Κινηματικό σύστημα αρμών ίσων γωνιών για οπτικές μετρήσεις υλικών με laser.

Abstract

Στην παρακάτω μεταπτυχιακή εργασία θα παρουσιάσουμε μια αυτοματοποιημένη κινηματική διάταξη ενός συστήματος τεσσάρων αρμών, οι οποίο κατά την κίνηση τους, θα είναι ικανοί να διατηρήσουν με μεγάλη ακρίβεια ίσες γωνίες ως προς την σταθερή τράπεζα συγκράτησης δείγματος υλικού. Σκοπός της διάταξης θα είναι η μέτρηση χαρακτηριστικών οπτικών του ιδιοτήτων ( π.χ. πολωμένης ανακλαστικότητας και δείκτη διάθλασης). Η διάταξη που κατασκευάστηκε με σκοπό την αναγνώριση δείγματος διαφόρων υλικών και η σχεδίαση της βασίζεται στον Νόμο του Brewster. H βασική ιδέα προκύπτει από την γωνία πρόσπτωσης Brewster, γνωστή και ως γωνία ολικής πόλωσης, δηλαδή τη γωνία πρόσπτωσης φωτός για την οποία η ανακλώμενη ακτίνα είναι κάθετη με την διαθλώμενη ακτίνα. Όταν μια τυχαία ακτίνα που είναι μη πολωμένη, πέσει στην επιφάνεια με την γωνία, έχει την ιδιότητα να ανακλάται ολοκληρωτικά πολωμένη. Όταν το φως προσπίπτει σε μια διαχωριστική επιφάνεια δύο υλικών, με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται από την επιφάνεια σε μια συγκεκριμένη γωνία ανάκλασης και ένα μέρος της ακτινοβολία διαθλάται σε μια συγκεκριμένη γωνία διάθλασης. Σε μια ορισμένη γωνία πρόσπτωσης ένα μέρος του φωτός σε συγκεκριμένο επίπεδο πόλωσης δεν μπορεί να ανακλαστεί. Αυτή η γωνία πρόσπτωσης ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης Brewster. Το κάθε υλικό έχει έναν δείκτη διάθλασης, ο οποίος είναι και μοναδικός. Έτσι η λειτουργία αυτή βρίσκουμε την γωνία πρόσπτωσης Brewster, με την οποία θα επαληθεύεται ο δείκτης διάθλασης των δειγμάτων που θα εξετάζουμε κάθε φορά, για να εντοπίζουμε από τι υλικό προέρχεται η κατασκευή τους. Στην παραπάνω θεωρία βασίζεται η λειτουργία της διάταξής μας, η οποία και υλοποιείται με την ταυτόχρονη ισογωνιακή κίνηση των αρμών που θα πραγματοποιείται με την χρήση ενός βηματικού κινητήρα με ενσωματωμένο μειωτήρα στροφών. Ο βηματικός κινητήρας με την βοήθεια του Arduino, θα περιστρέφει τον κοχλία και κατά συνέπεια θα αλλάξει τις μοίρες των αρμών, επιτυγχάνοντας έτσι διαφορετική γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας λέιζερ σε κάθε περιστροφή. Πιο αναλυτικά, η κατασκευή θα έχει σχήμα ρόμβου και θα αποτελείται από τέσσερις αρμούς. Οι δυο οπίσθιοι χρησιμοποιούνται για την στήριξη και την λειτουργία του μηχανισμού ενώ οι δυο εμπρόσθιοι θα έχουν τις απαιτούμενες αναμονές, στις οποίες θα τοποθετηθούν τα απαραίτητα εξαρτήματα που θα πραγματοποιούν την λήψη και την τροφοδοσία των δεδομένων. Πιο αναλυτικά, σε έναν εκ των εμπρόσθιων αρμών θα έχουμε τοποθετήσει μια μικρή πηγή laser (mW) με πρόσθετα οπτικά στοιχεία (π.χ φακούς, πολωτικά και φασματικά φίλτρα), ενώ στον άλλον θα υπάρχει ένα σύστημα φωτο-ανιχνευτή- φωτοδιόδου του οποίαυ και οι μετρήσεις θα απεικονίζονται σε lcd οθόνη. Η κίνηση τους θα επιτυγχάνεται μέσω ενός ατέρμονος κοχλία λεπτού σπειρώματος, ενώ η διατήρηση της ισότητας των γωνιών θα επιτυγχάνεται με σύστημα βοηθητικών αρμών, κινηματικών αρθρώσεων και αρχών γεωμετρίας. Η μεταπτυχιακή εργασία μας έχει ως δομικό στοιχειό την θεωρητική ανάλυση, τον σχεδιασμό και την κατασκευή της διάταξης αυτής, ως μιας πρωτότυπης και παράλληλα καινοτόμας λειτουργίας. Εμπορικά δεν είναι διαθέσιμη, για αυτό και θα αποτελέσει την απαραίτητη βάση για ανάπτυξη νέων πειραματικών μεθόδων μετρήσεων βασικών οπτικών παραμέτρων χαρακτηρισμούς υλικών. Θεωρητικές αναφορές έγιναν σχετικά με τα μέρη που την απαρτίζουν, την θεωρητική ανάλυση τους, τα χαρακτηριστικά βηματικών κινητήρων και τέλος την θεωρητική ανάλυση του arduino.

In the following thesis, we will present an automated kinematic arrangement of a four-joint system, which, during their movement, will be able to maintain very precisely equal angles with respect to the fixed material sample holding table. The purpose of the setup will be to measure its characteristic optical properties (e.g. polarized reflectivity and refractive index). The device constructed for the purpose of sample recognition of various materials and its design is based on Brewster's Law. The basic idea derives from the Brewster angle of incidence, also known as the angle of total polarization, i.e. the angle of incidence of light for which the reflected ray is perpendicular to the refracted ray. When an incident ray which is unpolarized, falls on the surface at the angle, it has the property of being reflected completely polarized. When light is incident on an interface of two materials, with different refractive indices, part of the radiation is reflected from the surface at a certain angle of reflection and part of the radiation is refracted at a certain angle of refraction. At a certain angle of incidence a part of the light at a certain level of polarization cannot be reflected. This angle of incidence is called the Brewster angle of incidence. Each material has a refractive index, which is also unique. This is how we find the Brewster angle of incidence, with which the refractive index of the samples we will examine each time will be verified, in order to identify the material from which they are made. The operation of our construction is based on the above theory, which is implemented with the simultaneous equiangular movement of the joints that will be carried out using a stepper motor with an integrated speed reducer. The stepper motor with the help of the Arduino will rotate the screw and consequently change the degrees of the joints, thus achieving a different angle of incidence of the laser beam at each rotation. More specifically, the construction will have a rhombus shape and will consist of four joints. The two rear ones are used to support and operate the mechanism, while the two front ones will have the required slots, in which the necessary components will be placed that will carry out the download and supply of data. In more detail, in one of the front joints we will have placed a small laser source (mW) with additional optical elements (e.g. lenses, polarizing and spectral filters), while in the other there will be a photo-detector-photodiode system whose the measurements will be displayed on an LCD screen. Their movement will be achieved through a fine thread screw, while maintaining the equality of the angles will be achieved through a system of auxiliary joints, kinematic joints and principles of geometry. Our thesis has as a structural element the theoretical analysis, design and construction of this construction, as an original and at the same time innovative function. Not commercially available, for this it shall form the necessary basis for the development of new experimental methods of measurements of basic optical parameters and characterization of materials. Theoretical references were made regarding the parts that consists of, their theoretical analysis, the characteristics of stepper motors and finally the theoretical analysis of the arduino.