CN109310328A - 用于3d测量应用的mems可调vcsel驱动的扫频光源oct - Google Patents

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Abstract

公开了光学探头系统，其能够对工程物体进行高速、高精度和高分辨率3D数字化。工程物体的3D维度数据通过一种使用扫频光源并具有改进的速度、空间分辨率及深度范围的光学相干断层成像系统进行测量。还公开一种坐标测量器(CMM)，其具备对工程物体实施高速、高分辨率及非接触测量的能力。传统CMM的触发式探头中的机械探针替换为具有可重新配置直径和长度的光探针。光探针中心到测量探头之间的距离调整为能快速适配待测量的物体的高度，以免除探头一维的运动并大大地提高效率。

Description

用于3D测量应用的MEMS可调VCSEL驱动的扫频光源OCT
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月25日提交的美国临时专利申请62/313,346的权益。美国临时专利申请62/313,346的公开内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及一种光学探头(probe)系统，其能够对工程物体进行高速，高精度和高分辨率的3D数字化测量。工程物体的3D维度数据通过一种使用扫频光源(swept source)并具有改进的速度，空间分辨率及深度范围的光学相干断层成像系统进行测量。
本发明还涉及一种新型坐标测量器(CMM)，该仪器具备对工程物体实施高度，高分辨率及非接触测量的能力。传统CMM的触发式探头中的机械探针被替换为具有可配置直径和长度的光探针。光探针中心到测量探头之间的距离调整为能快速适配待测量的对象，以免除探头一个维度上的运动并大大地提高效率。
背景技术
OCT成像
光学相干断层成像(OCT)是一种非入侵性的相干光学成像技术，该技术能够生成组织或其他散射或反射材料的微米级分辨率的2D和3D影像。OCT成像技术通常用在生物医学成像或材料的检查，并且是更大的激光扫描显微镜(LSM)家族的一部分。1991年首次证明能应用在人类眼睛成像[参考文献1]后，OCT成像技术已建立起一套用于诊断和监控眼部疾病的医学标准。OCT成像技术经历了从开始的时域工作方式[参考文献1]到如今的傅里叶域工作方式[参考文献2-6]，能够在获取的多个光学干涉条纹信号中将深度信息进行频率编码。扫频光源OCT成像系统(SS-OCT)[参考文献2-3]使用了一种扫描波长的光源来照向光学干涉仪，并使用高速探测器获取经时域编码的干涉条纹。光谱域OCT成像系统(SD-OCT)[参考文献4-6]使用了一种宽带光源来照向光学干涉仪，并利用光学光谱仪来使用线阵探测器记录(即CCD或CMOS)进行空间编码后的相干条件信号。SS-OCT和SD-OCT是两种有大量文献记载的傅里叶域的OCT成像方法。虽然这项工作将主要描述使用SS-OCT的系统，但应该理解，由于每种技术都有其优点和局限性，因此可以利用其他OCT技术也同样能够获得不同程度的成功。用作处理背反射光和产生相干图样的干涉仪是典型的迈克尔逊型干涉仪，但也可以使用任何其他的类型。
作为光束扫描OCT的替代技术的全视场光学相干断层扫描(FF-OCT)，基于白光干涉显微镜[参考文献7]。FF-OCM通过使用区域相机获取的干涉图像的算术组合以及使用低相干光源照射整个视场，以在面对方向产生高分辨率的断层图像[参考文献8]。
OCT成像技术能够在整个立体成像范围中获取柔软但高度散射的生物学对象的微米级分辨率的三维(3D)影像。当对类似人体皮肤等半透明组织对象进行成像时，典型数据集在大约10毫米(长度)×10毫米(宽度)×3毫米(深度)的总体积内提供完整的空间细节。SS-OCT使用位于OCT仪器内的参考延迟来对物体的距离进行频率编码。待测对象距离参考延迟越远，则OCT系统产生的干涉条纹的信号频率越高。
这项工作旨在将这种相对较新的技术扩展到不仅限于生物领域的应用。进行成像的一大类物体定义为工程物体，这个术语旨在囊括自然或人造的任何物体，重点是人造的非生物物体。并不是要直接将生物物体排除在外，本工作提出了一种更适用于从不透明到透明的人造工程物体的仪器和技术。工程物体一词将用来描述此类普通的物体。
当物体由不能被光穿过其表面的材料制成，同时能够反射部分可测量到的光时，这些物体将被称作反射性物体。所述的可测量到的部分范围相当宽，但假设为从0.1％到100％的范围。反射物体的一个例子可以是新加工的铝精密机械部件，其表面光洁度具有足够高的质量，以反射入射激光束的一部分。剩余部分的光束被散射。
要将已有的应用在生物科学的OCT技术应用到更广泛的工程物体中，有很多的技术挑战。首要的挑战来自多数OCT系统的测量深度范围在5到20毫米的限制。该限制来自扫频光源的干涉长度限制或光学光谱仪中的光谱分辨率的限制。该有限的测量范围意味着OCT系统中的参考表面需要定位在距物体表面几十毫米的光学延迟差处，以便获取物体的3D数字图像。
另外一个限制来自之前提到的SS-OCT内在的频率编码信号机制，其中物体的距离越远，需要越高频率的OCT信号。目前，在一个可接收的10mm的测量深度范围，扫频光源激光器可以工作在超过100kHz的频率下(参考文献9)，相应地，模拟转数字转换器(A/D)需要工作在500MS/s(兆样本每秒)。我们将要说明，提高测量深度范围将要提高激光器的扫描频率的同时，需要极高速的A/D转换器，这将大大增加系统成本。
本工作将提出一系列为生命科学应用而设的基于OCT的仪器的调整。我们将会展示这些新仪器应用到在不同的工业应用范围。应当理解，将这些新技术带回到生命科学中去将会改进该市场，从增强的机器人手术到生物体的全身扫描。
第一项要说明的这项新技术的工业应用领域是，将甚高速扫频激光器充分地应用在测量领域中。基于OCT的增强坐标测量器可用作机械车间中使用机械工具生产加工精密金属件的测量工具。
坐标测量器(CMM)是人们熟知的测量装置，适合在CMM的物体体积测量范围内测量不太复杂的物体的尺寸。更具体地说，考虑了包含在由铝和不锈钢制成的反射物体子集中的一个大系列。传统的CMM使用带有电动接触触发式的机械探针来将工程物体的X、Y、Z坐标信息发送到用户和/或计算机。旧式的接触测头型的CMM机器将用于验证机加工零件上的许多关键尺寸，以验证原型或产品设置。很多机械师会在机加工零件上检查相对较少的点，以确保其达到相应机械图纸或实体模型中规定的公差。最普通的CMM使用带有电子运动控制的吊架型结构，其功能包括为接触式探头供电及在空间中精确定位探头。
当一个物体在生产加工的时候CMM可以用来周期性地测试这些相对小量的数据点，相比之下，通常以数字方式高质量地渲染部件需要数百万或更多数据点。新式的CMM使用在固定间隔中提取数据点的拖动探头来产生更高密度的数据点，这在CNC机械工具加工的复杂形状上是必须的。
CMM可以考虑为广义工业机器人范畴上执行对工程物体测量的一组机器人。当人们提及CMM时，所指的通常是包括探头以及通过硬化球、红宝石或碳化钨来接触表面的探针的装置。该探头能够相对于实验室坐标系统进行测量。CMM还提供教学模式，其中用户对“黄金物体”进行一组测量，然后系统在后续对象上重复这组测量。
CMM历来是一种用于验证关键尺寸的仪器，就像机械师可能使用“机械千分尺”在加工过程中或加工后检查零件上的特征一样。自非接触式CMM探头面世以来，密集整体扫描变成可能，但通常不需要在车间地面上。如果工程物体具有自由的形状几何，那么密集采样更有可能是有益的。CMM方法通常比较适合测量一件事先由足够信息和特征的待测工程物体，以允许系统计划出一条优化的测量路径，尤其是当实际的特征与预期偏离不大的情况下。
最近出现了多种非接触式的方法，可以在提高速度的同时，保持CMM现有的分辨率和精确度。这些方法包括单点激光器三角测量法[参考文献10]、激光器线扫描[参考文献11]、结构光照射[参考文献12]、彩色白光扫描[参考文献13]以及单一波长共焦影像[参考文献14]。某些非接触的测量方法通常在分辨率和精确度方面比接触式的测量要逊色，但能提供更高的测量速度。最近非接触式共焦显微镜系统展示出提高速度和分辨率的能力，然而，由于需要高数值孔径的物镜来保证高空间分辨率，通常情况下共焦显微镜的工作距离限制在数毫米。更近地，已经提出了基于包括光学相干断层成像方法在内的光学干涉技术的非接触式的CMM探头[参考文献15,16]。
众多CMM利用机械式的探头来对工程物体来进行物理接触。为了测量工程物体，该探头需要定位于相对于该工程物体的X、Y及Z方向，并且需要接触该工程物体。探头接触后，机械元件的活动是耗时的。基于SS-OCT的CMM(SS-CMM)具备每秒产生超过100万个数据点的能力，这是接触式的和目前非接触式的CMM所不具备的。
独有的关于距离的频率编码方式允许SS-CMM非常弹性地在一个工程物体与CMM探头位置之间的距离内获取数据。这种自由度允许SS-CMM即使在工程物体和探针位置之间的不规则间隔处也能获取数据点。SS-CMM系统需要较小束腰的激光光束，但其带来的限制是激光光束的发散，有效描述这种特征的概念是聚焦光束的瑞利长度。瑞利长度是指光束沿着其行进方向当光线束腰变成根号2或接近1.414倍时的距离。瑞利长度是用来量化SS-CMM系统工作距离非常有用的参数。SS-CMM系统可以配以能够快速改变光束束腰位置的动态的对焦控制系统。
通常结构的CMM的测量体积受到X、Y和Z方向上的运动的限制。这个限制在很大程度上可以通过基于SS-OCT的光学探头来消除，该探头能够使用扫描激光束来扫描固定测量包络线范围之外的区域。
CMM的机械探头是一种易于磨损的精密配件。非接触式SS-OCT探头可避免磨损。众多机械式探头是精密的配件，其需要以接近垂直于被测点的方式来靠近被测的工程物体。非接触式的SS-OCT探头能够配置来解决这种限制。
需要目标表面是刚性的并且对探头几乎不产生接触力，这样就形成了接触式探头的触发点能够达到的速度上限。SS-CMM不存在这样的问题。
机械式的探头不能检测不允许单点接触的精密部件。并且，机械式的扫描探头产生造成被测的工程物体损坏的风险。因此，最近非接触式的解决方案的需求发展起来。这些新方法包括：单点激光三角测量法、激光线扫描法、共焦影像法、彩色白光线扫描法(共焦影像法的一种)、基于数字照相机的结构光学照明，以及基于光学干涉测量的非接触探头。
所述的单点激光三角测量方法需要激光源及一个对位置有感应能力的探测器。该方法的限制是测量精度收到仪器尺寸的影响：激光源与探测器之间的基线长度越长，精确度越高。在商用系统上安装这类仪器通常需要比理想情况更大的空间。并且探测器输出的信号及待测物的距离的关系并不是线性的。
激光线扫描，或者总的来说是结构光学照明方法，在待测物体表面上投影线条或2D图形，并采用2D数字照相机获取待测物体产生的线型图形。通过激光线穿透待测物体表面进行扫描，或以网格图形照射其表面，可以获得待测物体3D表面轮廓。该方法速度相当快，但测量结果很大程度上依赖照明技术：测量的横截面及深度方向的分辨率依赖激光照明线宽，并且能够进行扫描的物体的大小同样受到所用的照明方法的限制。该技术的另外的缺点是有限的测量动态范围，能用该技术进行3D数字化的工程物体收到其光学和物理特性限制，例如，该工程物体是否在反射率上具有很大的变动范围或者能够将大部分的照射光散射。
所述彩色白光线扫描方法利用了Marvin Minsky在1957年提出的共焦影像原理。在该彩色白光线扫描方法中仪器在不同的焦点深度中聚焦从白光光源中发射出来的不同的波长的光。该技术采用一种波长相关的焦点深度的光源系统。待测物体的表面位置信息可以通过测量通过共焦孔径的发射光的波长计算出来。根据所使用的共焦原理，该方法能够以非常高的横向(小于1μm)和深度(几nm)分辨率测量该物体的位置信息。但是，该测量方法中，待摄取的待测物体的表面需要非常靠近该共焦物镜的焦距，可进行测量的最大的距离受到仪器的限制，该限制为需要将共焦测量头非常精确地定位于待测物体表面的一个固定的距离上。
基于OCT的3D表面测量方法近期发展了起来。EP 1 744 119公开了一种采用扫频光源产生光学干涉信号的表面测量装置。美国专利9,127,929公开了一种基于频率扫描源的CMM配备有能够进行光束旋转控制的探头，允许垂直光束照射在物体表面上以提高测量精度。以上例子公开的扫频光源为外腔型或光纤环型可调激光器，具有在激光器增益媒质外部的波长选择元件。事实证明此类扫描光源能够支持的最大相干长度为数十毫米。当测量高度变化的数量及比扫频光源的相干长度大的工业工件时，探头需要向靠近物体表面的方向移动，或者跟随物体的高度变化来移动，以产生具有足够干涉对比度的OCT干涉条纹信号并且产生足够的信噪比来测量表面高度信息。这意味着需要频繁地调整探头的位置，这会大大地降低系统测量大型物体的测量速度。
自从在2011年首次展示了用于OCT成像的快速宽带MEMS可调VCSEL激光器以来[参考文献9]，由MEMS可调VCSEL激光器驱动的扫频光源OCT系统能够同时取得超高的扫描速度，较宽的光谱调谐范围，灵活的扫描轨迹以及超长的相干长度的技术效果。[参考文献17-18]，这些技术效果是现有的其他扫频光源技术不能同时达到的。独特设计的微米级激光腔长的MEMS可调VCSEL激光器能够以单模模式工作，不产生模式跳跃现象。因此，该激光器的相干长度极长。该VCSEL激光器的扫描输出波长的效果来自于激光器腔长随MEMS反射镜移动而变化，该MEMS反射镜与另一面固定的反射镜决定了激光器的反射腔的腔长。该激光器与其他包括外腔可调激光器和光纤环可调激光器在内的扫频光源的波长选择机制有着根本的不同。MEMS可调VCSEL激光器的长相干长度和超快的速度的技术特征带来了令人振奋的新应用场景的同时也给OCT系统的设计带来了新的挑战，因为所有传统的SSOCT系统中在其探测系统中具有有限的最大电子探测带宽，在优化系统时，必须权衡深度分辨率，深度测量距离或测量速度这三者。另一项挑战是系统的横向分辨率是否达到最佳与是否能在非常长的测量深度范围中保持光束光斑最小有关，因为待测物体表面的高度是任意的。本申请的以下部分将公开克服以上限制和挑战的技术细节。一同公开的还有，将MEMS可调VCSEL激光器驱动(powered)的扫频光源OCT系统适配到坐标测量器及其在测量工业物体上的应用。
了解测量光学分辨率
和其他激光扫描影像系统不同的是，OCT系统中，沿X和Y维度上的光学分辨率(见图1)与Z(深度方向)维度上的光学分辨率是无关的，因为两者通过光学系统不同的物理特征决定，因此分开讨论横向分辨率和深度分辨率。
回顾一下由A扫描构成的基本OCT测量，在该测量中，能够同时定位在一系列不同深度的表面，而不仅仅在物体的焦点位置。然而，在OCT激光光束的束腰位置，横向分辨率是最小的，并且该横向分辨率取决于光波长以及物镜的聚焦情况(见等式1)。通常，OCT系统的横向分辨度随深度缓慢变化，并在光束束腰(焦点)的位置达到最小，并随着深度的增加或者束腰的深度的降低变得模糊。本申请中应用的是高斯光束，并展示系统如何在光束束腰处权衡分辨率，以在整个感兴趣的深度范围内产生较小的变化。下面将讨论细节，从等式1和图1开始，它们结合起来展示了所用物镜与探测光束的最终形状之间的关系。
在(等式1中，λ0是中心波长，D是进入物镜处的激光光束的直径，f是物镜的焦距，此公式假设激光光束的质量接近于理想的情况，通常情况是扫频光源激光器所产生的激光全部耦合进单模光纤中(这是SS-OCT在生物医学应用的标准做法)。
深度范围定义以光束束腰为中心的2ZR处。例如，焦距为10mm的透镜和1mm直径波长在632nm的激光光束的束腰直径大约在8um，2ZR的值大约为160um。同样地使用1mm直径的激光器，焦距改为100mm，则束腰的直径将接近80um，2ZR的值大约为16mm。
OCT系统的深度分辨率独立于横向分辨率，在仪器的深度范围内深度分辨率保持不变。假设一个反射性物体，该深度范围是，使从该物体上反射的光能够与参考光产生足够对比度的干涉图样，以产生足以完成检测的SNR的信号的距离范围。
计算得到的深度分辨率与光源的带宽成反比。假设光的光谱形状是高斯型光谱形状，则理论的深度分辨率Δz由等式2给出：
其中，λ0是中心波长，Δλ是激光光源光谱的半最大值全宽度值(FWHM)。表1示出了在一些普通的OCT系统的横向和深度分辨率的理论值，其中，假设Δλ大约为中心波长λ0的5％，具有一个接近高斯形状的光谱轮廓：
表1.计算得到的OCT系统的分辨率的值
生物医药的OCT影像通过干涉信号的强度信息来构建，这提供了摄取包括整个3D体内表面和外表面影像的能力。在这种情况下，深度分辨率可以理解为使得，在沿深度方向上的两个反射面之间的最小距离，这个距离使得其在OCT影像中能够分辨出来。如表1所述的计算过程，普通的OCT系统的深度分辨率限于数微米。通常更高的分辨率需要对材料表面进行分析，例如测量加工金属件的表面或者光学镜面的表面。可以通过组合多个扫频光源激光器来增强深度分辨率，显而易见的是，为了检测反射物体，通过计算由隔离表面产生的信号的中心，可以极大地提高分辨率。
理解速度、分辨率和深度之间的关系
由于MEMS可调垂直腔面发射激光器(VCSEL)的微米量级的激光腔长，其成为了SS-OCT成像，光学测量及光谱应用中的理想光源。较低的反射镜质量使得超过每秒一百万次的扫描速度成为现实。VCSEL的设计支持其能够在高重复率的扫描时以单模模式工作，并不产生模式跳跃现象。单模工作模式可以在快速波长扫描时获得超过数米的相干长度，并且能够支持从长延迟的光学干涉仪中得到高质量的干涉信号。
扫频光源OCT系统的可测量的最大反射深度取决于以下两个因素：光源的相干长度以及探测系统的电子频率带宽。相干长度对应于干涉仪中干涉条纹对比度下降到50％时的光学延迟。超过光源的相干长度时，扫频光源OCT系统的测量灵敏度将大大下降。对于检测系统的限制，SS-OCT系统对深度信息进行频率编码，因此重要的是检测系统必须具有足够的带宽，来探测出由长相距距离和VCSEL的高速波长扫描结合所产生的高频信号。
更正式一点的说法是，扫频光源的相干长度是，该光源整个波长范围内，每个瞬时波长的相干长度的平均值。因为扫频光源并不发射固定波长的光，而是输出波长随着时间周期性改变的波长信号。所述瞬时相干长度由等式3给出：
其中λ是瞬时输出波长，Δλ是光源的瞬时线宽。在实验中，扫频光源的干涉通过两个干涉臂之间的光程差进行测量，光程差为0时，干涉条纹对比度下降到50％。类似VCSEL激光器的长相干的扫频光源能够从长延迟的干涉仪中产生高对比度的干涉条纹信号。相干长度是扫频光源激光器的一个重要参数，因为其从源头上对测量深度范围施加了限制。应该注意到，即使50％的相干条纹对比度作为测试结果提供了SS-OCT有限范围工作的实际信息，但仍然应该留意的是，在某些情况下多数应用场景的这个50％的点不太敏感，例如反射性的金属物体被加工成普遍接受的表面光洁度那样的情况。
完整的探测系统的带宽是SS-CMM系统中的一个重要的元素，该系统由光电探测器，放大器及数据采集装置组成。光电探测器的响应时间，频率带宽以及放大器的转换率以及数据采集装置的目标速率均对探测系统的高频干涉条纹信号的测量能力产生影响。通常，探测系统对高频信号的频率响应会相应降低。因此，控制干涉信号的频率带宽以匹配探测系统的最佳频率相应范围是非常重要的。
来自深度D的信号的电子频率通过下式给出：
其中λ0是中心波长，Δλ是扫频光源的扫描波长范围得的FWHM，Rscan是激光器的重复率。
对于最大深度Dmax为10mm，激光器重复率为100kHz，中心波长为1μm以及FWHM调节范围在50nm的系统来说，其信号带宽f(10mm)＝108Hz＝100MHz。
因为0延迟的干涉条纹信号是直流信号，所需的探测带宽是从从直流到f(Dmax)采样理论所要求的，数据采集装置的采样率(Sa)为
Sa≥2f(Dmax)(等式5)
使用等式5，在这个示例系统中，最低的采样率需要达到200MHz。尽管目前商用的数据采集卡(加拿大Alazar Technologies Inc.生产的ATS9360)能够提供GHz级别的采样速率，但在不牺牲整体系统性能的前提下控制最大化采样率来进行系统管理是有益的。降低探测系统的带宽不仅能减小系统的开销，还可以限制探测器检测的宽带噪声的总量。
对于一个特定的探测系统来说，最大探测带宽f(Dmax)是恒定的，最大测量深度，深度分辨率以及光源的扫描速度的关系为：
因此，若OCT系统应用于同时要求不同速度，空间分辨率及深度范围的测量时，必须作出权衡。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种从物体用于测量物理和几何数据的光学探头系统，包括，光源，配置为发射一个范围内波长的光；测量探头，配置为传递光源发射出的光中的一部分光到待测物体，来作为检测光信号，并且收集来自物体的光；测量探头具有光纤聚焦控制机制；参考光产生器，配置为传递光源发射的光中的一部分光，来产生参考光信号，参考光产生器具有可调节光学延迟的光程；光干涉仪，配置为接收来自通过测量探头收集的待测物体的光信号以及参考光信号，并且产生记录在探测系统的干涉条纹信号；信号处理器，配置为处理干涉条纹信号以获取来自待测物体的光信号及参考光信号之间的光延迟差；第一控制回路，配置为基于所述信号处理器获取的光学延迟差，来控制测量探头中的光束聚焦条件，以使得通过所述的光束聚焦控制机制使光束一直在待测物处聚焦；第二控制回路，配置为基于所述信号处理器获取的光学延迟差，来控制参考光产生器的光学延迟，以使得形成的干涉条纹信号能够一直控制在探测系统的最佳探测范围内。
另一个实施例提供了一种采用光学相干成像方法(OCT)的系统来测量待测物体的物理和几何数据的方法，所述方法包括：以低深度分辨率模式操作该OCT系统，利用光源的部分光谱带宽，在扩展深度测量范围内，以较低的分辨率测量所述物体的高度；在OCT系统中改变参考光产生器的光学延迟，以匹配在低高度分辨率模式下所测量的物体的高度；以高深度分辨率模式操作该OCT系统，利用光源的全部光谱带宽，来测量高分辨率地测量物体的高度；物体的高度是高深度分辨率模式下的测量物体高度，通过参考光产生器中光学延迟的变化来调节。
另一个实施例提供了一种坐标测量器，包括：表面，配置为承载待测物体；测量探头，配置为通过移动机制向靠近所述物体的已知空间坐标处移动，测量探头内部具有可重新配置的光学元件；光探针，光探针通过测量探头内的可重新配置的光学元件生成，其中，光探针具有可调节的直径及长度；可调节探针中心到探头之间的距离；与待测物体保持光学结束；光学相干断层(OCT)系统配置为采用光学干涉方法，测量来自待测物体的光以及从参考点发出的参考光之间的光学延迟差，以确定待测物体的高度；第一控制回路，配置为通过所述OCT系统所测量的物体的高度来控制光探针中心到探头之间的距离，以使得所述光探针与待测物体保持光接触；第二控制回路，配置为通过OCT系统所测量的物体的高度来控制参考光所在的参考位置，以使得形成的干涉条纹信号处于OCT系统的最佳探测范围内。
附图说明
图1示出了根据一实施例的OCT增强的坐标测量器。
图2示出了根据一实施例的测量探头中的光束聚焦的闭环控制过程。
图3示出了根据一实施例的测量探头中的光束聚焦的控制机构(echanism)。
图4示出了根据一实施例的测量探头中的光束聚焦的控制机构。
图5示出了根据一实施例的测量探头中的光束聚焦的控制机构。
图6示出了根据一实施例的具有前视能力和侧视能力的微型测量探头。
图7示出了根据一实施例的具有用作光束传递的单根光纤以及用于数据采集的多根光纤的测量探头。
图8示出了根据一实施例的支持一根传递光纤和多根采集光纤的OCT系统。
图9示出了根据一实施例的支持一根传递光纤和多根采集光纤的OCT系统的参考光产生器。
图10示出了根据一实施例的带有参考光产生器的测量探头。
图11示出了根据一实施例的参考光产生器中的光学延迟的闭环控制。
图12示出了根据一实施例的参考光产生器中的光学延迟的闭环控制。
图13示出了根据一实施例的带有可重新配置光学延迟的参考光产生器。
图14示出了根据一实施例的带有可重新配置光学延迟的参考光产生器。
图15示出了根据一实施例的带有可重新配置光学延迟的参考光产生器。
图16示出了根据一实施例的参考光产生器中具有动态光学延迟的两种操作模式。
图17示出了根据一实施例的降低总体测量时间而使用的多个测量探头。
图18示出了根据一实施例的通过改变输入光直径来重新配置OCT的光探针直径。
图19示出了根据一实施例的通过改变输入光直径来重新配置OCT的光探针直径。
图20示出了根据一实施例的通过改变输入光直径来重新OCT的光探针直径。
图21示出了根据一实施例的通过改变准直透镜的焦距长度来重新OCT的光探针直径。
图22示出了根据一实施例的通过改变准直透镜的焦距长度来重新配置OCT的光探针直径。
图23示出了根据一实施例光探针直径、长度及中心位置均是可调节。
图24示出了根据一实施例光探针直径、长度及中心位置均是可调节。
图25示出了高斯光线光学中的基本参数。
具体实施方式
本发明描述了执行本发明的可以预想到的最好的模式。该描述并不意在从限制的意义上去理解，而是提供本发明的示例，结合附图仅作描述目的，使本领域技术人员知道本发明的益处和结构。在不同的视图中，相同的附图标记表示相同或者类似的部分。
1：具有改善分辨率和深度范围的扫频光源CMM
此部分内容公开了供测量反射性物体尺寸特征的光学仪器。该仪器采用光学相干断层成像技术(OCT)，并且具备稀疏采样和密集采样的能力。OCT系统具备高速测量物体高度信息的能力。所测出的物体高度用作两个重要参数的闭环控制：在测量探头中的光束聚焦条件，以及在参考光产生器中的光学延迟。通过闭环控制聚焦在物体上的光束，测量的横向分辨率得到保持。通过闭环控制参考光产生器的光学延迟，可以降低所需的探测带宽；或者总体的测量深度范围得到扩展。测量物体的高度信息时，可以通过寻找深度剖面中峰值的质心以及确定相干条纹信号的展开相位来提高深度分辨率。发明了一种双分辨率模式测量方法，来解决待测物非常大或者其高度变化大于OCT系统的深度测量范围时产生的问题。
图1示出了OCT增强坐标测量器(CMM)100的框图。待测物体102置于工作台104上。为便于测量，工作台提供参考坐标106。测量探头108可以沿着X及Y方向移动到已知的坐标点位置，并通过CMM上的已有的运动机制扫描该物体，例如XY龙门架或铰接式机器人手臂。测量探头连接到OCT系统100，并能够在不向Z方向移动的情况下以OCT系统的扫描速度测量待测物体的深度剖面，这样能够大大地提高扫描待测物体的速度。待测物体的高度通过深度剖面的第一峰值或最强的峰值来确定。信号处理器112处理由来自测量探头的光和来自参考光产生器114的光的光学干涉产生的干涉条纹信号，以获得物体高度信息。被测物体的高度116用作产生两种控制信号。控制信号1连接到可形变镜面驱动器118，以控制安装在所述测量探头内部的可形变镜面的曲率，以控制光束的聚焦条件来保持光束聚焦到物体的高度上。控制信号2用作配置参考光产生器内的光学延迟，并选择最能匹配被测物体高度的光学延迟。测出的物体的高度通过改变事先校准的光学延迟来调整。
以下部分描述了系统的一些重要参数，以及应用到发明仪器的改进方法。
改善深度分辨率的方法：确定展开相位
当光进入到具有两个不同的具有光学延迟差d的光路的光学干涉仪中时，来自物体的光与参考光的干涉条纹信号的强度为：
其中，I1及I2分别为来自物体的光的强度以及参考光的强度，Δφ＝(φ1-φ2)是上述两者的相位差。Δφ同时也是干涉条纹信号的相位。相位和光学延迟之间的关系为：
或者
因此，若光源的中心波长λ0已知，则干涉条纹信号的相位Δφ就可以精确地测量出来，通过上述的等式，可以计算出来自物体的光和参考光之间的光学延迟差。
但存在的挑战是，对于展开相位Δφ的测量是不精确的，因为当展开相位Δφ表达为以下等式时，其中的一个整数N使得所测量的相位不精确。
其中展开相位在任何干涉条纹信号中均可测出。N是在相干条纹周期中展开相位Δφ中的整数，并且在通常情况下是缺失的。如果希望精确测量超出OCT系统深度分辨率的光学延迟d，则恢复该整数N是一项重要的任务。
假设来自物体的光信号和参考光信号之间的单个光程差d可以测出，则OCT系统可以确定展开相位Δφ中的整数N。这项工作可以通过对所获取的干涉条件信号进行频率分析，基于频率分析的输出强度来计算深度剖面，并使用合适的算法测量所述深度剖面的峰值位置来完成。
带有光学延迟d的光学干涉仪中的干涉条纹信号自由光谱范围(FSR)Δf为：
其中c是光速。
因为
激光扫描的总光学频率跨度为：
其中λ0是中心波长，Δλ是扫频光源的波长扫描范围。
来自光延迟的干涉条纹信号的电子频率为：
其中，RAscan为扫频光源的扫描速率。
通过分析信号的电子频率，可以通过测量相干条纹信号的峰值位置的强度谱来得到光学延迟d，电子频率分析可以使用电子频率分析器或对数字化的相干条纹信号应用快速傅里叶变换(FFT)来实施。
电子频率分析过程通常具有有限的频率分辨率窗口，并且频谱数据被组织成离散的频率区间。在频率谱的峰值处的半最大值全宽度(FWHM)值就是该OCT系统的实际深度分辨率。一个峰值通常对应频率区间的多个频率。运用质心算法来计算峰值的质心位置能提高峰值位置测量的精确度。得出的质心位置用于计算来自物体的光信号与参考光信号之间的光学延迟差。在不使用干涉条纹信号相位信息的情况下，通过峰值质心检测计算出来的光学延迟具有比OCT系统的深度分辨率更好的分辨率。
通过等式计算的光学延迟d，使得在展开相位Δφ中确定整数N成为可能。使用等式15对OCT深度剖面使用峰值质心进行检测。
其中floor()函数返回输入实数的最大前一个整数。必须使得OCT深度剖面中得到的峰值质心检测的测量精确性d高于OCT系统的中心波长，以使得能够获得最精确的N其中在d小于λ0的错误被函数floor()丢弃。
展开相位Δφ可以从干涉条纹信号的相位分析中获得，例如通过从FFT的输出结果中计算相位随着频率的变化关系。
使用等式16求得N，以及使用等式17求得后，原始的展开相位Δφ的值可以使用等式确定10，并且来自物体的光信号与参考光信号之间的光学延迟通过等式9计算出。现在，可以得到在纳米范围内的亚波长分辨率，这要优于OCT系统的微米级深度分辨率几个数量级。
本发明的一个任务是使OCT系统能够使用光学波长单位测量物体的尺寸。如果将物体尺寸除以光波长，则将是一个相当大的实数。该相当大的实数的整数部分通过等式16确定，其小数部分通过等式17确定。最终d的测量精度最终取决于包裹相位的测量精度。对于这里所述的测量，设计出本征相位噪声最小的OCT系统是非常重要的，所述的相位噪声如数据采集系统的波长触发误差和光频时钟误差。通过机械振动和温度波动引起的环境相位噪声在测量相位的稳定性方面起着重要的作用。需要保护参考光产生器中的光学延迟以及测量探头和物体之间的自由空间的光学延迟不被干扰，并将其从上述的环境相位噪声源隔离开来。
提升横向分辨率的方法：物体探头中光束聚焦的闭环控制
OCT系统的横向分辨率为落在被测物体上的光斑的大小。由于被测物体可具有不同的表面高度，并且光线不能穿过该物体而到达较深的超过最初一些强反射的深度位置，因而保持光束聚焦长度在深度方向的第一或最强反射表面附近可调节是很重要的。这项工作可以通过实施基于OCT系统测出的物体高度，来制定的光线聚焦机制的闭环控制来实现。
图2示出了探针的光线聚焦闭环控制流程的框架图。OCT系统110内部的光源将光信号传输到探头108。通过准直器202将该光信号转换为准直光束。反射器204将该准直光束反射到可形变镜206上。可形变镜作为焦距可调的凹透镜，能够将光束聚焦到某段距离。被测物体反射回来的光通过探头内部的光学元件获取并通过OCT系统探测。信号处理器112处理OCT系统产生的干涉条纹信号，以获得被测物体的深度剖面并确定该物体的高度116。通常，将OCT深度剖面的第一或最强峰识别为物体的高度。测量得出的物体高度通过控制信号产生器208转换成可形变镜驱动器的控制信号。可形变镜驱动器控制所述可形变镜的曲率，并改变探头发出的光的聚焦距离，从而使得该光一直聚焦在被测物体表面附近。在OCT系统中，对深度进行的扫描频率在kHz到MHz的超高速率下进行，相比之下，横向的扫描速率比深度的扫描速率低。因为物体表面是连续的，闭环控制所需要的速度通常低于深度扫描的速率。
图3示出了另一种光束聚焦控制机制。传递向探头的光束转换成例如使用光纤302的点光源。可移动光学透镜304安装在探头内部的位移平台306上，并将光束从点光源聚焦到探头外部的聚焦点。通过将透镜转换到z方向，则可以改变光线的聚焦点到探头的距离。或者，也可以移动光纤来改变该距离，并且需要补偿由于光纤移动而导致的光程长度的变化。当点光源与可移动透镜之间的距离变成f时，其中f为透镜的焦距，则需要将该距离增加f以使得光束的聚焦点从无穷远减小到2f。基于软件测出的物体高度位置，光束聚焦控制改变光学透镜的z-位置。由于光纤总是沿着透镜的光轴，因此这样的设计使得聚焦光线获得衍射限制的光斑尺寸。
图4示出了另一种光束聚焦控制机制。将传递到探头的光线转换为点光源。可形变的光学透镜402安装在点光源的前面，以将所述光线聚焦成探头外的光斑。透镜形变机械构件404，例如通过挤压该柔软的透镜来改变其形状，用来调整探头外的光束聚焦位置。所述的形变机械构件通过光线聚焦控制方法，基于软件测出的物体高度位置来进行控制。
图5示出了具备光束扫描能力的测量探头的另一种设计。除了反射器504和扫描镜502插置在点光源和可移动透镜506之间的光路中以外，该设计与图3的设计大致相同。扫描镜502引导该光束以不同的入射角穿过可移动透镜506，以使得聚焦点在水平面(X及Y方向)上移动。通过采用诸如振镜扫描仪，MEMS扫描仪或快速倾斜镜之类的快速扫描镜，光束的扫描速度能够快于探头在X和Y方向上的移动速度，相比于非扫描型的探头，扫描测量探头能获得更快的测量速度。这样的设置中，点光源与可移动透镜之间的光学距离从f变化到2f，以使得光束聚焦点与可移动透镜之间的距离从无穷远(infinity)变化到2f。当需要进行光线扫描时，通常在探头中使用平场聚焦透镜(f-theta len)。需要校正由平场聚焦透镜引起的光学像差，例如像场弯曲。
采用光线聚焦闭环控制的好处是：
1)尽管在测量的过程中物体的高度改变，但光束仍然以衍射控制的光斑尺寸聚焦在物体上，以保证可能的最高横向测量分辨率。
2)不需要使探头沿Z方向机械移动，深度扫描将以OCT系统的扫描速度进行，这将免去了测量探头一个维度上的运动。
3)该探头轻于传统的需要沿Z方向运动的CMM接触探头，因此能够更快对物体在X和Y方向执行扫描。
图6示出了用于扫频光源CMM的具有前视和侧视功能的微型测量探头。所述测量探头由光纤602，透镜604及分光器606组装而成，整个探头的直径与光纤的直径相差无几。光纤是单模光纤，既可以是偏振保持光纤也可以是非偏振保持光纤。光纤将OCT系统的光信号传递到探头。透镜将从光纤中射出的光聚焦到距光纤一定距离的位置上。透镜是GRIN(梯度折射率)透镜，球面镜或其他微型光学透镜。分光器将光线分成两路，一路用于前视场，另一路用于侧视场。分光器基于输入强度，波长或偏振方向将入射光分离。当分光器为强度分光器时，探头能够基于物体的已知条件来感知物体反射回来的光沿哪个方向。当分光器为波长分光器时，扫频光源的一部分波长的光用作测量物体的前面，另一部分波长的光用作测量物体的侧面。OCT系统中的信号处理器能够分辨这两个通道因为干涉条纹信号是通过波长编码的。当分光器是偏振分光器时，从光纤中射出的光的偏振方向能够通过外部装置转换为线偏光，要么全部入射到前视场通道要么全部入射到侧视场通道。当使用偏振分光器时，首选偏振维持光纤，该偏振维持光纤的光轴与所述偏振分光镜的一个方向对准。通过控制光纤里的光的偏振方向来选择前视场型探头或侧视场型探头是可能的。
图7示出了带单根传输光纤的测量探头以及用来接受信号的多根光纤。这样的设置中，光纤1用来将OCT光源发出的光传输到被测物。从光纤1出射的光通过透镜702聚焦到被测物上。光被物体以不同的接收角反向反射和反向散射。光纤2和光纤3在能够收纳多根光纤的光纤套管704中放置在靠近光纤1的位置，光纤之间的距离与纤芯的尺寸的数量级相同。这三根光纤均为信号采集光纤，以采集自不同散射角反向散射过来的光，并采用同一块透镜作为收集光学器件。所有光纤首选为单模光纤，因为光线进入多模光纤后具有多个光程，导致OCT系统检测出多个光学延迟。多根信号采集光纤的设置对于检测从被测物反射回来的微弱光信号非常有用。由于所有的光纤的距离与纤芯大小相同，所述光纤套管等同于多纤芯的单模光纤，能够在光纤制造过程中进行设计。另一种获得这种多纤芯的单模光纤套管的方法是在熔纤的过程中，将去除缓冲层的多根平行的光纤扭曲，拉伸和融合在一起，使它们的纤芯非常靠近。熔融的多根纤维通过环氧树脂固化并保护在套圈内以永久固定。在纤芯最靠近处切断该套圈，并且抛光该切面表面。由于所有光纤彼此非常靠近，任何一根光纤都能用作光线传输，并且所有的光纤都能用作信号采集。
图8示出了支持多根信号采集光纤的OCT系统。将扫频光源产生的光导向干涉仪1。光纤1是位于测量探头内的光线传输光纤，并连接到干涉仪1。来自被测物的反向散射光通过分别与干涉仪1、干涉仪2及干涉仪3连接的光纤1、光纤2及光纤3进行采集。从干涉仪1中出射的光同时连接到能提供三路参考光的光学延迟的参考光产生器中，每一路与各个干涉仪中的来自探头的光信号的光学延迟相匹配。干涉仪中的每一个产生的一组干涉条纹信号，记录在探测器中，并利用信号处理器进行处理。信号处理器中的一个处理干涉条纹信号，以测出通过一根光纤采集到的来自被测物体反向散射光信号中的强度和深度位置信息。来自所有三根光纤的信号分别通过三个信号处理器进行处理，以获取三个深度剖面信号。三个深度剖面信号然后传送到信号合路器中，该信号合路器为数学处理器，用于对信号执行附加的包括深度对齐，加法和平均处理在内的处理步骤，以获取被测物最终的深度剖面分布。在这样的设置下，信号处理器中的每一个具有A/D转换器，以将探测器生成的模拟信号转换为数字数据，利用快速傅里叶变换(FFT)处理该数字数据以获取干涉条纹信号的作为测量深度函数的强度和相位信息，作为一个深度剖面。同时作为数字信号处理器的所述信号合路器将所有干涉仪处理后的深度剖面分布进行叠加，以获得低噪声，高灵敏度的被测物的深度剖面分布。高灵敏度来自于系统信噪比的提升，因为使用这样的设置，相对于仅使用一根光纤的情况下，能够获得采集更多的信号光子。
图9示出了用于支持多根信号采集光纤的OCT系统的参考光产生器，该OCT系统如图8所示。从干涉仪1中出射的光分成三个可变延迟器的部分。可变延迟器1是反射型的，反射器将干涉仪1中出射的光信号反射并进入光纤的出射端，用作该干涉仪的参考延迟。可变延迟器2和可变延迟器3是传输型的，分别将光信号传输到连接干涉仪2和干涉仪3的两根光纤中，用作这两个干涉仪的参考延迟。所有的可变延迟器由在自由空间中的两面透镜中的准直光线组成。通过同时移动透镜以及在透镜焦点处的光纤来改变光学延迟值。此参考光产生器具有从干涉仪1接出来的一根输入光纤，并且产生三路独立的光学延迟信号作为输出，每个干涉仪对应一路输出。
图10示出了一种在测量探头内部的参考光产生器。采用单模光纤来将光源的光信号传输到探头。从光纤中出射的光信号通过透镜1进行准直，并且通过分光器进行分路。通过分光器分出的其中一路光通过透镜2聚焦并射向待测物。沿光传播的路径移动透镜2能够改变聚焦在物体上的光线的聚焦条件。其余两路光通过分光器后进入位于测量探头内部的参考光产生器。透镜3及反射器2能够沿光传播的路径移动，以改变参考光反射器2的光学延迟。
提升深度测量范围的方法：在参考光产生器中引入闭环控制
采用宽带光源，干涉仪及由具有线扫描照相机组成的探测器的频谱域OCT系统中，该系统的深度测量范围受到探测器的空间光谱分辨率限制。采用扫频光源，干涉仪及快速探测器的扫频光源OCT系统中，该系统的测量深度范围受到扫频光源的动态相干长度及探测器的带宽的限制。上述两类OCT系统，当待测的光学延迟超出深度测量的范围时，干涉条纹信号的对比度将恶化，并最终变得不可测量。
对于采用单点测量机制的OCT系统，该系统将光投向待测物上的一个点然后在某一时点进行测量，当待测物具有不同的高度范围并且超过该OCT系统的深度测量范围时，可通过改变参考光产生器中的光学延迟，来使得待测物落入可测量的区间。待测的光学延迟值作为待测物的精确高度信息，需要通过改变参考光产生器中的光学延迟来调整。
图11示出了OCT系统中参考光产生器光学延迟的闭环控制的图。将VCSEL激光器1100产生的光信号导入到光干涉仪1120。光干涉仪将光信号分成两路，一路进入测量探头1130，一路进入参考光产生器1140。可配置的参考光产生器具有光路，光路由偏振控制器1142，光强控制器1144及可配置光学延迟器1146组成。从测量探头中出射的光信号以及从参考光产生器中出射的光信号在光干涉仪1120处发生干涉，探测器1150记录该干涉条纹信号。相干条纹信号通过抗混叠滤波器1160进行滤波，通常该滤波器为低通滤波器，以完成采样。信号处理器1170处理经过滤波后的干涉条纹信号，以获取被测物的深度剖面分布(depth profile)。若从所述深度剖面分布中获取不到物体的高度信息，则所述信号处理器产生一路控制信号1190，来改变参考光产生器中的光学延迟，并检查深度剖面分布来确定是否探测和测量到物体的高度信息1180。测出的该物体的高度通过光学延迟变化量进行补偿，以获得该物体精确的高度信息。
图12示出了另一幅描述OCT系统中参考光产生器光学延迟的闭环控制的图。测量探头1210通过其运动机械装置驱动，以扫描被测物，并且探头的运动装置能提供探头的XY轴坐标。利用该坐标位置搜索事先保存的数据文档1240，以产生控制信号1260。该事先保存的数据文档包含了被测物的几何的信息，该信息通过事先的测量或诸如物体的设计信息的已知条件获取。所述控制信号用来改变所述参考光产生器1280中的光学延迟。测出的该物体的高度通过光学延迟变化量进行补偿，以获得该物体精确的高度信息。
图13示出了具有可配置光学延迟的参考光产生器。光信号通过偏振控制器1310及光强控制器1320后，到达1×N的光开关1330。1×N光开关后总共由N条光路，每条光路具有不同的光学延迟值并在每一条光路的末端均具有反射器。进入到1×N光开关的所述控制信号1340从N条所述光路中选择一条光路进入，并在该光路的末端通过反射器反射回来。因而，该参考光产生器能够配置N种独立不同的光学延迟值。由于光开关能够在少于1微秒的切换时间内切换光信号，因而成为理想的快速配置参考光产生器中的光学延迟装置，来补偿物体高度的变化。
图14示出了另一幅具有可配置光学延迟的参考光产生器的图。光信号通过偏振控制器和光强控制器后来到准直器。经过准直器1410准直后的光线传播一段距离后，通过反射器1420反射回来。所述反射器安装在电机控制平台1430上，该平台能够沿光传输的路径改变位置。应用到所述电机控制平台的控制信号1440改变参考光产生器中的光学延迟。由于需要将反射器沿光传输的路径移动一段很长的距离，因而此机械装置反应相对慢。
图15示出了另一幅具有可重新配置光学延迟的参考光产生器的图。光信号通过偏振控制器和光强控制器后来到准直器。光线通过准直器进行准直后，传输一段距离，并被沿光路设置的一系列反射器1510、1520、1530反射回来。控制信号1540应用到所有的反射器。反射器中的任一个均能移入或移出光路，以允许光信号通过一个反射器或位于其后的任意一个沿光路的反射器反射回来。
提高深度测量范围的方法：具有动态光学延迟调整的双重工作模式
MEMS可调谐VCSEL激光器使用晶圆级制造技术制造，因此与具有触发式探针的传统CMM相比，其测量的速度和分辨率大大提高，但成本不高。该激光器的增益介质通过光泵浦或电泵浦。位于两块端面镜之间的增益介质形成激光腔。其中一块端面镜是固定的。另一块端面镜由灵活的结构悬挂，该端面镜又称为MEMS镜。所述MEMS可调VCSEL激光器的激光腔总长度为数微米，与该激光腔所能够输出的光波长在同一个数量级。在驱动器上输入电压并产生相应的静电吸引力来改变MEMS镜的位置，因而改变激光腔的腔长和调节激光输出波长。由于MEMS镜能相应于电压驱动信号，因此，通过设计不同的驱动波形，来匹配不同的速度及匹配该MEMS可调VCSEL激光器工作的光谱调节范围是可能的。MEMS可调VCSEL激光器是调节范围很大的可配置扫频光源，其速度及光谱调节范围均可配置。
利用MEMS可调VCSEL激光器的灵活性，扫频光源OCT系统能够及时快速地进行配置以工作在不同模式。能够利用和组合从不同的工作模式下得到的测量结果，以同时获得速度，分辨率及深度范围上的优势，这是单一工作模式所不能达到的。
MEMS可调VCSEL激光器的两种工作模式是：
1.低分辨率模式，采用降低的深度分辨率来在较大深度范围下测量被测物体的高度信息。这是一种对被测物体预扫描过程，来在探测系统支持的深度测量全范围内产生该物体高度的大致信息。这种预扫描过程通过在扫频光源的快速扫描下完成，以节约时间。
2.高分辨率模式，采用激光器的全光谱带宽并获取最佳的深度分辨率。通过采用物体高度的大致信息来调节参考光产生器中的光学延迟以降低所需的探测带宽。
图16示出了通过将扫频光源的两种工作模式结合起来以取得高深度分辨率和扩展深度测量范围的效果。测量探头中的光纤1将光信号传递到被测物体。参考光产生器中的光纤2将光信号传递到反射器(反射器1)1610，该反射器是一系列反射器1610、1620、1630中的第一个。通过降低扫频光源的输出波长范围以用低深度分辨率的方式获得物体的高度信息。这就是用作获取物体大致的高度信息的低分辨率工作模式。该系统随后工作在高分辨率模式，扫频光源在全波长调节范围内输出光信号，在参考光产生器中选择能够提供最接近物体高度的光学延迟的反射器1630。由物体反射的光信号和所选择的反射器反射的光信号产生干涉条纹信号，该信号的对探测系统产生最低的频率带宽要求。
为了在不同的坐标位置下测量物体的高度，系统执行对被测物的低深度分辨率的扫描，并将在各坐标位置测得的物体的大致高度存储到存储装置中。当系统在各坐标位置上执行对被测物的高分辨率扫描时，从存储装置中读出该物体的大致高度数据，并选择参考光产生器中与该物体高度最匹配的光学延迟。关于光学延迟的闭环控制过程如图12所示。物体的高度是在高深度分辨率工作模式下的测量物体高度，其通过参考光产生器中的光学延迟的变化来调节。
对于具有双重工作模式动态可调参考延迟的扫频光源系统，其主要的优点是：
1.允许探测系统在不牺牲测量深度分辨率的前提下，以有限的探测带宽来测量扩展的深度范围。
2.在完成快速低分辨率的扫描过程后，用户可以选择感兴趣的区域来执行物体的高分辨率扫描，不需要测量其他不感兴趣的区域。这能够节省大量的测量时间。
在光谱域OCT系统中，可以通过设置两个已对不同光源带宽优化过的光谱仪来实现双重工作模式。其中一个光谱仪设置为使用高色散衍射光栅来测量宽带光源的减小的光谱带宽，以获得该减小的光谱带宽的非常精细的光谱分辨率，来测量空间编码的干涉图。OCT系统将上述的这种光谱仪用在低深度分辨率模式。另一光谱仪设置为使用低色散衍射光栅来测量宽带光源的全光谱带宽，以较低的光谱分辨率来测量干涉图的全部带宽。OCT系统将上述的这种光谱仪用在高深度分辨率模式。物体高度是高深度分辨率模式下的测量物体高度，其偏移于参考光产生器中的光学延迟的变化。
速度提升的方法：具有多个测量探头的扫频光源CMM
图17示出了装配由多个测量探头1710的扫频光源CMM。此系统具有在多个不同位置同时测量物体高度的能力。从扫频激光光源1720发出的光信号通过光放大器1730进行放大来提高输出光功率。该放大后的光功率通过功率分光器1740后，进入不同的OCT系统1750、1760、1770。每个OCT系统均包括连接到参考光产生器1758以及测量探头的光学干涉仪1752、探测器1754以及信号处理器1756。信号处理器处理分别来自测量探头及参考光产生器的两路光信号所形成的光干涉而产生的干涉条纹信号，以获得物体的高度信息。物体的高度信息用来产生控制信号1，以控制测量探头中的光线聚焦条件，以提高测量的横向分辨率。物体的高度信息同时用来产生另一路控制信号2，以控制参考光产生器中的光学延迟，以降低探测信号带宽来扩展深度测量范围。
具有可调节虚拟光探针的扫频光源CMM
扫描光学探头可以有多种可能的配置方式，例如人们熟知的扫描探头显微镜家族的原子力显微镜(AFM)。在第一个配置例子中，系统设置为使得光束在坐标测量器(CMM)上像虚拟探针一样工作。扫频光源输出的光信号通过某些光学元件(即透镜)以形成不同直径及长度的束腰。所要扫描的工程物体通过某种扫描机制来进行扫描。在说明此例子前，简要地回顾一下如图25所示的高斯光束的光学特征。
对于高斯光束来说，光束束腰w是光强降低至其峰值的1/e2(0.135)时的半径的位置。所述光束束腰w0是等式18给出的在聚焦点的光斑的大小
其中，f是透镜的焦距，D是输入在透镜上的光的直径。
瑞利长度ZR定义为，从光束束腰到激光光斑直径扩大为时的距离，ZR由光束束腰的半径w0以及激光的波长λ决定：
对于λ＝1.0μm，带宽Δλ＝60nm的激光来说，为了使得聚焦光束直径为300μm以作为横向分辨率，所需要的光束束腰半径w0＝106μm。聚焦光束直径为300μm在深度范围2ZR＝70.6mm内得以保持，相关计算如下：
若输入光束直径为D＝1.0mm，通过等式1计算得到的透镜的焦距为：
作为例子，激光束能够设置为在约31.4mm深度范围内提供300μm的横向分辨率。横向分辨率可以理解为用作测量反射性表面的聚焦光束的直径。通过等式3给出的约为8um的深度分辨率不随光束的聚焦条件改变。
回到刚才这个例子，假设，激光光束设置为提供刚才所述的光束。聚焦的OCT光束起到一个新的高频光源CMM(SS-CMM)仪器的虚拟光探针的作用，能够在超过31.4mm的深度范围中提供0.2mm的测量直径及8um的深度分辨率。能够设计出等同于目前大多数CMM探头生产厂家提供的一系列的非接触型探头。
表2.传统的接触型探针对比非接触型光探针(具备聚焦能力)
上述表格中示出了例子所述的相同的能用来设计OCT虚拟光探针的设计方法。设计的结果如下：
1)能够获得探针直径为0.1mm到0.2mm的光探针，这种直径与目前市场上的一些传统的接触性探针的直径相匹配。
2)直径能达到0.05mm的光探针，是目前市场上任何传统接触型探针都不能实现的。
3)使用焦距为123mm的同样的透镜，通过改变输入光束的直径，光探针的直径能够在0.3mm到0.05mm之间的范围变化，使得光探针能够在测量的过程中动态地重新配置，以节约在多个机械探头中进行切换的时间。
光探针的长度是光束直径在其规格内的长度。在数学上，这段距离等于所聚焦的光束的瑞利距离的两倍。传统的探针使用附带在探头的球形尖部，那么该探针的长度就是在不移动探头的情况下，该球的直径。光探针具有杆状的端部，其长度由光束聚焦条件决定。当光探针与待测物体进行光学接触时，待测物体反射部分的光能量，OCT系统来测量反射的位置。由于光探针的工作距离由最后一个光学元件到物体的第一表面来决定，因此，上述的光探针的最小工作距离是透镜的焦距减去聚焦光束的瑞利长度。长度很长的光探针允许探头测量深孔。
要产生直径低于0.5mm的虚拟光探针，其中一种方法是采用单模光纤来传输来自点光源的光，并采用一面透镜或由多面透镜组成的透镜系统来，将点光源置于透镜或透镜系统的焦点来将从点光源发出的光转换为准直光，然后采用另一组透镜或透镜系统来聚焦该光束并达到所需的光束直径。
对于超过1mm的探针直径，将需要显著地增加透镜焦距。所述透镜的焦距通常是光学探头的工作距离。对于需要更短工作距离并且更大探针直径的应用场合来说，可以选择的设计方案是采用不经过对焦的准直光束来测量物体。所述准直光束同样是具有不同参数的高斯型光束。能够将探针的工作距离缩短到低于高斯光束的瑞利长度。
表3.传统的接触型探针对比非接触型光探针(具备聚焦能力)
雷尼绍(Renishaw)技术规格H-1000-3200-16-A标题为“探针和附件”建议：“保持探针短”，“探针越弯曲或越倾斜，精度越低。最佳的选择是，在你的应用中采用最小的探针长度进行测量。”当使用OCT虚拟探针来测量物体时，同样建议将工作距离尽可能缩短得越短越好，以将由诸如机械振动及温度波动等环境变化带来的OCT干涉信号的相位噪声降到最低。
在上述例子中，CMM探头的探针置换为虚拟OCT非接触光探针，保持接触探头的主要特征不变。这样的做法允许保留现有市场上的CMM机器的工作流程保持不变。
CMM机器人能够定位激光传输测量探头，以使得光束束腰位于工程物体的表面附近。SS-CMM系统的优势是具有相应工程物体尺寸的大范围变化的能力。SS-CMM同样可以提供可配置的激光光束的形状，以提供可实时(on-the-fly)改变的光探针。
目前若遇到深孔或太小的凹部，可能需要改变探针，并且不建议使用非常长的探针。因此，传统的CMM机器具有通过手动或自动地将该系统的探针针体改变的机制。SS-CMM系统并不通过改变探针针体的方式来改变探针，而是通过配置光学元件从而控制聚焦光束来改变探针的形状。
通过这种光学解决方案，探针的形状能够通过使用支持OCT非接触式探头来自动配置。可以预料，在SS-CMM探头中，存在支持自动配置所使用的激光光束的装置。这种可配置机制允许在高数值孔径，短瑞利长度及小的光束束腰之间进行权衡，以提供更大的光束束腰来减慢激光光束的发散，来测量深孔，不需要使用特殊的接触型探针。好处是既能提高高速适配性，又能改善测量的精度和准确性。
对于直径少于0.5mm的光探针来说，可以使用聚焦光束。对于直径大于1.0mm的光探针来说，可以使用准直光束。
图18示出了一种使用聚焦光束机制来改变输入到聚焦透镜的光束的直径，来配置光探针的方法。所述光探针的直径Dstylus及长度Lstylus为：
首选改变输入光束直径D的方法来改变光探针的形状，因为这不会改变探针的中心位置，该中心位置是相对于透镜的光束束腰位置。光探针中心到透镜的距离是焦距f。
当使用光探针来测量物体时，将物体放置于光探针中心附近，并且光探针与物体保持光学接触。“光学接触”一词的意思是，该物体进行与光探针里的一部分光互相作用，并改变光传播的方向。反射光和散射光沿相反的方向传播，并且其中一部分光通过光传播光纤收集。物体不必正处于光探针的中心位置，只需要在光探针的长度能够覆盖的范围内即可。若OCT系统检测到该物体超出了光探针测量的范围，则在测量探头内的光学元件将进行重新配置，以改变光探针的中心来匹配物体的高度。
图19示出了一种通过聚焦光束机制来改变输入光束直径来重新配置光探针形状的方法。D是输入光束的原始直径，三透镜系统(L1、L2和L3)起到可变光束扩大器的作用，以改变入射到聚焦透镜L4上的光束的最终直径D’。在此设置中，透镜L1和透镜L4的位置是固定的。透镜L1将输入光束转换为点光源，透镜L2和L3能够沿光路移动，来形成可调焦距的双透镜系统。当点光源的位置处于由透镜L2和L3所组成的双透镜系统的前焦点时，入射到透镜L4上的光束是直径可变的准直光束，其直径D”取决于透镜L2和L3的位置。在这样的配置中，仅需改变两面透镜(L2和L3)的位置。不需要改变透镜L1和L4的位置来配置探针的形状，并且该探针的中心距最后一面透镜L4的距离保持不变。待测量的工程物体通常置于光探针的中心附近。
图20示出了一种利用聚焦光束机制来配置光探针形状的方法，该方法中输入到探头的是点光源(S)，如光纤。透镜L1和L2的位置可沿光路进行移动并改变入射到最后一面聚焦透镜L3的光束的直径。因而光学探头的直径和长度均可改变。在这样的配置中，仅需改变两面透镜(L1和L2)的位置。不需要改变点光源(S)和透镜L3的位置来配置探针的形状，并且该探针的中心距最后一面透镜L3的距离保持不变。
图21示出了一种利用准直光束机制来配置光探针形状的方法，该方法中输入到探头的是点光源(S)，如光纤。通过改变准直透镜L1的焦距以及改变点光源S和准直透镜L1之间的距离，使得点光源位于准直透镜L1前焦点的位置，这样可以改变经准直透镜L1准直后的准直光束的直径。该准直高斯光束的束腰也可以改变。因为光探针定义为靠近该高斯光束束腰的一个部分，因而光探针的直径和长度均可重新配置。为了将点光源S和光探针中心之间的距离近似保持相同，点光源与准直透镜L1之间的距离稍微比准直透镜L1的前焦距长。除非具有可形变的形状，否则不可能改变一个固定透镜的焦距。将多个透镜组成具有焦距可调节的透镜系统是可能的。
图22示出了通过准直光束机制来配置光探针形状的方法，该方法中没有改变如输入光纤的点光源S与物体所在的光探针中心的距离。透镜L1和透镜L2组成双透镜系统。通过改变透镜L1和L2之间的距离，可以改变该双透镜系统的有效焦距。同时改变该双透镜系统的中心位置，以使得点光源一直处于该双透镜系统的前焦距的位置。因而，可以改变经该双透镜系统准直后的光束的直径，该光探针的直径和长度将同时发生改变。稍微改变点光源与该双透镜系统的中心之间的距离d1，该双透镜系统中心到光探针中心的距离d2会迅速改变。当改变光探针的形状时，将点光源的中心到光探针之间的总距离d1+d2保持为接近一个常数是可能的。本设置的其中一个特点是，当重新配置光探针的形状时，待测物相对于输入光纤的位置不需要改变。
图23示出了一种配置光探针并改变探针中心到测量探头内部的一面固定透镜之间的距离的方法。在此设置中，点光源为探头的输入光纤，透镜L1和L2组成焦距可变的准直透镜系统。同时改变透镜L1和L2之间的位置，透镜L4的位置不变，则入射到探针中的固定透镜L3的准直光束的直径以及探针的直径和长度将发生改变。透镜L4是探头内另一面可移动的透镜。改变L4的位置，则L3和L4组成的透镜系统的有效焦距发生改变，从而改变探针中心的位置以及探针的直径和长度。
图24示出了一种只使用测量探头内一面可移动透镜来改变光探针的形状和位置的简单方法。点光源S是探头的输入光纤。透镜L1能够沿光传播的路径移动。该光探针位于透镜后点光源的成像区域。这里应用简单的透镜成像公式：
o和i是透镜的物距和像距，f是透镜的焦距。当透镜到光源的距离从f靠近到2f，该光探针的中心从无穷远移动到2f。透镜的这种特性能够用来快速调整探针(stylus)中心的位置来补偿待测物的高度的大范围变化。光探针的直径和长度可以通过高斯光学理论来计算。
潜在的应用
SS-CMM系统在工业应用上的范围很广。其中一种应用是机器视觉，用来感测物体到探头(probe)之间的距离。以高空间分辨率和高测量速度OCT系统为支撑的SS-CMM探头能用来实时监控产品的生产过程，例如需要精密公差的部件组装过程。来自探头的实时反馈可以用来纠正产品加工过程中不需要的位置偏差，例如氧树脂加工，钎焊，焊接和机械加工。例如，具备一维测量能力的简单的OCT探头能够安装在机床刀具的附近来，在机器通过刀具移动物体的时候监测物体的3D轮廓，并生成实时产品数据。该产品数据用来与零件模型或过程模型来做对比检查，以验证加工结果是否可以接收，并建立闭环生产机制。SS-CMM探头同样可以用来检测和补偿工具工作表面的缺陷，或补偿动态条件，像热力驱动导致工件表面或者机器其他元件的扭曲。VCSEL激光器提供的MHz级的A扫描速率为实时监控和校正提供了足够的速度。
SS-CMM探头能安装在机械臂上。该机械臂允许探头接近垂直的方式接近物体。机器人可以是任何数量的电驱动的可以作用于其环境的电子控制机构。在机器人中增加OCT支持的深度测量能力，使得机器人具备量化3D可视化的能力，这使得该机器人更好地量化其所在的工作环境。MEMS可调VCSEL激光器使得扫频光源OCT系统相对于传统OCT系统，在测量深度范围上具有数量级的长度提升，并不降低空间分辨率和测量速度。这里公开的用于改善OCT系统性能的各种方法在其未来应用中可能是有价值的。
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虽然已经相对于所描述的几个实施例以一定的篇幅和一些特殊性描述了本发明，但是并不意图将本发明限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应该参考它们。鉴于现有技术，所附权利要求提供了对这些权利要求的尽可能广泛的解释，因此，有效地包含了本发明的预期范围。此外，前面根据发明人所预见的实施例描述了本发明，对于该实施例，可获得有利的描述，尽管本发明的非实质性修改，目前未预见到的，仍然可以代表其等同物。

Claims (32)

1.一种用于测量物体的物理和几何数据的光学探头系统，包括：
光源(1110)，其配置为在波长范围内产生光发射；
测量探头(108)，其配置为传输从光源发射出的光中的一部分，作为测量物体(102)的光束，并采集来自物体(102)的光，所述测量探头具有光束聚焦控制机械构件(118)；
参考光产生器(114)，其配置为接收来自光源(1110)的一部分发射光以产生参考光，所述参考光产生器具有有着可调节光学延迟的光路；以及
光学干涉仪(1120)，其配置为接收所述测量探头收集的来自所述物体的光及所述参考光，并产生通过探测系统(1150)记录的干涉条纹信号；
信号处理器(112)，其配置为处理所述干涉条纹信号，以获得来自所述物体的光和所述参考光之间的光学延迟差；
第一控制回路，其配置为基于通过所述信号处理器(112)获取的所述光学延迟差来控制所述测量探头(108)中的光束聚焦条件，以使得光束通过所述光束聚焦控制机械构件(118)来聚焦在所述物体上；以及
第二控制回路，其配置为基于通过所述信号处理器(112)获取的所述光学延迟差来控制所述参考光产生器(114)中的光学延迟的调整量，以使得所述干涉条纹信号在所述探测系统(1150)的最佳探测范围内。
2.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述光源为频率扫描光源，并且在所述光学干涉仪中的所述探测系统包括高速探测器及数据获取装置。
3.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述光源为频率扫描激光器，所述频率扫描激光器具有与激光腔能够产生的输出光的波长的数量级相同的激光腔长度。
4.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述光源为具有可重新配置速度和可重新配置的光谱调节范围的频率扫描光源。
5.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述光源为宽带光源，在所述光学干涉仪中的所述探测系统包括光谱仪及数据获取装置。
6.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述测量探头的内部具有作为所述光束聚焦控制机械构件的能够形变的镜子，或能够形变的透镜，或用于移动多个光学透镜的机械构件，或在所述探头内部的光纤。
7.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述测量探头中产生的光束可调节的光束束腰直径以及可调节的瑞利长度。
8.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述测量探头使用一根单模光纤以将光束传输到所述物体，并使用同一根单模光纤来收集来自物体的光。
9.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述测量探头使用一根单模光纤以将光束传输到所述物体，并使用多根单模光纤来以不同的收集角度来收集来自物体的光，所述多根收集光纤之间的距离与光纤纤芯具有相同的尺寸范围，通过每一条收集光纤收集到的信号与参考信号干涉以产生一组干涉条纹信号，该组干涉条纹信号处理后获得所述物体的深度剖面分布，将从所有收集光纤中获得的多个深度剖面分布处理成一个深度剖面分布。
10.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述参考光产生器具有能够调节的光学延迟，所述光学延迟的调节通过改变反射器在光路中的位置，或通过光开关从多条具有不同光学延迟的现有光路中选择出一条光路，或者沿同一条光路在不同位置的多个反射器中将一个反射器移入和移出一个光路来实现。
11.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述参考光产生器位于所述测量探头内。
12.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述信号处理器使用数据获取装置以将所述干涉条纹信号转化为数字数据点，对所述数据点执行频率分析，基于所述频率分析的强度输出计算物体的深度剖面分布，在所述物体的深度剖面分布中测量出一个峰值位置作为来自物体的光及参考光之间的光学延迟差，以获取所述物体的高度信息。
13.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述信号处理器使用数据获取装置以将所述干涉条纹信号转化为数字数据点，对所述数据点执行频率分析，基于所述频率分析的强度输出计算物体的深度剖面分布，应用算法来计算所述物体的深度剖面分布中一个峰值的质心位置，作为来自物体的光及参考光之间的光学延迟差，以获取所述物体的高度信息。
14.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述信号处理器使用数据获取装置以将所述干涉条纹信号转化为数字数据点，对所述数据点执行频率分析，基于所述频率分析的强度输出计算物体的深度剖面分布，应用算法来计算所述物体的深度剖面分布中一个峰值的质心位置，作为来自物体的光及参考光之间的光学延迟差，计算在物体深度剖面分布中所选择的峰值的干涉条纹信号的包裹相位，使用所述质心位置及所述包裹相位以确定展开相位，以获取所述物体的高度信息。
15.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述第一控制回路使用来自所述物体的光及所述参考光之间的光学延迟差来控制所述测量探头中的光束聚焦控制机械构件，使得将所述光束的聚焦点保持在所述物体中感兴趣区域的高度的附近。
16.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述第一控制回路用以控制所述光束聚焦控制机械构件的所述光学延迟差通过所述信号处理器处理所述干涉条纹信号而测量得出。
17.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述第一控制回路用以控制所述光束聚焦控制机械构件的来自所述物体的光和所述参考光之间的所述光学延迟差，来自包括所述物体几何数据的已保存的数据文件。
18.根据权利要求17所述的光学探头系统，其中，包括所述物体几何数据的已保存的数据文件是事先的测量信息或设计信息。
19.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述第二控制回路使用来自所述物体的光及所述参考光之间的光学延迟差以控制所述参考光产生器中的光学延迟的调整量，降低参考光与来自物体中的感兴趣区域的来自物体的光之间的光学干涉过程产生的干涉条纹信号的电子信号频率，信号频率在探测系统的最佳频率响应范围内。
20.根据权利要求1所述的光学探头系统，其中，所述第二控制回路用以控制所述参考光产生器中光学延迟的调整量的来自所述物体的光和所述参考光之间的所述光学延迟差，来自包括所述物体几何数据的已保存的数据文件。
21.根据权利要求20所述的光学探头系统，其中，包括所述物体几何数据的已保存的数据文件中的所述物体几何数据是事先的测量信息或设计信息。
22.一种使用光学相干断层成像(OCT)系统测量物体物理和几何的方法，所述方法包括：
在低深度分辨率工作模式下操作所述OCT系统以使用所述光源的部分光谱带宽在低分辨率及扩展的深度测量范围测量所述物体的高度；
改变所述OCT系统中参考光产生器的光学延迟，以对在所述低深度分辨率模式下测出的物体的高度进行匹配；
在高深度分辨率工作模式下操作所述OCT系统以使用所述光源的全部光谱带宽在高分辨率及减小的深度测量范围测量所述物体的高度；以及
所述物体的高度是在高深度分辨率模式下的测量物体高度，测量物体高度通过参考光产生器中光学延迟的变化来调节。
23.根据权利要求22所述的测量物体物理和几何数据的方法，还包括：
在低深度分辨率模式操作扫频光源OCT(SSOCT)系统，通过减小所述扫频光源的波长调整范围，以低分辨率模式测量所述物体的高度；
改变所述SSOCT系统中参考光产生器的光学延迟，以匹配在所述低深度分辨率模式测出的物体的高度；
通过使用所述扫频光源的整个波长调整范围，在高深度分辨率模式下和减小的深度测量范围操作所述SSOCT系统，以高分辨率模式测量所述物体的高度；并且
所述物体的高度是在高深度分辨率工作模式下的测量物体高度，测量物体高度通过参考光产生器中光学延迟的变化来调节。
24.根据权利要求22所述的测量物体物理和几何数据的方法，还包括：
在低深度分辨率模式下操作光谱域OCT(SDOCT)系统，使用配置为以光谱仪最高的光谱分辨率测量宽带光源的减小的带宽的光谱仪，以在扩展的深度范围下以低分辨率模式测量所述物体的高度；
改变所述SDOCT系统中参考光产生器的光学延迟，以匹配在所述低深度分辨率模式下测出的物体的高度；
在高深度分辨率模式和减小的深度测量范围操作所述SDOCT系统，使用配置为以光谱仪减小的光谱分辨率测量宽带光源的全部带宽的光谱仪，以在减小的深度范围下以高分辨率测量所述物体的高度；并且
所述物体的高度是在高深度分辨率工作模式下的测量物体高度，测量物体高度通过参考光产生器中光学延迟的变化来调节。
25.一种坐标测量器，包括：
表面(104)，其配置为承载待测物体(102)；
测量探头(108)，其配置为通过移动机械构件向靠近所述物体(102)的已知空间坐标(106)移动，所述测量探头内部具有可重新配置的光学元件；
光探针，所述光探针由所述测量探头内部的可重新配置的光学元件产生，其中，所述光探针：
具有可调整的直径及长度；
具有可调整的所述光探针中心到所述探头的距离；并且
与所述物体产生光学接触；
光学相干断层成像(OCT)系统，其配置为使用光学干涉方法测量来自所述物体的光和来自参考位置的参考光之间的光学延迟差，以确定所述物体的高度(116)；
第一控制回路，其配置为使用通过所述OCT系统(110)测出的所述物体的高度(116)，控制所述光探针中心到所述探头之间的距离，使得所述光探针与所述物体(102)产生光学接触；以及
第二控制回路，其配置为基于通过所述OCT系统(110)测出的所述物体的高度，控制所述参考光的参考位置，使得光干涉信号在所述OCT系统(110)的最佳探测范围内。
26.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中用于承载所述待测物体的表面为工作台、机械夹具、移动平台或铰接式机器人手臂，所述测量探头的移动机械构件为龙门架或铰接式机器人手臂。
27.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中在所述测量探头内部的可重新配置的光学元件为可形变的镜子、可形变的透镜、多个移动的透镜或移动的光纤。
28.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中光探针通过改变在所述测量探头内部的聚焦光学元件上的光束的直径来实现可调整的直径及长度。
29.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中通过改变在所述测量探头内部的聚焦光学元件的焦距，实现从光探针中心到探头的可调整距离。
30.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中光探针通过改变所述聚焦光学元件的焦距或输入光纤到所述聚焦光学元件的距离，以同时实现可调整的直径和长度以及可调整的所述光探针中心到所述探头之间的距离。
31.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中所述光学相干断层成像系统具有参考光产生器以从参考位置产生参考光，可调整所述参考光产生器中的光学延迟来改变所述参考位置。
32.根据权利要求25所述的坐标测量器，其中，用于测量所述物体高度的所述光学干涉方法包括：
将光源发出的光导向所述测量探头；
将光束传输到待测物体，并收集从所述物体返回的光；
将光源发出的光导向参考光产生器以从参考位置产生参考光；
使用光学干涉仪产生从所述物体返回的光与来自所述参考位置的参考光之间的干涉条纹信号；
通过探测系统记录所述干涉条纹信号；并
处理所述干涉条纹信号以计算来自所述物体的光与来自参考位置的参考光之间的光学延迟差来确定所述物体的高度。
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