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ミラーマウントはミラーを保持する装置である。[1]光学研究では、ミラーを調整していないときは正確な位置に保持しながら、制御された量でミラーを傾けたり傾けたりする必要があるため、ミラーマウントは非常に高度な装置となることがある。
光学ミラーマウントは、一般的に、ミラーを保持する可動式のフロントプレートと、調整ネジ付きの固定式のバックプレートで構成されています。調整ネジは、フロントプレートをピッチ（垂直）方向とヨー（水平）方向の回転軸を中心に駆動します。オプションの第3アクチュエータは、多くの場合、Z軸移動を可能にします。[2]
精密ミラーマウントは非常に高価であり、その設計には相当な技術的労力が費やされます。このような高度なマウントは、レーザー、干渉計、光遅延線などによく使用されます。
ミラーマウントの種類
最も一般的なタイプのミラーマウントは、キネマティックマウントです。[3]このタイプのマウントは、運動学的決定性の原理に従って設計されています。通常、ミラーを保持する可動フレームは、固定フレームの穴にセットされたボールベアリングを中心に回転します。理想的には、この穴は三面体（ピラミッド型）である必要があります。製造が容易なため、円錐形の穴がよく使用されます。フレームは、先端にスチールボールベアリングが付いた 2 つのマイクロメータまたは細目ねじによって回転します。これらのボールベアリングの 1 つは V 溝に収まり、もう 1 つは平面に収まります。安価なマウントでは、平面は単にマウントの材料である場合があります。より高価なマウントでは、平面（およびおそらく穴と V 溝も）がフレームにセットされた はるかに硬い材料（多くの場合サファイア）で作られることがあります。
この奇妙な機構の理由は、最初のボールが（理想的には）固定フレームと正確に3点で接触し、2番目のボールが2点で、そして3番目のボールが1点で接触するからです。これらの6つの接触点は、可動フレームの運動における6つの自由度を正確に制約します。これにより、マイクロメーターやネジを回す際に、不要なぐらつきや摩擦が生じることなく、フレームが正確に動きます。
キネマティックマウントの欠点は、ミラーを回転させるとミラーの中心が法線軸に沿って移動することです。これは、回転中心がミラーの中心ではなく、最初のボールベアリングの中心にあるためです。光共振器や干渉計では、共振器の長さの調整とは別にミラーの位置合わせが可能であることが望ましい場合が多くあります。これらの用途やその他の用途では、より高度なマウントが必要です。
軸に沿ったこの移動を排除する一つの方法は、最初のボールを細目ネジに取り付けることです。3本のネジを適切に調整することで、ミラーを移動させることなくどちらの方向にも傾けることができます。ネジはコンピュータ制御のモーターで駆動できるため、操作者にはミラー面の中心にある仮想的な回転軸を中心とした単純な回転のように見えます。この移動は、ジンバルマウントを使用することで機械的に排除できます。ジンバルマウントは、ミラーの中心を通る線を中心にそれぞれ回転する2つのリングを使用します。これにより、ミラーの中心を中心とした運動学的に正しい2軸回転が得られます。
どちらのタイプのマウントでも、フレームが重力によって所定の位置に維持される方向でのみ使用されるようにマウントが設計されていない限り、フレームをボール ベアリングに押し付けた状態に保つためにスプリングが必要です。カンチレバーの原理に従うと、大きいマウントでは小さいマウントよりも細かい制御が可能です。フレームは、構造の共振周波数を高くするために、理想的には軽い材料で作られています。多くの一般的な振動源は比較的低い周波数であるため、これにより振動が低減します。安定性のために、固定フレームは支持面にしっかりとボルトで固定された剛性マウントによって支持されています。実験室環境では、これは通常光学テーブルです。衝撃によってマウントがボール ベアリングから離れることがありますが、ハード コンタクトが 6,000 個しかないため、ミラーは元の位置に戻り、アライメントが維持されます。
マウント自体は、取り付けられた光学部品の変形を防ぐ必要があります。マウントによる応力は、ミラーからの反射光に収差を引き起こしたり、レンズ内部に光弾性現象を引き起こしたりする可能性があります。一部のレーザーではミラーの交換が容易である必要があり、その場合、マウントは、正しい位置合わせを失わずにミラーを取り外して交換できるように設計する必要があります。
手術
細目ねじは滑りと固着の動作を示します。手動で使用する場合、ねじ山が少し滑るまで 2 本の指でトルクを適用し、新しい位置をスケールで読み取ります。安価なねじは滑りが長く、スケールがありません。精密マイクロメータは性能が良く、参照用のスケールを提供します。リモートで使用する場合は、電気モーターを使用して短いトルクパルスを適用します。パルスが摩擦によって吸収されるように、モーターはねじとねじ山にしっかりと接続されており、他には何も接続されていません。位置を電子的に読み取るために、ロータリー エンコーダが取り付けられています。ボールがねじの中心に完全に位置せず、ねじの軸がミラー表面に対して垂直でない場合 (一部の高級ミラー マウントの明確な特徴)、ミラーの動きの小さなコサイン誤差がねじの直線移動に重なり、コントローラーで補正できます。ミラーの位置をより細かく制御する必要がある場合は、機械ネジのスティックスリップ現象がなく、数μm の移動距離で ピエゾ駆動ミラーを使用できます。
アプリケーション
レーザーキャビティ端のミラーは非常に精密なアライメントを必要とします。レーザービームは発散角が小さいため、精密なステアリングミラーが必要です。光学テーブル上で光学系を試作する場合、ミラーマウントはミラー以外の要素を保持するために使用できます。例えば、レンズはコマ収差を最小限に抑えるためにアライメント調整が必要になることがよくあります。プリズムは2軸アライメントのみで済む場合があり、3軸プリズムテーブルではなくミラーマウントに取り付けることができます。
臨界位相整合結晶は、標準的なミラーマウントを用いて精密に調整・調整できます。小型エタロン、リターダー、偏光子についても同様です。さらに、バネの代わりに磁石を用いたミラーマウントは、可動フレームを取り外し、後で全く同じ位置に再設置することを可能にします。
関連デバイス
- 回転はセミジンバルマウントによって実現できますが、ほとんどの回転ステージは運動学的決定性の原理に基づいて設計されていません。
- 運動学的決定性を備えた直線運動ベアリングまたは直線ステージは、シリンダー上でスライドする 2 つの V 溝、第 2 の平行シリンダー上でスライドする平面、およびネジと結合する平面を使用します。
- フライトシミュレータで知られるヘキサポッドは、6自由度の動きを可能にします。運動学的な決定性のため、各脚は固定フレームの三面体穴にセットされたボール、固定フレームの平板に接合されたボール、そして可動フレームの三面体穴に接合されたボールで構成されています。脚の可動部は、固定部のねじ山に通されたねじ山で接続されています。
- ねじ結合は、他の回転ベアリングと同じ方法で運動学的決定性を獲得します。
- ボールベアリングと円筒ころ軸受は過剰決定されており、運動学的決定性に必要な接触点数よりも多くの接触点を有しています。そのため、ジョイントが摩耗するにつれて精度が低下します。
- フレキシブルベアリングと圧電素子は、他の機械式ベアリングよりも高い精度を実現します。
参照
参考文献
- ^ 「光学ミラーマウントのインフォグラフィック」Newport.com . 2017年9月18日閲覧。
- ^ 「光学ミラーマウントガイド」。2017年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ “Kinematic Mounts”. 2010年1月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年2月1日閲覧。
