La óptica de forma libre lleva los sistemas ópticos de precisión a un nuevo oído, proporcionando imágenes superiores en paquetes compactos o una funcionalidad imposible de otro modo. Las superficies que están axialmente desequilibradas o que no tienen un eje de rotación fijo se conocen como superficies de forma libre. Los diseños ópticos avanzados de forma libre que complementan los métodos de fabricación y los calibres ultraprecisos han mejorado la forma de vida, el pensamiento y el poder de observación de los humanos de hoy. Las fantasías de exploración espacial, portabilidad y accesibilidad también han cobrado sentido en la actualidad con la óptica de forma libre. Las industrias óptica, aeroespacial, automotriz, de defensa y muchas más dependen directamente del tiempo y el costo involucrados en la producción completa de elementos ópticos prediseñados de forma libre.

En un nuevo artículo publicado en Revista internacional de industrialización radicalUn equipo de investigadores dirigido por el Dr. Zen Tong del Centro de Microtecnología de la Universidad de Huddersfield, Reino Unido, ha resumido los últimos avances en óptica libre, métodos para su diseño, fabricación y mediciones para aplicaciones integrales. El objetivo principal de esta revisión es abordar ciertas preguntas tales como; ¿Cuál es nuestra nueva comprensión de la óptica de forma libre? ¿En qué punto nos encontramos en cuanto a desarrollos y aplicaciones de superficies libres en sistemas ópticos? ¿Cuántas herramientas efectivas hemos desarrollado en los aspectos de diseño, fabricación y producción? ¿Cuáles son los principales desafíos en la producción de ópticas de forma libre?

Muchas ópticas y sistemas libres están diseñados de varias maneras, como ecuaciones diferenciales parciales, métodos de asignación, mapeo punto a punto, método de superficies múltiples simultáneas y mejoras de rendimiento basadas en aberraciones. Todos los diseños finales obtenidos mediante estos métodos están directa o indirectamente relacionados con máquinas ultrafinas para la fabricación a nivel nano o cuasi-nano. Para cumplir con las demandas actuales del mercado, las cadenas de procesos dependen de los tipos de fabricación, es decir, por pedido, de fabricación a montaje y de fabricación a stock. El mecanizado de ultraprecisión combinado con técnicas de corrección de forma se encuentran entre las técnicas más confiables para desarrollar ópticas de forma libre que cumplan con los requisitos deseados de errores topográficos, como frecuencias espaciales bajas, medias y altas. Con el corte de diamante ultrafino con múltiples ejes, se puede fabricar la forma intrincada con alta precisión y obtener una superficie óptica suave.

La demanda de medidores de forma de superficie seguirá siendo un impulsor vital del cumplimiento de los estándares de la cadena de fabricación. La complejidad de la metrología aumenta con el grado de libertad de la óptica de forma libre que se va a probar. Los problemas de medición para la óptica de forma libre aumentan con las diferencias en el balanceo, las pendientes, las profundidades, la rugosidad de la superficie, la velocidad de medición, los factores ambientales, el control de la temperatura y el tamaño de la apertura. Debido a estos factores, el costo de la óptica completamente gratuita aumenta, por lo que se debe mantener un equilibrio adecuado entre los parámetros controlables para mantener el costo del producto final dentro de un rango limitado. La medición se puede realizar de varias maneras, como el monitoreo en el sitio y las pruebas fuera de línea durante y después de la fabricación de componentes.

El profesor Dam Xiangqian Jiang (Director de EPSRC Future Metrology Hub, CPT), el Dr. Zhen Tong (Jefe del Grupo de instrumentos de ultraprecisión, CPT) y el Sr. Sumit Kumar (Investigador de doctorado) identificaron algunos desafíos críticos en el diseño, la fabricación y el libre -forma óptica de la siguiente manera:

“No existe tal definición estándar o tolerancias para las superficies de forma libre que se pueden clasificar en función de su rendimiento. ¿Es posible determinar la relación entre la rugosidad de la superficie y la tolerancia especificada en la etapa de diseño?”

“El diseño se puede lograr con la ayuda de un software de diseño óptico comercial como Code V, Zemax, etc., sin embargo, las mejoras de los sistemas ópticos complejos tardan mucho en llegar a soluciones globales óptimas”.

“¿Es posible desarrollar un sistema repetible para determinar cuándo y dónde se debe colocar la superficie óptica de forma libre prevista para lograr un rendimiento óptico óptimo?”

“Para las nuevas ópticas de forma libre, los análisis manuales de las limitaciones de fabricación en la etapa de diseño son poco fiables, poco prácticos e imposibles. No hay duda de que existe y seguirá habiendo software dedicado a la óptica de forma libre. Sin embargo, rápido y fiable se necesitan soluciones”.

“Mientras queramos luz, la demanda de ópticas de forma libre seguirá existiendo. ¿Hasta qué punto vamos a adoptar soluciones completas para la fabricación sostenible de ópticas de forma libre?”

“Desarrollo hacia un sistema de medición especial para ópticas modernas de cualquier tamaño y características que puedan realizar todo tipo de mediciones. Esto puede tener beneficios tales como reducción de costos, tiempo de medición, complejidad, desgaste, procesamiento de datos y mayor tiempo de planificación y producción”.

Los investigadores sugirieron que la óptica de forma libre debería seguir el principio 3F, es decir, forma, ajuste y función. En la realización de 3F para componentes ópticos de forma libre y sistemas ópticos de forma libre, el tiempo juega un papel importante. Por lo tanto, especialmente para la óptica de forma libre, se deben desarrollar procesos económicos avanzados que no negocien los esfuerzos del diseñador, reduzcan el tiempo de ensamblaje y prueba y también reduzcan el consumo de energía y el desperdicio de material.

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