ミラーマウント

ミラーマウントはミラーを保持する装置です。^[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、これらは非常に高度な装置になる可能性があります。

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、ピッチ（垂直）方向とヨー（水平）方向の回転軸を中心にフロントプレートを駆動します。オプションの第3のアクチュエータにより、Z軸の移動が可能になります。^[2]

精密ミラーマウントは非常に高価であり、その設計には相当の技術が投入されます。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必要になります。

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上で回転します。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、円錐形の穴が使用されることがよくあります。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素材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素材（多くの場合サファイア）で作られている場合があります。

この奇妙なメカニズムの理由は、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 点で接触し、3 番目のボールが 1 点で接触するからです。これらの 6 つの接触点により、可動フレームの動きの 6 つの自由度が正確に制限されます。これにより、マイクロメータまたはネジを回すと、不要な揺れや摩擦がなく、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点です。これは、回転の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。光キャビティや干渉計の場合、キャビティの長さの調整とは別にミラーの位置合わせができることが望ましいことがよくあります。これらのアプリケーションやその他のアプリケーションでは、より高度なマウントが必要です。

軸に沿ったこの移動をなくす方法の 1 つは、最初のボールを細目ネジに取り付けることです。3 つのネジすべてを適切に調整することで、移動せずにミラーを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ー制御のモーターで駆動できるため、操作者にはミラー表面の中心にある仮想ピボット ポイントの周りの単純な回転のように見えます。代わりに、ジンバル マウントを使用して機械的に移動をなくすことができます。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が回転する 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に運動学的に正しい 2 軸回転が得られます。

どちらのタイプのマウントでも、マウントが重力によってフレームが所定の位置に維持される方向でのみ使用されるように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、大きいマウントの方が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、軽量の材料で作られるのが理想的です。多くの一般的な振動源は比較的低周波数であるため、これにより振動が減少します。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サポートされています。実験室環境では、これは通常、光学テーブルです。衝撃によりマウントがボール 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、位置合わせが維持されます。

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。マウントによるストレスにより、ミラーから反射された光に収差が生じたり、レンズ内に光弾性が生じたりすることがあります。一部のレーザーではミラーを簡単に交換する必要がありますが、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。

細目ねじは滑りと固着の挙動を示します。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。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ないため、パルスは摩擦によって吸収されます。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しておらず、ねじの軸がミラー表面に対して垂直でない場合 (これは一部の高級ミラーマウントの明確な特徴です)、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ね合わされ、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、移動距離が数μmの ピエゾ駆動ミラーを使用できます。

レーザーキャビティの端のミラーは、非常に正確な位置合わせが必要です。レーザービームは発散度が低いため、正確なステアリングミラーが必要です。光学テーブルでの迅速なプロトタイピングでは、ミラーマウントを使用してミラー以外の要素を保持できます。たとえば、レンズは、コマ収差を最小限に抑えるために位置合わせする必要があります。プリズムは2 軸の位置合わせのみを必要とする場合があり、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、標準ミラーマウントを使用して正確に位置合わせおよび調整できます。同じことは、小型エタロン、リターダー、偏光子にも当てはまります。さらに、スプリングの代わりに磁石を使用するミラーマウントにより、可動フレームを取り外して、後でまったく同じ位置に再配置できます。

• 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、およびネジに結合する平面を使用します。
• フライト シミュレーターで知られるヘキサポッドは、6 つの自由度で動作できます。運動学的決定性のため、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、および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ます。脚の可動部分は、固定部分のねじ山を通るねじ山に接続されています。
• 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よりも多くの接触点があります。このため、ジョイントが摩耗するにつれて精度が低下します。
• フレクシャベアリングと圧電素子は、他の機械ベアリングよりも高い精度を提供します。

• ミラーサポートセル
• プレートオプティマイザー
• 運動学的カップリング