オートコリメーターの作成の変更点

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#author("2024-08-20T14:19:51+09:00;2024-07-05T08:10:51+09:00","default:masami","masami")
#author("2024-08-20T14:20:34+09:00;2024-07-05T08:10:51+09:00","default:masami","masami")
*オートコリメーターの作成(作成2024/06/27)(更新2024/07/05)
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-final.png,center,50%)
CENTER:完成したオートコリメーター（使用時の配置、左端のミラーは不要）
#contents
**前書き
　オートコリメーターは光学系の調整に必須な道具なのですが、これまでは使わずに何とか調整してました。しかしないとやはり不便なことが多々あるので、今回やっと作成しました。作成には[[The PULSAR Engineering:https://www.thepulsar.be/article/a-reference-of-optical-infinity]]を参考にしました。この方は[[OpenRaman:https://www.open-raman.org/]]のサイトもやられています。どちらも非常に有用なサイトです。
　オートコリメーターは光学系の調整に必須な道具なのですが、これまでは使わずに何とか調整してました。しかし、ないとやはり不便なことが多々あるので、今回やっと作成しました。作成には[[The PULSAR Engineering:https://www.thepulsar.be/article/a-reference-of-optical-infinity]]を参考にしました。この方は[[OpenRaman:https://www.open-raman.org/]]のサイトもやられています。どちらも非常に有用なサイトです。
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-schematic.png,center,50%)
CENTER:オートコリメーターの概略図
　上の図にオートコリメーターの構造を示しています。レチクル（十字）から出た光がビームスプリッター（以下BS）に入って、２つのパスに分かれますが、１つのパスはBSで90度反射されて、50 mmのレンズを通って、カメラのCCD面で焦点を結びます。もう片方はBSで曲げられず真っ直ぐ進み200 mmのアクロマートレンズを通過して、（調整が済んでいると）コリメートされ、それがミラーで反射されて、再度レンズを通って集光するビームがBSを真っ直ぐ進んで、十字ターゲット上に像を作ります。この像も50 mmレンズ＋カメラで観察されるので、２つの十字がUSBカメラ上に映ることになります。明るい十字はBSで90度曲げられた方で、暗い十字はミラーで反射されてレチクル上に像を結んだ方です。カメラ位置とレンズ位置を調整して両方がフォーカスしている状態にすることで、200 mmのレンズから出た光はコリメートされていることになります。オートコリメーターとして使う場合は、調整用に使った50 mmのレンズ等は外して、BSの逆側にカメラを移動します（赤の破線のパスで、一番上の写真は移動後の状態）。
**光学系の作成
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-cross-LED.png,right,20%)
　全てソーラボのパーツで、30 mmのケージシステムを使って組みました。オートコリメーターは動態で保存しておく必要があるので、専用に部品を確保しました。まず調整のために光が透過するレチクル（十字）があると便利なので、型番R1DS3Nのnegative crossline test targetを使いました（右の写真）。これは十字の部分のみを光が通るようになってますので、見やすく調整が楽になります。その後ろにLEDからの光を拡散させる板(DG10-1500)を置きます。これら２つをSM1のレンズ筒に組み込んで、SM1ネジのあるケージプレートに固定しました。
　その背後にLEDを置きます。LEDはよくやっているように自作してもいいのですが、今回はソーラボのLEDモジュール(LEDMT1F)を使いました。これはLED素子（２本端子）をこれに差し込めるようになってます。なおモジュールは２種類あって、使っている抵抗が少し違います。LEDMT1Fは61 ohmだったと思います。LED素子としては、赤LEDのLED630Eを使いました（５個セット）。LED素子のリードの足の長い方（プラス）は8 mm、短い方を6 mmにニッパで切っておきます（モジュールに差し込んだ時にちょうど収まるように、長さが違うのはプラスマイナス区別のため）。このモジュールの電源はUSBケーブルから供給します。モジュール前方にSM05のオスネジが切ってあるので、SM05のメスネジを持つケージプレート(CP32/M)にねじ込んでケージ内に固定しました。
　ビームスプリッターは既に持っていたものを使っています(CM1-BS013)。レンズ２種(200 mmアクロマート, 50 mm)はレンズ筒に収めて、ケージプレートに固定します。50 mmレンズの前には可変絞りを置いています（なくても大丈夫かも）。50 mmの方はアクロマートでなくても両凸単レンズでOKです。なお、200 mmアクロマートレンズは平凸レンズですが、凸側をミラー側に配置します（平凸レンズには最適な向きがあります）。
　25 mmまたは1インチ直径のAl蒸着ミラーは今回はケージプレートに直接固定しました。場合によって２つの十字が重なることがあって、キネマティックマウントに載せて角度を調整したいところですが、大体は何とか対応できるのでそこまでする必要はありませんでした。USBカメラのための長さ調整が結構大変だったので、ケージロッドは長さが異なるものが色々とあった方が対応しやすくなります。カメラ自体がケージロッド内に収まるものだと都合がいいのですが、普通のカメラはそうではないので、ケージロッドがフォーカス調整時にカメラと干渉したりして長さを微妙に調整する必要がありました。
　検出部は肉眼で覗くようにしてもいいのですが、レーザーを使った光学系の調整などでは危険なので、USB CCDカメラで見ることにしています。手持ちの古いUSBカメラ(顕微鏡用)を使っています。このカメラを含めて多くはCかCSマウント（メスネジ）なので、CマウントのオスネジとSM1のオスネジが一体となったアダプタでケージプレートに固定しました。今回カメラの向きはどうでもいいので（十字さえ見えればいいので）、単純なアダプター(SM1A39)でいいと思います。それらをケージに組んでいきます。レンズ位置はノギスで大体合わせておきます。USBカメラなので、画像見るにはPCとそのカメラ用のソフトが必要です。
**装置の調整
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-setting.png,center,40%)
CENTER:オートコリメーター調整時の配置
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-cross-image.png,right,25%)
　作成したものが上の写真です。これは調整時の配置になります。50 mmレンズ位置はレチクル（十字）から大体100 mmの位置に置いて、さらにそこから100 mmの位置にUSBカメラのCCD位置が来るように大体合わせます。これでまずカメラ位置を移動させて、明るい方の十字がはっきり見える位置を探します。暗い方の十字が邪魔なら200 mmレンズまたはミラー前に紙を置けばいいでしょう。調整できたらカメラ位置を固定します（実際にはケージプレートに固定されているので、プレート位置を動かして調整して、ケージプレートをネジで固定します）。次に暗い方の十字がフォーカスするように200 mmレンズの位置を移動させます。２つの十字は明るさが違うので絞りや露光時間を変えて、それぞれはっきり見えるようにします。調整が終わったら50 mmレンズをしっかりと固定します（こっちもプレートを固定）。調整中のパソコン画面を右に示します。
　私の場合、上記のやり方で適当にやってみると、調整後に実際に使う配置にしたところカメラのフォーカスが合わせられない状況となりました。なので、そのような場合は先に実際に使う配置（一番上の写真）で200 mmレンズ位置の方を調整して、十字がカメラ上でフォーカスできるようにしておいて、200 mmレンズ位置を動かした分だけ十字位置も移動させて、それでもう1度調整から始めるとうまくいきました。またはカメラのバックフランジ距離や実際に使うパーツの長さなどを事前に詳しく計測して、どちらにカメラつけてもフォーカスできるように最初から設計すればいいように思います。
　オートコリメーターとして使う場合にはUSBカメラはビームスプリッターの反対側の位置に50 mmレンズなし（絞りも不要）で取り付けます（一番上の写真）。レンズが不要なのでカメラービームスプリッター間が短くなっていることに注意してください。そして十字がくっきり見えるようにUSBカメラ位置を調整します。カメラ位置を固定します。これが終わるとミラーは不要なので取り外します（一番上の写真はまだミラーが付いている状態）。これでオートコリメーターとして利用する準備ができました。
**オートコリメーターを光学系の調整に使う
　主に２つの調整に使えます。無限遠調整とコリメート光を作る調整。
***無限遠調整
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-use1.png,center,40%)
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-use2.png,right,20%)
　CCD/CMOSカメラ＋レンズの組み合わせで無限遠にフォーカスするように調整したいことがよくあります（これまでは室外の遠景を使ってやってました）。このオートコリメーターを使うともっと正確に調整ができます。この場合、オートコリメーター側のカメラは使いません。十字後ろのLED点灯が必要です。調整したい光学系を延長ケージロッドやプレートを使って、オートコリメーターの200 mmレンズの外側に組み入れます。そして調整したい光学系のカメラで観察しながら十字がちょうどフォーカスするように光学系のレンズ位置を調整します。これで無限遠に調整されることになります。上の写真はFLIRのCMOSカメラと50 mmレンズの系で無限遠に合わせているところ。50 mmレンズが入ったレンズ筒をねじ込んでいって、フォーカスが合ったところで固定します。右がFLIRのカメラで十字を観察しているところ（PC画面）。
***コリメート光を作る
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-use3.png,center,40%)
#image(https://mkanzaki.sakura.ne.jp/images/autocollimator-use4.png,right,20%)
　光ファイバー、ピンホールやスリットから入れた光をレンズでコリメートする場合に使えます（これまではレンズから出てきた光の大きさが距離を移動しても一定になるように調整してました）。この場合はLED点灯は不要で、オートコリメーター側のカメラでの観察が必要となります（なのでPCも）。調整したい光学系を延長ケージロッドやケージプレートを使って、オートコリメーターの200 mmレンズ外側に組み込みます。そしてカメラで見ながら、光ファイバー端、ピンホールまたはスリットがフォーカスするように光学系のレンズ位置を調整します。ピンホール、スリットの場合は背後に何か光源があった方がいいでしょう。ファイバーの場合は光を他端から入れます。レーザーなどの強い光の場合はNDフィルターで光量を落とす必要があるかもしれませんが、その場合はNDフィルターはコリメートされている部分（200 mmレンズのすぐ外側）に入れないといけません。上の写真は光ファイバー＋50 mmレンズの系でコリメートしているところ。右の写真はファイバー端（明るい円）がフォーカスするように調整しているところのUSBカメラの画像。
　どちらも調整したい光学系接続のために、ケージプレート2枚をレンズ筒とアダプタで連結したものを作って、両側のケージを接続しました（ケージプレートでケージロッドを固定）。