CN106989668B - 具有复用位置信号的测量装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种在三轴上响应的扫描探针，以用于坐标测量机。扫描探针利用复用技术以产生X、Y和Z位置信号。X和Y位置信号表示触针联接部分围绕旋转中心的旋转，且Z位置信号表示触针联接部分沿着轴向方向的位置。Z位置信号对轴向检测偏转器在横向于轴向方向的至少一个方向上的运动基本上不敏感。X、Y和Z位置信号可以被处理，以确定触针的接触部分的3D位置，其可以包括利用Z位置信号结合扫描探针的已知三角学，从X或Y位置信号中的至少一个移除轴向运动交叉耦合分量。

Description

具有复用位置信号的测量装置
技术领域
本公开涉及精确计量学，并且更特别地涉及用于坐标测量机的探针的感测配置。
背景技术
坐标测量机(CMM)可以获得被测工件的测量值。在美国专利No.8,438,746中描述了一个示例性现有技术CMM，其全部内容通过引用并入本文，所述CMM包括用于测量工件的探针、用于移动探针的移动机构、以及用于控制移动的控制器。在美国专利No.7,652,275中描述了包括表面扫描探针的CMM，其全部内容通过引用并入本文。如其中所公开的，机械接触探针或光学探针可以扫描工件表面。
在美国专利No.6,971,183(’183专利)中还描述了采用机械接触探针的CMM，其全部内容通过引用并入本文。其中公开的探针包括具有表面接触部分的触针、轴向运动机构和旋转运动机构。轴向运动机构包括移动构件，其允许接触部分在测量探头的中心轴线方向(也称为Z方向或轴向方向)上移动。旋转运动机构包括旋转构件，其允许接触部分垂直于Z方向移动。轴向运动机构嵌套在旋转运动机构内。接触部分位置和/或工件表面坐标是基于旋转构件的位移以及轴向运动移动构件的轴向位移而确定的。
诸如’183专利中公开的那些的运动机构和/或常规位移检测器布置可能相对昂贵和/或易受由于机构和/或检测器缺陷引起的各种“交叉耦合”误差的影响。需要一种在探针中的相对紧凑的感测配置，其中位移检测器布置可以相对较便宜，同时尽管在合理预期的机制和/或检测器缺陷的情况下，也拒绝各种“交叉耦合”误差。
发明内容
提供本发明内容，以便以简化的形式介绍将在下文的具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
提供一种在三轴上响应的扫描探针，以用于测量机(例如，CMM)。扫描探针包括触针悬挂部分和触针位置检测部分。触针悬挂部分包括触针联接部分，其配置为刚性地联接至触针；以及触针运动机构，其配置为实现触针联接部分沿着轴向方向的轴向运动、以及触针联接部分围绕旋转中心的旋转运动。触针位置检测部分包括光源配置、多点位置检测器部分、复用信号处理和控制电路、旋转位置检测配置和轴向位置检测配置。在各种实施方式中，光源配置包括可控的旋转检测光源和可控的轴向检测光源，可控的旋转检测光源配置为提供旋转检测光束，且可控的轴向检测光源配置为提供轴向检测光束。
在各种实施方式中，旋转位置检测配置包括旋转检测光束路径和旋转检测偏转器。旋转检测光束路径配置为从旋转检测光源接收旋转检测光束。旋转检测偏转器沿着旋转检测光束路径定位，且联接至触针悬挂部分，且配置为向多点位置检测器部分输出可变偏转旋转检测光束。
在各种实施方式中，轴向位置检测配置包括轴向检测光束路径和轴向检测偏转器。轴向检测光束路径配置为从轴向检测光源接收轴向检测光束。轴向检测偏转器沿着轴向检测光束路径定位，且联接至触针悬挂部分，且配置为向多点位置检测器部分输出可变偏转轴向检测光束。轴向检测偏转器配置为响应于轴向运动在轴向方向上移动，且还配置为响应于旋转运动在横向于轴向方向的至少一个方向上移动。
在各种实施方式中，多点位置检测器部分配置为接收可变偏转旋转检测光束，并响应于此输出X和Y位置信号X和Y位置信号表示触针联接部分围绕旋转中心的旋转。多点位置检测器部分还配置为接收可变偏转轴向检测光束，并响应于此输出Z位置信号，Z位置信号表示触针联接部分关于轴向方向的位置。
在各种实施方式中，复用信号处理和控制电路配置为将可变偏转旋转检测光束和可变偏转轴向检测光束复用在多点位置检测器部分上，并提供解复用，以使X和Y位置信号与Z位置信号分离。各种实施方式中，触针位置检测部分配置为使得Z位置信号对轴向检测偏转器在横向于轴向方向的至少一个方向上的运动基本上不敏感。
附图说明
图1是示出了测量系统的各种典型部件的示意图，其包括利用例如本文所公开的扫描探针的CMM；
图2是示出了联接至CMM并提供X、Y和Z位置信号的扫描探针的各种元件的框图；
图3是示出了联接至触针的触针悬挂部分的、第一示例性实施方式的示意图；
图4是示出了包括在扫描探针的主体外壳内的图3的触针悬挂部分的一种实施方式的截面的示意图；
图5是示出了触针位置检测部分的第一示例性实施方式的示意图，其用于联接至触针悬挂部分；
图6是示出了联接在扫描探针的主体外壳内的、图5的触针位置检测部分的示意图；
图7是示出了触针位置检测部分的第二示例性实施方式的示意图；
图8是示出了触针位置检测部分的第三示例性实施方式的示意图；
图9是示出了包括在扫描探针中的触针悬挂部分的、第二示例性实施方式的截面的示意图；
图10A和10B是示出了弯曲元件的实施方式的示意图，其例如可以用于触针悬挂部分，以实现轴向运动和旋转运动；以及
图11是示出了例程的一个示例性实施方式的流程图，用于基于从扫描探针接收的位置信号来确定触针的接触部分的3D位置。
具体实施方式
图1是示出了测量系统100的各种典型部件的示意图，其包括利用例如本文所公开的扫描探针300的CMM 200。测量系统100包括操作单元110、控制CMM 200的移动的运动控制器115、主机120和CMM 200。操作单元110联接至运动控制器115，且可以包括操纵杆111，以手动地操作CMM 200。主机120联接至运动控制器115，操作CMM 200，并处理用于工件W的测量数据。主机120包括输入装置125(例如，键盘等)以输入例如测量条件，以及输入装置130(例如，显示器、打印机等)以输出例如测量结果。
CMM 200包括位于表面板210上的驱动机构220、以及用于将扫描探针300附接至驱动机构220的附接部分224。驱动机构220包括X轴、Y轴和Z轴滑动机构222、221和223，分别用于三维地移动扫描探针300。附接至扫描探针300的端部的触针306包括接触部分348。如将在下文更详细地描述的，触针306附接至扫描探针300的触针悬挂部分，当接触部分348沿着工件W的表面上的测量路径移动时，这允许接触部分348在三个方向上自由地改变其位置。
图2是示出了联接至CMM 200并提供X、Y和Z位置信号的扫描探针300的各种元件的框图。扫描探针300包括探针主体302，其合并触针悬挂部分307和触针位置检测部分311。触针悬挂部分307包括触针联接部分342和触针运动机构309。触针联接部分342刚性地联接至触针306。触针运动机构309配置为实现触针联接部分342和附接的触针306沿着轴向方向的轴向运动，且实现触针联接部分342和附接的触针306围绕旋转中心的旋转运动，如将在下文参考图3和图4更详细地描述的。
如图2所示，触针位置检测部分311包括光源配置317、多点位置检测器部分321、复用信号处理和控制电路350、旋转位置检测配置313、以及轴向位置检测配置325。光源配置317包括可控的旋转检测光源318A和可控的轴向检测光源318B。复用信号处理和控制电路350包括旋转检测函数发生器354A、轴向检测函数发生器354B、以及解复用器356。
旋转位置检测配置313接收来自可控的旋转检测光源318A的旋转检测光束，并向多点位置检测器部分321输出可变偏转旋转检测光束。轴向位置检测配置325从可控的旋转检测光源318B接收轴向检测光束，并向多点位置检测器部分321输出可变偏转轴向检测光束。旋转检测函数发生器354A和轴向检测函数发生器354B分别控制可控的旋转检测光源318A和可控的轴向检测光源318B，从而将可变偏转旋转检测光束和可变偏转轴向检测光束复用在多点位置检测器部分321上。
多点位置检测器部分321接收可变偏转旋转检测光束，并响应于此输出X和Y位置信号，X和Y位置信号表示触针联接部分342围绕旋转中心的旋转，且还接收可变偏转轴向检测光束，并响应于此输出Z位置信号，Z位置信号表示触针联接部分342关于轴向方向的位置。解复用器356从多点位置检测器部分321接收复用的X、Y和Z位置信号，并进行解复用操作，以使X和Y位置信号与Z位置信号分离。在各种实施方式中，一个或多个接收部分(例如，在CMM 200中、运动控制器115中、主极120中，等等。)可以从解复用器356接收X、Y和Z位置信号，且一个或多个相关联的处理部分可以用于确定，当附接的触针306的接触部分沿着被测量的工件W的表面移动时，触针联接部分342的3D位置和/或接触部分的3D位置。如将在下文更详细地描述的，在各种实施方式中，对X、Y和Z位置信号的处理可以利用Z位置信号结合扫描探针的已知三角学，从X或Y位置信号中的至少一个移除轴向运动交叉耦合分量。在各种实施方式中，扫描探针300的某些部分(例如，解复用器356和/或旋转检测函数发生器354A和轴向检测函数发生器354B的部分)可以被包括在探针主体302(例如，被包括在CMM200中、运动控制器115中、主极120中，等等)的外部。
应当理解，利用单个多点位置检测器部分321(例如，对应于单个位置光电检测器，与利用多个位置光电检测器的实施方式相反)具有各种优点。例如，所得的配置可以更加紧凑(例如，允许XY光束的路径长度更小，使得探头的整体z高度更小，等等。)且更便宜(减少光电检测器成本，等等)。在各种实施方式中，需要用于这样的配置的复用信号处理和控制电路可以利用各种不同类型的复用技术(例如，频域复用，时域复用，等等)。在美国专利No.5,552,883中，以及在文章“High-Speed Microscale Optical Tracking UsingDigital Frequency-Domain Multiplexing”(MacLachlan，R.A.，Riviere，C.N.，IEEETransactions On Instrumentation and Measurement，第58卷，第6期，2009年6月，第1991-2001页)中描述了利用具有由位置敏感检测器接收的多个光束的配置中的复用的测量技术的示例，其各自通过引用整体并入本文。
在利用频域复用的实施方式中，旋转检测函数发生器354A和轴向检测器函数发生器354B可以分别以不同的频率来驱动可控的旋转检测光源318A和可控的轴向检测光源318B(例如，包括LED)。结果，入射在多点位置检测器部分321(例如，包括位置光电检测器)上的可变偏转旋转检测光束和可变偏转轴向检测光束可以具有不同的频率。相应地，来自多点位置检测器部分321的输出可以用两个不同频率的AC频率调制来编码。为了解复用信号，解复用器356可以包括例如带通滤波器(例如，对应于两个不同频率)、硬件和/或软件解调器等部件。
在操作中，当多点位置检测器部分321上的入射光(例如，对应于旋转检测点或轴向检测点中的至少一个)改变位置，输出AC幅度改变。在各种实施方式中，利用频域复用可以有助于降低1/F漂移。在某些实施方式中，近似25％至50％的动态范围可以分配给最小AC调制深度。在某些实施方式中，可能期望第一驱动频率(例如，来自旋转检测器函数发生器354A)应当比期望的传感器带宽大指定的量(例如，在一个具体示例实施方式中至少大10倍)，从而调制载波频率将不太可能破坏期望的传感器位置信号。在这样的实施方式中，用于第二驱动频率的频率(例如，对应于轴向检测器函数发生器354B)可以被模拟，以便根据期望的传感器带宽和滤波器极的数量来确定足够的间隔。更具体地，可以使第一驱动频率和第二驱动频率充分地分离，使得它们可以通过带通滤波来区分。一般来说，值可以设定为使得期望的第二驱动频率比第一驱动频率大至少指定的余量(例如，在一个具体示例实施方式中，具有等于至少4倍传感器带宽的余量)。
在利用时域复用的实施方式中，可控的旋转检测光源318A可以在第一时间段期间打开，对于该第一时间段，可以读取来自多点位置检测器部分321的相对应的输出，之后是第二时间段，在第二时间段期间，可控的轴向检测光源318B可以被打开，且可以读取来自多点位置检测器部分321的相对应的输出。在某些实施方式中，这样的时域复用技术可以被视为比上述利用频域复用的技术更加简单。然而，在这样的实施方式中，对应于旋转位置检测配置313和轴向位置检测配置325的输出信号可以被同时地读出，对此，可能期望使得时域复用循环速率足够快，从而样本之间的时间延迟不会产生不期望的测量结果。在一个特定的示例实施方式中，实施近似2.5kHz的位置吞吐量，并且利用大于指定量(例如，4倍，10倍，等等)的相对应的周期速率。在各种实施方式中，可以利用过采样技术，对此，可以实施读数的平均。
图3是示出了联接至触针406的示意性/部分表示的触针悬挂部分407的第一示例性实施方式的部分的示意图。应当理解，图3的某些编号的组件4XX可以对应于和/或具有与图2的类似编号的对应组件3XX类似的操作，并且可以通过与其类比且如下文另外描述的来理解。表示具有类似设计和/或功能的元件的该编号方案也适用于下面的图4-11。如图3所示，触针悬挂部分407包括触针运动机构409和触针联接部分442。触针联接部分442配置为刚性地联接至触针406，触针406具有接触部分448，以接触工件W(未示出)的表面S。
如下文参考图4更详细地描述的，触针运动机构409配置为实现触针联接部分442和附接的触针406的轴向运动和旋转运动，使得接触部分448可以在沿着表面S的形状的三个方向上改变其位置。为了说明的目的，图3中的纸面上的垂直方向和水平方向分别被定义为Z方向和Y方向，并且相对于纸面的垂直方向被定义为X方向。在该图中，测量探针300的中心轴线O(轴向方向O)的方向与Z方向一致。
在图3中，示出了触针运动机构409的旋转运动部分，其包括旋转构件436(其也被称为旋转构件RP)、弯曲元件440、以及设置在旋转构件436内的移动构件412。如下文参考图4更详细地描述的，弯曲元件440实现旋转构件436围绕旋转中心RC的旋转运动。如下文参考图5更详细地描述的，触针位置检测部分(未整体地示出)可以包括附接至移动构件412的端部的旋转检测偏转器416(例如，凹面镜)，其朝向多点位置检测器部分421反射光，多点位置检测器部分421包括位置光电检测器422。位置光电检测器422从而能够感测移动构件412在X和Y方向上的旋转位置。旋转检测偏转器416的凹陷面可以成形为，为由位置光电检测器422检测到的反射光提供所需的“偏转关系”。这样的配置可以具有各种优点(例如，允许位置光电检测器422的小型化、允许利用具有不同长度的更大范围的触针，等等)。以下近似可以用于理解系统的各个方面(例如，倾斜灵敏度等)。
关于图3所示的示例配置，在一个示例实施方式中，旋转检测偏转器416的凹陷表面可以具有半径R，并且输入到旋转检测偏转器的光束可以沿着其未偏转光轴的方向(例如，如图3中的虚线光路线LP所示)被准直。位置光电检测器422可以位于自旋转检测偏转器416的光路长度L＝R/2处，其大约等于自旋转检测偏转器416的反射光束(即，可变偏转旋转检测光束)的所得焦距。在这样的实施方式中，对于位置光电检测器422上的旋转检测点(例如，由来自旋转检测偏转器416的可变偏转旋转检测光束形成)，沿着X方向远离零点的的移动或位移ΔXPSD可以包括由于旋转构件436在平行于X方向的平面中的旋转运动倾斜θY(即，在旋转中心RC处围绕平行于Y轴的轴线的旋转)的两个贡献，其可以近似为：
倾斜贡献＝(L*θY) (等式1)
平移贡献＝(L*θY*H/R)＝(L*θY*H/2L) (等式2)
其中，H是从旋转中心RC到旋转检测偏转器416的距离。
倾斜贡献来自由于旋转导致的偏转器416的表面倾斜变化，并且平移贡献来自作为远离偏转器416的光轴的距离的函数的偏转器上的曲率依赖的表面角度变化。从而，组合等式1和2所示的贡献：
ΔXPSD＝LθY(1+H/2L) (等式3)
相对于旋转运动倾斜分量θY的远离触针406的接触部分448的零点的X方向移动或位移ΔXSTYLUS可以近似为：
ΔXSTYLUS＝θY*(hS+lS) (等式4)
组合等式3和4，光电检测器422上的X方向点位移相对于接触部分448处的X方向位移的比率可以近似为：
ΔXPSD/ΔXSTYLUS＝(L+(H/2))/(hS+lS) (等式5)
Y坐标运动分量类似于上述表达式，并且不需要在本文中进一步详细地解释。用于各种测针的触针长度lS可以在等式(例如，关于系统的三角学)中使用，以基于XY检测的点位置来确定接触部分448的XY位置。
图4是示出了包括在扫描探针400的探针主体402的主体外壳408内的触针悬挂部分407′的截面的一个实施方式的局部示意图，其可使用作为图3的触针悬挂部分407。如图4所示，触针悬挂部分407′包括触针运动机构409和联接至触针406的触针联接部分442。触针运动机构409可以包括移动构件412、旋转构件436、联接至主体外壳408a的弯曲元件440(用于支撑且实现旋转构件436的旋转运动)、弯曲元件414和415(其支撑移动构件412并将其联接至旋转构件436，以实现移动构件412的轴向运动)。扫描探针400包括触针位置检测部分511(其具有的部件和操作将在下文参考图5更详细地描述)，以确定触针运动机构409和/或触针406的接触部分448的位置和/或运动。
弯曲元件440(即，称为第二弯曲元件)可以在轴向方向O上设置在一对弯曲元件414和415(即，称为第一弯曲元件)的相应的平面之间。将在下文关于图10A和图10B更详细地描述弯曲元件414、415和440的示例。旋转构件436可以具有关于第二弯曲元件440对称的形状，且可以一体地包括：环部分436A；两个连接部分436B；以及圆柱部分436C。第一弯曲元件414和415的周边部分固定至环部分436A。连接部分436B延伸进入环部分436A内，以便连接至圆柱部分436C(其具有中空中心)。第一弯曲元件414和415可以设置在相对于第二弯曲元件440对称的距离处，但是这样的实施方式仅仅是示例性的而不是限制性的。
包括移动构件412的轴向运动机构410被支撑在旋转构件436的内部，且旋转构件436和轴向运动机构410一起构成作为触针运动机构409的一部分的运动模块。轴向运动机构410允许接触部分448在轴向方向O上移动。包括旋转构件436的旋转运动机构434允许触针406的接触部分448借助于围绕旋转中心RC的旋转运动横向于(例如，近似垂直于)轴向方向O移动。
移动构件412一体地包括：下部部分412A；杆部分412B；以及上部部分412C。支架437用于将旋转检测偏转器416(例如，曲面镜)和轴向检测偏转器426(例如，透镜)刚性地附接至上部部分412C。如之前所述并且如下面关于图5所示的触针位置检测部分511进一步详细描述的，旋转检测偏转器416被包括作为旋转位置检测配置的部分，且轴向检测偏转器426被包括作为轴向位置检测配置的部分。杆部分412B设置在第一弯曲元件414和415的对之间。杆部分412B容纳在旋转构件436中。
下部部分412A形成在杆部分412B下方，且触针联接部分442(例如，凸缘构件)附接至下部部分412A。凸缘部分444设置为用于触针406的附接。凸缘部分444和触针联接部分442一起构成可拆卸的联接机构(例如，已知类型的运动接头或联接)，其允许可重复定位的(例如，在碰撞撞掉触针的情况下，当故意改变触针时，等等)各种触针406和触针联接部分442之间的附接和分离。
图5是示出了触针位置检测部分511的第一示例性实施方式的示意图，其包括相对于探针本体和外壳移动的旋转检测偏转器516和轴向检测偏转器526。除非另有说明，触针位置检测部分511的各种其他部件可以相对于探针本体或和/外壳固定。如图5所示，触针位置检测部分511包括光源配置517、多点位置检测器部分521、复用信号处理和控制电路550、旋转位置检测配置、513，以及轴向位置检测配置525。如将在下文更详细地描述的，多点位置检测器部分521联接至复用信号处理和控制电路550，且包括具有表面平面的位置光电检测器522。如图5所示，光源配置517包括可控的旋转检测光源518A和可控的轴向检测光源518B(例如，LED光源)，其可以配置为分别提供准直的或接近准直的旋转检测光束519A和轴向检测光束519B(例如，使用透镜518A′和518B′)。旋转检测光束519A沿着被包括在旋转位置检测配置513中的旋转检测光束路径523被引导，且轴向检测光束519B沿着被包括在轴向位置检测配置525中的轴向检测光束路径529被引导。
旋转位置检测配置513包括旋转检测光束路径523和旋转检测偏转器516。在示出的实施方式中，旋转检测光束519A传输通过光学部件520(例如，偏振分束器)并沿着沿轴向方向的旋转检测光束路径523行进至旋转检测偏转器516，其在此被反射。旋转检测偏转器516的操作可以通过对旋转检测偏转器416、位置光电检测器422和等式1-5的之前描述的类比来大致上被理解。如图所示，旋转检测光束519A被凹陷旋转检测偏转器516反射为可变偏转旋转检测光束519A′，其沿着可变偏转光束路径523′行进返回到光学部件520的反射表面。光学部件的反射表面反射可变偏转旋转检测光束519A′的至少一部分，以继续沿着沿横向于光轴的方向的可变偏转光束路径523′，从而在位置光电检测器522的表面上的位置处形成旋转检测点。位置光电检测器522是已知类型，其分别提供与沿着X轴方向和Y轴方向的旋转检测点位置相关的信号。在各种实施方式中，这样的信号可以被指定作为X和Y位置信号，其表示触针联接部分围绕旋转中心的旋转。更具体地，位置光电检测器522配置为输出X位置信号和Y位置信号，X位置信号响应于旋转检测点沿着位置光电检测器522的第一轴线的位置，且Y位置信号响应于旋转检测点沿着位置光电检测器522的第二轴线的位置。在各种实施方式中，旋转位置检测配置513名义上配置为使得，在没有触针联接部分围绕旋转中心的旋转的情况下，X和Y位置信号对旋转检测偏转器516沿着轴向方向的运动基本上不敏感。
关于光学部件520，四分之一波片533可以沿着旋转检测光束路径在光学部件520和旋转检测偏转器516之间的一部分定位。四分之一波片533根据已知方法将来自光学部件520的线性偏振改变为圆偏振。从旋转检测偏转器516反射的可变偏转旋转检测光束519A′返回通过四分之一波片533，并且再次变为线性偏振，旋转偏振使得光学部件520将全部或大部分的光朝向位置光电检测器522反射。这样的偏振配置可以将光源518A与反射光隔离，并且与非偏振配置相比，显著地改善了触针位置检测功率效率。
轴向位置检测配置525包括轴向检测光束路径529和轴向检测偏转器526。在示出的实施方式中，轴向检测光束519B沿着轴向检测光束路径529行进，并由反射部件531(例如，透镜)反射，以向轴向检测偏转器526行进。轴向检测偏转器526定位为使得其光轴沿着轴向检测光束路径529横向于轴向方向取向的一部分延伸，并沿着可变偏转光束路径529′引导透射的可变偏转轴向检测光束519B′，以在位置光电检测器522的表面平面上的位置处形成轴向检测点。位置光电检测器522可以是已知类型，其提供与轴向检测点沿着Z检测轴线的位置相关的信号。在各种实施方式中，Z检测轴线可以对应于位置光电检测器的第一轴线或第二轴线，上文关于旋转位置检测配置513引述过位置光电检测器。应当理解，根据上述描述，位置光电检测器522在其表面上接收来自轴向位置检测配置525的轴向检测点和来自旋转位置检测配置513的旋转检测点。如上文关于图2描述的，复用信号处理和控制电路550用于区分来自点的信号，以确定相应的X、Y和Z位置信号。
轴向检测偏转器526联接至触针悬挂部分的移动构件(例如，之前参考图4描述的移动构件412)。在一个实施方式中，轴向检测偏转器526和旋转检测偏转器516两者都附接至支架537，支架537联接至移动构件412。移动构件的轴向运动沿着横向于其光轴且横向于轴向检测光束路径529的轴向方向(例如，近似地沿着Z轴方向)移动检测偏转器526。该平移使得轴向检测偏转器526相对于输入轴向检测光束路径529重新定位。轴向检测偏转器526的透镜形状导致透射的可变偏转轴向检测光束519B'的折射或偏转，以及作为远离轴向检测器偏转器526的光轴的距离的函数的相对应的可变偏转光束路径529'的折射或偏转。从而，在位置光电检测器522上的所得的轴向检测点的位置表示轴向检测偏转器526和其所附接的移动构件的轴向运动。
关于图5所示的配置，输入到轴向检测偏转器526的轴向检测光束519B可以沿着其未偏转的光轴被准直。位置光电检测器522可以位于大约等于从轴向检测偏转器526输出的可变偏转轴向检测光束519B'的焦距的光路长度。在这样的实施方式中，Z方向点位移ΔZPSD(例如，对应于轴向检测点沿着位置光电检测器522的Z方向轴线的位移)相对于触针接触部分448处(例如，图3所示的接触部分448)的Z方向位移ΔZSTYLUS的比率可以近似为：
ΔZPSD/ΔZSTYLUS≈1 (等式6)
在各种实施方式中，如果轴向检测偏转器526能够在横向于轴向方向的至少一个方向上移动，则避免了机械复杂性。例如，如图5所示，轴向检测偏转器526和旋转检测偏转器516两者都能够在3个方向上移动。然而，根据本文所公开的原理，轴向检测偏转器526近似地沿着其光轴的方向、横向于轴线方向(即，近似地沿着Y轴)的运动可以改变所得的轴向检测点或线的聚焦的程度，而基本上不需要改变轴向检测点或线在位置光电检测器522上的有效位置。所得的Z位置信号对这样的散焦运动基本上不敏感。此外，由触针的小θY旋转产生的轴向检测偏转器526近似地沿着X轴方向的运动的预期范围可以改变Z位置光电检测器522上的Z位置点(不是线)沿着“未感测”X轴方向的有效位置，而基本上不改变其Z位置，使得Z位置信号对这样的X轴运动基本上不敏感。然而，值得注意的是，当轴向检测偏转器526是相对简单的圆形透镜时(例如，如图5所示)，由触针的大θY旋转产生的轴向检测偏转器的运动弧可以产生位置光电检测器522上的Z位置点的弧运动，其包括小的Z位置变化分量，以及点的不期望的和/或未感测的X轴位置变化分量。校准或补偿可以用于减少或消除信号处理中的相关的残余Z误差效应。替代地，包括两个交叉的圆柱透镜中的至少一个的更复杂的轴向检测偏转器可以用于光学地减少点的不期望的和/或未感应的X轴位置变化分量，并且进一步减少和/或简化由于运动弧引起的位置光电检测器522上的Z位置点的任何次要的不期望的Z轴位置变化分量的校正，如下面更详细地概述。
如上文所述，在各种实施例中，旋转检测偏转器516沿着其光轴(即，近似地沿着轴向方向和/或Z轴方向)的运动可以改变位置光电检测器522上的轴向检测点的聚焦的所得程度，如上文所述，这可能对所得的Z位置信号相对无关紧要。在各种实施方式中，在轴向运动与X和Y位置信号之间可能仍存在一些相对不期望的交叉耦合。例如，等式3和5示出了X方向点位移ΔXPSD(例如，对应于旋转检测点沿着位置光电检测器522的X轴的位移)对旋转检测偏转器516和位置光电检测器522之间的光路长度L敏感。对于Y方向点位移ΔYPSD(例如，对应于旋转检测点沿着光电检测器522的Y轴的位移)，也注意到类似的效果。如图所示，在图3中，光路长度L受轴向运动影响。然而，根据之前概述的原理，轴向或Z位置信号相对准确，且从而可用于校正L，以允许等式5基于来自ΔXPSD的信号提供ΔXSTYLUS的相对准确的确定。更具体地，在各种实施方式中，可以利用Z位置信号结合扫描探针的已知三角学，以从X或Y位置信号中的至少一个移除轴向运动交叉耦合分量。此外，如果需要，可以使用已知类型的用于减少交叉耦合误差的校准和/或迭代/相互依赖的位置坐标确定方法，以进一步改善测量的X、Y和Z位置或位移值的精度。
图6是示出了联接至扫描探针的主体外壳608的图5的触针位置检测部分511的各个部分的示意图。如上文概述的，轴向检测偏转器526和旋转检测偏转器516两者都刚性地附接至支架537，支架537联接至移动构件412及其附接的触针联接部分442(未示出)。另外，各个图示的元件可以相对于主体外壳608直接或间接地固定(例如，刚性地附接)。在各种实施方式中，位置光电检测器522上的旋转检测点的电和轴向检测点的点实现复用信号处理和控制电路确定相对应的X、Y和Z位置信号。对X、Y和Z位置信号的却实现确定旋转检测偏转器516轴向检测偏转器526的位置，其相对应地表示移动构件412(以及相对应的触针联接部分442、附接的触针406、接触部分448，未示出)相对于主体外壳608的绝对3D位置。
光源518A和518B的对准可能影响系统的总体性能。为了允许光源518A和518B和/或准直透镜518A′和518B′的正确的对准，可以在一些实施方式中使用对准组件，例如组件641，其包括Z位置管642、XY管643、以及保持器/挡板644。
图7是示出了触针位置检测部分711的第二示例性实施方式的示意图，其可以通过与关于图5的之前描述的类比来理解。与图5的实施方式的显著的差别包括：重新定位光学部件720(例如，偏振分束器)和四分之一波片733、以及添加反射镜743和光学部件745(例如，分束器)。进行这样的改变，结合使用旋转检测偏转器716(例如，凹面镜)和轴向检测偏转器726(例如，透镜)，其每一个具有长于图5的相对应的旋转检测偏转器516和轴向检测偏转器526的焦距。在示出的实施方式中，旋转检测偏转器716的焦距的百分比增加大于轴向检测偏转器726的焦距的百分比增加。这样的实施方式可以允许更多的自由，以达到由旋转检测偏转器716提供的旋转检测点的期望的运动范围和/或聚焦敏感度，和/或调整旋转检测点的运动与位置光电检测器722上的轴向检测点的运动之间的关系，用于移动构件412的相对应的运动。此外，这样的实施方式可以允许改变各种其他元件，从而更紧凑地布置、更有效率、更经济，等等。
图8是示出了触针位置检测部分811的第三示例性实施方式的示意图，其可以通过与关于图5的之前描述的类比来理解。与图5的实施方式的显著差异包括重新定位位置光电检测器822和添加反射镜839。进行这样的改变，结合使用旋转检测偏转器816和轴向检测偏转器826，其每一个具有长于图5的相对应的旋转检测偏转器516和轴向检测偏转器526的焦距。图8所示的实施方式可以因此相对应地允许更多的自由，以分别达到由旋转检测偏转器816和轴向检测偏转器826提供的旋转检测点和/或轴向检测点的期望的运动范围和/或聚焦敏感度。应当理解，在这样的配置中，位置光电检测器821可以定位为接近光源818A和818B，例如可以附接至公共电路板或以其他方式紧邻复用信号处理和控制电路(例如，在探针的顶部附近)。此外，这样的实施方式可以允许改变各种其他元件，从而更紧凑地布置、更有效率、更经济，等等。
应当理解，图5-8所示的变化是表示进一步重新布置和/或调整各种光学元件以及相关光路的可能性，同时保留与本文所公开的原理相关联的概述的许多或所有优点。例如，如前所述，轴向检测偏转器可以包括两个交叉的圆柱透镜中的至少一个，其具有聚焦到Z位置光电检测器(例如，位置光电检测器522)上的焦距。在一个实施方式中，圆柱透镜中的一个安装为根据触针偏转移动(例如，安装在支架537上)并对准，使得其聚焦能力在Y-Z平面中。其他圆柱透镜可以安装(例如，到引导部分535或其安装件)在轴向检测光束路径529中，使得其聚焦能力在X-Y平面中。与简单的圆形透镜相比，对于这样的配置，由触针的θY旋转产生的轴向检测偏转器的运动弧理想地不产生Z位置光电检测器上的点的显著的不期望的和/或未感测的X轴位置变化分量，且可以减少和/或简化由于运动弧引起的位置光电检测器522上的Z位置点的任何次要的不期望的Z轴位置变化分量的校正。作为另一示例，旋转检测偏转器和/或轴向检测偏转器可以具有更长或更短的焦距，和/或到位置光电检测器的光路可以更长或更短。在某些实施方式中，可以改变轴向检测偏转器和旋转检测偏转器所附接的支架的配置。例如，轴向检测偏转器所附接的轴臂的相对长度可以增加或减少，对此，应当理解，这样的改变可以相对应地改变轴向检测偏转器响应于旋转运动的运动量。在其他实施方式中，光路可以配置为使得轴向检测偏转器可以是反射元件(例如，凹陷反射元件)，而不是透射元件(例如，透镜)。另外，在各种实施方式中，可能期望使用偏振光源，其取向为避免在沿着光路的各个偏振器接口处浪费光能和/或信号强度。因此，应当理解，本文所公开的各种实施方式仅是示例性的，而非限制性的。
图9是示出了包括在扫描探针900的探针主体902的主体外壳908内的可用作图3所示的触针悬挂部分407的触针悬挂部分907的第二实施方式的截面的局部示意图。扫描探针900可以类似于之前参考图4描述的扫描探针400，除了触针悬挂部分907的第二实施方式与触针悬挂部分407′的实施方式不同。简单来说，如之前参考图4描述的，在触针悬挂部分407′中，包括(轴向)移动构件412的轴向运动机构410嵌入或支撑在旋转构件436的内部。与此相反，在触针悬挂部分907的本实施方式中，旋转构件436′嵌入或支撑在包括(轴向)移动构件412′的轴向运动机构410′的内部。
如图9所示，触针悬挂部分907包括触针运动机构909以及联接至触针406的触针联接部分442。触针运动机构909包括移动构件412′、盘状弯曲元件414′和415′(即，被称为第一弯曲元件)，其支撑移动构件412′并将其联接至主体外壳908，以实现移动构件412′以及支撑在其内部的元件的轴向运动。支撑在移动构件412′的内部的元件包括旋转运动机构434′，其包括旋转构件436′以及联接移动构件412′的盘状弯曲元件440′(称为第二弯曲元件)，以支撑并实现旋转构件436′的旋转运动。扫描探针900包括触针位置检测部分511(其具有的部件和操作之前参考图5描述)，以确定触针运动机构909和/或触针406的接触部分448的位置和/或运动。
第二弯曲元件440′可以在轴向方向O上设置在第一弯曲元件414′和415′的对的相应的平面之间。旋转构件436′可以具有关于第二弯曲元件440′对称的形状。第一弯曲元件414′和415′可以设置在相对于第二弯曲元件440′对称的距离处，尽管这样的实施方式仅是示例性的而非限制性的。
包括旋转构件436′的旋转运动机构434′支撑在(轴向)移动构件412′的内部，且移动构件412′和旋转运动机构434′一起构成运动模块，其为触针运动机构909的部分。轴向运动机构410′允许触针406的接触部分448在轴向方向O上移动。包括旋转构件436′的旋转运动机构434′允许接触部分448借助于围绕旋转中心RC的旋转运动横向(例如，近似垂直)于轴向方向O移动。
旋转构件436′一体地包括：下部部分；连接至第二弯曲元件440′的中心杆部分；以及下部部分。触针联接部分442(例如，凸缘构件)附接至旋转构件436′的下部部分。凸缘部分444设置为附接至触针406。凸缘部分444和触针联接部分442可以一起构成可拆卸的联接机构(例如，已知类型的运动接头或联接)，其允许可重复定位的(例如，在碰撞撞掉触针的情况下，当故意改变触针时，等等)各种触针406和触针联接部分442之间的附接和分离。
支架437用于将旋转检测偏转器416(例如，曲面镜)和轴向检测偏转器426(例如，透镜)刚性地附接至旋转构件436′的上部部分。如之前参考图5所示的触针位置检测部分511描述的，旋转检测偏转器416被包括作为旋转位置检测配置的部分，且轴向检测偏转器426被包括作为轴向位置检测配置的部分。
当与本文概述的类型的触针悬挂系统结合使用时，根据本文所公开的原理的触针位置检测部分511，以及其他触针位置检测部分具有特别的优点。然而，基于上文，应当理解，根据本文所公开的原理的触针位置检测部分不限于与这种悬架一起使用。更一般地，如果位置检测偏转器(例如，旋转和/或轴向检测偏转器)可以以操作方式刚性地联接至触针，则可以使用任何兼容类型的触针悬挂系统，如果需要，这可以包括一些完全旋转的或完全直线的悬挂系统。
图10A和10B是示出了弹性可变形盘状弯曲元件1014和1040的特定示例实施方式的示意图，例如可以用于触针悬挂部分中，以实现轴向运动和旋转运动。弯曲元件的材料的示例是磷青铜，但是应当理解，在其他实施方式中可以使用其他材料。在一个实施方式中，第一弯曲元件1014可以与成对的第一弯曲元件相同(例如，类似于弯曲元件414和415)，而在其他实施方式中，一对第一弯曲元件可以彼此不同。
第一弯曲元件1014设置有在圆周方向上彼此偏移120度的三个切口部分1014D，以形成周边部分1014A、结合部分1014B、以及中心部分1014C。周边部分1014A是固定至相对应的元件(例如，旋转构件436的环部分)的最外面周边部分。结合部分1014B的相反的端部分别联接至周边部分1014A和中心部分1014C。中心部分1014C是待固定至相对应的元件(例如，移动构件412)的部分。附接的元件(例如，移动构件412)在轴向(或Z)方向上的位移使得中心部分1014C垂直于弯曲元件1014的平面移动(例如，轴向方向)。应当理解，在其他实施方式中，其他形状可以用于弯曲元件。
在图10B的实施方式中，第二弯曲元件1040设置有在圆周方向上彼此偏移180度的两个弧形切口部分1040E，以及形成在其之间的两个铰链部分1040C。在圆周方向上彼此偏移180度的两个弧形切口部分1040F进一步设置在切口部分1040E的径向内侧面上，且两个铰链部分1040D形成在其之间。因此，形成周边部分1040A、结合部分1040G、以及中心部分1040B。周边部分1040A是待固定至相应的元件(例如，主体外壳408)的部分。中心部分1040B是待固定至相应的元件(例如，旋转构件436的圆柱部分436C的中部)的部分。切口1040E和1040F以及所得的铰链彼此偏移90度。从而，中心部分1040B是围绕这些铰链可倾斜的(可旋转的)，使得第二弯曲元件1040的中心用作旋转中心RC。应当理解，在其他实施方式中，对于每个弯曲元件可以使用其他形状。
图11是示出了例程1100的一个示例性实施方式的流程图，以基于从扫描探针接收的位置信号确定触针的接触部分的3D位置。在图框1110处，确定扫描探针已经定位，使得由触针联接部附接的触针的接触部分与被测量的工件的表面接触。在图框1120处，从复用信号处理和控制电路接收X和Y位置信号以及Z位置信号，复用信号处理和控制电路配置为将可变偏转旋转检测光束和可变偏转轴向检测光束复用在扫描探针的多点位置检测器部分上。
多点位置检测器部分配置为接收可变偏转旋转检测光束，并响应于此输出X和Y位置信号，X和Y位置信号表示触针联接部分围绕旋转中心的旋转。多点位置检测器部分还配置为接收可变偏转轴向检测光束，并响应于此输出Z位置信号，Z位置信号表示触针联接部分关于轴向方向的位置。在各种实施方式中，复用信号处理和控制电路包括解复用器，其配置为接收来自多点位置检测器部分的输出，并使X和Y位置信号与Z位置信号分离。在图框1130处，处理X、Y和Z位置信号，以确定触针的接触部分的3D位置，包括利用Z位置信号结合扫描探针的已知三角学，从X或Y位置信号中的至少一个移除轴向运动交叉耦合分量。
尽管已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化对于本领域技术人员将是显而易见的。各种替代形式可以用于实施本文公开的原理。此外，上述各种实施方式可以组合以提供进一步的实施方式。本说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请通过引用整体并入本文。如果需要，可以修改实施方式的方面，以采用各种专利和应用的概念，从而提供另外的实施方式。
根据上面的详细描述，可以对这些实施方式做出这些和其他改变。一般而言，在所附的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施方式，而是应被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。

Claims (20)

1.一种用于与坐标测量机一起使用的扫描探针，所述扫描探针包括：
外壳；
触针悬挂部分，包括：
触针联接部分，其配置为刚性地联接至触针，所述触针具有触针接触部分；以及
触针运动机构，其联接至所述外壳，并且包括：
轴向运动机构，其配置为实现所述触针联接部分的轴向运动以在轴向方向上移动所述触针接触部分；以及
旋转运动机构，其配置为实现所述触针联接部分围绕旋转中心的旋转运动，以借助于所述旋转运动而在与所述轴向方向近似垂直的方向上移动所述触针接触部分，其中所述旋转运动机构的弯曲元件用于提供所述旋转中心；以及
触针位置检测部分，包括：
包括可控的旋转检测光源和可控的轴向检测光源的光源配置，所述可控的旋转检测光源配置为提供旋转检测光束，且所述可控的轴向检测光源配置为提供轴向检测光束；
多点位置检测器部分；
复用信号处理和控制电路；
旋转位置检测配置，包括：
旋转位置检测光束路径，配置为接收来自所述可控的旋转检测光源的所述旋转检测光束；以及
旋转检测偏转器，其包括沿着所述旋转位置检测光束路径的一部分定位的凹面镜，所述旋转位置检测光束路径沿着所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述凹面镜的光轴在所述轴向方向上取向，其中所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转运动使所述凹面镜横向于其光轴移动，且由此所述凹面镜向所述多点位置检测器部分输出可变偏转旋转检测光束；以及
轴向位置检测配置，包括：
轴向检测光束路径，配置接收来自所述可控的轴向检测光源的所述轴向检测光束；以及
轴向检测偏转器，其包括沿着所述轴向检测光束路径的一部分定位的透镜，所述轴向检测光束路径横向于所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述透镜的光轴在横向于所述轴向方向的方向上取向，
其中所述轴向检测偏转器配置为响应于所述触针联接部分的轴向运动而在所述轴向方向上移动，由此所述透镜向所述多点位置检测器部分输出可变偏转轴向检测光束，且
其中所述轴向检测偏转器还配置为响应于所述旋转运动在横向于所述轴向方向的至少一个方向移动；
其中：
所述多点位置检测器部分刚性地联接至所述外壳且配置为接收所述可变偏转旋转检测光束，并且通过所述可变偏转轴向检测光束响应于形成在其上的旋转检测点的位置而输出X和Y位置信号，其中所述X和Y位置信号表示所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转，且
所述多点位置检测器部分还配置为接收所述可变偏转轴向检测光束，并且通过所述可变偏转旋转检测光束响应于形成在其上的点的位置而输出表示所述触针联接部分关于所述轴向方向的位置的Z位置信号；
所述复用信号处理和控制电路配置为将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用到所述多点位置检测器部分上，并且提供解复用，以使所述X和Y位置信号与所述Z位置信号分离；以及
所述触针位置检测部分配置为使得所述Z位置信号对所述轴向检测偏转器在横向于所述轴向方向的所述至少一个方向上的运动基本上不敏感。
2.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述多点位置检测器部分包括输出所述Z位置信号的位置光电检测器，所述Z位置信号响应于由所述可变偏转轴向检测光束形成的轴向检测点或线的所述Z位置光电检测器沿着Z检测轴线的位置。
3.如权利要求2所述的扫描探针，其中所述可变偏转轴向检测光束至少部分地由所述轴向检测偏转器聚焦，以在所述位置光电检测器上形成所述轴向检测点或线，且所述轴向检测偏转器沿着横向于所述轴向方向的第一方向的运动改变所述轴向检测点或线，而基本上不改变所述轴向检测点或线在所述位置光电检测器上的有效位置。
4.如权利要求3所述的扫描探针，其中所述轴向位置检测配置还配置为使得：
所述可变偏转轴向检测光束至少部分地由所述轴向检测偏转器聚焦，以在所述位置光电检测器上形成所述轴向检测点；
所述Z位置信号响应于所述轴向检测点沿着所述位置光电检测器的Z检测轴线的位置；以及
所述轴向检测偏转器沿着横向于所述轴向方向的第二方向的运动改变形成在所述位置光电检测器上的所述轴向检测点沿着正交于所述位置光电检测器的Z检测轴线的方向的位置。
5.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述轴向检测偏转器和所述旋转检测偏转器刚性地彼此联接。
6.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述轴向检测偏转器和所述旋转检测偏转器通过支撑在所述触针运动机构上的构件刚性地联接至所述触针联接部分。
7.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述光源配置刚性地联接至所述外壳。
8.如权利要求7所述的扫描探针，其中所述X和Y位置信号结合所述Z位置信号实现确定所述触针联接部分相对于所述外壳的绝对3D位置。
9.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述多点位置检测器部分包括位置光电检测器，其配置为输出X位置信号，所述X位置信号响应于沿着由所述可变偏转旋转检测光束形成的旋转检测点的所述位置光电检测器的第一轴线的位置，且其配置为输出Y位置信号，所述Y位置信号响应于沿着所述旋转检测点的所述位置光电检测器的第二轴线的位置。
10.如权利要求9所述的扫描探针，其中：
所述旋转检测偏转器联接至所述触针悬挂部分，以响应于所述旋转运动而移动，且所述旋转检测偏转器还响应于所述轴向运动在所述轴向方向上移动；并且
所述旋转位置检测配置名义上配置为使得，当没有所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转时，所述X和Y位置信号对所述旋转检测偏转器沿着所述轴向方向的运动基本上不敏感。
11.如权利要求9所述的扫描探针，其中所述旋转位置检测配置被配置为使得所述可变偏转旋转检测光束至少部分地由所述旋转检测偏转器聚焦，以在所述位置光电检测器上形成所述旋转检测点。
12.如权利要求1所述的扫描探针，其中：
所述多点位置检测器部分包括具有表面平面的位置光电检测器；
所述旋转位置检测配置还包括反射表面，所述反射表面配置为沿着横向于所述旋转检测偏转器的光轴的方向将所述可变偏转旋转检测光束反射到所述位置光电检测器的表面平面上的位置；并且
所述可变偏转轴向检测光束从所述轴向检测偏转器传输至所述位置光电检测器的表面平面上的位置。
13.如权利要求12所述的扫描探针，其中所述旋转位置检测配置还包括四分之一波片，所述四分之一波片沿着所述旋转位置检测光束路径在所述射表面和所述旋转检测偏转器之间延伸的一部分定位。
14.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述触针位置检测部分还包括反射表面，所述反射表面配置为将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束两者反射到所述位置光电检测器的表面平面上的相应的位置。
15.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述复用信号处理和控制电路包括：
旋转检测函数发生器，其联接至所述可控的旋转检测光源；
轴向检测函数发生器，其联接至所述可控的轴向检测光源；以及
解复用器，其联接至所述多点位置检测器部分；
其中所述复用信号处理和控制电路配置为控制所述旋转检测函数发生器和所述轴向检测函数发生器，使得将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用在所述多点位置检测器部分上，且还配置为控制所述解复用器，以使所述X和Y位置信号与所述Z位置信号分离。
16.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述复用信号处理和控制电路利用频域复用，以将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用在所述多点位置检测器部分上。
17.如权利要求1所述的扫描探针，其中所述复用信号处理和控制电路利用时域复用，以将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用在所述多点位置检测器部分上。
18.一种基于从触针所附接的扫描探针接收的位置信号，来确定所述触针的接触部分的3D位置的方法，所述方法包括：
确定所述扫描探针已经定位为使得所述附接的触针的接触部分已经与被测量的工件接触，其中所述扫描探针包括：
外壳；
触针悬挂部分，包括：
触针联接部分，其配置为刚性地联接至所述触针，所述触针具有触针接触部分；以及
触针运动机构，其联接至所述外壳，并且包括：
轴向运动机构，其配置为实现所述触针联接部分的轴向运动以在轴向方向上移动所述触针接触部分；以及
旋转运动机构，其配置为实现所述触针联接部分围绕旋转中心的旋转运动，以借助于所述旋转运动而在与所述轴向方向近似垂直的方向上移动所述触针接触部分，其中所述旋转运动机构的弯曲元件用于提供所述旋转中心；以及
触针位置检测部分，包括：
光源配置，包括可控的旋转检测光源和可控的轴向检测光源，所述可控的旋转检测光源配置为提供旋转检测光束，且所述可控的轴向检测光源配置为提供轴向检测光束；
多点位置检测器部分；
复用信号处理和控制电路；
旋转位置检测配置，包括：
旋转位置检测光束路径，配置为从所述可控的旋转检测光源接收所述旋转检测光束；以及
旋转检测偏转器，其包括沿着所述旋转位置检测光束路径的一部分定位的凹面镜，所述旋转位置检测光束路径沿着所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述凹面镜的光轴在所述轴向方向上取向，其中所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转运动使所述凹面镜横向于其光轴移动，且由此所述凹面镜配置为向所述多点位置检测器部分输出可变偏转旋转检测光束；以及
轴向位置检测配置，包括：
轴向检测光束路径，配置为从所述可控的轴向检测光源接收所述轴向检测光束；以及
轴向检测偏转器，其包括沿着所述轴向检测光束路径的一部分定位的透镜，所述轴向检测光束路径横向于所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述透镜的光轴在横向于所述轴向方向的方向上取向，
其中所述轴向检测偏转器配置为响应于所述触针联接部分的轴向运动而在所述轴向方向上移动，由此所述透镜向所述多点位置检测器部分输出可变偏转轴向检测光束，且
其中所述轴向检测偏转器还配置为响应于所述旋转运动在横向于所述轴向方向的至少一个方向上移动；
其中：
所述多点位置检测器部分刚性地联接至所述外壳且配置为接收所述可变偏转旋转检测光束，并且通过所述可变偏转轴向检测光束响应于形成在其上的旋转检测点的位置而输出X和Y位置信号，其中所述X和Y位置信号表示所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转，且
所述多点位置检测器部分还配置为接收所述可变偏转轴向检测光束，并且通过所述可变偏转旋转检测光束响应于形成在其上的点的位置而输出Z位置信号，所述Z位置信号表示所述触针联接部分关于所述轴向方向的位置；
其中所述复用信号处理和控制电路配置为将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用在所述多点位置检测器部分上，并且提供解复用，以使所述X和Y位置信号与所述Z位置信号分离；并且
所述触针位置检测部分配置为使得所述Z位置信号对所述轴向检测偏转器在横向于所述轴向方向的所述至少一个方向上的运动基本上不敏感；以及
从所述复用信号处理和控制电路接收所述X、Y和Z位置信号；以及
处理所述X、Y和Z位置信号，以确定所述触针的接触部分的3D位置。
19.如权利要求18所述的方法，其中对所述X、Y和Z位置信号的所述处理包括，利用所述Z位置信号结合所述扫描探针的已知三角学，从所述X或Y位置信号中的至少一个移除轴向运动交叉耦合分量。
20.一种基于从触针所联接的扫描探针接收的位置信号，来确定所述触针的接触部分的3D位置的系统，所述系统包括：
接收部分，用于从所述扫描探针接收X和Y位置信号以及Z位置信号，其中所述扫描探针包括：
外壳；
触针悬挂部分，包括：
触针联接部分，其配置为刚性地联接至所述触针，所述触针具有触针接触部分；以及
触针运动机构，其联接至所述外壳，并且包括：
轴向运动机构，其配置为实现所述触针联接部分的轴向运动以在轴向方向上移动所述触针接触部分；以及
旋转运动机构，其配置为实现所述触针联接部分围绕旋转中心的旋转运动，以借助于所述旋转运动而在与所述轴向方向近似垂直的方向上移动所述触针接触部分，其中所述旋转运动机构的弯曲元件用于提供所述旋转中心；以及
触针位置检测部分，包括：
光源配置，包括可控的旋转检测光源和可控的轴向检测光源，所述可控的旋转检测光源配置为提供旋转检测光束，且所述可控的轴向检测光源配置为提供轴向检测光束；
多点位置检测器部分；
复用信号处理和控制电路；
旋转位置检测配置，包括：
旋转位置检测光束路径，配置为从所述可控的旋转检测光源接收所述旋转检测光束；以及
旋转检测偏转器，其包括沿着所述旋转位置检测光束路径的一部分定位的凹面镜，所述旋转位置检测光束路径沿着所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述凹面镜的光轴在所述轴向方向上取向，其中所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转运动使所述凹面镜横向于其光轴移动，且由此所述凹面镜向所述多点位置检测器部分输出可变偏转旋转检测光束；以及
轴向位置检测配置，包括：
轴向检测光束路径，配置为从所述轴向检测光源接收所述轴向检测光束；以及
轴向检测偏转器，其包括沿着所述轴向检测光束路径的一部分定位的透镜，所述轴向检测光束路径横向于所述轴向方向延伸且刚性地联接至所述触针联接部分，且所述透镜的光轴在横向于所述轴向方向的方向上取向，
其中所述轴向检测偏转器配置为响应于所述触针联接部分的轴向运动而在所述轴向方向上移动，由此所述透镜向所述多点位置检测器部分输出可变偏转轴向检测光束，且
其中所述轴向检测偏转器还配置为响应于所述旋转运动在横向于所述轴向方向的至少一个方向上移动；
其中：
所述多点位置检测器部分刚性地联接至所述外壳且配置为接收所述可变偏转旋转检测光束，并且通过所述可变偏转轴向检测光束响应于形成在其上的旋转检测点的位置而输出X和Y位置信号，其中所述X和Y位置信号表示所述触针联接部分围绕所述旋转中心的旋转，且
所述多点位置检测器部分还配置为接收所述可变偏转轴向检测光束，并且通过所述可变偏转旋转检测光束响应于形成在其上的点的位置而输出Z位置信号，所述Z位置信号表示所述触针联接部分关于所述轴向方向的位置；
所述复用信号处理和控制电路配置为将所述可变偏转旋转检测光束和所述可变偏转轴向检测光束复用在所述多点位置检测器部分上，并提供解复用，以使所述X和Y位置信号与所述Z位置信号分离；以及
触针位置检测部分，配置为使得所述Z位置信号对所述轴向检测偏转器在横向于所述轴向方向的所述至少一个方向上的运动基本上不敏感；以及
处理部分，用于处理所述X、Y和Z位置信号，以确定所述触针的接触部分的3D位置。
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