Beş Kolay Adımda Optomekanik Tasarım

Optik mühendisliğinin bir alt disiplini olan optomekanik tasarım, bir optik cihaz üretmek üzere, mercekler, aynalar veya prizmalar gibi optik elemanların mekanik yapılara (yuva, muhafaza, kafes, kiriş, vb.) bütünlenmesi üzerine çalışır. Optik bir cihazın ürün haline getirilmesinde optik ve makina mühendislerinin ortak çalışmaları şarttır. Ekibin çalışma alanı tasarım, üretim, montaj, hizalama ve test prosedürlerinin yanı sıra, sinyal işleme, ışık kaynakları, film ve dedektörler, odak düzlem dizileri ve diğer elekronik bileşenleri de kapsar.

Optik sistemin tasarımı belirli bir amaca hizmet edecek bir cihaza duyulan ihtiyaçla ya da güncel bir sorunu çözme amacıyla başlar. Tasarım süreci literatür taraması, analiz ve deney ile başlar konsept, ön ve son tasarım ile devam eder. Bu süreçte, operasyonel ve çevresel faktörler (sıcaklık, nem, kirlilik, titreşim, şok gibi) göz önünde bulundurmalı, tasarım için en doğru malzeme ve bileşen seçimi yapılmaya çalışılmalıdır.

Mühendislerin aynı zamanda ürünün üretim ve bakım maliyetini tasarım safhasında öngörmeleri gerekir. Performans isterleri bir cihazın karmaşıklığını belirler ve bu yüzden cihazın kullanım ömrü boyunca ortaya çıkaracağı maliyette önemli rol oynar. Yine de enstrüman konfigürasyonu, malzeme seçimi ve üretim sırasında profillerin ölçülendirilmesi ve toleranslandırılması gibi etkenlerin de maliyet üzerinde önemli bir etkisi vardır. Genelde, performans isterlerinden taviz vermeden, mümkün olduğunca sade tasarımlar ve gerektiğinden sıkı olmayan toleranslandırma maliyetin büyümemesi için önerilmektedir.

Optomekanik tasarımda doğru ve detaylı kararları verebilmek için, analiz ve testler sonucu elde edilmiş parametrelerin, tecrübe ve mühendislik içgüdüsü ile mantıklı bir çerçevede atanması ve uygulanması gerekir. Tasarım ekibinin, tasarım sırasında karşısına çıkacak problemler ve kararlar beş temel kategori altında sıralanabilir: malzeme, yapısal tasarım, mercek-yuva arayüzleri, prizma ve ayna montajı, bütünleme ve hizalama. Bu yazıda çalışanların başarılı optomekanik tasarımlar geliştirmelerine ve bazı kararların neden alındığını anlamalarına yardımcı olmak için birkaç yönteme yer verilmiştir. Bu yöntemlerin kesin kurallar olmadığının altını çizmek isteriz. Mühendisliğin tek mutlak kuralı, istisnaların özel durumlarda geçerli olmasıdır.

Malzeme Seçimi

Malzeme seçimi sistemin maliyeti ve performans değerleri açısından önemlidir. Yanlış malzeme seçimi proje isterlerini karşılanamamasına neden olabilir. Aşırı egzotik malzemeler seçerseniz sisteminiz isterleri karşılayabilir fakat bunun bir önemi yoktur çünkü maliyet engelleyici olabilir. Genellikle tasarımcıların, üreticiler tarafından iyi bilinen optik camları kullanması tavsiye edilir. Bu camlar çoğu zaman kolay ve ucuz bir şekilde optik atölyelerinde işlenebilir ve gelecekteki yeni üretimler için kolay bulunabilir.

Tasarıma ve maliyete uygun birçok malzeme seçeneği olduğunda -toplam ağırlığı azaltacağından- seçimin, özkütlesi (yoğunluğu) daha küçük olan malzemeden yana yapılması önerilir.

Sıcaklık değişimlerinde cihazın bütünlüğüne zarar gelmemesi için şartlar elverdiği ölçüde temas halindeki mekanik ve optik parçaların malzemeleri, termal genleşme katsayıları birbirine yakın olacak şekilde seçilmelidir. Düşük genleşen malzemeler için ULE (İng.Ultra Low Expansion Glass) (Corning Inc. ; Corning, NY) ya da Zerodur (Schott Glass; Duryea, PA) ayna malzemesi olarak en doğru seçim sayılabilir. Mekanik yapılar için alüminyum en çok tercih edilen malzeme olsa da paslanmaz çelik, titanyum ve Invar (nikel demir alaşımı) bazı durumlarda termal genleşme katsayısı nedeniyle avantaj sağlayabilir.

Kritik metal parçaların boyutsal istikrarının en üst seviyede tutulması için talaşlı imalattan sonra ısıl işlem yapılması önerilir. Vakum ortamında kullanılacak yapıştırıcı ve sızdırmazlık elemanlarının (elastomerler) düşük gaz salınımı değerleri olmalıdır. Düşük genleşme katsayısı olan ve kürlenme* sırasında büzüşme eğilimi göstermeyen elastomerler tercih edilmelidir.

*Kürlenme: Polimerlerin kükürt ve/veya başka katalizörler eşliğinde ısıtılarak mekanik özelliklerinin iyileştirilmesidir.

Yapısal Tasarım

Bir optik sistem ancak optik elemanların pozisyon ve doğrultuları izin verilen toleransların içinde olduğu sürece beklenen şekilde çalışır. Aynı zamanda yer çekimi, başka bir dış kuvvet ya da sıcaklık değişimleri sonucu oluşan kuvvetlerin neden olduğu yapısal bozulmalar da sistemin çalışmasını engellememeli ve optik elemanların yüzeylerine fonksiyonlarını bozacak kadar zarar vermemelidir. Yapısal tasarım cihazın çalıştığı sıcaklık aralığı boyunca bu etkileri kontrol altında tutabilecek kadar kararlı olmalıdır. Titreşim, şok, sıcaklık gibi nedenlerden dolayı oluşan geçici yapısal bozulmalar, parçalar bozulmadığı ve etkiler ortadan kalktıktan sonra parçaların nominal pozisyonlarına döndükleri sürece kabul edilebilirler.

Sıcaklık değişimlerinin etkilerini en aza indirmek için optik tasarımcılar yapıyı pasif bir şekilde atermalize edebilir, yani tüm çalışma sıcaklığı aralığında termal değişikliklere karşı duyarsız olacak şekilde tasarlayabilir. Bu işlemi yapmak için hem mekanik hem optik elemanlar üzerindeki ısıl etkileri göz önünde bulundurmak unutulmamalıdır.

Aşırı sıkı üretim toleransları olmadan başarımı en üst seviyeye çıkarmak için, dikkatlice optimize edilmiş optomekanik yapıya uygun sayıda mekanik ayar (gerekli yerlerde hareketli mercek grupları eklemek) eklenmelidir. Sistem bileşenlerinin konum hatalarının optik kusurları ne hassasiyetle etkilediği analiz edildikten sonra tolerans bütçeleri oluşturulmalıdır. Yer çekimi gibi dış kuvvetlerin, boyutlarda neden olduğu bozulmaları en aza indirebilmek için, kütle ve paketleme sınırlamalarının içinde kalarak, yapılar mümkün olduğunca dirençli seçilmelidir.

Ayrıca, titreşim altında gerçekleşecek operasyonlar için, optik elemanların mekanik rezonanstan izole edilmesi gerekir.

Mercek-Destek Arayüzleri

Merceklerin bütünlenmesi ve pozisyonları optik sistem performansını etkileyen en önemli faktörlerdendir. En iyi sonuçları alabilmek için mercekler ile temas halinde olacak metal referans yüzeyleri, taşlanmış çerçeveler veya pahlar yerine cilalanmış yüzeyler olacak şekilde tasarlanmalıdır. Böylece mercek pozisyonlarının belirlenmesinde daha kesin sonuçlar elde edilir. Hissedilebilir ivmelenme kuvvetleri beklenildiği durumlarda merceklerin kenarlarının birbirine temasından kaçınılmalıdır. Merceklerin birbirlerine temas etmeyecek şekilde aralayıcılarla veya hücrelere işlenmiş omuzlara bütünlenerek kullanılması tercih edilmelidir.

Beklenen en büyük ivmelenme kaynaklı kuvvetlere göre mercekler, eksenel yönde bir önyükleme ile yüklenmelidir. Uygulanan kuvvet, merceğin kütlesinin ivmelenme faktörü ile çarpımı kadar olmalıdır. Sıcaklık değişiklikleri önyüklemeyi hatırı sayılır derecede değiştirebilir dolayısıyla tasarımcının bir taraftan bunu da göz önünde bulundurması gerekir. Şekil 1’in üst kısmında gösterildiği gibi dişli tutma halkaları ile önyükleme gerçekleştirilebilir. Yükü eşit bir şekilde dağıtabilmek ve simetri için, tutma halkasının mercek yüzeyine göre kendini hizalayabileceği diş standardı, ASME B1.1’e göre 1 veya 2. Sınıf olarak belirlenmelidir. Eksenel kuvvetin yaklaşık değerini hızlı bir şekilde hesaplayabilmek için halkaya uygulanan torku beş ile çarpmak ve dişin aralık çapına bölmek yeterlidir. Şekil 1’in alt kısmında gösterildiği gibi halka tipi flanşlar da tutma halkalarına alternatif olabilecek eksenel sınırlayıcılardır.  Bu tip arayüzlerde önyükleme kuvvetinin büyüklüğü sabit olmadığından eksenel kuvvetler dinamik bir şekilde kontrol edilir.

Mercek destek arayüzleri temas noktasında düşük gerilim (stress) oluşacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu, konik metal yüzeylerin dışbükey mercek yüzeylerine teğet bir şekilde temas ettirilmesi ile sağlanabilir. Şekil 2’de görülebildiği gibi içbükey mercek yüzeyleri için dışbükey halka şekilli arayüzler ve düz pahlı mercek yüzeyleri için düzlemsel yüzlü metal arayüzler önerilir. Halka şekilli metal ve içbükey mercek arayüzünde halkanın yarıçapının en azından mercek yüzeyinin yarıçapının yarısı kadar olması gerekir. Düz pahlar hizalamaya engel olmamak için optik eksene tam olarak dik olmalıdır.

Ciddi büyüklüklerde radyal ivmelenme yaşayabilecek sistemlerde mercek bordürlerinin radyal yönde hareketini sınırlayacak sıkı geçme parçalar kullanılmalıdır. Hareket sırasında oluşan boşlukları doldurmak için operasyona göre uyarlanmış aralayıcılar iş görebilir.

Mercekler, camlar ve küçük aynalar için sıklıkla elastomer yapılı yükleme üniteleri kullanılır. Optik aksamın çevresine sarılan elastomer halkanın kalınlığı, sıcaklık değişikliklerinden etkilenmemesi gözetilerek belirlenmelidir.

Analitik çözümler ile parçalar üzerinde oluşan yükleme gerilimleri hesaplanabilir. Sonlu elemanlar analizi metotları ile de gerçeğe yakın hesaplama sonuçları kısa sürede elde edilebilir.

Prizma ve Aynaların Bütünlenmesi

Merceklere göre yüzey bozulmalarına karşı performans bakımından daha hassas olan ayna, kırınım ızgarası (ing.grating) ve prizma gibi optik elemanlar bütünlenme sırasında kendi detaylarına sahiptirler. Prizmalar ve aynalar mümkünse yarı kinematik şekilde desteklenmelidir. Bu tarz bir arayüzde, altı serbestlik derecesinin tamamı da küçük temas yüzeylerinden sağlanan kuvvetlerle sınırlandırılmalıdır. Eğer sistemde altıdan fazla sınırlayıcı varsa ya da kuvvetler geniş temas alanlarından uygulanırsa arayüzler üzerinden transfer edilen momentler optik yüzeylerde bozukluklara yol açabilir.

Çoğu prizma ve ayna termal olarak benzer özellik gösteren desteklerine, birden fazla noktadan yapıştırıcılar yardımıyla bağlanabilir. Toplam bağlanma alanı;

A_bağlanma=w*a_G*f_S/J

“w” sistemin ağırlığını, “a_G“ oluşabilecek maksimum ivme yükü, “f_S“ güvenlik katsayısını (4 ve üzeri olmalıdır), “J” ise bağlantının dayanım gücünü belirtir.

Prizmalar ve küçük aynalar, birden fazla yay ile yuvalarına yerleştirilebilir. Yaylardan kaynaklanan kuvvet vektörleri, optik elemanın diğer tarafındaki referans pedlere (yumuşak bir maddeden yapılmış koruyucu yastıklara) doğru olacak şekilde pozisyonlanmalı ve yay kuvvetleri temas yüzeyine dik olmalıdır. Optik yüzeydeki düz alanlara temas eden düz pedler, montaj öncesi aynı düzlemde olmalıdır.

Yerçekimi kaynaklı bozulmaların en aza indirilebilmesi için büyük aynalar görüş alanındaki tüm yükseliş açıları için çerçeve ve arkalarındaki birden fazla noktadan desteklenmelidir. Tipik bir ayna bütünleme sisteminde çok sayıda manivela, pnömatik ya da hidrolik eyleyici barındıran, ismini mucidinden alan, Hindle-tipi bağlantı kullanılmaktadır. Çok noktalı destekler, destek noktalarında aynanın ağırlığının lokalize kısmını desteklemek için gereken kuvvetleri sağlar.

Montaj ve Hizalama

En iyi optik sistem bile hassas bütünleme ve hizalamadan yoksunken kullanışsızdır. Doğru mühendislik, bu aşamada başarı için tasarım anlamına gelir. Kılavuzlar her zaman sezgisel değildir, ince hizalama için ayar sayısını en aza indirgeme gibi. Çok fazla ayarlanabilir parça, çok azı kadar kötüdür.

Montaj işlemine sistem elemanlarının kapsamlı bir şekilde temizlenmesi ile başlanmalıdır. Optik cihazların montajı temiz oda ya da steril hava kabini gibi temiz ve kuru ortamlarda yapılmalıdır. Sadece onaylanmış yağlar kullanılmalı ve kirlenmeleri engellemek için uygulamaları dikkatle yapılmalıdır.

Çoklu mercek düzeneklerinin en iyi başarımı göstermeleri için, mercekleri eksenleri etrafında farklı şekilde döndürerek mercekler üzerinde kalan kama hatalarının birbirlerini yok etmeleri sağlanabilir.

Optiklerin hizalaması tamamlandıktan sonra mekanikler epoksi, lazer kaynak, lehim veya mekanik kenetleme ile kitlenmelidir. Optikleri nemden ve parçacıklardan korumak için bütünleme sırasında optik cihazlar kapatılmalıdır. Kuru azot veya helyum ile temizlenip, uygun şekilde basınçlandırılmalıdır.

Optomekanik tasarım optik sistem performansının kilit noktasıdır. Takım içindeki iletişimi iyi tutarak ve bu yazıda bahsedilenler konusunda derinlemesine bilgi sahibi olarak, ortaya çıkarılan üründe pratik, güçlü ve başarılı sonuçlar elde edilebilir.

Ekip üyeleri arasında iyi bir iletişim ve yukarıda değinilen konuların bilincinde olunması, optik sistemin pratik, sağlam ve şartlara uygun olmasını sağlamaya yardımcı olacaktır.

1. D. O’Shea, Selected Papers on Optomechanical Design, SPIE Milestone Series vol. 770, SPIE Press, Bellingham, WA (1988).
2. P. Yoder Jr., Opto-mechanical Systems Design, 2nd Edition, Marcel Dekker Inc., New York, NY (1992).
3. D. Vukobratovich, “Optomechanical System Design,” Ch. 3 in The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook, M. Dudzik, ed., ERIM, Ann Arbor, MI, and SPIE Press, Bellingham, WA (1993).
4. P. Yoder Jr., “Mounting Optical Components,” Ch. 37 in OSA Handbook of Optics, 2nd edition, vol. I, M. Bass, ed., McGraw-Hill Inc., New York, NY (1995).
5. A. Ahmad, ed., Handbook of Optomechanical Engineering, CRC Press, Boca Raton, FL (1997).
6. P. Yoder Jr., ed., Optomechanical Design, SPIE Selected Papers on CD-ROM, vol. 5 (1999).
7. P. Yoder Jr., Mounting Optics in Optical Instruments, SPIE Press, Bellingham, WA (2002).
8. Fotoğraf kaynak: https://syntecoptics.com/molded-ir-optics/ir-opto-mechanical-design