CN102384721A - 用于同时测量两个表面区域的双光束彩色点传感器系统的操作方法 - Google Patents

Abstract

用于同时测量两个表面区域的双光束彩色点传感器系统的操作方法。一种系统和方法提供被操作成能够同时测量两个表面区域的双光束彩色点传感器(CPS)系统。在一个实施方式中，单光束CPS光学笔可安装有双光束组件。系统的第一和第二测量光束可以分别定位于第一和第二表面区域，并且均将光反射穿过双光束CPS的共焦孔。确定至少一组测量数据，所述测量数据包括从第一测量光束产生的第一测量数据和从第二测量光束产生的第二测量数据。至少第一个表面区域可以移动以在多个位置获得测量数据组。利用极细微的分辨率(例如，至少与10nm一样细微)确定各测量数据。系统和方法满足如下应用：无需使用干涉仪或其他贵且复杂的元件就能要求这样的分辨率和精度。

Description

用于同时测量两个表面区域的双光束彩色点传感器系统的操作方法

技术领域

本申请总体上涉及精确测量仪器，并且更特别地涉及彩色点传感器系统(chromatic point sensor system)的操作方法，在该彩色点传感器系统中，使用附加的光学元件产生用于同时测量两个表面区域的双光束。 

背景技术

受控色像差技术可以用于距离感测度量应用。如1986年第17卷第6期第279-282页的Optics(Paris)上的G.Molesini和S.Quercioli的“Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration”所说明的那样，受控纵向色像差(这里也称作轴向色散)可以被引入光学成像系统，使得成像系统的焦距随着波长而变化，这提供了光学度量手段。特别地，能够设计后焦距(BFL)为波长的单调函数的透镜。在白光操作中，这样的透镜呈现能够用作距离感测应用的光谱探针的轴向散焦彩色带。 

作为另一示例，全部内容通过引用合并于此的美国专利No.7,477,401公开了具有轴向色像差(也称作轴向或纵向色散)的光学元件可以用于聚焦宽带光源，使得到焦点的轴向距离随着波长而变化。因此，仅一种波长被精确地聚焦于表面，并且该表面的轴向距离或高度决定哪种波长被最好地聚焦。当光从该表面反射时，光被重新聚焦到诸如针孔等小检测器孔和/或光纤的端部。当从表面反射时，只有良好地聚焦于该表面的波长良好地聚焦于针孔和/或光纤。其他所有的波长不佳地聚焦于光纤，所以不能将很多能量耦合到光纤中。因此，对于与物体高 度对应的波长来说信号水平最好。检测器处的光谱仪测量各波长的信号水平，这有效地表明物体高度。 

某些制造商将适用于工业安装范围的彩色共焦的实用的和紧凑的光学组件称作彩色共焦点传感器和/或“光学笔”。测量Z高度的光学笔仪器的一个示例是由STIL，S.A.of Aix-en-Provence，France(STIL S.A.)制造的光学笔仪器。作为具体示例，型号为OP 300NL的S TIL光学笔测量Z高度并且具有300微米范围。 

在共同转让的美国专利No.7,626,705(′705专利)中说明了彩色共焦点传感器的另一构造，该专利的全部内容通过引用合并于此。′705专利公开了提供改进的光通量和改进的光点尺寸的透镜构造，所述光点尺寸使得与各种可购买的构造相比改进了测量分辨率。 

对于各种应用，可以期望改进当前可获得的光学笔的各方面的操作(例如，在不同表面和/或在不同范围同时测量多个点的能力等)。本发明旨在提供改进的彩色点传感器的操作方法，在该传感器中，使用附加的光学元件产生用于同时测量两个表面区域的双光束。 

发明内容

本内容用于以简化的形式介绍构思的选择，所述构思在下面的具体实施方式部分中进一步说明。本内容不等同于所要求保护的主题的关键特征，也不用于辅助确定所要求保护的主题的范围。 

提供一种彩色共焦点传感器系统，其包括双光束彩色共焦点传感器笔装置。双光束彩色共焦点传感器笔(也称为光学笔)被构造为使得包括来自光学笔的光的第一测量光束可以被定位 于(例如，工件的)第一表面区域并且包括来自光学笔的光的第二测量光束可以同时被定位于第二表面区域，从第一和第二测量光束产生的测量光可以穿过光学笔和共焦孔(confocal aperture)而被收回。 

在本发明的一些实施方式中，提供可以被安装到彩色共焦点传感器笔的端部的双光束组件。在不存在双光束组件的情况下，彩色共焦点传感器笔提供具有测量范围R的单个源头光束。在一个实施方式中，双光束组件包括：安装元件，其被构造为安装到彩色共焦点传感器笔的端部；以及第一反射元件，其被安装到安装元件。第一反射元件被定位于来自光学笔的源头光束中(例如，定位于源头光束的包括色像差的会聚部分中)并且将源头光束分成第一测量光束和第二测量光束。双光束组件沿着第一测量轴线输出第一测量光束并沿着第二测量轴线输出第二测量光束，并且将从第一和第二测量光束产生的工件测量光返回到彩色共焦点传感器笔。 

在本发明的一些实施方式中，在一个实施例中，第一反射元件可以包括由反射区域和透射区域构成的图案。在一个实施方式中，反射区域可以包括平面反射镜区域，透射区域可以包括开口孔。在一个实施例中，图案可以形成为蚀刻的孔图案，其中部分光束透过孔(例如，贯穿诸如硅片等薄材料或金属板等的孔)并且光束的一些部分从孔隔膜或板的未蚀刻的材料区域反射。在某些实施方式中，使用这样的孔技术可能优于使用在某些实施例中可能引起透射光束的像差的光束分光器立方体等。在其他实施方式中，可以使用校正技术补偿由任何透射元件(例如，光束分光器、棱镜元件等)导致的任何像差的影响。 

在本发明的一些实施方式中，第一反射元件的反射区域在源头光束中具有总反射面积并且透射区域在源头光束中具有总 透射面积，总反射面积可以在总透射面积的特定百分比(例如，+/-25％)内。在某些实施方式中，总反射面积可以与总透射面积具有特定的差(例如，至少+/-5％)。在某些实施例中，反射区域和透射区域的图案可以被大体上设计成具有跨越其中心的反射对称性。 

在本发明的一些实施方式中，包括被构造为使第二测量光束沿着第二测量轴线偏转的第二反射元件。在一个实施方式中，第二反射元件包括平面的第一表面反射镜。 

在本发明的一些实施方式中，双光束组件被构造为使得第一和第二反射元件的平面反射面彼此平行。在另外的实施方式中，第一和第二反射元件的平面反射面彼此正交。 

在本发明的一些实施方式中，在各构造中，可以使用于第一测量光束的第一测量轴线和用于第二测量光束的第二测量轴线被取向为实现选出的测量操作。例如，测量轴线可以在与光学笔的光轴相同的方向、与所述光轴横切(例如，正交)、彼此横切(例如，正交)、共面、相反的方向等上取向。 

可以理解的是，第一和第二测量光束彼此正交的构造可以用于多种测量(例如，测量两个表面之间的变化角、同时测量底部和侧壁的表面粗糙度等)。可以理解的是，第一和第二测量光束沿着平行的测量轴线被引导的构造也可以用于多种测量(例如，测量台阶高度等)。该方法与现有技术相比的优点包括：共模表面波纹(例如，由于切削工具漂移或振动而产生)不影响沟或台阶尺寸测量；可以由单个笔实现两个测量；以及笔和/或测量表面不需要横向地来回移动以提供沿着不同的轴线或线的一系列测量数据，这相应地提供更快的测量并提高了精度(即，消除了振动、台架运动等)。此外，该方法允许使用单个光学笔同时在不同的测量范围上进行两个测量。此外，双光束 组件可以被容易地安装到传统的光学笔用以提供多个测量点功能。期望测量台阶高度的实施例的具体示例包括PCB走线(track)高度、硅晶片层厚(例如，不透明层的厚度)、集成电路上的元件、MEMS度量、沿着直边的槽、O型环槽等。 

对于某些类型的测量(例如，沿着直边的槽或O型环槽的测量)，在一个实施例中，光学笔或被测量表面可以通过马达驱动附件彼此相对移动(例如，对于直边来说直线移动，对于O型环槽来说转动)，使得可以沿着待测的整个特征的长度实现连续测量。在其他实施例中，可以测量台架的直线度或平坦度。此外，在某些实施例中，可以测量台架的动态滚动、节距或横摆。在没有本发明的双光束组件的情况下，在现有技术中利用趋于变贵且变庞大的干涉仪和特定光学部件来进行某些这些类型的测量。本发明的双光束组件相比于这样的现有技术干涉仪构造的优点在于，本发明的双光束组件容易建立、较便宜(即，光学部件较简单)，并且占据较小空间(即，光学部件较小等)。 

在本发明的一些实施方式中，安装元件可以包括至少一个外对准面，该外对准面与第一和第二测量轴线中的一方平行或正交。在另一实施方式中，安装元件包括界面，该界面被构造为当其抵接彩色共焦点传感器笔的界面时，第一和第二测量轴线中的至少一方与彩色共焦点传感器笔的光轴平行或正交。 

在本发明的一些实施方式中，双光束组件包括用于相对于安装元件定位第一反射元件的可调支架，使得第一反射元件的反射平面被可调地沿着源头光束的轴线定位。在另一实施方式中，双光束组件包括用于相对于彩色共焦点传感器笔定位安装元件的可调支架，使得第一反射元件的反射平面被可调地沿着源头光束的轴线定位。在另一实施方式中，双光束组件包括用于相对于第一安装元件定位第二反射元件的可调支架，使得第 二反射元件的反射平面被可调地沿着第二测量光束的轴线定位。这样的实施方式可以用于调整由双光束组件提供的两个测量范围之间的关系。 

根据本发明的另一方面，在一些实施方式中，第一反射元件的反射面和第二反射元件的反射面之间的沿着第二测量光束的距离SEPP小于彩色共焦点传感器笔的最大焦距MF。在一个实施方式中，距离SEPP小于测量范围R。可以理解的是，在间隔SEPP小于测量范围R的情况下，系统可以被理想地设计，以进行落入范围R内的两个测量(例如，对于相同表面上的两个测量或对于小台阶)。在另一实施方式中，距离SEPP至少是测量范围R。可以理解的是，在间隔距离SEPP至少等于测量范围R的情况下，这允许笔的有效测量范围基本上延伸超过其标准范围(例如，用于测量比光学笔的标准测量范围高的台阶高度等)。 

在本发明的一些实施方式中，如果待测的两个表面之间的距离大于由光学笔的光学部件固有地提供的测量范围(即，如果间隔距离SEPP等于或大于测量范围R)，则双光束组件可以被构造成提供偏移，使得第一测量光束在第一名义间距上提供第一测量范围，且第二测量光束在第二名义间距上提供第二名义测量范围。作为具体的数字示例，如果光学笔的通常测量范围R被初始地设计成通过调整间隔距离SEPP仅覆盖50微米，则可以使测量范围在50微米(由此保守地覆盖至少大致50微米至100微米台阶高度范围)或100微米(由此保守地覆盖至少大致100微米至150微米台阶高度范围)或150微米(由此保守地覆盖至少大致150微米至200微米台阶高度范围)等处开始。可以理解的是，这样的构造在下述情况下显著优于已有的光学笔：如果期望测量被分开比光学笔的测量范围大的距离的两个表面(例如，两个表面之间具有台阶高度)，则每次期望在测量两个表面 之间来回切换时，光学笔或表面的物理位置需要在Z方向上调整。相反，根据本发明，通过使用适当地构造的双光束组件，可以同时获得这样的测量，而不需要在Z方向上额外地移动光学笔。作为进一步显著的优点，如果要获取多个测量点(例如，不仅在一个测量位置而是沿着边缘在多个测量点处连续地测量台阶高度)，光学笔或待测工件可以被放置于可动构件(例如，轴承、台架、转动构件等)并且以沿着边缘扫描的方式移动，使得能够容易地获得多个连续测量数据而不需要Z方向上的额外移动。 

在大多数应用中，通常期望偏移被设定为与待测的两个表面之间的Z高度差不同。更具体地，关于与待测的第一和第二表面对应的第一和第二光谱峰值之间的沿着检测器测量轴线的距离，可以理解的是，如果偏移距离等于两个表面之间的Z高度差，则两个光谱峰值将大致彼此重叠。因此，对于两个表面之间的待测的给定的Z高度差，通常期望将系统构造为使得偏移距离与Z高度差不同到足以使得两个测量高度的光谱峰值能够被区分到期望的程度。然而，还可以理解的是，在某些实施方式中，还期望该Z高度差小到足以使得两个光谱峰值均落入检测器测量轴线的期望范围内，从而使两个峰值能够在同一检测器上测量。 

在本发明的一些实施方式中，关于与光谱峰值相关的信号的幅值，期望使来自第一和第二测量光束的两个信号尽可能大，以实现最高容许能力和最高速度的测量。在可选实施方式中，如果期望能够根据第一测量光束的幅值和第二测量光束的幅值彼此区分第一和第二测量光束，在某些实施例中，可以有意地使第一和第二测量光束中的一方比另一方具有小信号强度，从而能够进一步区分光束。 

在本发明的一些实施方式中，光学笔的光学部分的透镜可以被分成位于光学笔的单光束部分的端部处的透镜和位于双光束组件的端部处的一个或多个透镜。在一个具体实施例中，在通过双光束组件的光路的端部处为双测量光束中的各方设置单独的透镜。可以理解的是，通过将透镜设置为与光学笔的单光束部分分开的元件，在透镜的设计和选择中允许更大的灵活性，包括使用具有特定期望特性的透镜(例如，使用具有相同或不同的轴向色散特性的透镜等)。 

根据本发明的一个方面，提供一种用于大致同时或同时测量两个不同表面区域的双光束彩色点传感器系统的操作方法。在该方法的一个实施方式中，双光束彩色点传感器系统可以包括具有共焦孔并安装有双光束组件的光学笔。在另一实施方式中，双光束彩色点传感器系统可以包括具有共焦孔并且具有定位于两个透镜之间的双光束组件的光学笔，所述透镜提供通常与彩色点传感器的光学笔相关联的纵向色像差。在该方法的各实施方式中，来自系统的第一测量光束被定位于第一表面区域并且来自系统的第二测量光束被定位于第二表面区域。如此处所用的，术语“工件”指的是反射测量光束并且能够相对于光学笔移动的任何元件。从第一和第二测量光束产生的测量光穿过光学笔和共焦孔被收回。确定至少一组测量数据，所述测量数据包括从第一测量光束产生的第一测量数据和从第二测量光束产生的第二测量数据。基于至少一组测量数据，确定工件特征测量数据和工件特征位置变化中的至少一方。在一个实施方式中，利用相对细微的分辨率(例如，至少与10nm一样细微)确定各测量数据。可以理解的是，本发明的系统无需使用干涉仪或其他更复杂的系统就能实现这样高精度的测量。 

在一些实施方式中，第一表面区域和彩色共焦点传感器系 统中的至少一方相对于另一方移动，以获得多组测量数据。在一些实施方式中，该移动使得第一测量光束沿着第一表面区域扫描并且第二测量光束沿着第二表面区域扫描以获得多组测量数据。在各实施方式中，相对运动可以是直线运动，或可以通过转动工件而实现。在一些实施方式中，彩色共焦点传感器系统被构造为使得与第一测量光束对应的第一测量范围和与第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移大于彩色共焦点传感器系统的测量范围R的5％，以在系统的检测器上提供能单独区分的信号峰值。在一些实施方式中，彩色共焦点传感器系统被构造为使得与第一测量光束对应的第一测量范围和与第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移小于彩色共焦点传感器系统的测量范围R。 

在一些实施方式中，提供一种用于构造测量槽深/台阶高度用的双光束彩色点传感器系统的方法。例如，第一和第二测量光束可以平行地取向，并且第一表面区域可以是槽底和下台阶表面区域中的至少一方，第二表面区域可以是槽肩和上台阶表面区域中的至少一方，多组测量数据表明了槽或台阶在沿着槽或台阶的多个位置处的高度和高度变化中的至少一方。在一些这样的实施方式中，彩色共焦点传感器系统可以被构造成使得与第一测量光束对应的第一测量范围和与第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移减去与槽或台阶的名义高度尺寸对应的值小于彩色共焦点传感器系统的测量范围R并且至少是测量范围R的5％。 

在一些实施方式中，提供一种用于构造测量槽/间隙宽度和/或位置用的双光束彩色点传感器系统的方法。例如，第一和第二测量光束可以在相反的方向上取向，并且第一表面区域位于槽或间隙的第一侧面，第二表面区域位于槽或间隙的与第一侧 面相反的第二侧面，多组测量数据表明了槽或间隙在沿着槽或间隙的多个位置处的宽度和宽度变化中的至少一方。 

在一些实施方式中，提供一种用于构造测量表面跳动/支承跳动用的双光束彩色点传感器系统的方法。例如，第一和第二测量光束可以平行地取向，第一表面区域是跳动表面(runout surface)区域，第二表面区域是相对于彩色共焦点传感器系统固定的基准表面区域，多组测量数据表明了跳动表面相对于基准表面在沿着跳动表面的多个位置处的高度和高度变化中的至少一方。在一些这样的实施方式中，彩色共焦点传感器系统可以被构造为使得与第一测量光束对应的第一测量范围和与第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移减去与跳动表面和基准表面之间的名义高度差对应的值小于彩色共焦点传感器系统的测量范围R并且至少是测量范围R的5％。 

在一些实施方式中，提供一种用于构造测量表面/支承滚动或节距vs运动用的双光束彩色点传感器的方法。例如，第一和第二测量光束被平行地取向，第一表面区域和第二表面区域位于工件上，在获得多组测量数据期间，第一测量光束的测量轴线和第二测量光束的测量轴线具有间隔，所述间隔限定与运动方向垂直的间隔距离SEPPROLL和与运动方向平行的间隔距离SEPPPITCH。在一些这样的实施方式中，如果间隔小于彩色共焦点传感器系统的测量范围R，则是有利的。在一些这样的实施方式中，多个测量数据与间隔距离SEPPROLL的值结合使用以确定工件绕与运动方向平行的轴线的角滚动(angular roll)。在一些这样的实施方式中，多组测量数据与间隔距离SEPPPITCH的值结合使用以确定工件绕与运动方向平行的轴线的角节距(angular pitch)。 

在一些实施方式中，提供用于双光束组件的机器视觉系统 安装使用装置，并且使用机器视觉系统安装使用装置执行该方法。 

在一些实施方式中，提供用于双光束组件的圆度测量机安装使用装置，并且使用圆度测量机安装使用装置执行该方法。 

附图说明

当结合附图时，通过参照下面的详细说明，本发明的上述方面和很多伴随的优点将变得更容易理解并变得更好理解，在附图中： 

图1是产生具有特定测量范围的单个测量光束的示例性彩色共焦点传感器的框图； 

图2是根据本发明的通过示意性示出的双光束组件进一步加强的图1的彩色共焦点传感器的框图，其中该双光束组件提供具有两个特定测量范围的两个测量光束； 

图3是来自诸如图2的彩色共焦点传感器的光谱轮廓数据(spectral profile data)的图，其示出与两个测量光束相关的两个光谱峰值； 

图4是联接到光学笔的双光束组件的第一示例性实施方式的分解图； 

图5是图4的双光束组件的选出的部件的分解图； 

图6是使用中的图4的光学笔和双光束组件的侧剖视图； 

图7是可以用于图4的第一反射元件的反射面的图案的图； 

图8是联接到光学笔的双光束组件的第二实施方式的侧剖视图； 

图9是联接到光学笔的双光束组件的第三实施方式的侧剖视图； 

图10是联接到光学笔的双光束组件的第四实施方式的侧剖 视图； 

图11是示意性示出可以以多种形式设置的用于双光束组件的可选反射元件构造的图； 

图12是联接到光学笔的双光束组件的第五实施方式的侧剖视图； 

图13是示出用于同时测量两个不同表面区域的双光束彩色点传感器系统所用的示例性通用程序的流程图； 

图14是示出用于构造测量槽深/台阶高度用的双光束彩色点传感器系统的示例性程序的流程图； 

图15是示出用于构造测量槽/间隙宽度和/或位置用的双光束彩色点传感器系统的示例性程序的流程图； 

图16是示出用于构造测量表面/支承跳动用的双光束彩色点传感器系统的示例性程序的流程图； 

图17是示出用于构造测量运动期间的表面滚动(roll)或节距(pitch)用的双光束彩色点传感器系统的示例性程序的流程图； 

图18A至图18D是示出双光束组件用的机器视觉系统安装使用装置的示例性实施方式的图； 

图19A至图19D是示出双光束组件用的圆度测量机安装使用装置的示例性实施方式的图。 

具体实施方式

图1是示例性彩色共焦点传感器100的框图。彩色共焦点传感器100与全部内容通过引用合并于此的同时在审的美国专利申请No.11/940,214和美国专利申请No.12/463,936(分别是′214申请和′936申请)中说明的传感器有些相似。如图1所示，彩色共焦点传感器100包括光学笔120和电子部分160。光学笔120包 括光纤连接器107、壳体130和光学部分150。光纤连接器107被安装到壳体130的端部。光纤连接器107收纳穿过包裹输入/输出光纤的光纤缆线112的输入/输出光纤(未详细示出)。输入/输出光纤经由光纤孔(fiber aperture)195输出源头光，并且经由光纤孔195接受反射的测量信号光。 

在操作中，如对于彩色共焦传感系统所已知的那样，经由光纤孔195从光纤端部发出的宽带(例如，白)源头光被光学部分150聚焦，光学部分150包括提供轴向色散的透镜，使得沿着光轴OA的焦点根据光的波长而位于不同距离。源头光包括聚焦于相对于光学笔120位于位置Z的工件表面190的波长。在从工件表面190反射时，反射光由光学部分150重新聚焦到光纤孔195。操作源头光和反射光由极限光线LR1和LR2划界。由于轴向色散，仅一种波长具有与从光学笔120到表面190的测量距离匹配的前焦尺寸(front focus dimension)FF。光学笔被构造为使得最好地聚焦于表面190处的波长还将是最好地聚焦于光纤孔195处的反射光的波长。光纤孔195在空间上过滤反射光使得主要是最好地聚焦的波长穿过光纤孔195并且进入光纤缆线112的芯中。如下面更详细地说明并且在合并的参考文件中说明的那样，光纤缆线112将反射的信号光传送到用于确定具有主强度的波长的波长检测器162，所述波长与到工件表面190的测量距离相对应。 

电子部分160包括光纤耦合器161、波长检测器162、光源164、信号处理器166和存储部分168。在各实施方式中，波长检测器162包括光谱仪或摄谱仪，在所述光谱仪或摄谱仪中，散光元件(dispersive element)(例如，光栅)经由光纤缆线112接收反射光并将产生的光谱强度轮廓传递到检测器阵列163。波长检测器162还可以包括去除或补偿来自轮廓数据的某些检测器相 关误差分量的相关信号处理(例如，在一些实施方式中，由信号处理器166提供)。因此，在一些实施方式中，波长检测器162和信号处理器166的某些方面可以合为一体和/或难以分辨。 

由信号处理器166控制的白光源164经由光纤耦合器161(例如，2×1光纤耦合器)与光线缆线112耦合。如上所述，光经过产生纵向色像差的光学笔120，使得光的焦距随着光的波长而变化。经由光纤最有效地传递回来的光的波长是聚焦于位置Z处的表面190上的波长。于是，如下面关于图3更详细地说明并且在合并的参考文件中说明的那样，被反射的取决于波长的光的强度再次穿过光纤耦合器161，使得该光的大约50％被引导到波长检测器162，该波长检测器162能够接收分布于沿着检测器阵列163的测量轴线的像素阵列上的光谱强度轮廓，并且操作以提供对应的轮廓数据。简略地，由信号处理器166计算表示轮廓数据的坐标(例如，峰值位置坐标)的亚像素分辨率距离，表示与波长峰值对应的坐标的距离经由存储于存储部分168中的距离校正查找表确定到表面的测量距离。表示坐标的距离可以由多种方法来确定，诸如确定包括于轮廓数据的峰值区域中的轮廓数据的形心(centroid)。 

如下面将更详细地说明的那样，根据本发明，在一些例子中可以期望彩色共焦点传感器100不仅能测量到第一表面190的距离，还能测量到第二表面190′的距离。例如，在一些实施例中可以期望测量“台阶高度”，或者能测量两个表面。如图1所示，在这样的例子中，第二测量表面190′可以离第一测量表面190足够远，使得两个表面之间的距离Zdif超出光学笔120的标准测量范围。换言之，光学笔120的测量范围R由最小范围距离ZMIN和最大范围距离ZMAX划界，并且在图1所示的位置中，当表面190落入测量范围R中时，表面190′落在测量范围之外。例如， 在一些已知的光学笔的例子中，测量范围R可以是离笔端的名义间距(nominal standoff)或工作距离(例如，在数十微米至几毫米的范围内)的大致十分之一。在要求测量台阶高度的应用中，或者在要求测量表面190和表面190′两者的其他实施例中，可以期望能从光学笔120的单一Z定位测量这两个表面。即使在表面190′落在光学笔120的标准测量范围R内的例子中，在一些实施例中仍可以期望不需要进一步移动光学笔120就能测量到表面190和表面190′两者的距离。如下面关于图2更详细地说明的那样，根据本发明，设置能够安装到光学笔120的端部的双光束组件，这允许在不需要额外地移动光学笔120的情况下在不同的测量范围上实现两个表面(例如，表面190和表面190′)的测量。 

图2是根据本发明的一个实施方式的安装有示意性示出的双光束组件200的图1的彩色共焦点传感器100的框图。如下面更详细地说明的那样，在一种构造中，双光束组件200沿着第一测量轴线MA 1输出第一测量光束FMB并沿着第二测量轴线MA2输出第二测量光束SMB。如图2所示，双光束组件200包括位于光学笔120的源头光束SB的路径中的第一反射元件210。第一反射元件210有效地将源头光束SB分成两部分。更具体地，第一反射元件210将源头光束SB的第一部分透射为第一测量光束FMB，并将源头光束SB的第二部分反射为第二测量光束SMB。双光束组件200还可以包括可选的第二反射元件220，该第二反射元件220可以反射第二测量光束SMB的全部或一部分。在具有第二反射元件220的实施方式中，可以沿着与第一测量光束FMB的第一测量轴线MA 1平行的第二测量轴线MA2反射第二测量光束SMB。在测量轴线MA 1和MA2之间示出间隔距离SEPP，该距离也是第一反射元件210和第二反射元件220之间的距离。 

关于安装有双光束组件200的光学笔120的操作，对于利用第一测量光束FMB实现的测量来说，示出的测量范围R 1具有最小范围距离Z1MIN和最大范围距离Z1MAX。在一个实施方式中，范围R1以及距离Z1MIN和Z1MAX可以与图1所示的范围R以及距离ZMIN和ZMAX大致对应。如图2所示，位置Z1处的表面190落入测量范围R1中。 

关于由第二反射元件220沿着第二测量轴线MA2反射的第二测量光束SMB，实现测量范围R2。如图2所示，测量范围R2具有最小范围距离Z2MIN和最大范围距离Z2MAX。如图2所示，位置Z2处的表面190′落入测量范围R2中。此外，偏移距离OFFSET表示测量范围R1和R2之间的差别偏移。如下面将更详细地说明的那样，可以使用多种技术来调整间隔距离SEPP(例如，在第一反射元件210和第二反射元件220之间使用宽度改变的固定间隔元件和/或使第一反射元件210和第二反射元件220之间的距离或第一反射元件210和第二反射元件220的位置可调等)。 

可以理解的是，对于图2所示的构造，偏移距离OFFSET大致等于或者等于间隔距离SEPP，因此偏移距离OFFSET可以通过双光束组件200的设计或调整来控制或调整。可以理解的是，在一个具体的示例性实施方式中，可以设置可调支架用以相对于光学笔120(例如，沿着源头光束SB的轴线)定位第一反射元件210，从而使有效距离SEPP和OFFSET可调。这也可以使范围R1和R2的间距相对于双光束组件200可调。关于图2，可以理解的是，第二测量光束SMB的有效定位和/或其名义测量范围可以以至少两种途径来调整。作为第一示例，可以沿着第一测量光束FMB的方向移动第一反射元件210，这有效地沿着第一反射元件210改变了反射第二测量光束SMB的位置，并且相应地略微 增大或减小光学笔120的端部和第二测量光束SMB向上反射的位置之间的距离。作为第二示例，可以沿着第二测量光束SMB的方向移动第二反射元件220。 

在各实施方式中，如果根据某些光学系统约束条件来确定测量范围的最大距离和最小距离(即，测量范围R1的Z1MAX和Z1MIN以及测量范围R2的Z2MAX和Z2MIN)，则可以是有利的。简略地，确定测量范围的最小距离和最大距离的第一因素是特定的透镜组能以特定水平的精度聚焦特定的波长组的物理距离。更通常地，具有最小和最大极限值的各范围通常与可得到的输入光谱能够通过使用色像差被良好地聚焦的范围对应。此外，检测器自身的极限值是所述范围的另一因素。换言之，对于待测量的不同预期和期望的波长，可以期望波长在检测器阵列上散布从而可以实现高水平的分辨率。总之，具有特定的最小距离和最大距离的范围通常由与有效地在沿着特定轴线的距离上聚焦光谱的能力有关的极限值和由与波长在检测器上的分散有关的设计选择确定。 

可以理解的是，通过使用双光束组件200，利用单一光学笔120可以测量多个点。此外，不同的测量范围(例如，之间具有偏移距离的测量范围R1和R2)可以与不同的测量光束相关联，使得不同Z位置处的表面可以被有效地测量而无须相对于表面190和190′额外地调整光学笔120的位置。 

如下面关于图6、图8、图9、图10和图11更详细地说明的那样，在各实施方式中，第一测量轴线MA1和第二测量轴线MA2可以相对于光学笔120和/或相对于彼此在多个方向上取向，从而实现期望的测量功能。例如，测量轴线MA1和MA2可以在与光学笔120的光轴OA相同的方向、与光轴OA横切(例如，正交)的方向、彼此共面的方向、彼此相反的方向、彼此横切(例如， 正交)的方向等上取向。作为彼此正交的测量光束的示例，如图2所示，在不具有第二反射元件220或者第二反射元件220透射第二测量光束SMB的一部分的实施方式中，第二测量光束SMB沿着可选的第二测量轴线MA2′延伸。在该实施方式中，提供了具有最小范围距离Z2MIN′和最大范围距离Z2MAX′的测量范围R2′。如下面关于图9更详细地说明的那样，当期望第二测量光束SMB在与第一测量光束FMB的方向有效地横切(例如，垂直)的方向上取向时，可以使用这样的实施例(例如，用于测量两个表面之间的变化角等)。 

图3是来自彩色共焦点传感器的光谱轮廓数据310的图300，其示出离光学笔的两个表面距离的光谱峰值数据，其中所述光学笔根据这里所公开的原理安装有双光束组件(例如，双光束组件200)。例如如合并的参考文件所述，在本领域中，普遍地理解诸如图3所示的光谱数据。轮廓数据310示出与各像素p(处于标准化伏特)相关联的信号水平。轮廓数据310与利用安装有双光束组件的光学笔(例如，与图2所示的彩色共焦点传感器100和双光束组件200相似)所进行的测量操作对应。 

如下面更详细地说明的那样，轮廓数据310具有光谱峰值，所述光谱峰值具有峰值位置坐标(即，P(Z1)和P(Z2+OFFSET))。可以利用亚像素分辨率在确定了轮廓数据310的峰值区域的拟合曲线的峰值的基础上或在轮廓数据310的峰值区域的形心的基础上、或利用多种其他校正和信号处理方法(例如，如合并的参考文件所详细说明的那样)来确定峰值位置坐标P(Z1)和P(Z2+OFFSET)。如前面关于图1所论述的那样，测量距离“Z”可以被确定为与所存储的距离校正数据中的峰值位置坐标的值对应的测量距离。在各实施方式中，可以对所存储的距离校正数据进行插值以给出与亚像素峰值位置坐标精确地对应的测量 距离。 

关于检测器上的信号和实际测量表面位置或值Z1和Z2之间的关系，为了确定工件的实际尺寸，在一个实施方式中，可以遵从下述约定。Z值被定义为沿着Z方向的绝对测量位置或值。因此，图2和图3中以及下述等式中的值Z1和Z2被解释为由第一测量光束FMB或由第二测量光束SMB确定的测量值(Z值)。测量值Z1和Z2可以被解释为与特定基准位置(例如，光学笔120的端部)有关的值。因此，一般说来，与基准点的位置有关的特定间距值或偏移值可以被加到测量范围内的位置。 

在某些实施例中，测量值Z1可以被认为是两个测量值中的“更典型”的测量值。即，在图2的实施方式中，测量值Z1从未被从测量轴线向第二反射元件偏转的第一测量光束FMB取得。因此，测量值Z1名义上具有与不存在双光束组件200的情况(例如，诸如图1中所示)相同的值。更具体地，如图2所示，确定测量值Z1的第一测量光束FMB大致由图1中所示的用于确定测量值Z的测量光束(即，未改变的源头光束)用的相同光线构成。因此，在该特别的例子中，在有或者没有双光束组件200的情况下，从第一测量光束FMB确定的测量值Z1和使光谱峰值位置与对应的Z距离相关的Z距离校正曲线大体上应该是相同的。在该情况下，可以说Z1实质上与校正曲线Z值相等，所述校正曲线Z值与从第一测量光束FMB产生的信号P(Z1)对应。如下面更详细地论述的那样，一般而言，这对于已经经历了第二次反射从而转入不同方向、具有一些间隔尺寸SEPP并且由此具有沿着Z轴方向的偏移距离OFFSET的任何第二测量光束(例如，第二测量光束SMB)来说都是不成立的。 

基于上述原理并且参照图2和图3，可以定义或推出下述等式： 

Z1＝ZcalP(FMB)＝P(Z1)                   (等式1)

Z2＝ZcalP(SMB)-OFFSET＝ZcalP(Z2+OFFSET)-OFFSET 

                                        (等式2)

关于等式2，可以理解的是，在到达沿着Z轴方向的“绝对测量位置”Z2之前，第二测量光束SMB沿第二测量光束SMB所行进的偏转路径与Z轴方向横切地行进附加尺寸SEPP＝OFFSET，使得产生的信号仿佛是沿着Z轴方向从比位置Z2远离笔的位置测量到的。因此，必须从由第二测量光束SMB产生的信号所表示的表观测量距离减去OFFSET，以确定沿着Z轴方向的真实距离Z2。 

进一步关于等式2，在一个实施例中，可以由峰值像素表示信号，因此，在图3中，与来自第二测量光束SMB的测量对应的左侧峰值P(SMB)也被标示为P(Z2+OFFSET)，并且由于Z1可以被认为与没有双光束组件时返回的值一致(如上所述)，所以与第一测量光束FMB信号峰值相关联的峰值P(FMB)也被标示为P(Z1)。 

因此，在一个实施方式中，光学笔120用的标准查找表可以用于确定值Z1。关于来自第二测量光束SMB的峰值，待查找的值与总和(Z2+OFFSET)对应。偏移值OFFSET可以通过设计(例如，从间隔距离SEPP)或通过标定(例如，在间距设定为OFFSET的情况下，两个光束均指向平坦的、垂直的表面)来得知，使得能够基于信号和已知的OFFSET确定Z2和Z1的值。 

在图3中，检测器上的峰值之间的间隔被标示为函数f(Z1，Z2，OFFSET)，该函数能够可选地写成函数f(Z1，Zdiff，OFFSET)。峰值间隔在像素位置方面是Z1和Zdiff的函数的原因是给定像素相对于给定距离的校正是非线性的，使得关于非线性曲线上的特别位置需要提供校正。在仅使用线性转换的可选 实施例中，间隔将仅依赖于值Zdiff和OFFSET。 

基于上述原理并且参照图2和图3，当台阶高度Zdiff＝Z1-Z2与OFFSET相同时，峰值P(FMB)和峰值P(SMB)将位于检测器上的相同位置(即，峰值P(FMB)和峰值P(SMB)在曲线310上难以分辨)。根据这些考虑，在各实施例中，期望参照距离Zdiff＝Z1-Z2的希望范围选择或调整偏移距离OFFSET，使得峰值P(FMB)＝P(Z1)和峰值P(SMB)＝P(Z2+OFFSET)不重叠并且能够被区分。关于能区分所述峰值的能力，在某些实施例中，可以期望所述峰值靠近得不小于检测器上的测量范围的大约5％-10％(例如，在图3中示出具有大约70像素间隔的峰值的示例作为一组光谱轮廓数据310a的虚线表示)。为简单起见，这可以被重申为要求距离OFFSET被设置为使得(Zdiff-OFFSET)>0.05*R，或者在更保守的实施例中要求Z diff的所有期望值满足(Zdiff-OFFSET)＞0.1*R。 

因此，在某些实施例中，期望彩色点传感器系统100装置包括根据前述考虑构造的双光束组件200。特别地，根据前述，双光束组件和光学笔装置的总的连续测量范围Z能够多达R+OFFSET。然而，如果距离OFFSET超过测量范围R，则在总的测量范围中将会存在两个光束都不能够获得有效测量的间隙或中断。理论上，连续的测量范围可以达到N*R，其中N为光束的数量。如果利用较少的信号来工作是可接受的，则各光束可以更多次地分裂，并且可以获得达到光学笔的最大聚焦距离的大部分的范围(例如，与一个特定实施例中的10R数量级的间距类似)。在这样的实施例的略微更保守的估计中，由于各光束的较低光强度和在多次分裂操作中的光学性能退化，利用信噪比或采样率的一些退化，可以实现至少8R的实际工作范围。 

图4是联接到光学笔120的双光束组件400的第一示例性实 施方式的分解图。在图4中，利用相同或相似的附图标记表示与图2的双光束组件200中的元件相同或相似的元件。图4的双光束组件400与前述示意性示出的双光束组件200的不同之处在于，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB均沿着与光学笔120的光轴正交的测量轴线被向下引导。 

如图4所示，安装元件402(例如，具有上槽的安装台，所述上槽使得所述安装台可以被收紧)用于将双光束组件400固定地安装到光学笔120。设置夹紧螺栓403，用于在光学笔120的端部周围收紧和压缩安装元件402。第一反射元件组件210′可以被安装到安装元件402，第二反射元件组件220′可以被安装到第一反射元件组件210′。在某些实施方式中，第一反射元件组件210′和第二反射元件组件220′可以包括与图2的第一反射元件210和第二反射元件220类似的部件。如图4所示，第一反射元件组件210′可以包括第一反射元件保持件406、第一反射元件框架408和第一反射元件410。可以设置间隔元件404以调整第一反射元件组件210′相对于安装元件402和光学笔120的间隔。第二反射元件组件220′可以包括第二反射元件保持件416和第二反射元件420。可以设置间隔元件414以调整第二反射元件组件220′相对于第一反射元件组件210′、安装元件402以及光学笔120的间隔。如图6所示，间隔元件414可以用于调整尺寸SEPP(由此调整值OFFSET，如上所述)。间隔元件404可以用于单独调整名义间距尺寸或工作距离。 

如图4所示，间隔元件404可以可调整地分开安装元件402和第一反射元件保持件406。如下面关于图5更详细地说明的那样，第一反射元件保持件406包括用于稳固地收纳第一反射元件框架408的尺寸精确并且精确地对准的方形开口，其中第一反射元件410被安装到第一反射元件框架408。间隔元件414可以可调 整地分开第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416。第二反射元件保持件416包括用于稳固地收纳第二反射元件420(例如，第一表面反射45-45-90棱镜)的尺寸精确并且精确地对准的方形开口，所述第二反射元件420可以通过粘接或其他接合方法接合到所述第二反射元件保持件416。可以使用组装螺栓417穿过精确的组装孔而以适当的对准组装双光束组件400的部件。 

在操作期间，双光束组件400提供沿着通常与光学笔120的初始光轴横切或正交的测量轴线的第一测量光束FMB和第二测量光束SMB。第一测量光束FMB被第一反射元件410向下(与光学笔光轴横切)反射，而第二测量光束SMB被第二反射元件420向下(与光学笔光轴横切)反射。如下面关于图5更详细地说明的那样，第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416被设计成稳固地保持和对准第一反射元件410和第二反射元件420，从而使第一测量光束FMB和第二测量光束SMB适当地对准。 

图5是图4的双光束组件400的选出的部件的分解图。如图5所示，第一反射元件保持件406具有用于收纳和对准第一反射元件框架408的尺寸精确并且精确地对准的方形开口，其中第一反射元件410被安装到第一反射元件框架408。第一反射元件保持件406还具有指定的安装面MSPA、MSPB和MSRE。在第一种构造中，安装面MSPA可以被安装为朝向光学笔120，其中源头光束SB穿过孔HA并且第一测量光束FMB和第二测量光束SMB将沿着与光学笔120的光轴OA正交的测量轴线被引导(例如，如下面关于图6更详细地说明的那样)。在可选的构造中，安装面MSPB可以被安装成面向光学笔120，其中源头光束SB穿过孔HB并且第一测量光束FMB和第二测量光束SMB将沿着与光学笔 120的光轴OA平行的测量轴线被引导(例如，如下面关于图8更详细地说明的那样)。当安装面MSRE出现在构造中时，安装面MSRE通常面朝容纳于第二反射元件保持件416内的第二反射元件420。可以理解的是，安装面和组装孔的适当对准确保用于使处于正确取向的第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的适当对准。通过仔细构造用于稳固地保持安装有第一反射元件410的第一反射元件框架408的第一反射元件保持件406和用于稳固地保持第二反射元件420的第二反射元件保持件416也确保该适当的对准。 

第一反射元件保持件406包括孔HA、HB和HC，而第一反射元件框架408包括孔H1、H2和H3以及第一反射元件安装面MSFRE。第一反射元件410(例如，通过粘接或其他接合方法)被安装到第一反射元件框架408的第一反射元件安装面MSFRE。在一些实施方式中，对于第一测量光束FMB和第二测量光束SMB来说有利的是包括不穿过双光束组件中的任何光学材料和/或潜在的扭曲产生折射界面的光线。因此，在图4至图10所示的实施方式中，第一反射元件是带图案的镜元件，所述镜元件包括第一表面平面反射镜区域(例如，抛光金属板的材料区域)和包括开口孔(例如，穿过抛光金属板的孔)的透过区域。在各实施方式中，第二反射元件(如果存在)可以反射所有的光。因此，在这样的实施方式中，可以通过由任何方便的元件(例如，图5所示的棱镜元件420)制成的第一表面镜来提供第二反射元件。 

如下面关于图6更详细地说明的那样，在一个构造(即，其中安装面MSPA被安装为面朝光学笔120)中，孔HA和H1接收来自光学笔120的源头光束，而光束的一部分穿过孔H2并且穿过第一反射元件410的开口部作为第二测量光束SMB，并且光束的 一部分穿过孔H3和HC被向下反射作为第一测量光束FMB。如下面关于图8更详细地说明的那样，在可选的构造(即，其中安装面MSPB被安装为面朝光学笔120)中，来自光学笔120的源头光束可以穿过孔HB被接收，而光束的一部分穿过第一反射元件410的开口部分然后穿过孔H3和HC作为第一测量光束FMB，并且光束的一部分被第一反射元件410的反射部分反射作为第二测量光束SMB。 

图6是组装后的图4和图5的双光束组件400和光学笔120的侧剖视图(例如，如它们使用时所呈现的)。如图6所示，安装元件402包围光学笔120的端部，并且被夹紧螺栓403夹紧在适当的位置。安装元件402可以包括外对准面AS，所述外对准面AS可以倚靠在另一面上，用以辅助测量到表面190和190′的距离用的双光束组件400的适当的测量轴线对准和稳定性。在图6的实施方式中，对准面AS被示出为与第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的测量轴线正交。可以理解的是，在可选的实施方式中，可以在安装元件402的其他部分或其他元件(例如，在第一反射元件保持件406或第二反射元件保持件416上等)设置其他对准面。 

间隔元件404被示出为在安装元件402和第一反射元件保持件406之间提供期望的间隔距离。如上面关于图4和图5所述，第一反射元件保持件406保持安装有第一反射元件410的第一反射元件框架408。紧接第一反射元件保持件406，间隔元件414在第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416之间提供期望的间隔距离(例如，在一些实施方式中提供期望的尺寸SEPP＝OFFSET，如前所述)。如上面关于图4和图5所述，第二反射元件保持件416以适当的对准将第二反射元件420稳固地保持在适当的位置。组装螺栓417用于适当地对准和组装双光束组 件400的部件。 

在操作期间，从孔195穿过光学笔120的透镜150的光作为源头光束SB行进，所述源头光束SB延续到第一反射元件410，源头光束的一部分穿过第一反射元件410的开口部分延续为第二测量光束SMB，所述第二测量光束SMB被第二反射元件420朝向表面190′沿着第二测量轴线向下反射。源头光束的一部分被第一反射元件410的反射部分反射为第一测量光束FMB，所述第一测量光束FMB朝向表面190沿着第一测量轴线向下行进。 

如上面关于图2和图3所述，为了在期望位置产生光谱峰值或产生具有沿着检测器测量轴线的期望的最小间隔的光谱峰值(例如，如参照图3所示出的)，可以根据期望的工件尺寸选择或调整诸如间隔距离SEPP和偏移距离OFFSET等多种尺寸。因此，可以理解的是，如图6所示的间隔元件404和414为此可以被选择为具有期望厚度。如图6所示，间隔元件414确定第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的物理间隔和对应的测量范围偏移两者。如上面关于图3所述，期望所述偏移大到足以使得能够分辨光谱峰值，但是小到足以使得两个光谱峰值落入检测器的期望测量范围内。仍如图6所示，间隔元件404确定测量光束的工作距离相对于双光束组件400的全部间距尺寸。在各实施方式中，可以改变间隔元件404和414的宽度(例如，通过插入可变数量的间隔元件或具有不同宽度的间隔元件等)。 

可以理解的是，图6的构造允许表面190和190′之间的台阶高度被测量为尺寸Zdiff(例如，如图2所示以及如上所述)，其中，在图6的构造中，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB分别朝向表面190和190′被引导。该方法与现有技术相比的优点包括：由单一光学笔120可以实现两个测量；Zdiff可以超过光学笔的标准测量范围R；以及光学笔和/或测量表面都无需前后移 动以提供测量，这相应地提供更快的测量并提高了精度(即，消除了振动、台架运动等)。还可以理解的是，仅通过安装双光束组件400的安装元件402，传统的光学笔能够容易地转变成用于进行包括双测量范围或延长的测量范围的双光束功能。 

图7是可以用于图4至图6的反射元件410的表面的示例性实施方式的一系列反射图案410A-410D的图。所述图案被限定在与由图案接收到的照明大致对应的虚线“界限”内。如图7所示，图案可以被包括在片材或玻璃上的薄膜的延伸区域(例如，如图所示的矩形片材或膜区域)内，如前所述并且如下面进一步所述。如图7所示，反射图案410A被分成四个部分S1A-S4A，第一部分S1A和第三部分S3A是开口的(或能透光的)，并且第二部分S2A和第四部分S4A是反射性的。图案410B被示出为分成八个部分S1B-S8B，部分S1B、S3B、S5B和S7B是开口的，而部分S2B、S4B、S6B和S8B是反射性的。在图案410C中，中间的圆形部分S1C是开口的，而外环部分S2C是反射性的。在图案410D中，中央的圆形部分S1D是开口的并且由反射性的内圆形部分S2D包围，内圆形部分S2D由开口的圆形部分S3D包围，圆形部分S3D进一步由反射性的外圆形部分S4D包围。当反射图案410D形成于片材时，所述图案可以包括极小的桥部分BR以支撑部分S2D。如果所述图案形成于玻璃上的薄膜等，则可以省略桥部分BR。 

如下面更详细地所述，所有的图案410A-410D均形成为对双光束组件400的操作有利的对称型。更具体地，在某些实施例中，期望图案具有跨越图案中心的反射对称性，或者换言之，如果图案围绕其中心转动180度，图案应当看起来相似或相同。如图7的图案410A和410B所示，这可以通过提供具有偶数个开口部分和偶数个反射部分的图案而在一种实施例中实现，其中 各开口部分均具有跨越图案中心与其对称的相应的开口部分，并且各反射部分具有跨越图案中心与其对称的相应的反射部分。这种构造是可行的，原因在于，关于来自光学笔120的源头光束，在从工件表面反射的测量光束中，源头光束的上部的光线将在光学部件的下部返回。类似地，在从工件表面反射的测量光束中，来自源头光束的下部的光线将在光学部件的上部返回。因此，例如关于图案410A，源头光束的行进穿过开口部分S1A的部分将穿过开口部分S3A从被测量表面反射回来。类似地，源头光束的由反射部分S2A反射的部分将从被测量表面反射回来并由部分S4A朝向光学笔120反射，从而提供期望的测量信息。类似地，源头光束的行进穿过开口部分S3A的部分穿过开口部分S1A被反射回来，并且源头光束的从第四部分S4A反射的部分被反射回到第二部分S2A。可以理解的是，对于图案410B的八个对称部分S1B-S8B中的各部分来说，发生类似的操作。 

关于图案410C和410D，可以理解的是，对于相应的圆形图案也存在类似的操作对称性。例如，源头光束的行进穿过靠近开口部分S1C的一个边缘的开口区域的部分将穿过靠近开口部分S1C的相反边缘的区域而被反射回来。类似地，源头光束的由靠近反射部分S2C的一个边缘的反射部分反射的部分将从测量表面朝向位于反射部分S2C的相反边缘的反射部分被反射回来。可以理解的是，对于圆形图案410D的各开口和各反射部分也发生类似的操作。 

在一些实施方式中，反射区域被设计为在源头光束中(虚线内)具有总反射面积并且透光区域在源头光束中具有总透光面积，并且总反射面积可以位于总透光面积的规定百分比(例如，+/-25％)内，使得第一和第二测量光束内的能量至少部分地平衡，并且第一和第二测量光束均提供期望水平的信号强度。 在某些其他实施方式中，总反射面积与总透光面积可以具有规定的差异(例如，至少+/-5％)，使得第一和第二测量光束内的能量的差异可检测，并且基于第一和第二测量光束在检测器上的信号强度(例如，第一和第二测量光束的峰值高度)，第一和第二测量光束的信号可以彼此区分。 

图8是联接到光学笔120的双光束组件800的第二实施方式的侧剖视图。可以理解的是，双光束组件800的部件可以与图4至图7的双光束组件400的相似编号的部件类似或相同。双光束组件800的主要区别在于第一测量光束FMB和第二测量光束SMB均沿着与光学笔120的光轴OA平行的测量轴线被引导。 

如图8所示，安装元件802用于将双光束组件800安装到光学笔120的端部，并且被夹紧螺栓803拧紧。安装元件802的外对准面AS被示出为与由双光束组件800输出的第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的测量轴线平行。双光束组件800的其余部件相对于图6的双光束组件400的可比较部件通常以90度取向。更具体地，在双光束组件800中，第一反射元件保持件806在第二反射元件保持件816的下方取向(与图6中所示的第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416的左右取向相比)。 

第一反射元件保持件806收纳安装有第一反射元件810的第一反射元件框架808。如上面关于图7所述，第一反射元件810可以包括具有开口部分和反射部分的图案。第二反射元件保持件816收纳第二反射元件820。设置组装螺栓817用以组装和适当地对准双光束组件800的部件。 

在操作中，来自光学笔120的源头光束朝向第一反射元件810被引导。源头光束的行进穿过第一反射元件810的开口部分的部分延续为第一测量光束FMB，所述第一测量光束FMB沿着第一测量轴线朝向表面190被引导。源头光束的由第一反射元件 810的反射部分反射的部分朝向第二反射元件820被引导，然后，第二反射元件820朝向表面190′沿着第二测量轴线引导第二测量光束SMB。可以理解的是，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB由此沿着与光学笔120的光轴OA相同的方向被平行地引导。 

在一个实施方式中，在图8和图4中以相同后缀编号的元件可以是类似或相同的，并且使用在图4中总体上示出的可选安装孔相对于彼此以不同的取向简单地组装。 

图9是联接到光学笔120的双光束组件900的第三实施方式的侧剖视图。可以理解的是，双光束组件900的部件可以与上述双光束组件400和800的相似编号的部件类似或相同。双光束组件900的主要不同在于，第一测量光束FMB在与光学笔120的光轴相同的方向上沿着第一测量轴线被引导，而第二测量光束SMB在与光学笔120的光轴正交的方向上沿着第二测量轴线被引导。 

如图9所示，安装元件902用于将双光束组件900安装到光学笔120的端部，并且被夹紧螺栓903拧紧。安装元件902的外对准面AS被示出为与第一测量光束FMB的测量轴线平行并且与第二测量光束SMB的测量轴线正交。间隔元件904在安装元件902和第一反射元件保持件906之间提供指定的间隔。第一反射元件保持件906收纳安装有第一反射元件910的第一反射元件框架908。如上面关于图7所述，第一反射元件910可以包括具有开口部分和反射部分的图案。 

在操作中，来自光学笔120的源头光束朝向第一反射元件910被引导。源头光束的行进穿过第一反射元件910的开口部分的部分延续为沿着第一测量轴线行进的第一测量光束FMB。源头光束的由第一反射元件910的反射部分反射的部分被向下引 导为沿着第二测量轴线行进的第二测量光束SMB。由此，如图9所示，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB相对于彼此大体上正交。可以理解的是，这样的构造可以用于测量多种类型的表面构造(例如，测量两个表面之间的变化角、同时测量底部和侧壁的表面粗糙度等)。 

在一个实施方式中，在图9和图4中以相同后缀编号的元件可以是类似或相同的，并且可以简单地省略图4所示的一些元件。 

图10是联接到光学笔120的双光束组件1000的第四实施方式的侧剖视图。可以理解的是，双光束组件1000的部件可以与如上所述的双光束组件400、800和900的相似编号部件类似或相同。双光束组件1000的主要不同在于，第一测量光束FMB在与光学笔120的光轴OA正交的向下方向上沿着第一测量轴线被引导，而第二测量光束SMB在与第一测量光束FMB的方向相反的向上方向上沿着第二测量轴线被引导。 

如图10所示，安装元件1002用于将双光束组件1000安装到光学笔120的端部，并且被夹紧螺栓1003拧紧。安装元件1002的外对准面A S被示出为与第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的测量轴线正交。间隔元件1004在安装元件1002和第一反射元件保持件1006之间提供指定的间隔。第一反射元件保持件1006收纳安装有第一反射元件1010的第一反射元件框架1008。如上面关于图7所述，第一反射元件1010可以包括具有开口部分和反射部分的图案。 

紧接第一反射元件保持件1006，间隔元件1014在第一反射元件保持件1006和第二反射元件保持件1016之间提供指定的间隔。第二反射元件保持件1016收纳第二反射元件1020。设置组装螺栓1017以对准和组装双光束组件1000的部件。 

在操作中，来自光学笔120的源头光束SB朝向第一反射元件1010被引导。源头光束的由第一反射元件1010的反射部分向下反射的部分在向下方向上延续为沿着第一测量轴线行进的第一测量光束FMB。源头光束SB的穿过第一反射元件1010的开口部分的部分由第二反射元件1020反射，从而在向上方向上被引导为沿着第二测量轴线行进的第二测量光束SMB。可以理解的是，第一测量光束和第二测量光束在相反方向上的取向可以用于获得多种类型的测量(例如，测量间隙宽度等)。 

在一个实施方式中，在图10和图4中以相同后缀编号的元件可以是类似或相同的，并且使用在图4中大体上示出的可选安装孔在相对于彼此不同的取向上简单地组装。例如，可以看出双光束组件1000的部件与图6所示的双光束组件400的部件实质上相同，除了第二反射元件保持件1016转动了180度。可以理解的是：通过以使部件能够被转动和/或调整的方式构造双光束组件，利用一组双光束组件零件可以实现不同的双光束组件构造。 

图11是示出可以以多种形式(例如，使用棱镜块元件或组件)设置的用于双光束组件的示例性反射元件构造1100A-1100F的图。如下面将要更详细地说明的那样，反射元件构造1100A-1100F可以使第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的某些取向与前述双光束组件600、800、900以及1000的第一测量光束FMB和第二测量光束SMB的取向相同。可以理解的是，在一些实施方式中，源头光束SB可以在第一反射元件表面处被与参照图7所示的原理对应的图案反射，其中所述图案例如可以形成为棱镜块上的薄膜图案。可选地，在一些实施方式中，源头光束SB可以在第一反射元件表面处被半镀银镜面等反射。然而，尽管这可能是经济的，但是在测量光束通过所述表面返回时将导致光的损失或浪费。在第二反射元件表面使第二测量光 束沿着测量轴线MA2偏转的实施方式中，所述表面可以是全镜面。当使用棱镜块元件时，可以理解的是，一定程度的扭曲可能由棱镜元件引入到第一测量光束FMB和第二测量光束SMB，然而，即使在这样的情况下仍可以获得可运行装置，并且在某些实施例中，如本领域已知的那样，通过校正技术可以处理任何程度的扭曲。 

如图11所示，在该特别的构造中，反射元件构造1100A包括在两边均具有全反射镜面的三角形棱镜元件1110A。反射元件1110A将沿着光轴OA行进的源头光束SB分成第一测量光束FMB和第二测量光束SMB，其中第一测量光束FMB沿着第一测量轴线MA1被向上引导，第二测量光束SMB沿着第二测量轴线MA2被向下引导。可以理解的是，这样的构造可以替代图10的双光束组件1000，图10的双光束组件1000如上所述也在相反的方向上引导第一测量光束FMB和第二测量光束SMB。 

在某些实施例中，可以期望三角形棱镜元件1110A的边以小于45度的角θ取向。这可能是期望的，原因在于，元件1110A的各边均接收会聚源头光束SB的一半。换言之，如果期望使全部会聚源头光束SB通过该装置而镜像相背，则三角形棱镜元件1110A的表面需要倾斜，以考虑会聚和各边涉及会聚的一半的事实。由此，在一个具体的示例性实施方式中，角θ从45度偏离大约数值孔径(NA)的一半。通过适当地确定角θ，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB在从相应的表面190和190′被反射回来之后，交叉地返回并且具有与光束被分开时出现的构造大致相同的构造。以此方式，类似的光束沿着它们的初始线路反射回到光学笔120中，使得能够实现精确测量。 

如图11进一步所示，下一个反射元件构造1100B包括第一反射元件1110B和第二反射元件1120B。第一反射元件1110B可以 是部分反射部分透光的片材(即，如光学部件中已知的)使得沿着光轴OA提供的源头光束的一部分可以被向上反射为沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束。此外，源头光束的一部分还可以被透射到第二反射元件1120B并且被向上反射为沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束。可以理解的是，该构造使沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束的取向和沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束的取向与图6中所示的双光束组件400的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向类似。 

下一个反射元件构造1100C包括光束分光器1107C。光束分光器1107C将沿着光轴OA行进的源头光束的一部分透射为沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束。光束分光器1107C还在内反射面1110C处将源头光束的一部分向上反射为沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束。可以理解的是，沿着第一测量轴线MA1输出的第一测量光束的取向和沿着第二测量轴线MA2输出的第二测量光束的取向与图9所示的双光束组件900的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向类似。 

下一个反射元件构造1100D包括棱镜元件1107D。在棱镜元件1107D的第一内表面1110D处，沿着光轴OA行进的源头光束的一部分被向上反射为沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束。此外，该源头光束的其余部分穿过内表面1110D透射到元件1107D的第二表面1120D，在此处，源头光束的该其余部分被向上反射为沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束。可以理解的是，该构造使沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束的取向和沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束的取向与图6中所示的双光束组件400中的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向类似。 

下一个反射元件构造1100E包括菱形棱镜元件1107E。在棱 镜元件1107E的第一表面1110E处，沿着光轴OA被引导的源头光束的一部分被向上反射为沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束。此外，源头光束的其余部分穿过第一表面1110E透射到元件1107E的第二表面1120E，在此处，源头光束的该其余部分被向上反射为沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束。可以理解的是，该构造也使沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束的取向和沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束的取向与图6所示的双光束组件400的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向类似。 

下一个反射元件构造1100F包括梯形棱镜元件1107F。在梯形棱镜元件1107F的第一表面1110F处，沿着光轴OA提供的源头光束的一部分被向上反射为沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束。此外，第一表面1110F还将源头光束的一部分透射到元件1107F的第二表面1120F，在此处，源头光束的该部分被向下反射为沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束。可以理解的是，该构造使沿着第一测量轴线MA1的第一测量光束的取向和沿着第二测量轴线MA2的第二测量光束的取向与图10所示的双光束组件1000的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向类似。 

图12是联接到光学笔120的双光束组件1200的第五实施方式的侧剖视图。可以理解的是，双光束组件1200的部件可以与上述的双光束组件200、400、800、900和1000的相似编号的部件类似或相同。在双光束组件1200中，第一测量光束FMB的取向和第二测量光束SMB的取向与图8的双光束组件800的第一测量光束的取向和第二测量光束的取向相同(即，第一测量光束FMB和第二测量光束SMB均在与光学笔120的光轴OA相同的方向上沿着平行测量轴线被引导)。双光束组件1200的主要不同(特别参照图2的双光束组件200)在于，双光束组件1200定位 于光学部分150的透镜之间。即，光学部分150已经被分成位于光学笔120端的透镜150A和位于双光束组件1200端的透镜150B和150B′。在一些实施方式中，这可以被认为是将双光束组件1200的部件放置于光学笔120的内部，于是所述光学笔120可以被认为是双光束光学笔。无论如何，由于双光束在进入CP S系统的色散光学系统的最后的透镜之前由双光束组件1200形成，所以双光束中的各光束均需要如由透镜150B和150B′提供的单独透镜。 

更具体地，如图12所示，透镜150B沿着第一测量光束FMB的测量轴线MA1定位，而透镜150B′沿着第二测量光束SMB的测量光轴MA2定位。在操作中，来自光学笔120的源头光束SB朝向第一反射元件1210被引导。源头光束的行进穿过第一反射元件1210的开口部分的部分延续为行进穿过透镜150B并且沿着第一测量轴线MA1被引导的第一测量光束FMB。源头光束的由第一反射元件1210的反射部分反射的部分朝向第二反射元件1220被引导，然后所述第二反射元件1220将第二测量光束SMB沿着第二测量轴线MA2引导穿过透镜150B′。 

关于由透镜150A、150B和150B′提供的轴向色散，该操作与上面关于图2的说明的操作相同。如对于彩色共焦传感器系统所已知的那样，透镜150B和150B′均与透镜150A协作以提供期望的轴向色散，使得沿着测量轴线MA1和MA2的焦点根据光的波长而位于不同的距离。当反射光从表面或工件表面反射时，对于第一测量光束FMB和第二测量光束SMB来说，反射光通过透镜150B和150B′分别与透镜150A协作而重新聚焦到光纤孔195。可以理解的是，通过设置作为离开光学笔120的单独元件的透镜150B和150B′，允许透镜设计和选择上的更大灵活性，包括使用具有特定的期望特性的透镜(例如，使用具有相同或不 同的轴向色散性质的透镜等)。在这样的构造中，如果离开透镜150A的光束SB在名义上是准直的，则是有利的。在这样的情况下，在一些实施方式中，第一测量光束FMB的路径长度与第二测量光束SMB的路径长度之差不会引起很多设计困难，并且透镜150B和150B′可以类似或相同。另外，透镜150B和150B′可以在名义准直光束中沿着各自的光路相对自由地定位，使得更容易提供第一测量光束FMB的测量范围和第二测量光束SMB的测量范围之间的期望关系(例如，期望的测量范围OFFSET)。在一些实施方式中，透镜150B和150B′可以是不同的，使得如果期望的话，它们可以提供长度不同的相应的测量范围(例如，300微米测量范围以及3毫米测量范围)。 

可以理解的是，上述任何类型的双光束或多光束彩色共焦点传感器系统可以被应用以执行下述多光束CPS系统测量方法或用途。 

图13是示出根据本发明的使用双光束彩色点传感器系统同时测量两个不同表面区域的示例性通用程序1300的流程图。如图13所示，在块1310处，提供被构造为用于同时测量两个不同表面区域的双光束彩色点传感器系统，其中所述两个不同表面区域中的至少一个表面区域位于工件上。在一个实施方式中，系统可以包括具有共焦孔并且安装有双光束组件的光学笔。下面将关于图14-18更详细地说明同时测量两个不同表面区域用的彩色点传感器系统的不同构造方法的具体示例。 

在块1320处，来自系统的第一测量光束被定位在第一表面区域并且来自系统的第二测量光束被定位在第二表面区域。下面更详细地说明第一和第二表面区域的若干示例。简略地，第一表面区域和第二表面区域具有与第一测量光束的位置和第二测量光束的位置之间的关系对应的空间关系。如下所述，在块 1340处的对应的测量组期间，工件表面的不同部分可以进入第一和/或第二测量光束的位置并且临时变为第一和/或第二表面区域。在块1330处，接收从第一和第二测量光束产生的穿过系统和共焦孔返回的工件测量光。在块1340处，确定至少一组测量数据，各组测量数据均包括从第一测量光束产生的第一测量数据和从第二测量光束产生的第二测量数据。在一个实施方式中，利用相对细微的分辨率(例如，至少与10nm一样细微)确定各测量数据。可以理解的是，本发明的系统在不需要使用干涉仪或其他更复杂的系统的情况下能获得如此高精度的测量数据。 

在块1350处，基于至少一组测量数据，确定工件特征测量数据和工件特征位置变化中的至少一方。例如，可以确定第一和第二表面区域之间的高度差，或者当工件移动经过第一和第二测量光束时可以确定高度差的变化。如下面更详细地说明的那样，高度差的变化可以表明台阶高度的变化、或表面角的变化、或表面跳动等。 

图14是示出用于构造测量槽深/台阶高度用的双光束彩色点传感器系统的示例性子程序1420的流程图。例如，在由程序1300测量槽深/台阶高度的情况下，子程序1420的操作可以大致对应于或能被用作在图13的块1320处进行的操作，并且在一些实施方式中提供块1340处的动作。在块1421处，确定槽深/台阶高度以用于构造该系统。例如，从图或文字说明或初步测量等可以确定名义槽深/台阶高度。在块1422处，将双光束彩色点传感器测量装置构造为使得固定的Z偏移减去在块1421处确定的槽深/台阶高度小于最大值(例如，CPS的测量范围R)，但是还大于最小值(例如，0.05*R)，使得两个测量光束在双光束彩色点传感器系统的检测器的测量范围内产生能单独区分的测量峰 值。在块1423处，将双光束组件构造为使得测量光束将沿着测量轴线(例如，平行地)被引导，所述测量轴线被取向为使得一个测量光束被定位于槽底/下台阶表面区域，而另一个测量光束被定位于槽肩/上台阶表面区域。在图6和图8、图11的构造1100B、1100D和1100E以及图12中示出了测量光束的这种取向(即，它们被平行地引导)。 

在判断块1424处，判断工件部分是否相对于双光束组件转动(例如，双光束光学笔被安装在圆度测试仪上，并且由圆度测试仪使工件转动)。如果工件将转动，则子程序进行到块1425，在块1425处，为工件设置转动机构，然后结束子程序1420。下面将关于图20A至图20D更详细地说明安装于圆度测试仪的测量槽深用的光学笔的示例。如果工件不转动，则子程序进行到判断块1426，在块1426处，判断工件部分是否相对于双光束组件直线移动(例如，双光束光学笔被安装在基准结构或机架或者如图19A所示的视觉系统的测量头上等，并且工件在直线承载系统上移动)。如果工件将直线移动，则子程序进行到决1427处，在块1427处，设置直线移动机构(例如，机器视觉系统的台架)，之后结束子程序(例如，以图13的块1330继续操作，并且在块1330和/或1340处提供工件运动)。如果工件不直线移动，则结束子程序。 

图15是示出用于构造测量槽/间隙宽度和/或位置用的双光束彩色点传感器系统的示例性子程序1520的流程图。例如，在由程序1300测量槽/间隙宽度和/或位置的情况下，子程序1520的操作可以大致对应于或能被用作在图13的块1320处进行的操作，并且在一些实施方式中提供块1340处的动作。在块1521处，确定槽/间隙宽度和/或位置以用于构造该系统。例如，从图或文字说明或初步测量等可以确定名义槽/间隙宽度和/或位置。在块 1522处，将双光束彩色点传感器测量装置构造为使得双光束的测量范围被分开与在块1421处确定的槽/间隙宽度相当的距离，并且使得固定的Z偏移小于最大值(例如，CPS的测量范围R)，但是还大于最小值(例如，至少0.05*R)，使得两个测量光束在双光束彩色点传感器系统的检测器的测量范围内产生能单独区分的测量峰值。在块1523处，将双光束组件构造为使得测量光束将沿着测量轴线(例如，平行地但在相反方向上)被引导，所述测量轴线被取向为使得一个测量光束被定位于槽/间隙的第一侧面区域，而另一个测量光束被定位于槽/间隙的相反的第二侧面区域。在图10、图11的构造1100A和1100F中示出了测量光束的这种取向(即，它们在相反的方向上被引导)。 

在判断块1524处，判断工件部分是否相对于双光束组件转动(例如，双光束光学笔被安装在圆度测试仪上，并且由圆度测试仪使工件转动)。如果工件将转动，则子程序进行到块1525，在块1525处，为工件设置转动机构，然后结束子程序1520。如果工件部分不转动，则子程序进行到判断块1526，在块1526处，判断工件部分是否相对于双光束组件直线移动。如果工件部分将直线移动，则子程序进行到块1527，在块1527处，设置直线移动机构(例如，双光束光学笔被安装在基准结构或机架或者如图19A所示的视觉系统的测量头上等，并且工件在直线承载系统上移动)，之后结束子程序(例如，以图13的块1330继续操作，并且在块1330和/或1340处提供工件运动)。如果工件部分不直线移动，则结束子程序。 

图16是示出用于构造测量表面/支承跳动(runout)用的双光束彩色点传感器系统的示例性子程序1620的流程图。例如，在由程序1300测量表面跳动的情况下，子程序1620的操作可以大致对应于或能被用作在图13的块1320处进行的操作，并且在 一些实施方式中提供块1340处的动作。跳动指的是当平面或柱面沿着平行于该面的方向移动时沿着法线方向的偏离。在块1621处，确定名义跳动表面和基准表面之间的高度差以用于构造该系统。例如，从图或文字说明或初步测量等可以确定名义高度差。在块1622处，将测量装置构造为使得固定的Z偏移与名义跳动表面和基准表面之间的高度差相当但不相同，使得两个测量光束在双光束彩色点传感器系统的检测器的测量范围内产生能单独区分的测量峰值。 

在块1623处，将双光束组件构造为使得测量光束将沿着测量轴线(例如，平行地)被引导，所述测量轴线被取向为使得第一测量光束被定位于跳动表面区域，而第二测量光束被定位于基准表面区域，所述基准表面区域邻近跳动表面地定位并且相对于光学笔固定。在块1624处，设置使跳动表面相对于光学笔移动的机构，使得能够获取从第一和第二测量光束产生的多组测量数据。例如，将双光束光学笔安装在基准结构或机架上，并且工件在直线的或转动的承载系统上移动，之后结束子程序(例如，以图13的块1330继续操作，并且在块1330和/或1340处提供工件运动)。 

图17是示出用于构造测量表面在承载系统上运动期间的滚动或节距用的双光束彩色点传感器系统的示例性子程序1720的流程图。在块1721处，确定两个测量光束之间的间隔距离SEPP(例如，对于滚动测量来说垂直于运动方向，或者对于节距测量来说平行于运动方向)以用于构造该系统。在块1722处，将测量装置构造为使得固定的Z偏移至少是最小值(例如，0.05*R，使得两个测量光束在双光束彩色点传感器系统的检测器的测量范围内产生能单独区分的测量峰值)。在块1723处，将双光束组件构造为使得第一和第二测量光束将沿着测量轴线被引导，所 述测量轴线被取向为使得第一测量光束被定位于滚动或节距表面的第一表面区域，第二测量光束被定位于滚动或节距表面的第二表面区域。在块1724处，设置使滚动表面相对于光学笔移动的机构，使得能够获取从第一和第二测量光束产生的多组测量数据。例如，将双光束光学笔安装在基准结构或机架上，并且工件在直线的或转动的承载系统上移动，之后结束子程序(例如，以图13的块1330继续操作，并且在块1330和/或1340处提供工件运动)。对于不同运动位置处的多组测量数据，在确定由尺寸SEPP分开的第一和第二测量光束之间的差的变化的基础上，可以计算角滚动或节距变化vs运动。 

图18A至图18D是示出包括双光束组件1801的机器视觉系统安装使用装置1800的示例性实施方式的图。安装使用装置1800被设置于具有光学成像系统1834的显微镜式机器视觉检查系统，所述光学成像系统1834诸如是在同时在审和共同转让的美国核准前公开No.20090109285以及在共同转让的美国专利No.7,454,053中所述的光学成像系统，上述专利的全部内容均通过引用合并于此。在2004年3月25日提交的共同转让的美国专利No.7,324,682和2003年8月4日提交的共同转让的美国核准前公开No.20050031191中，还更详细地说明了视觉测量机器和控制系统的多个方面，上述专利的全部内容均通过引用合并于此。 

如′682专利和′191公开中更详细说明的那样，机器视觉检查系统可以包括控制系统部分，所述控制系统部分能用于重放所拍摄和存储的工件检查图像、在这样的工件检查图像中检查和分析工件特征并且存储和/或输出检查结果。 

如图18A所示，包括物镜1870的光学成像系统1834具有光轴OA并且放大工件1880的表面和对该表面成像。物镜1870可以通过沿着Z轴引导承载件1834a移动而聚焦。工件1880在工件台 架1872上被放置于光学成像系统1834的视场中，其中工件台架1872能在引导承载件1872a上沿着X和Y轴移动。该机器视觉检查系统可以包括机械探针系统1836以及相关联的控制软件，与利用从位于伊利诺斯的奥罗拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)得到的QUICK 

Apex系列视觉系统得到的那些大致相当。探针系统1836可以适于保持安装有双光束组件1801的光学笔120，所述探针系统将与多种测量功能结合使用。在该构造中，标准坐标测量机器技术可以与标准机器视觉技术结合使用，以控制探针系统1836使光学笔120和双光束组件1801相对于工件1880自动地定位，同时机器视觉控制系统用于移动工件台架1872和工件1880，使得可以进行诸如上述关于图13-17所说明的测量功能。 

如图18A所示，探针系统1836能沿着Z轴引导承载件1836a移动，并且可以包括探针头组件1839，探针头组件1839可以包括绕Z轴转动并且垂直于Z轴的马达驱动头1845。带有双光束组件1801的光学笔120通过连接件1844被机械地联接到马达驱动头1845，并且光纤112将光学笔120连接到光学笔电子部分160。在一个实施方式中，可以通过全部可从Renishaw PLC，Gloucestershire，UK  得到的、Renishaw ^TM  出版物H-1000-5070-11-B中所述的PH 10马达驱动头系列中的一种来提供马达驱动头1845。图18A还示出代表示例性控制电路和/或程序的块。在图18A的实施方式中，所述块包括计算机用户界面1860、视觉系统控制器1810以及探针头控制器1830，其中视觉系统控制器1810可以用作与光学笔电子部分160通信的主系统，上述所有部分通过电力控制总线1815彼此互相连接并且连接到机器视觉检查系统的多个部件，电力控制总线1815通过连接件1892被连接到探针系统1836。光学笔电子部分160可以使用带有 双光束组件的光学笔进行检测，并且与计算机用户界面1860以及/或视觉系统控制器1810交换控制和数据信号。一般而言，上述的多种块可以使用与现有技术中用于类似操作的部件和操作类似或相同的部件和操作来构造。可以理解的是，在各实施方式中，上述块的操作可以使用通用处理器等来执行，并且在各实施方式中，与各块相关联的电路和/或程序可以合为一体或不区分。 

图18B和图18C分别是一种测量操作中的双光束组件1801和工件1880的侧剖视图和俯视剖视图。如图18B和图18C所示，第一测量光束FMB朝向工件1880的第一表面区域F SR被引导，而第二测量光束SMB朝向第二表面区域SSR被引导。探针系统1836和工件台架1872中的任一方或两方可以用于相对于工件1880定位和移动双光束组件1801，使得第一测量光束FMB沿着第一表面区域F SR扫描，而第二测量光束SMB沿着第二表面区域S SR扫描，从而可以获取多组测量点。 

图18D是工件1880的三维图，其示出当双光束组件1801和/或工件1880相对于另一方移动(例如，沿着Y轴方向)使得第一测量光束FMB沿着第一表面区域FSR扫描且第二测量光束SMB沿着第二表面区域SSR扫描时从第一测量光束FMB和第二测量光束SMB产生的测量点。如图18D所示，在第一测量位置处，获得一组测量数据，所述测量数据包括使用第一测量光束FMB在第一表面区域FSR上获得的第一表面测量点FSMP1和使用第二测量光束SMB在第二表面区域SSR上获得的第二表面测量点SSMP1。在第二测量位置处，获得类似的第一表面测量点FSMP2和第二表面测量点SSMP2的组，并且在第三测量位置处，获得类似的第一表面测量点FSMP3和第二表面测量点SSMP3的组。可以以相同的方式获得额外的测量点。 

在各实施方式中，测量点组可以用于确定多种测量数据(例如，工件1880的选出的尺寸或上述关于图13-17所述的其他测量数据)。在一个具体示例中，诸如图18D所示的测量点组可以用于诸如同时测量第一表面区域FSR和第二表面区域SSR的表面粗糙度和/或平坦度或跳动等。如果在X方向和/或Z方向上提供运动，则可以提供能用于测量第一表面区域FSR和第二表面区域SSR之间的多个位置(例如，A1，A2，A3)处的角A或A的变化的测量组。 

图19A至图19D是示出双光束组件1901用的圆度测量机安装使用装置1900的示例性实施方式的图。安装使用装置1900被设置于诸如美国专利No.5,926,781所述的圆度测量机1902(即，圆度测量仪)，所述专利的全部内容通过引用合并于此。 

如图19A所示，圆度测量机1902可以通过控制和数据信号缆线1931被连接到圆度测量仪的处理部件1929。圆度测量机1902可以包括收纳马达(未示出)的主壳体1903，所述马达被控制为通过驱动轴使定中心-整平单元1905和转盘1907转动到各种角度。使用旋转编码器(未示出)测量所述角度。定中心-整平单元1905装配有定中心-整平旋钮。柱1915从主壳体1903向上延伸。滑动件1917可以沿着柱1915上下移动，并且承载有水平延伸的臂1919。臂1919的端部承载有探针保持件1921，探针保持件1921被配置成支撑带有双光束组件1901的光学笔120，所述光学笔120通过圆度测量机1902与多种测量功能结合使用。光纤112将光学笔120连接到光学笔电子部分160，光学笔电子部分160可以通过控制数据和信号缆线1931′连接到处理部件1929，处理部件1929可以用作与光学笔电子部分160通信的主系统。在该构造中，可以使用标准圆度测量机技术来相对于工件1980定位探针保持件1921和光学笔120以及双光束组件1901，并且转动 转盘1907和工件1980，使得可以进行诸如上述关于图13至图17所述的测量功能。例如，在转盘1907转动期间，对于绕驱动轴的轴线分布的多个测量位置(例如，测量到的角位置)记录从来自光学笔120和双光束组件1901的输出信号推出的值。 

图19B和图19C分别是一种测量操作中的双光束组件1901和工件1980的侧剖视图和俯视剖视图。如图19B和图19C所示，第一测量光束FMB朝向工件1980的第一表面区域FSR被引导，而第二测量光束SMB朝向工件1980的第二表面区域SSR被引导。当转盘1907转动时，第一测量光束FMB沿着第一表面区域FSR扫描，而第二测量光束SMB沿着第二表面区域SSR扫描，使得可以以已知的角度获得多组测量点(例如，能用于确定各角位置处的槽同心性和/或深度的测量点)。 

图19D是第一表面区域FSR和第二表面区域SSR的三维切断图，其示出当工件1980转动时从第一测量光束FMB和第二测量光束SMB产生的测量点。如图19D所示，在第一测量位置处，获得一组测量数据，所述测量数据包括使用第一测量光束FMB在第一表面区域FSR上获得的第一表面测量点FSMP1和使用第二测量光束SMB在第二表面区域SSR上获得的第二表面测量点SSMP1。在第二测量位置处，获得类似的第一表面测量点FSMP2和第二表面测量点SSMP2的组，在第三测量位置处，获得类似的第一表面测量点FSMP3和第二表面测量点SSMP3的组。可以以相同的方式获得额外的测量点。 

在一个实施方式中，多组测量点(例如，FSMP1和SSMP1、FSMP2和SSMP2、FSMP3和SSMP3等)可以用于确定工件1980的测量数据。在一个具体的示例性实施例中，测量点可以用于确定槽深/台阶高度，其中第一表面测量点FSMP1和第二表面测量点SSMP1确定尺寸D1(即，与第一测量位置处的槽深/台阶高 度对应)。类似地，第一表面测量点FSMP2和第二表面测量点SSMP2确定尺寸D2，而第一表面测量点FSMP3和第二表面测量点SSMP3确定尺寸D3，各尺寸均与相应的测量位置处的槽深/台阶高度对应。 

可以理解的是，除了图18A至图18D和图19A至图19D所示的构造以外，可以使用其他的构造来获得多组测量数据。例如，可以使用不同的机构产生扫描运动，并且可以根据要获得的测量数据使用双光束组件的不同取向和构造(例如，诸如图2至图12所示)。本发明的方法与现有技术相比的优点包括：共模表面波纹(例如，由于切削工具漂移或振动而产生)不影响沟或台阶尺寸测量；可以由单个笔实现两个测量；以及笔和/或测量表面不需要被沿着二维方向或轴线扫描以提供沿着不同的轴线或线的一系列测量数据，这提供了更快的测量并提高了精度(即，消除了振动、台架运动等)。在某些实施例中，可以测量台架的动态滚动、节距或横摆。在没有这里公开的双光束组件和方法的情况下，在现有技术中利用趋于变贵和变庞大的干涉仪和特定光学部件来进行某些这些类型的测量。本发明的双光束组件和方法相比于这样的现有技术的干涉仪测量构造的优点在于，本发明的系统和方法较容易建立且较便宜(即，光学部件较简单)，并且占据较小空间(即，光学部件较小等)。 

尽管已经示出并且说明了本发明的优选实施方式，但是在本公开的基础上，对本领域技术人员来说，所示出和说明的特征配置和操作顺序的多种变化是显而易见的。因此，可以理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种改变。 

相关申请的引用

本申请是2010年8月26日提交的美国专利申请 No.12/869,687的部分连续案，本申请特此要求该美国专利申请的优先权和申请日。美国专利申请No.12/869,687的关键内容包含于此，除此以外，其全部内容通过引用合并于此。 

Claims (19)

1.一种用于同时测量两个表面区域的多光束彩色共焦点传感器系统的操作方法，所述彩色共焦点传感器系统包括具有共焦孔的光学笔，所述方法包括：

将来自所述彩色共焦点传感器系统的第一测量光束定位于第一表面区域，将来自所述彩色共焦点传感器系统的第二测量光束定位于第二表面区域，其中至少所述第一表面区域位于工件上；

接收从所述第一测量光束和所述第二测量光束产生并穿过所述彩色共焦点传感器系统和所述共焦孔返回的工件测量光；

确定至少一组测量数据，所述测量数据包括从所述第一测量光束产生的第一测量数据和从所述第二测量光束产生的第二测量数据；以及

基于所述至少一组测量数据，确定工件特征测量数据和工件特征位置变化中的至少一方。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一表面区域和所述彩色共焦点传感器系统中的至少一方相对于另一方移动，以获得多组测量数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述移动是直线移动。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光学笔被安装于机器视觉检查系统，所述移动由所述机器视觉检查系统的运动系统提供。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述移动是转动。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光学笔被安装于圆度测量仪，所述移动由所述圆度测量仪提供。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述移动使所述第一测量光束沿着所述第一表面区域扫描并且使所述第二测量光束沿着所述第二表面区域扫描，以获得多组测量数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一测量光束和所述第二测量光束平行地取向，并且所述第一表面区域是槽底和下台阶表面区域中的至少一方，所述第二表面区域是槽肩和上台阶表面区域中的至少一方，并且所述多组测量数据表明了槽或台阶在沿着所述槽或台阶的多个位置处的高度和高度变化中的至少一方。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦点传感器系统被构造为使得与所述第一测量光束对应的第一测量范围和与所述第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移减去与所述槽或台阶的名义高度尺寸对应的值小于所述彩色共焦点传感器系统的测量范围R并且至少是所述测量范围R的5％。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一测量光束和所述第二测量光束在相反的方向上取向，并且所述第一表面区域位于槽或间隙的第一侧面，所述第二表面区域位于所述槽或间隙的与所述第一侧面相反的第二侧面，并且所述多组测量数据表明了所述槽或间隙在沿着所述槽或间隙的多个位置处的宽度和宽度变化中的至少一方。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一测量光束和所述第二测量光束平行地取向，所述第一表面区域是跳动表面区域，所述第二表面区域是相对于所述彩色共焦点传感器系统固定的基准表面区域，并且所述多组测量数据表明了所述跳动表面相对于所述基准表面在沿着所述跳动表面的多个位置处的高度和高度变化中的至少一方。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦点传感器系统被构造为使得与所述第一测量光束对应的第一测量范围和与所述第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移减去与所述跳动表面和所述基准表面之间的名义高度差对应的值小于所述彩色共焦点传感器系统的测量范围R并且至少是所述彩色共焦点传感器系统的所述测量范围R的5％。

13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一测量光束和所述第二测量光束平行地取向，所述第一表面区域和所述第二表面区域位于所述工件上，在获得所述多组测量数据期间，所述第一测量光束的测量轴线和所述第二测量光束的测量轴线具有间隔，所述间隔限定与运动方向垂直的间隔距离SEPPROLL和与所述运动方向平行的间隔距离SEPPPITCH中的至少一方。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述间隔小于所述彩色共焦点传感器系统的测量范围R。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多组测量数据与所述间隔距离SEPPROLL的值组合使用，以确定所述工件绕与所述运动方向平行的轴线的角滚动。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多组测量数据与所述间隔距离SEPPPITCH的值组合使用，以确定所述工件绕与所述运动方向平行的轴线的角节距。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用至少与10nm一样细微的分辨率确定所述第一测量数据和所述第二测量数据中的每一方。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦点传感器系统被构造为使得与所述第一测量光束对应的第一测量范围和与所述第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移大于所述彩色共焦点传感器系统的测量范围R的5％。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦点传感器系统被构造为使得与所述第一测量光束对应的第一测量范围和与所述第二测量光束对应的第二测量范围之间的Z偏移小于所述彩色共焦点传感器系统的测量范围R。

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