專利名稱：一種用于絕對(duì)式光柵尺的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，特別涉及一種用于絕對(duì)式光柵尺的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量需求不斷增加。高檔數(shù)控機(jī)床是國(guó)家科技部的重大專項(xiàng)之一，突破單碼道絕對(duì)編碼技術(shù)、光電探測(cè)器集成技術(shù)及正余弦信號(hào)糾偏與細(xì)分等技術(shù)，提升國(guó)產(chǎn)光柵尺的性能，滿足高檔數(shù)控機(jī)床配套要求，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。要保證高檔數(shù)控機(jī)床的高加工精度，需要對(duì)加工過程中絲杠等傳動(dòng)部件由于溫升造成的運(yùn)動(dòng)位置誤差予以實(shí)時(shí)糾正，而絕對(duì)式光柵尺是高檔數(shù)控系統(tǒng)不可或缺的位置環(huán)控制部件。絕對(duì)測(cè)量式光柵尺由光柵標(biāo)尺和讀數(shù)頭組成。標(biāo)尺光柵上刻有兩條碼道圖案絕對(duì)碼道和增量碼道。絕對(duì)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(duì)式光柵尺需要同時(shí)讀取標(biāo)尺光柵上的絕對(duì)編碼和增量碼道，傳統(tǒng)方法是采用分立器件來對(duì)這兩個(gè)碼道的信息進(jìn)行采集。這種方案需要兩個(gè)光源，兩個(gè)接收器， 增加了讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中絕對(duì)式光柵尺的讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，從而影響測(cè)量精度和相應(yīng)速度的問題，本發(fā)明提供一種用于絕對(duì)式光柵尺的照明系統(tǒng)。本發(fā)明是一種用于絕對(duì)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(zhǔn)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(jīng)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(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直透鏡出射準(zhǔn)直光。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；適當(dāng)選取孔徑光闌在保證能量利用率的同時(shí)，有效擋掉不必要的光線；通過反射鏡使得光路轉(zhuǎn)折，從而減小照明系統(tǒng)的橫向尺寸，使得準(zhǔn)直照明光源的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；通過采用自動(dòng)優(yōu)化功能尋找最優(yōu)的透鏡參數(shù)，使得出射光線準(zhǔn)直性好、平行度高；準(zhǔn)直性、均勻性等系統(tǒng)指標(biāo)好的照明光源用于光柵尺的測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快。


圖1是本發(fā)明所述的一種用于絕對(duì)式光柵尺測(cè)量的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)式光柵尺測(cè)量的照明系統(tǒng)應(yīng)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(cè)器，5、LED光源，6、孔徑光闌，7、平面反射鏡，8、準(zhǔn)直透鏡，8-1、準(zhǔn)直透鏡的前表面，8-2、準(zhǔn)直透鏡的后表面，9、光軸，10、上邊緣光線。
具體實(shí)施方式
如圖1所示本發(fā)明所述的一種用于絕對(duì)式光柵尺測(cè)量的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為首先在ZEMAX中建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置LED光源5波長(zhǎng)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(zhǔn)直透鏡8沿與折轉(zhuǎn)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(shù)把光闌分成η等分，根據(jù)ZEMAX中的光線追跡算法，由單位化的光闌坐標(biāo)，采用宏語言求得η條光線在透鏡后表面的出射角，并設(shè)置光線出射角的目標(biāo)值為0°，即建立準(zhǔn)直優(yōu)化的自定義優(yōu)化函數(shù)；最后優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置非球面的曲率半徑、 二次曲線常數(shù)、非球面系數(shù)、厚度等作為變量，根據(jù)最小二乘法原理，運(yùn)行自定義優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先需要確定設(shè)計(jì)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(jù)輸出光斑的要求，選取平面反射鏡7的有效尺寸，根據(jù)正弦公式，可以計(jì)算\b / sin(l 80-0-45) = 1/ sin(^)出平面反射鏡7在子午面內(nèi)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(nèi)上半部分和下半部分的有效長(zhǎng)度，即L = I^l20由輸出光斑的比例8 5，設(shè)W為平面反射鏡7在弧矢面內(nèi)有效長(zhǎng)度，根據(jù)物象比例關(guān)系，則有L W = 8 5，取Wl，W2分別為平面反射鏡7在弧矢面內(nèi)前半部分和后半部分的有效長(zhǎng)度。同理可得[b / sin(l 80 - α - 45) = W1 / sin(a)
A/ . κ 、 ，.)、 ，其中σ為L(zhǎng)ED光源5在弧矢面內(nèi)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(dāng)選取孔徑光闌6的形狀和尺寸， 能夠在實(shí)現(xiàn)照明光源準(zhǔn)直性和均勻性的基礎(chǔ)上，提高光源有效范圍內(nèi)的能量利用率?？讖焦怅@6取為一個(gè)圓形孔徑沿弧矢方向擋掉兩個(gè)邊緣。根據(jù)LED光源5的發(fā)散半角，子午面內(nèi)光闌投影的半口徑為a*tan(e)，其中a為L(zhǎng)ED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L(zhǎng)ED光源5在弧矢面內(nèi)的發(fā)散半角。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)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(shù)，借助ZEMAX的自動(dòng)優(yōu)化功能，尋找最優(yōu)的系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)。首先我們確定設(shè)計(jì)參數(shù)光源波長(zhǎng)，孔徑類型，各部件間的距離大小，準(zhǔn)直透鏡材料的折射率。根據(jù)光線行為，給出準(zhǔn)直透鏡前后表面的曲率半徑使光線均能到達(dá)像面，作為系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)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(jìn)行光線追跡，計(jì)算出所需光線的實(shí)際參量值，根據(jù)最小二乘原理，編寫評(píng)價(jià)函數(shù)，即 Μ77=Σ二1^ (/-O2，其中、為實(shí)現(xiàn)光線行為應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)值Ji為實(shí)際參量值， 為權(quán)重值。
如圖3所示本發(fā)明所述的一種用于絕對(duì)式光柵尺測(cè)量的照明系統(tǒng)應(yīng)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(zhǔn)直的平行光，經(jīng)光柵標(biāo)尺2及指示光柵3后，將光柵標(biāo)尺2的編碼投影于集成化光探測(cè)器4上。集成化光探測(cè)器4獲得兩個(gè)碼道的光電編碼信號(hào)后，將絕對(duì)位置編碼信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后，送入FPGA作譯碼處理，并算出讀數(shù)頭所在標(biāo)尺光柵的粗略位置；同時(shí)將增量編碼信號(hào)(正余弦信號(hào))經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后， 也送入FPGA作細(xì)分處理，算出讀數(shù)頭所在標(biāo)尺光柵的精細(xì)位置。粗略位置與精細(xì)位置結(jié)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(hào)探測(cè)技術(shù)方案就是數(shù)控機(jī)床的絕對(duì)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(cè)出非常細(xì)的線條，通常不超過幾微米寬，而且能生成信號(hào)周期很小的輸出信號(hào)，從而保證了高檔數(shù)控機(jī)床的高加工精度。
權(quán)利要求
1.一種用于絕對(duì)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(zhǔn)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(jīng)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(zhǔn)直透鏡(8)， 準(zhǔn)直透鏡(8)出射準(zhǔn)直光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于絕對(duì)式光柵尺的照明系統(tǒng)，其特征在于，準(zhǔn)直透鏡 (8)的前表面(8-1)和后表面(8-2)為非球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于絕對(duì)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(diǎn)至準(zhǔn)直透鏡(8)的后表面(8-2)之間的距離L不超過10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于絕對(duì)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(duì)式光柵尺的照明系統(tǒng)，屬于一種照明系統(tǒng)。為解決現(xiàn)有技術(shù)中絕對(duì)式光柵尺的讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，本發(fā)明提供一種用于絕對(duì)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(zhǔn)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(jīng)平面反射鏡(7)反射后入射到準(zhǔn)直透鏡(8)出射準(zhǔn)直光。這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，使得出射光線準(zhǔn)直性好、平行度高。
文檔編號(hào)G01D11/28GK102494707SQ20111033802
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉華, 盧振武, 羅曉霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所