CN106907989B - 用于光学探针的模块化微光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于光学探针的模块化微光学器件。一种光学探针组件(60)的探针本体(61)，该探针组件(60)被设计成用于在由坐标测量机器的探头承载的同时测量对象表面，该探针本体包括：位于所述探针本体的第一端的联接单元，该联接单元被设计成用于提供所述探针本体(61)与坐标测量机器的探头的联接；光导元件(62)，该光导元件用于将由所述探头供应的原始源光从联接单元传输到探针本体(61)的第二端。所述探针本体(61)包括位于所述探针本体(11，61)的第二端的微光学器件探针接口(66)，该探针接口(66)包括：源光发射元件(65)，该源光发射元件相对于所述第二端以限定方向提供所述原始源光的发射。

Description

用于光学探针的模块化微光学器件

技术领域

本发明一般地涉及对用于坐标测量机器(CMM)的测量探针进行模块化设计以便针对所需测量条件修改探针特性的方法。

背景技术

通常的实践是在诸如坐标测量机器(CMM)的坐标定位设备上对生产之后的工件进行检验，以便检查预先限定的对象参数如对象尺寸和形状的正确性。而且，在许多工业应用中关注对未知对象的表面进行检测。这种测量典型地也可以使用坐标测量机器或任何其它适当类型的扫描装置来提供。

在传统的3D坐标测量机器中，探头被支撑为沿着三个相互垂直的轴线(在方向X、Y和Z上)运动。由此，探头能够被引导至坐标测量机器的测量容积的空间中的任一任意点，并且可利用由探头承载的测量传感器(探针或探测单元)来测量对象。这种探测单元可以被设计成触觉式探针或光学传感器，以例如基于三角测量或光学干涉原理来提供表面的测量值。

在该机器的简单形式中，与每个轴线平行地安装的合适的换能器或线性编码器能够确定探头相对于机器基座的位置，因此能够确定被传感器照明的对象上的测量点的坐标。为了给探头提供可动性，典型的坐标测量机器可以包括布置有探头的框架结构和用于使框架结构的框架部件相对于彼此运动的驱动装置。

使用光学传感器的一个优点是，它不与零件接触，因此不会像利用触觉型探针的情况那样在测量过程中使零件变形或损坏零件。

然而，用于测量具体工件的光学探针的类型必须以如下方式进行选择，即，使得探针的测量特性适应于工件的形状或地形测量特性。例如，为了测量钻孔，探针可以优选包括棱镜或反射镜以相对于探针触针的延伸轴线以预先确定的角度例如90°发射测量光束。

为了提供适应于相应测量要求的单独合适的探针，通常必须频繁改变附接至CMM的探头的探针。而且，必须有用于相应测量要求的许多特殊探头以确保不同工件的精确测量。

因而，坐标测量机器和相应的探针通常包括允许两个部件既进行机械联接又进行光学联接特别是电气联接的接口。通过这种接口，探针能够以较少努力比较快速地附接至探头并由探头承载和定位以用于测量目的。例如从EP 2356 401B1已知这种光学机械接口。

根据该方案，当已经偏离测量要求时，将更换整个探针，由于典型的测量条件，例如在工业过程中，在探针处以及在CMM处不利机械影响的频率相当高。因此，这种探针和结构的总的使用寿命非常有限。

另外，高精度光学测量探针的成本对于CMM的总操作成本来说是高相关因素，这意味着对于不同测量要求提供不同探针的总成本较高。

在这种情况下，进一步的缺点涉及到对这种探针的初始轻微损伤例如在发光光学器件处的损伤，这最终会导致比较高的修复成本或用新的探针更换整个探针以确保精确测量。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于CMM的改进探测系统，该探测系统允许针对所需的测量要求快速容易地适应测量条件。

本发明的另一个目的是针对待测量的不同工件提供一种柔性CMM和探针设计。

本发明的又一个目的是提供一种可修改的测量传感器，其中能够容易地执行由于改变测量条件而引起的修改，并且整个系统复杂性和成本都较低。

这些目的通过实现第一方面的特征而实现。以另选或有利方式进一步发展本发明的特征在其它方面中描述。

本发明涉及一种模块化地设置用于利用坐标测量机器测量坐标的光学探针组件的方案。不是为了相应的非接触式测量要求而更换整个光学测量探针，而是将具体的基础探针本体安装至CMM，并且将用于最终限定所发射的测量光的光学部件模块化地安装在探针本体的另一端处，从而根据将要进行的测量进行更换。

因此，本发明涉及一种光学探针组件的探针本体，该探针组件被设计成用于在由坐标测量机器的探头承载的同时测量距离对象的距离，例如测量对象上的点。该探针本体包括：位于所述探针本体的第一端的联接单元，该连接单元被设计成用于提供所述探针本体与坐标测量机器的探头的联接。因而，所述探针本体能够在由CMM提供的自由度的限度内定位和取向。特别地，所述探针本体自身包括用于使所述探针本体的部分相对旋转的装置，并且提供铰接探针本体的类型。

所述探针本体进一步包括：光导元件，该光导元件用于将由所述探头供应的原始源(未限定测量)光从所述联接单元传输到所述探针本体的第二端。

在本发明的上下文中，术语“原始源”或“未限定测量光”应该理解为由CMM提供并经由探针本体传输但是尚未适合于利用CMM进行坐标测量的光的说明。原始源光在这里是指可以以具体方式限定但是尚未完成测量要求或期望的光特性的光。例如，可以很好地获知并很好地限定这种光的波长、偏振和/或强度，但是结果得到的用于相应距离测量所必需的光斑尺寸和/或准直性尚未限定。因此，原始源光代表可能被部分地限定但是尚未提供最终测量要求的光。此外，原始源光不一定对应于在CMM的光源(例如，激光二极管)侧初始产生但是没有被进一步修改的光，而是可以是已经以任何方式进行操纵并在进行这种操纵之后从CMM发射的光。

根据本发明，在所述探针本体的第二端设置有微光学器件接口，该接口包括：光发射元件，该光发射元件相对于所述第二端以限定方向提供所述原始源光的发射，该原始源光的发射基本具有由所述光导元件限定和/或由所述光发射元件限定的发射散度。此外，该微光学器件接口包括机械探针联接部(接收联接元件)，该机械探针联接部被设计成接收由所述光学探针组件的光束限定光学部件的机械部件联接部(附接的联接元件)提供的联接配对件。所述原始源光可由所述探针本体基本以所述发射散度提供，并且具有用于测量的期望测量光特性(特征)的期望测量光可通过所述光束限定光学部件联接至所述探针本体来提供。

这种期望的测量光特征可以是测量光的限定发射角(例如，相对于所述探针本体的延伸轴线)、具体光束形状、测量光的准直或聚焦或者是光的相对于探头或联接单元的发射点(位置)(例如，由触针限定的限定距离)。

根据本发明的探针本体的一个实施方式，所述光导元件以光纤或自由光束光学器件为代表。因而，由CMM供应或接收的光能够经由所述光纤的自由光束光学器件例如装置或透镜而被引导通过所述探针本体，特别是在两个方向上(双向)。另选地或附加地，所述光导元件包括透镜，特别是准直透镜。

所述光发射元件能够以套管为代表，特别地其中所述套管以与所述光纤限定的散度对应的散度提供限定的测量光的发射。这里，所述光纤可以由所述套管接收，该套管可以在所述探针本体的第二端或接口处提供适当的固定。另选地或附加地，所述光发射元件包括透镜，特别是准直透镜。

特别地，所述机械探针联接部包括球支承部的至少一个球体特别是三个球体，或者球支承部的至少一个球体配对件。所述接口因而提供了典型的球支承部的(一侧)部件，而当附接第二(配对)部件(该配对件可以设置在待附接至探针本体的光束限定光学部件一侧)时，将完成相应的球支承部。

根据本发明的进一步实施方式，所述探针本体的机械探针联接部包括至少一个磁性元件特别是可切换的电磁元件，以按照需要产生用于连接(联接)光束限定光学部件的保持力。

这种可控的磁性元件(特别是与以上球支承部件)提供相应光束限定光学部件的完全自动的联接和分离，这使得可以进行完全自动的测量过程，其中CMM控制所述探针本体相对于所设置的光束限定光学部件的运动，并且通过所述电磁体的受控致动而开始相应部件的联接。待联接的部件可以由用于待加工的具体工件的部件程序来限定。这些部件可以由相应的工具变换器提供。

在进一步实施方式中，所述探针本体包括触针，其中所述触针的自由端对应于所述探针本体的第二端。所述接口位于所述触针的自由端处。这种触针能够进行更灵活的测量，例如对于难以接近的测量点的限定。

本发明还涉及所述探针本体的可模块化安装的配对件，该配对件为限定所述测量点而设置，从而使得具体光特性适合于所需的测量准则。

光学探针组件的这种光束限定光学元件(该探针组件被设计成在由坐标测量机器的探头承载的同时测量对象的表面)包括微光学器件部件接口，该光学器件部件接口具有机械部件联接部，该机械部件联接部被设计成用于将所述光学部件联接至由位于所述光学探针组件的探针本体的第二端处的机械探针联接部提供的配对件。而且，该光束限定光学部件包括光操纵光学元件，该光操纵光学元件被设计成基于由所述探针本体提供(传输)的原始源光的操纵而提供具有期望测量光条件的期望测量光。

所述光束限定光学部件及其部件接口被设计成可与位于探针本体侧的配对接口(微光学器件探针接口)连接。这两个单元根据插头/插口原理设计，即光学部件接口被设计成在结构上装配于探针本体接口的设计，反之亦然。

光学部件的光操作光学元件可以被构建成如下光学元件中的一个或组合：

·至少一个透镜；

·棱镜；

·反射镜；

·光引导元件，特别是自由光束光学器件或光学纤维；和/或

·致动器，特别是压电元件或微机电系统(EMES)，特别地其中所述致动器包括反射构件。

提供一个或多个这些光学元件能够单独地和/或适当地以至少部分未限定的方式操纵由所述探针本体输送的光。

所述光学部件可以被设计为所述探针本体的触针或用于触针的延伸部，特别地包括光纤。通过该方案，提供了将触针安装至探针本体的选择。另外，可以根据给定测量要求来调节这种触针的长度，例如通过模块化地增加适当长度的触针或安装另一个触针部件来加长另一个附装的触针。

根据本发明的另一个实施方式，所述光学部件包括提供关于所述光学部件的光学特性的信息特别是关于所述光操纵光学元件的特性或探针类型的信息的数据存储器单元和数据接口，特别地其中所述数据存储器被构建为EEPROM存储器和/或所述数据接口包括电子接触装置或无线通信装置。通过这样做，探针组件及其部件变成自动地提供相应测量特性并因而能够在观察装备中的可能误差的同时监测测量过程的“智能”探针组件。

所述机械部件联接部可以包括：至少一个磁性元件，特别是可切换的电磁元件，用于产生连接所述光束限定光学部件的保持力(按照需要)，并且/或者可以包括球支承部的至少一个球体，特别是三个球体，或者球支承部的至少一个球体配对件。如上所述，这种元件代表了相应互连元件的单侧部件，即相应支承部的部分和机械联接部的部分，它们与探针本体侧的配对件连接而提供了光学部件的精确连接。

根据本发明的一个实施方式，所述光学部件包括相对于用于将所述光学部件联接至所述探针本体的所述部件接口布置在所述光学部件的相反端的另一个微光学器件部件接口，该另一个微光学器件部件接口被设计成用于接收由另一个光束限定光学部件为所述光学探针组件提供的联接配对件。通过这种方案，可获得若干光束限定光学部件的堆叠布置。这里，中间的光学部件包括至少两个部件接口，从而可进行至少一个其它这种光学部件和/或与探针本体的连接。

具体而言，所述另一个光束限定光学部件可以根据以上描述的光学部件来设计。

本发明还在总体上涉及整个光学探针组件，即探针本体和至少一个光束限定光学部件的联接布置。用于坐标测量机器的光学探针组件被实施为如这里以上描述的探针本体和这里以上和以下描述的光束限定光学部件。该光学探针组件被设计成由坐标测量机器的探头承载并且接收和发射期望特性的测量光。

根据本发明，所述光束限定光学部件通过所述微光学器件接口特别是通过所述机械联接部联接至所述探针本体，并且所述原始源光能通过所述光学探针组件传输和调节，从而能以期望测量光特性(由所述光束限定光学部件限定)发射期望测量光。

所述光学探针组件因而向待测量对象提供了良好限定的测量光的发射以及在对象表面处反射的测量光的接收。反射和接收的光能够通过探针组件传输到相应的传感器或检测器。

根据本发明的一个实施方式，所述光学探针组件包括：用于经过所述探针本体从所述光束限定光学部件到所述探头进行数据传输的电气连接，特别地其中可将关于所附接的根据光束限定光学部件的类型以及探针本体类型的探针构造的信息传输至所述坐标测量机器。

根据本发明的一个实施方式，所述光学探针组件包括另一个光束限定光学部件，特别是如上所述的光束限定光学部件，其中根据上述的中间一个实施联接至所述探针本体的光学部件，并且所述另一个光束限定光学部件联接至此。

附图说明

下面参照在附图中示意性示出的工作示例仅仅以示例方式更详细地描述或说明根据本发明的方法和装置。详细地说：

图1a和图1b示出了从现有技术中已知的可附装至用于测量坐标的坐标测量机器的探头的光学探针；

图2示出了根据本发明的探针本体的设计的一个实施方式；

图3a和图3b示出根据本发明的微光学接口的接收和附装零件的实施方式；

图4示出了根据本发明的光束限定光学部件的一个实施方式；

图5示出了用于附接至测量探针本体的一端的光束限定光学单元的进一步实施方式；

图6示出了根据本发明的光学探针组件的一个实施方式；以及

图7示出了根据本发明的光学工具变换器的一般构思。

具体实施方式

图1a和图1b示出了光学探针100、110，该光学探针可附接至用于测量待测量对象处的坐标的坐标测量机器的探头。这些类型的光学探针100、110是公知的。

光学探针100包括探针本体或探针基体101，该探针本体或探针基体101具有提供从和到坐标测量机器的探头的测量光的传输的光学连接器103。光纤102连接至光学连接器103以将测量光引导通过探针100。探针100进一步包括附接至探针本体101的触针104。触针104使得能够通过具有比较小的空间尺寸的光学元件从探针本体101在限定距离上发射测量辐射。因而，能够实现关于复杂形状对象的测量的更高灵活性以及关于探针100的运动特别是在具有铰接探针(未示出)的情况下关于触针旋转的低惯性。

另选地，探针100包括安装在触针104上并且接收光纤102的一端的专用套管105，例如1mm或1.8mm的玻璃套管。间隔件106(例如，空气或玻璃间隔件)提供套管105和GRIN透镜107之间的限定距离。另外，这里示出了用于以限定角度(例如，90°)偏转测量光的棱镜108，其中这种偏转单元108是可选特征。

这种探针能够优选地用于测量例如钻孔或其它通道内的表面。

探针100以使得该探针部件相对于彼此以良好限定的方式固定的方式制造。因而，整个探针100的精确限定的光学特性是公知的，并且提供具体测量参数。这意味着每个探针都具有由例如光斑尺寸、测量范围和发射光束方向限定的具体光学构造。

图1b示出了另一个已知的探针构造，其中示出了也包括相当类似构造的探针本体111和触针114的探针110。与图1a的探针100相比，不同之处在于位于触针114末端的光学部件的组合和设置。

探针110也包括套管115但是为商业类型(例如，标准的1.25mm陶瓷套管)，特别是附加地具有作为干涉仪参考反射的0°套管反射。附装了由透镜组合提供的自由光束光学器件117以根据所需测量特征对测量光束进行整形。

探针100、110为均具有限定用于具体测量的适应性的限定光学特征的公知类型。

如上所述，这种探针必须在探头一侧进行更换以提供用于对应的特定工件的特定且最合适的测量条件。结果，为了以测量不同工件为目的来操作CMM，相应的操作员如今需要如图所示的例如由光学器件、触针、探针本体构成的具有防坠毁装置和匹配CMM接口的完整探针。这种探针例如被称为六边形“HP-O”探针。

使用具有一种光学构造的完整探针因此具有缺点，如：

·大的成本影响；

·CMM的测量空间减小，因为每个探针在用于探针相对较大的工具变换器中都需要空间；

·在用于探针更换的接口处的连接周期，且对光学-机械CMM接口的寿命和坚固性都具有负面影响；以及/或者

·对于用户来说灵活性较差，因为用户需要定制完整的新的探针以获得不同的光学构造。

图2示出了根据本发明的不同的探针设计。探针10同样包括具有触针14(在这里将理解为探针本体11的一部分)的探针本体11(探针基体)。

如这里所示，探针10可以还包括用于将探针10或探针本体11连接至坐标测量机器的探头的光学-机械接口。该光学-机械接口具有用于提供到探头的机械安装的机械部分13a和用于提供与CMM的适当光学连接的例如具有浮动套管的光学部分13b。例如，在EP 2356 401B1中描述了这种接口的一个可能设计。当然，应该理解，可以提供从现有技术的坐标测量机器已知的其他机械和/或光学联接来代替这种光学机械接口。

光纤12利用其第一端连接至探针接口的光学部分13b，并且通过探针本体11和触针14提供测量光从探头的输送和到探头的输送。

光纤12的第二端包括光纤套管15。光纤12具体地终止于该套管15中。从光纤套管15，光束以该光纤12本身的散度(对于标准光纤：例如NA≈0.1)离开。基本探针10可以不包括用于提供具有适合于测量的特性的测量光束的任何其它光学元件。因而，基本探针10将不能以其基本构造用于测量目的。

然而，探针10包括位于触针14的末端处的微光学接口20，其中套管15提供测量光的光学联接(并且作为微光学器件接口20的一部分)，并且其中机械联接元件21被布置成用于附加地提供对应的机械联接。

为了完成用于测量目的的探针，必须将模块化微光学部分连接至微光学接口20。根据本发明，这种微光学部分被设计为光束限定光学部件，以接收从光纤套管15发射的光并对该光进行整形或操纵(例如，引导)，从而使得该光作为具有限定光特性的限定测量光束从光束限定光学部件发射。该光束限定光学部件包括与探针10的微光学器件接口20光学且机械地对应的接口。

根据本发明的进一步实施方式，触针14不是探针10的一部分，但是微光学接口20直接布置在探针本体11处。然后可以使用所述的微光学接口20将触针型部件模块化地安装在探针本体11处，其中其该触针型部件包括这种接口20特别是位于其两端的单侧部件。可模块化地安装的触针代表单独的光束限定光学部件。

图3a以俯视图更详细地示出了微光学接口20的接收部分(例如，如图2所示，由探针提供)。该接口包括三个磁性部件22(例如，永磁或电磁体)，所述磁性部件22与相应的磁性配对件相互作用而提供特别是用于光束限定光学部件的保持力。而且，由微光学接口20提供了三球支承部的三个柱体对23，这三个柱体对23在结构上被设计成在将要被连接的这种光束限定光学部件侧接收三球支承部的相应球。

磁性部件22和柱体对23构成了如图2所示的机械联接单元21。

在中央区域25中，可以布置光纤套管(在如图所示的情况下，在探针侧设置了接收部分)或一个或多个其它光操纵光学元件(在如图所示的情况下，接收部分设置在光束限定光学部件一侧)。

另外，如这里示例性所示的，微光学接口20可以包括电气接口24，该电气接口24例如具有多个电触头，以便能够向光束限定光学部件供电和/或传输数据，例如存储在小型EEPROM存储器内的光束限定光学部件的光学特性。

图3b示出了图3a的微光学接口20的接收部分的配对件20’的实施方式。这种配对件可以优选地设置有如上所述的光束限定光学部件。因而，该光束限定光学部件能够以较低努力以容易的方式模块化地附装至探针10。

然而，应该理解，微光学接口20的对应部分可以以倒置方式布置，也就是说，该配对件20’可以在探针10处实现，而可以将接收部分设计在光束限定光学部件一侧。使用这种倒置设计，也能够以适当的方式提供机械和光学联接特性。

该接口的部分20’分别包括三球支承部的三个球23’和三个磁性元件22’。这些部件优选被设计成与接口20的配对部件精确地相互作用。

图4(以侧视图)示出了根据本发明的光束限定光学部件30的一个实施方式，该光束限定光学部件包括位于顶部的第一微光学接口的附接部分31和位于底部(光束限定光学部件30的相反侧)的第二微光学接口的接收部分32。

该光束限定光学部件30能够对以或多或少不受限定的方式从作为原始光源的探针的末端处发射的测量光进行整形和限定，光束限定光学部件30旨在被设计成连接在该探针处。为此，在光束限定光学部件30的中央区域35中布置光操纵光学元件36，例如透镜。

附接部分31被设计成与位于CMM的测量探针的触针或探针本体末端处的配对件相互作用。这种附接部分31包括相应球支承部的多个球33’，该球支承部被定位成使得球33’能够与位于触针或探针本体处的球支承部的接收部分相互作用。而且，该附接部位31包括通过提供可释放保持力而能够模块化连接至触针的一些连接元件，诸如磁体或夹子等(未示出)。

接收部分32被设计成附接部分31的负配对部件，也就是说，接收元件33被设计成与球支承部的球相互作用，并且具有在与相应的配对连接元件相互作用时提供保持力的一些连接元件(未示出)。

这种设计提供了以模块化方式例如类似堆叠的方式模块化布置对应类型的若干光束限定光学部件。这种光学部件可以包括不同的光学元件，每个光学元件限定将以具体方式发射的测量光。例如，第一限定光束的光学元件30包括对在触针末端处发射的发散光提供准直的透镜布置，而第二光束限定光学部件(该光学部件被附接至第一光束限定光学部件的底侧)包括(例如由MEMS提供的)可移动反射镜以可变地限定测量光的发射方向和/或角度。所述透镜和反射镜代表具体的光操纵光学元件，其中可以替代地或附加地布置其它元件类型，诸如光纤或过滤器等。

当然，可以将更多的这种光学部件布置成一行，以便产生推荐的测量光，例如，可以在第一准直单元和第二光偏转单元之间放置聚焦单元，如光束限定光学部件30所示，该聚焦单元也包括第一微光学接口的附接部分31和第二微光学接口的接收部分32。

该附接部分31可以根据图3b的配对件20’来构建，并且/或者该接收部分可以根据图3a的微光学接口20的接收部分来构建。

另选地，该附接和/或接收部分可以关于结构实施方式(例如，其它类型的支承部、其它类型的保持单元(而不是磁体或夹子))、机械连接元件的数量和位置方面为不同设计。附加地或另选地，光学元件36的设计可以在其位置(例如，不位于光束限定光学部件30的中央区域中顶部上或底部上)、其设计(例如，伸展、光学特性)方面不同。例如，光学元件36可以不设计为准直单元而是设计为用于提供聚焦激光束的聚焦单元。

图5示出了光束限定光学单元40的进一步实施方式，该光束限定光学单元40附接至以图2示例性所示的类型的测量探针本体的末端特别是相应触针的末端处。该单元40至少包括布置在将连接至探针的光束限定光学单元40的上端41处的支承部分43的类型，在这里，该支承部分43再次被实施为球支承部的球。

光学单元40进一步构建有位于其中央区域的、延伸穿过整个单元40的中空圆柱形区域45。透镜46和棱镜48(光操纵元件)布置在该圆柱形凹部45内。

因而，在连接状态下，即当光学单元40与相应的探针本体连接并且操作这种探针组件时，在探针本体或触针处发射的光在上端41处进入光学单元40的圆柱形凹部45，并且通过透镜46传输并受到透镜46的影响(整形)。透镜46被设计为准直透镜，因此在由探针发射的光经过透镜本体之后提供准直测量光的发射。

在测量光已经穿过透镜46之后，该光与棱镜48相互作用，并因而以90°的角度偏转，并且沿着正交于光学单元40的光进入轴线OA_入的光发射轴线OA_出发射。具体而言，光进入轴线OA_入平行于凹部41的壁，并且/或者对应于透镜46的光轴。

由于光学单元40与适当的探针本体连接，因此测量光被整形并且相对于探针本体(具有触针)的延伸轴线以90°角度发射，并且以准直方式提供以用于测量目的。这种布置可以用于测量钻孔。

根据另选实施方式，棱镜48可以以半透明方式设计，这同时在在两个方向上即在轴线OA_出和轴线OA_入的方向上提供测量光的发射。

图6示出了根据本发明的光学探针组件60的一个实施方式。该组件包括探针本体61和附接至探针本体16的两个光束限定光学部件50和50’。

探针本体61包括触针64，该触针64优选被实施为碳管。光纤62提供光通过探针本体61的传输并且包括位于其末端的套管65。套管65布置有微光学器件接口66，该微光学器件接口66除了套管65之外还包括用于联接光束限定光学部件50、50’的机构67。这种机构67特别地包括优选用于三点支撑的支承组件例如球支承部或壳型支承部的部分和/或用于提供相应的保持力的保持机构(例如，磁体、夹子、柱螺栓、接收装置等)。另选地，探针本体61可以被构建为不具有触针64，其中机构67可以直接布置在探针本体61处。

保持机构可以被设计成可手动或自动控制，即可以根据相应的控制信号施加和释放保持力，例如，磁性力可以利用电磁元件进行切换，或者用于柱螺栓的接收单元的机构能够被控制成使得保持(夹持)或不保持相应的柱螺栓。另选地，保持机构可以形成为卡销联接或接头的部件，例如形成为卡销插口或其配对件。因而，保持力可以通过将首先执行轴向运动其次执行旋转运动的部件与相应的光学部件50、50’或探针本体61连接来建立。

这种可控并且可切换的部件也可以设置在光束限定光学部件50、50’处，其中可以设置电气接口以分别向光学部件50、50’供应受控的电力。

这种组件60提供了容易且快速地附接、释放和/或更换相应的光束限定光学部件50或50’的优点。由于光学部件50、50’的尺寸和重量相对较小(与已知的整个测量探针相比)，因此向它们的连接机构施加的应力基本很小，这使得这些部件的使用寿命更长并且更容易处理。而且，在光学部件损坏的情况下，(修复或更换)成本与整个探针的成本相比也显著降低。

如上所述，组件60被模块化地设计成使得可以获得不同的模块化光束限定光学部件50、50’，例如可以将这些光学部件安置在坐标测量机器上的或紧接坐标测量机器的存储或更换单元中。这样，可以提供根据所需测量条件的相应模块50、50’的容易且自动化的更换。

每个光束限定光学部件50、50’都以限定方式单独影响(未限定的)输送源或测量光的特性和/或发射方向。因而可以根据将要执行的测量通过将相应部件50、50’组合，即通过在探针60(探针60的触针64)处布置第一这样的部件50并且在第一个部件50处布置第二部件50’等而对这些影响因素进行组合。

当然，应该理解，可以单独将一个单个光学部件布置在探针本体61处，并且由该一个部件提供最佳测量条件。这种一个部件可以包括多个光学元件，例如至少一个透镜、光学过滤器和反射镜。

另选地，如这里以图6所示，第一光束限定光学部件50包括用于对在套管65处发射的光进行整形的(光操纵)光学元件51。光学元件51可以被构建为或者可以包括透镜或其它光学部件(例如，光学过滤器、光圈等)的布置。通过发射光与光学元件51的相互作用，可以将光准直、聚焦、过滤、极化等，以产生用于特定测量要求的合适光特性。

第二光束限定光学部件50’包括光束偏转单元52例如棱镜或反射镜，用于以限定角度改变由第一光学部件50发射的测量光的发射方向。光束偏转单元52代表另一个光操纵光学元件。第二光学部件50’可以进一步包括用于按照需要改变偏转单元52的取向的机械系统。因而，可以改变偏转角度和/或相对径向发射方向。该机械系统可以包括MEMS和/或压电元件。

由此光学元件50、50’和位于触针64处的光学机械接口被设计成使得在相应元件之间没有空间间隙的另选实施方式落入本发明的范围内。

根据本发明的这种探针组件60的一个实施方式，测量光既由套管发射出又由所附接的光学部件整形，并且在待测量的对象处反射之后通过该光学部件接收，被引导至套管并且至少部分地利用光纤输送到检测单元。

图7示意性地示出了根据本发明的光学工具变换器70的构思。工具变换器70提供了布置并放置在不同的变换器位置A、B、C、D、E处的各种各样的不同光学部件71。

如图所示，在工具变换器70的第一层级上，设置了第一组光学部件72，该组光学部件72可以代表具有特定类型透镜(准直、聚焦等)并且特别具有用于在探针的套管和相应透镜之间提供限定距离的相应间隔件的测量光学器件。该第一组光学部件例如代表基本对应于已知探针类型的光学器件的光学元件。例如，这种元件可以由间隔件和GRIN透镜或者由自由光束光学器件和透镜来表示。

第二组光学部件73设置在第二层级。第二组73可以提供使得能够改变探针组件的光发射方向的光偏转部件。这种偏转部件可以优选地包括提供例如90°、45°、30°或22.5°的偏转角的棱镜或反射镜。

当然，将理解，在本发明的情况下，所示和描述的光学部件组72、73可以以另选方式布置，即不限于如图所示的双层级布置，而例如布置在一个平面中。

因而，工具变换器70能够保持光学部件和/或触针的不同构造，例如：

·任何光学器件都能够独立地安置在工具变换器70上；

·任何棱镜(90°、45°、30°等)都能够独立地安置在工具变换器70上；

·光学器件和棱镜的任何组合都可以安置在工具变换器70上；

·任何笔直触针延伸部(10cm，20cm等)都能够布置在工具变换器70上；

·任何有曲柄的触针形状都能够布置在工具变换器70上；以及/或者

·以上部件的任何组合都能够安置在工具变换器70上。

透镜和棱镜的选择过程可以通过将基本探针本体连接至CMM来自动进行，该CMM驱动至微光学工具变换器70以便附装期望的模块化元件。该微光学工具变换器70能够比用于(整个)探针的常规工具变换器占用少得多的空间。当探针本体或基体被驱动以位于待附接的光学部件或触针正上方时，连接机构(例如，电磁元件或保持夹)能够(自动地)被致动以产生相应的保持力并提供光学部件与探针基体的连接。由于相应的高精度的支承元件，因此能够以相应的高精度限定测量光的光学特性。

由于工具变换器70中的部分71的重量相对较轻，一种可能将是利用永磁体或可电切换的磁体(例如，线圈)磁性地抓住该部分。基于致动器(例如，压电驱动器)或运动系统(像TESA的运动关节)的其他原理也是可行的机械联接。

通过将一个部件与另一个部件相连接，能够提供若干个部件的期望布置，并且能够实现测量光的具体要求的发射方式。

具体而言，微光学模块71是自由光束光学器件，在更换过程中对于该光学部分来说没有任何劣化过程。为了模块的精确对齐，三球支承部可以在一侧集成有球体，而柱体对可以集成在配对件上。

尽管以上部分地参照一些具体实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对这些实施方式的不同特征进行各种修改和组合，并且这些不同特征可以彼此组合或者与现有技术已知的坐标测量机器组合。

Claims (16)

1.一种光学探针组件(60)的探针本体(11，61)，该光学探针组件(60)被设计成用于在由坐标测量机器的探头承载的同时测量距对象的距离，该探针本体(11，61)包括：

·位于所述探针本体(11，61)的第一端的联接单元(13a，13b)，该联接单元被设计成用于提供所述探针本体(11，61)与坐标测量机器的探头的联接；

·光导元件(12，62)，该光导元件用于将由所述探头供应的原始源光从所述联接单元(13a，13b)传输到所述探针本体(11，61)的第二端；以及

·触针(14，64)，其中所述触针(14，64)的自由端代表所述第二端，

其特征在于，位于所述探针本体(11，61)的第二端的微光学器件探针接口(20，20’，66)，该探针接口(20，20’，66)包括：

·源光发射元件(15，65)，该源光发射元件相对于所述第二端以限定方向提供所述原始源光的发射，该原始源光的发射基本具有由所述光导元件(12，62)限定和/或由所述源光发射元件(15，65)限定的发射散度；以及

·机械探针联接部(21，67)，该机械探针联接部(21，67)被设计成接收由所述光学探针组件(60)的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)的机械部件联接部提供的联接配对件(31，41)，

其中

·所述原始源光能够由所述探针本体(11，61)以所述发射散度提供；并且

·具有用于测量的期望测量光特性的期望测量光能够通过联接所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)来提供。

2.根据权利要求1所述的探针本体(11，61)，其特征在于，所述光导元件：

·以光纤或自由光束光学器件来代表；和/或

·包括透镜。

3.根据权利要求1或2所述的探针本体(11，61)，其特征在于，

·所述源光发射元件由套管来代表；并且/或者

·所述源光发射元件包括透镜。

4.根据权利要求1或2所述的探针本体(11，61)，其特征在于，所述机械探针联接部(21，67)包括球支承部的至少一个球体(23’，33’，43)，或者球支承部的至少一个球体配对件(23，33)。

5.根据权利要求1或2所述的探针本体(11，61)，其特征在于，所述机械探针联接部(21，67)包括至少一个磁性元件(22，22’)，用于产生用于连接所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)的保持力。

6.根据权利要求4所述的探针本体(11，61)，其特征在于，所述机械探针联接部(21，67)包括所述球支承部的三个球体。

7.一种光学探针组件(60)的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，该探针组件(60)被设计成用于在由坐标测量机器的探头承载的同时测量距对象的距离并且包括根据权利要求1或2所述的探针本体(11，61)，所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)包括：

·具有机械部件联接部的微光学器件部件接口，该机械部件联接部被设计成将所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)联接至由位于所述光学探针组件(60)的所述探针本体(11，61)的所述第二端处的所述机械探针联接部(21，67)提供的配对件；以及

·光操纵光学元件(36，46，48，51，52)，该光操纵光学元件被设计成基于由所述探针本体(11，61)提供的原始源光的操纵来提供具有期望测量光特性的期望测量光。

8.根据权利要求7所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，该光操纵光学元件(36，46，48，51，52)被构建为如下光学元件中的一个或如下光学元件的组合：

·至少一个透镜；

·棱镜；

·反射镜；

·光导元件，该光导元件被实施为自由光束光学器件或光纤；和

·致动器。

9.根据权利要求7或8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)被设计为用于所述探针本体(11，61)的所述触针的延伸部。

10.根据权利要求7或8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)包括提供关于所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)的光学特性的信息。

11.根据权利要求7或8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述机械部件联接部包括：

·至少一个磁性元件(22，22’)，用于产生用于连接所述光束限定光学部件的保持力；和/或

·球支承部的至少一个球体(23’，33’，43)，或者球支承部的至少一个球体配对件(23，33)。

12.根据权利要求7或8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)包括相对于用于将所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)联接至所述探针本体(11，61)的所述部件接口布置在所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)的相反端的另一个微光学器件部件接口，该另一个微光学器件部件接口被设计成用于接收由另一个光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)为所述光学探针组件(60)提供的联接配对件。

13.根据权利要求12所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述另一个光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)是根据权利要求7或8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)设计的。

14.根据权利要求8所述的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其特征在于，所述致动器是压电元件或微机电系统(MEMS)。

15.一种用于坐标测量机器的光学探针组件(60)，该探针组件(60)被实施为由根据权利要求1至6中任一项的探针本体(11，61)和根据权利要求7至14中任一项的光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)构成的系统，所述光学探针组件(60)被设计成由所述坐标测量机器的探头承载，并且接收和发射测量光，

其特征在于，

·所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)通过光学器件接口联接至所述探针本体(11，61)；并且

·所述原始源光能通过所述光学探针组件(60)传输和调节，从而能以期望测量光特性发射期望测量光。

16.根据权利要求15所述的光学探针组件(60)，其特征在于，所述光学探针组件(60)包括：

·用于经过所述探针本体(11，61)从所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)到所述探头进行数据传输的电气连接部(24)；以及/或者

·根据权利要求13的另一个光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)，其中联接至所述探针本体(11，61)的所述光束限定光学部件(30，40，50，50’，71)是根据权利要求12实施的，并且所述另一个光束限定光学部件与之联接。

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