Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

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atzensepp
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Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 05 Jan 2021, 00:05

Hallo zusammen,

ich versuche gerade, ein Michelson-Interferometer mit Fischertechnik-Bauteilen zu bauen
Michelson.jpg
Michelson.jpg (129.69 KiB) 2276 mal betrachtet

und bin auf der Suche nach praktikablen Ideen für:
1. Einen Spiegelhalter auf einem Linearverschiebetisch
2. Einen kardanisch aufgehängten Spiegelhalter
(Spiegelebene muss genau in den Drehpunkten sein. Die Achsen müssen vollständig entkoppelt sein. D.h. Änderung der Neigung darf keine Drehung hervorrufen und umgekehrt. )

Für den Linearverschiebetisch habe ich, denke ich, brauchbare Lösungen gefunden:
1a) Ist einfach im Aufbau und hat einen langen Verschiebeweg. Allerdings gibt es aufgrund des Spiels der Schnecken eine Hysterese.
Linear_stage2.jpg
Linear_stage2.jpg (128.75 KiB) 2276 mal betrachtet
1b) Ist etwas komplizierter im Aufbau und erfodert eine lange M4-Schraube, eine kleine Stahlkugel, Muttern und eine Schraubenfeder. Das funktioniert ganz brauchbar:
Linear_Stage.jpg
Linear_Stage.jpg (114.98 KiB) 2276 mal betrachtet
Der kardanisch aufgehängten Spiegelhalter funktioniert zwar, ist aber recht klobig:
Cardanic_Mirror_Mount.jpg
Cardanic_Mirror_Mount.jpg (144.61 KiB) 2276 mal betrachtet
Hat jemand eine Idee, wie man das kompakter bauen kann?
Für Anregungen würde ich mich sehr freuen.

Mit Laser funktioniert es schon, mit einer LED noch nicht. Ob das klappt ist fraglich, da die Optischen Wege auf wenige Mikrometer gleich sein müssen.
Interferenzringe.jpg
Interferenzringe.jpg (91.32 KiB) 2276 mal betrachtet

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steffalk
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von steffalk » 05 Jan 2021, 09:18

Tach auch!

Messung der Lichtgeschwindigkeit im Kinderzimmer! Träume ich schon seit Jahren von! :-)

Zum Spiel bei der groben Schnecke: Entweder: Nimm zwei Schneckenbausteine. BS7,5 dran. Rastachsen 30 da rein. Federn drauf. Oder: Nimm zwei Schneckenbausteine direkt nebeneinander, einen aber um 90° verdreht - allerdings steht dann ein Zapfen wohin, wo Du es möglicherweise nicht willst.

Für die kardanische Aufhängung: Entweder auf einen Drehteller noch einen Motor für die Neigung, oder über ein raffiniertes Getriebe mit Mitteldurchgang durch den Drehteller und Winkelgetrieben eines herstellen, bei dem die Neigung sich nicht ändert, wenn der Drehteller dreht. Das Spiel wird aber auch hier immer etwas in die Suppe spucken.

Gruß,
Stefan

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Harald
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von Harald » 05 Jan 2021, 17:31

Hallo!

Das ist mal ein ehrgeiziges Projekt! Da muss man schon an einem ganz bestimmten Ort zu Hause sein ... hinter der sechsten Dezimalstelle (wenn's denn reicht)!

Das Umkehrspiel der Schnecken hast du ja schon mal mit Gummiringen überwunden. Mit einem Ballastgewicht (über Umlenkrolle) geht das vielleicht noch etwas leichtgängiger zu machen.

Getrennte Verstellung von Azimut und Elevation: da könntest du den ft-Zahnkranz Z58 auf einen höheren Sockel stellen und die Elevationsverstellung von unten durch die Mitte machen: vielleicht mit einer Wippe, oder einer per Schnecke angetriebenen "Plattform", auf der sich ein Verstellhebel abstützt. Oder mittig eine Achse mit ein paar von den 'Hülse mit Scheibe' 35981 anbringen, die mit dem Spiegel in Azimut mitdrehen und grob gesagt wie eine höhenverstellbare Töpferscheibe als mechanischer Schleifring funktionieren. Diese Hülsen habe ziemlich genau den ft-Zahnabstand für modul m1,5, d.h. da kann auch ein ortsfestes Zahnrad die Höhenverstellung erledigen. https://ftcommunity.de/bilderpool/model ... tung/5899/

Die schwarze Schnecke m1 35977, auf die Verzahnung von Reifen 60, Reifen 45 ("alt") oder den schwarzen Differenzialkäfig 31411 sollte feinfühligere Einstellungen erlauben und kompakter bauen. Große Verstellwege sehe ich ja hier nicht, wenn die Trägerplattform in groben Schritten verstellbar ist.
Noch feiner wird es mit Fremdteilen und echter Bastelarbeit: Gewindestangen m4 aus dem Baumarkt (-versand) oder dem Modellbau-Webshop. Dazu die passende Mutter ein/aufkleben oder ein Gewinde schneiden oder eine Helicoil einarbeiten:
https://ftcommunity.de/bilderpool/baste ... oil/35521/

Gruß,
Harald
Zuletzt geändert von Harald am 05 Jan 2021, 17:47, insgesamt 1-mal geändert.
--- Ich liebe es, wenn ein Modell funktioniert. ---

atzensepp
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 05 Jan 2021, 17:46

Hallo Stefan und Harald,

vielen Dank für Eure Anregungen.
Für die lineare Bewegung kämen evtl. auch Ketten oder Zahnstangen in Betracht.

Evtl. kann man bei dem Kardanischen Halter mit der Kette was machen oder einfach einen kleinen "Linearversteller" ranklemmen, der
das Teil an einem Hebel verstellt. Der Verstellbereich muss wirklich nicht groß sein.

https://www.holmarc.com/images/gimbal_mirror_mount1.jpg

voxbremen
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von voxbremen » 06 Jan 2021, 14:58

Hallo,

Ich habe mich vor einiger Zeit auch an einem Micheleson-Interferrometer versucht :D
Bei meinem Fischertechnik Interferrometer habe ich versucht die verstellbaren Spiegelhalter möglichst klein und leicht zu bauen:
image004.jpg
image004.jpg (146.01 KiB) 2069 mal betrachtet
.
image002.jpg
image002.jpg (54.17 KiB) 2069 mal betrachtet
Das Ganze funktionierte soweit ganz ok, auch wenn die Einstellung über die Schnecke (modul 1) etwas ungenau und sehr sensibel war und daher viel Geduld beim Einstellen benötigte und nicht für Transporte geeigent war. Ich habe daher später die Schnecke durch einen 3D-Druck-Würfel mit Bohrung für eine M4 Schraube ersetzt.
Version 1, mit Schnecke (modul 1):
image010.jpg
image010.jpg (104 KiB) 2069 mal betrachtet
image009.jpg
image009.jpg (105.85 KiB) 2069 mal betrachtet
image008.jpg
image008.jpg (109.12 KiB) 2069 mal betrachtet
Version 2, mit 3D Druck Würfel + M4 Schraube:
image012.jpg
image012.jpg (115.83 KiB) 2069 mal betrachtet
Noch ein paar Erfahrungen, die vielleicht hilfreich sind:
Es kommt natürlich etwas darauf an, was du mit dem Interferrometer machen willst, aber um z.B. die thermische Ausdehnung zu messen spielt der absolute Abstand keine Rolle, die Abstandsänderung kann man dann durch "zählen" der "durchlaufenden" Interfenzringe bestimmen. Dies bedeutet insbesondere, dass der Abstand (abgesehen von der zu messenden Änderung) möglichst "stabil" und "vibrationsfrei" sein muss, also insbesondere die Position der Elemente. ich hatte den Aufbau zunächst direkt auf einer Grundplatte 1000 aufgebaut, dabei dann aber das Problem, dass es manchmal funktionierte und manchmal nicht. Der Grund waren minimale Verwindungen und Vibrationen der Platte (etwa durch den anlaufenden Kühlschrank in der Nachbar Wohnung ;-). Ich habe daher eine relativ aufwändig versteifte Unterstruktur nach dem Vorbild eines "Optischen Breadboards" gebaut, was schon eine deutliche Verbesserung brachte, eine weitere deutliche Verbesserung ergab sich durch unterlegen einer Schaumstoff-Matte (möglicherweise hätte die alleine auch schon gereicht).
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image001.jpg (192.46 KiB) 2069 mal betrachtet
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Viele Grüße, Volker
Dateianhänge
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von steffalk » 07 Jan 2021, 10:34

Tach auch!

Hört ihr, wie das geradezu danach *SCHREIT*, in einem ft:pedia-Artikel ausführlich und zum Nachmachen behandelt zu werden?

Gruß,
Stefan

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von voxbremen » 08 Jan 2021, 08:12

Hallo Stefan,

gerne :-) Ich muss nur schauen, wann ich dazu komme... gibt es da Vorgaben (Umfang, Format-Vorlage)?

VG, Volker

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EstherM
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von EstherM » 08 Jan 2021, 09:50

Hallo Volker,
Vielleicht möchtest Du das Modell zusätzlich auch in unserer Bildersammlung vorstellen.
Die Anleitung dafür findest Du unter: https://ftcommunity.de/fans/bilderpool/ ... einstellen.
In der Beschreibung ist eine Größenbegrenzung für Mails angegeben. Die gilt inzwischen nicht mehr.

Ich würde mich freuen!
Gruß
Esther

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von steffalk » 08 Jan 2021, 10:17

Tach auch!

@Volker: Das ist ganz einfach: Was wir brauchen sind der Text - in einem praktisch beliebigen Format, wir setzen den eh grundsätzlich komplett neu - und qualitativ gute Bilder dazu. Ob der Text als unformatierte .txt, OpenOffice, Word, PDF oder wie auch immer zu uns kommt, ist egal. Maile, wann immer es losgehen soll, einfach formlos an ftpedia@ftcommunity.de und wir sind in Kontakt. Wir redigieren, bearbeiten Fotos, machen auf Wunsch Reinzeichnungen, layouten - so lange, bis Du mit dem Ergebnis zufrieden bist. Und dann geht's raus in die große weite Welt.

Gruß,
Stefan

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 09 Jan 2021, 22:38

@Volker Das sind schon einige sehr elegante Konstruktionsideen!
Da hast Du viele Schnecken eingebaut, die mir momentan noch fehlen. Aber da kann man, wie Du gezeigt hast mit M4-Schrauben improvisieren. Außerdem scheinen einige Teile in 3D-Druck gefertigt worden zu sein.

Ich sehe, dass Du für die Spiegelhalter die vertikale Kippung und den Abstand einstellen kannst.
Wie machst Du das mit der Rotation um die Hochachse? (EDIT: Ah jetzt seh ich es: Die Schraube hinten dient der Einstellung der Kippung um die Vertikale Achse und nicht des Abstandes.)

Zur Stabilität: Bei mir ist es so: wenn ich Interferenzen sehe, dann sind die auch ziemlich stabil. Nur wenn ich an den Tisch komme, gibt es Verwackelungen. Die Einstellungen meiner Linearverschiebung sind zwar reproduzierbar aber die gesamte Konstruktion ist schon etwas wackelig. Wenn man irgendwo hinkommt verstellt es sich etwas. Schaumstoff brachte bei mir nicht allzu viel. Werde mich mal der "Unterkonstruktion" widmen.
Mit Laser bekommt man eigentlich immer irgendwie Interferenzen und das Ringsystem bei aufgeweitetem Strahl kann man auch finden.

Viele Grüße
Florian

atzensepp
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 24 Jan 2021, 19:52

Inzwischen habe ich einen weiteren kardanischen Spiegelhalter gebaut.
Der ist zwar auch groß, lässt sich aber sehr feinfühlig einstellen.
Kardanischer Halter von hinten mit M3-Verstellschrauben und 3D-Druck-Teilen
Kardanischer Halter von hinten mit M3-Verstellschrauben und 3D-Druck-Teilen
Kardanischer Halter 3.jpg (174.47 KiB) 1322 mal betrachtet
Kardanischer Halter von vorne
Kardanischer Halter von vorne
Kardanischer Halter 2.jpg (137.41 KiB) 1322 mal betrachtet
Die Größe scheint der Stabilität zuträglich zu sein. Dreiecksverstrebungen helfen dabei enorm.

Für den Verstellmechanismus habe ich zwei 3D-Druck-Teile entworfen, die M3-Schrauben zur Justierung aufnehmen. Das ganze ist sehr feinfühlig.
Sehr einfacher Linearversteller, für den es neben FT-Teilen nur 2 Federn, eine kleine Kugel, eine M4-Schraube und eine Mutter braucht. Die M4-Mutter wird durch den schwarzen FT-Zapfen am "Durchdrehen" gehindert.
Sehr einfacher Linearversteller, für den es neben FT-Teilen nur 2 Federn, eine kleine Kugel, eine M4-Schraube und eine Mutter braucht. Die M4-Mutter wird durch den schwarzen FT-Zapfen am "Durchdrehen" gehindert.
Linear_Versteller_1.jpg (120.38 KiB) 1322 mal betrachtet
Der Linearversteller aus FT-Teilen im Bild ist im Prinzip auch ganz brauchbar, aber etwas klobiger.

Der grüne Spiegelhalter mit dem Lautsprecher (zur elektromechanischen Weglängenverstellungn) ist ein 3D-Durckteil. Die Verstellung von dem "Grünen" ist gröber und etwas hakelig.

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 24 Jan 2021, 20:05

Erfahrungen zu Linearverstellungen:

Die besten Ergebnisse habe ich mit Linearverstellungen gemacht, die Führung mit 3 Achsen haben und bei denen der Scheckentrieb in der Mitte ist. Dann sind die lateralen und vertikalen Versätze beim Drehen der Schnecke minimal.
  1. Flache Linearverstellung mit 3 Achsen,
    Flacher Linearversteller mit 3 Achsen und FT-Schnecke
    Flacher Linearversteller mit 3 Achsen und FT-Schnecke
    Linear_Versteller_2.jpg (158.91 KiB) 1316 mal betrachtet
  1. Dreieckige Linearverstellung mit 3 Achsen,
    (noch besser als die Flache aber größere Bauhöhe)
    Dreieckiger Linearversteller mit 3 Achsen und FT-Schnecke
    Dreieckiger Linearversteller mit 3 Achsen und FT-Schnecke
    Linear_Versteller_3.jpg (153.32 KiB) 1316 mal betrachtet
Beide Konstruktionen haben kaum seitlichen und vertikalen Versatz. Das "Schneckenspiel" führt zu der bekannten Hysterese,
was aber nicht unbedingt stark stört.

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von steffalk » 24 Jan 2021, 20:54

Tach auch!

Zum Schneckenspiel: Jeweils *2* Schneckenbausteine, um 90° versetzt, sollte das Spiel ganz erheblich mindern.

Gruß,
Stefan

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 25 Jan 2021, 22:05

Hallo Stefan,

jetzt muss ich das wirklich mal probieren:
Das mit den 90 Grad verdrehten Schnecken hattest Du bereits erwähnt.

Florian

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von Harald » 29 Jan 2021, 10:45

Ich hab da mal ein paar Vorschläge für die Stellantriebe. "32455 Führungsplatte E-Magnet" ist immer ein guter Startpunkt. Das Zahnrad ist ein Drehschalter-Oberteil (auf schwarzer Freilaufnabe). Das ist dem Stefan wohl "durch geflutscht" bei der Vorstellung der Zahnräder mit m0,5 (ft:pedia 2019-03). Das kriegt aber bei den nächsten "Kaulquappen" seinen Platz.

Gruß,
Harald
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von steffalk » 29 Jan 2021, 11:17

Tach auch!
Das ist dem Stefan wohl "durch geflutscht"
Ui, stimmt! Heieiei! Wie viele Zähne hat das? ;-)

Gruß,
Stefan

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von Harald » 31 Jan 2021, 20:04

Hallo Stefan,

Ich komme auf 80 Zähne

Gruß
Harald
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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 02 Feb 2021, 23:30

Das mit den Zahnstangen muss ich mal probieren. Mir ist aufgefallen, dass es bei den Schnecken zu leichten Verkippungen kommt,
Evtl. kann man das mit einem Zahnstangenantrieb verhindern. Weitere Alternative wäre mit Kette. Die kann man schön spannen.

Die Achsen für die Schlitten müssen ausgesucht sein. Ich habe ein paar "krumme Dinger" dabei. Das beste Ergebnis ist eine Winkelabweichung von 5mm auf 5m beim Verfahren. Das ist für FT schon recht gut.

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 13 Feb 2021, 17:54

Inzwischen habe ich weitere Spiegelhalterungskonstruktionen ausprobiert.
Nachdem Fischertechnik fast alles irgendwie "flex" ist also weitere Versuche mit "Flex-Hinges".

In dieser Halterung habe ich Statik-Verbinder als Flex-Hinges verwendet:
Spiegel-Halterung-Flex-2a.jpg
Spiegel-Halterung-Flex-2a.jpg (144.18 KiB) 865 mal betrachtet
Die Verstellung erfolgt mittels M4-Schrauben:
Spiegel-Halterung-Flex-2rear.jpg
Spiegel-Halterung-Flex-2rear.jpg (128.94 KiB) 865 mal betrachtet
Recht gute Ergebnisse (hinsichtlich Stabilität und Reproduzierbarkeit, Einstellgenauigkeit) , konnte ich mit dieser Halterung erreichen:
Spiegel-Halterung-Flex-1front.jpg
Spiegel-Halterung-Flex-1front.jpg (136.55 KiB) 865 mal betrachtet
Als Scharniere kommen die roten Verblendungselemente zum Einsatz . Da diese in allen Richtungen biegsam sind wurde ein weiterer "Hinge" parallel geschaltet. Auch hier erfolgt die Verstellung mittels M4-Schrauben. Die Gegenmuttern passen genau in die mittleren Nuten der gelben/roten Platten.
Spiegel-Halterung-Flex-1a.jpg
Spiegel-Halterung-Flex-1a.jpg (149.06 KiB) 865 mal betrachtet
(zusätzlich habe ich für die Vertikale noch einen Gummi rumgeschnallt :lol: )

Von meiner Forderung, die Halterungen kardanisch zu realisieren bin ich abgekommen. Den zusätzlichen Weglänge kompensiere ich im anderen Arm des Interferometers mit der Linearverstellung. Sehr wichtig ist eine stabile Verbindung mit dem Untergrund. Daher die Streben mit der Dreieckskonstruktion.

Bei der gelben Halterung komme ich bei einer halben Umdrehung (10 Zähne) der Zahnräder auf eine Winkelverstellung von 0.014 rad horizontal und 0.010 rad vertikal. Die Entkopplung der Achsen ist zufriedenstellend.
Zuletzt geändert von atzensepp am 13 Feb 2021, 18:33, insgesamt 1-mal geändert.

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Re: Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

Beitrag von atzensepp » 13 Feb 2021, 18:23

Um Interferenzbilder mit breitbandigen Lichtquellen zu erhalten muss man beim Michelson-Interferometer die Weglängen auf einige Mikrometer genau einstellen.

Interferenzmuster einer roten LED:
LED-Fringes.jpg
LED-Fringes.jpg (97.77 KiB) 846 mal betrachtet
Interferenzmuster einer weißen LED-Taschenlampe:
White_LED.jpg
White_LED.jpg (82.72 KiB) 846 mal betrachtet

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