CN103424074B - 光谱测距传感器光学笔用的可更换型光学结构 - Google Patents

光谱测距传感器光学笔用的可更换型光学结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光谱测距传感器光学笔用的可更换型光学结构。光谱测距传感器(CRS)中使用的光学笔可以用于坐标测量机(CMM)所用的探测器系统中。该光学笔包括共焦光路、可更换型光学元件、光学笔基座构件和可复用式快速更换卡口。共焦光路包括共焦孔和色散光学部。可更换型光学元件包括色散光学部。光学笔基座构件包括用于安装至外部参照系的外部安装面。可复用式快速更换卡口包括位于光学笔基座构件上的第一配合半体和位于可更换型光学元件上的第二配合半体。可复用式快速更换卡口被配置为使得光学笔基座构件能够将可更换型光学元件容纳和保持为相对于光学笔基座构件和外部参照系固定的关系。

Description

光谱测距传感器光学笔用的可更换型光学结构
相关申请的交叉引用
本申请是2012年5月25日提交的美国专利申请13/481,734的部分继续申请，根据35U.S.C.§120要求了该递交日的优先权，在此通过引用包含其内容。
技术领域
本发明总体上涉及精密测量仪器，尤其涉及诸如可以用在坐标测量机用的探测器系统等的光谱测距传感器光学笔用的光学结构。
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在X坐标和Y坐标中的移动和位置。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，但可以利用平行于XY平面的光束来齐焦于照相机。可以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(在某些情况下，还称为“自动接头”)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RenishawMetrology 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被配置为连接至该Renishaw型探测头系统的其它类型探测器进行更换(例如，能够在无需人为干预的情况下通过机器控制进行更换)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型探测头系统等来安装和/或更换现有的光谱测距传感器。现有的光谱测距传感器的架构与Renishaw型探测头系统中所包括的数据和控制接线不兼容。期望如下的光谱测距传感器探测器，其中该光谱测距传感器探测器例如能够使用Renishaw型探测头系统而在坐标测量机(CMM)上进行自动安装和/或更换。
现有的光谱测距传感器的相关问题在于：即使可以对光谱测距传感器的架构进行设计以使得该架构可以包括在(例如，使用Renishaw型探测头系统)能够在CMM上进行自动安装和/或更换的光谱测距传感器探测器系统内，现有类型的光谱测距传感器光学笔也是针对手动更换而设计的并且无法进行自动更换。因而，光谱测距传感器探测器系统在其用途方面由于与该探测器中使用的特定光学笔相关联的不灵活的测量范围和/或方向而仍受到限制。该不灵活性将成为光谱测距传感器探测器系统的创建和采用的重大障碍，由此在无法根据需要针对特定测量操作快速且可靠地改变该光谱测距传感器探测器系统的测量范围和/或精度的情况下，可能会使成本/效益比变差。
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。
本公开描述了一种可以提供容易和/或自动地修改的能力的光学笔(例如，诸如可以允许调整光谱测距传感器探测器的测量范围和/或测量方向等)。这种光学笔可以提供传统申请的优点(例如，允许快速手动改变)，并且在用作(例如，CMM上的和/或允许快速自动修改的)光谱测距传感器探测器系统的一部分的情况下特别有利。
提供了一种光谱测距传感器即CRS中使用的光学笔。根据一个方面，所述光学笔包括共焦光路、可更换型光学元件、光学笔基座构件和可复用式快速更换卡口。所述共焦光路至少包括共焦孔和色散光学部，并且所述光学笔用于使不同波长聚焦在邻接待测量工件表面的沿着测量轴的不同距离处。所述可更换型光学元件包括所述色散光学部。所述可复用式快速更换卡口包括位于所述光学笔基座构件上的第一配合半体和位于所述可更换型光学元件上的第二配合半体。所述可复用式快速更换卡口被配置成：所述可复用式快速更换卡口首先使得所述光学笔基座构件将所述可更换型光学元件容纳并保持为相对于所述光学笔基座构件和所述外部参照系固定的关系，以形成操作用光谱测距传感器光路和测量光束。
所述光学笔基座构件用于将所述光学笔保持为相对于外部参照系稳定的关系以进行测量。在各实施例中，所述光学笔基座构件可以包括外部安装面，所述外部安装面用于将所述光学笔基座构件安装至用于定义所述外部参照系的外部元件。例如，所述外部元件可以包括用于定义固定参照系的固定元件(例如，光学笔所用的安装支架)，或者所述外部元件可以包括安装至(例如，如这里所公开的)CMM的CRS探测器组件，其中安装至所述CMM的所述CRS探测器组件用于定义包括机器坐标系的外部参照系。在各实施例中，该光学笔基座构件为可更换型光学元件提供唯一支撑，并且以非常稳定的方式(例如，以可更换型光学元件在预期的测量环境下的振动极小的状态)支撑该可更换型光学元件。该光学笔基座构件和可更换型光学元件不同于传统的将光纤连接至已知的光学笔的光纤连接器。例如，这种光纤连接器不适合可重复地将光学笔安装并保持为相对于外部参照系稳定的关系以进行测量。也不能期待这种传统的光纤连接器能够为保持光学笔的诸如这里公开的可更换型光学元件等的光学元件的元件提供唯一支撑。
根据另一方面，所述光学笔可以包括光纤端定位配置，所述光纤端定位配置至少包括包含于所述光学笔基座构件内的光纤保持元件，其中所述光纤保持元件用于容纳与CRS系统的光源和检测器相连接的光纤，并且使所述光纤相对于所述光学笔基座构件进行保持，以使得所述光纤端定位配置将所述光纤的端部定位到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处。在各实施例中，共焦孔的操作位置与光学笔的透镜名义上地使穿过该光学笔的测量光所会聚的位置一致。
在一些实施例中，光纤保持元件可以将光纤相对于光学笔基座构件以刚性的方式容纳和保持到紧邻共焦孔的操作位置的位置处。在一些实施例中，光纤保持元件可以包含保持或定位光纤时的一些柔量，并且光纤端定位配置可以包括包含在光学笔基座构件和可更换型光学元件其中之一内的附加的光纤端定位元件，其中该光纤端定位元件用于使光纤的端部在紧邻共焦孔的操作位置的位置处稳定。例如，在一个实施例中，可以将光纤及其端部固定在诸如可能存在于光纤连接器中的被弹簧加载的套圈中，并且光纤端定位元件可以包括由该套圈用引导件(例如，孔、锥形孔或倒角台肩等)包围的包含透光孔的凹面。该引导件将被弹簧加载的套圈引导至该凹面，其中在该凹面处，该被弹簧加载的套圈抵接凹面并且在由该凹面所限定的期望位置(例如，位于或紧邻共焦孔的操作位置的位置)处稳定。在一些实施例中，共焦孔可以包括光纤的端部。可选地，共焦孔可以是相对于光纤的端部保持固定的孔元件(例如，箔或薄膜孔)中的孔。在这些情况下，光纤端定位元件可被配置为使光纤的端部稳定，以使得共焦孔在紧邻操作位置的位置处稳定。
在一些实施例中，所述光纤端定位元件可以包括在所述光学笔基座构件内，所述共焦孔包括在所述操作位置处固定至所述光学笔基座构件和所述光纤端定位元件至少之一的孔元件中的孔，所述光纤端定位元件使所述光纤的端部在紧邻所述共焦孔的位置处稳定。
在一些实施例中，所述光纤端定位元件包括在所述可更换型光学元件内，所述共焦孔包括在所述操作位置处固定至所述可更换型光学元件和所述光纤端定位元件至少之一的孔元件中的孔，在所述光学笔基座构件将所述可更换型光学元件容纳并保持为固定关系的情况下，所述光纤端定位元件使所述光纤的端部在紧邻所述共焦孔的位置处稳定。
根据另一方面，所述光学笔基座构件包括壳体，所述壳体包括所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体。在一个实施例中，所述共焦孔相对于所述第一配合半体保持固定。在一个实施例中，所述第一配合半体包括所述壳体的端面。
根据另一方面，所述可更换型光学元件包括光学组件，所述光学组件相对于所述第二配合半体保持固定。所述光学组件包括所述色散光学部，并且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。
根据另一方面，所述光学组件还可以包括转接透镜，所述转接透镜用于使测量光聚焦到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处。在一个实施例中，所述操作位置位于所述可更换型光学元件内，所述光学组件还包括以下至少之一：光纤端定位元件；以及包括位于紧邻所述操作位置的位置处的孔的孔元件。在替代实施例中，所述共焦孔的操作位置位于所述光学笔基座构件内，所述光学笔基座构件还包括以下至少之一：位于紧邻所述操作位置的位置处的光纤端定位元件；以及包括位于紧邻所述操作位置的位置处的孔的孔元件。
根据另一方面，所述可更换型光学元件还包括管和前板。所述管至少部分地包围所述色散光学部，并且所述前板位于紧邻所述管的端部的位置处。在一个实施例中，所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体包括所述前板的背向所述色散光学部的表面。
根据另一方面，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。
根据另一方面，所述可更换型光学元件还包括自动处理元件，所述自动处理元件连接至改变装置，其中所述改变装置用于使所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体与所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体连接和分离。
根据另一方面，所述可更换型光学元件还包括ID元件，所述ID元件用于识别所述可更换型光学元件。在一个实施例中，所述ID元件包括无源射频识别装置。
根据另一方面，所述共焦光路包括转接透镜，所述转接透镜位于所述共焦孔和所述色散光学部之间，所述转接透镜用于使测量光聚焦到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处。在一个实施例中，所述转接透镜被配置成对位于所述转接透镜和所述色散光学部之间的测量光进行近似准直。
根据另一方面，在一个实施例中，所述转接透镜和所述共焦孔可以位于所述光学笔基座构件内。在替代实施例中，所述转接透镜可以位于所述可更换型光学元件内，其中所述共焦孔位于所述光学笔基座构件或所述可更换型光学元件内。
根据另一方面，所述光学笔基座构件还包括转动元件，所述转动元件包括所述第一配合半体，并且用于使所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件的至少一部分转动。在一个这种实施例中，所述光学笔的特征在于如下校准数据：所述校准数据包括与所述可更换型光学元件的多个转动位置各自相对应的各特有校准数据。
根据另一方面，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(或CRS探测器组件)，其中所述CRS探测器组件可以包括所述光学笔。，所述CRS探测器组件首先可以包括所述光学笔基座构件且可以经由自动更换接合连接机构连接至所述CMM，并且可以预先将所述可更换型光学元件定位在与所述光学笔基座构件分离的位置处，所述可复用式快速更换卡口被配置成：所述光学笔基座构件首先基于利用所述CMM自动进行的操作来容纳并保持所述可更换型光学元件。之后，所述CRS探测器组件随后可以经由所述自动更换接合连接机构已连接至所述CMM并且包括所述光学笔基座构件和所述可更换型光学元件，所述可复用式快速更换卡口被配置成：随后能够在无需使将所述CRS探测器组件连接至所述CMM的所述自动更换接合连接机构断开的情况下，基于利用所述CMM自动进行的操作来将所述可更换型光学元件从所述光学笔基座构件移除。
CRS探测器(或CRS探测器组件)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；
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；
图10是示出与图4A和4B的光学笔相似的光学笔的典型实施例的各部件的附加详情的图；
图11A和11B是示出可以组合图10的光学笔的基座构件使用的可更换型光学元件的两个典型实施例的图；
图12是示出光学笔共焦孔的操作位置位于可更换型光学元件内的光学笔的典型实施例的各部件的图；
图13A和13B是示出可更换型光学元件以及转接透镜位于基座构件内的光学笔的两个典型实施例的图；
图14A和14B是示出可更换型光学元件以及转接透镜位于基座构件的延伸管状部内的光学笔的两个典型实施例的图；
图15是示出包括用于使可更换型光学元件转动的转动部的光学笔的典型实施例的各部件的图；
图16是示出可更换型光学元件包括高精度轴向测量光束结构的光学笔的典型实施例的各部件的图；
图17是示出用于使用包括可复用式快速更换卡口、基座构件和可更换型光学元件的光学笔的例程的一个典型实施例的流程图；以及
图18是示出用于向光学笔提供用于使可更换型光学元件转动的转动元件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度并且包含任何适当类型的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，并且所述多个像素接收从对象表面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所定义的轴的位置。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，利用包括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的保持力结构来使可复用式快速更换卡口285的第二配合半体285B压抵第一配合半体285A。更通常地，该保持力结构可以包括诸如被弹簧加载的机械棘爪等的已知部件。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大体上可以包围该共焦孔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中的包含光纤保持元件的光纤端定位配置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，光纤端定位配置283可以包括光纤保持元件，其中该光纤保持元件(例如，经由连接器209)保持光纤并且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，如以下更详细地所述，在需要的情况下，利用适当的光纤端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ID 520和光学笔元件ID 525。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(例如，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(例如，如图2所示的)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ID 520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ID 525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)串行化器对于在标准自动接合连接器中可利用有限数量的接线的情况下特别有利。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 Instruments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(例如，可使用CMM机器控制程序更换为其它类型的CMM探测器)。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(例如，在CMM上)可自动更换为其它类型的探测器的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。
图10是示出与图4A和4B的光学笔220相似的光学笔220A的典型实施例的各部件的图。如以下更详细地所述，特别是针对光学元件以及光纤的位置来更加详细地示出图10的特定部件。如图10所示，光学笔220A包括经由示例性的可复用式快速更换卡口285连接到一起的基座构件282和可更换型光学元件280。在本实施例中，可更换型光学元件280包括前板286、管231、色散光学部250和转接透镜251。
在一个实施例中，可更换型光学元件280可以包括(例如，安装至前板286的)ID元件233。可以在光学笔基座构件282中配置相应的读取器元件233R。可以利用可更换型光学元件280用的特定识别信息来对ID元件233进行编码。在一个实施例中，ID元件233包括射频识别装置(RFID元件)，其中该射频识别装置可以是无源RFID元件。读取器元件233R(例如，RFID读取器元件)位于足够接近ID元件233的位置处以能够从ID元件233读取数据。在一些实施例中，在读取器元件233R并未位于邻近ID元件233的位置的情况下，可以在基座构件282中设置孔，以使得基座构件的材料不会妨碍ID元件233和读取器元件233R之间的信号(例如，无线电信号、光学信号、光学图像等)的交换。在一些实施例中，ID元件233可以包括识别标记(例如，简单的条形码)或颜色，并且读取器元件233R可以包括用于提供与该识别标记或颜色相对应的信号的光电检测器。在一些实施例中，ID元件233可以包括具有识别频率的无源谐振电路并且读取器元件233R可以包括响应于该识别频率来提供信号的激励器/检测器。
基座构件282包括包含用作可复用式快速更换卡口285的第一配合半体的表面的基座壳体282A，并且前板286具有用作可复用式快速更换卡口285的第二配合半体的相应表面。在一个实施例中，利用包括安装在第一配合半体和第二配合半体的其中一个或这两者中的永磁体285C的保持力结构来使可复用式快速更换卡口285的第二配合半体压抵第一配合半体。更通常地，该保持力结构可以包括诸如被弹簧加载的机械棘爪等的已知部件。在一个实施例中，可更换型光学元件280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，以使得可更换型光学元件280可以自动与基座构件282分离。
基座构件282被配置为以相对于外部参照系稳定的关系保持光学笔220A以进行测量。在一些实施例中，基座壳体282A可以包括外部安装面，其中该外部安装面用于将基座构件安装至定义外部参照系的外部元件(例如，通过使用紧固件等将基座壳体282A夹紧或安装至参照系外部元件)。例如，该外部元件可以包括定义固定参照系的固定元件(例如，光学笔所用的安装支架)，或者该外部元件可以包括安装至(例如，如这里所公开的)CMM的CRS探测器组件，其中安装至CMM的CRS探测器组件定义了包括机器坐标系的外部参照系。在各实施例中，基座构件为可更换型光学元件提供唯一支撑，并且以非常稳定的方式(例如，以在预期的测量环境下可更换型光学元件的振动极小的状态)支撑可更换型光学元件。应当理解，这里示出和描述的外部安装特征仅是示例性的而并非限制性的。然而，基座构件和可复用式快速更换卡口不同于传统的将光纤连接至已知的光学笔的光纤连接器。例如，这种光纤连接器不适合以相对于外部参照系稳定的关系重复地安装并保持光学笔以进行测量。这些光纤连接器无法提供足够强度和/或刚性，以为保持光学笔的诸如这里公开的可更换型光学元件280等的光学元件的元件提供唯一支撑。
在一个实施例中，基座构件282包括光纤的端部，其中该端部可以位于紧邻相对于大体上可以包围该共焦孔295的可复用式快速更换卡口285的第一配合半体保持固定的共焦孔295的位置处。在一些实施例中，光纤的端部提供共焦孔295。在一些实施例中，如以下将更详细地所述，通过以紧邻或抵接光纤的端部的方式接合在合适位置的薄孔元件来提供共焦孔295，或者可以利用制造于(或接合至)光纤端定位元件283B的孔来提供共焦孔295。
在各实施例中，光学笔可以包括将光纤212的端部定位到紧邻共焦孔295的操作位置297的位置的光纤端定位配置。在各实施例中，共焦孔295的操作位置297与光学笔的透镜名义上地使穿过该光学笔的测量光所会聚的位置一致。在图10所示的特定实施例中，光纤端定位配置283整体位于基座构件282内，并且包括固定(例如，接合)于基座构件282中的光纤保持元件283A和光纤端定位元件283B。在本实施例中，光纤保持元件283A可以包含保持或定位光纤时的一些柔量，并且光纤端定位元件283B被配置为使光纤212的端部在紧邻共焦孔295的操作位置297的位置处稳定。例如，在一个实施例中，在设置光纤保持元件283A和光纤端定位元件283B的已知类型的光纤连接器中，可以使光纤212及其端部固定在被弹簧加载的套圈283A'中。光纤端定位元件283B可以包括由该套圈用引导件(例如，孔、锥形孔或倒角台肩等)包围的包含透光孔的凹面283B'。该引导件将被弹簧加载的套圈引导至凹面283B'，其中在该凹面283B'处，该被弹簧加载的套圈抵接凹面283B'并且在由该凹面所限定的期望位置(例如，位于或紧邻共焦孔295的操作位置297的位置)处稳定。在一些实施例中，共焦孔295可以包括光纤212的端部。可选地，共焦孔295可以是相对于光纤的端部(和/或套圈283A')保持固定的孔元件(例如，箔或薄膜孔)中的孔。在这些情况下，光纤端定位元件283B可被配置为使光纤212的端部稳定，以使得共焦孔295在紧邻操作位置297的位置处稳定。在其它实施例中，该共焦孔包括在操作位置(例如，凹面283B')处固定至光学笔基座构件282和光纤端定位元件283B至少之一的孔元件中的孔。在这些情况下，光纤端定位元件283B被配置为使光纤212的端部在紧邻共焦孔295的位置处稳定。
在一些实施例中，光纤保持元件283A可以相对于基座构件以足够刚性容纳并保持光纤，由此将光纤212的端部刚性地定位到紧邻共焦孔295的操作位置297的位置，以使得可以除去单独的光纤端定位元件283B。
可更换型光学元件280从共焦孔295接收测量光并向共焦孔295返回测量光，并且包括相对于第二配合半体保持固定的光学组件。该光学组件包括在沿着测量轴的各测量范围内提供测量光的轴向色散的色散光学部250。在一个实施例中，该光学组件还可以包括反射元件294，其中该反射元件294使测量光束横向地(例如，相对于管231的轴呈横向地)指向光学笔220A的轴。在图10所示的实施例中，色散光学部250包括个体透镜252、253和254等。在一个实施例中，透镜252、253和254相同并且均产生纵向色像差。在一个实施例中，图10所示的结构可以在共焦孔295和镜元件294之间具有约50mm的光路长度。然而，应当理解，该结构仅是示例性的而非限制性的。在美国专利申请13/033,565('565申请)中描述了其它可用的色散透镜组件，在此通过引用包含其全部内容，下面进一步描述。
图10所示的实施例还包括转接透镜(或透镜组件)251，其位于共焦孔295和色散光学部250之间，用于从共焦孔295的操作位置297接收光并使测量光聚焦到紧邻该操作位置297的位置处。图10中示出了一些示例性的“受到限制”的共焦光线(或光线区段)。特别地，在转接透镜251和孔295之间示出光线R1和R2，并且在转接透镜251和色散光学部250之间示出光线R3和R4。如以下将更加详细地所述，转接透镜251在一些实施例中可以是准直或近似准直透镜，并且光线R3和R4示出为近似平行或近似准直，从而在特定实现中提供优势。光线R5和R6是在色散光学部250内示出的并且作为测量光束296中的光线R7和R8射出。在该特定实施例中，应当理解，共焦孔的操作位置297紧邻或位于光学笔220的透镜系统的最佳焦点位置(特别是转接透镜251的焦点位置)。
图11A和11B是示出可以组合图10的光学笔的基座构件282使用的可更换型光学元件的两个典型实施例的图。如图11A所示，可更换型光学元件280与图10所示的可更换型光学元件280近似相同。为了比较，如图11B所示，可更换型光学元件280B具有相对较长的管231B。在该特定实施例中，转接透镜251是提供近似平行光线的准直透镜。因而，可以有效地使转接透镜251和色散光学部250之间的间隔具有任意长度，从而能够有利于进行期望相对较长的管231B的不同测量应用(例如，使得可更换型光学元件280B能够在孔内测量得更深)。在一些实施例中，除了转接透镜251和色散光学部250之间的间隔的延长以外，可更换型光学元件280B可以使用与可更换型光学元件280相同的透镜元件和工作原理。
图12是示出除了光学笔共焦孔的操作位置297C位于可更换型光学元件280C内以外、与上述光学笔220相似的光学笔220C的典型实施例的各部件的图。如此，在图12所示的实施例中，可更换型光学元件280C的光学组件可以包括与以上参考图10所述的光纤端定位元件类似的光纤端定位元件283B。换句话说，在所示出的实施例中，光学笔220C可以在可更换型光学元件280C中包括用于将光纤212的端部定位到紧邻共焦孔295的操作位置297的位置的光纤端定位配置283。在图12所示的特定实施例中，光纤端定位配置283部分地位于包括光纤保持元件283A的基座构件282C中，并且部分地位于包括可以固定(例如，接合)于可更换型光学元件280C中的光纤端定位元件283B的可更换型光学元件280C中。在该实施例中，光纤保持元件283A可以包含保持或定位光纤时的一些柔量，并且光纤端定位元件283B被配置为使光纤212的端部在紧邻共焦孔295的操作位置297的位置处稳定。例如，在一个实施例中，在设置光纤保持元件283A、并且延伸超过可复用式快速更换卡口285的表面且延伸到可更换型光学元件280C内的这种类型的光纤连接器中，可以使光纤212及其端部固定在被弹簧加载的套圈283A'中。光纤端定位元件283B适于安装在可更换型光学元件280C中。光纤端定位元件283B可以包括由该套圈用引导件(例如，孔、锥形孔或倒角台肩等)包围的包含透光孔的凹面283B'。该引导件将被弹簧加载的套圈引导至凹面283B'，其中在该凹面283B'处，该被弹簧加载的套圈抵接凹面283B'并且在由该凹面所限定的期望位置(例如，位于或紧邻共焦孔295的操作位置297的位置)处稳定。在一些实施例中，共焦孔295可以包括光纤212的端部。可选地，共焦孔295可以是相对于光纤的端部(和/或套圈283A')保持固定的孔元件(例如，箔或薄膜孔)中的孔。在这些情况下，光纤端定位元件283B可被配置为使光纤212的端部稳定，以使得共焦孔295在紧邻操作位置297的位置处稳定。在其它实施例中，该共焦孔包括在操作位置(例如，凹面283B')处固定至可更换型光学元件280C和光纤端定位元件283B至少之一的孔元件中的孔。在这些情况下，光纤端定位元件283B被配置为使光纤212的端部在紧邻共焦孔295的位置处稳定。将光纤端定位元件283B定位在可更换型光学元件280C内的优点在于：在可更换型光学元件280C被移除并且重新安装至基座构件282C时，共焦孔295相对于其它光学元件的位置可以更加精确且可复用，这是因为可复用式快速更换卡口285不必影响该相对位置。
应当理解，以上概述的实施例仅是示例性的而非限制性的。在期望使共焦孔295的操作位置297延伸到可更换型光学元件280C内的一些实施例中，光纤保持元件283A在使用可复用式快速更换卡口285保持在适当位置的情况下相对于基座构件282C和可更换型光学元件280C以足够刚性容纳并保持光纤，由此以刚性方式将光纤212的端部定位到紧邻可更换型光学元件280C内的共焦孔295的操作位置297的位置处，以使得可以除去单独的光纤端定位元件283B。
图13A和13B是示出转接透镜251配置在基座构件282D内的光学笔220D的可更换型光学元件280D和280E的两个典型实施例的图。除了将基座构件282D示出为具有包括转接透镜251的延伸部282DX以外，可以基于光学笔220D与上述光学笔220的相似度来理解该光学笔220D。转接透镜251可以经由管状部282DX'或被加工的安装面等与共焦孔295间隔开适当距离。图13A示出可更换型光学元件280D。光线R1和R2从转接透镜251经由延伸部282DX行进至大致位于孔295所在的操作位置297的焦点。来自转接透镜251的近似平行光线R3和R4经由可复用式快速更换卡口285和管231D行进至色散光学部250。
在基座构件282D中包括转接透镜251的一个优点是可以将共焦孔295精确地配置在转接透镜251的焦点(即，操作位置297)处，并且之后的组件保持相对不受干扰。这与使可复用式快速更换卡口285位于孔295和转接透镜251之间形成对比，其中可复用式快速更换卡口285的公差和可复用性可能会影响共焦孔295相对于光学笔的其它光学部件的位置，这可能会产生微校准和/或精度误差。另外，由于相似原因，在(例如，如以下针对图15将更加详细所述那样)可更换型光学元件280D转动的情况下，该转动对共焦光路的影响较小，这是因为任何“摆动”都不会干扰转接透镜251和孔295之间的关系。作为代替，(由于光线R3和R4平行并且覆盖接近管282DX'直径的区域)任何摆动将仅会影响由光线R3和R4所表示的相对大的准直光束直径的一小部分，因此，将产生较小的干扰作为从转接透镜151传输来的全部光的百分比。作为另一优点，由于转接透镜251包括在基座构件282D中，因此可更换型光学元件280D的制造相对廉价。
在图13B中，示出还可经由快速更换卡口285安装至图13A的基座构件282D的可更换型光学元件280E。如图13B所示，设置了较长的管231E，并且色散光学部250E示出为包括附加透镜。如前述引用的'565申请更详细地所述，附加透镜252'和253'示出了串联连接散光光学元件以延长测量范围的技术。
应当理解，可更换型光学元件280E和280D在基座构件282D上是可更换的，其中可更换型光学元件280E例如能够在较深的孔内进行测量并且还提供与可更换型光学元件280D不同(较长)的测量范围。还应当理解，如可更换型光学元件280E所示的串联连接散光光学元件以延长测量范围的技术可以用于(例如，与图11B所示的可更换型光学元件280B相似的)包括转接透镜的可更换型光学元件中，并且在这种情况下，可以在基座构件282上进行更换。
图14A和14B是示出可更换型光学元件以及转接透镜位于基座构件的延伸管状部内的光学笔的两个典型实施例的图。如图14A所示，基座构件282F具有包括延伸管状部282FX的本体282AF。可更换型光学元件280F包括延伸加宽的管状部231FX，其中该管状部231FX是管231F的一部分，并且在利用可复用式快速更换卡口285将基座构件282F连接至可更换型光学元件280F的情况下容纳延伸管状部282FX。应当理解，如图14A所示，在将可更换型光学元件280F从基座构件282F拆卸的情况下，光路的断开不必位于与可复用式快速更换卡口285的元件相同的位置处。更具体地，如图14A所示，与将可复用式快速更换卡口285定位在更接近操作位置297的位置相比，在管282FX的端部处，在转接透镜251和色散光学部250之间发生光路的断开。
使转接透镜251位于基座构件282F内的某些优点与以上针对图13A所述的优点相同。图14A的结构的一个特定优点在于：与图13A的延伸部282DX相比，特别是在延伸管状部282FX的区域中，使基座构件282F更加紧凑。图14A的结构的一个限制因素在于：基座构件282F的延伸管状部282FX需要通过沿着管231F和管状部231FX的轴的相对细微动作来安装可更换型光学元件280F。在碰撞的情况下，这种结构使得可更换型光学元件280F不易脱离，这在利用可复用式快速更换卡口285的其它结构中(例如，图13A所示的结构中)也是可以的。
如图14B所示，可更换型光学元件280G也经由可复用式快速更换卡口285安装至基座构件282F。与图14A的结构类似，在图14B中，管231G的延伸部231GX示出为具有用于容纳基座构件282F的延伸管状部282FX的较宽尺寸。图14B的可更换型光学元件280G的结构的一个不同之处在于：管231G示出为具有较长尺寸。如以上针对图11B更详细地所述，由于转接透镜251的性质，朝向色散光学部250的光线R3和R4平行，由此可以有效地使管231G具有任何期望长度。
图15是示出包括用于使可更换型光学元件280H和测量光束296的方向转动的转动元件1510的光学笔220H的典型实施例的各部件的图。如图15所示，基座构件282H被配置为包括转动元件1510的部件。而光学笔220H与图13A的光学笔220D相似，其中转接透镜251可以位于基座构件282H的延伸部282HX内。
如图15所示，转动元件1510包括转动部1512，其中在本特定实施例中，该转动部1512包括用于提供可复用式快速更换卡口285的第一配合半体的表面。该第一配合半体以与以上针对图4A和4B所述类似的结构连接至位于前板286上的快速更换卡口285的第二配合半体。转动元件1510还包括使得转动部1512能够转动的轴承1514、以及用于驱动该转动的马达1516和齿轮1518。还可利用替代结构来进行马达和转动致动(例如，电动套筒结构等)。如以上针对图13A所述，由于由穿过转动接头的平行光线R3和R4所表示的宽准直光束的光学传输对于对准改变不太敏感这一事实，因此该转动在转接透镜251位于基座构件282H内的情况下将会产生较小的误差/影响。然而，应当理解，该结构仅是示例性的而非限制性的。在基于本公开显而易见的略微修改的情况下，可以将上述图10～14B的结构中的任意结构改变为包括用于使可更换型光学元件转动的相似部件。在一些实施例中，为了与转动位置无关的最佳校准和精度，光学笔的特征可以在于如下校准数据：该校准数据包括与可更换型光学元件的多个转动位置分别相对应的特有校准数据。这种校准可以补偿可能是转动位置的作用的各种未对准。
图16是示出可更换型光学元件280I包括高精度轴向测量光束结构的光学笔220I的典型实施例的各部件的图。在所示出的实施例中，可更换型光学元件280I还可更换为图10所示的基座构件282上的可更换型光学元件280。共同转让的美国专利7,626,705中更详细地说明了该高精度轴向测量光束结构，在此通过引用包含其全部内容。色散光学部250I包括双凸透镜元件252I以及弯月形透镜元件253I和254I。双合透镜元件251I由第一透镜部251AI和第二透镜部251BI构成。在各实施例中，双合透镜元件251I可以是粘合双合透镜元件或孔隙双合透镜元件。弯月形透镜元件253I和254I二者的表面在同一方向上弯曲，并且被取向成提供正光焦度且使来自透镜结构的辐射输出会聚。
包括可更换型光学元件280I的光学笔220I的结构示出各种类型的光学配置和光学元件均可用于可更换型光学元件中。另外，应当理解，尽管图10～15的结构通常示出横向测量光束，但在其它结构中，还可以利用诸如图16的光学笔220I所用的轴向测量光束结构等的轴向或其它方向测量光束结构。此外，在替代实施例中，可以使光学笔220I包括诸如以上针对图10～15所述的元件中的某些元件等的附加元件(例如，ID元件、为了与用于使可更换型光学元件280I转动的转动部可能地组合地实现横向测量光束而添加的横向偏转器等)。
图17是示出用于使用包括可复用式快速更换卡口、基座构件和可更换型光学元件的光学笔的例程1700的一个典型实施例的流程图。在块1710中，将光学笔基座构件设置为安装至定义测量用参照系的外部元件(例如，定义固定参照系的安装支架或安装至提供机器坐标参照系的CMM的CRS探测器组件等)，并且可更换型光学元件与光学笔基座构件分离。在块1720中，可操作地连接光学笔基座构件以从CRS光源输入光并将光输出至CRS波长检测器。在块1730中，首先，将可更换型光学元件定位到紧邻基座构件的位置，从而可复用式快速更换卡口结构使得基座构件容纳和保持该可更换型光学元件以形成操作用光谱测距传感器光路和测量光束，其中该可更换型光学元件相对于基座构件和参照系被保持处于固定关系。例如，用户可以手动确定可更换型光学元件的位置，或者CMM可以通过使基座构件移动来自动从自动交换架拾取可更换型光学元件，以使得适当地确定该可更换型光学元件相对于基座构件的位置。当然，基于上述公开应当理解，可复用式快速更换卡口被配置为：随后，通过手动或自动操作(例如，通过近似反向进行块1730中使用的定位操作)来容易地将可更换型光学元件从基座构件移除。
图18是示出用于为光学笔提供用于使可更换型光学元件转动的转动元件的例程1800的一个典型实施例的流程图。在块1810中，设置可用于使可更换型光学元件相对于光学笔基座构件的至少一部分转动的转动元件。在块1820中，提供可更换型光学元件的多个转动位置特有的校准数据。在块1830中，利用转动元件来使可更换型光学元件向着多个期望方位转动以测量工件特征，并且利用相应的校准数据来提高所进行的任何测量的精度。
尽管已经示出和说明了各种实施例，但本领域技术人员基于该公开将明白所示出和说明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，可以在没有背离所要求的主题的精神和范围的情况下进行各种改变。

Claims (21)

1.一种光学笔，其用于光谱测距传感器即CRS，所述光学笔包括：
共焦光路，其至少包括共焦孔和色散光学部，其中所述光学笔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；
可更换型光学元件，其包括所述色散光学部；
光学笔基座构件，其用于将所述光学笔相对于外部参照系保持为稳定关系以进行测量；以及
可复用式快速更换卡口，其包括位于所述光学笔基座构件上的第一配合半体和位于所述可更换型光学元件上的第二配合半体，所述可复用式快速更换卡口被配置成：所述可复用式快速更换卡口首先使得所述光学笔基座构件容纳所述可更换型光学元件并将所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件和所述外部参照系保持为固定关系，
其中，所述光学笔还包括光纤端定位配置，所述光纤端定位配置至少包括包含于所述光学笔基座构件内的光纤保持元件，其中所述光纤保持元件用于容纳与CRS系统的光源和检测器相连接的光纤，并且使所述光纤相对于所述光学笔基座构件进行保持以使得所述光纤端定位配置将所述光纤的端部定位到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处；
所述光学笔基座构件包括壳体，所述壳体包括所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体，并且在所述壳体中，所述共焦孔相对于所述第一配合半体保持固定；
所述可更换型光学元件包括光学组件，所述光学组件相对于所述第二配合半体保持固定；以及
所述光学组件包括所述色散光学部，并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、并且用于提供测量光在沿着测量轴的各测量范围内的轴向色散。
2.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述光纤端定位配置还包括包含于所述光学笔基座构件和所述可更换型光学元件之一内的光纤端定位元件，其中所述光纤端定位元件用于使所述光纤的端部在紧邻所述共焦孔的所述操作位置的位置处稳定。
3.根据权利要求2所述的光学笔，其中，
所述共焦孔包括以下之一：a)所述光纤的端部；以及b)相对于所述光纤的端部保持固定的孔元件中的孔，以及
所述光纤端定位元件用于使所述光纤的端部稳定，以使得所述共焦孔在紧邻所述操作位置的位置处稳定。
4.根据权利要求2所述的光学笔，其中，所述光纤端定位元件包括在所述光学笔基座构件内，
所述共焦孔包括在所述操作位置处固定至所述光学笔基座构件和所述光纤端定位元件至少之一的孔元件中的孔，以及
所述光纤端定位元件用于使所述光纤的端部在紧邻所述共焦孔的位置处稳定。
5.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述第一配合半体包括所述壳体的端面。
6.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述光学组件还包括转接透镜，所述转接透镜用于使测量光聚焦到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处。
7.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述可更换型光学元件还包括管和前板，所述管至少部分地包围所述色散光学部，所述前板位于紧邻所述管的端部的位置处，并且所述第二配合半体包括所述前板的背向所述色散光学部的表面。
8.根据权利要求1所述的光学笔，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。
9.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述可更换型光学元件还包括自动处理元件，所述自动处理元件连接至改变装置，其中所述改变装置用于使所述可复用式快速更换卡口的所述第二配合半体与所述可复用式快速更换卡口的所述第一配合半体连接和分离。
10.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述可更换型光学元件还包括ID元件，所述ID元件用于识别所述可更换型光学元件。
11.根据权利要求10所述的光学笔，其中，所述ID元件包括无源射频识别装置。
12.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述共焦光路包括转接透镜，所述转接透镜位于所述共焦孔和所述色散光学部之间，用于使测量光聚焦到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处。
13.根据权利要求12所述的光学笔，其中，所述转接透镜被配置成使位于所述转接透镜和所述色散光学部之间的测量光近似准直。
14.根据权利要求12所述的光学笔，其中，所述转接透镜位于所述光学笔基座构件上。
15.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述光学笔基座构件还包括转动元件，所述转动元件包括所述第一配合半体，并且所述转动元件用于使所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件的至少一部分转动。
16.根据权利要求15所述的光学笔，其中，所述光学笔的特征在于如下校准数据：所述校准数据包括与所述可更换型光学元件的多个转动位置各自相对应的各特有校准数据。
17.根据权利要求1所述的光学笔，其中，所述光学笔基座构件包括外部安装面，所述外部安装面用于将所述光学笔基座构件安装至用于定义所述外部参照系的外部元件。
18.根据权利要求17所述的光学笔，其中，所述外部元件包括以下之一：a)用于定义固定参照系的固定元件；以及b)安装至CMM的CRS探测器组件，其中安装至所述CMM的所述CRS探测器组件用于定义包括机器坐标系的外部参照系。
19.一种光学笔，其用于光谱测距传感器即CRS，所述光学笔包括：
共焦光路，其至少包括共焦孔和色散光学部，其中所述光学笔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；
可更换型光学元件，其包括所述色散光学部；
光学笔基座构件，其用于将所述光学笔相对于外部参照系保持为稳定关系以进行测量；以及
可复用式快速更换卡口，其包括位于所述光学笔基座构件上的第一配合半体和位于所述可更换型光学元件上的第二配合半体，所述可复用式快速更换卡口被配置成：所述可复用式快速更换卡口首先使得所述光学笔基座构件容纳所述可更换型光学元件并将所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件和所述外部参照系保持为固定关系，
其中，所述光学笔还包括光纤端定位配置，所述光纤端定位配置至少包括包含于所述光学笔基座构件内的光纤保持元件，其中所述光纤保持元件用于容纳与CRS系统的光源和检测器相连接的光纤，并且使所述光纤相对于所述光学笔基座构件进行保持以使得所述光纤端定位配置将所述光纤的端部定位到紧邻所述共焦孔的操作位置的位置处，
所述光学笔包括在能够在程序控制下自动连接至坐标测量机即CMM的光谱测距传感器探测器系统即CRS探测器系统内，所述CRS探测器系统包括：
自动更换接合元件，其能够经由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：
所述光学笔；
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；
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。
20.根据权利要求19所述的光学笔，其中，所述CRS探测器组件首先包括所述光学笔基座构件且已经经由所述自动更换接合连接机构连接至所述CMM，并且所述可更换型光学元件与所述光学笔基座构件分离，以及
所述可复用式快速更换卡口被配置成：在首先基于利用所述CMM自动进行的操作来将所述可更换型光学元件定位到紧邻所述光学笔基座构件的位置的情况下，所述光学笔基座构件容纳并保持所述可更换型光学元件以形成操作用光谱测距传感器光路和测量光束，其中所述可更换型光学元件相对于所述光学笔基座构件和所述外部参照系被保持为固定关系。
21.根据权利要求20所述的光学笔，其中，所述CRS探测器组件已经随后经由所述自动更换接合连接机构连接至所述CMM并且包括所述光学笔基座构件和所述可更换型光学元件，以及
所述可复用式快速更换卡口被配置成：随后能够在无需使将所述CRS探测器组件连接至所述CMM的所述自动更换接合连接机构断开的情况下、基于利用所述CMM自动进行的操作来将所述可更换型光学元件从所述光学笔基座构件移除。
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