Un soporte de espejo es un dispositivo que sostiene un espejo . [1] En la investigación de la óptica , estos pueden ser dispositivos bastante sofisticados, debido a la necesidad de poder inclinar e inclinar el espejo en cantidades controladas, mientras se mantiene en una posición precisa cuando no se está ajustando.
Un soporte de espejo óptico generalmente consta de una placa frontal móvil que sujeta el espejo y una placa trasera fija con tornillos de ajuste. Los tornillos de ajuste impulsan la placa frontal alrededor de los ejes de rotación en las direcciones de cabeceo (vertical) y guiñada (horizontal). Un tercer actuador opcional a menudo permite la traslación del eje z. [2]
Los soportes de espejo de precisión pueden ser bastante costosos, y su diseño implica una notable cantidad de ingeniería. Estos montajes sofisticados a menudo se requieren para láseres , interferómetros y líneas de retardo óptico .
Tipos de montaje de espejo
El tipo más común de montaje de espejo es el montaje cinemático . [3] Este tipo de montaje está diseñado de acuerdo con los principios de determinación cinemática . Normalmente, el marco móvil que sostiene el espejo gira sobre un cojinete de bolas que se coloca en un agujero en el marco fijo. Idealmente, este agujero debería ser triédrico (en forma de pirámide). A menudo se utiliza un orificio cónico debido a que la fabricación es más fácil. El bastidor se pivota mediante dos micrómetros o tornillos de rosca fina , rematados con rodamientos de bolas de acero. Uno de estos rodamientos de bolas descansa en una ranura en V, el otro descansa sobre una superficie plana. En soportes más baratos, la superficie plana puede ser simplemente el material del soporte. En montajes más costosos, la superficie plana (y quizás el orificio y la ranura en V también) pueden estar hechas de un material mucho más duro (a menudo zafiro ), colocado en el marco.
La razón de este extraño mecanismo es que la primera bola (idealmente) hace contacto con el marco fijo en exactamente tres puntos, la segunda bola en dos y la tercera bola en solo uno. Estos seis puntos de contacto limitan exactamente los seis grados de libertad de movimiento del marco móvil. Esto conduce a un movimiento preciso del marco cuando se giran los micrómetros o tornillos, sin bamboleo o fricción innecesarios.
Una desventaja de los montajes cinemáticos es que el centro del espejo se mueve a lo largo de su eje normal cuando se gira el espejo. Esto se debe a que el centro de rotación es el centro del primer rodamiento de bolas, no el centro del espejo. Para cavidades ópticas e interferómetros , a menudo es deseable poder alinear los espejos por separado de los ajustes a la longitud de la cavidad. Para estas aplicaciones y otras, se requiere un montaje más sofisticado.
Una forma de eliminar esta traslación a lo largo del eje es colocar la primera bola también en un tornillo de rosca fina. Mediante el ajuste apropiado de los tres tornillos, el espejo se puede inclinar en cualquier dirección sin traslación. Los tornillos pueden accionarse mediante un motor controlado por computadora para que al operador le parezca una simple rotación alrededor de un punto de pivote virtual en el centro de la superficie del espejo. En cambio, la traducción se puede eliminar mecánicamente mediante el uso de un soporte de cardán , que usa dos anillos que giran cada uno alrededor de una línea que atraviesa el centro del espejo. Esto da una rotación de dos ejes cinemáticamente correcta alrededor del centro del espejo.
Con ambos tipos de montaje, se necesitan resortes para mantener el marco presionado contra los cojinetes de bolas, a menos que el montaje esté diseñado para usarse solo en una orientación donde la gravedad mantendrá el marco en su lugar. Siguiendo el principio de voladizo , un soporte grande permite un control más fino que uno más pequeño. Idealmente, los marcos están hechos de un material ligero, para hacer que la frecuencia de resonancia de la estructura sea alta. Esto reduce la vibración, ya que muchas fuentes comunes de vibración son de frecuencia relativamente baja. Para mayor estabilidad, el marco fijo está sostenido por un soporte rígido que está atornillado de manera segura a una superficie de apoyo. En un entorno de laboratorio, esta suele ser una mesa óptica . Un golpe puede hacer que el soporte se aleje de los rodamientos de bolas, pero debido a que solo hay 6 contactos duros, el espejo volverá a la posición original, preservando la alineación.
El propio soporte debe evitar la deformación de la óptica montada. El estrés del montaje puede introducir aberraciones en la luz reflejada por un espejo o fotoelasticidad dentro de una lente. En algunos láseres, los espejos deben reemplazarse fácilmente, en cuyo caso el soporte debe diseñarse para permitir que el espejo se retire y reemplace sin perder la alineación correcta.
Operación
Los tornillos de rosca fina muestran un comportamiento de deslizamiento y adherencia ; cuando se usa manualmente, se aplica un par de torsión con dos dedos hasta que la rosca se desliza un poco, luego se lee la nueva posición en una escala. Los tornillos económicos hacen deslizamientos largos y carecen de escala. Los micrómetros de precisión funcionan mejor y proporcionan una escala de referencia. Cuando se usa de forma remota, se usa un motor eléctrico para aplicar pulsos cortos de torque. El motor está firmemente conectado con el tornillo y la rosca y nada más para que el pulso sea absorbido por la fricción. Para leer la posición electrónicamente, se adjunta un codificador giratorio . Cuando la bola no está completamente centrada en el tornillo y el eje no es normal a la superficie del espejo (que es una característica explícita de algunos montajes de espejo de conveniencia), un pequeño movimiento sinusal del espejo se superpone al movimiento lineal, que un controlador podría compensar. Para un control fino analógico (5 nm), los piezos están integrados en el marco móvil.
Aplicaciones
Los espejos de los extremos de la cavidad láser necesitan una alineación muy precisa. Debido a su baja divergencia, los rayos láser necesitan espejos de dirección precisos. Para la creación rápida de prototipos en una mesa óptica, los soportes de espejo se pueden usar para sostener otros elementos además de los espejos, por ejemplo, las lentes a menudo deben alinearse para un coma mínimo . A veces, los prismas solo necesitan una alineación de dos ejes y se pueden montar en un soporte de espejo en lugar de una mesa de prismas de tres ejes.
Los cristales de fase crítica combinados se pueden alinear y ajustar con precisión con una montura de espejo estándar. Lo mismo ocurre con los pequeños etalones , retardadores y polarizadores . Además, los soportes de los espejos que utilizan imanes en lugar de resortes permiten retirar el marco móvil y volver a colocarlo exactamente en la misma posición.
Dispositivos relacionados
- Aunque la rotación se puede lograr mediante un soporte semi-cardán, la mayoría de las etapas de rotación no están diseñadas en base a los principios de determinación cinemática.
- Un rodamiento de movimiento lineal o una etapa lineal que tiene determinación cinemática utiliza dos ranuras en V que se deslizan sobre un cilindro, una superficie plana que se desliza sobre un segundo cilindro paralelo y una superficie plana que une el tornillo.
- El hexápodo conocido de los simuladores de vuelo permite el movimiento con seis grados de libertad. Para la determinación cinemática, cada pata consta de una bola colocada en un orificio triédrico en el marco fijo, una bola que une una placa plana en el marco fijo y una bola que une un orificio triédrico en el marco móvil. La parte móvil de la pierna está conectada con un hilo que corre en hilo de la parte fija.
- Una unión roscada adquiere determinación cinemática de la misma forma que cualquier otro rodamiento de rotación .
- El rodamiento de bolas y el rodamiento de rodillos cilíndricos están sobredeterminados y tienen más puntos de contacto de los necesarios para la determinación cinemática. Esto conduce a una menor precisión a medida que se desgastan las juntas.
- El cojinete de flexión y el elemento piezoeléctrico ofrecen mayor precisión que otros cojinetes mecánicos.
Ver también
- Celda de soporte de espejo
- PLATE OPtimizer
- Acoplamiento cinemático
Referencias
- ^ "Infografía de soportes de espejo óptico" . Newport.com . Consultado el 18 de septiembre de 2017 .
- ^ "Guía de montaje del espejo óptico" . Archivado desde el original el 18 de octubre de 2017.
- ^ "Montajes cinemáticos" . Archivado desde el original el 15 de enero de 2010 . Consultado el 1 de febrero de 2010 .