光を間引きしたい

質問

10Hzで発振しているレーザー光を間引きしたいのですが、自作で出来る範囲で何かいい方法ないでしょうか？
回転ソレノイドを使って作ろうかと思ったのですが5Hz(間引いたときに最も繰り返しの早い状態)で動くものなんてなさそうです。
お返事よろしくお願いいたします。

回答No.6

Teleskope · ベストアンサー

とんだ失礼をばしました、クリスマス装飾のLD駆動のQAを読んだあとだったので、こっちも家庭工作だと思い込んでました。
で、
回転シャッタの話はすでに出てるので、電磁シャッタ自作の方のネタを；

10Hzクロック信号
　　　　　＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿
　 　 ─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─
を、1/2に間引いた
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　 　 ─┘└────┘└────┘└────┘└─
とか、1/3に間引いた
　　　　　＿　　　　 　 　 　 　 　 ＿　　　 　 　 　 　 　 　＿
　 　 ─┘└───────┘└───────┘└─

とする回路設計のスキルはお持ちですね、では、電磁シャッタの駆動に適した波形は、
　　　　　＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿　 　 ＿
　 　 ─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─
　　　　　　　　 通過　　遮断　 遮断 　通過
　　　　　　　＿＿＿　　　　　　　　　＿＿＿　
　 　　──┘　　　└─────┘　　　└──────

であるのは了解事項とします。（たとえばリングカウンタ回路）
で、
　数msで応答する電磁部品として、PM型の小型ステッピングモーターをお薦めします。完全な回転でなく 1ステップの往復動作だけをさせるのです。（こういう動作は回転ソレノイドと呼ばれて 専用の電磁部品として昔からありますが 概して重くて低速です。） 例として 下記ステッピングモーターのトルク特性(pdfファイル)を見てください。

http://www.pulsemotor.com/webnpm/a2seihin/b2motor/c1pf/d1pfpfc/e1sp/e1pfpfc25.html

　pull-in（停止状態からパルス1発で追従できる、ゼロからその周波数に瞬時に引き込める）レンジが、kHzまで伸びてます。要するに ミリ秒台でとなりの磁極に移動できますよということです。
　このモーターを例に、応答特性をご自分で計算して納得してください。
隣の磁極に磁力がステップ状に発生したとします。固定磁極と回転磁極間の引力は 相互のズレ角度を変数とした中心力場ですから 三角近似で角速度や角変位の概略が計算できます。
慣性モーメントは；ローター自身の値は表に載ってますからシャッタ羽根を適当に仮定してください。

　PM型とした理由は、角度が大きし、安価だからです。

（この製品を引用したのは、単に検索でひっかかっただけで、第一選択とかいう意味合いではありません。高校生や学生のロボット（実はcar）工作で使われてるのが同類かも知れません、変にまっとうな√で聞くと数千円とか言われますので。ｗ
なお、メーカーによっては堅牢すぎる（回転子のイナーシャが大きすぎる）製品しか無いところも有りますので。といってあまり小型だとトルクも小さいです。）

　駆動回路は、

　上記の 　 　 　 電源 ─┬───────┬─┐
　駆動パルス 　 　 　 　　│　　　　　　　　　　Ａ　　B　
　　│　　　　　　　　　　　 ▲　　　　　　　　　　相　 相
　　│　　　　　　　　　D─┼───────┘　 │
　　├ バッファ ──G　　▲フリーホイール　　　　↓
　　│　　　　　　　　　S　 │　ダイオード
　 反転　　　　　　　　┷　┷
　　│
　　│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ↑
　　└ バッファ ── 同上回路 ─────┘

　バッファはMOSのゲートを低インピで駆動する目的です。私は74HC244を常用してます。その8個のゲートを今回の場合なら、クロック受けに１ゲート、反転に1ゲート、MOS駆動に3ゲート並列2組。
　電源はパッケージの横にセラミックコンデンサを2個。（パワースイッチングMOSのゲートの入力静電容量は大きいですよね。）

　下側のフリーホイールダイオードは不要なことが多いです。応答速度を気にするときは、上側のフリーホイールダイオードに直列に定電圧ダイオードか抵抗を入れます。値はMOSの耐圧で決めます。図は1相ずつを駆動してますが、トルクを増して高速にするために 空いてるもう2相の巻線も並列に駆動する構成もありです。

補足

非常に丁寧な回答、ありがとうございます。
しかしながら当方、回路に関してはかじっている程度なのでかなり理解に苦労しています。

話をまとめると紹介していただいたモーターをバイポーラ駆動するということでしょうか？

応答特性なども自分で計算できる自信はないし、駆動させるための回路も製作できる自信はありません。

この手のことを初学者でも理解できるような資料を教えていただけないでしょうか？お手数をかけてしまい申し訳ありませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.10

noname#11476

知識が乏しい場合は、初めからそういう機能のあるチョッパーを購入して使うしか無いと思いますよ。
であれば外部信号にＰＬＬ同期できるオプティカルチョッパーを購入するしかないのではないかと。
たとえばTHORLABS Inc. のMC1000 シリーズとか。
２０万以下では作れるでしょう。

回答No.9

foobar

扱うレーザーは、通常のレーザーポインタ程度の太さ、パワーと考えてよろしいでしょうか？（核融合用レーザーみたいにパワーや太さが大きいと、シャッター周りの作りを考える必要があるので。)

感覚的には、
ステッピングモータを使う
1.ステッピングモータを10Hzの基準信号で回す。
　(100ms毎に一定角度回転、停止　を繰り返すものができます。駆動タイミングは、基準パルスから遅延回路を通して調整する必要があるかと思います。）
2. これで、穴の開いた円盤をまわし、穴の有無でレーザーをON・OFFする。

間引きの程度は
a. 間引き方に応じて、シャッターの円盤を用意し、モーターは常に10Hzで駆動する。
b. 穴の間隔は一定(ひとつおきにあける）にしておいて、モータのステップを変える。
の二通りで変える事ができるかと思います。

あるいは、#6の回答にあるように、1ステップを左右に振る(振り込みたいな運動をさせる）て、シャッターを動かすと言うのも良いかと思います。この場合には、モータの駆動回路は回転するより簡略化できるかと思います。

スピーカの改造
1. 低音用スピーカの振動板を切りとる。
2. 中心部にアームの一端を接着固定、アームの中ほどを支点にして梃子の応用で駆動幅を確保、アームの先端をシャッター板にする。
3. スピーカを直流アンプ(4象限電源と呼ばれるもの)で駆動
(ここでは、シャッター板を振る機構を想定していますが、モーメントを低減するためには、板を捻る（水平にしてレーザーを通し、垂直に立てて遮る）構造のほうが良いかもしれません。

といったモノが作れるかなと思います。

回答No.8

noname#11476

>時間ならびに金額を考えるともう少し安価で容易に出来る方法

私が紹介した方法はどうも複雑なように思われていますが、特にＰＩＣを使う方法ですと秋月電子通商のＰＩＣステッピングモータドライバキット（１７００円）に開発ツール（６７００円）、モータ本体、機械加工でたぶん２万程度、時間も１～２週間あればデバッグ込みで出来るような話しです。

最近では高校生などがＨ８やＰＩＣ等でモータを駆動してロボットコンテストのロボット製作などをしている位なので、高校生レベルでも出来るような話しなのですが、、、

ディスクリートであれこれやるよりＨ８やＰＩＣを使った方が簡単でなんですけど、、、

どのような方法があるのかというのはご質問者がどのような事が出来るのかということになりますので、なかなかアドバイスも難しいです。

参考URL：

http://akizukidenshi.com/

補足

再度お返事ありがとうございます。
前の回答にも書きましたが、PICに関する知識が０なんです。また経験者も周囲にいません。
できれば別の方法で考えたいと思います。

回答No.7

optcom

>f秒レーザーなどで途中でアンプをしていたりすると結晶の熱平衡の条件などがスペック値と異なって安定に発振しないのではないかということを懸念しています。

とのことで、レーザ増幅システムを扱ってらっしゃるものと推測いたします。例えばf秒レーザ増幅システムの熱平衡の条件は、通常はNd:YAGレーザ等の励起光の平均パワーに依存するので、励起光の条件さえ変えなければ心配する必要は殆どないと思われます。
即ち、繰り返しを下げる場合であれば、励起レーザの繰り返しは変えないで、パルスセレクター(ポッケルス素子等)だけを繰り返し5Hzにする事ができれば良いわけです。パルスセレクターの駆動ドライバにディバイダ回路が付属されていれば、それが一番簡単な解であると考えられます。

補足

結晶の熱平衡の件を除いたとしても当方のレーザーシステムは若干手を加えているため、おいそれと繰り返しは変えられないのです。(詳細はかけません。すみません。)
今回のこのスレッドはレーザーの繰り返しは変えることなしに間引くということで終始一貫させていただきます。申し訳ありませんが、ご理解のほどよろしくお願いいたします。

回答No.5

noname#11476

>f秒レーザーなどで途中でアンプをしていたりすると結晶の熱平衡の条件
了解しました。賢明な判断です。
扱いにくいことこの上ありません。
私の友人がいつも泣かされています（笑）。

>応答速度が数10m秒オーダーのシャッターってあるでしょうか？
はい。１０ｍｓｅｃ以上であればシャッター方式でもあります。ただずっと駆動していると壊れやすいですが、、
長期間使うのであれば回転式チョッパーがよいです。

>円盤式だと長時間の運転で微妙にずれてきそうで怖いんですが
レーザー光パルスから生成したクロックを使ってステッピングモーターをＰＬＬ制御します。
（回転ディスク側でもＬＥＤで信号を作り、時間差が一定になるようにする）

市販品の回転式チョッパーでも対応可能ですが、ＰＩＣマイコンなどで自作しても作れます。

補足

再度ご回答ありがとうございます。

>レーザー光パルスから生成したクロックを使ってステ>ッピングモーターをＰＬＬ制御します

プロフェッショナルな方法を書かれてあるように思われます。PPLやマイコンの知識が当方にないため、時間ならびに金額を考えるともう少し安価で容易に出来る方法を探したいです。
とにかく動けばいいんです。On/Offするタイミングを受けて何かが動いて光が切れれば十分なんです。

わがままですみません。

回答No.4

First_Noel

私も回転式チョッパーをオススメします．

回答No.3

noname#11476

私ならば自作の範囲で出来ますが、ご質問者が出来るかどうかは、、、

１０Ｈｚを一つおきに間引いて、５Ｈｚならば特に難しくはありません。

普通のシャッタの開閉（コパルなどのカメラで使うシャッタ）操作でもよいし、円盤式（チョッパー）でもよいです。もちろん同期させる必要があるから、信号処理は必要ですよ。
レーザのパルスをフォトダイオードで受けて、その信号からロジックでディレイも入れて駆動します。

なんでレーザー自体を５Ｈｚに出来ないのかはわかりませんが。。。

補足

f秒レーザーなどで途中でアンプをしていたりすると結晶の熱平衡の条件などがスペック値と異なって安定に発振しないのではないかということを懸念しています。エキシマーやYAGであれば簡単に間引けるでしょうけどね。
間引き回路はすでに製作してあるのであとはTTLパルスを受けて(電流増幅回路ないしは電圧増幅回路は必要でしょうが)動くシャッターを探しています。
シャッターを考えているのですが、応答速度が数10m秒オーダーのシャッターってあるでしょうか？
円盤式だと長時間の運転で微妙にずれてきそうで怖いんですが…

回答No.2

Teleskope

ものは何でしょう。
10Hzでのオンとオフの時間の比などは分かりますか？
LDの駆動回路に手を加えることはできないんですか？
10Hzの同期信号を得るのはフォトトランジスタでもお考えですか。

　光学シャッタ；光強度が低ければ、家庭用ゲーム器の立体視メガネの液晶シャッターはどうでしょう。

補足

お返事ありがとうございます。

YAGレーザーやfsレーザーをdelay generatorで動かしているので10Hzの同期はそこから取れますし、それを間引くための回路も作りました。というわけであとはその間引かれたTTLパルスを受けて動くシャッターだけです。

液晶シャッターってどんなのですか？しかもゲーム機とかを分解するのを考えると高い気が…なるべく安価で製作しようと思っています。

回答No.1

foobar

アイデアだけですが、
・スピーカーのコーンを外して、ソレノイドとして使う。
(ミラーの一端をボイスコイルに繋いで、角度を振る)
・モーター(ステッピングモータ?)でスリット(扇風機の羽根みたいなもの)を回転させる
あたりは如何でしょうか。

補足

お返事ありがとうございます。
かなりアイデアに満ち溢れているので驚いています。
いろいろなもの(スピーカーやら扇風機？）を分解しないといけなさそうなので検討してみます。
ありがとうございました。