專利名稱：一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，特別涉及一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，隨著國民經濟的快速發(fā)展，我國數控機床產量需求不斷增加。高檔數控機床是國家科技部的重大專項之一，突破單碼道絕對編碼技術、光電探測器集成技術及正余弦信號糾偏與細分等技術，提升國產光柵尺的性能，滿足高檔數控機床配套要求，填補國內空白。要保證高檔數控機床的高加工精度，需要對加工過程中絲杠等傳動部件由于溫升造成的運動位置誤差予以實時糾正，而絕對式光柵尺是高檔數控系統(tǒng)不可或缺的位置環(huán)控制部件。絕對測量式光柵尺由光柵標尺和讀數頭組成。標尺光柵上刻有兩條碼道圖案絕對碼道和增量碼道。絕對碼道刻有基于M序列的曼切斯特編碼圖案；增量碼道刻有等間距的明暗條紋圖案。絕對式光柵尺需要同時讀取標尺光柵上的絕對編碼和增量碼道，傳統(tǒng)方法是采用分立器件來對這兩個碼道的信息進行采集。這種方案需要兩個光源，兩個接收器， 增加了讀數頭結構設計的復雜性，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
為解決現有技術中絕對式光柵尺的讀數頭結構設計復雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，從而影響測量精度和相應速度的問題，本發(fā)明提供一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)。本發(fā)明是一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，包括LED光源、孔徑光闌、平面反射鏡和準直透鏡，LED光源與孔徑光闌同軸放置，平面反射鏡與光軸成45°放置，LED光源發(fā)出的光束通過孔徑光闌，出射光束經孔徑光闌后入射至平面反射鏡反射，所述平面反射鏡反射的光束入射至準直透鏡，準直透鏡出射準直光。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明結構簡單、體積小、重量輕；適當選取孔徑光闌在保證能量利用率的同時，有效擋掉不必要的光線；通過反射鏡使得光路轉折，從而減小照明系統(tǒng)的橫向尺寸，使得準直照明光源的光學與機械結構緊湊、重量輕；通過采用自動優(yōu)化功能尋找最優(yōu)的透鏡參數，使得出射光線準直性好、平行度高；準直性、均勻性等系統(tǒng)指標好的照明光源用于光柵尺的測量時，測量精度高、響應速度快。


圖1是本發(fā)明所述的一種用于絕對式光柵尺測量的照明系統(tǒng)結構圖。圖2是本發(fā)明所述的孔徑光闌的前視圖。圖3是本發(fā)明所述的一種用于絕對式光柵尺測量的照明系統(tǒng)應用示意圖。圖中1、照明系統(tǒng)，2、光柵尺，3、指示光柵，4、集成化探測器，5、LED光源，6、孔徑光闌，7、平面反射鏡，8、準直透鏡，8-1、準直透鏡的前表面，8-2、準直透鏡的后表面，9、光軸，10、上邊緣光線。
具體實施方式
如圖1所示本發(fā)明所述的一種用于絕對式光柵尺測量的照明系統(tǒng)結構圖，照明系統(tǒng)的設計方法為首先在ZEMAX中建立系統(tǒng)結構，設置LED光源5波長為670nm，孔徑類型取為物體的圓錐角18° ；令孔徑光闌6與LED光源5的距離為4mm ；平面反射鏡7與LED光源 5的距離10mm，與光軸9成45°角放置；準直透鏡8沿與折轉光軸垂直方向放置，距平面反射鏡7的中心為5mm，透鏡的材料采用PMMA，其前后表面均采用非球面；其次利用ZEMAX宏語言編寫自定義優(yōu)化函數把光闌分成η等分，根據ZEMAX中的光線追跡算法，由單位化的光闌坐標，采用宏語言求得η條光線在透鏡后表面的出射角，并設置光線出射角的目標值為0°，即建立準直優(yōu)化的自定義優(yōu)化函數；最后優(yōu)化光學系統(tǒng)設置非球面的曲率半徑、 二次曲線常數、非球面系數、厚度等作為變量，根據最小二乘法原理，運行自定義優(yōu)化函數進行自動優(yōu)化設計，最終得到系統(tǒng)的各項參數。
在系統(tǒng)設計之前，首先需要確定設計平面反射鏡7的尺寸和孔徑光闌6的形狀和尺寸，首先根據輸出光斑的要求，選取平面反射鏡7的有效尺寸，根據正弦公式，可以計算\b / sin(l 80-0-45) = 1/ sin(^)出平面反射鏡7在子午面內的有效尺寸L，即A/ . μ m , . 、夂其中θ為所[o/sin(45 -θ)-I218111(6')取LED光源5的發(fā)散半角，b為沿光軸方向LED光源5與平面反射鏡7間的距離，I1, I2分別為平面反射鏡7在子午面內上半部分和下半部分的有效長度，即L = I^l20由輸出光斑的比例8 5，設W為平面反射鏡7在弧矢面內有效長度，根據物象比例關系，則有L W = 8 5，取Wl，W2分別為平面反射鏡7在弧矢面內前半部分和后半部分的有效長度。同理可得[b / sin(l 80 - α - 45) = W1 / sin(a)
A/ . κ 、 ，.)、 ，其中σ為LED光源5在弧矢面內的發(fā)散半角。故 [b / sin(45 -a)-W2I sin(a)有W = Wl+W2，確定平面反射鏡7的尺寸。
如圖2所示本發(fā)明所述的孔徑光闌的前視圖，適當選取孔徑光闌6的形狀和尺寸， 能夠在實現照明光源準直性和均勻性的基礎上，提高光源有效范圍內的能量利用率?？讖焦怅@6取為一個圓形孔徑沿弧矢方向擋掉兩個邊緣。根據LED光源5的發(fā)散半角，子午面內光闌投影的半口徑為a*tan(e)，其中a為LED光源5到孔徑光闌6的距離，θ為所取 LED光源5的發(fā)散半角。沿弧矢方向的孔徑光闌6的大小為a*tan(a)，其中α為LED光源5在弧矢面內的發(fā)散半角。
本發(fā)明的設計方法在于利用ZEMAX為用戶提供的二次開發(fā)環(huán)境，利用宏語言編寫自定義優(yōu)化函數，借助ZEMAX的自動優(yōu)化功能，尋找最優(yōu)的系統(tǒng)各項參數。首先我們確定設計參數光源波長，孔徑類型，各部件間的距離大小，準直透鏡材料的折射率。根據光線行為，給出準直透鏡前后表面的曲率半徑使光線均能到達像面，作為系統(tǒng)的初始結構。本發(fā)明的關鍵技術在于對上述照明系統(tǒng)的優(yōu)化原理，把光闌η等分，借助ZEMAX軟件進行光線追跡，計算出所需光線的實際參量值，根據最小二乘原理，編寫評價函數，即 Μ77=Σ二1^ (/-O2，其中、為實現光線行為應該達到的目標值Ji為實際參量值， 為權重值。
如圖3所示本發(fā)明所述的一種用于絕對式光柵尺測量的照明系統(tǒng)應用示意圖，本發(fā)明所述的照明系統(tǒng)1，將LED光源5發(fā)出的光形成高度準直的平行光，經光柵標尺2及指示光柵3后，將光柵標尺2的編碼投影于集成化光探測器4上。集成化光探測器4獲得兩個碼道的光電編碼信號后，將絕對位置編碼信號經A/D轉化后，送入FPGA作譯碼處理，并算出讀數頭所在標尺光柵的粗略位置；同時將增量編碼信號(正余弦信號)經A/D轉化后， 也送入FPGA作細分處理，算出讀數頭所在標尺光柵的精細位置。粗略位置與精細位置結合后，最終算出直線光柵尺的精確位置，通過高速通訊接口將位置值輸出。以上編碼信號探測技術方案就是數控機床的絕對式光柵尺所采用的光電掃描原理，這種成像掃描方法能檢測出非常細的線條，通常不超過幾微米寬，而且能生成信號周期很小的輸出信號，從而保證了高檔數控機床的高加工精度。
權利要求
1.一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，其特征是，包括LED光源(5)、孔徑光闌(6)、平面反射鏡(7)和準直透鏡(8)，LED光源(5)與孔徑光闌(6)，同軸放置，平面反射鏡(7)與光軸(9)成45°放置，LED光源( 發(fā)出的光束通過孔徑光闌(6)出射的光束經孔徑光闌 (6)后入射至平面反射鏡(7)反射，所述平面反射鏡(7)反射的光束入射至準直透鏡(8)， 準直透鏡(8)出射準直光。
2.根據權利要求1所述的一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，其特征在于，準直透鏡 (8)的前表面(8-1)和后表面(8-2)為非球面。
3.根據權利要求1所述的一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，其特征在于，LED光源 (5)的上邊緣光線(10)和平面反射鏡(7)的交點至準直透鏡(8)的后表面(8-2)之間的距離L不超過10mm。
4.根據權利要求1所述的一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)的輸出光斑為8mmX 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)，屬于一種照明系統(tǒng)。為解決現有技術中絕對式光柵尺的讀數頭結構設計復雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，本發(fā)明提供一種用于絕對式光柵尺的照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括LED光源(5)、孔徑光闌(6)、平面反射鏡(7)和準直透鏡(8)，所述LED光源(5)與孔徑光闌(6)，同軸放置，平面反射鏡(7)與光軸成45°放置，LED光源(5)發(fā)出的光通過孔徑光闌(6)經平面反射鏡(7)反射后入射到準直透鏡(8)出射準直光。這樣設計的系統(tǒng)結構簡單、體積小、重量輕，使得出射光線準直性好、平行度高。
文檔編號G01D11/28GK102494707SQ20111033802
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權日2011年10月31日
發(fā)明者劉華, 盧振武, 羅曉霞 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所