高精度测量光学角规偏向角

以上介绍的几种测角技术的应用都是基于测角仪实现的，本节将介绍利用干涉和测长方法实现标准光学角规偏向角的测角原理和方法。

1.标准光学角规及其应用

工作面间具有一定楔角的玻璃平板通常称为光楔或楔形镜，光线通过光楔时出射光线方向对入射光线方向的偏折角称为偏向角。经过严格标定偏向角值的光楔称为标准光学角规。由于光学角规能在透射光路的水平或垂直面内产生偏向角，所以可用于检定高精度自准直仪、圆分度检验仪等的示值误差或细分误差，也可检定测角仪、光学经纬仪、分度头、分度台等仪器的测微系统，以及各种小角度工作计量器具的示值误差。近年光学角规已作为计量基准器具列入JJG 2057−90国家平面角计量器具检定系统中。

2.光学角规偏向角的测量原理

图4−15所示为泰曼干涉仪中的测试光路部分，其中B为被测光学角规，M1为测试反射镜，光束垂直光学角规前表面入射，经光学角规在主截面内偏折后垂直射向测试反射镜，形成一自准光路。因为此时干涉场中各点光程相等，所以将呈现明暗均匀的一片色。当光学角规处于如图实线所示的起始位置时，光线ABC的光程应等于光线PQ的光程，所以有

当光楔沿其主截面与前表面交线的方向平移距离l后，光楔位置如图中虚线所示，则类似有

式中，n和ne分别为光楔和空气对测量波长的折射率。

图4−15　光学角规偏向角测量原理图

光楔移动前后的光程变化量显然为

令上式

式中，m为与光程变化量对应的干涉级次变化量；λ1为测量光线的波长。

如图4−15所示，式（4−16）

所以式（4−16）可改写为

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整理得

式（4−17）即为测量光学角规偏向角的原理公式，由此式可见，只要分别测出光楔的移动距离l和对应的干涉级次变化量m，即可直接求出被测光楔的偏向角δp，而无须分别测量光学角规的楔角θ和折射率n。

3.测量仪器和测量方法

图4−16所示为国家检定规程JJG 850—93推荐采用、我国自行研制成功的光电光楔测角仪的光学系统总图，图中虚线框内为激光测长系统，其余为主干涉系统。

图4−16　光电光楔测角仪光学系统图

测量时，首先利用可调的角规镜座和自准直望远镜（由准直物镜L2、反射镜M3、阿贝式自准直目镜Z组成）将被测光学角规B的主截面严格调整到与角规B、可动角隅棱镜Q1的移动导轨平行，并使光学角规入射面垂直测试光束。光源O经聚光镜C、滤光镜R成像于小孔光阑D入处，经准直物镜L1射出一平行光，再由分束镜F分解成两束平行光，其中一束经由参考镜M2反射后进入准直物镜L2，另一束透过光学角规经测试镜M1反射后也进入准直物镜L2，调整测试镜M1，使由它反射的自准像与由参考镜M2反射的自准像彼此重叠。移动参考镜M2使两支光路的光程大致相等，这时人眼位于光阑D出处，将看到视场中出现对比度很好的等厚干涉条纹，进一步微调测试镜M1至全视场均匀一片色。

如果被测光学角规B沿其主截面方向与可动角隅棱镜Q1一起在工作台上移动，这时干涉场中各点因光学角规的厚度变化而引起光程差的变化，于是整个干涉场将明暗交替变化。借助于分束棱镜K2将明暗变化信号引入光电倍增管G，通过G接收的变化数目m和对应的光学角规位移量l，由式（4−17）求出光学角规偏向角值。

实际仪器中是由一整套电器控制系统和计算机来完成自动测量，并直接显示和打印测量结果的。这方面的内容可通过实验来学习。

4.误差分析

这里简要介绍产生误差的因素及指标。

（1）主干涉条纹的光电对准误差可达Δm≤1/70。

（2）主干涉条纹漂移是由环境不稳定和气流的影响引起。实验证明，每分钟漂移量小于1/50干涉带宽。

（3）激光干涉测长系统的计数误差。这一项对测长误差影响很小，可忽略不计。

（4）所采用两种单色光波长变化引入的误差。主系统和测长系统的两种单色光波长准确度Δλ1、Δλ2均为0.000 5～0.005 nm时，将会引入计算误差。

（5）光学角规表面残余光圈对测量结果的影响。一般要求表面面形为N=0.1，ΔN=0.05。

（6）光学角规主截面安装调整误差。一般偏向角δp越大，要求主截面与导轨不平行度越严格。

（7）光学角规前表面与光轴垂直度偏差对偏向角δp的影响。理论计算证明，当垂直度偏差小于5′，光楔楔角θ≤30′时，由此引起的偏向角误差小于

（8）测量环境的影响。测量应在标准环境下进行，即温度T=20 ℃，气压p=101 325 Pa，相对湿度为75%，偏离标准环境条件就要进行修正。有关空气折射率的修正方法可参看参考书的有关内容。