CN109141227B - 用于使用发射体材料配置的测量设备的光学配置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在坐标测量机中使用的在3个轴线中响应的扫描探针。扫描探针包括框架、触针悬挂部分和触针位置检测部分。触针位置检测部分包括光源和位置指示元件，该位置指示元件相对于触针联接部分固定并且包括具有发射体材料(例如，磷光体)的至少一个发射器部分，所述发射体材料输入和吸收来自光源的光并且通过输出激发光来响应。在各种实施例中，激发光作为测量光沿着测量光斑路径(例如，包括远心成像配置)被引导，以在位置敏感检测器(例如，象限型光电检测器)上的光斑位置处形成测量光斑，对此，光斑位置响应于位置指示元件和触针联接部分的位置的对应改变而改变。

Description

用于使用发射体材料配置的测量设备的光学配置

技术领域

本公开涉及精密测量，并且更具体地，涉及与坐标测量机一起使用的探针中的感测配置。

背景技术

坐标测量机(CMM)可以获取被检工件的测量值。美国专利第8，438，746号的全部内容通过引用并入本文，其中描述了一种示例性现有技术的CMM，其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。在美国专利第7，652，275号中描述了一种包括表面扫描探针的CMM，该专利的全部内容通过引用并入本文。如其中公开的，机械接触探针或光学探针可以跨过工件的表面进行扫描。

在美国专利第6，971，183号(’183专利)中描述了一种采用机械接触探针的CMM，该专利的全部内容通过引用并入本文。在其中公开的探针包括具有表面接触部分的触针、轴向运动机构和转动运动机构。轴向运动机构包括移动构件，其允许接触部分沿着测量探针的中心轴线方向(也被称为Z方向或轴向方向)移动。转动运动机构包括转动构件，其允许接触部分垂直于Z方向移动。轴向运动机构嵌套在转动运动机构内。基于转动构件的位移和轴向运动移动构件的轴向位移确定接触部分的位置和/或工件表面坐标。

诸如在'183专利中公开的运动机构和/或常规位移检测器布置可能相对昂贵和/或易受各种“交叉藕联”错误(例如，由于一般配置和/或机构和/或检测器缺陷等)的影响。具有这种配置的其他问题可能包括系统响应中固有的非线性(例如，由于移动光学元件)，由于使用的光源的移动导致的位置误差等。存在对于探针中的改进的感测配置的需求(例如，其中位移检测器配置可以不易受到诸如上述那些的错误的影响，可以是相对低成本的，和/或可以具有更高的精确度等)。

发明内容

提供这一发明内容用以以简化的形式介绍构思选择，其在下文具体实施例中进一步被说明。这一发明内容不旨在确定要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于辅助确定要求保护的主题的范围。

可在3个轴线中响应的扫描探针被提供同于测量机(例如，CMM)中。扫描探针包括框架、触针悬挂部分和触针位置测量部分。触针悬挂部分附接至框架，并且包括触针联接部分和触针运动机构，所述触针联接部分被配置为刚性地联接至触针，所述触针运动机构被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转动中心的转动运动。触针位置检测部分包括第一位置敏感检测器、光源位置和位置指示元件。第一位置敏感检测器相对于框架固定，并且包括第一光电检测器(例如，象限型光电检测器)，该第一光电检测器被配置提供响应于第一测量光斑沿着第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向和第二感测轴线方向的位置的输出。所述光源配置相对于框架固定，并且被配置为沿着至少一个源光路径辐照包括第一波长范围的源光。所述位置指示元件相对于触针联接部分固定，并且与触针联接部分一起移动。所述位置指示元件包括至少一个发射器部分，所述至少一个发射器部分包括发射体材料，该发射体材料输入来自所述光源的在第一波长范围中的光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光。在各种实施例中，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围。

在各种实施例中，所述至少一个发射器部分被配置为沿着所述至少一个源光路径输入源光，而与触针联接部分在其运动范围内的位置无关。位置指示元件被配置为沿着第一测量光斑路径(例如，包括远心成像配置)输出作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在第一位置敏感检测器上的第一光斑位置处形成第一测量光斑，对此，第一光斑位置响应于位置指示元件和触针联接部分的位置的对应改变而改变。第一位置敏感检测器输出第一组位置指示信号，其指示在第一位置敏感检测器上的第一光斑位置。

在各种实施例中，扫描探针进一步包括第二位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括第二光电检测器(例如，象限型光电检测器)，该第二光电检测器被配置为提供响应于第二测量光斑沿着所述第二位置敏感检测器的至少第一感测轴线方向的位置的输出。在这一配置中，位置指示元件可以进一步被配置为沿着第二测量光斑路径(例如，包括远心成像配置)输出作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在第二位置敏感检测器上的第二光斑位置处形成第二测量光斑，对此，第二光斑位置响应于位置指示元件和触针联接部分的位置的对应改变而改变。第二位置敏感检测器输出指示在第二位置敏感检测器上的第二光斑位置的第二组位置指示信号。在各种实施例中，来自第一位置敏感检测器的第一组位置指示信号和来自第二位置敏感检测器的第二组位置指示信号组合，以指示位置指示元件和触针联接部分相对于框架的位置。在各种实施例中，并非利用第二位置敏感检测器，多路复用电路可以被用于将第一和第二测量光斑多路复用到第一位置敏感检测器上，并且提供解复用以对应于第一和第二测量光斑从第一位置敏感检测器分离输出信号(例如，第一组和第二组位置指示信号)。

附图说明

图1是示出测量系统的各个典型部件的图，该测量系统包括利用诸如本文公开的扫描探针的CMM；

图2是示出扫描探针的各个元件联接到CMM并提供位置信号的框图；

图3是示出联接到触针的触针悬挂部分的第一示例性实施例以及用于检测该触针悬挂部分的位置的、包括第一和第二位置敏感检测器的触针位置检测部分的第一示例性实施例的部分的图；

图4是示出图3的第一位置敏感检测器的示例性实施例的图；

图5是示出包括在扫描探针的主体框架内的图3的触针悬挂部分的一个实施例的横截面的图；

图6是示出包括在图5的扫描探针中的触针位置检测部分的第二示例性实施例的图；

图7是示出触针位置检测部分的第三示例性实施例的部分示意图；

图8是示出触针位置检测部分的第四示例性实施例的部分示意图；

图9是示出触针位置检测部分的第五示例性实施例的部分示意图；

图10是示出用于基于从扫描探针接收到的位置信号确定触针的接触部分的3D位置的例程的一个示例性实施例的流程图。

具体实施方式

图1是示出测量系统100的各个典型部件的图，该测量系统100包括利用诸如本文公开的扫描探针300的CMM 200。测量系统100包括操作单元110、控制CMM 200的运动的运动控制器115、主计算机120和CMM 200。操作单元110联接至运动控制器115，并且可以包括用于手动操作CMM 200的操纵杆。主计算机120联接至运动控制器115，并且操作CMM 200，并且处理用于工件W的测量数据。主计算机120包括用于输入例如测量条件的输入器件125(例如，键盘等)和用于输出例如测量结果的输出器件130(例如，显示器、打印机等)。

CMM 200包括定位在表面板210上的驱动机构220和用于将扫描探针300附接至驱动机构220的附接部分224。驱动机构220包括分别为x轴、y轴和z轴的滑动机构222、221和223，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。如下文将更详细描述的，触针306附接至扫描探针300的触针悬挂部分，其允许当接触部分348沿着工件W的表面上的测量路径移动时，接触部分348在多个方向上自由地改变其位置。

图2是示出联接到CMM 200并提供位置信号的扫描探针300的各个元件的框图。扫描探针300包括探针主体302(例如，包括框架)，其包含触针悬挂部分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被配置为实现触针联接部分342和附接的触针306的各种类型的运动。例如，在一个实施例中，触针运动机构309被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，并且实现触针联接部分342和附接的触针306围绕转动中心的转动运动。

如图2所示，触针位置检测部分311包括第一位置检测配置313和第二位置检测配置325。第一位置检测配置313输出第一组位置指示信号313’。在一个具体实施例中，第一组位置指示信号313’可以包括指示触针联接部分342的转动位置的至少第一和第二转动信号(例如，X和Y位置信号)。第二位置检测配置325输出第二组位置指示信号325’。在一个具体实施例中，第二组位置指示信号325’可以包括指示触针联接部分342沿着轴向方向的轴向位置的轴向信号(例如，Z位置信号)。在各种实施例中，一个或多个接收部分(例如，在CMM200中、运动控制器115和主计算机120等中)可以接收第一和第二组位置指示信号，并且一个或多个相关联的处理部分可以被用于在接触部分沿着正在被测量的工件的表面移动时确定触针联接部分342和/或附接的触针306的接触部分的3D位置。

图3是示出示意性/局部地表示的联接至触针406的触针悬挂部分407的第一示例性实施例的部分的图。应注意，图3中的具有特定编号的部件4XX可以与图2中相似编号的对应部件3XX对应和/或具有相似的操作，并且可以通过类推或下文所述的其它方式来理解。用于指示具有类似设计和/或功能的元件的这种编号方案也适用于下面的图4-9。如图3所示，触针悬挂部分407包括触针运动机构408和触针联接部分442。触针联接部分442被配置为刚性地联接至触针406，触针406具有用于接触工件W(未示出)的表面S的接触部分448。

如下文关于图5将更详细地说明的，触针运动机构409被配置为实现触针联接部分442和附接的触针406的运动，使得接触部分448可以沿着表面S的形状改变其位置。在一个特定示例性实施例中，触针运动机构409被配置为实现触针联接部分442和附接的触针406的轴向运动和转动运动，使得接触部分448可以沿着表面S的形状在三个方向上改变其位置。为了示意的目的，图3中的纸平面上的竖直和水平方向被分别定义为Z和Y方向，且纸平面的垂直方向被定义为X方向。测量探针300的中心轴O的方向(例如，轴向方向AD)在这一图示中与Z方向一致。

在图3中，触针运动机构409的转动运动部分被示出，其包括转动构件436(其也被称为转动构件RP)、挠性元件440以及设置在转动构件436内的移动构件412。如在下文关于图5将更详细地描述的，挠性元件440实现转动构件436围绕转动中心RC的转动运动。如将在下文中更详细地描述的，在各种实施例中，第一光电检测器422和第二光电检测器428能够感测移动构件412的位置。在图3的示例中，第一光电检测器422能够感测移动构件412在X和Y方向上的转动位置，并且第二光电检测器428能够感测移动构件412在Z方向上的轴向位置。类似的触针运动机构在同时未决和共同转让的于于2015年12月17日提交的、标题为“Optical Configuration For Measurement Device”的美国专利申请第No.14/973，431号中被描述，其全部内容通过引用并入本文。

如图3所示，触针位置检测部分411的第一示例性实施例包括位置指示元件405，其联接至移动构件412并且相对于框架移动(例如，其中框架被包括为探针本体中的部分，等)。触针位置检测部分411的各个其它部件可以相对于框架固定，除非另有说明。在图3的示例中，位置指示元件405包括分束器420、第一发射器部分451和第二发射器部分461。分束器420附接至移动构件412的端部，并且包括第一和第二位置指示元件部分416和426(例如，分束器的表面)，在此分别定位第一和第二发射器部分451和461。

触针位置检测部分411进一步包括第一位置检测配置413和第二位置检测配置425。如下文将更详细地描述的，第一位置检测配置413包括第一测量光斑产生配置450和第一位置敏感检测器421。第二位置检测配置425包括第二测量光斑产生配置460和第二位置敏感检测器427。第一位置敏感检测器421包括第一光电检测器422，且第二位置敏感检测器427包括第二光电检测器428。如将参考图4在下文更详细地描述的，在各种实施例中，第一和第二光电检测器422和428每个可以是象限型光电检测器。

第一测量光斑产生配置450包括光源、分束器420、第一发射器部分451、第一测量光斑路径423'、第一透镜452、第一空间滤波器453和第一源光滤波器454，所述光源具有沿着第一源光路径423提供源光的光源配置(未示出)。第二测量光斑产生配置460包括光源、分束器420、第二发射器部分461、第二测量光斑路径429'、第二透镜462、第二空间滤波器463和第二源光滤波器464，该光源具有沿着第二源光路径429提供源光的光源配置。在图3的示例中，某些部分对于第一测量光斑产生配置450和第二测量光斑产生配置460两者是共用的(例如，在两种配置中利用光源配置的相同的光源以沿着同一源光路径423/429提供源光至同一分束器420)。替代地，在其它配置中，分离的部件可以被用于配置的这些部分(例如，如下文关于图9将更详细地描述的)。

在操作中，源光(例如，来自相对于框架固定的光源配置的光源)沿着源光路径(即，对应于第一源光路径423和第二源光路径429二者)提供。分束器420接收源光并将源光分离成朝向第一发射器部分451引导的被分割的源光的第一部分，以及朝向第二发射器部分461被引导的被分割的源光的第二部分。在替代实施例中，可以使用多个光源，由此将可以不需要用于将源光分离到多个路径中的分光器，如将在下面关于图9更详细描述的。

在各种实施例中，位置指示元件405(即，相对于触针联接部分442固定并且与触针联接部分442一起移动)的第一和第二发射器部分451和461包括发射体材料(例如，固定至分束器420的表面的磷光体填充树脂等)。在各种实施例中，如本文中一般性描述的发射体材料可以包括一种或多种常规磷光体材料，诸如YAG-Ce+基磷光体、或光致发光半导体纳米颗粒或纳米晶体、或Q-颗粒磷光体(通常称为量子点或半导体量子点)、或氧化锌纳米棒等。发射体材料输入来自光源的源光(例如，在第一波长范围中)，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。如将在下文更详细的描述的，位置指示元件405的第一和第二发射器部分451和461分别输出所产生的激发光的第一部分和第二部分。

在各种实施例中，位置指示元件405的第一发射器部分451被配置为沿着第一源光路径423输入源光，而与触针联接部分442在其运动范围内的位置无关。第一发射器部分451进一步配置为沿着第一测量光斑路径423’发射作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在第一位置敏感检测器421上的第一光斑位置455’处形成第一测量光斑455。在各种实施例中，第一光斑位置455’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。

更具体地，第一测量光由第一透镜452聚焦，并且通过第一空间滤波器453和第一源光滤波器454，以在第一位置敏感检测器421上的第一光斑位置455’处形成测量光斑455。在各种实施例中，第一透镜452和第一空间滤波器453是光学配置的部分，第一测量光斑路径423’通过该光学配置，并且第一透镜452和第一空间滤波器453根据已知的原理定位成远心成像配置。远心成像布置操作为将来自第一发射器部分451的所产生的激发光在第一位置敏感检测器421上的第一光斑位置455’处成像为第一测量光斑455。

在各种实施例中，第一测量光斑455对应于触针联接部分422的位置(例如，转动位置)和第一发射器部分451的相关联的位置(例如，横向于轴向方向的位置，其中轴向方向近似对应于Z轴方向)而沿着第一位置敏感检测器421的第一和第二感测轴线方向移动。在该配置中，第一位置敏感检测器421的第一和第二感测轴线方向在横向于轴向方向AD取向的平面中近似彼此垂直。第一位置敏感检测器421输出指示在第一位置敏感检测器421上的第一光斑位置455’的第一组位置指示信号(例如，第一和第二转动信号等)。在各种实施例中，第一组位置指示信号可以对应地指示触针联接部分442的位置(例如，第一和第二转动信号可以指示触针联接部分422的转动位置，等)。

在各种实施例中(例如，至少部分地由于第一透镜452和第一空间滤波器453的远心布置)，第一发射器部分451的移动可以对应于在第一位置敏感检测器421上的第一测量光斑455的特定的移动量。在一个特定的实施例中，这可以对应1:1的比例，使得第一发射器部分451的移动ΔY可以对应于第一测量光斑455在第一位置敏感检测器421上的相同的移动量ΔY。在这种实施例中，第一测量光斑455在第一位置敏感检测器421的第一光电检测器422上沿着Y方向远离原点(例如，参考或零点位置等)的移动或位移ΔYPSD可以大约为：

ΔYPSD＝HθY (等式1)

其中，H是从转动中心RC到第一发射器部分451的距离，且θY是转动构件436在平行于Y方向的平面中的转动运动倾转度(即，就是说，在转动中心RC处围绕平行于X轴线的轴线的转动)。触针406的接触部分408关于转动运动倾转度分量θY而远离原点(即，参考或零位置等)的Y方向移动或位移YSTYLUS可以大约为：

ΔYSTYLUS＝θY*(hS+lS) (等式2)

其中，hS是从触针联接部分442至转动中心RC的距离，并且lS是触针406的长度。结合等式1和2，在光电检测器442上的Y方向光斑位移关于在接触部分448处的Y方向位移的比例可以大约为：

ΔYPSD/ΔYSTYLUS＝H/(hS+lS) (等式3)

将意识的，X坐标运动分量与上述表述类似，并在此将不会被进一步详细解释。对于各种触针的触针长度lS可以在等式(例如，关于系统的三角学)中应用，用于基于X Y检测的光斑位置确定接触部分448的X Y位置。

在各种实施例中，位置指示元件405的第二发射器部分461(即，其相对于触针联接部分442固定，并且与触针联接部分442一起移动)被配置为沿着第二源光路径429输入源光，而与触针联接部分442在其运动范围内的位置无关。第二发射器部分461进一步配置为沿着第二测量光斑路径429’发射作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在第二位置敏感检测器427上的第二光斑位置465’处形成第二测量光斑465。在各种实施例中，第二光斑位置465’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。

更具体地，第二测量光由第二透镜462聚焦，并且通过第二空间滤波器463和第二源光滤波器464，以在第二位置敏感检测器427上的第二光斑位置465’处形成第二测量光斑465。在各种实施例中，第二透镜462和第二空间滤波器463是光学配置的部分，第二测量光斑路径429’通过该光学配置，并且第二透镜462和第二空间滤波器463根据已知的原理定位成远心成像配置。远心成像布置操作为将来自第二发射器部分461的所产生的激发光在第二位置敏感检测器427上的第二光斑位置465’处成像为第二测量光斑465。在各种实施例中，第二测量光斑465对应于触针联接部分442位置(例如，近似对应于Z轴方向的轴向位置)和第二发射器部分461的相关联位置而沿着第二位置敏感检测器427的第二轴线方向移动。在这一配置中，第二位置敏感检测器427的第一感测轴线方向近似平行于轴向方向。第二位置敏感检测器427输出指示在第二位置敏感检测器427上的第二光斑位置465’的第二组位置指示信号(例如，轴向信号)。在各种实施例中，第二组位置指示信号可以指示触针联接部分442的位置(例如，轴向信号可以指示触针联接部分422的轴向位置，等)。

在各种实施例中(例如，至少部分地由于第二透镜462和第二空间滤波器463的远心布置)，第二发射器部分461的移动可以对应于在第二位置敏感检测器427上的第二测量光斑465的特定的移动量。在一个特定的实施例中，这可以对应1:1的比例，使得第二发射器部分461的移动ΔZ可以对应于第二测量光斑465在第二位置敏感检测器427上的相同的移动量ΔZ。在这种实施例中，第二测量光斑465在第二位置敏感检测器427的第二光电检测器428上沿着Z方向远离原点(例如，参考或零点位置等)的移动或位移ΔZPSD关于在触针接触部分(例如，接触部分448)处的Z方向位移ΔZSTYLUS的关系可以大约为：

ΔZPSD/ΔZSTYLUS≈1 (等式4)

在各种实施例中，如果第二发射器部分461沿横向于轴向方向的至少一个方向移动，例如如图3所示，第二发射器部分461和第一发射器部分451二者均在3个方向中移动，则避免了机械复杂性。然而，根据本文所公开的原理，第二发射器部分461的近似横向于轴向方向(即，近似沿着Y轴)的运动基本上不改变对应于在第二光电检测器428上的光斑或线的有效位置的信号。在图3所述示例性实施例中，所导致的Z位置信号基本上对于这种Y轴运动不敏感。另外，第二发射器部分461近似沿着X轴方向的运动的预期范围(由触针的小θX转动产生)可以改变在第二光电检测器428上的光斑(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位置信号对这种X轴运动基本上不敏感。然而，应理解，由触针的大θX转动产生的第二发射器部分461的运动弧可以产生在第二光电检测器428上的第二测量光斑465的弧形运动，其除了第二测量光斑465的不希望的和/或不被感测的X轴位置变化分量之外还包括小的Z位置变化分量。校准或补偿可用于减少或消除信号处理中的相关残留Z误差影响。通常，如果需要，可以使用已知类型的用于减少任何交叉耦联误差的校准和/或迭代/相互依赖的位置坐标确定方法来进一步提高测得的位置或位移值(例如，X、Y和Z值，θx，θy和Z值等)的准确度。

在各种实施例中，作为对应的远心成像配置的部分，空间滤波器453和463(例如，包括相应的中心孔径)在空间上过滤来自相应的透镜452和462的测量光，并且因此以更好的准确度和更低的聚焦敏感度将对应的测量光斑455和465成像到相应的光电检测器422和428上。由于移动构件412将第一和第二发射器部分451和461移动到不同的焦距，所以在某些配置中可能需要较低的聚焦敏感度，其中，对于测量光斑455和465不受不同焦距的显着影响可能是优选的。更具体地，主要的位置确定技术可涉及测量光斑455和465在相应的光探测器422和428上的横向移动，对此，测量光斑455和465由于焦点变化而显着改变可能是不期望的。就这一点而言，可以理解的是，空间滤波器453和463的相应孔径有效地“选择”与第一和第二发射器部分451和461的物理位置和范围相对应的近似准直的光线，系统被设计为检测第一和第二发射器部分451和461的物理位置和范围。

在各种实施例中，源光滤波器454和464被配置为阻挡/防止杂散源光(即，在各种实施例中可以是相对较强的光)到达光电检测器422和428的光学滤波器。源光滤波器454和464还被配置为允许来自位置第一和第二发射器部分451和461的发射光(即，在各种实施例中可以是相对弱的光)到达相应的光电检测器422和428。在各种实施例中，源光滤波器454和464可以被配置为高通滤波器、带通滤波器、或任何其他类型的使期望的发射波长通过并阻挡其他波长的滤波模板(filtering profile)。在各种实施例中，要利用的滤波类型的选择可以取决于源光光谱(例如，包括第一波长范围)与所发射的光谱(例如，包括第二波长范围)之间的关系。在各种实施例中，可以选择发射器部分451和461的发射体材料具有相对受限的发射光谱(例如，以允许更有效的滤波)，并且可以进一步被选择为具有匹配光电检测器422和428的灵敏性光谱的发射光谱。

图4是示出包括图3的光电检测器422的位置敏感检测器421的示例性实施例的图。在各种实施例中，光电检测器422(以及包括在本文公开的各种实施例中的其他光电检测器，诸如光电检测器428、522、528、722、728、822、828、922和928)可以是象限型光电检测器(例如，正交(quadrature)光电二极管)。如上文参考图3描述的，第一发射器部分451(例如，在这一实施例中的方形发射器部分)配置为沿着第一测量光斑路径输出作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在第一位置敏感检测器421上的第一光斑位置455’处形成第一测量光斑455。在该配置中，当沿第一测量光斑路径观察时，第一发射器部分451被配置在呈近似方形的形状。在各种实施例中，第一光斑位置455’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。

在该示例中，方形发射器部分451产生由磷光体(即，发射体材料)形成的均匀的方形强度分布。来自磷光体的光通过包括远心光学器件(例如，图3的透镜452和空间滤波器453)的光学配置成像到象限型光电检测器422上。远心光学器件保留了远心深度范围的放大倍率。在各种实施例中，发射器部分451的方形形状和磷光体的辐射均匀性被配置为形成关于测量光斑455在象限型光电检测器422上的移动的线性响应。如下文更详细地描述的，发射光被成像到象限型光电检测器422上，并且发射器部分451的位置通过象限型光电检测器422的差分电压确定。

在各种实施例中，二维的象限型光电检测器422由在共用的角(例如，在原点位置0，0)处相会的四个分离的光电二极管P1-P4形成。在一个实施例中，使用差分检测方案，其中测量光斑455(例如，大面积光斑)的部分成像到象限型光电检测器422的每个象限上。与每个象限光电二极管P1-P4重叠的光斑的部分确定在每个电极处的电流I1-I4。成像光斑的尺寸确定检测范围和分辨率。根据这一配置，方形测量光斑455实现关于各种类型的移动的来自象限型光电检测器422的线性响应。在各种替代实施例中，测量光斑的其它形状(例如，矩形、圆形等)可以替代使用，但是会对应地实施不同的等式和/或滤波，以对于对应的移动实现来自象限型器光电检测器422的线性的和/或其它类型的响应。

如下文参考图3描述的，第一光斑位置455’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。第一光斑位置455’的位置可以沿着象限型光电检测器422的第一感测轴线方向V和第二感测轴线方向W从原点(例如，参考或零点位置(0，0)等)参考。更具体地，在各种实施例中，第一光斑位置455’的位置(即，如从方形测量光斑455的中心参考)可以根据以下等式确定：

Δv＝D/2((I_1+I_3)-(I_2+I_4))/((I_1+I_2+I_3+I_4)). (等式5)

Δw＝D/2((I_1+I_2)-(I_3+I_4))/((I_1+I_2+I_3+I_4)). (等式6)

其中，ΔV和ΔW分别是沿着象限型光电检测器422的第一和第二感测轴线方向V和W的增量位置，D是方形测量光斑455的方形尺寸(即，长度或宽度)，并且I1-I4分别是象限型光电检测器422的每个象限光电二极管P1-P4的每个电极处的电流。

如下面将更详细地描述的，在各种实施例中，两个象限型光电检测器可以用于两个位置敏感检测器421和427，并且通过组合两个位置敏感检测器的信号，移动部件412和/或所联接的部件(例如，接触部分448等)的位置可以被确定。如上所述，移动构件412的位置在某些情况下可以根据某些类型的坐标(例如，θx、θy、Z)被参考，其中这两个位置敏感检测器的输出可以用于确定对应的坐标。在某些实施方式中，各种三角学或其他原理可用于将这两个位置敏感检测器的输出转换成移动构件412和/或联接部件的对应位置的等式(例如，关于图7和图8的配置可以利用三角学，如将在下面更详细描述的)。

在各种实施例中，利用象限型光电检测器的配置可以相对利用其他类型传感器的配置具有某些优点。例如，在某些实施方式中，象限型光电检测器可以比具有类似尺寸的横向效应位置敏感检测器灵敏约30倍。在利用象限型光电检测器的各种实施例中，期望将该配置构造为确保跨测量光斑455的强度分布相对均匀，并且确保具有期望的特性的形状(例如，方形)被形成以便实现象限型光电检测器422的输出的期望的线性度。如上所述，利用远心成像配置(例如，包括透镜452和空间滤波器453)有助于确保方形形状的发射器部分451作为位置敏感检测器421处的测量光斑455被清晰地成像为方形形状，这有助于实现期望的线性响应。

在各种替代实施例中，横向效应位置敏感检测器可用于一个或多个位置敏感检测器(例如，位置敏感检测器421、427等)。在这一配置中，横向效应位置敏感检测器可以具有成像到其上的相对较小的光斑尺寸(例如，具有200μm-400μm的测量光斑直径)。横向效应位置敏感检测器的四个角处的电极每个均检测整个光斑。横向效应位置敏感检测器可以在其结构中具有电阻层，使得在四个角处感测到的电流取决于光斑相对于每个电极的位置。在各种实施例中，利用横向效应位置敏感检测器的配置可以实现作为检测器设计的结果的良好的线性度，并且位置线性度可以最小程度地受小光斑的强度分布的影响，但是如上所述也可以比使用具有类似尺寸的象限型位置敏感检测器的配置具有更低的灵敏度。利用位置敏感光电检测器的技术在题为“Optical Configuration For Measurement Device UsingEmitter Material Configuration”的专利申请(代理人案卷号660051.492)中更详细地被描述，其与本申请同时提交并且通过引用整体并入本文。

图5是示出可用作图3中所示的触针悬挂部分407的触针悬挂部分407'的横截面的一个实施例的局部示意图，其包括在扫描探针400的探针主体402的主体框架408内。如图5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、转动构件436、联接至主体框架408以用于支撑转动构件436并实现转动构件436的转动运动的挠性元件440、以及支撑移动构件412并且将其联接至转动构件436以用于实现移动构件412的轴向运动的挠性元件414和415(即，被称为第一挠性元件)。扫描探针400包括触针位置检测部分511，其具有下文参考图5更详细的描述的部件和操作，用于确定触针运动机构409和/或触针406的接触部分448的位置和/或运动。

挠性元件440(即，称为第二挠性元件)可以设置在沿轴向方向O的一对挠性元件414和415(即，称为第一挠性元件)的相应的平面之间。转动构件436可以具有关于第二挠性元件440的形状对称性，并且可以一体地包括：两个环形部分436A；两个连接部分436B；以及柱形部分436C。第一挠性元件414和415的外周部分固定至环形部分436A。连接部分436B在环形部分436A的内侧延伸以便连接至柱形部分436C，其具有中空的中心部。第一挠性元件414和415可以设置在相对于第二挠性元件440的对称的距离处，但是这一实施例旨在仅仅是示例性的而且不是限制性的。

轴向运动机构410包括被支撑在转动构件436的内侧的移动构件412，并且转动构件436和轴向运动机构410一起构成作为触针运动机构409的部分的运动模块。轴向运动机构410允许接触部分448沿轴向方向O移动。转动运动机构434包括转动构件436，转动构件436允许触针406的接触部分448借助于围绕转动中心RC的转动运动而横向于(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421B；以及上部部分412C。如下面关于图6所示的触针位置检测部分511更详细地描述的，位置指示元件505附接到上部部分412C。杆部分412B设置在成对的第一挠性元件414和415之间，并且容置在转动构件436中。

下部部分412A形成在杆部分412B的下方，并且触针联接部分442(例如，法兰构件)被附接至下部部分412A。法兰部件444被设置用于触针406的附接。法兰部件444和触针联接部分442一起可以构成可拆开的联接机构(例如，已知类型的运动学接头或联接部)，其以可重复定位的方式允许各种触针406和触针联接部分442之间的附接和拆开(例如，在碰撞撞掉触针的情况下，或在有意更换触针时，等)。

图6是示出包括在图5的扫描探针400中的触针位置检测部分511的第二示例性实施例的图。图6的触针位置检测部分511的某些部分联接至图5的扫描探针400的主体框架408。在图6的示例中，触针位置检测部分511包括位置指示元件505，位置指示元件505包括延伸部分512'、位置指示元件部分516和发射器部分551。位置指示元件部分516是在延伸部分512'的端部上的表面，发射器部分551位于该表面处。如将在下面更详细描述的，位置指示元件505联接到移动构件412及其附接的触针联接部分442。然而，各种示出的元件可以相对于主体框架408直接或间接地固定。在各种实施例中，来自第一光电检测器522的第一组位置指示信号结合来自第二光电检测器528的第二组位置指示信号使得能够确定位置指示元件505位置，其对应地指示触针联接部分442(以及附接的触针406和接触部分448)相对于主体框架408的绝对3D位置。更具体地，如以上关于图2所描述的，在各种实施例中，处理部分(例如，CMM200、运动控制器115、主计算机120等)可以被配置为处理来自第一光电检测器522的第一组位置指示信号和来自第二光电检测器528的第二组位置指示信号，以确定触针406的接触部分448的3D位置。

如图6所示，光源配置517包括光源518(例如，LED光源)，并且可以在一些实施例中被配置为提供准直或近似准直的光束(例如，使用准直透镜518')。光源518的对准可能影响系统的整体性能。为了允许光源518和/或准直透镜518'的适当对准，可以在一些实施例中使用诸如包括Z位置管542、X Y管543和保持器/挡板544的组件541的对准组件。

通常，触针位置检测部分511包括与图3的触针位置检测部分411的那些相似的某些部件，并且将被理解为类似地操作，除非在下文另有说明。如将在下文更详细地描述的，与图3的实施例的某些差别包括：在图6中，单个发射器部分551相对于转动中心RC近似沿着轴向方向AD布置，并且接收源光并且发射分别作为第一和第二测量光行进的所产生的激发光的第一和第二部分。如图6所示，触针位置检测部分511进一步包括第一位置检测配置513和第二位置检测配置525。

第一位置检测配置513包括第一测量光斑产生配置550和第一位置敏感检测器521。第二位置检测配置525包括第二测量光斑产生配置560和第二位置敏感检测器527。如图所示，第二位置敏感检测器527包括第二光电检测器528，该第二光电检测器528的表面平面可以近似平行于第一位置敏感检测器521的第一光电检测器522的表面平面，这是与图3的配置的另一不同，并且在某些实施例中，其可以关于扫描探针400中的电子部件的位置和组织提供某些优点。如在上文参考图4描述的，在各种实施例中，第一和第二光电检测器522和528可以每个是象限类型光电检测器。

第一测量光斑产生配置550包括光源518、发射器部分551、第一测量光斑路径523'、第一透镜552、第一空间滤波器553和第一源光滤波器554，光源518具有沿着第一源光路径523提供源光的准直透镜518’。第二测量光斑产生配置560也包括光源518、发射器部分551、第二测量光斑路径529'、第二透镜562、第二空间滤波器563和第二源光滤波器564，光源518具有沿着第二源光路径529提供源光的准直透镜518’。

在操作中，源光(例如，包括第一波长范围)从光源518辐照，并且沿着源光路径(即，对应第一源光路径523和第二源光路径529二者)被提供。源光抵达发射器部分551，并且对应的发射体材料输入源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。所产生的激发光的第一部分作为第一测量光沿着第一测量光斑路径523’行进，以在第一位置敏感检测器521上的第一光斑位置555’处形成第一测量光斑555。所产生的激发光的第二部分作为第二测量光沿着第二测量光斑路径529’行进，以在第二位置敏感检测器527上的第二光斑位置565’处形成第二测量光斑565。

更具体地，第一测量光由第一透镜552聚焦，并且由分束器520引导通过第一空间滤波器553和第一源光滤波器554，以在第一位置敏感检测器521上的第一光斑位置555’处形成第一测量光斑555。第一位置敏感检测器521输出指示在第一位置敏感检测器521上的第一光斑位置555’的第一组位置指示信号。在图6的示例中，在一个实施例中，第一组位置指示信号可以对应于响应第一测量光斑555的位置而改变的第一和第二转动信号，并且至少第一和第二转动信号可以指示触针联接部分422的转动位置。在这一配置中，第一位置敏感检测器521的第一和第二感测轴线方向在平行于轴向方向AD取向的平面中近似彼此垂直。

第二测量光由第二透镜562聚焦，并且通过第二空间滤波器563和第二源光滤波器564，以在第二位置敏感检测器527上的第二光斑位置565’处形成第二测量光斑565。第二位置敏感检测器527输出指示在第二位置敏感检测器527上的第二光斑位置565’的第二组位置指示信号。在图6的示例中，在一个实施例中，第二组位置指示信号可以对应于变化的轴向信号，其响应于第二测量光斑565的位置而改变，并且所述变化轴向信号指示触针联接部分422的轴向位置。在这一配置中，第二位置敏感检测器527的第一感测轴线方向近似平行于轴向方向。

在各种实施例中，发射器部分551可以具有特定的形状和/或尺寸。例如，在一个具体实施方式中，发射器部分可以形成为具有方形侧面的立方体或其它元件，以便在位置敏感检测器521和527上产生方形的测量光斑555和565，从而分别针对在象限型光电检测器522和528上的光斑位置555'和565'上的移动实现期望的线性响应。用于照明发射器部分的光源518也可以被规定有特定的类型，诸如泵激光器。在这一配置中，在各种实施例中，如果光水平足够低，则泵激光器可以以连续波长模式操作，或者可以以更高的强度以脉冲模式操作以避免使发射体材料(例如，磷光体)淬灭(quench)。

图7是示出触针位置检测部分711的第三示例性实施例的部分示意图。在图7的示例中，触针位置检测部分711包括位置指示元件705，该位置指示元件705包括延伸部分712'、反射元件739B(例如，反射镜)、位置指示元件部分716和发射器部分751。位置指示元件部分716是发射器部分751所在的表面。在各种实施例中，延伸部分712'被构造成支撑和定位反射元件739B和发射器部分751以执行它们相应的功能，如将在下面更详细描述的。例如，在一个实施方式中，延伸部分712'可以包括透明玻璃块组件，反射元件739B位于该透明玻璃块组件中，并且发射器部分751位于该透明玻璃块组件的顶表面上。作为另一示例，在替代实施例中，延伸部分712'可包括用于支撑反射元件739B和发射器部分751的框架，在框架内在反射元件739B和发射器部分751之间具有敞开式部分。位置指示元件705的延伸部分712'附接到移动构件412。

触针位置检测部分711的某些部件与图6的触针位置检测部分511的那些相似，并且将被理解为类似地操作，除非在下文另有说明。与图6的实施例的一些差别包括在图7的实施例中，输入所产生的激发光的第一部分的第一测量光斑路径723'的输入部分723'-IN相对于轴向方向AD形成角度A1(例如，至少15度)。另外，输入所产生的激发光的第二部分的第二测量光斑光路729'的输入部分729'-IN相对于轴向方向AD形成角度A2(例如，至少15度)，并且相对于第一测量光斑光路723'的输入部分723'-IN形成角度A1+A2(例如，至少30度)。此外，第一位置敏感检测器721的第一和第二感测轴线方向在垂直于第一测量光斑路径723'的方向取向的平面中彼此近似垂直，在该平面中第一测量光斑路径723'与第一位置敏感检测器721相交。第一光电检测器722被配置为提供响应于第一测量光斑755的沿第一位置敏感检测器721的第一和第二感测轴线方向的位置(即，光斑位置755')的输出。此外，第二位置敏感检测器727的第一和第二感测轴线方向在垂直于第二测量光斑路径729'的方向取向的平面中彼此近似垂直，在该平面中第二测量光斑路径729'与第二位置敏感检测器727相交。第二光电检测器728被配置为提供响应于第二测量光斑765的沿第二位置敏感检测器727的第一和第二感测轴线方向的位置(即，光斑位置765')的输出。

如图7所示，触针位置检测部分711包括第一位置检测配置713和第二位置检测配置725。第一位置检测配置713包括第一测量光斑产生配置750和第一位置敏感检测器721。第二位置检测配置725包括第二测量光斑产生配置760和第二位置敏感检测器727。第一位置敏感检测器721包括第一光电检测器722，且第二位置敏感检测器727包括第二光电检测器728。如在上文参考图4描述的，在各种实施例中，第一和第二光电检测器722和728可以均是象限型光电检测器。

光源配置717包括具有准直透镜718’的光源718。第一测量光斑产生配置750包括光源718、反射元件739A和739B(例如，100％反射镜)、发射器部分751、第一测量光斑路径723'、第一透镜752、第一空间滤波器753和第一源光滤波器754，该光源718具有沿着第一源光路径723提供源光的准直透镜718’。第二测量光斑产生配置760也包括光源718、反射元件739A和739B、发射器部分751、第二测量光斑路径729'、第二透镜762、第二空间滤波器763和第二源光滤波器764，光源718具有沿着第二源光路径729提供源光的准直透镜718’。

在操作中，源光(例如，包括第一波长范围)从光源718辐照，并且沿着源光路径(即，对应于第一源光路径723和第二源光路径729二者)被提供。源光提供反射元件739A朝向反射元件739B(例如，100％反射镜)反射，反射元件739B进一步将源光朝向发射器部分751反射，发射器部分近似沿着轴向方向AD相对于触针悬挂部分407的转动中心RC布置。在各种实施例中，具有准直透镜718'的光源718提供呈准直光束的形式的源光，其足够宽以允许反射元件739B以及对应地发射器部分751在反射元件739B的移动范围(即，对应于移动构件412的移动范围)上保持在源光中。发射器部分751的发射体材料输入源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。所产生的激发光的第一部分作为第一测量光沿着第一测量光斑路径723'行进以在第一位置敏感检测器721上的第一光斑位置755’处形成第一测量光斑755，并且，所产生的激发光的第二部分作为第二测量光沿着第二测量光斑路径729’行进以在第二位置敏感检测器727上的第二光斑位置765’处形成第二测量光斑765。

在各种实施例中，成像的第一和第二透镜752和762被配置为将发射器部分751分别成像到光电检测器722和728上。通常，第二透镜762被配置和定位成实现将发射器部分751成像到第二光电检测器728上的功能，并且第一透镜752被配置和定位为实现将发射器部分751成像到第一光电检测器722上的功能。在使用远心布置的所示配置中，第一透镜752第二透镜762根据这样的原理定位，使得对象可以位于距离透镜2f处(即，在2X焦距处)并且将在透镜之后2f聚焦成像。在1f处的光阑(例如，空间滤波器753和763)仅允许准直的输入光线通过以在相应的光电检测器722和728上形成发射器部分的成像。在图7的示例中，在一个实施例中，第一测量光斑路径723'和第二测量光斑路径729'的长度可以近似相等。将理解，在各种实施例中，可以为了各种的原因(例如，实际的空间、经济考虑等)实施不同的部件配置和定位。

将理解，在各种实施例中，远心布置可以导致随着发射器部分751沿着焦轴线移动至不同的距离(即，其中准直光线仍然限定发射器的边缘)，光电检测器722和728上的更加恒定的测量光斑尺寸和形状。在各种实施例中，对于这样的运动，发射器边缘否则可能变得“模糊”或以其他方式略微模糊不清，但是标称光斑尺寸和形状可能不会显著改变。这样的配置可以因此减少交叉耦联效应，否则交叉耦联效应可能影响“交叉耦联”的光电检测器上的测量光斑尺寸和形状(例如，因为轴向和/或转动运动改变光斑路径的“聚焦距离”等)。在非远心布置中，这样的移动会更加显著地改变测量光斑的尺寸和形状。在各种实施例中，这些问题(例如，改变光斑尺寸和形状)可以至少部分地通过校准来解决，但是在某些实施例中，可能希望将光学部件配置为减少这些问题。

在各种实施方式中，可能特别期望在诸如图7的示例中所示的配置中减少这样的问题。更具体地，如上所述，在各种实施例中，发射器部分751的形状可以被制成具有方形的几何形状，并且磷光体可以被配置为在测量光斑755和765中实现测量光的均匀强度，以便针对在象限型光电检测器722和728上的光斑位置755'和765'的移动分别实现期望的线性响应。在这样的配置中，可能希望利用远心配置来减少诸如改变光斑尺寸和形状的问题，以便更精确地保持期望的线性响应。

图8是示出触针位置检测部分811的第四示例性实施例的部分示意图。在图8的示例中，触针位置检测部分811包括位置指示元件805，该位置指示元件805包括延伸部分812'、反射元件839B、位置指示元件部分816和826、和发射器部分851和861。位置指示元件部分816和826是成角度的表面，发射器部分851和861分别定位在所述成角度的表面上。发射器部分851和861近似对称地布置在平行于轴向方向AD并且通过触针悬挂分407的转动中心RC的平面的相对侧上。在各种实施例中，与图7的配置相比，这样的配置可具有某些优点(例如，其中发射器部分851和861相对于测量光斑路径823'和829'以及光电检测器822和828在空间上更方地对准以用于成像，并且更大的空间间隔为三角测量位置确定计算提供更大的角度等)

在各种实施例中，延伸部分812'被构造成支撑和定位反射元件839B和发射器部分851和861以执行它们相应的功能，如将在下面更详细描述的。例如，在一个实施方式中，延伸部分812'可以包括透明玻璃块组件，反射元件839B位于该透明玻璃块组件中，并且发射器部分851和861位于该透明玻璃块组件的成角度的顶表面上。作为另一实例，在替代实施例中，延伸部分812'可包括用于将反射元件839B和发射器部分851和861支撑在其相应的位置中的框架，在框架内在它们之间具有敞开式部分。延伸部分812'附接到移动构件412。

触针位置检测部分811的某些部件与图6的触针位置检测部分511的那些相似，并且将被理解为类似地操作，除非在下文另有说明。与图6的实施例的一些差别与图7的那些类似，并且包括在图8的实施例中输入所产生的激发光的第一部分的第一测量光斑路径823'的输入部分823'-IN相对于轴向方向AD形成角度A1(例如，至少15度)。另外，输入所产生的激发光的第二部分的第二测量光斑光路829'的输入部分829'-IN相对于轴向方向AD形成角度A2(例如，至少15度)，并且相对于第一测量光斑光路823'的输入部分823'-IN形成角度A1+A2(例如，至少30度)。此外，第一位置敏感检测器821的第一和第二感测轴线方向在垂直于第一测量光斑路径823'的方向取向的平面中彼此近似垂直，在该平面中第一测量光斑路径823'与第一位置敏感检测器821相交。第一光电检测器822被配置为提供响应于第一测量光斑855的沿第一位置敏感检测器821的第一和第二感测轴线方向的位置(即，光斑位置855')的输出。此外，第二位置敏感检测器827的第一和第二感测轴线方向在垂直于第二测量光斑路径829'的方向取向的平面中彼此近似垂直，在该平面中第一测量光斑路径823'与第二位置敏感检测器827相交。第二光电检测器828被配置为提供响应于第二测量光斑865的沿第二位置敏感检测器827的第一和第二感测轴线方向的位置(即，光斑位置865')的输出。

如图8所示，触针位置检测部分811包括第一位置检测配置813和第二位置检测配置825。第一位置检测配置813包括第一测量光斑产生配置850和第一位置敏感检测器821。第二位置检测配置825包括第二测量光斑产生配置860和第二位置敏感检测器827。第一位置敏感检测器821包括第一光电检测器822，且第二位置敏感检测器827包括第二光电检测器828。如在上文参考图4描述的，在各种实施例中，第一和第二光电检测器822和828可以均是象限类型光电检测器。

光源配置817包括具有准直透镜818’的光源818。第一测量光斑产生配置850包括光源818、反射元件839A和839B(例如，100％反射镜)、发射器部分851、第一测量光斑路径823'、第一透镜852、第一空间滤波器853和第一源光滤波器854，光源818具有沿着第一源光路径823提供源光的准直透镜818’。第二测量光斑产生配置860也包括光源818、反射元件839A和839B、发射器部分861、第二测量光斑路径829'、第二透镜862、第二空间滤波器863和第二源光滤波器864，光源818具有沿着第二源光路径829提供源光的准直透镜818’。

在操作中，源光(例如，包括第一波长范围)从光源818辐照，并且沿着源光路径(即，对应于第一源光路径823和第二源光路径829二者)提供，并且被反射元件839A朝向反射元件839B反射，反射元件839B进一步将源光朝向第一发射器部分851和第二发射器部分861反射。在各种实施例中，具有准直透镜818'的光源818提供呈准直光束的形式的源光，其足够宽以允许反射元件839B以及对应地发射器部分851和861在反射元件839B的移动范围中(即，对应于移动构件412的移动范围)保持在源光中。发射器部分851和861的发射体材料输入源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。所产生的激发光的第一部分(即，来自第一发射器部分851)作为第一测量光沿着第一测量光斑路径823’行进，以在第一位置敏感检测器821上的第一光斑位置855’处形成第一测量光斑855。所产生的激发光的第二部分(即，来自第二发射器部分861)作为第二测量光沿着第二测量光斑路径829’行进，以在第二位置敏感检测器827上的第二光斑位置865’处形成第二测量光斑865。

在各种实施例中，成像透镜852和862被配置为将发射器部分851和861分别成像到光电检测器822和828上。通常，第二透镜862被配置和定位成实现将发射器部分成像到第二光电检测器828上的功能，并且第一透镜852被配置和定位为实现将发射器部分851成像到第一光电检测器822上的功能。在使用远心布置的所示的配置中，第一透镜852和第二透镜862根据这样的原理定位，使得对象可以在距离透镜2f处(即，在2X焦距处)并且将在透镜之后2f聚焦成像。在1f处的光阑(例如，空间滤波器853和863)仅允许准直的输入光线通过以分别在光电检测器822和828上形成发射器部分851和861的成像。在图8的示例中，在一个实施例中，第一测量光斑路径823'和第二测量光斑路径829'的长度可以近似相等。将理解，在各种实施例中，可以为了各种原因(例如，实际的空间、经济考虑等)实施不同的部件配置和定位。

如上文参考图7所述的，将理解到，在各种实施例中，远心布置可以导致随着发射器部分851和861沿着焦轴移动至不同的距离(即，其中准直光线仍然限定发射器的边缘)，在光电检测器822和828上的更加恒定的测量光斑尺寸和形状。如上所述，在各种实施例中，发射器部分851和861的形状可以被制成具有方形的几何形状，并且磷光体可以被配置为在测量光斑855和865中实现测量光的均匀强度，以便分别在象限型光电检测器822和828上的光斑位置855'和865'上实现期望的线性响应。在这样的配置中，可能希望利用远心配置来减少诸如改变光斑尺寸和形状的问题，以便更精确地保持期望的线性响应。这些原理将被类似地理解为适用于本文所公开的其他实施例，其被类似地图示为包括远心成像配置。

图9是示出触针位置检测部分911的第五示例性实施例的部分示意图。在图9的示例中，触针位置检测部分911包括位置指示元件905，其包括延伸部分912'、反射元件931和932、位置指示元件部分916和926、和发射器部分951和961。位置指示元件部分916和926是成角度的表面，发射器部分951和961分别定位在所述成角度的表面上。发射器部分951和961近似对称地布置在平行于轴向方向AD并且通过触针悬挂分407的转动中心RC的平面的相对侧上。

在各种实施例中，延伸部分912'被构造成支撑和定位反射元件931和932以及发射器部分951和961以执行它们相应的功能，如将在下面更详细描述的。例如，在一个实施例中，延伸部分912'可以包括透明玻璃块组件，反射元件931位于该透明玻璃块组件中，并且反射元件932和发射器部分951和961位于该透明玻璃块组件的成角度的顶表面上。作为另一实例，在替代实施例中，延伸部分912'可包括用于将反射元件931和932和发射器部分951和961支撑在它们的相应的位置中的框架，在框架内在它们之间具有敞开式部分。延伸部分912'附接到移动构件412。

触针位置检测部分911的某些部件与图8的触针位置检测部分811的那些相似，并且将被理解为类似地操作，除非在下文另有说明。与图8的实施例的某些差异包括多路复用信号处理和控制电路970(例如，作为扫描探针的一部分被提供)并且控制第一和第二光源918A和918B(即，作为光源配置917的部分)的定时，用以将第一和第二测量光斑955和965多路复用到位置敏感检测器921上。多路复用信号处理和控制电路970还提供解复用以对应于第一和第二测量光斑955和965在位置敏感检测器921上的光斑位置955’和965’分离来自敏感检测器921的输出信号(例如，第一组和第二组位置指示信号)。

如图9所示，触针位置检测部分911包括第一位置检测配置913和第二位置检测配置925。第一位置检测配置913包括第一测量光斑产生配置950和位置敏感检测器921。第二位置检测配置925包括第二测量光斑产生配置960和位置敏感检测器921。如图所示，位置敏感检测器921包括光电检测器922。如在上文参考图4描述的，在各种实施例中，光电检测器922可以均是象限型光电检测器。

第一测量光斑产生配置950包括光源918、反射元件930、反射元件932、第一发射器部分951、第一测量光斑路径923'、反射元件934、第一透镜952、分束器920和空间滤波器953，光源918具有沿着第一源光路径923提供源光的准直透镜918A’。第二测量光斑产生配置960也包括光源918、反射元件930、发射元件931、第二发射器部分961、第二测量光斑路径929'、反射元件933、第二透镜933、分束器920和空间滤波器95，光源918具有沿着第二源光路径929提供源光的准直透镜918B’。

在操作中，源光(例如，包括第一波长范围)从光源配置917的第一光源918A辐照并且沿着第一源光路径923提供，并且被反射元件930反射以朝向第一发射器部分951引导。反射元件932阻止来自第二源光路径929的源光到达第一发射器部分951，并且还阻止来自第一源光路径923的源光到达第二发射器部分961，以实现期望的信号多路复用，如将在下面更详细地描述。第一发射器部分951的发射体材料输入来自第一源光路径923的源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光的第一部分(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。所产生的激发光的第一部分作为第一测量光沿着第一测量光斑路径923’行进，以形成第一测量光斑955。第一光斑位置955’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。位置敏感检测器921输出指示在第一位置敏感检测器921上的第一光斑位置955’的第一组位置指示信号。

此外，源光(例如，包括第一波长范围)从光源配置917的第二光源918B辐照并且沿着第二源光路径929提供，并且被反射元件930和931反射以朝向第二发射器部分961行进。第二发射器部分961的发射体材料输入源光，并且响应为输出激发光的第二部分(例如，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围)。所产生的激发光的第二部分作为第二测量光沿着第二测量光斑路径929’行进，以形成第二测量光斑965。第二光斑位置965’响应于位置指示元件405和触针联接部分442的位置的对应改变而改变。位置敏感检测器921输出指示在第一位置敏感检测器921上的第二光斑位置965’的第二组位置指示信号。

多路复用信号处理和控制电路970从位置敏感检测器921接收多路复用的第一组和第二组位置指示信号。多路复用信号处理和控制电路970执行解复用操作以将第一组位置指示信号与第二组位置指示信号分开。这种多路复用信号处理和控制电路的操作在共同未决且共同转让的于2015年12月17日提交的标题为“Measurement Device WithMultiplexed Position Signals”的美国专利申请第14/973，376中更详细地被描述，其全部内容通过引用并入本文。

在各种实施例中，输入所产生的激发光的第一部分的第一测量光斑路径923'的输入部分相对于轴向方向AD形成角度A1(例如，约45度)。另外，输入所产生的激发光的第二部分的第二测量光斑光路929'的输入部分相对于轴向方向AD形成角度A2(例如，约45度)，并且相对于第一测量光斑光路923'的输入部分形成角度A1+A2(例如，约90度)。

在各种实施例中，反射元件931，932，933和934是100％反射性的反射镜。对于至少反射元件932，两侧均是100％反射性的。在各种实施例中，反射元件931和932可以包括镜像棱镜表面(例如，在延伸部分912’的透明玻璃块组件上)，或者它们可以是组装在延伸部分912’的框架上的单独的反射镜，对此可以通过空气引导光学路径。在各种实施例中，反射元件931和932以及第一和第二发射器部分951和961是联接到移动构件412的位置指示元件905的部分，同时触针位置检测部分911的其余元件可以联接到扫描探针的主体框架。

在各种实施例中，分束器920可以包括50％反射性的反射镜。替代地，发射体材料可以包括窄带磷光体或者可以产生不同的波长输出，并且分束器920可以包括二向色滤波器/反射器，其透射第一发射器部分951的全部波长范围(即，如从反射元件934接收到的)并反射来自第二发射器部分961的全部波长范围(即，如从反射元件933接收到的)。在各种实施例中，如上面关于图4所描述的，位置敏感检测器921可以是二维检测器，其中光电检测器922可以是象限型光电检测器。在各种实施例中，光源918A和918B由复用信号处理和控制电路970控制而被交替地激活。在各种替代实施例中，光源918A和918B可以被连续调制，并且位置敏感检测器921可以同时被连续解调，但是是以相应的频率，使得检测器信号可以通过多路复用信号处理和控制电路970中的滤波/解调电路分离。

如上文参考图7所述的，将理解，在各种实施例中，远心布置(例如，包括透镜952和962以及空间滤波器953)可以导致随着发射器部分951和961沿着焦轴移动至不同的距离(即，其中准直光线仍然限定发射器的边缘)，在光电检测器922上的更加恒定的测量光斑尺寸和形状。如上所述，在各种实施例中，发射器部分951和961的形状可以被制成具有方形的几何形状，并且磷光体可以被配置为在测量光斑955和965中实现测量光的均匀强度，以便针对在象限型光电检测器922上的光斑位置955'和965'的移动而实现期望的线性响应。在这样的配置中，可能希望利用远心配置来减少诸如改变光斑尺寸和形状的问题，以便更精确地保持期望的线性响应。

应该理解，图3-9中所示的变化指示了可以进一步重新布置和/或调整各种光学元件和相关光路的可能性，同时保留与本文所公开的原理相关联地概述的许多或全部优点。例如，在各种实施例中，具有发射体材料(例如，磷光体)的发射体部分可以被实施为产生较少的漫射/更集中的束的微型组件的一部分，诸如在美国专利公开第2013/0222772号和第2017/0017091号中描述的，其每一个的全部内容通过引用并入本文。通常，将理解的是，本文公开的各种实施例旨在仅为示例性的而非限制性的。

在各种实施例中，图3-9中所示的配置可以提供各种优点。例如，在位置指示发射器中使用的发射体材料(例如，磷光体)可以是无源元件，使得环境位置漂移可以减小(例如，与诸如可能经历启动漂移(turn on drift)的LED点源的其他潜在光源相比)。在大多数或全部会聚光学器件被固定(例如，附接到框架)的配置中，否则由于移动光学器件可能发生的任何交叉耦联(例如，其中根据第二位置敏感检测器上的第二测量光斑的移动，诸如在ΘY中的纯转动运动可能被不期望地检测为轴向运动，或反之亦然)可以被减小或消除。

图10是示出用于基于从扫描探针接收到的位置信号确定触针的接触部分的3D位置的例程1000的一个示例性实施例的流程图。在框1010处，确定扫描探针已经被定位成使得通过触针联接部分附接的触针的接触部分已经与正在被测量的工件的表面接触。在框1020处，操作光源配置以沿着至少一个源光路径辐照源光。位置指示元件相对于触针联接部分固定，并且与触针联接部分一起移动，并且包括至少一个发射器部分，所述至少一个发射器部分包括发射体材料，发射体材料输入并吸收来自光源配置的光并且通过输出激发光来响应。位置指示元件被配置为沿着第一测量光斑路径输出作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在第一位置敏感检测器上的第一光斑位置处形成第一测量光斑，并且沿着第二测量光斑路径输出作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在第二位置敏感检测器上的第二光斑位置处形成第二测量光斑。

在框1030中，从第一位置敏感检测器接收指示第一位置敏感检测器上的第一光斑位置的第一组位置指示信号。在框1040中，从第二位置敏感检测器接收指示第二位置敏感检测器上的第二光斑位置的第二组位置指示信号。在框1050中，处理来自第一位置敏感检测器的第一组位置指示信号和来自第二位置敏感检测器的第二组位置指示信号，以确定触针的接触部分的3D位置(例如，对应于该接触部分接触的工件表面上的被测表面点，等)。

尽管已经示出和描述了本公开的优选实施例，但是基于该公开，所示出和描述的特征布置和操作顺序的多种变形对于本领域技术人员将是显而易见的。各种替代形式可以被用于实施本文公开的原理。另外，上文描述的各个实施例可以组合以提供进一步的实施例。在本说明书中参考的全部的美国专利和美国专利申请以其整体通过引用并入本文。如果必须使用各个专利和申请的构思，可以改变实施例的方面以提供进一步的实施例。

在上述详细描述的说明的启示下，可以对实施例做出这些和其它改变。通常，在随附的权利要求书中，所使用的术语不应被理解为限制权利要求至说明书或权利要求书中公开的特定实施例，而应理解为包括所有可行的实施方式以及这些权利要求的等同物的全部范围。

Claims (15)

1.一种用于坐标测量机的扫描探针，所述扫描探针包括：

框架；

触针悬挂部分，其附接至所述框架，包括：

触针联接部分，其被配置为刚性地联接至触针；以及

触针运动机构，其被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转动中心的转动运动；以及

触针位置检测部分，包括：

第一位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括第一光电检测器，该第一光电检测器被配置为提供响应于第一测量光斑沿着所述第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向和第二感测轴线方向的位置的输出；

光源配置，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着至少一个源光路径辐照包括第一波长范围的源光；以及

位置指示元件，其相对于所述触针联接部分固定并且与所述触针联接部分一起移动，所述位置指示元件包括至少一个发射器部分，所述至少一个发射器部分包括发射体材料，所述发射体材料输入来自所述光源的在第一波长范围的光，并且响应为输出在所述发射体材料内产生的激发光，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中：

所述至少一个发射器部分被配置为沿着所述至少一个源光路径输入源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关；

所述位置指示元件被配置为沿着第一测量光斑路径输出作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在所述第一位置敏感检测器上的第一光斑位置处形成第一测量光斑，对此所述第一光斑位置响应于所述位置指示元件和所述触针联接部分的位置的对应改变而改变；

所述第一位置敏感检测器输出指示在第一位置敏感检测器上的第一光斑位置的第一组位置指示信号；

所述第一光电检测器是象限型光电检测器；

所述至少一个发射器部分包括第一发射器部分；

所述第一测量光斑路径被配置为通过包括远心成像配置的第一光学配置，并且所述第一光学配置被配置为将所述第一发射器部分成像到所述第一光电检测器上；以及

所述第一发射器部分被配置为当沿所述第一测量光斑路径观察时呈近似方形的形状，并且其中，所述测量光斑的方形形状和跨所述测量光斑的均匀强度分布被配置为实现所述象限型光电检测器相对于所述象限型光电检测器上所述测量光斑的运动的线性响应。

2.根据权利要求1所述的扫描探针，进一步包括第二位置敏感检测器，所述第二位置敏感检测器相对于所述框架固定，并且包括第二光电检测器，该第二光电检测器被配置提供响应于第二测量光斑沿着所述第二位置敏感检测器的至少第一感测轴线方向的位置的输出，其中：

所述位置指示元件进一步被配置为沿着第二测量光斑路径输出作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在所述第二位置敏感检测器上的第二光斑位置处形成第二测量光斑，对此所述第二光斑位置响应于所述位置指示元件和所述触针联接部分的位置的对应改变而改变；以及

所述第二位置敏感检测器输出指示在所述第二位置敏感检测器上的第二光斑位置的第二组位置指示信号。

3.根据权利要求2所述的扫描探针，其中，

所述第二位置敏感检测器的第一感测轴线方向近似平行于所述轴向方向；

所述第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向和第二感测轴线方向在横向于所述轴向方向取向的平面中近似彼此垂直。

4.根据权利要求2所述的扫描探针，其中，所述至少一个发射器部分包括：

所述第一发射器部分，其配置为沿着所述第一测量光斑路径输出作为所述第一测量光的所产生的激发光的第一部分；以及

第二发射器部分，其配置为沿着所述第二测量光斑路径输出作为所述第二测量光的所产生的激发光的第二部分。

5.根据权利要求2所述的扫描探针，其中，

所述第二光电检测器的输出进一步响应于所述第二测量光斑沿着所述第二位置敏感检测器的第二感测轴线方向的位置；

输入所产生的激发光的第一部分的所述第一测量光斑路径的输入部分相对于所述轴向方向形成至少15度的角度；

输入所产生的激发光的第二部分的所述第二测量光斑路径的输入部分相对于所述轴向方向形成至少15度的角度，并且相对于所述第一测量光斑路径的输入部分形成至少30度的角度。

6.根据权利要求2所述的扫描探针，其中，所述位置指示元件近似沿着所述轴向方向相对于所述转动中心定位，并且所述至少一个发射器部分包括以下中的一者：

a)仅所述第一发射器部分，其接收源光并且发射所产生的激发光的第一部分和第二部分二者，并且近似沿着所述轴向方向相对于所述转动中心布置；

b)所述第一发射器部分，其接收源光并且发射所产生的激发光的第一部分，以及第二发射器部分，其接收源光并且输出所产生的激发光的第二部分，其中，所述第一发射器部分和所述第二发射器部分近似对称地布置在平行于所述轴向方向并且通过所述转动中心的平面的相反侧；

c)所述第一发射器部分和第二发射器部分，其中所述位置指示元件进一步包括分束器元件，所述分束器元件接收并分割所述源光，并且所述第一发射器部分定位在所述分束器元件上以接收被分割的源光的第一部分并且发射所产生的激发光的第一部分，所述第二发射器部分定位在所述分束器元件上以接收被分割的源光的第二部分并且发射所产生的激发光的第二部分。

7.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，所述触针位置检测部分进一步包括第一光学滤波器，所述第一光学滤波器定位在所述第一测量光斑路径中，并且被配置为阻挡在第一波长范围中的源光抵达所述第一位置敏感检测器，并允许在第二波长位置中的第一测量光通过以抵达所述第一位置敏感检测器。

8.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，

所述光源配置包括第一光源和第二光源；

所述至少一个源光路径包括第一源光路径和第二源光路径；

所述第一光源被配置为沿着所述第一源光路径辐照包括所述第一波长范围的源光；

所述第二光源被配置为沿着所述第二源光路径辐照包括所述第一波长范围的源光；

响应于来自所述第二源光路径的源光，所述位置指示元件进一步被配置为沿着第二测量光斑路径输出作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在所述第一位置敏感检测器上的第二光斑位置处形成第二测量光斑，对此所述第二光斑位置响应于所述位置指示元件和所述触针联接部分的位置的对应改变而改变；以及

所述扫描探针进一步包括多路复用信号处理和控制电路，所述多路复用信号处理和控制电路被配置为控制所述第一光源和第二光源的定时，以将所述第一测量光斑和第二测量光斑多路复用到所述第一位置敏感检测器上，并且提供解复用以对应于所述第一测量光斑和第二测量光斑分离来自所述第一位置敏感检测器的输出信号。

9.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，所述远心成像配置包括：

第一透镜，被配置为输入第一测量光并聚焦第一测量光以在第一位置敏感检测器上形成第一测量光斑；以及

第一空间滤波器，其孔径位于第一透镜和第一位置敏感检测器之间，其中，所述第一空间滤波器被配置为对来自第一透镜的第一测量光进行空间过滤。

10.一种用于基于从扫描探针接收到的位置信号确定触针的接触部分的3D位置的系统，所述触针联接到所述扫描探针，所述系统包括：

扫描探针，其包括：

框架；

触针悬挂部分，其附接至所述框架，包括：

触针联接部分，其刚性地联接到具有接触部分的触针；以及

触针运动机构，其被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转动中心的转动运动；以及

触针位置检测部分，包括：

第一位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括第一光电检测器，该第一光电检测器被配置为提供响应于第一测量光斑沿着所述第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向和第二感测轴线方向的位置的输出；

第二位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括第二光电检测器，该第二光电检测器被配置为提供响应于第二测量光斑沿着所述第二位置敏感检测器的至少第一感测轴线方向的位置的输出；

光源配置，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着至少一个源光路径辐照包括第一波长范围的源光；

位置指示元件，其相对于所述触针联接部分固定并且与所述触针联接部分一起移动，所述位置指示元件包括至少一个发射器部分，所述至少一个发射器部分包括发射体材料，所述发射体材料被配置为输入来自所述光源的在第一波长范围中的光，并且响应为输出在所述发射体材料内产生的激发光，所产生的激发光包括未被包含在第一波长范围内的第二波长范围；以及

处理部分；

其中，

所述至少一个发射器部分被配置为沿着所述至少一个源光路径输入源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关；

所述位置指示元件被配置为：

沿着第一测量光斑路径输出作为第一测量光的所产生的激发光的第一部分，以在所述第一位置敏感检测器上的第一光斑位置处形成第一测量光斑，对此所述第一光斑位置响应于所述位置指示元件和所述触针联接部分的位置的对应改变而改变；以及

沿着第二测量光斑路径输出作为第二测量光的所产生的激发光的第二部分，以在所述第二位置敏感检测器上的第二光斑位置处形成第二测量光斑，对此所述第二光斑位置响应于所述位置指示元件和所述触针联接部分的位置的对应改变而改变；

所述第一位置敏感检测器被配置为输出指示在第一位置敏感检测器上的第一光斑位置的第一组位置指示信号；

所述第二位置敏感检测器被配置为输出指示在第二位置敏感检测器上的第二光斑位置的第二组位置指示信号；

所述第一光电检测器是象限型光电检测器；

所述至少一个发射器部分包括第一发射器部分；

所述第一测量光斑路径被配置为通过包括远心成像配置的第一光学配置，并且所述第一光学配置被配置为将所述第一发射器部分成像到所述第一光电检测器上；

所述第一发射器部分被配置为当沿所述第一测量光斑路径观察时呈近似方形的形状，并且其中，所述测量光斑的方形形状和跨所述测量光斑的均匀强度分布被配置为实现所述象限型光电检测器相对于所述象限型光电检测器上所述测量光斑的运动的线性响应；以及

处理部分被配置为处理来自所述第一位置敏感检测器的第一组位置指示信号和来自所述第二位置敏感检测器的第二组位置指示信号，以确定所述触针的接触部分的3D位置。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，在确定所述触针的接触部分的3D位置之前，确定所述触针的接触部分已经与正在测量的工件的表面接触。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光源配置被操作为沿着所述至少一个源光路径辐照所述源光。

13.根据权利要求10所述的系统，其中：

所述第二位置敏感检测器的第一感测轴线方向配置为与轴向方向平行；以及

所述第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向和第二感测轴线方向被配置为在垂直于轴向方向的平面中彼此垂直。

14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述触针位置检测部分进一步包括第一光学滤波器，所述第一光学滤波器定位在所述第一测量光斑路径中，并且被配置为阻挡在第一波长范围中的源光抵达所述第一位置敏感检测器，并允许在第二波长位置中的第一测量光通过以抵达所述第一位置敏感检测器。

15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述远心成像配置包括：

第一透镜，被配置为输入第一测量光并聚焦第一测量光以在第一位置敏感检测器上形成第一测量光斑；以及

第一空间滤波器，其孔径位于第一透镜和第一位置敏感检测器之间，其中，所述第一空间滤波器被配置为对来自第一透镜的第一测量光进行空间过滤。

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