Idee für Optomechanik - Kardanischer Spiegelhalter

[Harald]

Wow!

bin begeistert!


Für die Kippvorrichtungen hätte ich noch einen Vorschlag: Angelschnur:
- so 3 .. 6 Wicklungen um eine blanke ft-Achse herum
- eine oder zwei Wicklungen um ein ft-Speichenrad
- zur Schleife schließen
- Spiegel direkt auf der Achse des Speichenrads montieren, oder da noch einen vorgespannten Hebel zwischenschalten

Das Verhältnis der Achs/Raddurchmesser sorgt für die Verstellmöglichkleit im Feinen.
Angelschnur ist elastisch, da braucht es nur eine grobe Spannvorrichtung. Die kann auch gleich Reibung mitbringen, damit sich nichts von alleine verstellt.

Gruß,
Harald

[steffalk]

Tach auch!

Ich glaube, man ahnt nur anhand der beiden Bilder gar nicht, *was* für ein großartiges Feld Du damit behandelst, atzensepp. Das ist grandios.

Gruß,
Stefan

[H.A.R.R.Y.]

Hallo atzensepp,

die ft-Spiegel scheinen mir für den Zweck weniger geeignet zu sein. Für solche Anwendungen gibt es spezielle Laserspiegel, bei denen die Oberfläche verspiegelt ist. Bei den ft-Spiegeln muss das Laserlicht erst noch durch die Glasoberfläche ins Glas, hinter zur verspiegelten Rückseite, zurück durchs Glas und dann durch die Oberfläche wieder raus. Güte und Intensität der refkletierten Laserstrahlung leidet.

Grüße
H.A.R.R.Y.

[atzensepp]

Hallo H.A.R.R.Y.

ich habe verschiedene Spiegel "hinter Glas" ausprobiert. Die FT-Spiegel sind tatsächlich recht dick aber nicht so schlecht wie gewöhnliche Taschenspiegel. Aus einem alten Scanner habe ich noch verspiegelte Spiegel-Bars, die etwa 5 mm dick und 20 cm lang sind". Bei denen ist ein Metallfilm auf der Rückseite aufgebracht. Wegen ihrer Länge ist die Montage etwas schwierig und brechen will ich sie eigentlich nicht.
(Mit der neuen "Bodenplattenkonstruktion" könnte es aber klappen.)

Die Dicke der Glasschichten lässt sich aber auch für Interferenz-Zwecke gut nutzen.
Habe daraus erst mal ein Jamin-Interferometer (2 parallele Glasplatten) mit FT gebaut um zu sehen ob Interferenz mit LED oder Weißlicht überhaupt realisierbar ist. Da ist deutlich weniger Präzision für die Einstellung notwendig. Damit konnte ich feststellen, dass bei weitem nicht alle LEDs für Interferenzversuche geeignet sind. Matte LEDs und manche LEDs mit eingebautem Spiegel eignen sich überhaupt nicht gut, da keine räumliche Kohärenz zustande kommt. Am besten sind klare LEDs. Aber auch da gibt es welche, die nicht funktionieren.
Man könnte das Licht einer LED auch mit Mattscheiben oder Lochblenden "konditionieren".

[atzensepp]

So heute habe ich mir mal den "2 DOF fully compliant space pointing mechanism" der NASA gedruckt und in eine FT-Konstruktion eingebaut.
Dieser Mechanismus wird in einem Raumfahrzeug zur Steuerung einer Schubdüse verwendet (Vector-Thrust) . Der Vorteil ist, dass beide Aktoren im festen Bezugssystem sind.

2D-Flexure_FT_4.jpg (115.29 KiB) 7682 mal betrachtet

Ob sich das für ein Interferometer eignet muss sich erst noch zeigen. Es schwingt schon ein wenig .

[atzensepp]

Ein Michelson-Interferometer mit reinen Fischertechnik-Komponenten (+ 1 Linse und 1 Strahlteilerwürfel) zu bauen ist schon ein rechter Flohzirkus. Aber es macht ungemein Spaß und man lernt viel darüber, wie sich das Material verhält. Achsen sind nicht immer gerade, Räder eiern und Konstruktionen verbiegen sich unmerklich unter Last.
Mit dem hier vorgestellten Aufbau gelingen die Interferenzexperimente mit LEDs bis jetzt am besten.

• Spiegelverstellung für Winkel und Spiegelverstellung für Weg sind in unterschiedlichen Armen realisiert.

  

  Michelson_1.jpg (139.28 KiB) 7593 mal betrachtet

• Lichtquelle und Interferometer sind auf zwei unterschiedlichen (mit schwerem Material gefüllten) Baukasten-Boxen aufgebaut. Ein Rumschrauben an der Lichtquelle hat daher keinen Einfluss auf das Interferometer. Hier ein Bild der optischen Bank für die Lichtquelle

  

  Michelson_4.jpg (150.71 KiB) 7593 mal betrachtet

• Die Justage für die Spiegel-Orientierung auf dem Verstell-Schlitten ist unkritisch und kann sehr einfach realisiert werden.

• der Verstell-Schlitten ist eine Flexure-Konstruktion, die durch eine Hebelübersetzung eingestellt werden kann.
  Die Flexure-Konstruktion ist auf Bauplatten realisiert und läuft in einer darunter liegenden mit Metallachsen verstärkten Schiene aus Bausteinen.
  Damit kann man die grobe Position eingestellt werden. Allerdings müssen die Winkel immer nachgestellt werden, da die Unterkonstruktion wellig ist.
  Mit Aluminiumprofilen dürfte es besser sein.
  Die Flexure-Konstruktion kann mittels Laser so vorjustiert werden, dass sich die Winklel des zurückgeworfene Laserstrahls sich bei Verschiebung nicht
  ändern. Eine Verbogene Achse kann man nicht so leicht korrigieren

• Für die Winkelverstellung des anderen Spiegels kommen 2 Hebelübersetzungen zum Einsatz, die ein extrem feinfühliges Einstellen in 2 Richtungen ermöglicht. Eine Grobjustage erfolgt über Verschieben der Flex-Hinges an der linken Seite.
  Horizontale Verkippung: Schnecke : Z30 + Hebel 18:3, Winkelhebel 12 cm
  Vertikale Verkippung: Schnecke : Z30 + Hebel 18:3 + Hebel 12:1.5, Winkelhebel 4cm
  (Horizontal könnte man noch einen weiteren Hebel spendieren)
  Auch hier erfolgt die Verstellung beider Winkel aus dem festen Bezugssystem heraus. Dadurch wird vermieden, dass ein Verstellmechanismus auf einem bewegten Teil montiert werden muss und dadurch bei Verstellung desselben auf die Verstellung der anderen Achse Einfluss hat.

[atzensepp]

Die FT-Spiegel sind nicht schlecht. Die Interferenzmuster sind richtig kreisförmig.
Interferenzmuster erzeugt mit o.g. Aufbau.
Rote LED:

2021-03-01-rlf8.jpg (55.88 KiB) 7537 mal betrachtet

LED-Taschenlampe auf Justierelement (2 x Verschieben + 2 Mal Rotation):

LED-Rigg.jpg (128.41 KiB) 7537 mal betrachtet

Interferenzmuster dieser Lichtquelle:

2021-03-01-wlf11.jpg (57.02 KiB) 7537 mal betrachtet

Die Bilder sind mit einer Webcam gemacht. Fotografieren lassen sich die Muster mit Handy und den Cameras, die ich habe nicht gescheit.
In Wirklichkeit sieht es besser aus.

[atzensepp]

Der 3D-gedruckte Spiegelhalter (siehe früherer Post) ist ein "2 DOF fully compliant space pointing mechanism" beschrieben in:
https://www.researchgate.net/publicatio ... iscussed.

Hier ein Prinzip-Modell aus FT:

Cardanic-Positioner_C.jpg (120.44 KiB) 7437 mal betrachtet

Die Rotation um die X-Achse erfolgt über Schneckenantrieb Sx. Die Rotation um die Y-Achse über Sy.
L1 und L2 sind im festen Bezugssystem. Die Rotation um Y wird über 2 Hebel und die 2 Lager L3 und L4 vermittelt.
Wie schon mal erwähnt: Ein Vorteil ist, dass die Aktuatoren (Schneckengetriebe) beide im festen Bezugssystem montiert werden können.


Für eine Speigelverstellung taugt der Aufbau so nicht. Man müsste ihn um 90 Grad um die X-Achse kippen. Hier ist ein anderer Aufbau gefragt: Zum Beispiel L2 in die Bauplattenebene zu legen (Rotation um die Z-Achse). Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion wäre, dass die recht schwere Hebelkonstruktion, die momentan ein großes Drehmoment auf die Y-Achse erzeugt, dann in der Bauplattenebene liegen würde und damit dieses Problem verschwunden wäre.

[atzensepp]

Und noch ein kardanischer Verstellmechanismus.

2D-Cardanic-Pointing-Mechanism.jpg (113.37 KiB) 7116 mal betrachtet

Benötigt 16 Lager, der vorige nur 6.

Der erinnert etwas an die Taumelscheibe von einem Hubschrauber.
Eine tolle Konstruktion ist auch in dem Buch "Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik"
Leider fehlen mir dazu noch einige Spezialteile.

[atzensepp]

Der vereinfachte "Agile Eye Mechanismus" von der Laval-Universität wie er hier https://www.youtube.com/watch?v=191Wmn9h-GI gezeigt ist scheint mir vielversprechend zu sein.
Dies ist mein Versuch mit FT:

Agile_eye.jpg (77.83 KiB) 7076 mal betrachtet

Ich bin noch nicht zufrieden, da das Ganze doch ziemlich undhandlich ist im Vergleich zu der Version im Video.
Hat jemand Ideen, wie man das kompakter hinbekommen könnte?

[atzensepp]

Agile Eye etwas kleiner aber dafür auch wackeliger:

Agile_eye_2.jpg (75.88 KiB) 7044 mal betrachtet

Ich denke es bräuchte in FT L-Elemente mit Aufnahmemöglichkeiten von Achsen wie z.B. in
https://print.grabcad.com/library/2dof-agile-eye-1

[atzensepp]

Ich bin grad richtig im "Flow" und folgendes Modell ist zwar wieder etwas größer aber dafür stabiler. Durch den größeren Durchmesser der Drehkränze ist die Einstellung auch etwas feiner. (Wobei das für Interferometrie noch zu grob ist)

agile_eye_3.jpg (80 KiB) 7017 mal betrachtet

Hier sieht man den "Nachteil" des simplified "Agile eye Konzeptes": Man bekommt noch eine Drehung um die Achse senkrecht zur Spiegelebene, was aber bei einem "perfekten" Spiegel nichts ausmacht.

agile_eye_3b.jpg (75.47 KiB) 7017 mal betrachtet

Was noch nicht "schön" ist, ist dass man die Spiegelebene nicht auf die Achsen legen kann. Das wäre für Interferometrie schon gut, weil man bei Winkelverstellung auch den Abstand verändert.

[Harald]

Uiih, das wird ja immer toller!

Du überträgst die Drehung aber immer auf mechanischem Weg auf die Kardanschwinge. Wenn ein Antrieb auf den anderen überkoppelt, ist das mit dem linearen Gesetz "Einfallswinkel = Ausfallswinkel" nix mehr, und du musst nachregeln. Dann kannst du aber auch gleich ein anderes Übertragungsmedium nehmen, etwa einen sehr langsam laufenden (mehrfach untersetzten) elektrischen Antrieb oder irgendwas mit wassergefüllten Hydraulikzylindern.
Beim E-Motor denke ich da an die Gimbals von Drohnenkameras: da hängt ein Ballastgewicht (ersatzweise geht da auch eine Kreiselplattform ) unter einem Gelenk, das die Kamera trägt, und ein Motor verändert den Knickwinkel in der Anordnung. Die Schwerkraft erledigt den Rest.


Gruß,
Harald

[atzensepp]

Hallo Harald,

Danke für Deine Kommentare! Ein leichtes Überkoppeln kann man tatsächlich durch Nachregeln ausgleichen. Die mechanische Übertragung aus dem festen Bezugssystem heraus hat den Vorteil, dass man keine Stellschrauben oder Aktoren in einem bewegten Teil hat. Bei meinen früheren Konstruktionen war das immer so, dass bei man bei Verstellung auf dem Bewegten Teil immer automatisch ein Drehmoment auf die andere Achse bekommen hat, so dass sich der Spiegel in der anderen Achse verstellt hat. Das ist mit den mechanisch eingekoppelten Varianten besser aber nicht weg. Das Hauptproblem sind dabei unerwünschte "Freiheitsgrade" von Lagern und die Halterungen, die sich teilweise etwas verbiegen. Gerade die Modelle mit "schweren Hebeln" leiden darunter.

Das mit dem anderen Übertragungsmedium finde ich interessant.
Kann man die FT-Pneumatik-Teile auch mit Wasser sozusagen als Hydraulik betreiben? Damit müsste man doch gute Übersetzungsverhältnisse hinbekommen.

Grüße
Florian

[The Rob]

Es gibt seit letztem Jahr wieder einen Hydraulikkasten, und der nutzt normale Pneumatikzylinder mit Destwasser.
Danach sind sie aber schlechter geschmiert und müssen für den Pneumatikeinsatz nachgeschmiert werden, oder man packt sie beiseite.

[atzensepp]

Weitere Verbesserungen der Spiegelverstellung:

Mirror-Drive.JPG (109.34 KiB) 6835 mal betrachtet

• Stabilisierung
  Größere Zahnräder
  Stellräder
  Spiegelebenen näher an die Drehachsen
  (wichtig, da man doch bei der Linearverstellung die Richtung ab und zu nachregeln muss. Und wenn dann die Spiegelebene zu weit von den Drehachsen weg ist, kommt es zu einer Längenänderung, was manchmal dazu führt, dass man kein Interferenzmuster einer LED bekommt)

Dies bringt noch mal eine deutlich bessere Sensitivität bei der Winkeleinstellung.

Habe das Interferometer jetzt mit Planspiegeln (aus einem Flachbettscanner) versehen.
Hier eine Impression des Aufbaus (mit superheller LED)

Michelson-LED.JPG (72.25 KiB) 6835 mal betrachtet

(Linse f=35 mm, Abstand Linse Strahlteiler: 25cm , Abstand Linse Spiegel: 7cm, Spiegel: Aluminium-Metall (ohne Glas), Leuchtmittel: superhelle LED)
Interferenzbilder der LED:

Michelson-LED2.JPG (43.75 KiB) 6835 mal betrachtet

Michelson-LED2b.JPG (46.5 KiB) 6835 mal betrachtet

Interferenzbild der LED-Taschenlampe (Ok der Strahlteilerwürfel ist etwas dreckig):

Michelson-LED3.JPG (34.77 KiB) 6835 mal betrachtet

Ich konnte jetzt mit meiner alten Sony-Cybershot DSC-W1 ein paar schöne Interferenzbilder mit manueller Belichtungseinstellung aufnehmen (1s, Blende F10) (Vielleicht für den FT-Pedia-Beitrag):

White-light-Interference-patterns.png (414.22 KiB) 6835 mal betrachtet

Ich würde das Experiment gerne auch in der FT-Datenbank näher beschreiben. Vielleicht will es ja jemand mal nachbauen.
Alles in Allem bin ich wirklich begeistert, dass man hier Einstellungen bis in den Mikrometerbereich hinbekommt. Ich habe auch ein paar weiterführende Ideen.

[atzensepp]

Ich gebe zu: So langsam wird es obsessiv. Habe mir eine Einbaumessschraube gegönnt und ins Interferometer eingebaut:

MIF_mit_Einbaumessschraube.JPG (137.18 KiB) 6704 mal betrachtet

Für die Einbaumesschraube habe ich einen Standard-Baustein geopfert, bei dem der Zapfen abgebrochen ist.
10mm Loch gebohrt. Befestigung über Klemmung mit einem asymmetrischen Nutverbinder und einem Draht darunter. Hält sehr gut.

[atzensepp]

2 Vorderflächenspiegel

wlf_plan.jpg (85.41 KiB) 6583 mal betrachtet

FT-Spiegel, kleiner Spiegelabstand

WLF_large.jpg (108.49 KiB) 6583 mal betrachtet

[EstherM]

Lieber Florian,
ich möchte Dich doch noch einmal auf die Möglichkeit aufmerksam zu machen, die Bilder Deines Modelles in unseren Bilderpool hochzuladen.
Eine Anleitung findest Du hier: https://ftcommunity.de/fans/bilderpool/
Ich gebe zu, dass ich in dieser Angelegenheit parteiisch bin, aber ich bin fest davon überzeugt, dass auf längere Zeit gesehen die Webseite für Modellvorstellungen ein geeigneterer Ort ist als das Forum, in dem die Bilder irgendwann nicht mehr gut zu finden sein werden.
Wenn Du Bilder schickst, beachte bitte, dass es bei den Mails eine Größenbeschränkung gibt. Außerdem sollten die Bilder sinnvollerweise nicht allzu groß sein (nicht größer als max. 4096 Pixel in jeder Richtung, 1 MB Dateigröße.), damit für die Leser das Laden der Seite nicht allzulange dauert.
Gruß
Esther

[atzensepp]

Hallo Esther,

ich habe Euch ein Archiv mit Bildern geschickt.
Zudem sind sie einstweilig auf Evernote freigeschaltet:
https://www.evernote.com/shard/s87/clie ... hertechnik