Крепление зеркала

Два кинематических крепления зеркала с зеркалами.

Крепление для зеркала — это устройство, которое удерживает зеркало . ^[1] В исследованиях оптики это могут быть довольно сложные устройства из-за необходимости иметь возможность наклонять и наклонять зеркало на контролируемую величину, сохраняя при этом его в точном положении, когда оно не регулируется.

Крепление оптического зеркала обычно состоит из подвижной передней пластины, удерживающей зеркало, и фиксированной задней пластины с регулировочными винтами. Регулировочные винты приводят в движение переднюю пластину вокруг осей вращения по тангажу (вертикальному) и рысканию (горизонтальному). Дополнительный третий привод часто обеспечивает перемещение по оси Z. ^[2]

Прецизионные крепления для зеркал могут быть довольно дорогими, и их конструкция требует значительных инженерных усилий. Такие сложные крепления часто требуются для лазеров , интерферометров и оптических линий задержки .

Виды крепления зеркала

Кинематическое крепление, демонстрирующее часть механизма.

Наиболее распространенным типом крепления зеркала является кинематическое крепление. ^[3] Этот тип крепления спроектирован по принципу кинематической определенности . Обычно подвижная рама, удерживающая зеркало, поворачивается на шарикоподшипнике , который устанавливается в отверстие неподвижной рамы. В идеале это отверстие должно быть трехгранным (пирамидальным). Часто используют коническое отверстие из-за более простого изготовления. Рама поворачивается с помощью двух микрометров или винтов с мелкой резьбой , оснащенных стальными шарикоподшипниками. Один из этих шарикоподшипников опирается на V-образную канавку, другой — на плоскую поверхность. На более дешевых креплениях плоская поверхность может быть просто материалом крепления. В более дорогих креплениях плоская поверхность (а также, возможно, отверстие и V-образная канавка) могут быть изготовлены из гораздо более твердого материала (часто сапфира ) и вставлены в оправу.

Причина этого странного механизма в том, что первый шарик (в идеале) соприкасается с неподвижной рамкой ровно в трёх точках, второй — в двух, а третий — всего в одной. Эти шесть точек контакта точно ограничивают шесть степеней свободы движения подвижной рамы. Это приводит к точному перемещению рамы при вращении микрометров или винтов без ненужных колебаний или трения.

центр зеркала перемещается вдоль своей нормальной Недостатком кинематических креплений является то, что при вращении зеркала оси. Это связано с тем, что центром вращения является середина первого шарикоподшипника, а не центр зеркала. Для оптических резонаторов и интерферометров часто желательно иметь возможность выравнивать зеркала отдельно от регулировки длины резонатора. Для этих и других приложений требуется более сложное крепление.

Одним из способов устранения этого перемещения вдоль оси является установка первого шарика также на винт с мелкой резьбой. При соответствующей регулировке всех трех винтов зеркало можно наклонять в любом направлении без смещения. Винты могут приводиться в движение двигателем под управлением компьютера, чтобы оператору это казалось простым вращением вокруг виртуальной точки поворота в центре поверхности зеркала. Вместо этого сдвиг можно устранить механически, используя карданное крепление, в котором используются два кольца, каждое из которых вращается вокруг линии, проходящей через центр зеркала. Это дает кинематически правильное двухосное вращение вокруг центра зеркала.

При использовании обоих типов крепления необходимы пружины, чтобы удерживать раму прижатой к шарикоподшипникам, за исключением случаев, когда крепление предназначено для использования только в положении, при котором сила тяжести будет удерживать раму на месте. Следуя консольному принципу, большое крепление обеспечивает более точное управление, чем меньшее. Рамы в идеале изготавливаются из легкого материала, чтобы сделать резонансную частоту конструкции высокой. Это снижает вибрацию, поскольку многие распространенные источники вибрации имеют относительно низкую частоту. Для устойчивости неподвижная рама поддерживается жестким креплением, надежно прикрепленным болтами к опорной поверхности. В лабораторных условиях это обычно оптический стол . Удар может привести к смещению крепления от шарикоподшипников, но поскольку жестких контактов всего 6, зеркало вернется в исходное положение, сохранив выравнивание.

Само крепление должно исключать деформацию установленной оптики. Напряжение при монтаже может привести к аберрации света, отраженного от зеркала, или к фотоэластичности внутри линзы. В некоторых лазерах зеркала должны быть легко заменены, и в этом случае крепление должно быть спроектировано так, чтобы зеркало можно было снимать и заменять без потери правильного выравнивания.

Операция

Винты с мелкой резьбой демонстрируют скользящее и залипающее поведение ; при использовании вручную крутящий момент прикладывается двумя пальцами до тех пор, пока нить немного не соскользнет, затем новое положение считывается по шкале. Недорогие винты скользят долго и не имеют шкалы. Прецизионные микрометры работают лучше и имеют шкалу для справки. При дистанционном использовании электродвигатель используется для подачи коротких импульсов крутящего момента. Двигатель прочно соединен с винтом и резьбой и ничем больше, так что импульс поглощается трением. Для электронного считывания положения поворотный энкодер прилагается . Когда шарик не полностью отцентрирован на винте и ось не перпендикулярна поверхности зеркала (что является явной особенностью некоторых удобных креплений для зеркал), на линейное перемещение накладывается небольшое синусоидальное движение зеркала, которое контроллер мог бы компенсировать. Для аналогового точного управления (5 нм) пьезоэлементы в мобильную рамку встроены .

Приложения

Торцевые зеркала резонатора лазера требуют очень точной центровки. Из-за низкой расходимости лазерных лучей необходимы точные направляющие зеркала. Для быстрого прототипирования на оптическом столе можно использовать крепления для зеркал, чтобы удерживать и другие элементы, помимо зеркал, например, линзы часто необходимо выравнивать для минимальной комы . Иногда призмам требуется выравнивание только по двум осям, и их можно установить на зеркальном креплении, а не на трехосном столе призм.

Кристаллы с критической фазовой синхронизацией можно точно выровнять и настроить с помощью стандартного крепления зеркала. То же самое справедливо и для малых эталонов , замедлителей и поляризаторов . Кроме того, крепления зеркала с использованием магнитов вместо пружин позволяют снимать мобильную раму, а затем устанавливать ее точно в том же положении.

Связанные устройства

Хотя вращение может быть достигнуто с помощью полукарданного крепления, большинство ступеней вращения не разработаны на основе принципов кинематической детерминированности.
Подшипник линейного перемещения или линейная ступень, имеющая кинематическую определенность, использует две V-образные канавки, скользящие по цилиндру, плоскую поверхность, скользящую по второму параллельному цилиндру, и плоскую поверхность, соединяющую винт.
Шестиногий, известный по авиасимуляторам, обеспечивает движение с шестью степенями свободы. Для кинематической определенности каждая опора состоит из шарика, установленного в трехгранном отверстии неподвижной рамы, шара, соединяющего плоскую пластину в неподвижной раме, и шара, соединяющего трехгранное отверстие в подвижной раме. Подвижная часть ножки соединена нитью, проходящей в резьбу неподвижной части.
Винтовое резьбовое соединение имеет такую же кинематическую определенность, как и любой другой подшипник вращения .
Шарикоподшипник . и цилиндрический роликоподшипник переопределены, поскольку имеют больше точек контакта, чем требуется для кинематической определенности Это приводит к снижению точности по мере износа соединений.
Изгибный подшипник и пьезоэлектрический элемент обеспечивают более высокую точность, чем другие механические подшипники.

См. также

Ссылки

^ «Инфографика креплений для оптических зеркал» . Ньюпорт.com . Проверено 18 сентября 2017 г.
^ «Руководство по установке оптического зеркала» . Архивировано из оригинала 18 октября 2017 г.
^ «Кинематические крепления» . Архивировано из оригинала 15 января 2010 года . Проверено 1 февраля 2010 г.

[1] «Инфографика креплений для оптических зеркал» . Ньюпорт.com . Проверено 18 сентября 2017 г.

[2] «Руководство по установке оптического зеркала» . Архивировано из оригинала 18 октября 2017 г.

[3] «Кинематические крепления» . Архивировано из оригинала 15 января 2010 года . Проверено 1 февраля 2010 г.

[1]

[2]

[3]