高精密位移传感器是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志。常见的高精密位移传感器以光学位移传感器为主,其中应用范围最广泛的是激光干涉仪和光栅。前者因光路直接暴露于工作环境中,存在抗干扰性差、对工作环境要求高、制造成本高等不足之处;后者因测量精度依赖于栅距的制造精度和空间细分,故存在制造工艺复杂、光栅尺制造设备价格极其昂贵等制约因素;因此,作者所在课题组开展了降低制造难度的高精度光场式时栅传感器的研究。在前期单光场时栅传感器测量原理被验证的基础上,本文深入分析了光场分布特征,并开展了光场分布误差分析和优化方面的研究。主要研究工作如下:(1)深入研究了光源的光场分布特征。研究了光强均匀性和准直性的二次配光设计,并且分别建立了光强均匀的光源仿真模型与光强均匀和准直的光源仿真模型。通过与实际LED光强分布曲线对比,进一步优化了采用光源仿真模型进行光场分布特征分析的方法。同时,为了详细分析光场分布误差,把光源仿真模型引入了传感器仿真模型进行深入研究。(2)研究了补偿光场分布误差的优化方法。根据光源光场分布特征分别建立了光强均匀性的误差理论模型与散射角的误差理论模型,并且通过理论模型详细分析了光场分布误差规律。同时,从理论和仿真两个方面对透光栅面面形和排布结构进行分析,并提出了一种中心对称分布的连续余弦透光栅面的优化方法。(3)研制了单光场时栅传感器测量样机,并进行多种栅面结构的对比实验。实验验证了关于光场分布特征分析的正确性,同时表明:采用光场分布误差优化后的传感器样机,周期内误差从0.79μm减少到0.4μm,在500mm测量范围内采用0.6mm栅距,其测量结果与参考基准偏差为±2.7μm。综上所述,本文对光源的光场分布特征进行从简单到复杂的深入研究,分析了朗伯型LED光场分布特征以及LED二次配光后的光场分布特征。根据光源的光场分布特征详细分析了光场分布误差,提出了相应的优化方法,并研制了相应的传感器样机。以上研究为光场式时栅传感器实现高精度测量和后期市场化推广垫定了理论和实践基础。