CN104279953A

CN104279953A - 光学元件和检测色谱测距传感器系统的脱离状况的方法

Info

Publication number: CN104279953A
Application number: CN201410315622.3A
Authority: CN
Inventors: 大卫·威廉·赛思克
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: JP2015014604A; US9068822B2; CN104279953B; DE102014211444A1; JP6404014B2; US20150009484A1

Abstract

提供一种光学元件和检测色谱测距传感器系统的脱离状况的方法。脱离信号元件包括在探测器的可更换型光学元件中。该脱离信号元件被配置为大致透过与测量范围相对应的第一组波长，并且至少部分反射一组脱离信号元件波长。在一个实现中，脱离信号元件包括诸如锐边滤波器等的薄膜涂层。如此可以在无需向探测器或使用该探测器的坐标测量机添加其它外部传感器或布线的情况下，使用现有的探测器电子装置来实现脱离状况的检测。可以利用脱离状况的感测来中止探测器的进一步移动，以使在发生碰撞的情况下的损坏最小。

Description

光学元件和检测色谱测距传感器系统的脱离状况的方法

技术领域

本申请通常涉及精度测量仪器，尤其涉及诸如可以与坐标测量机所用的色谱测距传感器探测器系统(chromatic range sensor probe system)相结合使用等的脱离感测方法。

背景技术

在各种类型的坐标测量机中，可以利用探测器来感测工件的表面上的点。在一种探测器中，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工件。在一些情况下，机械触点为球。某些坐标测量机使用光学测量传感器和机械测量传感器这两者。在美国专利4908951和美国专利5825666中描述了这些装置，在此通过引用包含这些专利的全部内容。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等的自动改变架。

关于自动改变架，将频繁可更换的测量探测器在各种“探测头”中所包括的自动更换接合连接机构处安装至坐标测量机。目前，Renishaw探测头最常用于工业中的特定应用。这些探测头是由位于英国格罗斯特郡的Renishaw-Metrology Limited所制造的。尽管Renishaw^TM型探测头系统在工业中最常用，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以连接至该Renishaw型探测头系统的其它类型探测器进行更换的能力。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包括有限数量的有线接线。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，通常无法使用Renishaw型探测头系统等来自动安装和/或更换现有的色谱测距传感器。

测量探测器的一个问题是与工件发生碰撞的危险。在测量操作期间，可以利用坐标测量机使测量探测器移动至不同的物理位置以对工件表面进行测量。在这些移动期间，在测量探测器与工件或其它物理对象之间可能偶然发生碰撞。这些碰撞可能会对探测器、坐标测量机和/或工件造成损坏。将期望以下：例如在利用Renishaw型探测头系统等、以及/或者例如通过使用自动改变架来在处于坐标测量机上的状态下能够自动安装和/或更换至光学笔基座构件的光学笔部件的情况下，色谱测距传感器探测器可以提供用于感测在碰撞的情况下其光学笔的一部分的脱离状况的能力。

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。

提供一种色谱测距传感器探测器用脱离传感器所用的系统和方法。根据一个方面，所述系统包括光学笔，所述光学笔用在提供坐标测量机的工件测量信息的色谱测距传感器(CRS)系统中。所述光学笔包括可更换型光学元件和相对于所述坐标测量机的移动部固定的光学笔基座构件。所述光学笔基座构件容纳所述可更换型光学元件，并且保持所述可更换型光学元件相对于所述基座构件的固定关系。根据这里所公开的方法，所述可更换型光学元件包括脱离信号元件。所述脱离信号元件用于大致透过与所述色谱测距传感器系统的所述测量范围相对应的第一组波长，并且至少部分反射一组脱离信号元件波长。

根据另一方面，所述一组脱离信号元件波长可以没有包括在与所述测量范围相对应的所述第一组波长中。脱离信号元件波长可以短于测量范围波长。可以利用一组脱离信号元件波长感测像素来检测所述一组脱离信号元件波长，其中所述一组脱离信号元件波长感测像素没有包括在用于感测与所述测量范围相对应的第一组波长的一组像素中。在一个实现中，可以利用波长检测器来检测与所述测量范围相对应的所述第一组波长，其中所述波长检测器还用于检测所述一组脱离信号元件波长。在一个实现中，所述一组脱离信号元件波长可以与测量范围波长重叠。

根据另一方面，所述脱离信号元件可被配置为大致反射所述一组脱离信号元件波长。在各实现中，所述脱离信号元件可以包括低通反射滤波器、高通反射边缘滤波器、带通反射滤波器等的组件。

根据另一方面，可以使所述一组脱离信号元件波长偏转，以跟随所述色谱测距传感器系统的检测器部中的与同所述测量范围相对应的所述第一组波长不同的路径。例如，可以使所述一组脱离信号元件波长指向专用脱离信号元件传感器。在另一示例中，可以使所述一组脱离信号元件波长指向所述色谱测距传感器系统的波长检测器中的、用于感测所述一组脱离信号元件波长中的信号的一组脱离信号像素。

根据另一方面，可以对脱离信号元件的信号贡献度进行补偿，以使得在所述可更换型光学元件安装至所述光学笔的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处不展现出峰。在这种结构中，在所述可更换型光学元件脱离的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处展现出谷。

根据另一方面，可以不将脱离信号元件的信号贡献度补偿作为光学笔补偿的一部分，以使得在安装有所述可更换型光学元件的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处展现出峰。在这种结构中，在所述可更换型光学元件脱离的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处可能不展现出峰。

根据另一方面，脱离信号元件可以包括厚度小于1mm的基板。在一个实现中，脱离信号元件可以包括薄膜反射滤波器。可以将薄膜应用于包括透镜、分束器和密封窗至少之一的光学元件。该所述薄膜反射滤波器可以反射波长带宽在与所述色谱测距传感器系统的正常测量范围相对应的波长范围外的光。

根据另一方面，所述脱离信号元件可被定位成紧邻所述共焦孔和/或使所述源光大致会聚和/或使所述源光大致准直的位置。

根据另一方面，可以利用在可更换型光学元件脱离的情况下发生的信号变化来检测脱离状况。在一个实现中，可以利用脱离状况的检测来防止由于与工件发生碰撞所造成的损坏。更具体地，随着在检查操作期间坐标测量机使包括光学笔的色谱测距传感器探测器移动至不同位置，存在可能与工件或其它对象发生碰撞的危险。在使可更换型光学元件变得脱离的碰撞的情况下，可以向坐标测量机发送信号以使该坐标测量机立即停止移动，从而使损坏最小。应当理解，通过利用现有的色谱传感器组件来检测脱离状况，可以在无需向色谱测距传感器或探测器添加任何附加传感器或布线的情况下实现这些功能。因而，可以继续利用使用Renishaw或其它类型的探测头系统的现有安装。

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色谱测距传感器(CRS)系统的框图，其中该光学笔包含具有脱离信号元件的可更换型光学元件；

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，其中该光学笔包含具有脱离信号元件的可更换型光学元件；

图3是示出包括光学笔的图2的CRS探测器的第一典型实施例的内部部件的图，其中该光学笔包含具有脱离信号元件的可更换型光学元件；

图4是示出包括光学笔的CRS探测器的第二典型实施例的内部部件的图，其中该光学笔包含具有脱离信号元件的可更换型光学元件；

图5是示出与图3和4的光学笔相似的光学笔的典型实施例的部件的附加详情、并且示出脱离信号元件的三个可能位置的图；

图6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部件、并且示出脱离信号元件的五个可能位置的图；

图7是示出包括转动部的光学笔的典型实施例的部件的图，其中该转动部用于使具有脱离信号元件的可更换型光学元件转动；

图8是示出检测器阵列中的像素的电压偏移信号电平和与脱离信号元件相对应的信号的、来自色谱点传感器的分布数据的图；

图9是示出与表示坐标的测量距离相对应的峰区域信号和与脱离信号元件相对应的信号的、来自色谱点传感器的分布数据的图；

图10是示出针对与脱离信号元件相对应的信号的各种信号处理替代方案的、来自色谱点传感器的分布数据的图；

图11是表示脱离信号元件的一个典型实施例的性质的响应曲线的图；以及

图12是示出用于利用脱离信号元件来检测脱离状况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(CMM)相结合所采用的工作原理的第一种示例性色谱测距传感器(chromatic range sensor，CRS)系统100的框图。CRS系统100与美国专利7876456和美国专利7990522(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包括电子部160和光学笔220。应当理解，图1所示的CRS系统100是一次测量一个测量点的色谱点传感器系统。图1所示的光学笔220是光学笔。然而，在各实施例中，诸如色谱线传感器(chromaticline sensor)等的可选类型的色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。在美国专利申请13/542144和美国专利申请13/481734中更详细地描述了光学笔220，在此通过引用包含这些专利申请的全部内容。

在图1所示的实施例中，电子部160包括波长检测器162、宽带光源164、信号处理器166、脱离感测部167和存储部168。在各实施例中，波长检测器162包括光谱仪的检测器阵列163。检测器阵列163可以包括沿着波长检测器162的测量轴分布的多个像素，其中这些多个像素接收各波长并且提供输出光谱分布数据。在各实施例中，存储部168包括补偿数据169。

如以下更详细地所述，根据这里所述的方法来利用脱离感测部167以检测可更换型光学元件280相对于光学笔220的脱离状况。在各实现中，脱离感测部167可以具有与信号处理器166合并的元件或功能、以及/或者可以具有在检测器阵列163的区域中的单独检测器。在测量操作期间，在脱离感测部167检测到脱离状况的情况下，可以提供脱离警告信号。例如，可更换型光学元件280的突然脱离可能表示与工件发生碰撞。为了使对光学笔220和该光学笔220可能安装至的CRS探测器造成的损坏最小，在检测到脱离状况的情况下，可以指示正移动探测器的坐标测量机立即停止。还可以利用脱离状况的检测来中止当前正发生的任何测量操作，并且向用户通知在可以进行进一步的测量操作之前将需要重新安装可更换型光学元件280。

如以下针对图2和3更详细地所公开的、并且如前面包含的'144申请和'734申请更详细地所述，在一些实现中，电子部160的某些部件可以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)。如上所述，根据特定实现的部件和结构，脱离感测部167的各种部件或功能可以包括在光源-波长检测器部160A或测量信号处理-控制电路160B中。

如图1所示，在一些实施例中，电子部160可以连接至主机系统180，其中该主机系统180可以与CRS电子装置160进行控制信号和数据的接收和/或交换。应当理解，在各实施例中，这里所公开的系统和方法的操作可以在CRS电子装置160或主机系统180内进行。在一个实施例中，主机系统180可以包括自动运动控制(例如，如机器视觉检查系统等那样)，并且可以定义并执行使充当非接触测量探测器的CRS系统100工作以进行检查操作的部分程序。

电子部160经由包括光纤线缆112的光路连接至光学笔220。在图1所示的实施例中，示出包括光纤线缆112的光路的可选或替代方法，其中该光纤线缆112具有：第一区段112A和第二区段112B，其在光纤区段112B中的连接器CONNECT-D处相接合；以及耦合器COUPLER-O，其使区段112B接合至电子部160。连接有光源164以将波长的光谱分布输入至光纤线缆112。

光学笔220包括经由示例性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。基座构件282包括保持光纤112A的光纤连接器209，其中该光纤112A的端部将输出光束经由孔295输出，并且经由孔295接收反射测量信号光。在各实现中，孔295可以位于基座构件282或可更换型光学元件280内。可更换型光学元件280包括脱离信号元件299、转接透镜组件251和光学部250。如以下更详细地所述，脱离信号元件299至少部分反射经由光纤112A返回的一组脱离信号元件波长。脱离信号元件299还大致透过与色谱测距传感器系统的测量范围相对应的一组测量波长。以下将针对图5来更详细地说明各实施例中的与光学笔220的附加部件有关的更多具体详情，并且在前面包含的'144申请和'734申请中也描述了这些详情。

在图1所示的实施例中，为了进行测量操作，从光纤112A的端部经由孔295发射包括测量波长的光，然后使该光穿过转接透镜组件251，并且由光学部250会聚并由反射元件294指向测量面290。如针对CRS系统已知的，光学部250提供轴向色散，以使得沿着光轴的焦点根据光的波长而在不同距离处。在从测量面290反射时，该光由光学部250经由转接透镜组件251重新会聚到孔295上。由于光学部250所提供的轴向色散，因而仅一个波长会具有与测量距离“Z”一致的焦点距离，其中该测量距离“Z”是从相对于光学笔220固定的基准位置到测量面290的距离。CRS系统100被配置成使得最佳地聚焦于测量面290的波长也是最佳地聚焦于孔295的波长。孔295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孔295并且进入光纤112A的纤芯。如以下更详细地所述，光纤112A将测量波长信号光发送至用于确定具有主强度的测量波长信号光的波长的波长检测器162，其中该波长与到表面位置290的测量距离Z相对应。

在正常测量操作期间，由信号处理器166所控制的宽带光源164经由包括照明光纤区段165I、2×1耦合器COUPLER-E、CONNECT-E和光纤112A的光纤光路连接至CRS光学笔220。如上所述，与测量范围相对应的光的波长由脱离信号元件299大致透过，并且经由光学笔220行进至测量面290。经由光学笔220和孔295最高效地传递回至光纤112A的反射测量光的波长是聚焦于测量面290上的波长。反射测量光返回穿过光纤光路到达电子部160和耦合器COUPLER-E，以使得该光的约50％经由信号光纤区段165S指向波长检测器162。波长检测器162接收光强度，将该光强度转换成在检测器阵列163的测量范围内沿着测量轴分布在像素阵列上的输出光谱强度分布(还简称为输出光谱分布)，并且进行工作以基于从检测器阵列163输出的像素数据来提供相应的输出光谱分布数据。关于脱离信号元件波长，如以下针对图8～10更详细地所述，在一个实现中，可以利用检测器阵列163内的特定范围的像素来检测经由光纤112A反射回来的并且跟随与反射测量光的波长相同的光路的脱离信号元件光的波长，直到这些波长在波长检测器162中被分离为止。可选地，可以设置用于检测脱离信号元件波长的单独检测器(例如，单独检测器阵列或其它光电传感器)，其中根据已知方法，可以进一步对脱离信号元件波长进行滤波或使其与测量光波长分离以及/或者使其指向单独的脱离信号元件波长检测器。

对于反射测量光波长(还简称测量波长)，在一个实现中，如以下针对图9更详细地所述，可以利用信号处理器166来计算表示与从波长检测器输出的波长分布数据的峰相对应的坐标(DIC)的子像素分辨率距离，并且该DIC可以经由存储在存储部168中的距离校准查找表等来确定相对于表面位置290的测量距离Z。可以利用各种方法(例如，通过确定分布数据的峰区域中所包括的分布数据的形心)来确定表示坐标的距离。对于脱离信号元件波长，在一个实现中，如以下更详细地所述，信号处理器166和/或脱离感测部167可以用来监控脱离信号元件波长的输出的变化以检测脱离状况。

图1包括正交XYZ坐标轴作为基准框架。将Z方向定义为与光学笔220的光轴或测距轴平行。以下将更详细地说明CRS系统100的其它示例性特征和操作。

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坐标测量机(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。

本领域技术人员应当理解，计算机-用户界面206通常可以包括任何计算系统或装置。合适的计算系统或装置可以包括个人计算机、服务器计算机、小型计算机、大型计算机和包括前述任一的分布式计算环境等。这些计算系统或装置可以包括执行软件以进行这里所述的功能的一个或多个处理器。处理器包括可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑装置(PLD)等、或者这些装置的组合。可以将软件存储在诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或闪速存储器等、或者这些组件的组合等的存储器中。还可以将软件存储在诸如基于磁性或光学的盘、闪速存储器装置或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质等的一个或多个存储装置中。软件可以包括包含用于进行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构等的一个或多个程序模块。在分布式计算环境中，可以采用有线或无线配置在多个计算系统或装置中组合或分配程序模块的功能并且经由服务调用来访问该功能。

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。

如以下针对图3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可以包括螺纹孔的内表面。

关于图1的脱离感测部167，如以上在各实现中所述，脱离感测部167可以与利用信号处理器166合并到一起的各种部件相结合进行工作或者具有这些各种部件。在这种实现中，在图2的实施例中，脱离感测部167或其相关部件可以包括在信号处理-控制元件260B内。此外，在脱离感测部167具有与波长检测器162或检测器阵列163分开所包括的部件或作为波长检测器162或检测器阵列163的一部分所包括的单独组件的情况下，这些部件可以包括在图2的光源-波长检测器部260A中。

图3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'的一个典型实施例的某些部件的图。如图3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。如在前面包含的'144申请和'734申请中更详细地所述，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'。

在一些实施例中，探测头213在水平面内转动360度并且包含一类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。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3所示，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。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3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。

如以上针对图1所述，光学笔220可以包括光纤连接器209、脱离信号元件299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，以及在发生碰撞时的脱离。电力光源264可以结合探测器功率-信号控制电路部276中所包括的(例如，如商用色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3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。如上所述，在脱离感测部167的部件包括在图2的探测器电子装置275的光源和波长检测器部260A中的实施例中，这些部件将相应地包括在图3的探测器电子装置275内。

光源264生成CRS探测器组件中所产生的光，其中该光包括脱离信号元件波长和经由光纤线缆212发送至光学笔220的测量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，如商用色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。如上所述，这些多个像素可以接收从目标表面反射到共焦光路上的各测量波长以及从脱离信号元件反射来的脱离信号元件波长，并且提供相应的输出光谱分布数据。

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。

同样，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脱离感测电路所用的连接机构。更具体地，通过利用现有的或修改后的用于检测脱离状况的内部CRS系统，不需要附加的外部电路或连接机构。

图4是示出坐标测量机210和与图2的CRS探测器215相似的包括光学笔220的CRS探测器215″的第二典型实施例的特定部件的图，其中该光学笔220包含具有脱离信号元件299的可更换型光学元件。图4的CRS探测器215″与图3的CRS探测器215'的主要不同之处在于将探测器电子装置275移至遥远位置。由于图4的CRS探测器215″不包括探测器电子装置275，因此需要光纤连接机构，其中根据一个实现，经由通过探测器自动接合连接机构230所指引的第一发送路径RT1来提供该光纤连接机构。在替代实现中，可以利用包括光纤212的外部发送的外部发送路径RT2。在各实施例中，用于利用发送路径RT1或RT2的设计考虑可以依赖于诸如探测器安装的具体结构、机器设计等的因素。应当理解，由于在图4的实施例中不包括探测器电子装置275，因此在一个实现中，参考图2，脱离感测部167通常可以包括在作为CRS探测器信号处理-控制电路207的一部分的块206B中。

图5是示出与图1～4的光学笔220相似的光学笔220A的典型实施例的部件、并且示出脱离信号元件299A、299B或299C的三个可能位置的图。如图5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、转接透镜251以及脱离信号元件299A、299B或299C。

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可以自动从基座构件282移除。应当理解，这种保持力结构的一个优点在于以下：在与工件发生碰撞的情况下，可更换型光学元件280可以以将使对CRS探测器系统和/或坐标测量机的其余部分所造成的损坏最小的方式脱离。如以下更详细地所述，利用脱离信号元件299A、299B或299C使得能够检测这种脱离状况，其中针对这种脱离状况，可以将信号发送至控制坐标测量机以立即停止任何进一步运动。

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212的端部，其中该端部可以位于紧邻相对于大体上可以包围共焦孔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5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接收测量波长光并向共焦孔295返回测量波长光，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波长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5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5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13/033565('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5所示的实施例还包括转接透镜251(或透镜组件)，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接收测量波长光并使测量波长光聚焦到紧邻该操作位置297的位置处。图5中示出了一些示例性的共焦光线(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220A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5还示出脱离信号元件299A、299B或299C的三个可能位置。如图5所示，示出脱离信号元件299A位于第一位置，其中该第一位置紧邻光纤212的端部并且在孔295和转接透镜251之间。关于脱离信号元件299A的结构，在该位置处，源光可能发散，并且根据脱离信号元件299A相对于共焦孔295和/或光纤212的端部的紧邻度，被脱离信号元件299A反射回至光纤212的波长的光束的强度可能相对较低。因此，为了在该位置处提供强的脱离信号，如果脱离信号元件299A具有极大反射性(例如，高反射性)、因此相对于所反射的波长也具有极大选择性，则可能是有利的。以下参考图11来更详细地说明具有这些特性的一个脱离信号元件。

可选地，例示出脱离信号元件299B位于转接透镜组件251和色散光学部250之间的第二位置。在该位置中，脱离信号元件299B可以在利用平行光线R3和R4表示的大致准直的宽光束的路径中，以反射脱离信号元件波长。

关于脱离信号元件299B的结构，在该位置处，可以使源光大致准直，因此脱离信号元件299B所反射的波长的光束可以沿其路径返回，以使得可以以相对高的强度使该光束会聚回至光纤212。因此，在该位置处，如果脱离信号元件299B相对于所反射的波长具有极大反射性，则将是最有利的，但在仅具有适度反射性、甚至较弱反射性的情况下就足够了。在一些实施例中，这样可以允许使用与以下参考图11所述的情形相比更加经济的元件。

可选地，例示出脱离信号元件299C位于色散光学部250内的源光包括纵向色像差的第三位置。如前面所示，在一些实施例中，透镜252、253和254各自可能均产生纵向色像差。因而，如图5所示，可以在纵向色像差的中间水平的情况下使各种波长从内部会聚至色散光学部250。关于脱离信号元件299C的结构，特别地，配置成脱离信号元件299C的反射面位于(例如，与例示光线R5'和R6'相对应地)优先会聚脱离信号所使用的波长(或小频带的波长)的检测波长焦点位置DWF处。作为对比，没有使与色谱测距传感器系统的指定测量范围相对应的波长大量会聚于检测波长焦点位置DWF。应当理解，结果，在该结构中，脱离信号元件299C将使所会聚的脱离信号波长沿着光路向回反射，以使得这些波长会聚于共焦孔295并且会聚到光纤212内。由于该高效会聚，在该位置处，在脱离信号元件仅具有弱反射性(例如，诸如透明玻璃元件的表面等)的情况下就足够了。此外，由于脱离信号元件299C可能仅具有弱反射性，因此不需要针对波长具有大致选择性，这是因为脱离信号元件299C本质上可以透过包括与色谱测距传感器系统的测量范围相对应的波长的源光。在这些实施例中，这样可以允许使用非常经济的元件(例如，该元件可以包括透明玻璃元件的表面但无需包括波长滤波器)。

图6是示出可以与前面所述的光学笔220相似的光学笔220C的典型实施例的部件、并且示出脱离信号元件299A、299B、299C、299A'或299C'的五个可能位置的图。另外，例示出光学笔共焦孔的操作位置297C位于可更换型光学元件280C内。如此，在图6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前面参考图5所述类似的光纤端定位元件283B。换句话说，在例示实施例中，光学笔220C可以包括将光纤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的位置的光纤端定位配置283。

在图6所示的特定实施例中，光纤端定位配置283部分位于包括光纤保持元件283A的基座构件282内、并且部分位于包括可以固定(例如，接合)于可更换型光学元件280C的光纤端定位元件283B的可更换型光学元件280C内。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、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被配置成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中的优点在于：共焦孔295相对于其它光学元件的位置可以更加精确、并且随着可更换型光学元件280C相对于基座构件280移除和重新安装而可复用，这是因为可复用式快速更换卡口285不必影响该相对位置。

在一个实施例中，可更换型光学构件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。

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280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，以使得可以省略单独的光纤端定位元件283B。

图6还示出脱离信号元件299A、299B、299C、299A'或299C'的五个可能位置。关于脱离信号元件299A的结构，可以与以上参考图5所概述的脱离信号元件299A相似，并且可以通过类推来理解。应当理解，尽管通常示出该位置在孔295和转接透镜251之间，但在各替代实现中，该位置可以在光纤212的端部和孔295之间。例如，如上所述，共焦孔295可以包括固定至可更换型光学元件280C和固定(例如，接合)于可更换型光学元件280C的光纤端元件283B中的至少一个的孔元件中的孔。在这些情况下，脱离信号元件299A(例如，薄膜涂层)可以位于光纤212的端部和孔295之间(例如，该脱离信号元件的薄膜涂层可以位于孔元件的内表面上等)。

关于脱离信号元件299B和299C的结构，这两者可以分别与以上参考图5所概述的脱离信号元件299B和299C相似，并且可以通过类推来理解。

关于脱离信号元件299A'的结构，其位置可以是可更换型光学元件280C的前端附近的任何位置(例如，源光的会聚部)，以使脱离信号元件波长沿着与测量波长的路径相似的几乎整个路径经由光纤212返回。与类似的脱离信号元件299A相似，在该位置处，被脱离信号元件299A'反射回至光纤212的波长的光束的强度可能相对较低。因此，为了在该位置处提供强的脱离信号，如果脱离信号元件299A'具有极大反射性(例如，高反射性)、因此相对于所反射的波长也具有极大选择性，则可以是有利的。以下参考图11来更详细地说明具有这些特性的一个脱离信号元件。在一个实施例中，脱离信号元件299A'可以提供对光学笔220C进行密封的保护窗。

关于脱离信号元件299C'的结构，可以与以上参考图5所概述的脱离信号元件299C相似，并且可以通过类推来理解。特别地，脱离信号元件299C'的反射面位于可更换型光学部280C的前端附近的检测波长焦点位置DWF'处，其中在该检测波长焦点位置DWF'处，优先使脱离信号所使用的波长(或小带宽的波长)会聚(例如，以邻接光学笔220C的测量范围的方式)。作为对比，没有使与色谱测距传感器系统的指定测量范围相对应的波长大量会聚于检测波长焦点位置DWF'处。应当理解，这样得到与前面针对图5所示的脱离信号元件299C所概述的操作类似的操作，并且可以使用相似元件(例如，可以包括透明玻璃元件的表面并且无需包括波长滤波器)。可以使用已知的机械技术来将脱离信号元件299C'支持在适当位置处，并且在一个实施例中，脱离信号元件299C'还可以提供对光学笔220C进行密封的保护窗。

图7是示出包括用于使具有脱离信号元件299的可更换型光学元件280H转动的转动元件710的光学笔220H的典型实施例的各部件的图。如图7所示，基座构件282H被配置为包括转动元件710的部件。示出转接透镜251位于基座构件282H的延伸部282HX内。转接透镜251可以由管状部282HX'或者通过加工安装服务等与共焦孔295间隔开适当距离。光线R1和R2从转接透镜251经由延伸部282HX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231H行进至色散光学部250。

如图7所示，转动元件710包括转动部712，其中在本特定实施例中，该转动部712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710还包括使得转动部712能够转动的轴承714、以及用于驱动该转动的马达716和齿轮718。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)。通常，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。该结构还导致在由平行光线R3和R4所表示的宽准直光束的路径内的脱离信号元件299位于转接透镜251和色散光学部250之间。如此，由于输送被反射的波长的宽准直光束的性质，因此脱离元件信号波长的反射也将具有较小的误差/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5和6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8是来自色谱点传感器的分布数据的曲线图800的图，其中该曲线图800示出针对检测器阵列163中的像素的电压偏移信号电平Voffset(p)以及与脱离信号元件299(例如图1)相对应的未补偿的脱离感测信号DSS。该分布数据示出在不存在测量面(例如，不存在图1和2的测量工件表面290)的情况下的电压偏移信号电平Voffset(p)。针对1024个像素各自，以归一化电压为单位来标绘电压偏移信号Voffset(p)。“归一化电压”将1.0的值指派至检测器阵列163的饱和电压。

电压偏移信号Voffset(p)包括示出为在整个阵列内不变的偏置信号电平Vbias和示出为在整个阵列内依赖于像素坐标p的背景信号成分Vback(p)。可变的背景信号成分Vback(p)表示诸如来自色谱点传感器系统光纤路径中的波长依赖的寄生反射以及由于各种像素p的暗电流所引起的背景光等的信号。在各实施例中，在持续的基础上，如果存储信号成分Vback(p)(或者诸如电压偏移信号Voffset(p)等的示出相同变化的信号)以进行检测器阵列163的像素阵列的校准或补偿、并且使用这些信号成分(例如，通过减法)对来自各像素p的所有后续分布数据信号进行补偿，则是有利的。与随着时间经过可能相对稳定的背景信号成分Vback(p)相对比，在一些实现中，作为与环境温度变化相关联的电压漂移以及工作期间电子部160所产生的热的结果，坐标依赖的偏置信号电平Vbias可能改变。在美国授权前公开2013/0163006中描述了用于对偏置信号电平Vbias进行补偿的一个示例性方法，在此通过引用包含其全部内容。

未补偿的脱离感测信号DSS表示由于可更换型光学元件280中的反射性脱离信号元件299而发生的添加信号(例如，波长峰)。如上所述，脱离信号元件299至少部分反射一组脱离信号元件波长。如图8所示，利用脱离感测像素范围DSPR中的像素所感测到的脱离信号元件波长产生未补偿的脱离感测信号DSS。如检测器阵列中的脱离感测像素范围DSPR的位置所示，在该特定实现中，脱离信号元件波长通常包括相对较短的波长。在某些实现中，将较短波长用于脱离信号元件波长可以是有利的，这是因为这些较短波长不太可能与任何测量信号波长发生干涉，其中如以下参考图9更详细地所述，这些任何测量信号波长可能在较高范围内。

应当理解，在一些实施例中，如以上所概述的，可以将脱离感测信号DSS连同电压偏移信号Voffset(p)一起存储以对检测器阵列163的像素阵列进行校准或补偿，并且在持续的基础上，可以(例如，通过减法)在来自各相应像素p的所有后续分布数据信号中对相应的信号电平进行补偿或“消除”。在这种情况下，在对脱离感测信号DSS进行补偿时，利用“近似零”或作为与相应像素相关联的补偿信号的空信号来表示可更换型光学元件的适当安装。此外，在这种情况下，利用作为与相应像素相关联的补偿信号的相应大的负信号电平来表示可更换型光学元件的脱离或不存在。相反，在一些实施例中，可以不对脱离感测信号DSS进行补偿。在这种情况下，在不对脱离感测信号DSS进行补偿的情况下，利用与诸如所例示的峰信号DSS等的相应像素相关联的波长峰来表示可更换型光学元件的适当安装。此外，在这种情况下，利用“近似零”或与相应像素相关联的空信号来表示可更换型光学元件的脱离或不存在。以下参考图10来进一步说明这些情况。

图9是来自色谱点传感器的分布数据910的曲线图900的图，其中该曲线图900示出与表示坐标的测量距离相对应的峰区域信号和未补偿的脱离感测信号DSS。可以在CPS测量操作期间(在特定光学笔或整体系统校准操作期间或在常规操作期间)获取来自CPS检测器(例如，检测器162)的分布数据910(例如，测量分布信号数据)。还可将分布数据910称为分布信号MS(p)，其中MS(p)是与检测器阵列(例如，检测器阵列163)的各像素p相关联的(以归一化电压为单位示出的)信号电平。创建图9的、目标表面位于沿着光学笔220的光轴OA的一些距离处的曲线图900，从而产生具有图9所示的占主导的测量波长峰区域的相应测量分布数据910。

在各实施例中，未补偿的脱离感测信号DSS的波长可以利用与测量波长相同的成分(例如，使用作为色谱测距传感器的波长检测器中的检测器像素的子集的一组脱离信号像素)来进行检测和处理，或者可以使用其它成分(例如，被偏转成跟随指向检测器部中的专用脱离信号元件传感器的不同路径)来进行处理。如上所示并且如以下针对图10进一步所述，在各实施例中，利用或不利用其它信号(例如，利用以上针对图8所述的信号Vbak(p)等)，可以不对脱离感测信号DSS进行补偿或者可以对脱离感测信号DSS进行补偿。如果不对脱离感测信号DSS进行补偿，则在安装有可更换型光学元件的情况下，如图9所示，在测量波长产生测量波长峰区域时，可以提供如虚线的脱离感测信号DSS所示的像素信号中的波长峰。相反，如果对脱离感测信号DSS进行补偿，则在安装有可更换型光学元件的情况下，如图9所示，在测量波长产生测量波长峰区域时，可以(例如，在MVbias的电平处)提供平坦或空的补偿像素信号。

与如何处理脱离感测信号DSS无关地，对于测量波长，可以基于与色谱测距传感器系统的测量范围(即，与脱离感测信号范围相对比)相对应的信号或波长来确定距离指示坐标(DIC)。更具体地，关于这种判断，图9示出偏置信号电平MVbias(以归一化电压为单位)、峰像素坐标ppc、峰位置指标坐标ppic和定义峰区域中的数据的距离指示子集的下限的数据阈值MVthreshold。所有的“MV”值都以归一化电压为单位。图9还示出基于校准光谱峰区域中的数据的距离指示子集所确定的距离指示坐标(DIC)。在一些实施例中，数据阈值MVthreshold可以是指标特有阈值MVthreshold(ppic)。

简言之，在一个实施例中，用于确定距离指示坐标(例如，如相对于分布数据910所述的距离指示坐标DIC)的测量操作可以包括以下操作。

·沿着光轴OA定位目标表面，并且获取如此得到的分布数据910。

·确定峰像素坐标(即，具有最高信号的像素)。

·确定作为用于存储并检索特定校准数据(例如，指标特有的阈值校准数据)的峰位置指标坐标ppic。在一些实施例中，这可以与峰像素坐标相同。

·确定测量偏置信号电平MVbias。

·确定数据阈值MVthreshold(例如，作为峰高度的百分比、或者基于与当前峰位置指标坐标ppic相对应的指标特有的阈值校准数据)。

·基于测量峰区域中的值大于MVthreshold的数据的距离指示子集，来利用子像素分辨率确定距离指示坐标DIC。

·对于距离校准测量，(例如，利用干涉仪)以期望精度来独立确定相对于目标表面的相应距离，并且确定距离校准表或曲线中的距离校准数据点。

·对于正常工件距离测量，通过使测量DIC与所存储的距离校准数据中的相应距离相关来确定测量距离。

在前述操作中，基于MVthreshold以上的数据的距离指示子集，可以利用子像素分辨率来确定距离指示坐标DIC。可以根据多个不同方法其中之一来确定测量DIC。在一个实施例中，可以将测量DIC确定为数据的距离指示子集的形心X_C的子像素分辨率坐标。例如，对于具有1024个像素的检测器，可以根据以下来确定形心X_C。

Xc = \frac{Σ_{p = 1}^{1024} p {(S_{M} (p))}^{n}}{Σ_{p = 1}^{1024} {(S_{M} (p))}^{n}}

(等式1)

其中，

(等式2)

在一个特定示例中，在等式1中，n＝2。应当理解，等式2将形心计算中所使用的数据限制为数据的距离指示子集。在校准操作期间确定距离指示坐标DIC的情况下，可以将该距离指示坐标DIC称为校准距离指示坐标以及测量距离指示坐标。

图10是来自色谱点传感器的分布数据的曲线图1000的图，其中该曲线图1000示出针对图8和9的脱离感测信号DSS的各种信号处理替代方案。如图10所示，在第一实施例中，信号1010a可以表示在安装有包括脱离信号元件299的可更换型光学元件280的情况下的(例如，来自检测器阵列163中的像素的)原始未补偿信号。在信号1010a的情况下，在从检测器阵列获得的原始未补偿像素信号1010a'的上下文中进行示出(例如，在前面概述的背景信号的情况下，电压偏移信号Voffset(p)也表现为未补偿)。如果使用这些原始信号来检测可更换型光学元件的安装/脱离，则可以将所例示的触发电压电平1020a作为表示针对原始未补偿信号1010a的脱离触发阈值。更具体地，在一个实现中，可以对根据已知方法的信号处理进行设置，以使得如果在脱离感测像素范围DSPR内原始未补偿信号1010a落在电压电平1020a以下，则可以检测到脱离状况。相反，脱离感测像素范围DSPR内的电压电平1020a以上的信号电平表示安装状况。

在替代实施例中，如以上所概述的，可以共同对来自包括脱离信号元件299的可更换型光学元件280的脱离感测信号DSS以及电压偏移信号Voffset(p)进行补偿，以使得在持续的基础上，可以(例如，通过减法)在来自各相应像素p的所有后续分布数据信号中对相应的像素电平进行补偿或“消除”。在这种实施例中，在适当安装有补偿后的可更换型光学元件的情况下，来自波长检测器的补偿后的输出信号可能看似图10所示的信号1010。在这种实施例中，信号部分1010b表示可更换型光学元件脱离的状况。

更具体地，在补偿后的可更换型光学元件脱离或不存在、并且脱离信号元件299没有产生反射脱离元件信号波长的情况下，针对脱离元件信号的补偿可以将相应的补偿像素信号驱动至如所示的“负峰”信号电平1010b。换句话说，如果使补偿包括图8的脱离感测信号DSS(如此还减去该脱离感测信号DSS以对检测器的输出进行补偿)、然后如果使包括脱离信号元件299的可更换型光学元件280脱离，则所减去的信号将包括负峰信号1010b。在该实现中，触发电压电平1020b表示补偿信号1010b的脱离触发阈值。换句话说，如果与脱离感测像素范围DSPR中的电压电平1020b相比、补偿信号1010b变得更负，则可以检测到脱离状况。相反，与脱离感测像素范围DSPR中的电压电平1020b相比不太负(更正)的信号电平(例如，信号1010的电平处的近似零或空信号)表示安装状况。如上所述，在这种实施例中，在适当安装了补偿后的可更换型光学元件并且测量面不在测量范围内的情况下，来自波长检测器的补偿后的输出信号可能看似为信号010。

可能期望这种实施例，这是因为仅在这种实施例中预期的显著信号将是来自测量中的工件表面290的信号。在一些实施例中，在期望的情况下，这样可以使得测量范围波长内的波长能够用于脱离信号。例如，脱离信号元件299可以仅对脱离信号波长具有部分反射性，从而使这些波长充分透过以使得这些波长可以用作测量波长。可以理解，在这种情况下，来自测量面的峰将为正，并且来自所脱离的探测器的信号将为负，因而可以在没有混淆的情况下根据已知方法来实现适当的脱离信号处理。

在另一实施例中，可以不对来自包括脱离信号元件29的可更换型光学元件280的脱离感测信号DSS进行补偿，而如上所概述的，可以对电压偏移信号Voffset(p)进行补偿。在这种实施例中，在适当安装了补偿后的可更换型光学元件的情况下，除了在脱离感测像素范围DSPR中会存在虚线的脱离信号峰1010c以外，来自波长检测器的补偿后的输出信号可能看似图10所示的信号1010。在该实现中，触发电压电平1020c表示有用的脱离触发阈值。换句话说，如果脱离感测像素范围DSPR中的信号1010c与电压电平1020c相比变得更具负性，则可以检测到脱离状况。相反，脱离感测像素范围DSPR中的电压电平1020c以上的信号电平表示安装状况。

图11是表示脱离信号元件299的一个特定示例实施例的性质的响应曲线1110的曲线图1100的图。如上所述，在各实现中，脱离信号元件299可被配置为大致反射一组脱离信号元件波长。脱离信号元件可以包括诸如低通反射滤波器、高通反射边缘滤波器、带通反射滤波器等的元件。

在图11的具体示例实施例中，示出响应曲线的脱离信号元件包括形成用作低通反射器的锐边滤波器的薄膜涂层。响应曲线1110在440nm以下的波长处示出近似100％的反射率，同时在较高的测量波长(例如，450nm以上)维持高透过率。这些锐边滤波器可商购自诸如纽约的罗彻斯特的Semrock Inc.(www.semrock.com)等的公司。理想地，这种响应曲线可能适合用在特定类型的系统中。作为一个具体示例实现，可以利用包括LED的光源164，其中该光源164用于对荧光体成分进行激励以提供测量光。在LED的泵浦波长为440m且用作为测量波长的稳定荧光体波长在诸如500nm～700nm等的范围内的这种实现中，图11所示的响应曲线将相对理想。

在各实施例中，应当理解，脱离信号元件299可以具有各种物理特性。例如，在作为薄膜或窗来实现的情况下，脱离信号元件可以包括如下基板，其中该基板的厚度小于1mm、并且在该更具体的实现中可能落在50μm～250μm的范围内。在各实现中，可以将薄膜反射滤波器应用于诸如透镜、分束器、密封窗等的光学笔中的还用于其它目的的光学元件。可以将以上参考图11所述的脱离信号元件用在这里所公开的任何脱离信号元件位置处。然而，例如，如以上参考脱离信号元件299B、299B'、299C和299C'所概述的，在各实施例中可以使用更为经济的元件，假定这些元件被配置在与这些元件的光学特性相对应的适当位置处。

图12是示出用于利用脱离信号元件来检测脱离状况的例程1200的一个典型实施例的流程图。在块1210中，提供包括可更换型光学元件的光学笔，其中该可更换型光学元件包含色散光学部和脱离信号元件。该脱离信号元件被配置为大致透过与色谱测距传感器系统的测量范围相对应的第一组波长，并且至少部分反射一组脱离元件波长。在块1220中，根据一组脱离元件波长不再被至少部分反射的情况来检测脱离状况，其中将该脱离状况视为可更换型光学元件已从光学笔脱离的指示。在块1230中，响应于已检测到脱离状况来设置脱离指示信号。如上所述，脱离指示信号可以用于各种目的(例如，在发生了碰撞的情况下使坐标测量机立即停止以防止进一步损坏等)。

尽管已经例示和说明了本发明的各优选实施例，但本领域技术人员基于本公开内容将明白所例示和说明的特征配置和操作序列的多种变形。例如，本领域技术人员将理解，可以以各种方式改变所描述的流程图。更具体地，可以重排步骤的顺序，可以并行进行步骤，可以省略步骤，可以包括其它步骤，等等。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

1.一种光学笔所用的可更换型光学元件，所述光学笔用在提供坐标测量机即CMM中的工件测量信息的色谱测距传感器系统中，并且包括光学笔基座构件，所述光学笔基座构件相对于所述CMM的移动部固定并且包括光纤，所述光纤输出经由共焦孔透过的源光，并且接收经由所述共焦孔返回的反射测量信号光，所述可更换型光学元件包括：

安装部，其由所述光学笔基座构件容纳，用于相对于所述光学笔基座构件以固定关系保持所述可更换型光学元件；

色散光学部，用于输入来自所述共焦孔的源光，沿着测量范围会聚具有纵向色像差的所述源光，并且使所述测量范围中的从表面反射的测量信号光返回至所述共焦孔；以及

脱离信号元件，其被定位成接收所述源光，并且用于：

(a)大致透过与所述色谱测距传感器系统的所述测量范围相对应的第一组波长；以及

(b)至少部分反射经由所述光纤要返回的一组脱离信号元件波长。

2.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述一组脱离信号元件波长没有包括在与所述测量范围相对应的所述第一组波长中。

3.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，利用波长检测器来检测与所述测量范围相对应的所述第一组波长，其中所述波长检测器还用于检测所述一组脱离信号元件波长。

4.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，利用一组脱离信号元件波长感测像素来检测所述一组脱离信号元件波长，其中所述一组脱离信号元件波长感测像素没有包括在用于感测与所述测量范围相对应的所述第一组波长的一组像素中。

5.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述脱离信号元件波长短于测量范围波长。

6.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述脱离信号元件还用于大致反射所述一组脱离信号元件波长。

7.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述脱离信号元件包括低通反射滤波器、高通反射边缘滤波器和带通反射滤波器中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，使所述一组脱离信号元件波长偏转，以跟随所述色谱测距传感器系统的检测器部中的与同所述测量范围相对应的所述第一组波长不同的路径。

9.根据权利要求8所述的可更换型光学元件，其中，使所述一组脱离信号元件波长指向专用脱离信号元件传感器。

10.根据权利要求8所述的可更换型光学元件，其中，使所述一组脱离信号元件波长指向所述色谱测距传感器系统的波长检测器中的、用于感测所述一组脱离信号元件波长中的信号的一组脱离信号像素。

11.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，在将所述可更换型光学元件安装至所述光学笔基座构件的情况下，使所述一组脱离信号元件波长经由所述光纤返回，从而表示安装有所述可更换型光学元件。

12.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述脱离信号元件被定位成以下状态中的至少一个：接近所述共焦孔的位置；接近所述可更换型光学元件中的所述源光大致会聚的位置；以及接近所述可更换型光学元件中的所述源光大致准直的位置。

13.根据权利要求1所述的可更换型光学元件，其中，所述脱离信号元件包括薄膜反射滤波器。

14.根据权利要求13所述的可更换型光学元件，其中，将所述薄膜反射滤波器应用于所述可更换型光学元件中所包含的包括透镜、分束器、密封窗和厚度小于1毫米的透射基板中的至少一个的光学元件。

15.根据权利要求13所述的可更换型光学元件，其中，所述薄膜反射滤波器反射波长带宽在与所述色谱测距传感器系统的正常测量范围相对应的波长范围外的光。

16.一种用于检测色谱测距传感器系统的脱离状况的方法，所述色谱测距传感器系统提供坐标测量机中的工件测量信息，所述方法包括以下步骤：

提供用在所述色谱测距传感器系统中的光学笔，所述光学笔包括包含色散光学部和脱离信号元件的可更换型光学元件，所述脱离信号元件用于大致透过与所述色谱测距传感器系统的测量范围相对应的第一组波长，并且至少部分反射一组脱离信号元件波长；

在所述一组脱离信号元件波长没有被至少部分反射的情况下检测脱离状况，所述脱离状况表示所述可更换型光学元件变得与所述光学笔脱离；以及

在检测到所述脱离状况的情况下，提供脱离指示信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，对脱离信号元件的信号贡献度进行补偿，以使得在所述可更换型光学元件安装至所述光学笔的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处不展现出峰。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述可更换型光学元件脱离的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的所述补偿后的一组输出信号在所述一组脱离信号元件波长处展现出负峰。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，在安装有所述可更换型光学元件的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的没有被补偿的脱离信号元件的信号贡献度在所述一组脱离信号元件波长处展现出峰。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述可更换型光学元件脱离的情况下，来自所述色谱测距传感器系统的没有被补偿的所述脱离信号元件的信号贡献度在所述一组脱离信号元件波长处不展现出峰。