CN109141228A - 用于使用发射体材料配置的测量设备的光学配置 - Google Patents

用于使用发射体材料配置的测量设备的光学配置 Download PDF

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Abstract

提供了一种在三个轴线中响应的扫描探针，以在坐标测量机中使用。扫描探针包括框架、触针悬挂部分和触针位置测量部分。触针位置检测部分包括光源，所述光源被操作为朝向相对于所述触针联接部分固定的位置指示元件辐照源光。所述位置指示元件包括具有发射体材料(例如，磷光体)的位置指示发射器，所述发射体材料输入和吸收来自所述光源的光并且响应为输出激发光。在各种实施例中，所述激发光被作为以下中的至少一种而被引导：沿着轴向测量光斑路径的轴向测量光，以在轴向位置敏感检测器上形成轴向测量光斑；和/或，沿着转动测量光斑路径的转动测量光，以在转动位置敏感检测器上形成转动测量光斑。

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“交叉耦联”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，和/或可以相对较为便宜等)。
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。
可在三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、第一光源和第一位置指示元件。
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，该第一光电检测器被配置为提供响应于第一测量光斑沿第一位置敏感检测器的第一感测轴线方向的位置的输出。在各种实施例中，第一位置敏感检测器是轴向位置敏感检测器或转动位置敏感检测器中的至少一个。第一光源相对于框架固定，并且被配置为沿着第一源光路径辐照包括第一波长范围的第一源光。第一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。
第一位置指示元件包括第一位置指示发射器，其包括发射体材料，该发射体材料输入来自第一光源的第一波长范围中的光，并且通过输出在发射体材料内产生的激发光而响应。在各种实施例中，所产生的激发光包括不包含在第一波长范围内的第二波长范围。第一位置指示发射器被配置为沿着第一源光路径输入第一源光，而无关于触针联接部分在其运动范围内的位置，并且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，以在第一位置敏感检测器上形成第一测量光斑。第一位置敏感检测器响应于第一测量光斑输出第一信号，其中，第一信号指示触针联接部分的轴向位置或转动位置中的至少一个。
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X、Y和Z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5是示出包括在图4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6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7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8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9是示出包括在类似图4所示的扫描探针的扫描探针中的触针位置检测部分的第六示例性实施例的图；
图10是示出与图3的触针悬挂部分组合使用的触针位置检测部分的第七示例性实施例的图；
图11A和11B是示出诸如可在触针悬挂部分中使用以用于实现轴向运动和转动运动的挠性元件的实施例的图；以及
图12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、CMM 200、控制CMM 200的运动的运动控制器115和主计算机120。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在三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X、Y和Z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，如下文将关于图3和图4详细描述的。
如图2所示，触针位置检测部分311包括转动位置检测配置313和轴向位置检测配置325。转动位置检测配置313输出指示触针联接部分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)。轴向位置检测配置325输出指示触针联接部分342沿着轴向方向的轴向位置的至少一个轴向信号(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CMM 200中、运动控制器115和主计算机120等中)可以接收X、Y、和Z位置信号，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W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4-11B。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4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(轴向方向O)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4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。如下文更详细地描述的，在各种实施例中，转动光电检测器422能够感测移动构件412在X和Y方向上的转动位置，并且轴向光电检测器428能够感测移动构件412在Z方向上的轴向位置。
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联接至移动构件412并且相对于框架移动(例如，其中框架作为部分被包括在探针本体中，等)的转动位置指示元件416和轴向位置指示元件426。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。类似的触针位置检测部分的各个部件在共同未决和共同转让的于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。
触针位置检测部分411包括转动位置检测配置413和轴向位置检测配置425。如下文将更详细地描述的，转动位置检测配置413包括转动测量光斑产生配置450和转动位置敏感检测器421。轴向位置检测部分425包括轴向测量光斑产生配置460和轴向位置敏感检测器427。转动位置敏感检测器421包括转动光电检测器422，且轴向位置敏感检测器427包括轴向光电检测器428。利用光电检测器的其它配置也在题为“Optical Configuration ForMeasurement Device Using Quadrant Photodetectors To Detect Measurement SpotsFrom Emitter Material”的专利申请(代理人案卷号660051.494)中描述，其与本申请同时提交并且通过引用以其整体并入本文。
转动测量光斑产生配置450包括沿着转动源光路径423提供转动源光的光源、分束器420、转动位置指示元件416、转动测量光斑路径423'、转动透镜452、转动空间滤波器453和转动源光滤波器454。轴向测量光斑产生配置460包括沿着轴向源光路径429提供轴向源光的光源、分束器420、轴向位置指示元件426、轴向测量光斑路径429'、轴向透镜462、轴向空间滤波器463和轴向源光滤波器464。在图3的示例中，某些部分对于转动测量光斑产生配置450和轴向测量光斑产生配置460两者是共用的(例如，在两种配置中利用相同的光源以沿着相同的源光路径423和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7和图8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)作为转动源光和轴向源光二者沿着源光路径(即，对应转动源光路径423和轴向源光路径429二者)提供至分束器420。分束器420接收源光并将源光分离成朝向转动位置指示元件416的转动源光和朝向轴向位置指示元件426的轴向源光。转动位置指示元件416和轴向位置指示元件426附接到分束器420的第一表面和第二表面。在替代实施例中，可以使用多个光源，并且由此可以不需要用于将源光分到多个路径中的分光器，如将在下面关于图7和8更详细描述的。
在各种实施例中，转动位置指示元件416(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)包括转动位置指示发射器451，该转动位置指示发射器451包括发射体材料(例如，固定到分束器420的表面的磷光体填充树脂或类似物)。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转动光源的转动源光(例如，在第一波长范围中)，并且通过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)而响应。转动位置指示发射器451被配置为输入沿着转动源光路径423的转动源光，而与触针联接部分442在其运动范围内的位置无关。转动位置指示发射器451进一步配置为沿着转动测量光斑路径423’输出所产生的激发光作为转动测量光，以在转动位置敏感检测器421上形成转动测量光斑455。
更具体地，转动测量光由转动透镜452聚焦，并且经过转动空间滤波器453和转动源光滤波器454，以在转动位置敏感检测器421上形成测量光斑455。在各种实施例中，转动透镜452和转动空间滤波器453根据已知原理定位成远心(telecentric)布置，用于将从转动位置指示器发射器451产生的作为转动测量光斑455的激发光在转动位置敏感检测器421上成像。在各种实施例中，转动测量光斑455对应于触针联接部分422的转动位置和转动位置指示元件416的横向于轴向方向(例如，大约对应于Z轴方向的轴向方向)的相关联位置沿着转动位置敏感检测器421的第一和第二感测轴向方向移动。响应转动测量光斑455的位置，转动位置敏感检测器421输出至少第一和第二转动信号，并且至少第一和第二转动信号指示触针联接部分422的转动位置。
在各种实施例中(例如，至少部分地由于转动透镜452和转动空间滤波器453的远心布置)，转动位置指示发射器451的移动可以对应于转动测量光斑455在转动位置敏感检测器421上的特定的移动量。在一个特定的实施例中，这可以对应1:1的比例，使得转动位置指示发射器451的移动ΔY可以对应于转动测量光斑455在转动位置敏感检测器421上的相同的移动量ΔY。在这种实施例中，转动测量光斑455在转动位置敏感检测器421的转动光电检测器422上沿着Y方向远离原点(例如，参考或零位置等)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到转动位置指示元件416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，轴向位置指示元件426(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)包括轴向位置指示发射器461，其包括发射体材料(例如，磷光体等)。发射体材料输入来自轴向光源的轴向源光(例如，在第一波长范围中)，并且通过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)而响应。轴向位置指示发射器461被配置为沿着轴向源光路径429输入轴向源光，而与触针联接部分442在其运动范围内的位置无关。轴向位置指示发射器461进一步配置为沿着轴向测量光斑路径429’输出所产生的激发光作为轴向测量光，以在轴向位置敏感检测器427上形成轴向测量光斑465。
更具体地，轴向测量光由轴向透镜462聚焦，并且经过转动空间滤波器463和轴向源光滤波器464，以在轴向位置敏感检测器427上形成测量光斑465。在各种实施例中，轴向透镜462和轴向空间滤波器463根据已知原理定位成远心布置，用于将从轴向位置指示器发射器461的产生的作为轴向测量光斑465的激发光在轴向位置敏感检测器427上成像。在各种实施例中，轴向测量光斑465对应于触针联接部分422沿着轴向方向(例如，大约对应于Z轴方向)的位置沿着轴向位置敏感检测器427的感测轴线方向移动。响应于轴向测量光斑465的位置，轴向位置敏感检测器427输出至少一个轴向信号，并且所述至少一个轴向信号指示触针联接部分422的轴向位置。
在各种实施例中(例如，至少部分地由于轴向透镜462和轴向空间滤波器463的远心布置)，轴向位置指示发射器461的移动可以对应于轴向测量光斑465在轴向位置敏感检测器427上的特定的移动量。在一个特定的实施例中，这可以对应1:1的比例，使得轴向位置指示发射器461的移动ΔZ可以对应于轴向测量光斑465在轴向位置敏感检测器427上的相同的移动量ΔZ。在这种实施例中，轴向测量光斑465在轴向位置敏感检测器427的轴向光电检测器428上沿着Z方向远离原点(例如，参考或零位置等)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，如果轴向位置指示元件426沿横向于轴向方向的至少一个方向移动，例如如图3所示，轴向位置指示元件426和转动位置指示元件416二者均在3个方向中移动，则避免了机械复杂性。然而，根据本文公开的原理，轴向位置指示元件426的大致横向于轴向方向(即，大约沿着Y轴)的运动基本上不改变对应于在轴向光电检测器428上的光斑或线的有效位置的信号。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，轴向位置指示元件426大致沿着X轴方向的运动的预期范围(通过触针的小θX转动产生)可以改变在轴向光电检测器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，值得注意的是，由触针的大θX转动产生的轴向位置指示元件426的运动弧可以产生在轴向光电检测器428上的轴向测量光斑465的弧形运动，其除了轴向测量光斑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X、Y和Z位置或位移值的准确度。
在各种实施例中，空间滤波器453和463(例如，包括相应的中心孔径)允许对应的远心成像配置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将位置指示发射器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，可能优选的是测量光斑455和465不受不同焦距的显着影响。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”与位置指示发射器451和461的物理位置和范围相对应的近似准直的光线，系统被设计为检测位置指示发射器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被配置为防止杂散源光(即，在诸多实现中其可以是相对较强的光)到达光电检测器422和428。源光滤波器454和464还被配置为允许来自位置指示发射器451和461的发射光(即，在各种实施例中其可以是相对弱的光)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，要利用的滤波器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，可以选择位置指示发射器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、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。挠性元件414、415和440的示例将在下文关于图11A和图11B更详细地描述。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，但是这一实施例是示例性的而不是限制性的。
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，大致垂直于)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。如下文相对于图5所示的触针位置检测部分511更详细地描述的，单个的位置指示元件用作被包括作为转动位置检测配置的部分的转动位置指示元件516和被包括作为轴向位置检测配置的部分的轴向位置指示元件526二者。用作转动位置指示元件516和轴向位置指示元件526二者的位置指示元件被附接至上部部分412C。杆部分412B设置在成对的第一挠性元件414和415之间。杆部分412B被容置在转动构件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)。
图5是示出包括在图4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5的触针位置检测部分511联接至图4的扫描探针400的主体框架408。如下文将更详细地描述的，用作轴向位置指示元件526和转动位置指示元件516二者的位置指示元件附接至移动构件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，来自转动光电检测器522的X和Y位置信号结合来自轴向光电检测器528的Z位置信号使得能够确定用作转动位置指示元件516和轴向位置指示元件526二者的位置指示元件的位置，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。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的某些部件相似的某些部件，并且将被理解为类似地操作，除非在下文另有说明。如下面将更详细地描述的，与图3的实施例的某些差别包括：单个的位置指示元件同时用作轴向位置指示元件526和转动位置指示元件516二者，并且包括单个的位置指示发射器，该单个的位置指示发射器用作转动位置指示发射器551和转动位置指示发射器561二者。如图5所示，触针位置检测部分511包括转动位置检测配置513和轴向位置检测配置525。转动位置检测配置513包括转动测量光斑产生配置550和转动位置敏感检测器521。轴向位置检测配置525包括轴向测量光斑产生配置560和轴向位置敏感检测器527。如图所示，轴向位置敏感检测器527包括轴向光电检测器528，该轴向光电检测器528的表面平面可以近似平行于转动位置敏感检测器521的转动光电检测器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，其可以相对于扫描探针400中的电子部件的位置和组织提供某些优点。
转动测量光斑产生配置550包括光源518、分束器520、用作转动位置指示元件516的位置指示元件、转动测量光斑路径523'、转动透镜552、转动空间滤波器553和转动源光滤波器554，光源518具有沿着转动源光路径523提供转动源光的准直透镜518’。轴向测量光斑产生配置560也包括光源518、分束器520、也用作轴向位置指示元件526的所述位置指示元件、轴向测量光斑路径529'、轴向透镜562、轴向空间滤波器563和轴向源光滤波器564，光源518具有沿着轴向源光路径529提供轴向源光的准直透镜518’。
在操作中，来自光源518的源光(例如，包括第一波长范围)沿着源光路径(即，对应于转动源光路径523和轴向源光路径529二者)提供作为通过分束器520的转动源光和轴向源光二者。源光到达位置指示发射器，该位置指示发射器用作转动位置指示发射器551和轴向位置指示发射器561二者，为此，发射体材料输入源光并且通过输出在发射体材料内生成的激发光(例如，所产生的激发光包括不被包含在第一波长范围内的第二波长范围)而响应。所产生的激发光的一部分作为转动测量光沿着转动测量光斑路径523'行进以在转动位置敏感检测器521上形成转动测量光斑555，并且，所产生的激发光的另一部分作为轴向测量光沿着轴向测量光斑路径529’行进以在轴向位置敏感检测器527上形成轴向测量光斑565。
更具体地，转动测量光通过转动透镜552聚焦，并且由分束器520引导通过转动空间滤波器553和转动源光滤波器554，以在转动位置敏感检测器521上形成转动测量光斑555。响应于转动测量光斑555的位置，转动位置敏感检测器521输出至少第一和第二转动信号，并且至少第一和第二转动信号指示触针联接部分422的转动位置。轴向测量光通过轴向透镜562聚焦，并且通过轴向空间滤波器563和轴向源光滤波器564，以在轴向位置敏感检测器527上形成轴向测量光斑565。响应于轴向测量光斑565的位置，轴向位置敏感检测器527输出至少一个轴向信号，并且所述至少一个轴向信号指示触针联接部分422的轴向位置。
在各种实施例中，位置指示发射器551/561可以具有特定的形状和/或尺寸。例如，在一个特定的实施例中，位置指示发射器可以被配置为具有特定尺寸(例如，直径200μm至400μm)的磷光体珠。用于照明位置指示发射器的光源518也可以被规定为特定的类型，诸如泵激光器。在这种配置中，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磷光体淬灭(quench)等。
图6是示出触针位置检测部分611的第三示例性实施例的示意图。触针位置检测部分611的某些部件与图5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5的实施例的某些差别包括光源618的取向、转动位置敏感检测器621和轴向位置敏感检测器627已经相对于位置指示元件逆时针转动了90度。如图6所示，触针位置检测部分611包括转动位置检测配置613和轴向位置检测配置625。转动位置检测配置613包括转动测量光斑产生配置650和旋转位置敏感检测器621。轴向位置检测配置625包括轴向测量光斑产生配置660和轴向位置敏感检测器627。如图所示，轴向位置敏感检测器627包括轴向光电检测器628，该轴向光电检测器628的表面平面可以近似平行于转动位置敏感检测器621的转动光电检测器622的表面平面。
转动测量光斑产生配置650包括光源618、分束器620、用作转动位置指示元件616的位置指示元件、转动测量光斑路径623'、转动透镜652、转动空间滤波器653和转动源光滤波器654，光源618具有沿着转动源光路径623提供转动源光的准直透镜618’。轴向测量光斑产生配置660也包括光源618、分束器620、还用作轴向位置指示元件626的所述位置指示元件、轴向测量光斑路径629'、反射元件639(例如，反射镜)、轴向透镜662、轴向空间滤波器663和轴向源光滤波器664，光源618具有沿着轴向源光路径629提供轴向源光的准直透镜618’。
在操作中，来自光源618的源光(例如，包括第一波长范围)沿着源光路径(即，对应于转动源光路径623和轴向源光路径629二者)提供作为转动源光以及轴向源光二者，其由分束器620朝向位置指示元件反射，所述位置指示元件包括用作转动位置指示发射器651和轴向位置指示发射器661二者的位置指示发射器。发射体材料输入源光，并且通过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)而响应。所产生的激发光的一部分作为转动测量光沿着转动测量光斑路径623'行进以在转动位置敏感检测器621上形成转动测量光斑655，并且，所产生的激发光的另一部分作为轴向测量光沿着轴向测量光斑路径629’行进以在轴向位置敏感检测器627上形成轴向测量光665。
在各种实施例中，分束器620被配置为仅反射第一波长范围(即，源光的第一波长范围)。在这方面，在某些实施例中，分束器620的反射表面可以用作窄带反射性滤波器，其中，源光也是以第一波长范围提供的窄带，其用作激发位置指示发射器，该位置指示发射器用作转动位置指示发射器651以及轴向位置指示发射器661二者。分束器被配置为不显著地反射位置指示发射器的第二波长发射器，其中第二波长范围在转动位置敏感检测器621和轴向位置敏感检测器627的检测器感测光谱中被强烈地感测。
在光源618上的准直透镜618’与接收源光的成像透镜652结合地工作，以在位置指示发射器651/661附近集中源光，但具有足够宽的束以允许在位置指示发射器(即，附接至移动构件412)移动时位置指示发射器保持在源光中。成像透镜652和662还被配置为将位置指示发射器651/661分别成像到光电检测器622和628上。在图6的实施例中，轴向测量光斑路径629’(例如，包括反射镜639)可以比转动测量光斑路径623’更长。通常，轴向透镜662被配置和定位成实现将位置指示发射器成像到轴向光电检测器628上的的功能，并且转动透镜652被配置和定位为实现将位置指示发射器成像到转到光电检测器622上的功能。在图6的示例性实施例中，透镜652和662是共面的，并且光电检测器622和628是共面的，其可以提供各种优势。将理解的是，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)而实施不同的部件配置和定位。
图7是示出触针位置检测部分711的第四示例性实施例的部分示意图。触针位置检测部分711的某些部件与图5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5的实施例的某些不同包括转动位置检测器721和轴向位置检测器727已经相对于位置指示元件逆时针转动90度，以便与光源718共面(例如，这对于某些电子配置可以是有利的，等)。如图7所示，触针位置检测部分711包括转动位置检测配置713和轴向位置检测配置725。转动位置检测配置713包括转动测量光斑产生配置750和转动位置敏感检测器721。轴向位置检测配置725包括轴向测量光斑产生配置760和轴向位置敏感检测器727。如图所示，轴向位置敏感检测器727包括轴向光电检测器728，该轴向光电检测器728的表面平面可以近似平行于转动位置敏感检测器721的转动光电检测器722的表面平面。
转动测量光斑产生配置750包括光源718、反射元件739A(例如，反射镜)、用作转动位置指示元件716的位置指示元件、转动测量光斑路径723'、转动透镜752、转动空间滤波器753(例如，空间滤波透镜)和转动源光滤波器754，光源718具有沿着转动源光路径723提供转动源光的准直透镜718’。轴向测量光斑产生配置760也包括光源718、反射元件739A、还用作轴向位置指示元件726的所述位置指示元件、轴向测量光斑路径729'、反射元件739B(例如，反射镜)、轴向透镜762、轴向空间滤波器763(例如，空间滤波透镜)和轴向源光滤波器764，光源718具有沿着轴向源光路径729提供轴向源光的的准直透镜718’。
在操作中，来自光源718的源光(例如，包括第一波长范围)沿着源光路径(即，对应于转动源光路径723和轴向源光路径729二者)提供作为转动源光和轴向光源二者，其由反射元件739A朝向位置指示元件反射，所述位置指示元件包括用作转动位置指示发射器751和轴向位置指示发射器761二者的位置指示发射器。在各种实施例中，具有准直透镜718’的光源718提供准直光束形式的源光，其足够的宽以允许位置指示发射器751/761在位置指示发射器的移动范围上保持在源光中。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)。所产生的激发光的一部分作为转动测量光沿着转动测量光斑路径723'行进以在转动位置敏感检测器721上形成转动测量光斑755，并且，所产生的激发光的一部分作为轴向测量光沿着轴向测量光斑路径729’行进以在轴向位置敏感检测器727上形成轴向测量光765。
在各种实施例中，成像透镜752和762被配置为将位置指示发射器751/761分别成像到光电检测器722和728上。在图7的示例性实施例中，轴向测量光斑路径729’(例如，包括反射镜639)可以比转动测量光斑路径723’更长。通常，轴向透镜762被配置和定位成实现将位置指示发射器成像到轴向光电检测器728上的功能，并且转动透镜752被配置和定位为实现将位置指示发射器成像到转动光电检测器722上的功能。在使用远心布置的一个实施例中，转动透镜752和轴向透镜762根据这样的原理定位，对象处于距离透镜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，空间滤波透镜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上形成位置指示发射器的成像。根据这一配置，在一个实施例中，轴向透镜762的焦距可以比转动透镜752的焦距更长。将理解到，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。
将理解到，在各种实施例中，远心布置可以导致随着位置指示发射器751/761沿着焦轴移动到不同的距离处(即，其中准直光线仍然限定发射器边缘)，在光电检测器722和728上的测量光斑尺寸更加恒定。在各种实施例中，对于这样的运动，发射器边缘可能变得“模糊”或以其他方式模糊不清，但是标称光斑尺寸可能不会显著改变。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(例如，因为轴向运动改变转动通道的“聚焦距离”)。在非远心布置中这种移动将更显著地改变测量光斑尺寸(例如，如图6所示)。在各种实施例中，这些问题(例如，改变光斑尺寸)可以通过校准来解决，但是在某些实施例中可能希望将光学部件配置成减少这些问题。
图8是示出触针位置检测部分811的第五示例性实施例的示意图。触针位置检测部分811的某些部件与图3的触针位置检测部分411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3的实施例的一些差别包括提供多路复用信号处理和控制电路870，其控制转动光源818A和轴向光源818B，并且将来自位置敏感检测器的信号解复用。如图8所示，触针位置检测部分811包括转动位置检测配置813和轴向位置检测配置825。转动位置检测配置813包括转动测量光斑产生配置850和用作转动位置敏感检测器821的位置敏感检测器。轴向位置检测配置825包括轴向测量光斑产生配置860和也用作轴向位置敏感检测器827的位置敏感检测器。如所示的，位置敏感检测器821/827包括光电检测器，其用作转动光电检测器822和轴向光电检测器828两者。
转动测量光斑产生配置850包括光源818A、反射元件830、反射元件832、转动位置指示元件816、反射元件834、转动测量光斑路径823'、转动透镜852、分束器820和用作转动空间滤波器853的空间滤波器，光源818A具有沿着转动源光路径823提供转动源光的准直透镜818A’。轴向测量光斑产生配置860包括光源818B、反射元件830、反射元件831、反射元件832、轴向位置指示元件826、轴向测量光斑路径829'、反射元件833、轴向透镜862、分束器820和还用作转动空间滤波器863的空间滤波器。光源818B具有沿着轴向源光路径829提供轴向源光的准直透镜818B’。
在操作中，来自转动光源818A的转动源光(例如，包括第一波长范围)沿着转动源光路径823被提供，并且被反射元件830和832反射以被朝向转动位置指示元件816的转动位置指示发射器851引导。发射体材料输入源光，并且通过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)而响应。所产生的激发光作为转动测量光沿着转动测量光斑路径823’行进，以在用作转动位置敏感检测器821的位置敏感检测器上形成转动测量光斑855。来自光源818B的轴向源光(例如，包括第一波长范围)沿着轴向源光路径829被提供，并且被反射元件830、831和832反射以朝向轴向位置指示元件826的轴向位置指示发射器861行进。发射体材料输入源光，并且响应为输出激发光(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)。所产生的激发光作为轴向测量光沿着轴向测量光斑路径829’行进，以在还用作转动位置敏感检测器827的位置敏感检测器上形成轴向测量光斑865。
多路复用信号处理和控制电路870从用作转动位置敏感检测器821和轴向位置敏感检测器827的位置敏感检测器接收多路复用的X、Y和Z位置信号。多路复用信号处理和控制电路870然后执行解复用操作，以将X和Y位置信号(即，从转动光探测器828接收到的)与Z位置信号(即，从轴向光电检测器828接收到的)分离。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 DeviceWith Multiplexed 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，反射元件831、832、833和834是100％反射性的反射镜。对于至少反射元件832，两侧均是100％反射性的。在各种实施例中，反射元件831和832可以包括镜像棱镜表面(例如，在透明玻璃块组件上)，或者它们可以是组装在框架上的单独的反射镜，对于其光路可以通过空气引导。在各种实施例中，反射元件831和832以及位置指示发射器851和861联接到移动构件412，同时保持触针位置检测部分811的其余元件联接到框架。
在各种实施例中，分束器820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820可以包括透射全部转动发射器波长范围(即，如从反射元件834接收到的)并反射全部轴向发射器波长范围(即，如从反射元件833接收到的)的二向色滤波器/反射器。在各种实施例中，位置敏感检测器821/827是2D检测器。在各种实施例中，光源818A和818B由复用信号处理和控制电路870控制而被交替地激活。在各种替代实施例中，光源818A和818B可以被连续调制，并且位置敏感检测器821/827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被多路复用信号处理和控制电路870中的滤波/解调电路分离。
图9是示出包括在图4的扫描探针中的触针位置检测部分911的第六示例性实施例的图。触针位置检测部分911的某些部件与图5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5的实施例的某些差异包括设置有与转动位置检测配置在空间上分开的分离的轴向位置检测配置925。
如图9所示，触针位置检测部分911包括转动位置检测配置513和轴向位置检测配置925。转动位置检测配置513在上文参考图5被更为详细地描述。轴向位置检测配置925包括轴向测量光斑产生配置960和轴向位置敏感检测器927。如所示的，轴向位置敏感检测器927包括轴向光电检测器928。轴向测量光斑产生配置960包括光源918、窗口元件968、轴向位置指示元件926、轴向测量光斑路径929'、轴向透镜962、轴向空间滤波器963和轴向源光滤波器964，光源918具有沿着轴向源光路径929提供轴向源光的准直透镜918’。
在操作中，来自光源818B的源光(例如，包括第一波长范围)沿着轴向源光路径929提供作为轴向源光，其行进穿过窗口元件968至轴向位置指示元件926的轴向位置指示发射器961。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)。所产生的激发光作为轴向测量光沿着轴向测量光斑路径929’行进，以在轴向位置敏感检测器927上形成轴向测量光斑965。
在各种实施例中，轴向位置指示发射器961联接至移动构件412的杆部分412B，并且通过窗口元件968可见，窗口元件968提供穿过转动元件436的柱形部分436C的窗口。将理解，在转动中心RC附近的轴向位置指示发射器961的定位可以导致相对于移动构件412的转动运动的更少的交叉耦联问题(例如，具有对应的更少的交叉耦联错误)。可以理解的是，在替代实施例中，可以利用源光路径、位置指示发射器和位置敏感检测器的其他配置和/或定位，特别是关于将位置指示发射器定位在移动组件(诸如触针悬挂部分407的移动组件)的现有/原本部件上的有利的能力。
在诸多实施例中，轴向光源418和轴向位置敏感检测器927可以通过各种方式连接至电子器件(例如，挠性印刷连接器等)。在各种实施例中，光源418和918中的每一个可以提供呈这样的光束的形式的相应的源光，该光束足够宽以允许在位置指示发射器551和961的相应的移动范围上，相应的位置指示发射器551和961保持在源光中。
图10是示出与图3的触针悬挂部分组合使用的触针位置检测部分1011的第七示例性实施例的图。触针位置检测部分1011的某些部件与图3的触针位置检测部分411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3的实施例的某些差异包括转动位置检测配置1013已被修改为包括梯度折射率透镜1059。
如图10所示，触针位置检测部分1011包括转动位置检测配置1013和轴向位置检测配置425。轴向位置检测配置425在上文参考图3被更为详细地描述。转动位置检测配置1013类似于图3的转动位置检测配置413，除了被修改为包括梯度折射率透镜1059。更具体地说，梯度折射率透镜1059位于套筒组件1058的内部，其在梯度折射率透镜1059的顶部具有孔。转动位置指示发射器451位于梯度折射率透镜1059的底部处，并且套筒组件1058位于分束器420的顶部上，使得转动位置指示发射器451被来自分束器420的源光照亮，类似于图3的配置。如上所述，在图3的实施例中，转动位置指示发射器451由转动透镜452成像到转动位置敏感检测器421上，并因此具有在位置指示发射器451处终止的ΔY力矩臂。不同地，在图10的实施例中，梯度折射率透镜1059聚焦发射光并将其沿着转动测量光斑路径1023'投射，使得用于转动测量光斑1055的力矩臂延伸到转动位置敏感检测器421。
应该理解，图3-10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)的位置指示发射器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方式旨在仅为示例性的而非限制性的。
在各种实施例中，图3-10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，其中根据轴向位置敏感检测器上的轴向测量光斑的移动，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11A和11B是示出诸如可在触针悬挂部分中使用以用于实现轴向和转动运动的可弹性变形的盘状挠性元件1114和1140的一些具体示例实施方式的图。用于挠性元件的材料的示例是磷青铜(phosphor bronze)，但应该理解，在其他实施方式中可以使用其他材料。在一个实施方式中，第一挠性元件1114可以与成对的第一挠性元件(例如，类似于挠性元件414和415)相同，而在其他实施方式中，一对第一挠曲元件可以彼此不同。
第一挠性元件1114设置有三个切口部分1114D，所述三个切口部分1114D沿圆周方向彼此偏移120度，以形成周边部分1114A、接合部分1114B和中心部分1114C。周边部分1114A是待固定到对应的元件(例如，转动构件436的环形部分)的最外的周边部分。接合部分1114B的相反端部分别联接到周边部分1114A和中心部分1114C。中心部分1114C是待固定到对应的元件(例如，移动构件412)的部分。附接元件(例如，移动构件412)沿轴向(或Z)方向的移位导致中心部分1114C垂直于挠性元件1114的平面(例如，轴向方向)移动。应理解，在其他实施例中，其他形状可以用于挠曲元件。
在图11B的实施例中，第二挠性元件1140设置有在圆周方向上彼此错开180度的两个弧形切口部分1140E，并且两个铰接部分1140C形成在它们之间。在切口部分1140E的径向内侧上还设置有沿周向彼此错开180度的两个弧形的切口部分1140F，并且在它们之间形成两个铰接部分1140D。由此，形成了周边部分1140A、接合部分1140G和中心部分1140B。周边部分1140A是待固定到相应的元件(例如，主体框架408)的部分。中心部分1140B是待固定到相应的元件(例如，转动构件436的柱形部分436C的中间)的部分。切口部分1140E和1140F以及所形成的铰接部彼此错开90度。因此，中心部分1140B可围绕这些铰接部倾斜(可旋转)，且第二挠性元件1140的中心被用作转动中心RC。应该理解，在其它实施例中，其他形状可以用于每个挠性元件。
图12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1200的一个示例性实施例的流程图。在框1210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1220处，操作第一光源以辐照第一源光。第一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，并且包括位置指示发射器，该位置指示发射器包括发射体材料，发射体材料输入并吸收来自第一光源的光并且通过输出激发光来响应。激发光被提供为以下中的至少一者：沿着轴向测量光斑路径的轴向测量光，以在轴向位置敏感检测器上形成轴向测量光斑；或者，沿着转动测量光斑路径的转动测量光，以在转动位置敏感检测器上形成转动测量光斑。
在框1230处，响应于转动测量光斑的位置从转动位置敏感检测器接收至少第一和第二转动信号，其中，至少第一和第二转动信号指示触针联接部分的转动位置。在框1240处，响应于轴向测量光斑的位置从轴向位置敏感检测器接收至少一个轴向信号，其中，所述至少一个轴向信号指示触针联接部分沿着轴向方向的位置。在框1250处，处理来自轴向位置敏感检测器的至少一个轴向信号和来自转动位置敏感检测器的至少第一和第二转动信号，以确定触针的接触部分的3D位置。
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，所述第一光电检测器被配置为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的位置的输出，其中，所述第一位置敏感检测器是轴向位置敏感检测器或转动位置敏感检测器中的至少一个；
第一光源，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着第一源光路径辐照包括的第一波长范围的第一源光；
第一位置指示元件，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，所述第一位置指示元件包括第一位置指示发射器，所述第一位置指示发射器包括发射体材料，所述发射体材料输入来自所述第一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不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中，所述第一位置指示发射器被配置为沿着第一源光路径输入第一源光、而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关，并且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，以在第一位置敏感检测器上形成第一测量光斑，并且其中，所述第一位置敏感检测器响应于所述第一测量光斑输出第一信号，所述第一信号指示所述触针联接部分的轴向位置或转动位置中的至少一个。
2.根据权利要求1所述扫描探针，其中，
所述第一位置敏感检测器是轴向位置敏感检测器；
所述第一测量光斑是轴向测量光斑；
所述第一信号是轴向信号，其指示所述触针联接部分的轴向位置；并且
所述触针位置检测部分还包括：
第二位置敏感检测器，其是转动位置敏感检测器，其中，所述第二位置敏感性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第二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；以及
其中，所述第二测量光斑是转动测量光斑，其对应于触针联接部分的转动位置而沿着第二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移动，并且所述第二位置敏感检测器响应于所述第二测量光斑而输出至少第一信号和第二信号，并且所述至少第一信号和第二信号指示触针联接部分的转动位置。
3.根据权利要求2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二位置指示元件，所述第二位置指示元件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，所述第二位置指示元件包括第二位置指示发射器，所述第二位置指示发射器包括发射体材料，该发射体材料输入来自所述第一光源的在第一波长范围内的光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光，所产生的激发光包括不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中，所述第二位置指示发射器被配置为沿输入第一源光，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，以在所述第二位置敏感检测器上形成所述第二测量光斑。
4.根据权利要求2所述的扫描探针，进一步包括第二光源，所述第二光源相对于所述框架固定，并且被配置为沿着第二源光路径辐照包括第一波长范围的第二源光，并且其中，所述触针位置检测部分进一步包括第二位置指示元件，所述第二位置指示元件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，所述第二位置指示元件包括第二位置指示发射器，所述第二位置指示发射器包括发射体材料，所述发射体材料输入来自所述第二光源的在第一波长范围内的第二源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光，所产生的激发光包括不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中，所述第二位置指示发射器被配置为输入第二源光，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，以在所述第二位置敏感检测器上形成所述第二测量光斑。
5.根据权利要求2所述的扫描探针，其中，来自所述第一位置敏感检测器的信号与来自所述第二位置敏感检测器的信号结合，能够确定所述触针联接部分相对于所述框架的绝对3D位置。
6.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，
所述第一位置敏感检测器是转动位置敏感检测器；
所述第一光电检测器还被配置为提供响应于第一测量光斑沿着第一位置敏感检测器的第二感测轴线方向的位置的第二信号，其中，所述第一信号和第二信号指示所述触针联接部分的转动位置；
所述第一测量光斑对应于所述触针联接部分的转动位置和所述第一位置指示元件横向于所述轴向方向的相关联位置而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移动，并且所述第一位置敏感检测器响应于所述第一测量光斑输出至少第一信号和第二信号，并且所述至少第一信号和第二信号指示所述触针联接部分的转动位置；以及
所述触针位置检测部分还包括：
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，所述第二光电检测器被配置为提供响应于测量光斑沿着第二位置敏感检测器的感测轴线方向的位置的输出，其中，所述第二位置敏感检测器是轴向位置敏感检测器；以及
第二位置指示元件，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，所述第二位置指示元件被配置为沿着所述第二源光路径输入第二源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关，并且沿着第二测量光斑路径输出第二测量光以在所述第二位置敏感检测器上形成测量光斑；
其中，在所述第二位置敏感检测器上的测量光斑对应于所述触针联接部分沿着所述轴向方向的位置而沿着所述第二位置敏感检测器的感测轴线方向移动，并且所述第二位置敏感检测器响应于所述测量光斑输出至少一个信号，并且所述至少一个信号指示运动元件沿着轴线方向的位置。
7.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，
第二光源，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着第二源光路径辐照包括第一波长范围的第二源光；并且其中，所述触针位置检测部分进一步包括第二位置指示元件，所述第二位置指示元件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，所述第二位置指示元件包括第二位置指示发射器，所述第二位置指示发射器包括发射体材料，所述发射体材料输入来自所述第二光源的在第一波长范围内的第二源光，并且响应为输出在发射体材料内产生的激发光，所产生的激发光包括不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中，所述第二位置指示发射器被配置为输入第二源光，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，以在所述第一位置敏感检测器上形成第二测量光斑；以及
多路复用信号处理和控制电路，其被配置为控制所述第一光源和第二光源的定时，以将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从第一位置敏感检测器分离所述输出信号。
8.根据权利要求1所述的扫描探针，其中，所述发射体材料包括磷光体材料、光致发光半导体纳米颗粒、纳米晶体、量子点或纳米棒中的至少一种。
9.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透镜，所述第一透镜被配置为输入第一测量光，并且聚焦所述第一测量光以在所述第一位置敏感检测器上形成第一测量光斑。
10.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第一源光抵达所述第一位置敏感检测器，并允许在第二波长范围中的第一测量光通过以抵达所述第一位置敏感检测器。
11.根据权利要求10所述的扫描探针，其中，所述第一光学滤波器是所述第一位置指示元件或所述第一位置敏感检测器的部分。
12.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分束器，所述分束器定位在所述第一源光路径中，并且允许在所述第一波长范围中的第一源光通过以抵达所述第一位置指示发射器，并且所述分束器定位在所述第一测量光斑路径中并包括反射性表面，所述反射性表面引导所述第一测量光朝向所述第一位置敏感检测器。
13.一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：
轴向位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括轴向光电检测器，该轴向光电检测器被配置为提供响应于测量光斑沿着所述轴向位置敏感检测器的感测轴线方向的位置的输出，以及
转动位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括转动光电检测器，该转动光电检测器被配置为提供响应于测量光斑沿着所述转动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；
轴向测量光斑产生配置，其包括：
轴向光源，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着轴向源光路径辐照轴向源光；
轴向位置指示元件，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，所述轴向位置指示元件被配置为沿着所述轴向源光路径输入轴向源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关，并且沿着轴向测量光斑路径输出轴向测量光以在所述轴向位置敏感检测器上形成轴向测量光斑；
其中，所述轴向测量光斑对应于所述触针联接部分沿着所述轴向方向的位置而沿着所述轴向位置敏感检测器的感测轴线方向移动，并且所述轴向位置敏感检测器响应于所述轴向测量光斑输出至少一个轴向信号，并且所述至少一个轴向信号指示所述触针联接部分的轴向位置；以及
转动测量光斑产生配置，包括：
转动光源，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着转动源光路径辐照转动源光；
转动位置指示元件，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，所述转动位置指示元件被配置为沿着所述转动源光路径输入转动源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关，并且沿着转动测量光斑路径输出转动测量光，以在所述转动位置敏感检测器上形成转动测量光斑；
其中，所述转动测量光斑对应于所述触针联接部分的转动位置和所述转动位置指示元件横向于所述轴向方向的相关联的位置而沿着所述转动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移动，并且所述转动位置敏感检测器响应于所述转动测量光斑输出至少第一转动信号和第二转动信号，并且所述至少第一转动和第二转动信号指示所述触针联接部分的转动位置，
其中，
所述轴向测量光斑产生配置或所述转动测量光斑产生配置中的至少一个包括发射体材料配置，其中：
其相应的光源沿着其相应的源光路径辐照包括第一波长范围的源光；以及
其相应的位置指示元件包括相应的包括发射体材料的位置指示发射器，所述发射体材料输入和吸收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不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，并且所产生的激发光作为沿着其相应的测量光斑路径的测量光而被输出，以在其相应的位置敏感检测器上形成相应的测量光斑。
14.根据权利要求13所述的扫描探针，其中，所述轴向测量光斑产生配置和所述转动测量光斑产生配置二者包括发射体材料配置。
15.一种用于基于从扫描探针接收到的位置信号来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：
轴向位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括轴向光电检测器，该轴向光电检测器被配置为输出响应于轴向测量光斑沿着所述轴向位置敏感检测器的感测轴线方向的位置的至少一个轴向信号，其中，所述轴向测量光斑对应于所述触针联接部分沿着所述轴向方向的位置而沿着所述轴向位置敏感检测器的感测轴线方向移动，并且所述轴向位置敏感检测器响应于所述轴向测量光斑输出至少一个轴向信号，并且所述至少一个轴向信号指示所述触针联接部分沿着所述轴向方向的位置，以及
转动位置敏感检测器，其相对于所述框架固定，并且包括转动光电检测器，该转动光电检测器被配置为输出响应于转动测量光斑沿着所述转动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至少第一转动信号和第二转动信号，其中，所述转动测量光斑对应于所述触针联接部分的转动位置而沿着所述转动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移动，并且所述转动位置敏感检测器响应于所述转动测量光斑输出至少第一转动和第二转动信号，并且所述至少第一转动信号和第二转动信号指示所述触针联接部分的转动位置；
第一光源，其相对于所述框架固定，并且被配置为沿着第一源光路径辐照包括第一波长范围的第一源光；
第一位置指示元件，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，所述第一位置指示元件包括位置指示发射器，所述位置指示发射器包括发射体材料，所述发射体材料输入并且吸收来自所述第一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不被包含在第一波长范围内的第二波长范围，其中，所述位置指示发射器被配置为沿着第一源光路径输入第一源光，而与所述触针联接部分在其运动范围内的位置无关，并且输出作为以下中的至少一者的所产生的激发光：
沿着轴向测量光斑路径的轴向测量光，以在轴向位置敏感检测器上形成轴向测量光斑；或
沿着转动测量光斑路径的转动测量光，以在转动位置敏感检测器上形成转动测量光斑；以及
处理部分，其处理来自所述轴向位置敏感检测器的至少一个轴向信号和来自所述转动位置敏感检测器的所述至少第一转动信号和第二转动信号，以确定所述触针的接触部分的3D位置。
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