专利名称：一种用于绝对式光栅尺的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明系统，特别涉及一种用于绝对式光栅尺的照明系统。
背景技术：
近年来，随着国民经济的快速发展，我国数控机床产量需求不断增加。高档数控机床是国家科技部的重大专项之一，突破单码道绝对编码技术、光电探测器集成技术及正余弦信号纠偏与细分等技术，提升国产光栅尺的性能，满足高档数控机床配套要求，填补国内空白。要保证高档数控机床的高加工精度，需要对加工过程中丝杠等传动部件由于温升造成的运动位置误差予以实时纠正，而绝对式光栅尺是高档数控系统不可或缺的位置环控制部件。绝对测量式光栅尺由光栅标尺和读数头组成。标尺光栅上刻有两条码道图案绝对码道和增量码道。绝对码道刻有基于M序列的曼切斯特编码图案；增量码道刻有等间距的明暗条纹图案。绝对式光栅尺需要同时读取标尺光栅上的绝对编码和增量码道，传统方法是采用分立器件来对这两个码道的信息进行采集。这种方案需要两个光源，两个接收器， 增加了读数头结构设计的复杂性，降低了系统的稳定性。
发明内容
为解决现有技术中绝对式光栅尺的读数头结构设计复杂，系统稳定性差，从而影响测量精度和相应速度的问题，本发明提供一种用于绝对式光栅尺的照明系统。本发明是一种用于绝对式光栅尺的照明系统，包括LED光源、孔径光阑、平面反射镜和准直透镜，LED光源与孔径光阑同轴放置，平面反射镜与光轴成45°放置，LED光源发出的光束通过孔径光阑，出射光束经孔径光阑后入射至平面反射镜反射，所述平面反射镜反射的光束入射至准直透镜，准直透镜出射准直光。本发明的有益效果本发明结构简单、体积小、重量轻；适当选取孔径光阑在保证能量利用率的同时，有效挡掉不必要的光线；通过反射镜使得光路转折，从而减小照明系统的横向尺寸，使得准直照明光源的光学与机械结构紧凑、重量轻；通过采用自动优化功能寻找最优的透镜参数，使得出射光线准直性好、平行度高；准直性、均勻性等系统指标好的照明光源用于光栅尺的测量时，测量精度高、响应速度快。
图1是本发明所述的一种用于绝对式光栅尺测量的照明系统结构图。图2是本发明所述的孔径光阑的前视图。图3是本发明所述的一种用于绝对式光栅尺测量的照明系统应用示意图。图中1、照明系统，2、光栅尺，3、指示光栅，4、集成化探测器，5、LED光源，6、孔径光阑，7、平面反射镜，8、准直透镜，8-1、准直透镜的前表面，8-2、准直透镜的后表面，9、光轴，10、上边缘光线。
具体实施方式
如图1所示本发明所述的一种用于绝对式光栅尺测量的照明系统结构图，照明系统的设计方法为首先在ZEMAX中建立系统结构，设置LED光源5波长为670nm，孔径类型取为物体的圆锥角18° ；令孔径光阑6与LED光源5的距离为4mm ；平面反射镜7与LED光源 5的距离10mm，与光轴9成45°角放置；准直透镜8沿与折转光轴垂直方向放置，距平面反射镜7的中心为5mm，透镜的材料采用PMMA，其前后表面均采用非球面；其次利用ZEMAX宏语言编写自定义优化函数把光阑分成η等分，根据ZEMAX中的光线追迹算法，由单位化的光阑坐标，采用宏语言求得η条光线在透镜后表面的出射角，并设置光线出射角的目标值为0°，即建立准直优化的自定义优化函数；最后优化光学系统设置非球面的曲率半径、 二次曲线常数、非球面系数、厚度等作为变量，根据最小二乘法原理，运行自定义优化函数进行自动优化设计，最终得到系统的各项参数。
在系统设计之前，首先需要确定设计平面反射镜7的尺寸和孔径光阑6的形状和尺寸，首先根据输出光斑的要求，选取平面反射镜7的有效尺寸，根据正弦公式，可以计算\b / sin(l 80-0-45) = 1/ sin(^)出平面反射镜7在子午面内的有效尺寸L，即A/ . μ m , . 、夂其中θ为所[o/sin(45 -θ)-I218111(6')取LED光源5的发散半角，b为沿光轴方向LED光源5与平面反射镜7间的距离，I1, I2分别为平面反射镜7在子午面内上半部分和下半部分的有效长度，即L = I^l20由输出光斑的比例8 5，设W为平面反射镜7在弧矢面内有效长度，根据物象比例关系，则有L W = 8 5，取Wl，W2分别为平面反射镜7在弧矢面内前半部分和后半部分的有效长度。同理可得[b / sin(l 80 - α - 45) = W1 / sin(a)
A/ . κ 、 ，.)、 ，其中σ为LED光源5在弧矢面内的发散半角。故 [b / sin(45 -a)-W2I sin(a)有W = Wl+W2，确定平面反射镜7的尺寸。
如图2所示本发明所述的孔径光阑的前视图，适当选取孔径光阑6的形状和尺寸， 能够在实现照明光源准直性和均勻性的基础上，提高光源有效范围内的能量利用率。孔径光阑6取为一个圆形孔径沿弧矢方向挡掉两个边缘。根据LED光源5的发散半角，子午面内光阑投影的半口径为a*tan(e)，其中a为LED光源5到孔径光阑6的距离，θ为所取 LED光源5的发散半角。沿弧矢方向的孔径光阑6的大小为a*tan(a)，其中α为LED光源5在弧矢面内的发散半角。
本发明的设计方法在于利用ZEMAX为用户提供的二次开发环境，利用宏语言编写自定义优化函数，借助ZEMAX的自动优化功能，寻找最优的系统各项参数。首先我们确定设计参数光源波长，孔径类型，各部件间的距离大�。贾蓖妇挡牧系恼凵渎�。根据光线行为，给出准直透镜前后表面的曲率半径使光线均能到达像面，作为系统的初始结构。本发明的关键技术在于对上述照明系统的优化原理，把光阑η等分，借助ZEMAX软件进行光线追迹，计算出所需光线的实际参量值，根据最小二乘原理，编写评价函数，即 Μ77=Σ二1^ (/-O2，其中、为实现光线行为应该达到的目标值Ji为实际参量值， 为权重值。
如图3所示本发明所述的一种用于绝对式光栅尺测量的照明系统应用示意图，本发明所述的照明系统1，将LED光源5发出的光形成高度准直的平行光，经光栅标尺2及指示光栅3后，将光栅标尺2的编码投影于集成化光探测器4上。集成化光探测器4获得两个码道的光电编码信号后，将绝对位置编码信号经A/D转化后，送入FPGA作译码处理，并算出读数头所在标尺光栅的粗略位置；同时将增量编码信号(正余弦信号)经A/D转化后， 也送入FPGA作细分处理，算出读数头所在标尺光栅的精细位置。粗略位置与精细位置结合后，最终算出直线光栅尺的精确位置，通过高速通讯接口将位置值输出。以上编码信号探测技术方案就是数控机床的绝对式光栅尺所采用的光电扫描原理，这种成像扫描方法能检测出非常细的线条，通常不超过几微米宽，而且能生成信号周期很小的输出信号，从而保证了高档数控机床的高加工精度。
权利要求
1.一种用于绝对式光栅尺的照明系统，其特征是，包括LED光源(5)、孔径光阑(6)、平面反射镜(7)和准直透镜(8)，LED光源(5)与孔径光阑(6)，同轴放置，平面反射镜(7)与光轴(9)成45°放置，LED光源( 发出的光束通过孔径光阑(6)出射的光束经孔径光阑 (6)后入射至平面反射镜(7)反射，所述平面反射镜(7)反射的光束入射至准直透镜(8)， 准直透镜(8)出射准直光。
2.根据权利要求1所述的一种用于绝对式光栅尺的照明系统，其特征在于，准直透镜 (8)的前表面(8-1)和后表面(8-2)为非球面。
3.根据权利要求1所述的一种用于绝对式光栅尺的照明系统，其特征在于，LED光源 (5)的上边缘光线(10)和平面反射镜(7)的交点至准直透镜(8)的后表面(8-2)之间的距离L不超过10mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于绝对式光栅尺的照明系统，其特征在于，系统的输出光斑为8mmX 5mm。
全文摘要
本发明公开了一种用于绝对式光栅尺的照明系统，属于一种照明系统。为解决现有技术中绝对式光栅尺的读数头结构设计复杂，系统稳定性差，本发明提供一种用于绝对式光栅尺的照明系统。该系统包括LED光源(5)、孔径光阑(6)、平面反射镜(7)和准直透镜(8)，所述LED光源(5)与孔径光阑(6)，同轴放置，平面反射镜(7)与光轴成45°放置，LED光源(5)发出的光通过孔径光阑(6)经平面反射镜(7)反射后入射到准直透镜(8)出射准直光。这样设计的系统结构简单、体积小、重量轻，使得出射光线准直性好、平行度高。
文档编号G01D11/28GK102494707SQ20111033802
公开日2012年6月13日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘华, 卢振武, 罗晓霞 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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