CN103424073B - 坐标测量机用的可更换型光谱测距传感器探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种坐标测量机即CMM的可更换型光谱测距传感器探测器即CRS探测器。该CRS探测器能够在程序控制下自动连接至CMM。在一个实施例中，为了使CRS探测器与标准CMM自动更换接头兼容，所有的CRS测量光传输‑接收元件(例如，光源、波长检测器、光学笔等)均包括在CRS探测器组件中。CRS探测器组件还包括能够经由标准自动更换接合连接机构安装至CMM的自动更换接合元件。在一个实施例中，为了经由标准CMM自动更换接头的有限数量的接线(例如，13个销)来提供所需信号，可以使用低电压差分信号串行化器即LVDS串行化器来在两个信号线上提供附加的控制信号和数据信号。

Description

坐标测量机用的可更换型光谱测距传感器探测器
技术领域
本发明总体上涉及精密测量仪器，尤其涉及坐标测量机用的探测器。
背景技术
在一种坐标测量机中，利用探测器来扫描工件的表面。在该扫描之后，提供工件的三维轮廓。在一种扫描探测器中，通过使该探测器的机械触点接触沿着工件表面的各点来直接测量该工件。在一些情况下，机械触点为球。
在其它的坐标测量机中，利用在无需与表面进行物理接触的情况下测量工件的光学探测器。某些光学探测器(例如，三角测量探测器)利用光来测量工件表面点，并且一些光学探测器包括用于对工件表面的2D截面进行摄像的摄像机(例如，立体视觉系统或结构光系统)。在一些系统中，经由图像处理软件来确定工件的几何元素的坐标。
还已知有使用光学测量传感器和机械测量传感器这两者的某些“组合式”坐标测量机。美国专利4,908,951说明了这样一种装置，在此通过引用包含其全部内容。该所述设备具有两个主轴，其中一个主轴支撑机械探测器，并且另一个主轴保持具有如下光束路径的摄像机，其中为了在Z坐标中、即沿着摄像机的光轴进行测量而将激光探测器同时反射至该光束路径内。
通过引用而全部包含于此的美国专利5,825,666描述了位于标准探测器的接触元件上的光学坐标测量机，其中该装置的光学触摸探测器的远端上具有第一靶。将标准探测器安装至摄像机以在该照相机上对靶进行摄像。利用该机器的计算机图像处理系统来表示靶沿着X坐标和Y坐标的移动和位置。该探测器的近端安装有第二靶，并且该第二靶表示Z坐标的移动和位置。第二靶可能会使光学检测器隐蔽，但优选利用平行于XY平面的光束来齐焦于照相机。优选存在两个利用平行于XY平面的正交光束照射的第二靶。然后，在使用场强探测器的情况下，可以利用计算机来计算绕Z轴的转动。还公开了用于保持多个探测器、探测器保持件和选择性地安装在照相机上的镜头的自动交换架。
测量探测器在各种“探测头”中所包括的自动更换接合连接机构处可更换地频繁安装至坐标测量机。目前，RenishawTM探测头最常用于工业中的特定应用。这些探测头是由位于Gloucestershire,United Kingdom的Renishaw Metrology Limited所制造的。尽管Renishaw型探测头在工业中最常用，但某些技术不容易并入Renishaw型系统。此外，尝试将现有的Renishaw型探测头系统升级为具有更为先进的能力的探测头系统可能会带来巨额成本和/或极大不便。例如，适用于Renishaw型探测头系统的某些技术可能缺乏期望特征，缺乏期望水平的可控制性，并且/或者缺乏能够自动利用可连接至该Renishaw型探测头系统的其它类型探测器更换的能力。关于使用Renishaw型探测头系统或类似系统的一个特别问题在于以下两点：现有数据；以及这些机器和探测器之间的控制接线在自动交换接头处包括有限数量的有线接线并且不包括光纤接线或光路。这实际上形成了“瓶颈”，从而使得难以向使用探测头系统所要安装和/或更换的探测器添加附加的技术和/或特征。特别地，无法使用Renishaw型探测头系统等来自动安装和/或更换现有的光谱测距传感器。
发明内容
该发明内容部分是为了以简化形式介绍以下在具体实施方式部分进一步说明的概念的选择所提供的。该发明内容部分并不意图指定所请求保护的主题的关键特征，也并不意图辅助确定所请求保护的主题的范围。
提供了一种坐标测量机(CMM)用的可更换型光谱测距传感器(CRS)探测器。根据一个方面，所述CRS探测器能够在程序控制下自动连接至CMM。在一个实施例中，为了使CRS探测器与标准CMM自动更换接头(例如，包括有限数量的导电接线并且无光纤接线的CMM自动更换接头)兼容，所有的CRS测量光传输-接收元件(例如，光源、波长检测器、光学笔等)均包括在CRS探测器组件内。
根据另一方面，所述CRS探测器系统包括自动更换接合元件和CRS探测器组件。所述自动更换接合元件能够经由标准自动更换接合连接机构安装至CMM。所述CRS探测器组件安装至所述自动更换接合元件，以经由所述自动更换接合元件自动连接至所述CMM。
根据另一方面，所述CRS探测器组件包括光学笔、电力光源和CRS波长检测器。所述光学笔包括包含色散光学部的共焦光路，并且用于使不同波长聚焦在紧邻待测量工件表面的沿着测量轴的不同距离处。所述电力光源接收经由所述自动更换接合元件传输来的电力并且生成源自于所述CRS探测器组件的光，并且所述光包括发送至所述光学笔的波长的输入光谱分布。所述CRS波长检测器包括沿着所述CRS波长检测器的测量轴以近间距分布的多个像素(即，间隔紧密的光电检测器元件)，并且所述多个像素接收从目标表面反射到所述共焦光路内的各波长并且提供输出光谱分布数据。
根据另一方面，所述CRS探测器组件用于经由所述自动更换接合连接机构来接收电力和控制信号。所述CRS探测器组件被配置成：在所述自动更换接合元件安装至所述CMM、可操作地确定所述光学笔相对于所述工件表面的位置以进行测量操作、并且所述电力光源生成所述光的情况下，所述光学笔输入所述输入光谱分布，经由所述共焦光路向所述工件表面输出相应辐射，经由所述共焦光路从所述工件表面接收反射辐射，并且输出所述反射辐射，以将输出光谱分布提供至所述CRS波长检测器。所述输出光谱分布包括具有表示从所述光学笔到所述工件表面的测量距离的波长峰的距离依赖分布成分，以及所述CRS波长检测器提供相应的输出光谱分布数据。所述CRS探测器组件用于基于所述输出光谱分布数据来输出测量信号，并且所输出的所述测量信号表示到所述工件表面的测量距离。在各种实施例中，经由自动更换接合元件在至少一个导体上输送所输出的测量信号。在一些实施例中，这些信号中的一部分或全部可以以无线方式传输，并且绕过探测器的自动更换接合连接机构。应当理解，这里公开的使得能够一体且自动可更换的CRS探测器结构的特征在于：这些CRS探测器结构被配置为完全在CRS探测器组件内生成和处理测量所使用的光。
根据另一方面，所输出的所述测量信号包括来自所述CRS波长检测器的所述多个像素的所述输出光谱分布数据。在一个实现中，所输出的所述测量信号可以经由所述自动更换接合元件中所包括的屏蔽同轴线缆来传输，并且可以由探测器信号处理控制电路经由所述自动更换接合元件所接收，其中所述探测器信号处理控制电路基于所述输出光谱分布数据来确定测量距离。
根据另一方面，所述CRS探测器组件还包括识别部件，所述识别部件用于提供经由所述自动更换接合元件输出至所述CMM和探测器信号处理控制电路至少之一的CRS探测器组件用识别数据。在一个实现中，所述CRS探测器组件还包括存储部，所述存储部包括所述CRS探测器组件所用的校准数据和补偿数据至少之一。在另一实现中，所述CRS探测器组件所用的校准数据和补偿数据至少之一从外部存储在所述CRS探测器组件、即存储在所述CMM和用于经由所述自动更换接合元件从所述CRS探测器组件接收信号的探测器信号处理控制电路至少之一中。
根据另一方面，所述光学笔的质量中心位于紧邻由所述CRS探测器组件的质量中心和所述自动更换接合元件的中心所限定的轴的位置处。在一个实现中，所述光学笔相对于所述自动更换接合元件进行安装，以使得所述光学笔的中心轴与所述自动更换接合元件的中心轴同轴，由此在所述CMM使所述自动更换接合元件绕其轴转动的情况下，在所述光学笔的中心轴没有由于该转动而进行实质横向移动的情况下使所述光学笔也绕其中心轴转动。在探测器的测量光束呈横向指向中心轴的情况下，可以将该中心轴视为由CRS探测器所确定的测量距离用的基准轴。
根据另一方面，所述光学笔包括包含所述色散光学部的可更换型光学元件，并且所述光学笔还包括光学笔基座构件，所述光学笔基座构件用于容纳所述可更换型光学元件并使所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件处于固定关系。在一个实现中，所述光学笔基座构件包括：壳体，其包括可复用式快速更换卡口的第一配合半体以及连接至所述光源和所述波长检测器的光纤的端部，其中所述光纤终止于紧邻相对于所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体保持固定的共焦孔的位置。所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体通常可以包围所述共焦孔。所述可更换型光学元件可以包括：所述可复用式快速更换卡口的第二配合半体；以及光学组件，其相对于所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体保持固定并包括所述色散光学部。所述光学组件从所述共焦孔接收测量光并向所述共焦孔返回测量光，并且提供所述测量光在沿着测量轴的各测量范围内的轴向色散。所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体在程序控制下也可以自动连接至所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体以及与所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体分离。利用安装在所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体和所述第二配合半体其中之一或这两者内的永磁体，可以将所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体磁性压抵所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体。
根据另一方面，所述CRS探测器组件被配置成将所述光学笔安装在所述CRS探测器组件的远端处。在一个实现中，所述CRS探测器组件还包括：基座部，其安装至所述自动更换接合元件；波长检测器安装部，其连接至所述基座部；以及光学笔安装部，其连接至所述基座部并且在无需支撑所述波长检测器的情况下支撑所述光学笔。在一些实施例中，所述光学笔安装部包括从所述基座部向着所述CRS探测器组件的远端延伸的中空结构管。
根据另一方面，使CRS探测器用的自动接头上的接线数与现有系统一致。例如，现有的Renishaw型系统通常包括具有标准数量的销(例如，13个销)的标准接线。通过提供具有标准接线的自动接头，现有系统可以更加容易地利用CRS探测器。
附图说明
通过参考以下结合附图所进行的详细说明，将更加容易地解释和更好地理解本发明的前述方面以及许多随之而来的优点，其中：
图1是包括光学笔的示例性CRS系统的框图；
图2是包括坐标测量机、包含光学笔的CRS探测器、控制器和用户界面的坐标测量系统的框图；
图3A和3B是示出图2的CRS探测器的第一典型实施例的内部部件的图；
图4A和4B是示出包括图3A和3B的可复用式快速更换卡口和可更换型光学元件的光学笔的各部件的图；
图5是示出图2的探测器控制器的各部件的框图；
图6是示出图2的探测头线缆的截面的图；
图7是概述自动接合连接机构的连接销和图6的线缆可使用的一个示例性连接和/或信号方案的表；
图8是示意性示出图2的CRS探测器的第二典型实施例中可使用的光路的图，其中CRS探测器组件中所使用的光不是经由光纤而是经由光学元件在自由空间内传播；以及
图9是示出用于在CMM上配置自动可更换型CRS探测器系统并使该CRS探测器系统工作的例程的一个典型实施例的流程图。
具体实施方式
图1是基于期望与坐标测量机相结合所采用的工作原理的第一种示例性光谱测距传感器(chromatic range sensor，CRS)系统100的框图。CRS系统100与美国专利7,876,456和美国专利7,990,522(分别为'456专利和'522专利)所述的传感器具有一定的相似之处，在此通过引用将这些专利的内容全部包含于此。如图1所示，CRS系统100包括光学元件120和电子部160。应当理解，图1所示的CRS系统100是一次测量一个测量点的光谱点传感器系统。图1所示的光学元件120是光学笔。然而，在各实施例中，诸如光谱线传感器(chromaticline sensor)等的可选类型的光谱测距系统可被配置为根据这里所公开的系统和方法进行工作。
光学笔120包括光纤连接器109、壳体131(例如，装配管)和光学部150。光纤连接器109安装至壳体131的端部。光纤连接器109容纳穿过包围输入/输出光纤(没有详细示出)的光纤线缆112的输入/输出光纤。该输入/输出光纤经由光纤孔195输出源光，并且经由光纤孔195接收反射测量信号光。
在工作时，如对于光谱共焦传感器系统所已知的，从光纤端经由光纤孔195出射的宽带(例如，白色)源光由包括提供轴向色散的一个或多个透镜的光学部150所会聚，以使得沿着光轴OA的焦点根据光的波长而位于不同的距离处。源光形成测量光束196，其中该测量光束196包括在相对于光学笔120的位置Z处聚焦于工件表面190上的波长。在从工件表面190反射的情况下，反射光由光学部150重新会聚于光纤孔195。工作源光和反射光由极限光线LR1和LR2所限定。由于轴向色散，仅一个波长会具有与从光学笔120到表面190的测量距离一致的前焦尺寸FF。光学笔被配置成使得最佳地聚焦于表面190的波长也是最佳地聚焦于光纤孔195的反射光的波长。光纤孔195在空间上过滤反射光，以使得主要是最佳地会聚的波长穿过光纤孔195并且进入光纤线缆112的纤芯。如以下更详细地所述以及参考所引用的文献所述，光纤线缆112将反射信号光发送至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。
图1还以虚线轮廓示意性示出可选的反射元件155。如通过引用全部包含于此的美国专利公开20120050723中更详细地所述，可以在源束SB的路径中设置反射元件。在这种实现中，代替测量轴MA与光轴OA同轴，反射元件可以根据一些测量应用的需要使测量光束196'沿着测量轴MA'指向不同方向(例如，正交于光轴)。如以下将更详细地所述，在图2和4A所示的实施例中利用这种正交取向。
电子部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168。在各实施例中，波长检测器162包括光谱仪或摄谱仪结构，其中散光光学部(例如，光栅)经由光纤线缆112接收反射光并将由此产生的光谱强度分布发送至检测器阵列163。波长检测器162还可以包括(例如，在一些实施例中由信号处理器166所提供的)从该分布数据去除或补偿某些检测器相关的误差分量的相关信号处理。因而，在一些实施例中，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/或难以区分。
由信号处理器166控制的白色光源164经由光学耦合器161(例如，2×1的光学耦合器)耦合至光纤线缆112。如上所述，光经由光学笔120行进，从而产生纵向色像差，以使得焦距随着光的波长而改变。经由光纤最高效地传递回来的光的波长是在位置Z处聚焦于表面190上的波长。于是，如参考所引用文献中更详细地所述的，所反射的波长依赖光强度再次穿过光纤耦合器161，以使得光的约50%指向波长检测器162，其中该波长检测器162可以接收沿着检测器阵列163的测量轴分布在像素阵列上的光谱强度分布，并且进行工作以提供相应分布数据。简言之，信号处理器166计算表示分布数据的坐标(例如，峰位置坐标)的子像素分辨率距离，并且表示与波长峰相对应的坐标的距离经由存储在存储部168中的距离校准查找表来确定到表面的测量距离。可以利用诸如确定分布数据的峰区域中所包括的分布数据的形心等的各种方法来确定表示坐标的距离。
光学笔120通常具有由最小范围距离ZMIN和最大范围距离ZMAX所限定的测量范围R。在已知的光学笔的一些示例中，测量范围R可以是离笔端的名义间距（nominalstandoff）或工作距离的约1/10(例如，在几十微米～几毫米的范围内)。图1示意性示出：在使用反射元件155的情况下，测量范围R'可以沿着由反射元件155的放置所确定的测量轴MA'(例如，x轴)进行指向。在这种情况下，测量范围R'可以由最小范围距离XMIN和最大范围距离XMAX来限定。
应当理解，传统上电子部160位于远离光学笔120的位置。已知使用定制支架来将与图1所示的光学笔120类似的光学笔安装在CMM上，并且将与光纤线缆112类似的光纤沿着CMM部件外侧的临时路径配置到位于远处的与电子部160类似的电子部。该不适当且不便利的方法已持续了很多年，这是因为一直没有提供允许自动可更换型CRS探测器系统的特征的期望组合。因而，利用CMM的CRS系统的使用受到限制。
如以下针对图2、3A和3B更详细地所述，为了提供用于设置技术和经济上具有吸引力的自动可更换型CRS探测器系统的特征的期望组合，期望电子部160的某些部件包括在经由自动接合连接器与CMM配合的CRS探测器组件内。例如，在一个实现中，光源-波长检测器部160A的(例如，包括波长检测器162和光源164)的部件组可以包括在CRS探测器组件内。测量信号处理-控制电路160B的(例如，包括信号处理器166和存储部168)的部件组可以根据期望位于CRS探测器组件外部的相对较远位置(例如，以维持探测器重量低以及探测器大小紧凑)。
图2是坐标测量系统200和自动可连接且可更换的CRS探测器系统215的图。也就是说，CRS探测器系统215可以自动利用其它类型的CMM探测器来更换。这里还可将CRS探测器系统简称为CRS探测器。在这里的各附图中，除非由说明或上下文示出，否则具有相同后缀的附图标记(例如，具有后缀XX的附图标记1XX和2XX)通常可以指代类似元件，以使得本领域普通技术人员可以基于与类似元件1XX的先前说明等的类推、通过有限说明来理解元件2XX的操作。然而，应当理解，尽管这种类推，但如本领域普通技术人员显而易见，各元件在不同实施例中可以具有不同的实现，并且并不局限于相同。
坐标测量系统200包括坐标测量机控制器202、计算机-用户界面206、探测器信号处理-控制电路207以及坐标测量机210。控制器202包括探测头控制器203、位置锁存器204和运动控制器205。CRS探测器215包括自动更换接合元件236，并且经由探测器自动接合连接机构230(还称为自动更换接合连接机构)中的配合接合元件连接至坐标测量机210。
坐标测量机210经由数据传输线201(例如，总线)与所有的其它部件进行通信，其中该数据传输线201经由连接器208(例如，“微D”型连接器)连接至与CRS探测器215进行信号的提供的探测头线缆211。坐标测量机210由坐标测量机控制器202来控制，而CRS探测器215与探测器信号处理-控制电路207(例如，在一个实施例中，如以上参考图1中的元件160B所概述，包括测量信号处理-控制元件260B的探测器信号处理-控制电路)交换数据并且由该探测器信号处理-控制电路207进行控制。用户可以经由计算机-用户界面206控制所有的部件。
如以上概述以及如以下针对图3A和3B更详细地所述，CRS探测器215包括：探测器电子装置275，其包括光源-波长检测器部260A(例如，在一个实施例中为图1中的如以上参考元件160A所概述的光源-波长检测器)；以及光学笔220，其使测量光束296指向测量面290。在一个特定示例实现中，测量面290可以包括螺纹孔内表面。利用已知的CMM探测器(例如，触摸探测器)难以或者无法完整且可靠地测量这些表面。诸如这里所公开的探测器等的CRS探测器能够在完整性、准确性和多功能性有所改进的情况下扫描和测量这些表面。
如以下针对图5更详细地所述，在一个实施例中，可以将与光学笔和/或可更换型光学元件有关的数据(例如，识别数据、校准数据、补偿数据等)从外部存储至CRS探测器215(例如，在探测器信号处理-控制电路207中)。在替代实现中，可以将这些数据的一部分存储在CRS探测器215的一部分内或者在CRS探测器215的一部分内进行编码。
图3A和3B是示意性示出坐标测量机210和与图2的CRS探测器215相似的CRS探测器215'的某些部件的图。图3A是正视图，并且图3B是从坐标测量机210和CRS探测器215'的不同角度的图。如图3A和3B所示，坐标测量机210包括探测头213。探测头213经由探测头线缆211来接收和发送探测器信号。将探测头213固定至坐标测量机套管217。探测头213在探测器自动接合连接机构230处连接至探测器215'，以下将针对图6进行更加详细的说明。
在一些实施例中，探测头213能在水平面内转动360度并且包含一种U字形接头。探测器自动接合连接机构230是以如下方式将探测头213刚性且机械地紧固至CRS探测器215'的电机械连接机构：该探测器自动接合连接机构230可以从一个探测器断开并且安装至另一探测器。在一个实施例中，探测器自动接合连接机构230可以包括相互配合的第一自动更换接合元件234和第二自动更换接合元件236，其中将第一自动更换接合元件234安装至探测头213，并且将相配合的第二自动更换接合元件236安装至CRS探测器215'。在一个实施例中，探测器自动接合连接机构230具有相配合的电触点或接线235，以使得在安装了探测器的情况下，这些触点自动啮合并进行电连接。在一些实施例中，该连接方法可能会使该系统具有相对高的信号噪声量，从而如以下更详细地所述使得使用能够在相对嘈杂的环境中有效工作的特定结构和方法变得有利。
CRS探测器215'经由自动接合连接机构230来接收其功率和控制信号。如以下针对图6更详细地所述，经由自动接合连接机构230传递至CRS探测器215'的信号经过接线235。如图3A和3B所述，CRS探测器215'包括自动更换接合元件236和安装至该自动更换接合元件236的探测器组件216，以经由探测器自动接合连接机构230自动连接至CMM。CRS探测器215'还可以包括(示意性示出的)保护盖或壳体269。探测器组件216包括光学笔220和探测器电子装置275，其中该探测器电子装置275可以包括全部由各种结构构件支撑的电力光源264以及波长检测器262。
在图3A和3B所示的实施例中，这些结构构件从安装至自动更换接合元件236的基座218延伸。光学笔220(类似于光学笔120)可以包括光纤连接器209和共焦光路，其中该共焦光路包括孔295和色散光学部250，并且光学笔220输出测量光束296。在一些实施例中，如以下更加详细地所述，光学笔220可以包括可复用式快速更换卡口285，其中该快速更换卡口285使得能够更换色散光学部250。电力光源264(例如，广谱LED光源)可以结合探测器功率-信号控制电路部276中所包括的(例如，如商用光谱测距系统中所存在的)已知电路来工作，其中该探测器功率-信号控制电路部276包括在探测器电子装置275中，并且接收经由自动更换接合元件所传输的电力。在一些实施例中，如以下更加详细地所述，探测器电子装置275包括串行化器277S，其中该串行化器277S使得能够将各种数据信号串行化、并且使用相对少的配线来经由自动接合连接机构230将这些数据信号通信至(例如，探测器信号处理-控制电路207中所包括的)去串行化器。
在图3A所示的实施例中，串行化器277S包括在探测器功率-信号控制电路部276上。然而，在其它实施例中，由于要传输的串行化数据大多是CRS波长检测器262中所产生的测量光谱分布数据，因此串行化器277S可以包括在CRS波长检测器262内。更通常地，串行化器277S可以位于探测器电子装置275中的提供良好的噪声和串扰特征的任意期望位置处。
光源264生成CRS探测器组件中所产生的光，其中该光包括经由光纤线缆212发送至光学笔220的波长的输入光谱分布。CRS波长检测器262可以包括与光谱仪结构262'和检测器阵列263相结合进行工作的(例如，如商用光谱测距系统中所存在的)已知电路，其中检测器阵列263包括沿着CRS波长检测器的测量轴分布的多个像素，并且所述多个像素从对象表面接收反射到共焦光路上的各波长并且提供输出光谱分布数据。
应当理解，诸如以上所概述的完全在CRS探测器组件内生成和处理测量所使用的光的结构使得CRS探测器组件为一体且自动可更换的。在各实施例中，这种CRS探测器系统不需要或不包括从CRS探测器组件经由自动接合连接器或沿着与该自动接合连接器平行的任意其它临时路径而连接至外部元件的光纤连接机构。换句话说，在各实施例中，这种CRS探测器组件没有连接至或不包括延伸到CRS探测器组件外部的光纤。
在各实施例中，CRS探测器组件被配置成在该CRS探测器组件的远端安装有光学笔。在图3A和3B所示的实施例中，CRS探测器组件215'包括：基座部218；波长检测器安装部219A，其连接至基座部218；以及光学笔安装部219B，其连接至基座部并且在无需支撑波长检测器的情况下支撑光学笔，从而可以使热以及与质量相关的偏转和振动不会影响光学笔。在一些实施例中，安装部219A和219B中的一个或这两者可以包括从基座部向着CRS探测器组件的远端延伸的中空结构管(例如，碳纤维管)。
在一个实施例中，光学笔220的质量中心位于紧邻由CRS探测器215'的其余部分的质量中心CMPA和探测器自动接合连接机构230的中心轴CAJ所限定的轴的位置。这种结构由于使得CRS探测器215'移动而可以提供探测头213的更加平滑的操作(例如，避免不必要的附加转矩、振动、偏转等)。在一个实现中，还可以相对于探测器自动接合连接机构230来安装光学笔220，以使得光学笔220的中心轴CAOP(例如，测量所用的基准轴)与自动更换接头230的中心轴CAJ同轴。在这种结构中，在CMM使探测器自动接合连接机构230绕其轴转动的情况下，光学笔220还可以在测量基准轴在X-Y平面内不存在横向移动的情况下绕其轴转动。这种结构可以提供特定优点(例如，机械上更加稳定，从而简化了利用光学笔220针对CMM的定位所进行的测量的位置的计算等)。
图4A和4B是针对包括示例性的可复用式快速更换卡口285的实施例示出图3A和3B的光学笔220的部件的图。在图4A和4B所示的实施例中，光学笔220包括基座构件282和可更换型光学元件280。可更换型光学元件280包括前板286、管231和色散光学部250。基座构件282包括具有用作可复用式快速更换卡口285的第一配合半体（first mating half）285A的表面的基座壳体282A，并且前板286具有用作可复用式快速更换卡口285的第二配合半体285B的相应表面。在一个实施例中，利用安装在第一配合半体285A和第二配合半体285B的其中一个或这两者中的永磁体285C来使可复用式快速更换卡口285的第二配合半体285B磁性压抵第一配合半体285A。利用这种结构，第二配合半体285B可以在(例如，如由计算机-用户界面206所控制的)程序控制下自动连接至第一配合半体285A以及与第一配合半体285A分离。例如，在一个实施例中，光学笔可以包括轴环232等，其中轴环232在程序控制下可被引导成在CMM的运动量内插入到探测器架上所包括的配合叉的各臂之间。然后，CMM可以使CRS探测器215'移动，以使得叉的各臂对轴环232施压并且迫使可复用式快速更换卡口285的配合半体分离，从而使可更换型光学元件280悬挂在探测器架中。可以通过反向进行这些操作来将可更换型光学元件280安装回至基座构件282。另外，利用这种结构，在与工件发生横向碰撞的情况下，可更换型光学元件280不会被损坏而是会与基座构件282分离。
在一个实施例中，可复用式快速更换卡口285可以包括固定在第一配合半体285A中的构成为第一三角形图案(例如，等边三角形)的三个球体或球285D、以及固定在第二配合半体285B中的构成为配合图案的三个径向取向的V形槽285E。可复用式快速更换卡口285的这种实施例使得能够在横向取向的测量光束296面向彼此分开120度的三个不同方向中的任一方向的状态下安装可更换型光学元件280。然而，应当理解，这种实施例仅是示例性的，而并非限制性的。如本领域众所周知的，只要提供了充足的安装可复用性，就可以使用其它各种可复用式快速更换安装结构。
可更换型光学元件280包括色散光学部250(例如，类似于以上针对图1所述的色散光学部150)。在一个实施例中，基座构件282包括经由光纤连接器261连接至LED光源264和光谱仪结构262'的光纤212的端部。光纤的端部可以位于紧邻相对于可以大体上包围该共焦孔295的可复用式快速更换卡口285的第一配合半体285A固定的共焦孔295的位置。在一些实施例中，光纤的端部提供共焦孔。在一些实施例中，通过以紧邻或抵接光纤的端部的方式接合在合适位置(例如，位于用于保持光纤的保持件或连接器上)的薄孔来提供共焦孔295。在图4A所示的实施例中，基座构件282包括以紧邻可复用式快速更换卡口285的第一配合半体285A的方式固定(例如，接合)于基座构件282中的光纤定位元件283(例如，在本实施例中，与连接器209配合的光纤连接器)。在本实施例中，光纤定位元件283使光纤的端部和共焦孔295相对于可复用式快速更换卡口285的第一配合半体285A固定。然而，在其它实施例中，在需要的情况下，利用适当的光纤定位元件可以将共焦孔单独固定至基座构件282并且可以将光纤的端部固定至紧邻该共焦孔的位置。
可更换型光学元件280从共焦孔295接收测量光并将测量光返回至共焦孔295，并且在沿着测量轴的各测量范围内提供测量光的轴向色散。在一个实施例中，色散光学部250还可以包括反射元件294，其中该反射元件294使测量光束横向(例如，相对于管231的轴横向)指向光学笔220的轴。
图5是图2的计算机-用户界面206以及探测器信号处理-控制电路207的一个实施例的框图。如图5所示，探测器信号处理-控制电路207可以包括去串行化器277D、位置锁存器515、CRS探测器ID520和光学笔元件ID525。探测器信号处理-控制电路207的各部件彼此相连接并且经由数据传输线201连接至计算机-用户界面206。
去串行化器277D可以与图3A所示的串行化器277S相结合进行工作，以使得能够使用相对较少的配线来经由自动接合连接机构230来串行化和通信各种数据信号。如以下针对图7更加详细地所述，串行化器277S和去串行化器277D与可在一些实施例中使用的特定低电压差分信号(LVDS)的利用有关。简言之，在串行化器和去串行化器之间设置同步信号，从而确保这两者同步。在相应的信号线上，在去串行化器结束之前设置时钟信号，此时对同步信号进行切换，之后将相关的数据信号设置在信号线上(即，与先前的时钟信号相对)。
位置锁存器515涉及以下针对图7更加详细地所述的XYZ锁存信号。简言之，设置XYZ锁存信号以使CRS探测器的测量定位与坐标测量机控制器202的测量定位同步。在一个实施例中，位置锁存器515与坐标测量机控制器202中的位置锁存器204进行通信，从而确保使得坐标测量机210的坐标适当同步。换句话说，位置锁存器515和位置锁存器204相组合以确保整体得出的测量值的精度，由此将(反映了特定测量期间CRS探测器的位置的)CMM机器坐标与(相对于CRS探测器位置的)CRS探测器测量值进行适当组合。
CRS探测器ID520用于(例如，通过读取和处理从CRS探测器215'中所包括的识别元件所得到的识别信号)进行CRS探测器215'的识别确定，并且光学笔元件ID525用于(例如，通过读取和处理从可更换型光学元件280中所包括的识别元件所得到的识别信号)进行可更换型光学元件280的识别确定。CRS探测器215'和可更换型光学元件280的适当识别使得能够利用适当结构和校准数据，从而确保来自CRS探测器215'和可更换型光学元件280的精确操作和由此产生的测量值。
图6是示出图2的探测头线缆211的截面的图。如图6所示，探测头线缆211包括鞘605、密封胶带层610、电气外屏蔽层615、以及具有中心导体“1”和内屏蔽层625的同轴线缆620。如以下针对图7更详细地所述，根据传统的RenishawTM结构，示出附加的导体2～14作为周围的同轴线缆620。
图7是概述利用图6的探测头线缆211以及/或者图3A和3B所示的自动接合连接机构230可使用的一个示例性连接和/或信号方案的表700。除非另外说明，否则“配线#”列中的连接编号表示连接至自动接合销的线缆211的配线编号(例如，一个标准RenishawTM自动接合连接结构)。
如表700所示，在本实施例中，可以在各种配线和所连接的自动接合销上设置电源和信号接地连接、低电压差分信号(LVDS)串行化器信号SERDES+、SERDES-和SERDES锁止/同步、光谱仪/检测器重置所用的CRS信号、以及CRS控制时钟和数据信号(例如，I2C时钟和数据信号)。应当理解，可以组合地使用多个配线以向CRS CMM探测器提供电力，从而满足特定标准自动接合和/或CMM控制器设计要求(例如，不经由任何单个导体来提供300mA以上)。例如，使用12V、300mA下的两个配线各自提供在标准自动接合和/或CMM控制器规格内传输7.2瓦的能力。
通常，可以将各种信号发送到任何适当的配线和/或自动接合销上。在连接去串行化器277D和串行化器277S的线路/销上输送串行化器信号SERDES+、SERDES-。可以使用实验和/或分析来选择和/或验证提供了可靠信号传输的连接。在各实施例中，对于如图7所示的实施例所述的要连接至CRS接地端的内屏蔽和外屏蔽以及用于输送CRS检测器信号(即，可包括光谱仪像素值信号的输出光谱分布数据或测量信号)的配线编号COAX/1而言，可能特别有利。应当理解，在CRS系统中，光谱仪信号接收最小失真或附加噪声相对重要。通过利用线缆211的COAX部分(即，配线编号1)，产生最小的信号劣化，由此提供了用于传输光谱仪信号的可靠部件。
关于LVDS串行化器信号SERDES+、SERDES-，可以在具有包含相关接地端的第三配线的两个配线上输送这些信号，并且可以在附加配线上输送SERDES锁止/同步信号。关于串行化序列，在一个实施例中，位置D0被指定用于检测器像素时钟。位置D1被指定用于光谱分布测量数据的分布开始信号。位置D2被指定用于光谱仪准备就绪信号。位置D3被指定用于XYZ锁存信号(例如，如以上参考图5的位置锁存器515更详细地所述)。位置D4被指定用于检测器温度警报。位置D5被指定用于光谱仪温度警报。位置D6～D9尚未进行指定，因而在本实施例中没有进行具体分配。
关于LVDS串行化的速度，在一个特定示例实现中，可以利用最快的可用数字信号(例如，几MHz的检测器像素时钟信号)。然后，串行化器可以以相对较快的速率(例如，检测器像素时钟速率的两倍)对数字信号进行采样。在一个实施例中，LVDS串行化器可以针对各采样周期对多达10个数字信号进行采样。然后，在一些实施例中，串行化器可以以更快的速率(例如，大于检测器像素时钟速率的两倍且小于10个数字信号+2个同步位)发送合成信号，从而可以提供超过100MHz的比特率。
应当理解，利用上述低电压差分信号(LVDS)串行化器对于标准自动接合连接器中可利用有限数量的接线的情况特别有利。换句话说，标准自动接合连接器仅提供有限数量的接线(例如，13个销)。作为对比，标准CRS系统诸如在控制器和光谱仪之间可以利用更多的导体(例如，24个导体)。可以通过避免非关键的信号来部分减少导体数量。然而，如以上针对图7所述，对于其余的信号，LVDS串行化器技术使得能够仅使用两个信号线来将更多信号提供至控制器板。
这种LVDS串行化技术可以经由自动更换接合元件通过两个接线/导体提供至少三个以上的不同信号，并且在一些实施例中，经由自动更换接合元件仅使用两个导体来提供多达10个数字信号或信息类型。可以使这些信号具有鲁棒性，这是因为差分信号忽略了共模噪声。该技术可以以低功率来实现(例如，在一个特定示例实施例中，可以在存在1V偏移的情况下以+/-500mV发送信号)，这在CMM探测器应用中很重要。可以实现高速化(例如，100MHz～GHz的工作范围)。这些信号可以经由相对较长的配线(例如，使用正常终止时的多米配线)行进。在一个实施例中，LVDS串行化技术可以使用来自位于Dallas,Texas,USA的Texas Instrument的SN65LV1023串行化器和SN67LV1224去串行化器来实现。可以使用如上所概述的信号协议或其它已知的LVDS信号协议。
图8是示意性示出图2的CRS探测器的第二典型实施例中可使用的各部件和光路的图，其中CRS探测器组件中所使用的光不是经由光纤而是经由以固定关系所安装的光学元件在自由空间内传播。
如图8所示，CRS探测器815'包括自动更换接合元件236和安装至自动更换接合元件236的探测器组件816，以经由探测器自动接合连接机构230自动连接至CMM。探测器815'还可以包括保护盖或壳体(未示出)。探测器组件816包括光学笔820、电力光源864和由架819所支撑的波长检测器862，其中架819可以包括各种结构构件，并且可以从安装至自动更换接合元件236的基座818延伸。架819将以上所概述的各元件以及一组光路元件(例如，透镜、分束器等)以为探测器组件816中使用的光提供期望光路的固定关系保持。光学笔820(类似于光学笔220)可以包括包含孔895和色散光学部850的共焦光路，从而输出测量光束896。在一些实施例中，光学笔820可以包括如以上针对可复用式快速更换卡口285所概述的使得能够进行色散光学部850的更换的可复用式快速更换卡口885。
在工作时，电力光源864接收经由自动更换接合元件所传输的电力并且生成源自于CRS探测器组件的光，其中该光包括波长的输入光谱分布。在图8所示的实施例中，经由可以提供会聚和/或成形后的输入光束845的光源光学装置844来将输入光谱分布进行输出。输入光束845在分束器846处沿着光束路径847反射至光学笔820的共焦孔895。该光学笔将测量光束896中的相应辐射发送和输出到工件表面，并从该工件表面接收反射辐射，并且经由分束器846沿着光束路径847使来自共焦孔895的反射辐射反向输出以将输出光谱分布848提供至光谱仪输入光学装置849和CRS波长检测器862的光谱仪862'。该输出光谱分布包括具有表示从光学笔到工件表面的测量距离的波长峰的距离依赖分布成分，并且CRS波长检测器根据先前概述的CRS探测器的工作原理来提供相应的输出光谱分布数据(例如，经由探测器自动接合连接机构230利用电信号的输出)。
与前面所述的将光纤光路包括在CRS探测器组件内的实施例类似，应当理解，诸如以上所概述的完全在CRS探测器组件内生成和处理测量所使用的光的结构使得CRS探测器组件815'为一体且自动可更换的。在各实施例中，这种CRS探测器系统不需要或不包括从CRS探测器组件经由自动接合连接器或者沿着与自动接合连接器平行的任意其它临时路径而连接至外部元件的光纤连接机构。换句话说，在各实施例中，这种CRS探测器组件没有连接至或不包括延伸到CRS探测器组件外侧的光纤。
在一些实施例中，光学笔820的质量中心可以位于紧邻由CRS探测器815'的其余部分的质量中心和探测器自动接合连接机构230的中心轴所限定的轴的位置。在一个实现中，还可以相对于探测器自动接合连接机构230安装光学笔820，以使得光学笔820的中心轴与探测器自动接合连接机构230的中心轴同轴。在一些实施例中，光学笔820可以包括可根据先前所概述的原理进行设计的可复用式快速更换卡口885，并且还可以例如包括基座构件882和可更换型光学元件880。
图9是示出用于提供如这里所公开的自动可更换型CRS探测器系统实施例并使其工作的例程900的一个典型实施例的流程图。在块910中，提供能够在程序控制下自动连接至CMM的CRS探测器系统。该CRS探测器系统包括：自动更换接合元件，其能够经由标准自动更换接合连接机构安装至CMM；以及CRS探测器组件，其安装至自动更换接合元件以经由该自动更换接合元件自动连接至CMM。在各实施例中，这种CRS探测器系统不需要或不包括从CRS探测器组件经由自动接合连接器或者沿着与该自动接合连接器平行的任意其它临时路径而连接至外部元件的光纤连接机构。CRS探测器组件包括：光学笔；电力光源，其接收经由自动更换接合元件传输来的电力并且生成源自于CRS探测器组件的光；以及CRS波长检测器。如以上所概述，在各实施例中，光学笔包括包含色散光学部的共焦光路，其中该光学笔被配置为使不同波长聚焦在紧邻待测工件表面的沿着测量轴的不同距离处。源自于CRS探测器组件的光包括发送至光学笔的波长的输入光谱分布。CRS波长检测器包括沿着CRS波长检测器的测量轴分布的多个像素，其中所述多个像素接收各波长并且提供输出光谱分布数据。
在块920中，CRS探测器系统经由自动更换接合元件连接至CMM，并且经由自动更换接合连接机构向CRS探测器组件提供电力和控制信号。
在块930中，使用CMM来可操作地确定光学笔相对于工件表面的位置，并且使CRS探测器系统工作以进行测量操作，其中：电力光源生成光，光学笔输入了输入光谱分布并向工件表面输出相应辐射，并且接收来自工件表面的反射辐射并输出反射辐射以将输出光谱分布提供至CRS波长检测器。该输出光谱分布包括具有表示从光学笔到工件表面的测量距离的波长峰的距离依赖分布成分。CRS波长检测器提供相应的输出光谱分布数据作为测量操作值的一部分。在块940中，使CRS探测器组件工作以基于输出光谱分布数据来输出测量信号，其中该输出测量信号表示到工件表面的测量距离。在一些实施例中，如由波长检测器中包括的检测器阵列的像素值所提供的输出光谱分布数据是输出测量信号。然而，在其它实施例中，输出测量信号可以是根据测量到的光谱分布数据得到的信号(例如，补偿信号、或所确定的波长峰值、或由此得到的最终距离测量值等)。在各实施例中，经由自动更换接合元件在至少一个导体上输送输出测量信号。在一些实施例中，这些信号中的一部分或全部可以无线地传输，并且绕过探测器自动接合连接机构。应当理解，这里公开的使得能够一体且自动可更换的CRS探测器结构的特征在于：这些CRS探测器结构被配置为完全在CRS探测器组件内生成和处理测量所使用的光。
尽管已经示例和说明了本发明的优选实施例，但本领域技术人员基于该公开将明白示例和所述的特征结构以及操作序列的各种变化。例如，尽管上述实施例强调了以经由探测器自动接合连接机构230传输的信号的形式所输出的控制信号和数据信号，但这些信号中的一部分或全部可以无线地传输，并且绕过探测器自动接合连接机构230。应当理解，这里公开的使得能够一体且自动可更换的CRS探测器结构的特征在于：这些CRS探测器结构被配置为完全在CRS探测器组件内生成和处理测量所使用的光。在对光进行了处理以确定输出光谱分布数据之后，可以根据期望进行无线传输以避免CRS探测器组件的外部的额外的光纤连接。因而，应当理解，可以在没有背离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。

Claims (20)

1.一种光谱测距传感器探测器系统即CRS探测器系统，其能够在程序控制下自动连接至坐标测量机即CMM，所述CRS探测器系统包括：
自动更换接合元件，其能够经由标准自动更换接合连接机构安装至所述CMM；以及
CRS探测器组件，其安装至所述自动更换接合元件，以经由所述自动更换接合元件自动连接至所述CMM，
其中，所述CRS探测器组件包括：
光学笔，其包括包含色散光学部的共焦光路，并且所述光学笔用于使不同波长的光聚焦在紧邻待测量工件表面的沿着测量轴的不同距离处；
电力光源，其接收经由所述自动更换接合元件传输来的电力并且生成源自于所述CRS探测器组件的光，其中所述光包括发送至所述光学笔的光的波长的输入光谱分布；以及
CRS波长检测器，其包括沿着所述CRS波长检测器的测量轴分布的多个光电检测器元件，其中所述多个光电检测器元件接收各波长的光并且提供输出光谱分布数据，
所述CRS探测器组件用于经由所述自动更换接合连接机构来接收电力和控制信号，
所述CRS探测器组件被配置成：在所述自动更换接合元件安装至所述CMM、可操作地确定所述光学笔相对于所述工件表面的位置以进行测量操作、并且所述电力光源生成所述光的情况下，所述光学笔输入所述输入光谱分布，向所述工件表面输出相应辐射，从所述工件表面接收反射辐射，并且从所述共焦光路输出所述反射辐射，以将输出光谱分布提供至所述CRS波长检测器，其中所述输出光谱分布包括具有表示从所述光学笔到所述工件表面的测量距离的波长峰的距离依赖分布成分，并且所述CRS波长检测器提供相应的输出光谱分布数据，以及
所述CRS探测器组件用于基于所述输出光谱分布数据来输出测量信号，其中所输出的所述测量信号表示到所述工件表面的测量距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所输出的所述测量信号包括来自所述CRS波长检测器的所述多个光电检测器元件的所述输出光谱分布数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，经由所述自动更换接合元件在至少一个导体上输送所输出的所述测量信号，并且探测器信号处理控制电路经由所述自动更换接合元件接收所输出的所述测量信号，其中所述探测器信号处理控制电路基于所述输出光谱分布数据来确定测量距离。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，经由所述自动更换接合元件中所包括的屏蔽同轴线缆来传输所输出的所述测量信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CRS探测器组件还包括识别部件，所述识别部件用于提供输出至所述CMM和探测器信号处理控制电路至少之一的探测器识别数据。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CRS探测器组件还包括存储部，所述存储部包括所述CRS探测器组件所用的校准数据和补偿数据至少之一。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CRS探测器组件所用的校准数据和补偿数据至少之一存储在所述CMM和用于从所述CRS探测器组件接收信号的探测器信号处理控制电路至少之一中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学笔的质量中心位于紧邻由所述CRS探测器组件的质量中心和所述自动更换接合元件的中心所限定的轴的位置处。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学笔相对于所述自动更换接合元件进行安装，以使得所述光学笔的中心轴CAOP与所述自动更换接合元件的中心轴CAJ同轴，由此在所述CMM使所述自动更换接合元件绕所述自动更换接合元件的中心轴进行转动的情况下，使所述光学笔在所述光学笔的中心轴没有由于该转动而进行实质横向移动的情况下绕所述光学笔的中心轴进行转动。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学笔包括包含所述色散光学部的可更换型光学元件，并且所述光学笔还包括光学笔基座构件，所述光学笔基座构件用于容纳所述可更换型光学元件并使所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件处于固定关系。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光学笔基座构件包括：
壳体，其包括可复用式快速更换卡口的第一配合半体以及与所述电力光源和所述CRS波长检测器相连接的光纤的端部，其中所述光纤终止于紧邻相对于所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体保持固定的共焦孔的位置处。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体大体上包围所述共焦孔。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述可更换型光学元件包括：
所述可复用式快速更换卡口的第二配合半体；以及
光学组件，其相对于所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体保持固定并包括所述色散光学部，其中所述光学组件用于从所述共焦孔接收测量光并向所述共焦孔返回测量光，并且提供所述测量光在沿着测量轴的各测量范围内的轴向色散。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体用于在程序控制下自动连接至所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体以及与所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体分离。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，利用安装在所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体和所述第二配合半体其中之一内的永磁体来将所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体磁性压抵所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CRS探测器组件被配置成将所述光学笔安装在所述CRS探测器组件的远端处。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述CRS探测器组件还包括：
基座部，其安装至所述自动更换接合元件；
波长检测器安装部，其连接至所述基座部；以及
光学笔安装部，其连接至所述基座部并且在无需支撑所述CRS波长检测器的情况下支撑所述光学笔。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述光学笔安装部包括从所述基座部向着所述CRS探测器组件的远端延伸的中空结构管。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，利用低电压差分信号串行化器即LVDS串行化器来经由所述自动更换接合元件通过两个接线提供三个以上的不同信号。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，提供XYZ锁存信号以使所述CRS探测器系统的测量定位与所述CMM的测量定位同步。
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