Ať už se jedná o tříbodové kinematické držáky nebo jiné formy, jako jsou ohybové nebo gimbalové držáky, držáky tip/tilt jsou nezbytné pro mnoho optických sestav.
Zobrazit galerii obrázků
Pokud by se nějaký typ optického držáku určený pro laboratorní experimenty dal nazvat „ikonický“, byl by to kinematický optický držák tip/tilt, který se nejčastěji používá spolu s plochým zrcadlem pro řízení paprsku. Vzhledem k optickému stolu, laseru nebo dvěma, vědci nebo inženýrovi a myšlence, která se převádí (nebo v tomto případě rotuje) do reality, tam určitě bude alespoň několik kinematických držáků připevněných ke stolu. .
I když jsou k dispozici jak manuální, tak motorizované kinematické držáky, manuální verze nejpříměji demonstruje formu a funkci kinematického držáku. V takovém zařízení (které může mít mnoho velikostí, aby se vešlo na velkou nebo malou optiku), je zrcadlo nebo jiná optika připevněna k pohyblivé desce, která je zase kinematicky připevněna k pevné části sestavy, což umožňuje polohu optiky úhlově nastavitelné ve dvou ortogonálních směrech (často nazývané tip/tilt).
Tříbodové „kinematické“ spojení mezi pevným a pohyblivým dílem se skládá z otočného bodu a dvou šroubových ovladačů umístěných vzájemně vůči otočnému bodu pod úhlem 90°, aby bylo zajištěno ortogonální nastavení. Otočným bodem může být třetí šroub, který umožňuje také translační nastavení zrcadla. Pevná část držáku se běžně přišroubuje k optickému sloupku, který lze sám napevno připevnit ke stolu.
Mezi další typy optických držáků tip/klopení patří ohybové držáky, které používají ohyby jako omezení, a kardanové závěsy, které obsahují ortogonální čepy a jsou často motorizované.
Kuželové, drážkové a ploché omezovací systémy
Kromě počátečního vyrovnání laserových paprsků „kinematické držáky také umožňují uživateli přizpůsobit se změnám v laserovém ukazování v dlouhodobém provozu, navíc korigují boresight a zaklínění v optických prvcích v celém optickém nastavení,“ říká Ra’ef Mikhail , manažer produktové řady laserové optiky ve společnosti Edmund Optics (Barrington, NJ), která vyrábí ruční i motorizované kinematické držáky mnoha velikostí.
„Když jsem pracoval v naší výzkumné a vývojové laboratoři, kinematické držáky byly v našich laserových experimentech nepostradatelné,“ říká Michail. „Při dlouhodobém provozu našich laserových systémů se často změní směr paprsku jen nepatrně, což způsobí, že celý optický systém vypadne ze zarovnání. Protože je však běžnou praxí použití dvou kinematických držáků na hlavě laseru, byli jsme schopni přesně řídit směr a výšku našeho laserového paprsku a provést drobné úpravy, abychom zajistili, že náš systém zůstane zarovnaný pro naše přesné aplikace.»
Kinematické držáky TechSpec společnosti používají klasický systém kužele, drážky a plochého omezení (viz obr. 1). Mechanické systémy jsou klasifikovány podle počtu přítomných stupňů volnosti. „3D tuhé těleso má šest nezávislých stupňů volnosti včetně translace dovnitř x, y, a za rotace v Rx, Rya Rz, také známý jako vybočení, sklon a rolování, v tomto pořadí,“ vysvětluje Michail. „Montáž je považována za kinematickou, pokud jsou všechny stupně volnosti plně omezeny. Seřizovací šrouby obsahují na konci šroubu kulový hrot, který se dotýká každého bodu na kinematické desce. Kuželový kontakt omezuje všechny translační stupně volnosti (x, y, z). Kontakt drážky omezuje obě rozteče (Ry) a rolovat (Rz) rotační stupně volnosti. A konečně plochý kontakt omezuje vybočení (Rx).”
Mikhail dodává, že kinematické držáky TechSpec také zahrnují užitečné vlastnosti, jako jsou odnímatelné krytky palce, které zabraňují nechtěným změnám v nastavení, zajišťovací šrouby s nylonovou špičkou, které zabraňují poškození optiky, a prohlubně pro prsty pro usnadnění montáže optických prvků bez kontaktu s přesnou optikou. povrchy. Typický úhlový rozsah špičky/náklonu je ±5°, s úhlovým rozlišením (na základě otočení o 0.25 mm) 0.2°, citlivostí (založeno na otočení o 1°) 4 úhlové sekundy a tepelnou a směrovací stabilitou
Seřizovače s nejvyšším počtem TPI poskytnou nejlepší citlivost pro uchycení zrcátka,“ říká Sebastian. “Po mnoho let měly nejlepší seřizovací šrouby pouze závit 100 TPI, ale v poslední době se tato hodnota více než zdvojnásobila.” Například držáky zrcátek řady Newport SX100 používají seřizovací prvky se stoupáním závitu 254 TPI.
Retence optiky bez epoxidů
Některé z běžnějších oddělovačů pro kinematický držák zahrnují počet a typ aktuátorů, velikost optiky a tvar, který může být umístěn, jak je optika zachována, optomechanické montážní prvky a materiál, vysvětluje Brett D’Alessio, hlavní inženýr pro Polaris. produktová řada v Thorlabs (Newton, NJ). „Nejběžnější aplikací pro kinematický držák je řízení paprsku, ale některé specializované kinematické držáky Thorlabs byly navrženy pro jiná použití, jako je vyrovnání retardéru tak, aby byl kolmý ke směru optického šíření, nasměrování paprsku a vyrovnání optických vláken, ” on říká.
V roce 2009 Thorlabs zahájil program navrhování a výroby produktové řady kinematických držáků pro náročné aplikace, které by normálně vyžadovaly montáž na míru, říká D’Alessio, výsledkem je řada Polaris.
„Některé z prvních výzev v programu se zabývaly pochopením toho, jak výběr materiálu ovlivnil výkon držáku; například tvrzená ocel, karbid, safír a další materiály byly uvažovány pro sedla kinematického ovladače,“ poznamenává D’Alessio. „Testování zahrnovalo standardní obavy, jako je životnost, ale také se zabývalo tím, co se stalo, když byla teplota držáku cyklována nebo byl systém vystaven impulsní síle. Schopnost pohonu vrátit se do své původní polohy po rozrušení je vysoce závislá na tvrdosti a hladkosti povrchu.» Bylo zjištěno, že safírové vložky optické kvality poskytují nejlepší celkový výkon, a proto jsou standardem u držáků Polaris.
Další klíčovou vlastností výkonu je zachování optiky. Na začátku programu Thorlabs konzultoval špičkové uživatele v průmyslu a akademické sféře o jejich zkušenostech a frustracích ohledně použití kinematických optických držáků. Jednou z opakujících se odpovědí bylo, že přiměřený výkon vyžadoval upevnění optiky k držáku epoxidem. Tyto informace vedly k rozsáhlému úsilí navrhnout a otestovat retenční mechanismus v optické montáži, což je činnost, která stále pokračuje o šest let později. V současné době existují v řadě Polaris dva retenční mechanismy, říká D’Alessio. První je ohybový zámek a druhý využívá (patentovaný) přídržný kroužek a kombinaci vlnové pružiny. Oba mechanismy umožňují uživateli dosáhnout výkonnostních specifikací držáku bez použití lepidla k zajištění držáku.
Inženýrské výzvy k vytvoření laseru pod 10 fs schopného tisíce hodin bezúdržbového provozu jsou značné, poznamenává Peter Fendel, vedoucí laserové divize Thorlabs, který upgradoval držáky v dutině laseru Octavius Ti:Sapphire. na optické držáky třídy Polaris (viz obr. 3). Laserové dutiny s uzamčeným režimem jsou velmi citlivé na nesouosost a lasery Thorlabs musí odolávat extrémním teplotním rozdílům často přesahujícím 10 °C, zejména během přepravy; držáky laseru musí být také vyrobeny z materiálů s nízkým uvolňováním plynu, aby se zabránilo kontaminaci optiky dutiny.
Flexure úchyty
Dalším přístupem k dosažení nastavení špičky/sklonu je použití držáku, který je založen na ohybech spíše než na obvyklých kuželových, drážkových a plochých omezeních kinematického držáku (viz obr. 4). V tomto případě může být celý držák vyroben z jednoho kusu kovu, přičemž zůstanou dvě tenké oblasti, které slouží jako ortogonální závěsy. Tento přístup zvolila společnost Siskiyou (Grants Pass, OR), která vyrábí kinematické i ohebné optické držáky.
„Naše monolitické ohyby vynikají tam, kde je třeba minimalizovat posun,“ říká Mark Mittelstaedt, západní regionální manažer prodeje ve společnosti Siskiyou. «Teplo snadno proudí součástí a monolitický design eliminuje vestavěná napětí. Kinematika a ohyby jsou k dispozici ve verzích s horním nastavením pro těsné uspořádání, s hnacím mechanismem (patentováno), který neaplikuje rotační moment na montážní povrch optiky. Horní nastavitelný design umožňuje menší půdorys a dostupnost v terénu.» Ohebné držáky jsou k dispozici v hliníku a poniklované oceli.
Siskiyou také vyrábí kinematické montáže; spíše než konvenční montáž optiky pomocí seřizovacích šroubů, která může optiku deformovat, používají montážní spony, které podle Mittelstaedta eliminují náklon, snižují zkreslení čela vlny a poskytují bezpečnější upevnění pro optické systémy v náročných prostředích. Mnoho držáků Siskiyou má v základně kapsy na kolíky, které eliminují nechtěnou rotaci, dodává.
Gimbals pro malou variaci délky dráhy
Některé optické systémy vyžadují extrémní přesnost ve všech jejich upevněních, ale mnoho jiných systémů si vystačí s méně drahými úchyty. Qioptiq (Göttingen, Německo) vyrábí oba typy; držáky Lees společnosti jsou „prémiovou“ řadou, zatímco držáky LINOS Adjust.X jsou levnější. Protože držáky Adjust.X s integrovanými základními deskami mají rozměry kompatibilní s držáky Lees, lze je kdykoli bez problémů upgradovat.
Optické držáky Lees mají jemné seřizovací šrouby, které jsou speciálně broušeny pro vzájemné přizpůsobení s co nejmenší vůlí, protilehlé povrchy ze safíru a speciální mazivo, říká Olaf Meyer je obchodním manažerem produktového katalogu LINOS ve společnosti Qioptiq (Göttingen, Německo). Tyto držáky mají držák s otevřenou deskou a jsou vhodné pro použití v laserových zařízeních, interferometrech a složitých laboratorních nastaveních optických stolů, říká Meyer. Adjust.X má buď otevřenou nebo uzavřenou montážní desku; příkladem aplikace pro tyto držáky jsou laserové spektrometry, poznamenává Meyer.
„Nastavovací šrouby pro držáky Lees jsou vyrobeny z nerezové oceli v pouzdrech z fosforového bronzu a mají se za to, že mají nejlepší rozlišení, jaké je dnes k dispozici,“ říká Meyer. „Byli jsme první, kdo nabídl safírovou technologii pevných sedadel. Tato sedadla jsou tak pevná, že je známo, že fungují bezchybně, i když držák spadne. Technologie Sapphire byla zvolena pro svou tvrdost, na druhém místě po diamantu, a leštěný povrch v optické kvalitě.»
Qioptiq také poskytuje sadu držáků pro speciální úkoly; držáky zrcátek jsou určeny pro aplikace, kde je omezený prostor nebo kde je nastavení optiky možné pouze shora. Jedním příkladem je použití ve vysoce výkonných laserových aplikacích, kde může být zarovnání optiky na úrovni paprsku nebo pod úrovní paprsku škodlivé. U těchto typů držáků jsou seřizovací šrouby namontovány nahoře, vysvětluje Meyer. Pro rozlišení mezi seřizovacími šrouby pro osy náklonu a rozteče jsou šrouby barevně odlišeny.
Společnost také dělá držák zrcátka gimbal; u tohoto držáku je povrch zrcadla ve středovém bodu vždy v bodě otáčení zrcadla, čímž se zabrání translačnímu pohybu bodu otáčení během nastavování špičky/náklonu. Kardanový držák má také 360° hrubý úhlový posun, stejně jako mikrometrický pohyb a jemný úhlový posun.
„Jako mazivo používáme maziva Krytox, která mají tlak par 8 x 10-8 až 6 x 10-9 Torr při 30 °C, podle Du Ponta, a proto je nepravděpodobné, že by odplynovaly vaši drahou optiku,“ dodává Meyer. . «Krytox má také vysoký stupeň chemické inertnosti a vynikající odolnost proti oxidaci. Proto si nastavovací šrouby zachovají svůj původní hladký pocit při každodenním, měsíčním nebo ročním používání.»
Další společností, která vyrábí držáky kardanových zrcátek, je OptoSigma (Santa Ana, CA); jejich dvouosé 360° kardanové struktury mohou nasměrovat odraznou plochu zrcadla v libovolném směru bez omezení (alespoň do téměř nulového dopadu, kdy by rám držáku zrcadla začal blokovat paprsek).
S gimbalem lze kombinovat dva typy mechanismů jemného nastavení: gimbal s jemným úhlem, který způsobuje minimální odchylky délky optické dráhy, nebo kinematické jemné nastavení, které způsobuje určité odchylky v délce dráhy, ale má stabilnější teplotu a dlouhodobě charakteristikami (a je tak vhodnější pro použití v laserových dutinách).
Řízení velmi velkých zrcátek
Aerotech (Pittsburgh, PA) vyrábí gimbaly a další optické držáky, které mohou poskytnout zrcadlové buňky o průměru přesahujícím 600 mm; buňky se zrcadlovými buňkami jsou k dispozici s různými tvary a možnostmi uchycení pro přizpůsobení vlastnímu užitečnému zatížení, říká Tom Markel, vedoucí skupiny z výzkumné, letecké a obranné skupiny Aerotech.
Kardanové závěsy jsou vyráběny buď s bezkomutátorovými, bezdrážkovými servomotory s přímým pohonem, nebo jsou poháněny převody pomocí bezkomutátorových rotačních motorů. Jsou navrženy tak, aby poskytovaly rotaci azimutu a elevace o 360°, případně mohou mít omezené dráhy v závislosti na aplikaci. Optické držáky Aerotech používají patentovaný ruční pohon s podobloukovým rozlišením k umístění velké, těžké optiky nebo jiných součástí.
„Běžné aplikace našich gimbalů zahrnují optiku, laser, anténu a polohování senzorů pro přesné úhly zaměřování, test a kalibraci raketového vyhledávače, lidar, elektrooptické senzory a testování FLIR, sledování vzdušných cílů, optické testování vesmírných senzorů v vakuové a úhlové testování inerciálních senzorů, jako jsou gyroskopy, MEMS, akcelerometry a inerciální referenční jednotky,“ říká Markel. “Obvyklé aplikace našich optických držáků zahrnují velké projekty výzkumu a vývoje v oblasti fúze a vysoce výkonných laserů díky jejich vynikající tepelné stabilitě a rozlišení pod obloukové sekundy.”
Kardanové závěsy Aerotech řady AMG se používají při řízení paprsku, sledování cíle a hvězdy, testování gyroskopů a inerciálních senzorů a elektrooptické kalibraci hledačů, senzorů a optiky, poznamenává Markel. „AMG kardanové závěsy používají bezdrážkové bezkomutátorové servomotory s přímým pohonem, které poskytují vysokou přesnost, nulové vibrace převodů, nulovou ztrátu přesnosti opotřebení převodů, nulovou vůli, rychlé sledování a pohyb elevace a azimutu s nízkými nároky na údržbu,“ dodává. “Motory s přímým pohonem mají za následek vysoce stabilní, plynulé a přesné polohování, což je zvláště důležité ve výzkumu a obranných aplikacích.” Přesnost je ±5 úhlových sekund, opakovatelnost je ±0.5 úhlových sekund a rozlišení je 0.027 úhlových sekund.
Pro více informací
Mezi společnosti uvedené v tomto článku patří:
