用多齿分度台标定激光小角度干涉仪

　　1　引　言

　　闭合的平面圆周角定义为360°。平面角度计量的本质是圆周角的均匀分度。在静态测量中,多齿分度台是圆周角分度准确度最高的测角装置。由于原理的限制,多齿分度台只能以齿数等分圆周角,例如360齿多齿台的最小分度为1°。小角度测量仪测角范围一般在5°之内,但能够以极小的分辨率测量很小的角度。可见,小角度测量仪与多齿分度台正好优势互补。

　　利用正弦原理可将小角度测量转化为线度测量。即只要已知直角三角形的斜边R,测量小角度的对边H,则被测角可表示为:

　　早期正弦测小角度用H/R代替sin-1(H/R),这种近似方式产生原理误差。新一代正弦测角则借助计算机按式(1)正弦原理严格计算:

　　对式(2)分析表明测角误差: 1)随被测角加大而增加,因此依照正弦原理测角范围一般限于3°~5°;2)与测量边H的相对测量误差dH/H成正比;3)与斜边R的相对标定误差dR/R成正比。依照正弦原理改型设计的迈克尔逊干涉仪组成激光干涉小角度测量仪(以下简称小角度干涉仪)[1]。图1给出一种典型小角度干涉仪的工作原理。激光干涉头(LI)发出的光束经分光镜组(BS)分成两束测量光,被反射镜组(RA)的两个立体棱镜(RR)反射返回干涉头。反射镜组安装在标准/被测转动器件的转动台(RT)上。被测转角依照正弦原理转化成反射镜组两个立体棱镜的相应线位移,被激光干涉头测量。然后以R作为测角系数,按式

　　(1)实现长度与角度的转换,通过计算机软件直接显示角度。近年来随着激光、电子和计算机技术的发展,现代激光干涉仪测量线位移已经达到极小的分辨率和很高的准确度[2]。这使式(2)中dH/H减小,小角度干涉仪测角分辨率达到10-3角秒量级。

　　初始零位误差是依照正弦原理测量角度的一项重要误差源[1],然而迄今国内外均未见报道一种较为理想的初始零位角调整方法。本文提出正反测角差调整小角度干涉仪初始零位的新方法,从根本上解决了激光小角度干涉仪初始零位调整的难题。在图1中,两个立体棱镜棱尖之间的距离对应式(1)的R,立体棱镜棱沿测量光方向的线位移对应H。理论上,只要知道R(以下称R为小角度干涉仪的测角系数),测量H,就可以从式(1)得到被测角α。在实际操作中,如果直接标定图1两立体棱镜棱尖距离,则无法达到要求的准确度。传统上先用其它方法标定一个高精度小角度块的角度值α0,作为传递标准;然后在小角度干涉仪上实测α0产生的线位移H,反推出测角系数R。本文提出一种新的激光小角度干涉仪标定方法:将小角度干涉仪的反射镜组安装到多齿分度台的转动面上,多齿台发生标准转角,直接标定小角度干涉仪。用上述方法调整初始零位并标定了中国计量科学研究院新研制的激光小角度干涉仪,不确定度达到0·03″(k=2,下文未注包含因子均为2)。