CN112013771B - 具有增强光谱光源结构的色共焦范围感测系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种共焦范围感测(CRS)系统，其包括波长检测器、源光结构以及一个或多个测量通道。每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括共焦检测孔和共焦光源孔。源光结构包括第一和第二磷光体组合物、波长组合结构以及共用源光路径。第一和第二磷光体组合物分别位于分开的第一和第二磷光体区域中。作为工件高度测量操作的一部分，第一和第二磷光体组合物分别将第一和第二发射光发射到波长组合结构，该波长组合结构沿着共用源光路径将第一和第二发射光作为源光输出(即，具有由于第一和第二发射光的组合造成的波长范围)，其被每个相应共焦光源孔接收。

Description

具有增强光谱光源结构的色共焦范围感测系统
技术领域
本公开涉及精确计量，并且更具体地涉及适于在诸如色共焦(chromaticconfocal)范围传感器的精确测量仪器中使用的高强度光源。
背景技术
高强度宽带光源的各种用途是已知的。例如，已知在光学高度或距离传感器(即，范围传感器)中将这种光源与彩色共焦技术一起使用。如美国专利No.7,876,456('456专利)中所述，该专利的全部内容通过引用合并于此，具有轴向色差(也称为轴向或纵向色散)的光学元件可用于聚焦宽带光源，使得到焦点的轴向距离随波长变化。因此，仅一个波长将被精确地聚焦在表面上，并且相对于聚焦元件的表面高度或距离确定哪个波长被最佳聚焦。在从表面反射后，光会重新聚焦到一个小的检测器孔上，例如针孔或光纤末端。在从表面反射并通过光学系统返回到输入/输出光纤时，只有在表面上聚焦良好的波长才在所述孔上聚焦良好。所有其他波长都无法很好地聚焦在孔上，因此不会将太多功率耦合到光纤中。因此，对于通过光纤返回的光，对于与表面高度或距表面的距离相对应的波长，信号电平将最大。光谱仪类型检测器测量每个波长的信号电平，以确定表面高度。
某些制造商将如上所述操作并且适合在工业环境中使用的某些实用且紧凑的共焦范围感测(CRS)系统称为色点传感器(CPS)或色线传感器等。在某些情况下，与这种系统一起使用的紧凑型色散光学组件可以称为“光笔”或“笔”。光笔通过光纤连接到色点传感器的电子部分，其通过光纤传输光以从光笔输出，并提供检测和分析返回光的光谱仪。返回光形成由光谱仪的检测器阵列接收的波长分散的强度分布。分析与波长分散的强度分布相对应的像素数据以确定“主波长峰值像素坐标”，其可由强度分布的峰值或质心指示，并且将主波长峰值像素坐标与查找表和/或其他存储的校准数据一起使用以确定距表面的距离。主波长峰值像素坐标可以用子像素分辨率确定，并且可以被称为“距离指示像素坐标”。
在本领域中还已知一种类型的CRS系统，其包括“线传感器”，该线传感器使用狭缝孔并沿着线而不是点聚焦光，从而提供在沿着这一线的多个点处测量距表面的距离的能力，如在美国专利申请公开No.2010/0188742中所公开，其通过引用全文并入本文。
在某些先前已知的实施方式中，氙弧灯已被用作具有30kHz量级的测量速率的CRS系统的高强度宽带(例如，白色)光源。氙弧灯提供的宽带发光范围覆盖了CRS系统的光谱范围，因此也覆盖了高度测量范围。它也是一种高强度光源，其具有足够的能量而能够以大约30kHz的测量速率和大约33μs(＝1/30×10-3)的读出时间获得良好的S/N比率。但是，在实际应用中，氙弧灯表现出某些不希望的特性，例如寿命不足和电弧空间稳定性差。在空间上稳定、长寿命的光源是期望的，以便最小化由于电弧运动时的光源光谱发射的变化而引起的CRS校准的任何变化，并且最小化CRS系统的停机时间。此外，许多制造的工件包括混合材料，其具有不同的反射特性，因此在不同的亮度下饱和。因此，CRS光源可以优选地以等于或大于CRS测量速率(例如30kHz)的速率被调制亮度(例如，从较低到较高亮度)以允许测量混合材料。对于某些已知的氙弧灯，这种高速率光调制还是不实际的。在与诸如光谱仪等的其他仪器应用相关联时，也存在类似的光源缺陷。
美国专利申请公开No.US2010/0097779A1('779公开号)共同受让且在此全文引用并入本文，其公开了一种高强度光源，其中发光磷光体等分布在可移动构件上，该可移动构件通过固定的照明点和发射光输出耦合区域连续移动。所公开的配置在许多方面优于氙光源，并且特别适合用作具有长使用寿命、提供高调制速率、以及将光有效且经济地耦合到光纤中等有优势的高强度光源。因此，这样的光源非常适合于例如上文概述的CRS系统。另外，美国专利No.8,317,347('347专利)也共同受让并通过引用整体并入本文，其公开了一种高强度光源结构，其解决了与磷光体输出变化(例如，在磷光体点光源元件上的不同位置处)有关的某些问题，这可能会影响照明光谱的产生。这种高强度光源(例如，利用发光磷光体)通常可以由激发光源(例如，450nm LED)泵浦。
对于各种应用，期望在这种高强度光源(例如，利用发光磷光体)的某些方面进行改进(例如，用于实现针对测量和/或其他操作的改进的操作特性，等等)。
发明内容
提供这一发明内容来以简单的形式介绍构思的选择，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识别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。
提供了一种共焦范围感测(CRS)系统，其包括波长检测器、源光结构以及一个或多个测量通道。所述一个或多个测量通道中的每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括相应共焦检测孔和相应共焦光源孔。对于每个测量通道，相应共焦检测孔被配置为接收沿测量光路的来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输至波长检测器。对于每个测量通道，相应共焦光源孔被配置为接收来自源光结构的源光，并将源光的至少一部分沿着输入路径传输到测量路径透镜结构。测量路径透镜结构被配置为从相应共焦光源孔输入源光，并将具有轴向色散的经聚焦测量光输出至工件表面，并接收来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将该经反射聚焦测量光聚焦在相应共焦检测孔附近。
源光结构包括激发光结构、第一磷光体组合物、第二磷光体组合物、波长组合结构以及共用源光路径。激发光结构包括产生激发光的一个或多个激发光源。第一磷光体组合物位于第一磷光体区域中，第二磷光体组合物位于与第一磷光体区域分开的第二磷光体区域中。激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域，并且响应于此，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物分别将第一和第二发射光发射至波长组合结构，其被配置为沿共用光源光路输出第一发射光和第二发射光中的至少一些，以作为由每个相应共焦光源孔接收的源光。第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一和第二峰值波长。作为组合第一和第二发射光的结果，源光具有扩展的波长范围，其对应于源光结构的增强光谱。
附图说明
图1是CRS系统的第一示例实施方式的图示。
图2A-2C是可以在CRS源光结构中使用的磷光体组合物的发射光谱的图示。
图3A和3B是根据本文公开的原理的包括分别位于第一和第二磷光体区域中的第一和第二磷光体组合物的源光结构的图示。
图4是CRS系统的第二示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。
图5是CRS系统的第三示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。
图6是CRS系统的第四示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。
图7是具有三个表面位置的工件的图示，所述三个表面位置在三个不同的表面高度处，其由CRS系统的三个测量通道测量。
图8是CRS系统的波长检测配置的示例性实施方式的图示，其示出了从三个测量通道接收的测量光。
图9A-9C是当测量诸如图7的工件的表面高度时来自诸如图8的波长检测器结构的光谱仪信号的图示。
图10的流程图示出根据本文公开的原理的用于操作CRS系统来确定工件高度测量值的例程的一种示例性实施方式。
具体实施方式
图1是共焦范围感测系统100的一个示例性实施方式的框图，其包括光学元件120(例如，光笔)、电子部分160和用户界面部分171。电子部分160包括信号处理器166、存储部分168以及包括波长检测器162和宽带光源164的光源和检测器子系统161。根据本文公开的原理，在各种实施方式中，光源164可以包括利用磷光体组合物的源光结构，将在下面参考图3A和3B更详细描述。
图1所示的CRS系统100是色点传感器(chromatic point sensor：CPS)系统，其一次测量一个测量点。在各种实施方式中，波长检测器162包括光谱仪的检测器阵列163。检测器阵列163可以包括沿着波长检测器162的测量轴分布的多个像素，其中，所述多个像素接收相应的波长并提供测量光谱强度分布数据。电子部分160通过包括纤维光缆段112的光路(例如，光纤路径)耦合到光学元件120。光路的可选或替代方面被示出，包括具有段112A、112B、112C和112D以及各种连接器和耦合器的纤维光缆段112。第一和第二段112A和112B在连接器CONNECT-D处连接，并且耦合器COUPLER-O将段112B连接到段112C，该段112C通过连接器CONNECT-E耦合到电子部分160中的段112D。由信号处理器166控制的光源164被连接以通过一路径将波长的光谱分布输入到光学元件120，该路径包括光源光纤段165LS、2×1耦合器CONNECT-E、段112D、连接器CONNECT-E、和纤维光缆段112的其余部分，如上所述。光学元件120包括光纤进/出光学子组件105、壳体130和测量路径透镜结构150。光纤进/出光学子组件105包括进/出光纤113(其通过包裹其的纤维光缆112支承)，以及光纤连接器108。进/出光纤113通过孔195(例如，共焦孔口端)输出一输出光束，并通过孔195接收反射的测量信号光。
如将在下面更详细地描述的，在各种实施方式中，共焦孔195可以是测量通道的一部分，所述测量通道被配置为感测距工件170的表面上的表面位置190的距离。在各种实施方式中，共焦孔195可以用作共焦光源孔195LS和共焦检测孔195D两者，作为测量通道的一部分。如将在下文参考图4-6更详细地描述，在各种替代实施方式中，测量通道的共焦光源孔和共焦检测孔可以是在不同位置处的分开元件。
作为CRS系统100的操作的总体概述，共焦孔195(即，用作共焦光源孔195LS)被配置为接收来自光源164的光源结构(例如，图3A和图3B的光源结构364C)的源光。共焦光源孔195LS将至少一部分源光沿着输入路径140传输到测量路径透镜结构150，其被配置为从相应的共焦光源孔195LS输入源光，并输出具有轴向色散的聚焦测量光FML到工件表面190。测量路径透镜结构150接收从工件表面190反射的经反射聚焦测量光RFML，并将经反射聚焦测量光RFML聚焦在共焦孔195附近(即，用作共焦检测孔195D)。共焦检测孔195D因此被配置为接收沿着测量光路141的来自工件表面190的经反射聚焦测量光RFML，并且将经空间滤光(spatially filtered)的测量光传输至波长检测器162。
作为CRS系统100的操作的更具体描述，从光纤端部发射通过孔195(即，用作共焦光源孔195LS)的光由测量路径透镜结构150聚焦，该结构包括提供轴向色散的透镜，使得沿着光轴OA的焦点根据光的波长处于不同的距离处，这对于某些CRS系统是已知的。在测量操作期间，光从测量路径透镜结构150作为聚焦测量光FML输出，其聚焦在工件170的表面的表面位置190上。从表面位置190反射的光(即，经反射聚焦测量光RFML)沿光路OPATH(例如，其可以是整个测量光路441的一部分)行进，并由测量路径透镜结构150重新聚焦到孔195(即，用作共焦检测孔195D)。由于轴向色散，仅一个波长将具有与测量距离“Z”匹配的聚焦距离，该测量距离是从相对于光学元件120固定的参考位置RP距表面位置190的距离。在表面位置190处最佳聚焦的波长是在共焦孔195(即，用作共焦检测孔195D)处最佳聚焦的波长。因此，最佳聚焦的波长主要通过共焦孔195并进入纤维光缆段112的光纤113的芯中，作为经空间滤光的测量光。纤维光缆段112将经空间滤光的测量光路由(route)到波长检测器162，该波长检测器用于确定具有主强度的波长，其对应于距表面位置190的测量距离Z。
在图1的示例结构中，用于CRS系统100的测量通道可以被定义为至少包括光纤路径，该光纤路径包括光源光纤段165LS，检测器光纤段165D，共焦孔段112A和光纤组合器/分束器COUPLER-E。光源和检测器光纤段165LS和165D耦合到光纤组合器/分束器COUPLER-E的第一侧，共焦孔段112A(例如，通过光纤段112的各其他段和组件)耦合到光纤组合器/分束器COUPLER-E的第二侧。光源光纤段165LS被配置成一端被布置为输入来自光源164的源光，并且将所述源光通过光纤组合器/分束器COUPLER-E(以及通过各种其他段和组件)传输到共焦孔段112A(如上所述)。
在各种实施方式中，共焦孔段112A配置有共焦孔端CAE，其被布置为提供共焦孔195，该共焦孔195提供/用作共焦光源孔195LS和共焦检测孔195D二者。如上所述，共焦光源孔195LS将源光沿着输入路径140传输到测量路径透镜结构150。共焦检测孔195D接收沿着测量光路141的来自工件表面位置190的经反射聚焦测量光。共焦孔段112A还被配置为将经反射聚焦测量光RFML作为经空间滤光的测量光通过光纤组合器/分束器COUPLER-E(例如，通过各其他光纤段和组件)传输至检测器光纤段165D。检测器光纤段165D被配置为在一端将经空间滤光的测量光传输到波长检测器162。
在所示的实施方式中，经空间滤光的测量光通过耦合器COUPLER-E返回，从而大约50％的光被引导通过检测器光纤段165D至波长检测器162(例如，因此在各种实施方式中可能存在另外50％的耦合器插入损耗)。波长检测器162接收与依赖于波长的光强度，将其转换为在沿检测器阵列163的测量轴的像素阵列上分布的输出光谱强度分布(也简称为输出光谱分布)，并操作为基于从检测器阵列163输出的像素数据来提供相应的输出光谱分布数据(例如，如将在下文参考图8和9A-9C更详细地描述)。
在各种实施方式中，可以通过信号处理器166计算分布数据的子像素分辨率距离指示坐标(DIC)，并且DIC(以子像素为单位)经由距离校准查询表等确定与表面位置190的测量距离Z(以微米为单位)，其可以存储在存储器部分168中。可以通过各种方法(例如，通过确定包括在峰区域中的强度分布数据的质心等)来确定DIC。分布数据可以用于确定具有子像素分辨率的DIC。
用户接口部分171耦合到电子部分160，并且被配置为经由任何合适的手段来接收用于CRS系统100的操作的用户输入，诸如用户对采样率或其他操作参数的选择等，所述手段例如键盘、触摸传感器、鼠标等。用户接口部分171还被配置为在屏幕上显示信息，例如由CRS系统100成功测量的距离(例如，工件高度测量)。
图1包括正交的XYZ坐标轴作为参考系(例如，包括相对于工件170的测量值)。Z方向被定义为与光学元件120的光轴OA平行，该光轴OA是距离/高度测量轴。如图1所示，在操作期间，工件170沿光轴OA放置，并且可以安装在平移台175上，平移台175可以有利地对准，使其沿着Z轴方向在引导轴承175A的约束下平移。在各种实施方式中，平移台175也可以或可替代地沿X和/或Y轴方向平移。通常，在各种实施方式中，工件170和/或光学元件120可以沿X、Y和Z轴中的一个或多个相对于彼此运动和/或以其他方式平移，以获得不同的测量值(例如，在不同的表面位置处)。应当理解，在各种实施方式中，利用纤维光缆段或类似布置(例如，诸如图1的纤维光缆段112)可以允许光学元件120和/或类似部件相对于CRS系统100的某些其他组件移动(例如，包括电子部分160的部件，例如波长检测器162和/或光源164)，同时仍允许系统执行如上所述的测量操作(例如，用于测量工件170的表面)。将理解的是，在各种实施方式中，本文所示的系统可以被旋转或以其他方式定向，使得光轴OA和Z轴方向可以沿竖直、水平或其他方向或角度定向，由此，对应的距离/高度测量值(例如，对于工件表面而言)应理解为沿着与系统的光轴OA和Z轴方向相对应的方向或角度类似地定向。
在先前并入的'347专利中描述了图1所示的CRS系统的某些已知的背景信号处理和/或校准操作。在先前并入的‘347和‘456专利中详细描述了某些信号处理操作，基于从CRS的波长分散强度分布中产生的波长峰值(例如，来自波长检测器16，具有诸如图9A至9C中示出的波长峰值)确定具有子像素分辨率的距离指示坐标(DIC)，并且基于所确定的DIC来确定与工件表面的测量距离(例如，以微米为单位)。简而言之，可以确定CRS测量距离校准数据，其将具有子像素分辨率的距离指示坐标(DIC)与沿着CRS系统的光轴OA的以微米为单位的已知测量距离(ZOUT)相关联。在各种实施方式中，可以将由CRS系统计算的测量DIC与存储的校准查询表和/或其他存储的校准数据进行参照，以确定对应的测量距离(以微米为单位)。如果测量DIC落在相邻的校准DIC值之间，则可以通过插值来确定测量距离。
图2A-2C是可以在CRS系统的源光结构中(例如，诸如图1的光源164中和/或在此描述的其他CRS光源中)使用的磷光体组合物的发射光谱的图示。如将在下面更详细描述的，图2A示出了先前已知的LED泵浦磷光体的发射光谱，图2B示出了具有不同特性的磷光体的发射光谱，图2C示出了根据本文公开的原理在不同的磷光体区域中使用了磷光体组合物(例如，图2B中的磷光体组合物)的源光结构的发射光谱。
如图2A所示，LED泵浦磷光体的发射光谱210包括与泵浦LED相对应的区域210A、与波长间隙相对应的区域210B和与磷光体发射相对应的区域210C。如上所述，在并入的参考文献中，色共焦范围系统可以根据通过孔(例如，单个针孔或针孔阵列，或其他孔或孔阵列等)透射的光波长来编码对象的高度。用于这种色共焦范围系统的光源通常是宽带白光源(例如，以便提供全部必要的光波长范围，以使相应高度编码技术能够在期望的范围内可用)。在某些现有系统中使用的白光源已包括由激发光源泵浦的磷光体(例如，经常使用450nm LED)。
如图2A所示，利用由450nm LED泵浦的磷光体的这种现有的色共焦范围系统的一个问题是所产生的波长间隙。如上所述，在图2A中，波长间隙由区域210B指示(例如，以480nm为中心，其在一些情况下由于480nm波长其可以被称为“绿洞”)，该波长间隙位于泵浦光源区域210A和磷光体的发射波长的区域210C之间。如将在下面更详细地描述的，根据本文公开的原理，提供了一种结构，该结构使得光源的波长范围能够扩展到原本是波长间隙区域(例如，图2A的区域210B)的范围中。通过利用所公开的技术来扩展光源的波长范围，在一些实施方式中，可以大大改善CRS系统的测量范围。例如，在一种实施方式中，通过将光源的波长扩展到该区域中，CRS系统的色透镜中使用的镜片在波长间隙的波长处(例如，在图2A的示例中示出的绿色波长处)具有高度色散，CRS测量范围可增加相对较大的量(例如，增加30％等)。在各种实施方式中，除了用于扩展波长范围的这种技术之外，根据本文公开的原理的结构还可以包括其他有利方面(例如，利用某些类型的磷光体，并利用窄带激光源作为激发光源来泵浦该磷光体，如以下参照图3A和3B更详细地描述，其可以帮助解决某些其他问题)。
图2B示出了具有不同特性的磷光体(例如，陶瓷磷光体)的发射光谱。例如，发射光谱221是针对具有以G CIE(0.326，0.576)表示的CIE坐标的磷光体，并且被显示为在绿色波长范围内具有峰值。发射光谱222、223和224分别针对具有Y CIE(0.418，0.554)、Y CIE(0.434，0.543)和Y/O CIE(0.453，0.530)所表示的CIE坐标的磷光体，并被示为具有通常在黄色、橙色等波长范围内的峰值。关于图2A中所示的波长间隙区域210B，应理解的是，在各种实施方式中，发射光谱221(具有绿色波长范围内的峰值)可以被用来帮助填充波长间隙，但是某些更高的波长(例如，一个或多个发射光谱222-224中的波长)作为源光结构的输出的一部分也可能是期望的(例如，用于提供期望的总范围，包括用于CRS系统的更高波长等)。
关于用于组合某些磷光体的特性的可能性(例如，诸如图2B所示的那些)，已经通过实验确定了用于组合磷光体的某些结构可能相对不太有效。例如，当某些晶体磷光体已经整体地组合时，在各种实施方式中，所得的发射光谱没有显示出波长范围的显着增加。在某些情况下，这可能是由于不同磷光体对某些波长的再吸收所致。作为具体示例，与标准YAG：Ce(掺铈的钇铝石榴石)的发射光谱相比，已观察到LED泵浦了包括LuYAG：Ce(掺铈的镥铝石榴石)和YGdaG：Ce的夹层结构(sandwich configuration)，以产生存在一定程度的偏移(即，朝蓝光波长移动)的发射光谱，但其总波长范围未显著增加(即，曲线已偏移但未加宽)。更具体地说，这种结构的发射光谱在蓝色波长中具有更大的发射，但以红色波长为代价(即，曲线总体上向蓝色波长偏移，但与标准YAG：Ce的发射光谱相比总体上没有变宽)。
与这样的整体或其他的组合(例如，磷光体的夹层或混合或以其他方式组合的结构)相比，根据本文公开的原理，提供了一种已确定导致源光结构的整体波长范围增加的结构(例如，可用于某些CRS测量操作)。如将在下面关于图3A和3B更详细地描述的，提供了一种源光结构，其中第一和第二磷光体组合物位于分离的第一和第二磷光体区域中(例如，其由包括至少一个高功率激光器(例如450nm激光器或405nm激光器等)的激发光源泵浦)。波长组合结构(例如，包括分束器)可以操作，以即将激发光分离而使其被引导到第一和第二磷光体组合物，又将来自第一和第二磷光体组合物的所产生第一和第二发射光的至少一些沿着共用源光路径输出/引导。由这种结构产生的一些示例发射光谱在图2C中示出。
如图2C所示，发射光谱251对应这样的结构，其中图3A和3B中的第一和第二磷光体组合物被指定为对应于绿色和黄色磷光体。同样如图所示，发射光谱252对应这样的结构，其中图3A和3B中的第一和第二磷光体组合物被指定为对应于绿色和橙色磷光体。为了比较，还示出了发射光谱241、242和243，其分别对应于被指定为绿色、黄色和橙色磷光体的各个磷光体组合物。发射光谱251或252示出了源光结构的波长范围的增加(即，对此，发射光谱251和252表现为包括发射光谱241的绿色波长以及发射光谱242或243的更高波长)。实际上，通过利用如图3A和3B所示的结构，已线性地添加了绿色的发射光谱和其他磷光体之一的发射光谱，以产生由所得的发射光谱251和252表示的更宽带宽的发射。在图2C的图示中，激发光源对应于450nm的激光器(具有在450nm处的对应输出，其幅值延伸到标度上方)。
图3A和3B是根据本文公开的原理的源光结构364C的各个方面的图示，其包括分别位于第一和第二磷光体区域PR1和PR2中的第一和第二磷光体组合物PC1和PC2。应注意，图3A和图3B的某些编号的部件(例如，3XX等)可以与图1中相同或相似编号的对应部件(例如，1XX等)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。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4-8。如图3A所示，源光结构364C包括激发光结构EXC，第一磷光体组合物PC1，第二磷光体组合物PC2，波长组合结构WCC以及共用源光路径SSLP。在各种实施方式中，激发光结构EXC可包括产生激发光的一个或多个激发光源(例如，一个或多个激光器，LED等)。
如将在下面关于图3B更详细地描述的，在操作中，激发光结构EXC输出激发光EXL，该激发光EXL被导向第一和第二磷光体组合物PC1和PC2，响应于此，第一和第二磷光体组合物PC1和PC2分别产生发射光EML1和EML2。波长组合结构WCC被配置为沿着共用源光路径SSLP将来自第一和第二磷光体组合物PC1和PC2的发射光EML1和EML2中的至少一些输出，作为被一个或多个相应的共焦光源孔395LS中的每一个接收的源光SL。在各种实施方式中，该结构可以仅包括一个共焦光源孔395LS(例如，诸如在图1的实施方式中)。在存在具有多个共焦光源孔395LS(例如，参见图4-6)的多个测量通道的实施方式中，可以包括多个共焦光源孔395LS，以作为孔阵列或类似部件或结构的一部分。在各种实施方式中，部件或结构394可以包括单个或多个共焦光源孔395LS，并且还可以包括一个或多个对应的微透镜或其他元件(例如，类似于图4的结构，如将在下文中详细描述的)。
如图3A中所示，共用源光路径SSLP包括源光透镜结构SLLC，其将源光SL的至少一部分聚焦在所述一个或多个相应的共焦光源孔395LS中的每一个附近。在各种实施方式中，在一个或多个孔395LS处的源光SL可以通过源光透镜结构SLLC成形为单个光斑或点(例如，对于单个光源孔395LS而言)或成形为线(例如，对于光源孔395LS的线性阵列而言)等。在图3A的示例中，源光透镜结构包括透镜SLL1、SLL2和SLL3。在各种实施方式中，透镜SLL1可以是聚光透镜，透镜SLL2可以是场镜，并且透镜SLL3可以是柱面透镜。在各种实施方式中，孔止挡件(未示出)可以被包括在透镜SLL1和SLL2之间或者位于沿着共用源光路径SSLP的另一位置处。在各种实施方式中，透镜SLL3(例如，柱面透镜)可以将源光SL聚焦为线，该线接近线性阵列或共焦光源孔395LS的其他结构(例如，该线垂直于图3A的视图)。
在各种实施方式中，可以在激发光结构EXC和波长组合结构WCC之间包括透镜EXLL(例如，准直透镜)和/或衍射光学器件DOP。在各种实施方式中，透镜EXLL可以被配置为使得来自激发光结构EXC的激发光EXL准直。在各种实施方式中，衍射光学器件DOP(可选)可以被配置为产生激发光EXL的细线，这可以导致第一和第二发射光EML1和EML2也被产生为细线(例如，在一些实施方式中，其可由共焦光源孔495LS等的相应定向线性结构来接收，在被发射的光和由与孔接收的光之间具有相对较高的效率)。如上所述，源光透镜结构SLLC的透镜SLL3也可以或者可替代地用于聚焦或进一步聚焦源光SL(包括第一和第二发射光EML1和EML2)，作为用于被共焦光源孔395LS的线性结构接收的线。
图3B是源光结构364C的一部分的放大图，其包括波长组合结构WCC，第一磷光体组合物PC1，第二磷光体组合物PC2，和共用源光路径SSLP的起点。如图3B所示，第一磷光体组合物PC1位于第一磷光体区域PR1中，第二磷光体组合物PC2位于与第一磷光体区域PR1分开的第二磷光体区域PR2中。在操作中，激发光结构EXC将激发光EXL分别输出到第一磷光体区域PR1和第二磷光体区域PR2。响应于激发光EXL，第一和第二磷光体组合物PC1和PC2分别发射第一和第二发射光EML1和EML2至波长组合结构WCC，该波长组合结构WCC被配置为沿着共用源光路径SSLP输出至少一些第一发射光EML1和EML2，以作为源光SL，其由每个相应的共焦光源孔395LS接收。如下面将更详细描述的，第一发射光EML1和第二发射光EML2分别具有不同的第一和第二峰值波长。
在各种实施方式中，激发光EXL包括沿着第一激发光路径EXP1提供给第一磷光体区域PR1的第一激发光EXL1，以及沿着第二激发光路径EXP2提供给第二磷光体区域PR2的第二激发光EXL2。源光结构364C包括分束表面BSS(例如，作为分束器BS的一部分)，该分束表面BSS将至少一些激发光EXL分成第一激发光EXL1和第二激发光EXL2。第一磷光体区域PR1中的第一磷光体组合物PC1相对于分束器BS的第一表面SF1固定布置，以接收第一激发光EXL1，第二磷光体区域PR2中的第二磷光体组合物PC2相对于分束器BS的第二表面SF2固定布置，以接收第二激发光EXL2。
在各种实施方式中，第一磷光体区域PR1中的第一磷光体组合物PC1可以耦合到(例如，附接或以其他方式固定到)分束器BS的第一表面SF1，并且，第二磷光体区域PR2中的第二磷光体组合物PC2可以耦合至(例如，附接或以其他方式固定到)分束器BS的第二表面SF2。在各种替代实施方式中，第一和第二磷光体组合物PC1和PC2可以形成为分离的元件，其可以与表面SF1和SF2分离和/或不附着于表面SF1和SF2(例如，但是可以相对于表面SF1和SF2和/或波长组合结构WCC的其他部件设置在固定位置)。在各种实施方式中，第一磷光体组合物PC1和第二磷光体组合物PC2可以各自形成为晶片或其他固体的独立元件(例如，其可以附接到表面SF1和SF2或与表面SF1和SF2分离)。在各种实施方式中，第一和第二表面SF1和SF2和/或第一和第二磷光体组合物PC1和PC2可以名义上彼此正交或相对于彼此成一定角度(例如，图3B示出了正交结构)。
在各种实施方式中，波长组合结构WCC包括光束组合表面BCS(例如，其可以与分束器BS的光束分离表面BSS是相同的表面)，并沿共用光源路径SSLP引导至少一些第一发射光EML1和/或第二发射光EML2。例如，如图3B中所示，光束组合表面BCS反射至少一些第一发射光EML1，以沿着共用源光路径SSLP被引导(即，与第二发射光EML2的至少一些(其被传输通过光束通过光束组合表面BCS)一起，以沿着共用光源路径SSLP继续行进。)在各种实施方式中，分束器BS对于激发光EXL和/或发射光而言可以具有大约50％的分离效率。
在各种实施方式中，第一磷光体区域PR1中的第一磷光体组合物PC1可以包括第一烧结磷光体组合物，第二磷光体区域PR2中的第二磷光体组合物PC2可以包括第二烧结磷光体组合物。在各种实施方式中，在第一磷光体区域PR1中的第一磷光体组合物PC1可以包括第一陶瓷磷光体，并且在第二磷光体区域PR2中的第二磷光体组合物PC2可以包括第二陶瓷磷光体。在各种实施方式中，利用陶瓷单晶磷光体(例如，包括安装到散热器的高功率陶瓷磷光体)可以具有高得多的导热率的优点，这可以导致高得多的淬灭阈值(quenchingthreshold)。例如，在激发光结构EXC包括产生功率水平为1.6W/mm2的激光器的实施方式中，其可能远低于此类磷光体的猝灭点(例如，在一特定的示例结构中具有的猝灭点为15W/mm2)。如上所述，这样的结构可以产生具有整体较宽的波长范围的明亮白光源。
在各种实施方式中，第一磷光体组合物PC1可以主要包括第一磷光体，其发射具有在第一波长范围内的第一峰值波长的光，并且第二磷光体组合物PC2可以主要包括第二磷光体，其发射具有在第二波长范围内的第二峰值波长的光，第二波长范围不同于第一波长范围，并且为此，第二峰值波长不同于第一峰值波长。在各种实施方式中，第一和第二波长范围可以是不同的或可以部分重叠。
在各种实施方式中，第一峰值波长和第二峰值波长各自在435nm至600nm之间的波长范围内。在各种实施方式中，第一波长范围可以包括在435nm与565nm之间的波长。在各种实施方式中，这样的波长可以指示第一发射光EML1对应于蓝色、青色或绿色发射光中的至少一个。在各种实施方式中，第一发射光EML1具有第一峰值波长，第二发射光EML2具有第二峰值波长，二者彼此具有至少最小的差异(例如，至少10nm不同，至少20nm不同等)。例如，在一个实施方式中，第一发射光EML1可以具有510nm的峰值波长和545nm的发射质心(例如，对应于绿色发射光)，并且第二发射光EML2可以具有535nm的峰值波长和573nm的发射质心(例如，对应于黄色发射光)，其峰值波长之间的差约为25nm。应理解的是，根据本文公开的原理，峰值波长之间的更大的间隔(直至某些极限)可以对应于源光结构的相对较宽的总波长范围(例如，在某些实施方式中，根据第一发射光EML1至第二发射光EML2的近似加总)。
在各种实施方式中，激发光结构EXC可以包括一个或多个激发光源，其可以包括一个或多个激光器。在一些实施方式中，激发光结构EXC可以仅包括单个激光器，或者可以包括多个(例如，两个或更多个)激光器。在各种实施方式中，激光器(一个或多个)可以输出包括在400nm和485nm之间波长的波长范围内的激发光。在各种实施方式中，激光器可以输出大体在一特定波长处的窄范围内的激发光(例如，450nm激光器或405nm激光器，其可以对应于蓝色或紫色激发光等)。在一个特定的示例实施方式中，可以利用产生功率水平为1.6W/mm2的单个450nm激光器，或者可以利用产生组合功率水平为3.2W/mm2的两个450nm激光器。
在各种实施方式中，利用一个或多个激光器作为激发光结构EXC(例如，除了将某些类型的磷光体用于磷光体组合物PC1和PC2之外)可以帮助解决某些问题。更具体地，在利用LED泵浦的磷光体光源结构的某些先前的CRS系统中(例如，如图2A所示)，一个问题是LED泵浦的粉状磷光体光源有时对于某些CRS应用而言不够亮。在某些CRS应用中，这种LED泵浦白光源遇到的另一个问题是宽带LED波长有时会随时间漂移(例如，由于注入电流、占空比、温度等)。在LED泵浦光源带宽与磷光体波长部分重叠的结构中，宽带LED波长的漂移可改变光源的光谱成分(例如，在520nm以下的波长)，并最终导致CRS位置误差。更具体地说，这种变化可导致同一表面高度的测量值在不同时间不同，这可与CRS位置误差相对应。
根据本文公开的原理，可以通过利用具有窄带激光源(例如，在450nm处)的结构作为激发光结构EXC来泵浦磷光体组合物PC1和PC2，以至少部分地解决这些问题中的至少一些。在各种实施方式中，将激光器用于激发光结构EXC可以具有更高亮度的附加优势，从而产生具有更高输出功率的源光结构364C。此外，可以设计激发光结构EXC，使其具有较小的光斑尺寸，从而减小光源的集光率(etendue)。因此，可以通过CRS系统的共焦孔(例如，针孔)更有效地耦合光。
图4是CRS系统400的第二示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。如图4所示，CRS系统400包括波长检测器462、源光结构464C(例如，作为光源464的一部分)以及多个测量通道(例如，某些代表性的测量通道C1、C2和C3将在下面更详细地描述。)每个测量通道被配置为感测距工件470的工件表面位置490的相应距离(例如，类似于如上所述的图1的操作)，并且包括相应的共焦检测孔495D和相应的共焦光源孔495LS。例如，在图4的实施方式中，代表性测量通道C1、C2和C3中的每个包括各自的共焦检测孔径495D1、495D2和495D3(例如，作为孔阵列的一部分)，以及各自的共焦光源孔径495LS-1、495LS-2和495LS-3(例如，作为孔阵列的一部分)，并配置为感测距工件表面位置490-1、490-2和490-3的相应距离。在图4的示例中，工件表面位置490-1、490-2和490-3通常被示出为处于相似的高度。下面将相对于图7更详细地描述具有不同高度的工件表面位置的工件的示例。
在图4的示例实施方式中，每个相应的共焦检测孔495D被配置为接收沿着测量光路441的来自相应工件表面位置490的经反射聚焦测量光RFML，并且将经空间滤光的测量光SFML传输至波长检测器462。每个相应的共焦光源孔495LS被配置为从源光结构464C接收源光SL(即，其沿共用源光路径SSLP提供)，并沿输入路径440传输源光SL的至少一部分到测量路径透镜结构450。在各种实施方式中，输入路径440可以包括输入透镜440A、孔止挡件440B和反射表面440C(例如，半反射镜或二向色镜)。穿过每个相应的共焦光源孔(例如，包括495LS-1、495LS-2和495LS-3)的源光SL(即，包括第一和第二发射光)可以穿过透镜440A，并被孔止挡件440B滤光，并且可以被表面440C反射以由测量路径透镜结构450接收。
测量路径透镜结构450被配置为从每个相应的共焦光源孔径495LS输入源光SL(例如，其由表面440C反射)，并且输出(例如，从可以包括物镜的透镜450A)具有轴向色度色散的测量光FML到相应的工件表面位置490，并接收来自各个工件表面位置490的经反射聚焦测量光RFML，并聚焦(例如，使用透镜450B)该经反射聚焦测量光RFML到每个相应的共焦检测孔495D附近。如上所述，每个相应的共焦检测孔495D被配置为接收沿测量光路441的经反射聚焦测量光RFML，并将经空间滤光的测量光SFML传输至波长检测器462。在各种实施方式中，术语“共焦(confocal)”在某些情况下可以表示空间滤光孔(例如，相应的共焦检测孔495D)，其主要接收源自共轭点或共轭焦平面(例如，在相应的共焦光源孔495LS处)的光，并且，为此，术语“共轭(conjugate)”可以表示一个共轭位置处的点聚焦在另一共轭位置(例如，相应的共焦检测孔495D和相应的共焦光源孔495LS各自位于相应的共轭位置处)。在各种实施方式中，对于每个测量通道而言，相应的共焦光源孔495LS可以名义上与相应的共焦检测孔495D共焦。
图4包括正交的XYZ坐标轴(例如，类似于图1)作为参考系(例如，包括相对于工件470的测量值)。Z方向被定义为平行于光轴，其是距离/高度测量轴(例如，作为测量路径透镜结构450的一部分的透镜450A的轴线)。如图4所示(例如，并且如将在下文参考图7-9更详细地描述)，在操作期间，工件470可以沿着光轴放置(例如，并且可以被安装在平移台(未示出)上，其类似于图1的平移台，和/或对此，工件470和/或CRS系统400的至少一部分或全部可相对于彼此沿X，Y和Z轴中的一个或多个运动和/或以其他方式平移，以获得工件470的不同测量值。)应理解的是，在各种实施方式中，本文所示的系统可以被旋转或以其他方式定向，使得光轴OA和对应的Z轴方向可以沿竖直、水平或其他方向或角度定向，由此，对应的距离/高度测量值(例如，对于工件表面而言)应被理解为沿着与系统的光轴OA和Z轴方向相对应的方向或角度类似地定向(例如，用于测量工件470)。
在图4的实施方式中，每个测量通道包括在波长组合结构WCC和测量通道的相应共焦光源孔495LS之间沿着共用源光路径SSLP定位的相应透镜(例如，微透镜)。例如，每个代表性测量通道C1、C2和C3包括相应的微透镜ML-1、ML2和ML-3。每个相应的微透镜ML-1、ML-2和ML-3被配置为沿着共用源光路径SSLP聚焦第一和第二发射光EML1和EML2的至少一部分作为源光SL，其被聚焦在相应的共焦光源孔495LS-1、495LS-2和495LS-3的附近。在各种实施方式中，组件494可以包括孔阵列(例如，包括共焦光源孔495LS-1、495LS-2和495LS-3)。在各种实施方式中，微透镜可被包括作为微透镜阵列的一部分(例如，在一些实施方式中，其也可被包括为组件494的一部分)。
光源464的源光结构464C与图3A和3B的源光结构364C类似地操作。更具体地，在源光结构464C中，激发光结构EXC输出激发光，其被引导至第一和第二磷光体组合物PC1和PC2(即定位在各自的第一和第二磷光体区域中)，响应于此，第一和第二磷光体组合物PC1和PC2产生发射光。波长组合结构WCC沿着共用源光路径SSLP将来自第一和第二磷光体组合物PC1和PC2的至少一些发射光输出，以作为源光SL。
在各种实施方式中，共用源光路径SSLP可包括源光透镜结构，其将源光SL的至少一部分聚焦在一个或多个相应的共焦光源孔495LS中的每一个附近。在图4的示例中，源光透镜结构包括透镜SLL1和SLL2，并且在一些实施方式中可以包括微透镜(例如，ML1、ML2、ML3等)。在各种实施方式中，透镜SLL1可以是聚光透镜，并且透镜SLL2可以是场/准直透镜。在各种实施方式中，透镜SLL1可以操作为汇聚第一和第二发射光EML1和EML2，并且透镜SLL2可以操作以沿着共用源光路径SSLP使得第一和第二发射光EML1和EML2准直，以作为源光SL，其由微透镜(例如，ML1、ML2、ML3等)接收。如上所述，每个相应的微透镜(例如，ML-1、ML-2和ML-3)配置为将第一和第二发射光EML1和EML2的至少一部分沿共用源光路径SSLP聚焦为源光SL，其聚焦在相应的共焦光源孔(例如495LS-1、495LS-2和495LS-3)附近。
图5是CRS系统500的第三示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。CRS系统500在许多方面类似于图4的CRS系统400。如上所述，除非下文另外指出，相似或相同编号的元件可以理解为相似或相同和/或提供相似或相同的功能。因此，下面将仅详细描述CRS系统500和CRS系统400之间的明显区别。
与图4的CRS系统400的一个主要区别是，图5的CRS系统500不包括微透镜阵列，并且光源564的源光结构564C可以替代地包括透镜SLL3(例如，作为源光透镜结构的一部分)。在各种实施方式中，透镜SLL3可以是柱面透镜。如图所示，相应的共焦光源孔(例如，包括495LS-1、495LS-2和495LS-3)可以以线性结构布置，对于该线性结构，柱面透镜SLL3被配置为将第一和第二发射光EML1和EML2的至少一部分沿着共用源光路径径SSLP聚焦，以作为源光SL，其被聚焦(例如，为一条线)在共焦光源孔的线性结构(例如，包括495LS-1、495LS-2和495LS-3)附近。在各种实施方式中，部件594可以包括孔阵列(例如，包括共焦光源孔495LS-1、495LS-2和495LS-3的线性结构)。在各种实施方式中，如上所述，图5的CRS系统500的操作可以在其它方面类似于图4的CRS系统400的操作。
图6是CRS系统600的第四示例性实施方式的图示，其包括类似于图3A和3B的源光结构。CRS系统600在许多方面类似于图4的CRS系统400。如上所述，除非下文另外指出，相似或相同编号的元件可以理解为相似或相同和/或提供相似或相同的功能。因此，下面将仅详细描述CRS系统600和CRS系统400之间的明显区别。
与图4的CRS系统400的一个主要区别在于，图6的CRS系统600不包括微透镜阵列，并且因此，光源664的源光结构664C可以可替代地包括多根光纤OF(例如，可以被包括在相应的纤维光缆段中，等等)。更具体地说，在图6的示例实施方式中，每个测量通道(例如，包括测量通道C1、C2、C3等)可以包括相应的光纤(例如，包括光纤OF1、OF2、OF3等)。每个相应的光纤可具有相应的光纤输入端(例如，相应的光纤输入端IE1、IE2、IE3等)，其被定位为输入来自波长组合结构WCC的沿着共用源光路径SSLP的第一发射光EML1和第二发射光EML2中的至少一些，并传输该光，以作为由相应的共焦光源孔(例如，包括共焦光源孔495LS1、495LS2、495LS3等)接收的源光SL。
另外，光源664的源光结构664C可以包括透镜SLL3(例如，作为源光透镜结构的一部分)。在各种实施方式中，透镜SLL3可以是柱面透镜。如图所示，光纤的相应输入端(例如，包括IE1、IE2和IE3)可以以线性结构布置，为此，柱面透镜SLL3被配置为使第一和第二发射光EML1和EML2的至少部分沿着共用源光路径SSLP聚焦，以作为源光SL，其被聚焦(例如，为一条线)在输入端(例如，包括IE1、IE2和IE3)的线性结构附近。在各种替代实施方式中，可以不包括透镜SLL3(例如，因此光纤的输入端可以可替代地位于分束器BS的表面附近或表面处，用以在源光SL从分束器BS射出时直接接收源光SL)。
在各种实施方式中，每个相应的光纤还可具有相应的光纤输出端(例如，包括光纤输出端OE1、OE2、OE3等)，其被定位为提供用于相应的测量通道的相应共焦光源孔(例如，相应的共焦光源孔495LS1、495LS2、495LS3等)。更具体地，每个光纤的输出端OE(例如，作为相应的纤维光缆段的一部分)可以提供和/或用作孔(即，共焦光源孔495LS)。在各种实施方式中，部件694可以定位、保持和/或以其他方式将光纤输出端OE1、OE2和OE3和/或共焦光源孔495LS-1、495LS-2和495LS-3(例如，作为孔阵列)相对于彼此固定和/或相对于系统的其余部分固定(例如，以便相对于共焦光源孔495LS-1、495LS-2和495LS-3的线性结构定位或以其他方式形成该线性结构)。在各种实施方式中，如上所述，图6的CRS系统600的操作可以在其它方面类似于图4的CRS系统400的操作。
图7是由CRS系统的三个测量通道C1、C2和C3测量的，具有在三个不同表面高度处的三个表面位置790-1、790-2和790-3的工件770的图示。在各种实施方式中，由图7的结构示出的操作可以代表CRS系统400、500和/或600利用三个测量通道C1、C2和C3来测量工件(类似于工件770)的操作，或者用于对具有在不同表面高度处的表面位置的相似工件进行测量的其他CRS系统(例如，具有相似或其他透镜配置)的操作。如图7所示，工件表面位置790-1、790-2和790-3分别位于Z1、Z2和Z3的相对高度处，其对应于距参考位置的相应距离D1、D2和D3(例如，该参考位置可相对于物镜750A或其他组件，例如可以类似于图1的参考位置RP)。在利用与CRS系统400、500和/或600类似或相同的CRS系统执行测量操作的实施方式中，透镜750A可以对应于CRS系统400、500和/或600的透镜450A。
如图7所示，第一测量通道C1可以提供聚焦测量光，其聚焦在工件表面位置790-1处，如光束LR-1所示，并且对此，经反射聚焦测量光可以通过测量路径透镜结构(例如，包括透镜750A)聚焦返回，并由相应的共焦检测孔接收，如下面将参考图8详细描述。第二和第三测量通道C2和C3可以类似地提供聚焦测量光，其分别聚焦在工件表面位置790-2和790-3上，如光线LR-2和LR-3所示，并且对此，经反射聚焦测量光可以通过测量路径透镜结构(例如，包括透镜750A)聚焦范返回，并由相应的共焦检测孔接收。
图8是CRS系统的波长检测器结构862的示例性实施方式的图示，其示出了从三个测量通道C1、C2和C3接收的测量光。在各种实施方式中，图8的波长检测器结构862所示的操作可以代表CRS系统400、500和/或600的波长检测器结构462的操作，或其他CRS系统的波长检测器(例如，具有类似或其他透镜配置)的用于测量工件(例如，图7的工件770)的操作。
如图8所示，每个测量通道C1、C2和C3包括相应的共焦检测孔895D1、895D2和895D3。每个相应的共焦检测孔895D1、895D2和895D3被配置为接收沿着测量光路的来自相应的工件表面位置(例如，图7的工件表面位置790-1、790-2和790-3)的经反射聚焦测量光RFML，并将对应的经空间滤光的测量光SFML传输到波长检测器862。如上文所述和在所并入的参考文献中，在利用色共焦技术的实施方式中，对于每个测量通道而言，仅在相应工件表面位置上良好聚焦的波长将在相应共焦检测孔上良好聚焦，并且将主要是作为经空间滤光的测量光SFML经过的波长。例如，对于测量通道C1而言，只有在表面位置790-1上聚焦良好的波长才会良好地聚焦在相应的共焦检测孔895D1上，并且主要作为经空间滤光的测量光SFML经过(例如，其由具有最佳聚焦并穿过孔895D1的波长的光线来表示，且对此，用于其他未很好聚焦于孔处的波长的其它光线被表示为经空间滤除，例如主要通过从反射孔895D1的周围表面反射掉)。在各种实施方式中，对于每个测量通道而言，可以配置CRS系统，其中相应的共焦光源孔(例如，每个测量通道C1，C2和C3的共焦光源孔)的发射光集光率可以基本上不大于(例如，在一些实施方式中可以名义上等于)穿过相应共焦检测孔的光的集光率(例如，穿过相应共焦检测孔895D1、895D2和895D3的光的集光率)，使得光可以通过CRS系统的共焦孔更有效地耦合。
在波长检测器862中，测量通道C1、C2和C3中的每一个被示出为具有对应的光学元件组和/或沿着光路到相应的检测器阵列863-1、863-2和863-3的位置(例如，为此每个检测器阵列可以是光谱仪)。例如，在图8的实施方式中，每个光路可以包括透镜862A，衍射光栅862的至少一部分，透镜或位置862C和透镜862D，用于将不同波长的光导向检测器阵列863-1、863-2和863-3上的不同像素位置处。因此在操作中，波长检测器862接收依赖于波长的光强度(即，作为经空间滤光的测量光SFML的一部分，其可主要包括最佳聚焦在相应工件表面位置上的波长)，并且通过光路将依赖于波长的光强度转换为输出光谱强度分布(也简称为输出光谱分布)，且在沿每个相应检测器阵列863-1、863-2和863的检测器测量轴DMA的像素阵列上分布，并操作为基于从每个相应检测器阵列863-1、863-2和863-3输出的像素数据提供对应的输出光谱分布数据。在图8的示例中，在相应的检测器阵列863-1、863-2和863-3上的所示输出光谱强度分布被表示为分别主要位于PL-1、PL-2和PL-3的像素位置。在各种实施方式中，检测器阵列863-1、863-2和863-3可以是单独的部件(例如，独立光谱仪的部件)，或者可以各自对应于(例如，光谱仪的)单个探测器阵列上的不同位置或区域(例如，每个对应于特定的一组像素列)。
图9A-9C是当测量诸如图7的那些工件表面高度时的、来自诸如图8那样的波长检测器结构的光谱仪信号的曲线图900A-900C的图示。曲线图900A、900B和900C表示图8的相应的通道C1、C2和C3以及对应的相应检测器阵列863-1、863-2和863-3的相应输出光谱分布数据910-1、910-2和910-3。如上所述，在操作中，可以基于从每个相应的检测器阵列863-1、863-2和863-3输出的像素数据(即，对应于图9A-图9C中的相应曲线图900A、900B和900C)来提供输出光谱分布数据910。在各种实施方式中，可以计算分布数据的子像素分辨率的距离指示坐标DIC(例如，通过类似于图1的信号处理器166的信号处理器)，并且DIC(例如，在子像素中)可以经由距离校准查找表等(例如，可以存储在类似于图1的存储部分168的存储部分中)表示出距相应的表面位置790-1、790-2和790-3的测量距离Z(例如，以微米为单位)。可以通过各种方法(例如，通过确定包括在峰区域中的强度分布数据的质心等)来确定每个距离指示坐标DIC。分布数据可以用于确定DIC(例如，具有子像素分辨率)。
关于图9A、9B和9C的具体示例，对于每个测量通道C1、C2和C3，基于自相应检测器阵列863-1、863-2和863-3中的每一个的数据像素而提供的相应输出光谱分布数据910-1、910-2和910-3被用于计算子像素分辨率的距离指示坐标DIC。相应的经算出距离指示坐标DIC-1、DIC-2和DIC-3中的每个表示出距相应工件表面位置790-1、790-2和790-3的相应测量距离D1、D2和D3(例如，如图7所示)，其因此对应于确定每个工件表面位置790-1、790-2和790-3的工件高度测量值Z1、Z2和Z3。
应理解，在如上所述的图4-9的示例中，在各种实施方式中，不需要或不使用光纤(例如，如包括在纤维光缆段中的)和/或类似的元件来在CRS系统的某些部件之间传输光(例如，因为光纤和/或光纤端部可能具有某些安装、空间和/或操作特性，其对于某些应用可能是不期望的，包括具有多个测量通道的某些应用，其可能会因为这些原因而增加某些复杂性)。例如，图4和图5示出了在波长组合结构WCC、共焦光源孔495LS、测量路径透镜结构450、共焦检测孔495D和波长检测器462中的任意项之间的不使用光纤或类似组件来传输光的结构，所有这些项均相对于彼此处于固定的取向、定位和位置。图6示出了类似的结构，但是光纤OF被用于将来自波长组合结构WCC的光传输至共焦光源孔495LS。因此，图6示出了如果对某些应用是期望的，则可以利用光纤在某些组件之间传输光。在各种实施方式中，图4-9的上述部件中的一些或全部(例如，波长组合结构WCC、共焦光源孔495LS、测量路径透镜结构450、共焦检测孔495D和波长检测器462)可以包括在单个光学元件中(例如，类似于图1的光学元件120，其可以是光笔或类似的光学元件)。
与图4-9的结构相反，如上所述，图1示出了一结构(例如，包括单个测量信道)，其中可以利用光纤113(例如，包括在纤维光缆段112中)来从光源164向光学元件120传输光，以及从光学元件120向波长检测器162传输光。在这样的结构中，不需要光学元件120(例如，光笔)相对于波长检测器162和光源164处于固定的取向、定位或位置以使系统准确地执行测量操作(例如，用于确定工件高度测量值等)。
图10是示出了根据本文公开的原理用于确定工件高度测量值的，用于操作CRS系统的例程1000的一个示例性实施方式的流程图。在框1010处，操作包括激发光结构的共焦范围感测系统，将激发光输出到第一磷光粉组合物所在的第一磷光粉区域和第二磷光粉组合物所在的第二磷光粉区域。响应于激发光，第一和第二磷光体组合物分别发射第一和第二发射光至波长组合结构。波长组合结构沿着共用源光路径输出第一发射光和第二发射光中的至少一些，以作为由一个或多个测量通道的每个相应共焦光源孔接收的源光。第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一和第二峰值波长。在各种实施方式中，CRS系统可以仅包括具有单个共焦光源孔的单个测量通道(例如，如图1所示)，或者可以具有多个测量通道，每个测量通道均具有对应的共焦光源孔(例如，如图4-6所示)。
在框1020处，接收来自波长检测器的测量光谱强度分布数据。测量光谱强度分布数据至少部分地由相应测量通道的相应共焦检测孔产生，所述测量通道接收来自工件表面的沿着测量光路的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输到波长检测器。在框1030处，至少部分地基于确定由测量光谱强度分布数据表示的光谱峰值来确定用于工件表面的工件高度测量值。例如，如图9A-9C所示，来自波长检测器的数据可以表示光谱峰值(例如，如由光谱仪上的特定像素位置处的波长峰值所示)。因此，在各种实施方式中，光谱峰值可以对应于特定距离指示坐标DIC，对此，测量距离指示坐标DIC(例如，由CRS系统计算)可以参考存储的校准数据(例如，在存储的查找表中或其他方式)，以确定对应的测量距离(例如，对应于工件高度测量值)。在各种实施方式中，这样的CRS系统可以具有微米或亚微米范围内的精度(例如，用于工件高度测量等)。
在各种实施方式中，一次只能确定单个工件高度测量值(例如，诸如在图1的结构中)，并且当工件和/或CRS系统相对彼此移动时，可以确定附加的工件高度测量值。在各种实施方式中，CRS系统能够获得用于确定多个工件高度测量值的测量数据(例如，诸如在图4-9的结构中)。
尽管已经示出和描述了本公开的优选实施例，但是所示出和描述的特征的布置和操作的顺序的多种变形基于这一公开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。
根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其他改变。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，而应理解为包括符合这些权利要求有权的等同的全部范围的所有可能实施例。

Claims (25)

1.一种共焦范围感测系统，包括：
波长检测器；
源光结构；
一个或多个测量通道，其中所述一个或多个测量通道中的每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括：
相应共焦检测孔，其被配置为接收沿测量光路来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输至波长检测器；
相应共焦光源孔，其被配置为接收来自源光结构的源光，并将所述源光的至少一部分沿着输入路径传输到测量路径透镜结构，所述测量路径透镜结构被配置为输入来自相应共焦光源孔的源光，并将具有轴向色散的经聚焦测量光输出到工件表面，并接收来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经反射聚焦测量光聚焦在相应共焦检测孔附近；
其中：
所述源光结构包括：
激发光结构，其包括产生激发光的一个或多个激发光源；
位于第一磷光体区域中的第一磷光体组合物；
位于与第一磷光体区域分开的第二磷光体区域中的第二磷光体组合物，其中，所述第一磷光体组合物主要包括发射具有在第一波长范围内的第一峰值波长的光的第一磷光体，并且所述第二磷光体组合物主要包括发射具有在第二波长范围内的第二峰值波长的光的第二磷光体，第二波长范围不同于第一波长范围，并且所述第二磷光体发射的光的第二峰值波长不同于所述第一磷光体发射的光的第一峰值波长；
波长组合结构；和
共用源光路径；其中：
激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域，所述激发光同时包括沿着第一激发光路径提供给所述第一磷光体区域的第一激发光和沿着第二激发光路径提供给所述第二磷光体区域的第二激发光，并且响应于此，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物分别将第一发射光和第二发射光发射至波长组合结构，该波长组合结构被配置为沿所述共用源光路径输出第一发射光和第二发射光中的至少一些，以作为由每个相应共焦光源孔接收的源光；并且
第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一峰值波长和第二峰值波长。
2.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述一个或多个测量通道包括多个测量通道。
3.根据权利要求2所述的共焦范围感测系统，其中，每个测量通道包括沿着所述共用源光光路定位在所述波长组合结构和所述测量通道的相应共焦光源孔之间的透镜，其中，每个相应透镜被配置为将第一发射光和第二发射光中的至少一部分沿着共用源光路径聚焦为源光，该源光被聚焦在相应共焦光源孔附近。
4.根据权利要求2所述的共焦范围感测系统，其中，所述多个测量通道的多个相应共焦光源孔以线性结构布置，并且所述源光结构包括沿着所述共用源光路径定位在波长组合结构和所述线性结构之间的柱面透镜，其中，所述柱面透镜被配置为将第一发射光和第二发射光的至少一部分沿共用源光路径聚焦，以作为被聚焦在所述线性结构附近的源光。
5.根据权利要求2所述的共焦范围感测系统，其中，每个测量通道包括具有相应的光纤输入端的相应光纤，所述光纤输入端被定位成沿着所述共用源光路径从所述波长组合结构输入所述第一发射光和第二发射光中的至少一些，并传输该光作为由相应共焦光源孔接收的源光。
6.根据权利要求5所述的共焦范围感测系统，其中，每个相应光纤具有相应的光纤输出端，所述光纤输出端定位成为相应的测量通道提供相应共焦光源孔。
7.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述一个或多个测量通道包括第一测量通道，所述第一测量通道包括第一光纤路径，所述第一光纤路径包括光源光纤段、检测器光纤段、共焦孔段和光纤组合器/分离器，其中：
所述光源光纤段和检测器光纤段耦合到光纤组合器/分束器的第一侧，而共焦孔段耦合到光纤组合器/分离器的第二侧：
所述光源光纤段被配置为，其一端布置为输入来自所述波长组合结构的沿所述共用源光路径的所述第一发射光和所述第二发射光中的至少一些，并且将所输入的光作为源光穿过所述光纤组合器/分束器传输到所述共焦孔段；
共焦孔段配置有共焦孔端，其布置为：
提供所述相应共焦光源孔和所述相应共焦检测孔，所述相应共焦光源孔将所述源光沿输入路径传输到测量路径透镜结构，所述相应共焦检测孔接收沿着测量光路来自工件表面的经反射聚焦测量光，以及
将该经反射聚焦测量光作为经空间滤光的测量光通过光纤组合器/分束器传输到检测器光纤段；以及
所述检测器光纤段被配置为，一端布置为将经空间滤光的测量光传输到波长检测器。
8.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述第一发射光的第一峰值波长和所述第二发射光的第二峰值波长每一个在435nm至600nm之间的波长范围内。
9.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述源光结构还包括分束表面，所述分束表面将至少一些所述激发光分成所述第一激发光和所述第二激发光。
10.根据权利要求9所述的共焦范围感测系统，其中，所述分束表面是分束器的一部分，并且所述第一磷光体区域中的所述第一磷光体组合物相对于所述分束器的第一表面固定布置，以接收所述第一激发光，并且所述第二磷光体区域中的第二磷光体组合物相对于分束器的第二表面固定布置，以接收所述第二激发光。
11.根据权利要求10所述的共焦范围感测系统，其中，所述第一磷光体区域中的所述第一磷光体组合物耦合到所述分束器的所述第一表面，并且所述第二磷光体区域中的所述第二磷光体组合物耦合至所述分束器的所述第二表面。
12.根据权利要求10所述的共焦范围感测系统，其中，所述波长组合结构包括光束组合表面，其与所述分束表面是相同表面，并且沿所述共用源光路径引导所述第一发射光或所述第二发射光中的至少一些。
13.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述共用源光路径包括源光透镜结构，所述源光透镜结构将第一发射光和第二发射光的至少一部分聚焦在每个相应光源孔附近。
14.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，第一磷光体区域中的第一磷光体组合物包括第一烧结的磷光体组合物，并且第二磷光体区域中的第二磷光体组合物包括第二烧结的磷光体组合物。
15.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，第一磷光体区域中的第一磷光体组合物包括第一陶瓷磷光体，第二磷光体区域中的第二磷光体组合物包括第二陶瓷磷光体。
16.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述第一波长范围包括在435nm与565nm之间的波长。
17.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述第一发射光具有第一峰值波长，并且所述第二发射光具有与第一峰值波长至少相差10nm的第二峰值波长。
18.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述第一发射光具有第一峰值波长，并且所述第二发射光具有与第一峰值波长至少相差20nm的第二峰值波长。
19.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，所述一个或多个激发光源包括激光器。
20.根据权利要求19所述的共焦范围感测系统，其中，所述激光器在一波长范围内输出激发光，该波长范围包括400nm至485nm之间的波长。
21.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，对于每个测量通道，相应共焦光源孔与相应共焦检测孔共焦。
22.根据权利要求1所述的共焦范围感测系统，其中，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物相对于波长组合结构处于固定位置，使得当激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域时，第一光体组合物和第二磷光体组合物不相对于波长组合结构移动。
23.一种用于操作共焦范围感测系统以确定工件高度测量值的方法，
所述共焦范围感测系统包括：
波长检测器；
源光结构；
一个或多个测量通道，其中所述一个或多个测量通道中的每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括：
相应共焦检测孔，其被配置为接收沿测量光路来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输至波长检测器；
相应共焦光源孔，其被配置为接收来自源光结构的源光，并将所述源光的至少一部分沿着输入路径传输到测量路径透镜结构，所述测量路径透镜结构被配置为输入来自相应共焦光源孔的源光，并将具有轴向色散的经聚焦测量光输出到工件表面，并接收来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经反射聚焦测量光聚焦在相应共焦检测孔附近；
其中：
所述源光结构包括：
激发光结构，其包括产生激发光的一个或多个激发光源；
位于第一磷光体区域中的第一磷光体组合物；
位于与第一磷光体区域分开的第二磷光体区域中的第二磷光体组合物；
波长组合结构；和
共用源光路径；
所述方法包括：
操作共焦范围感测系统，使得激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域，所述激发光同时包括沿着第一激发光路径提供给所述第一磷光体区域的第一激发光和沿着第二激发光路径提供给所述第二磷光体区域的第二激发光，并且响应于此，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物分别发射第一发射光和第二发射光到波长组合结构，所述波长组合结构沿着所述共用源光路径输出第一发射光和第二发射光中的至少一些作为被各个相应共焦光源孔接收的源光，并且为此，所述第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一峰值波长和第二峰值波长；
接收来自波长检测器的测量光谱强度分布数据，所述测量光谱强度分布数据至少部分地由相应测量通道的相应共焦检测孔产生，所述测量通道接收沿着测量光路的来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输到波长检测器；以及
至少部分地基于确定由测量光谱强度分布数据表示的光谱峰值来确定工件表面的工件高度测量值。
24.一种源光结构，用于与感测系统组件一起使用，以形成共焦范围感测系统的至少一部分，
所述感测系统组件包括：
波长检测器；
一个或多个测量通道，其中所述一个或多个测量通道中的每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括：
相应共焦检测孔，其被配置为接收沿测量光路的来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输至波长检测器；
相应共焦光源孔，其被配置为接收来自源光结构的源光，并将所述源光的至少一部分沿着输入路径传输到测量路径透镜结构，所述测量路径透镜结构被配置为输入来自相应共焦光源孔的源光，并将具有轴向色散的经聚焦测量光输出到工件表面，并接收来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经反射聚焦测量光聚焦在相应共焦检测孔附近；
所述源光结构包括：
激发光结构，其包括产生激发光的一个或多个激发光源；
位于第一磷光体区域中的第一磷光体组合物；
位于与第一磷光体区域分开的第二磷光体区域中的第二磷光体组合物；
波长组合结构；和
共用源光路径；其中：
激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域，所述激发光同时包括沿着第一激发光路径提供给所述第一磷光体区域的第一激发光和沿着第二激发光路径提供给所述第二磷光体区域的第二激发光，并且响应于此，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物分别将第一发射光和第二发射光发射至波长组合结构，该波长组合结构被配置为沿所述共用源光路径输出第一发射光和第二发射光中的至少一些，以作为由每个相应的共焦光源孔接收的源光；并且
第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一峰值波长和第二峰值波长。
25.一种共焦范围感测系统，包括：
波长检测器；
源光结构；
一个或多个测量通道，其中所述一个或多个测量通道中的每个测量通道被配置为感测距工件表面的相应距离，并且包括：
相应共焦检测孔，其被配置为接收沿测量光路来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经空间滤光的测量光传输至波长检测器；
相应共焦光源孔，其被配置为接收来自源光结构的源光，并将所述源光的至少一部分沿着输入路径传输到测量路径透镜结构，所述测量路径透镜结构被配置为输入来自相应共焦光源孔的源光，并将具有轴向色散的经聚焦测量光输出到工件表面，并接收来自工件表面的经反射聚焦测量光，并将经反射聚焦测量光聚焦在相应共焦检测孔附近；
其中：
所述源光结构包括：
激发光结构，其包括产生激发光的一个或多个激发光源；
位于第一磷光体区域中的第一磷光体组合物；
位于与第一磷光体区域分开的第二磷光体区域中的第二磷光体组合物，
波长组合结构；
共用源光路径；和
分束表面，其中：
激发光结构将激发光输出到第一磷光体区域和第二磷光体区域，并且响应于此，第一磷光体组合物和第二磷光体组合物分别将第一发射光和第二发射光发射至波长组合结构，该波长组合结构被配置为沿所述共用源光路径输出第一发射光和第二发射光中的至少一些，以作为由每个相应共焦光源孔接收的源光；
第一发射光和第二发射光分别具有不同的第一峰值波长和第二峰值波长；
所述激发光包括沿着第一激发光路径提供给所述第一磷光体区域的第一激发光和沿着第二激发光路径提供给所述第二磷光体区域的第二激发光，和
所述分束表面将至少一些所述激发光分成所述第一激发光和所述第二激发光。
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