizar una combinacion de movimientos del tubo exterior 412 y el tubo interior 414. En la etapa 492, el dispositivo 450 puede curvar o flexionar en primer lugar el tubo exterior 412 hacia la izquierda, tal como muestra la flecha 420, de tal modo que todo el dispositivo 450 esta inclinado hacia la izquierda y pivotando sobre un punto 424 en el borde exterior del dispositivo 450. A continuacion, en la etapa 494, el tubo interior 414 se curva o flexiona en la direccion saliendo de la pagina, tal como muestra el sfmbolo O 422, de tal modo que se produce un movimiento gradual en una direccion sustancialmente ortogonal a la direccion de curvatura del tubo exterior 412. Esto hace que el dispositivo 450 rote o gire alrededor del punto de pivotamiento 424 sobre el borde del tubo exterior 412. El vector de doble punta, por ejemplo en el punto 424, es un indicador de rotacion. Las marcas de estrella ☆ 421, que se muestran con propositos ilustrativos y no forman parte del dispositivo 450, muestran la extension de rotacion del dispositivo 450. A continuacion, en la etapa 496 con el tubo exterior 412 curvandose o flexionandose en una direccion sustancialmente opuesta 426, y en la etapa 498 con el tubo interior 414 avanzando gradualmente en la direccion entrando a la pagina, tal como se muestra mediante el sfmbolo 0 430, la rotacion del dispositivo 450 puede proseguir alrededor de un punto 428 sobre el borde opuesto del tubo exterior 412. Repitiendo estos movimientos graduales opuestos de igual magnitud, se puede conseguir la rotacion en torno a un eje de rotacion virtual 432 en el centro del dispositivo 450. Adicionalmente, controlando la relacion de las etapas de un lado con respecto a las etapas del lado opuesto, se puede conseguir una rotacion en torno a cualquier punto virtual entre el centro 432 del dispositivo y el borde exterior del tubo exterior 412. La figura 4E muestra asimismo direcciones de curvatura 420 y 426 del tubo exterior 412 y direcciones de curvatura 424 y 430 del tubo interior 414, en una vista superior del dispositivo 450. Aunque el movimiento gradual de rotacion descrito anteriormente es realizado por el tubo interior 414 mientras el dispositivo 450 pivota sobre el tubo exterior 412, se debe apreciar que, en otras realizaciones, el movimiento gradual de rotacion puede ser realizado por el tubo exterior 412 mientras el dispositivo 450 puede pivotar sobre el tubo interior 414.
Ademas, al combinar las capacidades de movimiento angular con las capacidades de movimiento de traslacion del dispositivo, se puede conseguir la rotacion en torno a cualquier eje de rotacion virtual que sea normal al plano del campo en las direcciones x e y. La figura 4F muestra que el dispositivo 450 se puede girar en sentidos horario y antihorario, indicados por la flecha 434 en torno al eje central 432 del dispositivo u otro eje normal 436 arbitrario, exterior al dispositivo. Se pueden conseguir normalmente etapas discretas de unos pocos minutos de arco, estando el tamano de la etapa controlado por la amplitud de las senales electricas aplicadas. La velocidad de rotacion se puede controlar ajustando la frecuencia de las etapas, con velocidades angulares maximas alcanzables de mas de 55 grados/segundo. A su vez, el dispositivo 450 puede rotar o girar mas de 360 grados, estando limitado el angulo maximo de rotacion por cualquier cableado acoplado, debido a la torsion.
Se pueden utilizar asimismo mecanismos de movimiento basados en otros tipos de tecnologfas, por ejemplo utilizando materiales magnetostrictivos, aleacion con memoria de forma, accionadores por diferencial de temperatura o polfmeros electroactivos.
En la figura 5 se muestra una realizacion de un dispositivo de posicionamiento automotriz que utiliza este tipo de accionador piezoelectrico de doble tubo. Los dispositivos de posicionamiento 502 tienen una carcasa metalica 504 con o sin imanes, y estan anclados a la placa de campo 302 mediante un iman toroidal 506 en el lado opuesto de la placa de campo. Los imanes 506 pueden tener cualquier forma adecuada, tal como forma de C o forma de tuerca, siempre que los imanes incluyan una abertura que permita el paso de la luz a traves de las fibras respectivas 508. La luz estelar entra a traves del iman 506 con forma toroidal o de anillo, y a continuacion es guiada por la fibra 508 para proporcionar una entrada a un espectrografo (no mostrado). Multiples dispositivos de posicionamiento 502
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pueden reposicionarse simultaneamente a sf mismos y desplazarse a una velocidad de aproximadamente 0,5 mm/s para proporcionar configuracion en tiempos del orden de minutos.
La configuracion de un dispositivo magnetico suspendido por debajo de una placa de vidrio delgada con un iman anular sobre la placa para proporcionar adherencia tiene una serie de ventajas dado que no se requiere la utilizacion de retractores. Ademas, ninguna fibra cruza el plano focal, lo que posibilita desplegar un gran numero de dispositivos de posicionamiento. Sin embargo, un requisito adicional para este tipo de configuracion es que el vidrio de la placa de campo 302 tiene que ser lo suficientemente delgado para que el anclaje magnetico funcione de manera eficiente. Se puede utilizar un recubrimiento especial sobre el vidrio para facilitar el movimiento durante el reposicionamiento.
Haciendo referencia a la figura 6, se muestra una representacion esquematica de un telescopio 602 en una posicion vertical, indicada por un angulo de inclinacion de 0°. Sin embargo, cuando el telescopio rastrea objetos astronomicos se puede inclinar a traves de un intervalo desde -0, tal como se muestra mediante el telescopio inclinado 604, hasta +0, tal como se muestra mediante el telescopio inclinado 606, donde -0 = -90° y +0 = 90°. Por consiguiente, la placa de campo 608 del telescopio se inclinara de tal modo que la configuracion de imanes descrita anteriormente haciendo referencia a la figura 5 podna tener como resultado que los terminales de fibra (cada uno con un peso aproximado de 0,8-2,5 gramos) resbalen a traves de la placa de campo 302 en angulos elevados debido a que no hay agarre suficiente entre los dispositivos anclados magneticamente 502 y la placa de campo 302. Esto es asf especialmente si la placa de campo 302 incluye un recubrimiento duro y resbaladizo para facilitar el movimiento de los dispositivos de posicionamiento a traves de la placa de campo 302.
Para tener en cuenta la posibilidad de que los dispositivos de posicionamiento resbalen, la figura 7 muestra una configuracion alternativa 700 de dispositivos de posicionamiento automotrices 702 que no hacen uso de imanes para su anclaje a la placa de campo 302. En esta configuracion, una succion o presion reducida entre el dispositivo 702 y la placa de campo 302 tiene como resultado una fuerza (representada por las flechas 704) que ayuda al dispositivo 702 a "pegarse" a la placa de campo 302.
En una realizacion, la presion reducida es una presion de aire reducida proporcionada al dispositivo 702 por medio de un unico cable 706 que incluye tanto la fibra optica como los tubos para extraer aire y conseguir la presion reducida entre el dispositivo 702 y la placa de campo 302. Sin embargo, la fibra y los tubos no tienen porque estar alojados en un unico cable sino que se pueden dirigir por separado al dispositivo 702.
Los tubos tienen que ser lo suficientemente robustos como para resistir una reduccion interior en la presion, y un tubo con un diametro interior de 1 mm y un diametro exterior de 1,5 mm es adecuado para la interconexion con el dispositivo de posicionamiento. La longitud del tubo puede estar comprendida entre 30 mm y 1000 mm, dependiendo de la configuracion global del telescopio. El material utilizado para los tubos puede incluir caucho, politetrafluoretileno (PTFE, conocido normalmente como teflon), silicio u otros plasticos. Se pueden utilizar asimismo tubos metalicos que tengan fuelles en ambos extremos que permitan la curvatura o flexion.
Haciendo referencia a la figura 8A, el dispositivo de posicionamiento 702 incluye un tubo piezoelectrico ceramico interior 414 y un tubo exterior 412 que, juntos, efectuan el movimiento del terminal de fibra. El area entre el tubo interior 414 y el tubo exterior 412 define un volumen cerrado o sustancialmente cerrado, en el interior de una camara 804 con una abertura anular 806 que se apoya, esta situada en o esta soportada contra la placa de campo 302. La presion reducida en la camara 804 que tiene como resultado la aspiracion que ancla el dispositivo de posicionamiento 702 a la placa de campo 302 es generada por medios de aspiracion, en este caso un sistema de bombeo 802. El sistema de bombeo 802 se utiliza para reducir la presion en el interior de la camara 804, de tal modo que la presion reducida tira del dispositivo 702 (junto con el terminal de fibra del mismo) contra la placa de campo 302.
La fuerza normal 832 ejercida por el dispositivo de posicionamiento anclado 702 sobre la placa de campo 320 es generada por el sistema de bombeo 802. La fuerza normal 832 junto con la fuerza de ficcion 830 proporcionan la fuerza total que contrarresta la fuerza gravitatoria sobre el dispositivo de posicionamiento, para anclar el dispositivo de posicionamiento a la placa de campo 320 a traves del intervalo de movimiento del telescopio. La diferencia de presion proporcionada por el sistema de bombeo 802 esta en el intervalo de 0,1-1,0 bar.
El sistema de bombeo 802 incluye una bomba 810 (denominada asimismo un generador de vado) que conduce a un tanque de retencion que proporciona un tampon de vacfo 812 con un volumen de tampon por medio de una salida 814 de la bomba, tal como se muestra en la figura 8B. Las bombas adecuadas pueden incluir paletas rotativas, bombas de espiral, bombas de anillo lfquido, bombas de embolo, bombas Wankel, bombas de husillo, bombas de diafragma, bombas cilmdricas y bombas lobulares. Se puede utilizar asimismo una unidad de vacfo basada en inyector basada en aire a presion.
El tampon 812 proporciona una camara de presion reducida 816 y consiste en una vasija fabricada de vidrio, de plastico o de otro material adecuado, con un volumen interno de 1 a 1000 litros. El tampon 812 tiene una funcion doble. El tampon 812 proporciona un sistema de apoyo para mantener una presion reducida con el fin de anclar los dispositivos de posicionamiento 702 en la placa de campo 302, por ejemplo en el caso de un fallo en la bomba o en la potencia, o de tal modo que los dispositivos de posicionamiento permanezcan situados contra la placa de campo
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302 durante la reposicion. El tampon 812 proporciona asimismo una superficie extendida 818 para interconectar los tubos 820 necesarios para los dispositivos de posicionamiento 702 con la bomba 802. La superficie extendida se puede proporcionar asimismo en forma de un colector, tal como un colector de 8 vfas 830 como el mostrado en la figura 9a. El colector esta fabricado a medida e incluye una placa con orificios equidistantes entre sf para crear un cierto intervalo de patrulla, habitualmente de mi^metros a decenas de milfmetros de separacion.
Los tubos de vado individuales 820 de aproximadamente 0,6 m de longitud tienen un diametro interno de por lo menos 1 mm. Se utiliza un tubo de silicio de 1,8 mm, y el peso de cada tubo es de poco mas de 1 g. Se puede utilizar un tipo de material diferente que tenga una rigidez y unas propiedades superficiales adecuadas. Los tubos 820 que salen del tampon de vado 812 estan agrupados con las fibras respectivas 822 en la placa de arnes 310 para formar los cables 706 que, a su vez, conducen al dispositivo de posicionamiento 702 en la placa de campo 302. El camino proporcionado por el tubo 820 conduce a continuacion a la camara 804 de cada dispositivo de posicionamiento para permitir una reduccion de presion en el volumen sustancialmente cerrado dentro de la camara respectiva, anclando de ese modo el dispositivo de posicionamiento respectivo a la placa de campo.
En otras disposiciones, el sistema puede tener un tampon segmentado 812 o varios tampones en paralelo, donde cada segmento de tampon o cada uno de los tampones individuales esta asociado con un conjunto respectivo de dispositivos de posicionamiento. Los tampones pueden compartir una bomba comun o pueden tener bombas respectivas.
Haciendo referencia a las figuras 9B y 9C, se muestra un dispositivo de posicionamiento 702 que interactua con el sistema de bombeo 802 que se ha descrito anteriormente. El tubo interior 414 tiene un diametro exterior de 3,0-3,4 mm, un diametro interior de 2,0-2,4 mm y una longitud de 20-35 mm. El tubo exterior 412 tiene un diametro exterior de 6,0-7,0 mm y un diametro interior de 4,0-5,5 mm. El peso del dispositivo es de 1-3 gramos. El puerto de vado 840 en la parte superior del dispositivo de posicionamiento 702 es una aguja de 0,5 mm. Esto es conforme con las limitaciones dimensionales del dispositivo de posicionamiento 702. Se aplica una presion reducida a la camara 804 entre los tubos exterior 412 e interior 414. El puerto estrecho 840 que entra en el dispositivo de posicionamiento 702 actua como un orificio limitador del flujo, que impide una perdida rapida de vado en el sistema cuando se separan de la placa de campo 302 uno o varios de los dispositivos de posicionamiento. Al mismo tiempo, el flujo es adecuado para impedir una perdida de vado en el dispositivo de posicionamiento 702 por medio de las fugas resultantes del funcionamiento normal, como han demostrado las pruebas.
Haciendo referencia a la figura 10A, se muestra un dispositivo de posicionamiento automotriz 902 que ancla el terminal de la fibra en la placa de campo 302 utilizando una bomba individual en miniatura 906. En esta realizacion, cada dispositivo de posicionamiento 902 tiene su propia bomba en miniatura 906, reduciendo por lo tanto el tamano y el peso globales del instrumento, y eliminando la utilizacion de tubos entre los dispositivos de posicionamiento y una bomba remota. En lugar de alimentar los tubos relativamente voluminosos junto con la fibra, se proporciona con la fibra solamente el cableado utilizado para el control de posicionamiento del dispositivo de posicionamiento (y el cableado para los sensores de presion y/u opticos, si estan incluidos), de tal modo que el cable 904 es menos voluminoso que el cable 706 mostrado en la figura 7.
Haciendo referencia a la figura 10B, el dispositivo de posicionamiento 902 incluye un tubo piezoelectrico ceramico interior 414 y un tubo exterior 412 que, juntos, efectuan el movimiento del terminal de fibra. El area entre el tubo interior 414 y el tubo exterior 412 define una camara 804 con una abertura anular 806 que se apoya, esta situada en o esta soportada contra la placa de campo 302. La bomba en miniatura 906 se utiliza para reducir la presion en el interior de la camara 804, de tal modo que la presion reducida tira del dispositivo 902 junto con el terminal de fibra del mismo, contra la placa de campo 302. La bomba en miniatura 906 tiene una forma toroidal en general, de tal modo que la fibra (no mostrada) puede pasar a traves de la bomba y entrar al tubo interior 414, de manera que el terminal de fibra (junto con un conjunto asociado de microlentes, si se utiliza) puede estar situado contra la placa de campo 302, o cerca de la misma.
La bomba en miniatura 906 incluye una camara termica 1006 con una pared 1008 que interacciona con el accionador, y una pared 1010 que interacciona con el aire, pudiendo ambas paredes estar fabricadas de un metal tal como aluminio, o alternativamente de un material aislante termico, tal como vidrio o ceramica. Esta dispuesto un elemento termico 1012, tal como una bobina termica fabricada con una resistencia, que esta situado en el interior de la camara termica 1006 y se utiliza para calentar el aire en el interior de la camara termica 1006 con el fin de reducir la presion en la camara termica mediante las etapas siguientes:
1. En primer lugar, la bobina termica 1012 calienta el aire en la camara termica 1006, de tal modo que el
aire se expande y parte del aire empuja atravesando la valvula unidireccional 1018.
2. Cuando a continuacion se desconecta la bobina termica 1012, el aire en la camara 1006 se enfna y la
presion se reduce debido al aire que ha escapado a traves de la valvula unidireccional 1018.
3. Esta reduccion de presion tiene como resultado un movimiento de aire desde la camara 804 a traves del
camino mediante la valvula unidireccional 1014 a la camara termica 1006, teniendo por lo tanto como
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resultado una reduccion de presion en la camara 804 y, por consiguiente, facilitando el anclaje del dispositivo de posicionamiento en la placa de campo.
Debido a que el terminal de fibra y el dispositivo de posicionamiento estan sustancialmente enrasados frente a la superficie lisa de la placa de campo 302, la fuga de aire (representada por la flecha 1020) es minima. Por consiguiente, la diferencia de presion para anclar cada dispositivo se proporciona bombeando menos de 10 litros por minuto, por ejemplo 1 litro por minuto o 0,1 litro por minuto. Esto se puede conseguir proporcionando el elemento termico 1012 una potencia entre 1 mW y 1 W. La bomba en miniatura 906 tiene un diametro 1030 de 1,5-2,5 mm, una altura 1032 de 8-12 mm y pesa entre 1 y 3 gramos.
Las realizaciones descritas anteriormente haciendo referencia a las figuras 7 a 10, que utilizan una reduccion de presion para anclar los dispositivos de posicionamiento a la placa de campo 302, no solo tienen la ventaja de que son relativamente insensibles a la orientacion de la gravedad, sino que tienen asimismo la ventaja de que tienen como resultado un rayado u otros danos sobre la superficie de la placa de campo 302 cuando los terminales de fibra se reposicionan menor del que, por ejemplo, es el caso con los dispositivos de posicionamiento anclados magneticamente que arrastran sus anclajes a traves de la placa de campo. Ademas, debido a que la potencia necesaria para la reposicion es menor (dado que la fuerza utilizada para el anclaje no es tan alta como para el anclaje magnetico) hay menos consumo de potencia y disipacion de calor cuando se reposicionan los terminales de fibra. Ademas, sin un iman en el lado opuesto de la placa de campo 302 se reduce la fuerza de arrastre.
La figura 11 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control 1100 utilizado para controlar el posicionamiento y anclaje de los dispositivos de posicionamiento descritos anteriormente. El controlador maestro y generador de formas de onda 1102 utiliza un micro controlador y convertidores de digital a analogico para producir las formas de onda de accionamiento para los dispositivos de posicionamiento, a una frecuencia espedfica. En esta etapa se aplica asimismo condicionamiento y preamplificacion de senales. Las formas de onda de baja tension procedentes del generador 1102 se alimentan a amplificadores de alta tension 1104, y se entregan a reles 1108. La conmutacion de los reles 1108 es manejada por un microcontrolador dedicado que esta controlado por el controlador maestro y generador de formas de onda 1102 (por medio de un protocolo de comunicaciones en serie, tal como SPI). Se envfan comandos para controlar las formas de onda y los reles al generador 1102 desde un procesador 1106 (que puede ser un PC estandar, por ejemplo) por medio de un protocolo de comunicaciones en serie, tal como RS-232. La conmutacion de las formas de onda de alta tension a los electrodos de los dispositivos de posicionamiento 1110 es realizada por los reles 1108. Para esa tarea se utilizan normalmente reles de estado solido. La posicion espacial de los dispositivos de posicionamiento se mide con un sensor 1112, tal como una camara de vision computerizada de alta resolucion calibrada. La metrologfa y el procesamiento de la informacion de control se llevan a cabo mediante software a medida en tiempo real, ejecutado en el PC. El sistema de control 1100 se utiliza para posicionar con precision los dispositivos de posicionamiento en la placa de campo del telescopio, en localizaciones espedficas. Esto se consigue por medio de retroalimentacion en bucle cerrado desde el sensor 1112.
La figura 12 es una representacion esquematica de un modelo del sistema de control 1200 para posicionar y anclar dispositivos de posicionamiento. Se utiliza un sistema de posicionamiento de bucle cerrado debido a las pequenas variaciones intrmsecas entre los dispositivos de posicionamiento y a la susceptibilidad a las perturbaciones externas. Para comenzar, se define una ubicacion espacial, Ref (x, y), como la posicion final deseada para un dispositivo de posicionamiento. El objetivo es cerrar el bucle mediante iteracion e integracion, para minimizar el error de posicion 1202, Err (x, y), de la posicion real Pos (x, y) con respecto a la posicion deseada Ref (x, y). El sistema de control 1204 puede posicionar multiples dispositivos de posicionamiento de este modo, de manera simultanea o sustancialmente simultanea. En el modelo 1200, el sistema de control 1204 incluye el PC 1106, el controlador maestro y generador de formas de onda 1102, amplificadores de alta tension 1104 y reles 1108, tal como se ha descrito anteriormente haciendo referencia a la figura 11. El posicionamiento y anclaje de los dispositivos de posicionamiento 1110 es medido por un sensor 1112 (tal como una camara), proporcionando de ese modo retroalimentacion en el sistema de control de bucle cerrado. Ademas, el sistema de control 1204 puede proporcionar asimismo retroalimentacion relativa a la posicion angular de los dispositivos de posicionamiento para el posicionamiento de cada dispositivo en una posicion angular y de traslacion deseada.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de posicionamiento para anclar un terminal de fibra en una ubicacion en una placa de campo de un telescopio, comprendiendo el sistema de posicionamiento:
    un dispositivo de posicionamiento piezoelectrico (702) para posicionar el terminal de fibra, caracterizado por que el dispositivo de posicionamiento comprende una camara (804) que tiene una abertura, estando situada la abertura contra la placa de campo definiendo, en uso, un volumen sustancialmente cerrado en el interior de la camara;
    una bomba (802) para reducir la presion en el interior del volumen cerrado;
    un camino (820) que conecta la bomba y el volumen cerrado de tal modo que, en uso, la bomba efectua una reduccion de presion en la camara anclando de ese modo el terminal de fibra a la placa de campo; y
    un sistema de control para controlar el movimiento del dispositivo de posicionamiento piezoelectrico en la placa de campo del telescopio;
    estando dispuesto el sistema de posicionamiento para mantener la reduccion de presion en la camara durante el movimiento del dispositivo de posicionamiento piezoelectrico.
  2. 2. El sistema de posicionamiento segun la reivindicacion 1, en el que el dispositivo de posicionamiento piezoelectrico comprende dos cilindros piezoelectricos concentricos y la camara esta situada entre los dos cilindros.
  3. 3. El sistema de posicionamiento segun la reivindicacion 1, en el que el dispositivo de posicionamiento piezoelectrico comprende un cilindro piezoelectrico y la camara esta situada dentro de una pared de dicho cilindro.
  4. 4. El sistema de posicionamiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la bomba comprende una bomba de vacfo para extraer moleculas de gas del volumen cerrado, reduciendo de ese modo la presion en la camara.
  5. 5. El sistema de posicionamiento segun la reivindicacion 4, en el que la bomba comprende ademas un tampon de vacfo situado funcionalmente entre la bomba de vacfo y el camino, de tal modo que el camino interacciona con la bomba por medio del tampon de vado.
  6. 6. El sistema de posicionamiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo piezoelectrico esta configurado ademas para un movimiento de rotacion para posicionar angularmente el terminal de fibra.
  7. 7. El sistema de posicionamiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la bomba comprende: un elemento termico para calentar el aire de la bomba;
    una primera valvula unidireccional; y una segunda valvula unidireccional;
    en el que, durante la utilizacion, calentar y enfriar a continuacion el elemento termico permite un movimiento de aire a traves de la primera y la segunda valvulas, reduciendo de ese modo la presion en la camara.
  8. 8. El sistema de posicionamiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de posicionamiento piezoelectrico es uno de una serie de dispositivos de posicionamiento piezoelectricos.
  9. 9. El sistema de posicionamiento segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el movimiento de la serie de dispositivos de posicionamiento piezoelectricos incluye movimiento de traslacion y/o movimiento de rotacion.
  10. 10. El sistema de posicionamiento segun cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas un conjunto de sensor optico en una ubicacion en una placa de campo del telescopio, con una entrada al conjunto de sensor optico;
    comprendiendo un receptaculo la entrada al conjunto de sensor optico y al dispositivo de posicionamiento piezoelectrico, y comprendiendo el receptaculo la camara con la abertura que, durante la utilizacion, esta retenida contra la placa de campo para definir un volumen cerrado.
  11. 11. Un procedimiento para anclar un terminal de fibra en una ubicacion en una placa de campo telescopica, comprendiendo el procedimiento:
    posicionar un dispositivo de posicionamiento de fibras contra la placa de campo; estando el procedimiento caracterizado por:
    reducir la presion en un volumen cerrado en el interior del dispositivo de posicionamiento de fibras, anclando de ese modo el terminal de fibra en la placa de campo,
    mover el dispositivo de posicionamiento piezoelectrico sobre la placa de campo del telescopio, y
    mantener la reduccion de presion en el volumen cerrado durante el movimiento del dispositivo de posicionamiento 5 piezoelectrico sobre la placa de campo del telescopio.
  12. 12. El procedimiento segun la reivindicacion 11, incluyendo el dispositivo de posicionamiento de fibras dos cilindros piezoelectricos concentricos dispuestos como un cilindro interior y un cilindro exterior, comprendiendo el procedimiento las etapas adicionales de:
    aplicar una primera tension a traves de uno de los dos cilindros piezoelectricos concentricos para curvar dicho uno 10 de los dos cilindros piezoelectricos concentricos en una primera direccion; y
    aplicar una segunda tension a traves de otro de los dos cilindros piezoelectricos concentricos para mover el otro de los dos cilindros piezoelectricos concentricos en una segunda direccion sustancialmente ortogonal a la primera direccion.
  13. 13. El procedimiento segun la reivindicacion 12, que comprende ademas las etapas de:
    15 aplicar una tercera tension a traves de dicho uno de los dos cilindros piezoelectricos concentricos para curvar dicho uno de los dos cilindros piezoelectricos concentricos en una tercera direccion sustancialmente opuesta a la primera direccion; y
    aplicar una cuarta tension a traves del otro de los dos cilindros piezoelectricos concentricos para mover el otro de los dos cilindros piezoelectricos concentricos en una cuarta direccion sustancialmente ortogonal a la tercera direccion.
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