Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores
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Descrição do kit experimental
A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.
Montagem Mecânica
Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.
Ordem de Montagem
1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
3. Colocar as correias nas polias.
4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
9. Juntar as placas principais nesta posição.
10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.
15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
16. Repetir os passos 7 e 8.
17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.
18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.
19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.
22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.
25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.
27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
29. Colocar o suporte do stepper por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.
30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do stepper de modo a ligá-lo à placa principal.
31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do stepper.
32. Colocar o stepper no suporte do stepper, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o stepper até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
33. Repetir o passo 32 para os outros quatro steppers.
34. Colocar a correia na rosca.
35. Ligar a rosca (com a correia) ao motor de passo.
36. Apertar o motor do stepper.
37. Ajustar a posição do suporte do stepper de modo a garantir que a correia está à tensão.
38. Apertar os parafusos do suporte do stepper de modo a fixá-lo.
39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos steppers.
40. Montagem Completa.
Circuito Eletrónico
Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do stepper e (ii) a fonte de luz e deteção.
Step-motor drivers
Fonte de luz e deteção
The red LED is feed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.
This frequency has to be filtered by a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the setting of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.
Optical path
incluir esquema da optica
Optical path alignment
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays later are focused in the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:
- Firstly assemble the system lens and the light source (LED);
- Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
- Move the LED position in order to have an output image the closer to the size of the exit circle (~30mm);
- Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
- Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
- Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
- Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.
Optical path calibration
Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.
The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for an easily observation of such maxima. Consider to have it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue. Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it till the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in one of such that position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the maximums detection and do this for the rest of them. Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it must not damage the polarizers film.
You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.
Later, when performing the experiments this values of offsets must be consider in order to eliminate the systematic error of the system.
