CN103196568B

CN103196568B - 波长检测器及使用波长检测器的接触探头

Info

Publication number: CN103196568B
Application number: CN201310001292.6A
Authority: CN
Inventors: 日高和彦
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103196568A; JP5909365B2; US20130176561A1; JP2013140094A; US8665435B2; EP2613120B1; EP2613120A1

Abstract

本发明提出一种波长检测器及使用波长检测器的接触探头，其中所述接触探头包括触针以及用于以光学方式检测触针姿势的光学检测器。照明对象部形成在触针上并具有三个或更多个反射面。光学检测器包括三个或更多个光纤、光源、聚光透镜组以及波长检测器。波长检测器基于由聚光透镜组和三个或更多个反射面之间的间隔变化分别引起的反射光束的波长变化来计算触针的姿势信息。接触探头基于光学检测器获得的姿势信息得到与待测物体的接触位置的坐标。

Description

波长检测器及使用波长检测器的接触探头

技术领域

本发明涉及光波长检测器及使用该光波长检测器的接触探头。具体而言，本发明涉及如扫描探头及触摸触发器探头等用于坐标测量仪的接触探头。

背景技术

用于坐标测量仪的接触探头具有各种形式，例如，对触针（运动体）的姿势做三角测量的光学检测型；以线性刻度检测运动体的运动长度的另一光学检测型；以及通过在运动体的弹性变形部分设置电致伸缩元件来检测应变量从而检测运动体的姿势的类型。这种触针姿势检测器作为内置传感器设置在接触探头的外壳内。例如，让三个LED发出的光束照射在设置在触针顶部的反射镜的三个反射面上，用光传感器检测所得三个反射光束。在触针的姿势变化的情况下，反射镜位置移动，由此三个反射光束的反射方向分别改变，它们在光传感器上的入射位置相应偏移。通过检测各个反射光束的偏移长度而计算触针的姿势变化。例如专利文献1公开了这种使用LED发出的光束的触针姿势光学检测方法。

[在先技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]JP-A-2007-218734

然而，光学检测方法中，在扫描探头精度增加的现有情况下，由如光源以及光检测元件组等探头内的热源引起的探头的热变形是亚微米级测量中不容忽视的误差起因。另一方面，增加光学检测方法S/N（信噪）比的一种通用措施是把光检测元件组设置得离运动体尽可能近。因而，在光学检测方法中，由热源造成的运动体热变形问题以及信噪比问题是彼此制约的关系。

使用三角测量的光学检测方法中，两段或四段P SD（位置传感器器件）常用作光检测器。虽然PSD具有高速检测的优势，但是，存在的问题是，由于PSD检测光量分布的重心，因此难以把运动体的姿势数据和电子噪声以及振动噪声分开。此外，对于检测待测物体姿势的目的来说，PSD的功能不足。

在使用通常由PZT制成的电致伸缩元件的方法中，由于易于被冲击损坏而且难以替换触针，所以电致伸缩元件通常难以维护。

发明内容

本发明的一个或多个示例实施例提供了可以检测三个或更多个光束的不同波长的波长检测器以及可以光学方式检测触针姿势的使用该波长检测器的接触探头。

根据本发明示例实施例的波长检测器包括：

平行透镜组，用于使用三个或更多个透镜把具有部分波长范围的光束转换成彼此平行的光束，所述具有部分波长范围的光束是从通过用光谱位于预定波长范围内的三个或更多个照明光束照射照明对象部的三个或更多个反射面而产生的三个或更多个反射光束中提取的；

分光镜元件，用于接收来自所述平行透镜组的光束，并分别在与光束的部分波长范围对应的出射方向上输出光束；

检测透镜组，用于使用三个或更多个透镜分别聚集所述分光镜元件的输出光束；

光检测元件组，用于分别检测所述检测透镜组聚集的三个或更多个光束的聚焦位置，所述光检测元件组包括排列在一个平面上的多个光检测元件，所述多个光检测元件覆盖所述检测透镜组聚集的三个或更多个光束的取决于所述分光镜元件的出射方向的聚焦位置的变化范围，

其中所述波长检测器根据各个检测到的聚焦位置计算所述三个或更多个光束的波长。

利用该构造，可以同时检测三个或更多个光束的波长。具体而言，通过检测光束的聚焦位置确定光束的波长。

分光镜元件使得来自平行透镜组的三个或更多个光束在取决于这三个或更多个光束的波长的方向上行进。由于使用了平行透镜组，所以即便利用从光纤等出射的光束也可有效地产生彼此平行的三个或更多个光束。分光镜元件可以是棱镜或衍射光栅。具体而言，为了节省空间，优选地使用衍射光栅。

检测透镜组设置在分光镜元件的出射侧。分光镜元件的输出光束被检测透镜组的相应透镜聚集，从而聚焦在设置在光检测元件组下游的光检测元件组的光检测面上。

此外，由于光检测元件组是多元件类型（即包括多个光检测元件），所以用多个光检测元件检测聚集在光检测元件组上的每个光束的光强。因而，得到分布在以聚焦位置为中心的多个光检测元件上的光强分布，可根据光强的峰值位置而检测聚焦位置。如果多个光检测元件排列在单个平面内，并且使三个光束以彼此不干涉的位置关系照射在光检测元件组上，可以同时独立检测三个光束的波长。光检测元件组可采用多个光检测元件排列成一条线的光检测元件阵列（称为线阵图像传感器）或如CCD的面阵传感器。

由于使用了平行透镜组和检测透镜组，分光镜元件和光检测元件组的每一个可以是单个共用元件。即，不是必须为三个或更多个光束分别提供单独的分光镜元件和单独的光检测元件组。因而，可以节省提供单独的分光镜元件和单独的光检测元件组时必须的校准工作所花的时间和精力。还可消除各个元件之间的光学特性差别以及各个元件的对准误差所引起的检测误差影响。这样，本发明使得可使用由光学元件组成的简单构造高精度地同时检测三个或更多个光束的波长。

光检测元件组可包括排列在一个平面上的多个光检测元件阵列，在每个光检测元件阵列中多个光检测元件排列成一条线。

发明人注意到如下事实：可通过至少一个光检测元件阵列实现通过检测光强分布的峰值位置而确定（检测）光的波长，并将该事实用于三个或更多个光束的波长检测。即，发明人采用了多个光检测元件阵列排列在光检测面上的光检测元件组，这样，可用至少一个光检测元件阵列检测每个光束。利用该光检测元件组，可使所需光检测元件数目比使用如CCD的光检测器件（其中光检测元件无间隙地排列在整个光检测面上）的情况小得多，从而可节省原本由无用的光检测元件消耗的信号处理时间。这样，可以提高信号处理速度从而提高测量速度。

多个光检测元件阵列的每一个可包括多个光检测元件且用于确定检测透镜组聚集的相应光束的波长，所述多个光检测元件以覆盖取决于分光镜元件的相应输出光束的波长的出射方向变化范围的方向排列。

利用该构造，每个光检测元件阵列覆盖来自检测透镜组的相应透镜的光的可能聚焦位置范围，并用于确定与光检测元件阵列对应的光束的波长。即，用一个光检测元件阵列检测每个光束的波长。这保证防止了光束聚焦在光检测面上没有光检测元件部分的情况。

根据本发明示例实施例的接触探头包括：

触针，其被保持为姿势随其尖部与待测物体的接触方式而变化；

光学检测器，用于以光学方式检测所述触针的姿势；以及

照明对象部，其形成在所述触针上并且由所述光学检测器照亮，所述照明对象部具有三个或更多个反射面；

其中所述光学检测器包括：

三个或更多个光纤，用于把照明光束传播到各个所述反射面；

光源，用于为各个所述光纤提供光谱位于预定波长范围内的照明光束；

聚光透镜组，用于使用在所述光纤和相应的反射面之间延伸的光轴上所设置的聚光透镜把来自各个所述光纤的照明光束聚集到各个所述反射面上；以及

如上文所述的波长检测器，用于分别通过光纤接收从位于照明光束中具有部分波长范围的分量的聚焦位置附近的反射面的区域所反射的反射光束，并用于检测各个反射光束的波长；

其中所述波长检测器用于基于分别由所述聚光透镜组和三个或更多个反射面之间的间隔变化引起的反射光束的波长变化计算所述触针的姿势信息；以及

其中所述接触探头基于所述光学检测器获得的姿势信息得到与待测物体的接触位置的坐标。

利用该构造，如光源和光检测元件组等的热源可以和探头体的外壳隔离开，而且，即便隔离了热源也可高精度地进行测量。此外，接触探头易于维护。

三个或更多个反射面可设置在照明对象部的圆锥形表面或倒圆锥形表面上，所述圆锥形表面或倒圆锥形表面的轴与探头轴重合。

三个或更多个反射面可排列在所述照明对象部的与探头轴垂直的平面上。

附图说明

图1A示出根据本发明实施例的接触探头的整体构造，图1B-1D示出接触探头触针姿势的检测原理。

图2A-2D示出触针沿垂直方向上移动时触针姿势变化的检测原理。

图3A-3D示出触针沿垂直方向下移动时触针姿势变化的检测原理。

图4A-4D示出触针倾斜时触针姿势变化的检测原理。

图5A和图5B示出环境改变引起的触针姿势变化的检测原理。

图6示出根据实施例的接触探头的变型。

图7A示出根据实施例的接触探头的可拆卸单元，图7B示出可拆卸单元的变型。

图8A-8D示出根据运动体具有四个反射面的实施例的接触探头的另一变型的构造。

图9A-9D示出根据传输四个反射光束的四个光纤的出射端设置在一个平面上的实施例的接触探头的另一变型。

图10A-10D示出根据四个光检测元件阵列沿正方形四边延伸的实施例的接触探头的另一变型。

具体实施方式

下面参考附图描述根据本发明实施例的接触探头10。

图1A-1D所示的接触探头10是用于坐标测量仪的扫描探头。如图1A所示，接触探头10配有运动体20和光学检测器30，运动体20与待测物体W接触时姿势可自由改变，光学检测器30用于以光学方式检测运动体20的姿势。接触探头10根据其姿势信息得到待测物体W接触位置的坐标。由于接触探头10是扫描探头，因此随着接触探头10在待测物体W表面上运动、同时运动体20保持与物体W的接触，接触探头10连续检测运动体20的姿势，并且可测量物体W的表面属性（粗糙度信息、起伏信息等）。根据本发明的接触探头10可用作触摸触发器探头。

<运动体>

运动体20由触针22和设置在触针22顶部的照明对象部24构成。使作为触针22底部的接触部26和待测物体W接触，而且接触部的姿势根据接触部的接触状态而改变。照明对象部24与触针22一体，并由光学检测器30照亮。不对触针22的固定机制进行详细描述，例如，可通过使用具有切口的支撑板（参见专利文献1）而由探头体的外壳60固定照明对象部24。在触针22的接触部26与待测物体W接触的情况下，由于支撑板的弹性变型，触针22姿势可随意改变。

照明对象部24具有圆锥形顶部。反射面28是在该圆锥形表面的三个位置上形成的粗糙表面。这是为了防止只以某特定反射角反射照明光，相反，使大部分照明光被表面散射，从而增加相对于运动体20的倾斜角的可检测姿势（角度）范围。

<光学检测器>

光学检测器30由光源32、光纤传输单元（三个或更多个光纤）34、聚光透镜组36和波长检测器40构成。光源32为光纤传输单元34提供照明光，照明光的光谱位于预定波长范围内，如白光。

光纤传输单元34具有三个光纤路径34A-34C。第一路径34A是照明光从光源32传输到第一反射面28A以及反射光从第一反射面28A传输到波长检测器40所沿的路径。在第一路径34A的半路位置设置分支构件34D，照明光和反射光都经过分支构件34D和聚光透镜组36之间的光纤部分。和第一路径34A一样，第二路径34B和第三路径34C的每一个把照明光从光源32传输到第二反射面28B或第三反射面28C，并把反射光从第二反射面28B或第三反射面28C传输到波长检测器40。作为照明光束出射端的三个光纤尖部以120°间隔绕探头轴（触针22的纵向中心轴）设置在运动体20的照明对象部24上。

聚光透镜组36由设置在光纤和相应的反射面28之间的光轴上的多个聚光透镜构成，并且分别聚集从光纤出射到反射面28上的照明光束。本实施例中，聚光透镜组36包括两组透镜阵列37和38。第一级透镜阵列37聚集从光纤出射端出射的照明光束以形成平行直射光束。第二级透镜阵列38把直射光束聚集到各个反射面28上。

现在描述如何对第二级透镜阵列38进行位置调整。调整第二级透镜阵列38相对于反射面28的位置，从而在触针22具有基准姿势的状态下，将从第二级透镜阵列38输出的照明光束聚焦在各个反射面28上。基准姿势意指触针22的接触部26不与待测物体W接触的状态下的姿势，即，运动体20上未施加外力的状态下的姿势。

由于照明光束的光谱在预定波长范围内，所以从聚光透镜组36输出的照明光束的聚焦位置根据波长沿聚光透镜组的光轴而变化，以产生聚焦位置范围。因而，严格来说，调整方法取决于接触探头10的使用条件，即，应该将什么波长范围内的分量的聚焦位置设置在反射面28上。例如，在触针22具有基准姿势的状态下，照明光束的位于中心波长范围内的分量的聚焦位置可设置在反射面28上。该方法适于基于触针22的基准位置检测姿势变化。或者，在触针22具有“中立姿势”的状态下而不是在触针22具有基准姿势的状态下，照明光束的位于中心波长范围内的分量的聚焦位置可设置在反射面28上，在该“中立姿势”的状态下，接触部26以预定压力与待测物体W接触。该方法适于用接触部26扫描待测物体W表面的情况。

本实施例中，在聚光透镜组36中，透镜排列成使得照明光束的光轴彼此平行。即，连接光纤出射端34E和反射面28的中心的光轴彼此平行。然而，这些光轴不需总是彼此平行的，这是由于，本发明中，通过测量第二级透镜阵列38和各个反射面28之间的间隔来检测触针22的姿势，因而，即便三个光轴彼此不平行，也能检测姿势。然而，如本实施例那样把三个光轴设成彼此平行可使得探头体的外壳紧凑，这是由于光轴之间的间隔被最小化，因而减小了透镜阵列37和38之间的透镜间隔。

虽然本实施例中，三个光纤出射端34E位于运动体20的照明对象部24上，但是可进行如下修改。给定运动体20的照明对象部24的形状是圆锥形的，锥形的顶点位于底侧，三个反射面28形成在该倒转的圆锥表面上。三个光纤出射端34E设置在照明对象部24之下，照明光束向上出射，以达到各个反射面28。

图1B是沿Z轴从上方观看运动体20的顶视图。圆形反射面28以120°的间隔绕探头轴设置在照明对象部24的圆锥表面上。聚光透镜组36把照明光束聚集到反射面28上（对准反射面的中心）。分别用符号p1-p3指示反射面28A-28C上的照明位置。

<波长检测器>

接下来，参照图1A-1C描述作为本发明重要特征的波长检测器40。

波长检测器40通过光纤接收从反射面28上照明光束的聚集位置附近的区域反射的反射光束，并且检测各个反射光束的波长。具体而言，根据第二级透镜阵列38和反射面28之间的位置关系分别确定各个照明光束聚焦在反射面28上的各个波长，具有这些各个波长的反射光束被聚光透镜组36聚集。波长检测器40检测由第二级透镜组38和反射面28之间的间隔变化引起的各反射光束的波长变化，并根据检测到的波长变化计算触针22的姿势信息。

波长检测器40包括平行透镜组42、衍射光栅（分光镜元件）44、检测透镜组46以及光检测元件组48。

图1C示出从反射光入射侧观看的平行透镜组42和衍射光栅44。简便起见，图1C中平行透镜组42和衍射光栅以重叠位置示出。如图1C所示，平行透镜组42是三个透镜50安装在矩形框构件上以排列成一条线的透镜阵列。输出反射光束的光纤出射端34F设置成面向平行透镜组42的各个透镜50。本实施例中，光纤的光轴分别与透镜50的光轴重合。图1C中，符号S1-S3分别代表三个反射光束的光轴。平行透镜组42产生彼此平行地传输的三个反射光束。

衍射光栅44的形状类似矩形板，并且可以是具有以恒定间隔形成的大量平行沟槽的衍射光栅。调整平行透镜组42和衍射光栅44之间的位置关系使得彼此平行的至少三个反射光束的光轴同时通过衍射光栅44。本实施例中，反射光束在衍射光栅44上的入射角α固定在大于0°的值。或者，入射角α可以固定为0°。衍射光栅44接收来自平行透镜组42的每个反射光束并且在取决于接收的反射光束的波长的折射方向上输出强透射光。因而，在与通过衍射光栅44的每个光束的波长有关的衍射角方向上检测到的光束最强。虽然本实施例采用透射衍射光栅44，但是，即便使用反射衍射光栅而且检测透镜组46和光检测元件组48被设置在反射衍射光栅的衍射侧，也可得到同样效果。

检测透镜组46设置在衍射光栅44的出射侧，并聚集来自衍射光栅44的透射光束。检测透镜组46是三个透镜排列成一条线的透镜阵列，并且可以是和平行透镜组42一样的透镜阵列。来自衍射光栅44的光束被检测透镜组46的相应透镜聚集，因而聚焦在设置在检测透镜组46下游的光检测元件组48的光检测面上。衍射光栅44的每个透射光束的衍射方向取决于波长，为检测透镜组46的每个透镜给定的大小使得能够聚集沿任何方向行进的光。

光检测元件组48检测衍射光栅44的透射光束的聚焦位置（即，衍射方向）。图1D是从入射侧所见的光检测元件组48的视图。如图1D所示，光检测元件组48是多个光检测元件排列成一条线的光检测元件阵列。该光检测元件阵列被分为三个区域，在三个区域中分别检测衍射光栅44的三个透射光束。即，每个区域的光检测元件阵列覆盖衍射光栅44的相应透射光束的聚焦位置（衍射方向）范围。因而，衍射光栅44的每个透射光束聚焦在至少一个光检测元件52上。光检测元件阵列安装在矩形基底上。分别根据各个光检测元件52的各条光检测强度信息计算聚焦位置，并且根据计算出的聚焦位置分别计算衍射光束波长。得到波长变化，并且导出触针22的姿势变化。可以用计算装置（未示出）进行这些计算处理。

<检测原理>

下面参照图2A-2D到图4A-4D描述使用结构如上的接触探头10的触针22姿势检测原理。以下描述针对用接触探头10作为扫描探头检测运动体20的姿势变化（沿Z轴方向（垂直方向）的运动、绕X轴的旋转以及绕Y轴的旋转）的情况。

首先描述在沿垂直方向的运动的情况下的检测原理。运动体20沿垂直方向上移时，如图2A所示，反射面28上的所有照明位置p1-p3向上移动。图2B的平面图示出照明位置p1-p2的排列。这种情况下，照明光束聚焦在各个反射面28上的波长比触针22采用中立姿势的状态下照明光束聚焦在各个反射面28上的波长要短。具有被聚焦在相应反射面28上的波长的每个照明光束的分量被第二级透镜阵列38最大程度地聚集，因而，产生图1C所示的衍射光栅44的最强透射光分量。如上所述，运动体20沿垂直方向向上移动时，波长比与触针22的中立姿势对应的聚焦波长短的每个透射光束的分量最强地照射在光检测元件组48上。

透射衍射光栅44在与上述波长对应的衍射角的方向上产生每个衍射光束的最强分量。在入射在衍射光栅44的所有三个光束波长都较短的图2A-2D所示的情况下，照射在光检测元件组48上的衍射光束的衍射角较小。这样，在运动体20向上移动的情况下，在光检测元件阵列上得到图2D实线所示的光强分布（用虚线指示与中立姿势对应的光强分布）。光检测元件阵列上全部三个峰值位置都向下移动位移Δp1、Δp2、Δp3。

在运动体20如图3A所示沿垂直方向下移动的情况下，如图3D的实线所示，光检测元件阵列上的全部三个峰值位置从虚线指示的与中立姿势对应的峰值位置向上移动。这是由于运动体20向下移动时，入射在衍射光栅44上的光束波长较长，因而，所得衍射光束具有较大的衍射角。

在运动体20沿垂直方向运动的情况下，光检测元件组48的光检测元件阵列上的峰值位置的位移Δp1、Δp2和Δp3是相同的（Δp1=Δp2=Δp3）。

接下来，描述运动体20倾斜即运动体20绕X轴旋转、绕Y轴旋转或者绕两个轴都旋转的情况下的检测原理。

简便起见，描述运动体20如图4A所示绕Y轴旋转角度θy的情况。反射面28上的照明位置p1-p3中，照明位置p1向下移动，照明位置p2和p3向上移动。对于照明位置p1，照明光以比和中立姿势对应的聚焦波长更长的波长聚焦在反射面28A上。这样，衍射角较大波长较长的光照射在光检测元件组48上，因而，光检测元件阵列上与照明位置p1对应的折射光的峰值位置如图4D所示向上移动。另一方面，对于照明位置p2和p3中的每一个，照明光以比和中立姿势对应的聚焦波长短的波长聚焦在反射面28B或28C上。这样，衍射角较小波长较短的光照射在光检测元件组48上，因而，与照明位置p2和p3对应的折射光在光检测元件阵列上的峰值位置如图4D所示向下移动。

图4B示出X、Y和Z轴（Z轴视为X轴和Y轴的交叉）。本实施例中，照明位置p1-p3以120°的间隔绕探头轴排列，照明位置p1位于X轴上（参看图4B）。由于照明位置p1-p3到Y轴的距离，照明位置p1向下的位移和照明位置p2与p3向上的位移之比为2:1。该比例表现在峰值位置位移Δp1与Δp2和Δp3之间的关系中，即峰值位置位移Δp1、Δp2和Δp3的比为2：(-1)：（-1）（负号表示位移方向相反）。

同样的峰值位置运动原理适于运动体20绕X轴旋转的情况。考虑运动体20绕X轴旋转角度θx的情况，即触针20从其（图1A所示）中立位置倾斜，且接触部26稍向图1A的深处（即，朝Y轴方向的正向侧）运动。这种情况下，反射面28上的照明位置p1-p3中，照明位置p1完全不动，照明位置p2向上移动，照明位置p3向下移动。因而，在光检测元件阵列上，与照明位置p1对应的衍射光峰值位置完全不动，与照明位置p2对应的衍射光峰值位置向下移动，与照明位置p3对应的衍射光峰值位置向上移动。在运动体20绕X轴旋转与上述绕Y轴的旋转角度θy相同的角度θx的情况下，峰值位置偏移Δp1、Δp2和Δp3的比为

基于上述关系，在运动体20绕X轴旋转、绕Y轴旋转或者绕两个轴都旋转的情况下，可通过基于峰值位置位移Δp1、Δp2和Δp3的检测值计算反射面28与第二级透镜阵列38的正对的(confronting)聚光透镜之间的距离而唯一确定运动体20的倾斜。即，可通过检测峰值位置位移Δp1、Δp2和Δp3而推导出运动体20的姿势信息（即，触针22在垂直方向的位移和触针22的倾斜）。

使用上述波长检测器40使得可同时独立检测三个反射光束的波长。可用少量光学元件构造波长检测器40。此外，可高精度地检测波长变化。

具体而言，由于传播反射光束的光纤的出射光束是通过单个衍射光栅44（或棱镜）使用单个光检测元件组48检测的，所以可降低由各个光学元件之间的差别引起的姿势检测误差以及各个光学元件的对准误差。

把波长检测器40用作接触探头10的内置传感器的情况下，可高精度地检测触针22的姿势，但是如光源32以及光检测元件组48等热源并非必须设置在探头体的外壳60内。

此外，由于光纤的直径为亚微米量级的，所以可实现微米级直径的紧凑型接触探头10。

如上所述，由于波长检测器40是用于分别测量反射面28与第二级透镜阵列38的正对的聚光透镜沿光纤轴的距离的，可通过把反射面28设置在圆锥表面（或倒圆锥表面）上而检测由测量环境变化而引起的运动体20基准姿势变化，如本实施例那样，圆锥表面的轴与探头轴重合。例如，在如图5A所示的测量环境变化而使得运动体20的基准姿势的改变使运动体沿X轴方向平移长度Δx的情况下，可通过如图5B所示在测量环境变化之前和之后比较峰值位置集合而基于位移Δp1、Δp2和Δp3检测平移长度Δx。类似地，可检测由测量环境改变造成的沿Y轴方向的变化长度Δy或沿Z轴方向的变化长度Δz。这样，如果虽然触针22的接触部26不与待测物体W接触但光检测元件组48的检测信号发生改变，则可以断定运动体20的当前基准姿势与初始基准姿势不同。因而，在根据本实施例的接触探头10中，可检测运动体20的基准姿势变化。

下面描述上述概念的一种应用。只要一直测量非接触状态下运动体20的基准姿势，即便触针22的接触部26的位置是从正常校准时所得的位置偏移而来的，也可基于光检测元件组48上的峰值位置位移Δp1、Δp2和Δp3计算基准姿势的变化长度Δx、Δy和Δz并将其从坐标测量值中抵消。这使得测量可以更精确。

根据本实施例的接触探头10中，可用三个峰值位置位移Δp1、Δp2和Δp3确定的运动体20姿势变化是三种变化，即，沿Z轴方向（垂直方向）的运动、绕X轴方向的旋转以及绕Y轴方向的旋转。因而，运动体20具有三个自由度。例如，如图6所示，在运动体20A被支撑为使得运动体20A不在X-Y平面内平移或者不产生旋转位移θz（即从而减少了其自由度）的情况下，反射面28设置在与探头轴垂直的平面上的运动体20A具有三个自由度。因而，根据本发明的波长检测器40还可用于具有这种运动体20A的接触探头。

本实施例中，探头体具有被图7A的虚线围绕的外壳60。为了替换触针22，可拿掉包括照明对象部24的整个运动体20。然而，运动体的构造不限于这种构造。例如，图7B示出另一种运动体20B，该运动体20B具有由可在Z轴方向彼此分开的两个构件24A和24B构成的照明对象体。上部照明对象24A具有反射面28，下侧照明对象24B与触针22成一体。例如，照明对象体可构造成使得两个构件24A和24B具有三个V形沟槽、三个球体和用于使两个构件24A和24B彼此吸引的磁体。在该运动体20B中，通过六点接触从运动学角度消除了照明对象的六个自由度。即，反射面28可以是运动体20B和外壳60A两者的一部分，只可以去除下侧照明对象体24B和触针22的一体单元。该构造提供了如下益处：具有反射面28的上侧照明对象体24A和用于将上侧照明对象体24A连接至外壳60A的弹性连接构件（支撑板等）可以作为与外壳60A一体的部件处理，因而，可以低成本制造接触探头。另一益处是解决了与其他非接触检测型设备类似的波长检测器40要面临的与防尘有关的问题。

由光纤传播的照明光束的照明对象不限于上述三个反射面28。图8A-8D示出另一探头110，其中，照明对象是运动体120的四个反射面28。或者，照明对象可以是五个或更多个反射面。图8A-8D的一个变型中，光纤传输单元134具有三个光纤路径。平行透镜组142是四个透镜排列成一条线的透镜阵列。类似的，衍射光栅144直线延伸，光检测元件组148的光检测元件排列成一条线。

在图1A-1D和图8A-8D显示的接触探头10和110中，传播反射光束的光纤的出射端S1-S3或S1-S4排列成一条线。或者，与图9A-9D所示接触探头类似，光纤的出射端S1-S4可以在一个平面内二维排列。这提供的益处是不需在光检测元件组248一侧进行光纤对准。该变型中，如图9C所示，平行透镜组242的透镜也在一个平面内二维排列，衍射光栅244的大小可以覆盖来自平行透镜组242的所有四个平行光束。

可用CMOS面阵图像传感器作为光检测元件组248，这种情况下，光检测元件组248结构简单。为了实现高速检测，优选地，光检测元件组248配置的方式使得四个光检测元件阵列如图9D所示排列在基底表面上。每个光检测元件阵列例如是多个光检测元件52的线状排列，是线阵传感器。

在每个光检测元件阵列中，光检测元件52排列的方向使得能够覆盖取决于波长的衍射光栅244的出射方向的相应变化范围。因而，每个光检测元件阵列用于确定相应的衍射光束的波长。为了简化要在光检测元件阵列上进行的对准工作，光检测元件组248的形式可以是多个光检测元件阵列在单个基底上彼此平行地排列。

图10A-10D示出另一个接触探头310，其中，四个衍射光栅344A-344D排列在一个平面内。例如，如图10C所示，平行透镜组242的四个透镜50相对于环形框构件的中心旋转对称地排列，分光镜元件344的四个衍射光栅344A-344D以与四个透镜50相同的对称方式排列。

可使用多个光检测元件阵列彼此垂直设置的光检测元件组348。例如，如图10D所示，四个光检测元件阵列可排列成沿正方形的四个边延伸。

如上所述，根据本发明的波长检测器40、140、240和340有益的原因不仅在于可隔离热源，而且在于这些波长检测器支持高速检测，而且可实现成更紧凑的设备。此外波长检测器40、140、240和340的位移检测对于大气环境变化具有鲁棒性，这增加了探头对环境变化的鲁棒性。

至于高速检测，这些波长检测器支持以大约几十千赫兹进行采样。就紧凑性增加而言，可把波长检测器实现成直径为几个毫米。另一方面，可保持反射面相对于第二级透镜阵列的各个聚光透镜的运动范围（操作行程）较长。因而，在把反射面和第二级透镜阵列用在探头的内置传感器中的情况下，可保证大空间，这样的益处是增加了机械设计的自由度。由于如其他非接触间隔传感器一样，检测元件和运动体彼此隔离，这提供的进一步益处是易于在进行机械设计时考虑如触针替换和维修的维护工作。

<利用光偏振的接触探头>

可利用接触探头10中的光偏振把如图1A所示的光纤传输单元34改造成具有单光纤路径的光纤传输单元。这种接触探头配有光源、具有单光纤路径的光纤、反射面侧偏振分光装置、聚光透镜组、检测器侧偏振分光装置以及具有波长检测器的光学检测器。运动体、聚光透镜组以及波长检测器与图1A-1D所示的相应部分类似。

下面简要描述利用光偏振的具有波长检测器的光学检测器构造。

光源为具有单光纤路径的光纤提供光谱位于预定波长范围内的照明光。靠近具有单光纤路径的光纤出射端设置的反射面侧偏振分光装置接收光纤传播的照明光，通过把接收的照明光转换为具有三个不同偏振状态的光束而把前者分光成为后者，并且，把具有不同偏振状态的光束输出到聚光透镜组的第一级透镜阵列的各个透镜。

例如，反射面侧偏振分光装置可由偏振元件和如分光器的分光元件构成。具体而言，把白光输入到偏振滤波器，以产生具有预定偏振平面的线性偏振光，把该线性偏振光分为三个线性偏振光束。把三个线性偏振光束之一输入到半波片，以产生圆偏振光。另一线性偏振光束被输入到四分之一波片，以产生偏振平面与原来的线性偏振光的偏振平面垂直的线性偏振光。把具有不同偏振状态的三个光束输入到第一级透镜阵列的相应透镜。

聚光透镜组把具有不同偏振状态的三个光束聚集到相应的反射面上。用反射面侧偏振分光装置把从各个反射面反射的光束组合在一起，用具有单路径的光纤把所产生的光传播到波长检测器。检测器侧偏振分光装置把光纤传播的反射光分成具有不同偏振状态的三个反射光束。

波长检测器检测具有不同偏振状态的三个反射光束的波长。波长检测器基于由聚光透镜组的第二级透镜阵列和三个反射面之间的间隔变化造成的反射光束波长变化计算触针的姿势信息。

利用上述构造，由于在聚光透镜组上游把照明光转换成具有不同偏振状态的三个光束，所以可用一个光纤实现使用多个光纤的实施例中利用运动体进行的多点长度测量。由于从三个反射面反射的光束是利用光偏振用一个光纤共同传输的而不是用三个独立光纤传输的，所以可增加三个反射光束的光学特性的一致性。

Claims

1.一种接触探头，包括：

光学检测器，用于以光学方式检测所述触针的姿势；以及

其中所述光学检测器包括：

波长检测器，用于分别通过光纤接收从位于照明光束中具有部分波长范围的分量的聚焦位置附近的反射面的区域所反射的反射光束，并用于检测各个反射光束的波长；

其中所述波长检测器包括：

检测透镜组，用于使用三个或更多个透镜分别聚集所述分光镜元件的输出光束；以及

其中所述波长检测器根据各个检测到的聚焦位置计算所述三个或更多个光束的波长；

2.根据权利要求1所述的接触探头，其中所述光检测元件组包括排列在一个平面上的多个光检测元件阵列，在每个光检测元件阵列中多个光检测元件排列成一条线。

3.根据权利要求2所述的接触探头，其中所述多个光检测元件阵列的每一个包括多个光检测元件且用于确定所述检测透镜组聚集的相应光束的波长，所述多个光检测元件按照覆盖取决于所述分光镜元件的相应输出光束的波长的出射方向变化范围的方向排列。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的接触探头，其中所述分光镜元件是衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的接触探头，其中所述三个或更多个反射面设置在照明对象部的圆锥形表面或倒圆锥形表面上，所述圆锥形表面或倒圆锥形表面的轴与探头轴重合。

6.根据权利要求1所述的接触探头，其中所述三个或更多个反射面排列在所述照明对象部的与探头轴垂直的平面上。