Тема: юстировочные узлы

[nedel]

Добрый час,коллеги!!!
Разработан юстировочный узел для зеркал, ориентировочная точность позиционирования 0,1угл.с. гистерезис около 0,3угл.с.
Проблема: как померить данные параметры?
Нужна просто идея.

[Gall]

По лучу лазера в длинном коридоре. Таким образом синус угла можно измерять непосредственно.

[nedel]

Спасибо, Gall!!! Но есть некоторые сложности в реальном исполнении:
Предположим коридор 100м, при уголе 0,1угл.сек луч отклонится на 0,04мм.
Расходимость луча, вибрации (даже минимальные), турбулентность и т.д. сделают измерения
весьма проблематичными.
Часть возмущений можно снять сложенной трассой, типа оптической линии задержки,
но проблему это не решает даже с хорошо коллимированным лучом,
учитывая, что уверенные измерения желательно сделать с точностью около 0,05угл.с.
Или я в чём-то заблуждаюсь?

[Gall]

Проблема в самой юстировке.

Действительно, все эти проблемы имеют место. Но они имеют место и внутри самой конструкции юстировки. Это значит, что сверхточную конструкцию, по всей видимости, не удастся использовать на практике по той же причине, по которой ее точность не удастся измерить. Предположим для простоты, что юстировка абсолютно идеальная, сделанная инопланетянами. Тогда точность всей системы будет определяться как раз этими факторами: жесткость самой конструкции, воздух, само зеркало...

Борьба с вибрациями тут не представляет большого труда: измерение делается в подвале ночью. Бетонный пол подвала - адекватная "оптическая скамья" для таких масштабов.

Измерение в длинном коридоре на бетонном полу будет честным в том смысле, что оно покажет реальную точность системы в целом, а не гипотетическую точность одного компонента. Сверхточный компонент бесполезен, если его не удается применить в реальности, а в реальности от дифракционного предела никуда не деться, да и воздух обычно есть.

Вообще я подозреваю, что в реальности точность будет ниже за счет флуктуаций деталей самой конструкции, какой бы она ни была. На квантовом уровне какое-то движение в веществе есть всегда, и при попытке сделать что-то "очень точно" рано или поздно всегда упираешься в квантовый предел. В частности, никакое движение нельзя сделать долговременно точнее размеров атома. (Кратковременно - можно, и это делают в туннельных микроскопах). И это еще задолго до того, как начинает работать соотношение неопределенностей. Потом будут такие факторы, как нагрев зеркала лучом, давление света и все прочее. То, что мешает в масштабах коридора, будет намного сильнее мешать в масштабах самого зеркала, и не в процессе аттестации, а в процессе самой эксплуатации юстировочного узла. Тут надо разбираться.

В общем и целом я бы советовал измерять точность конечного прибора, чем бы он ни был, а не одной конкретной юстировки из него. Погрешности не аддитивны.

Что касается того, как определить влияние кручения регуляторов юстировки и отличить его от шума, так тут проблем нет никаких даже в условиях вибраций. Чисто статистически, стандартным накоплением. Надо просто проводить измерения достаточно долго. Усреднение по времени съест случайный шум, даже если он велик, и оставит полезный сигнал. Сигнал копится как сумма, а шум - как корень из суммы квадратов, поэтому при достаточно долгом накоплении сигнал всегда пересиливает, и соотношение сигнал-шум можно сделать сколь угодно хорошим, дело времени. Главное - чтобы шум не был коррелирован с сигналом.

[nedel]

Спасибо, Gall,  за обстоятельный ответ. Что касается: "Предположим для простоты, что юстировка абсолютно идеальная, сделанная инопланетянами" где-то так. Точнее - сделан безлюфтовый редуктор в котором коэфф.редукции может быть в диапазоне 0≤К≤1 и определяется конструктивом юстировки. Т.о. в К раз уменьшаются все параметры: точность, диапазон, гистерезис по отношению к традиционной. Сделана - работает с приводом актуаторами. Применение планировалось в лазере, где параметры критичны от настройки резонатора. Применение планировалось в интерферометрах большой длинны в скважинах для измерения колебаний коры земли. эксплуатация первых юстировок показала хорошую устойчивость к настройке относительно базы (основания), стабильность и т.д.

[Gall]

Без люфтов сделать не проблема, обычно делают рычажный механизм, в котором вместо осей вращения используется изгиб самого металла. А вот как быть с тем, что любой материал имеет конечный коэффициент жесткости, а значит, способен прогибаться? Как быть с тепловым расширением, ведь луч лазера неминуемо нагреет зеркало и создаст градиенты температур?

Можно даже поставить вопрос таким образом: предположим, мы просто приклеили зеркало к куску металла. Никакого механизма, ничего, просто цельный неподвижный кусок металла, жестко закрепленный. С какой точностью мы в таких условиях сможем удержать поверхность зеркала под постоянным углом к некой оси? Этот вопрос - краеугольный камень всей прецизионной оптики.

[Gall]

Что почитать: Phil Hobbs "Building Electro-Optical Systems: Making It All Work". Увы, на русский не переводилась.