双光楔高精度角度发生器设计

　　引 言

　　双光楔由两个具有一定楔角的光学平板玻璃组成，光线垂直入射光楔的前表面后经过一系列的折射，从后表面出射产生一定的偏向角。早在 70 年代，一般精度等级的光楔被用来作为体视测距机的标定器具，用经过标定后的光楔偏向角，作为体视视差角值在平行光管的光路中模拟体视测距机的目标检验体视 测距机的测量误差[1]。现在可用双光楔的组合产生不同偏角的平行光来对光电测量系统进行测角精度标定。这里主要对该系统的重要组成部分—光楔，进行了详 细的讨论，指出了实现高精度角度输出的要点。同时，还讨论高精度双光楔角度发生器的设计原理、系统设计方案、精度分析、实验结果等。

　　1 双光楔标定系统设计方案

　　1.1 设计原理

　　光楔是顶角很小的棱镜，利用棱镜的折射性实现光路的偏折，从而实现提供不同角位置光源。首先讨论光线在主截面内的折射情况：若折射率为μ，AB 为入射光线，DE 为光线经棱镜折射后的出射光线。光线DE 相对于入射光线 AB 的偏向角为δ ，则有[2]

　　下面分析光线经过棱镜主截面外的折射情况：

　　当入射及折射光线都不在主截面内时，用矢量形式的折射定律讨论较合适。在图中，由矢量 A′ 所定的光线S1由空气射入棱镜，变成 M1M2方向(矢量A″ )，并沿矢量 A ′′ ′的方向射入空气中，棱镜的顶角为 a;二折射面的法线为 n1及 n2，都迎向光线的方向。矢量和棱的夹角各为 θ1，θ2，θ3。

　　由折射定律

　　矢量上加一横者，表示三矢量在主截面内分量的单位矢量。经过严密的推导，我们可以得到这样的结论，沿 P 方向的分量对光线的偏折没有贡献，光线只在平行主截面的方向(主截面内)发生偏折。

　　假设所有光线在主截面内的分矢量就可把图2 的情况等效为光线沿主截面入射的情况如图3。此时, 只要把ì 代替前面的 ì 即可。其中

　　则光线通过双光楔在物镜的焦平面上所成的光点则能覆盖一定角度的圆视场。可以实现一定视场的任意角位置的标准光线。光线和焦平面交点的轨迹如式

　　可旋转光楔的系统结构图如图4 所示。由计算机和单片机组成的控制系统驱动电机的精确转动，使光线偏折预定的角度和方向;角度传感器对光楔的转动进行角度显示和角度跟随;用户方软件实现数据的分析、计算、处理。

　　1.2 关键技术的实现

　　(a)光楔由于所要求的精度要达到角秒级，必须考虑光楔的色散性，采用消色散光楔。棱角的色散率为