Michelson Interferometer zur Wegmessung mit Komponenten aus dem 3D Drucker

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1 Michelson Interferometer zur Wegmessung mit Komponenten aus dem 3D Drucker Dieses Projekt wurde mit Unterstützung realisiert. Unterstützung durch: Projektarbeit : UNI Hannover, Hannoversches Zentrum für Optische Technologie Kategorie Make Light Bildung Kurzbeschreibung Mechanische Komponenten aus dem 3D Drucker bilden mit wenigen zugekauften Optikbauteilen ein Michelson Interferometer. Unter verwendung eines selbst konstruierten Arduino Shields soll mit dem Interferometer eine Wegmessung durchgeführt werden. Die theoretische Auflösung beträgt die halbe Wellenlänge des eingesetzten Lasers. Bei einem grünen Laser sind das ca 280 nm. Rendering des Interferometers. (Solidworks)

2 Factsheet Materialliste Kosten Links Messung von Bewegungen auf 280 nm genau. Nutzung der Welleneigenschaften des Lichtes zur Wegmessung. Mechanische Elemente mittels Fused Deposition Verfahren auf einem Makerbot hergestellt. Auswerteelektronik als Arduino Shield. Kosten <100 Kaufteile Laserdiode segmentierte PIN Fotodiode 2 Oberflächenspiegel Strahlteiler 50/50 Segmentierte Fotodiode Vergrößerungslinse 3D Druckteile Grundplatte 2 Spiegelhalter zweiteilig Diodenhalterung Strahlteilerhalterung Linsenhalter Abdeckung Magnete Schrauben Muttern Kleinteile Arduino Due 2 Operationsverstärker, Komparator Elektronik: LM358, LM339 und einige passive Bauteile.

3 Bauanleitung Step by Step Statt einer Bauanleitung werde ich die Funktion erklären und Fotos zeigen. Prinzip des Michelson Interferometers: Ein Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt Der eine Teilstrahl trifft auf einen feststehenden Spiegel. Diese feste Länge bildet die Referenz für die geplante Messung. Der zweite Teilstrahl trifft auf einen Spiegel der am Objekt befestigt ist dessen Bewegung man messen möchte. Im Stahlteiler werden die Teilstrahlen wieder zusammengeführt und somit überlagert. Es ergibt sich ein Interferenzmuster. Verändert sich die Entfernung die der Messstrahl zurücklegt, so verschiebt sich das Interferenzmuster. Die Verschiebung der abwechselnd hellen und dunklen Streifen wird mit direkt nebeneinander liegenden Photodioden und schneller Auswerteelektronik gezählt. Zwei Fotodioden sind notwendig um die Richtung der Bewegung festzustellen. Das Produkt der Zahl der Streifenwechsel und der halben Wellenlänge der Lasers ist die zurücklegte Strecke des Messobjekts.

4 Das Interferenzmuster trifft auf die zwei Fotodioden. Ein Operationsverstärker wandelt die Ströme der Fotodioden in Spannungen (Transimpedanzverstärker) und ein Komparator IC wandelt die sinusartigen Signale in Rechtecksignale sodass der Prozessor nur HIGH oder LOW detektieren muss. Die Richtung wird ähnlich wie bei einem Inkrementalgeber erkannt. Je nach Richtung eilt ein Signal dem anderen voraus und der Mikrocontroller zählt entsprechend rauf oder runter.

5 Das Messobjekt wird mit einem Mikrometer bewegt, der Aufbau ist auf einen Optiktisch gespannt um mechanische Einflüsse zu minimieren. Der Spiegelhalter ist eine Besonderheit, weil ein Filmscharnier genutzt wird um eine zweiachsige Bewegung zu ermöglichen. Das Scharnier rechts unten hält in einem kleinen Bereich mehrere Hundert Verstellbewegungen aus wenn es aus ABS gedruckt ist. Also keine Konkurrenz für Thorlabs, aber als Prototyp brauchbar. Auf der Rückseite sind Magnete eingelassen um eine Verstellung in beide Richtungen zu ermöglichen.

6 Fazit Das Prinzip funktioniert, aber nur unter Laborbedingungen. In der Praxis gibt es zu viele mechanische und elektrische Störungen um mit Plastikteilen aus dem 3d Drucker optische Messungen vorzunehmen. Die Messsysteme für Werkzeugmaschinen werden nicht so bald mit einem Makerbot hergestellt. Referenzen Ähnliches Projekt bei Thingiverse

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