Laserový interferometr za deset korun

[Lojza1]

Než se rozepíšu o podrobnostech, dávám do fóra fotografii modelu mého inerferometru. Zdrojem světla je laser z Číny v přepočtu za 4 Kč. Dalším rovněž relativně drahým dílem je mikroskopické sklíčko.
Na projekční ploše je dolní referenční řada interferenčních proužků, v horní řadě se proužky posunují se změnou vzdálenosti mezi větší skleněnou tabulkou v popředí a odraznou plochou před (na fotce za) ní.
Nemáte někdo tip, jak posunování proužků snímat k vyhodnocení pohybu? Ten obrazec není nějak špičkový, ale snad by se z něj něco o tom pohybu vyčíst dalo.
Ideální by byla čočka s odpovídajícím reliéfem, která by proužky v různých polohách sestavy promítala na několik fotodiod. Ale nevím, jak takovou čočku získat. Uvažoval jsem i o na okraji spájené sestavě pozlacených drátků jako zrcadlo. Ale to je dost nouzová možnost.

[HF_Tech]

Uspokojivě funguje kamera s velkým čipem bez objektivu. Proužky se nechají promítat přímo na snímací čip. Pak by šel použít lineární CCD ze skeneru, ale neumím si představit, kolik by dalo práce to naprogramovat.

[Zaky]

Číst lineární CCD zase tak moc práce naprogramovat nedá. Jistá Toshiba se i dá koupit za pár korun a je k ní bez problémů dostupný datasheet. https://www.aliexpress.com/item/1005005240094495.html

[Zaky]

Číst lineární CCD zase tak moc práce naprogramovat nedá. Jistá Toshiba se i dá koupit za pár korun a je k ní bez problémů dostupný datasheet. https://www.aliexpress.com/item/1005005240094495.html

[Lojza1]

Tak jasně, ale aby to mělo nějaký smysl, musí to být hodně rychlé. Takže plošné CCD nepřipadá v úvahu a lineární možná, ale jako kanón na vrabce a beztak ne moc rychlé. Ono by se dost informace mělo zpracovat už v optice. Vezměte si, jak rychle tam ty proužky mohou běhat.
Já jsem se na lineární čipy už dříve kvůli tomu díval. Snad by mělo smysl uvažovat o jednoduché válcové čočce, která by řadu proužků ztenčila. To CCD by ale nemělo být moc dlouhé a mělo by mít hodně malé rozlišení kvůli rychlosti čtení. Tenkrát jsem podle očekávání nic vhodného a levného neviděl a opravdu mi to připadá jako nepřiměřené zadanému úkolu, když jde jen o to získat tři nebo čtyři analogové signály, ze kterých se dá vyčíst poloha a pohyb.
K tomu mám dvě nereálná řešení. Tu zmíněnou reliéfní čočku nebo zrcadlo a speciální zakázkovou fotodiodu s více elektrodami a s proužkovou strukturou uvnitř, což je vhodnější varianta k plošnému CCD. Ale to světlo jde určitým směrem a soustředit ho na menší plošky čočkou nebo zrcadlem je v principu lepší.
Asi nejméně nereálné pro pokusy mi připadá vyrobit jako nějaký sendvič sešroubovaných plátků reliéfní plochu, takto ji vyleštit a na té třeba galvanoplasticky vyrábět zrcadla. Možná z mědi a pak je pozlatit. Odlévat čočky by se asi také dalo, snad z nějakého epoxidu, ale asi by se pak musela zabrousit a zaleštit hladina. Nebo do toho epoxidu rovnou zalít i ty fotodiody. Tím by odpadly zbytečné dielektrické odrazy na rozhraních vzduch - průhledný plast a neměl by se tam na čem usazovat prach. Ale muselo by to být předem přesně navržené bez možnosti prostorového doladění. Co vyrobit sendvičovou šablonu a přes silikonovou formu ji kopírovat do epoxidu? Uměl by to někdo?
Nebo nějakou velice precizní frézu opět jako sendvič, s ní vykrojit řadu proužků do organického skla a nějak zaleštit.

[Dorota]

Možná blbej nápad, ale co takhle snímač z optické myši?

[Lojza1]

To vůbec netuším. Nevím, co se tam používá a jak se pohyb vyhodnocuje. Není tam plošné CCD nebo CMOS? Myš rychlá je, ale interferenční proužky mohou běhat opravdu velice rychle.
Principiálně by asi vhodným řešením bylo tu proužkovou strukturu promítnout na 3 nebo 4 fotodiody. Už i proto, že by se optikou zredukovala snímací plocha a tím i poměr užitečné informace k šumu.
Tyto laserové diody je dobré budit co nejkratšími impulsy s optimálním proudem. Kontinuální buzení je cestou k rychlému zničení, protože se struktura při potřebném proudu neuchladí. Délce impulsu odpovídá míra získané informace, ale i teplota struktury a tím i rychlost stárnutí. Pro stimulovanou emisi je nutný minimální proud, při kterém se oscilátor rozkmitá. Tedy nějaká mezní míra inverzní populace. Během růstu proudu rozkmitáním oscilátoru téměř skokově značně stoupne kvantová účinnost a od spojitého peaku spektrum přejde do čáry. Při nadměrném proudu je stimulovaná emise až moc ochotná a spektrální čára se rozšíří o oblasti vzdálenější od přesné rezonanční frekvence.
V tomto uspořádání interferometru je vnější rezonátor (odrazná ploška na pravé straně fotografie), který podporuje stimulovanou emisi a zaostřuje spektrální čáru. Nejlepšího interferenčního obrazce lze dosáhnout dobrým naladěním rezonátoru a vhodným proudem nízko nad hranicí stimulované emise. K nastavení proudu by ve zpětné vazbě měla sloužit intenzita spodního referenčního řádku proužků. K manuálnímu naladění rezonátoru pak hlavně ostrost proužků v dolním řádku, protože proužky vznikají interferencí dvou svazků s mírně rozdílnou délkou dráhy. Obdobně se zaostřením spektrální čáry i rozšíří použitelný rozsah vzájemného pohybu snímané plochy a předsazené referenční odrazné plochy.
Takže v sekci o nářadí to je nejen kvůli potenciálnímu využití pro přesnější obrábění, ale i protože potřebná optika by přesným obráběním asi mohla vzniknout.

Nechtěl by někdo zkusit vyrobit přes silikonovou formu epoxidové čočky s integrovanými fotodiodami, jak jsem nastínil výše? Třeba s trojicí něčeho jako
https://cz.farnell.com/vishay/temd7000x01/photo-diode-60-deg-c-smd/dp/3880936
nebo
https://cz.farnell.com/ams-osram-group/sfh-2716/photo-diode-620nm-0805/dp/2981722RL
Mne by to samotného moc lákalo, ale asi se k tomu přes jiné projekty dostanu až tak za 130 let.

Přidávám pro ilustraci fotografii náhradního zubatého kolečka do magnetofonu Grundig CR100. Je odlité z Epoxy 1200 přes silikonovou formu, ale měl jsem tady jen dvousložkový zalévací silikon, k tomuto účelu ne moc vhodný, měkký a křehký. Forma vznikla postupným přiodléváním zbytků původního kolečka. Pro odlévání do silikonu jsem formu s epoxidem dvakrát ohřál v peci, aby nebyl viskózní, v exsikátoru jsem z něj vysál bublinky a zavzdušněním jsem jej natlačil do formy. Hladina je zabroušená do roviny. Myslím si, že s vhodnějším silikonem by mohla vzniknout použitelná čočka.

[kulikus]

Čočka jde myslím odlít na blánu nataženou přes kruhový rám. Jejím prohnutím vzniká konkávní plocha vhodného tvaru.
Na Týdnu vědy v Letňanech ukazovali pěkné experimenty učenci z ELI právě s plastovou optikou a barevnými lasery (lom, barevná difrakce, atd.).
Odlité čočky a rozptylky byly řízlé v rovině optické osy, držely na magnetické tabuli, na které byla dobře vidět i dráha barevných laserových paprsků (červený, zelený, bílý) jdoucích v rovině tabule, takže se s tím dalo experimentovat bez dalších nástrojů. Skládat spojky, rozptylky, hranoly, natáčet je a vyosit, .... Výborná edukační pomůcka.

[Lojza1]

Díky za zajímavý námět.
Tady si ale představuji jako šablonu pro silikonovou formu sestavu asi nerezových planžet s oblým okrajem ve tvaru kuželových ploch, v sestavě na sebe na hranách navazujících, aby se sestava proužků ve třech (čtyřech) základních pozicích promítala na tři (čtyři) fotodiody. Prostě tři (čtyři) navzájem proložené jednostranné konvexní čočky, ale namísto sférických ploch by pro snadnější obrábění celkem stačily na jednotlivých planžetách plochy kuželové. Střední poloměr zaoblení hran v rovině planžety spíše konstantní, aby na sebe hrany mezi planžetami lépe navazovaly i za cenu mírného rozostření projekce. Ty fotodiody tak jako tak mají nějakou aktivní plochu a optika tak jako tak nebude dokonalá. Bylo by třeba promyslet nejvhodnější kompromisy a podle nich ty kuželové výseče vypočítat.

[Lojza1]

Jiný nápad pro asi snadnější řešení, spíše pro experimenty a jednotlivé realizace. Koupit plastovou konvexní čočku. Z jedné strany ji zarovnat a do roviny vyfrézovat resp. vybrousit a vyleštit strukturu rovnoběžných drážek s odpovídajícím profilem, aby se na těch drážkách projekce rozdělila do tří nebo čtyř ohnisek.
Nebo použít běžnou konvexní čočku a těsně za ni umístil kvádr s integrovanými fotodiodami, na čelní straně s odlitou strukturou rovnoběžných drážek. To vypadá jako řešení nejrychlejší a v principu nejméně dobré. Planžety pro výrobu šablony by se daly broušením a leštěním s trochou šikovnosti a pečlivosti připravit i jen ručně, bez nějakého dražšího vybavení a přípravků.
Další nápad, úplně nejsnáze realizovatelný - horké razidlo sestavené z planžet zatlačit do povrchu destičky z organického skla. Použít na pokusy v sestavě s konvexní čočkou a sadou fotodiod. Představu razidla jsem načrtnul v Malování. Byla by to jediná planžeta s obroušeným a zaleštěným okrajem, nařezaná na proužky a sestavená do sendviče.

[Lojza1]

Ještě objasním, k čemu by takový interferometr mohl být dobrý. Původně jsem uvažoval, jak by se dalo podomácku sestrojit přesné souřadnicové vedení. Představoval bych si celkem solidní ocelovou kolej a vedle ní přesnou a kalibrovanou skleněnou kolej. Po ocelové koleji, třeba po přesné kulatině, by jel vozík s kuličkovými ložisky z více stran té kulatiny. Skleněné koleje vyříznuté z tabulek floatu, zpevněné slepením do profilu I a ukotvené na koncích v konstrukci by přitom byly snímány interferometry spojenými s vozíky a podle informací z nich by se korigoval pohyb všech vozíků.
Pro samotný posuv bych si představoval hnací závitovou tyč a vedle ní kalibrovanou referenční závitovou tyč, opět s interferometrem pro vyhodnocení a dorovnání odchylky. Samozřejmě to je levná náhražka laserového posuvu, ale pro méně fajnové aplikace by stačilo použít drahý laser jen pro kalibraci.

[kulikus]

Co pužít hlavu z CD-ROM mechaniky? Máš tam všechno pohromadě.

[Lojza1]

[kulikus]

V té hlavě je i vícekvadrantová fotodioda, tedy to co sháníš. Je to hotový interferometr.

[Artaban001]

Ahoj. ono něco podobnýho funguje i u laserových dálkoměrů, nebo u reflexních optických závor. Laserový paprsek jde z optické jednotky zářiče a po odrazu jej optika usměrní na nějaký snímač - podle polohy paprsku na snímači se určuje vzdálenost. Když jsem rozebral pár nefunkčních optozávor "Sick", tak na přijímací straně byl nějaký podlouhlý snímač v měděným pouzdře. Optozávora uměla reagovat do přesně nastavené vzdálenosti.

[Cust]

Já teď řeším měření difrakce na mřížce. Zatím největší problém není s čočkou, ale s možnostmi ostření a nestabilitou čínských laserových diod. Ta nestabilita to celé posílá do kytek. Každopádně, jsem ochoten spolupracovat - ty vyrobíš kvalitní čočky, já dodám pozdro pro laser diodu. Pokud by jsi měl zájem, tak mám vyrobené i měření - teď to potřebuju doladit s tím, že se musí monitorovat laser, protože kolísání výkonu je příšerné. Tedy alespoň to co jsem používal jako moduly z GMe. vykuchal jsem driver a použil svůj...

[Cust]

Já teď řeším měření difrakce na mřížce. Zatím největší problém není s čočkou, ale s možnostmi ostření a nestabilitou čínských laserových diod. Ta nestabilita to celé posílá do kytek. Každopádně, jsem ochoten spolupracovat - ty vyrobíš kvalitní čočky, já dodám pozdro pro laser diodu. Pokud by jsi měl zájem, tak mám vyrobené i měření - teď to potřebuju doladit s tím, že se musí monitorovat laser, protože kolísání výkonu je příšerné. Tedy alespoň to co jsem používal jako moduly z GMe. vykuchal jsem driver a použil svůj...