CN112747678A - 具有可调量程和可调间隔距离的色点传感器光学笔 - Google Patents

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Abstract

一种色点传感器(CPS)光学笔，提供可用于测量距一表面的距离的信号，并且包括轴向色差部分，该轴向色差部分被布置成接收来自孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向表面输出，接收来自表面的反射辐射并将其聚焦在孔附近。轴向色差部分包括接收源辐射并将其聚焦在第一聚焦区的第一轴向色散聚焦元件，接收来自第一聚焦区的辐射并将其聚焦在第二聚焦区的第二轴向色散聚焦元件，以及接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束的第三轴向色散聚焦元件。第一、第二和第三轴向色散聚焦元件之间的长度是可调的(即，导致可调量程)。

Description

具有可调量程和可调间隔距离的色点传感器光学笔
技术领域
本发明总体上涉及精密测量仪器，更具体地说，涉及一种具有可调量程和可调间隔距离的色点传感器(chromatic point sensor：CPS)光学笔。
背景技术
轴向色差技术可用于距离传感计量。如G.Molesini and S.Quercioli，J.Optics(巴黎)的1986年第17卷第6期第279-282页的“纵向色差的伪彩色效应(PseudocolorEffects of Longitudinal Chromatic Aberration)”中所述，可在光学成像系统中引入受控的纵向色差(这里也称为轴向色散)，导致成像系统焦距随波长变化，这提供了光学计量的手段。特别地，可以设计后焦距(back focal length：BFL)是波长的单调函数的透镜。在白光操作中，这种透镜呈现出轴向分散焦点的彩虹，可用作用于距离感测应用的光谱探针。
作为另一个例子，美国专利7,477,401(该文献通过引用合并于本文)公开了具有轴向色差的光学元件可以用于让宽频带光源聚焦，使得表面的轴向距离或高度决定哪个波长最佳地聚焦在该表面上。在从表面反射后，光被重新聚焦到更小的检测器孔上，例如针孔和/或光纤末端，并且只有在表面上聚焦良好的波长才在孔上聚焦良好。其他波长聚焦不好，不会将太多功率耦合到孔中。分光计测量通过孔返回的每个波长的信号水平。波长强度峰值有效地指示了表面的距离或高度。
某些制造商将适用于工业环境中的彩色共焦测距的实用且紧凑的光学组件被称为彩色共焦点传感器，即包括光学笔的色点传感器(CPS)和/或简称为“光学笔”。测量Z高度的光学笔式仪器的一个例子是由法国Aix-en-Provence的STIL,S.A(STIL S.A.)制造的光学笔式仪器。作为一个具体的例子，STIL光学笔型号OP 300NL测量Z高度，量程为300微米。
在共同转让的美国专利7,626,705(‘705专利)中描述了彩色共焦点传感器和光学笔的另一种配置，其全部内容通过引用结合于本文。’705专利公开了一种透镜结构，其提供了改进的光学吞吐量和改进的光斑尺寸，与各种商业上可获得的结构相比，这导致对测量分辨率的改善。
衡量光学笔技术价值的一个标准是它的距离分辨率；例如，多功能光学笔应该能够以高分辨率进行远距离测量。然而，在保持整个量程内的高分辨率测量能力的同时，有一些设计限制则限制了人们可以扩展光学笔的程度。
发明内容
提供该内容是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的一些概念。该内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主量程。
考虑到需要扩展光学笔的量程，同时在整个量程内保持高分辨率测量能力，发明人设计了一种技术方案，包括具有可调量程和可调间隔距离的CPS光学笔。如本文所用，量程(range)是可由光学笔测量的空间或范围；也就是说，距放置于该量程内的目标物体的距离可以通过光学笔来测量。间隔距离(stand-off distance)是指从光学笔的测量光束离开点到该量程起点的距离(即，距离光学笔最近的量程终点)。通过调节光学笔的量程，例如从量程A到量程B，光学笔的有效总量程变成量程A和量程B的组合，从而被扩展，同时量程A和量程B保持它们各自的高分辨率测量能力。通过调节光学笔的间隔距离，例如，从短间隔距离到长间隔距离，甚至相同尺寸的量程也将在距光学笔的两个不同距离处开始，从而扩展光学笔的有效整体量程，作为从距光学笔的短间隔距离处开始的相同尺寸量程和从距光学笔的长间隔距离处开始的相同尺寸量程的组合。
根据本发明的各种示例性实施例，提供了一种色点传感器(CPS)光学笔，其可操作来提供可用于测量距表面距离的信号。CPS光学笔包括：壳体；孔，输出源辐射并接收反射辐射；和轴向色差部分，其沿着所述CPS光学笔的光学轴线布置。轴向色差部分配置为接收来自所述孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向所述表面输出，接收来自所述表面的反射辐射，并且以轴向色散将所述反射辐射聚焦到所述孔附近。轴向色差部分由多个轴向色散聚焦元件形成，包括：第一轴向色散聚焦元件，其接收源辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第一聚焦区；第二轴向色散聚焦元件，其接收来自第一聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第二聚焦区；以及第三轴向色散聚焦元件，其接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束。第一和第二轴向色散聚焦元件之间的第一长度被配置为可调，第二和第三轴向色散聚焦元件之间的第二长度被配置为可调。
根据各种实施例，第一长度和第二长度在CPS光学笔的制造过程中是可调的。
根据各种实施例，CPS光学笔包括致动器，被配置为调节第一长度和第二长度，该致动器可由所述CPS光学笔的用户操作。根据各种实施例，致动器包括一个或多个线性致动器，以使所述第一、第二和第三轴向色散聚焦元件中的至少一个相对于彼此滑动，从而改变所述第一长度和所述第二长度。
根据各种实施例，CPS光学笔可配置为多种配置，其中所述多种配置由第一长度的相应值和第二长度的相应值限定。根据各种实施例，多种配置与所述CPS光学笔的间隔距离的相应值以及所述CPS光学笔的量程的相应值相关联，并且其中所述CPS光学笔的量程的值为3mm到30mm，并且所述CPS光学笔的间隔距离的值为2mm到7mm。根据各种实施例，所述多种配置与所述间隔距离处的测量光束的光斑尺寸的相应值以及所述量程加上所述间隔距离处的测量光束的光斑尺寸的相应值相关联。
根据各种实施例，CPS光学笔包括具有信号处理器的电子部分，其中第一和第二长度的调节实现足以测量工件的间隔距离和量程(例如，具有近似和/或估计的尺寸)，并且电子部分被配置为被操作以确定工件的测量。根据各种实施例，所确定的测量被包括在第一组测量中，所述第一组测量是在第一和第二长度已经被调节到作为第一配置的一部分的第一值情况下进行的，并且在电子部分被操作以进行第一组测量之后，所述第一和第二长度被配置为可被调节到作为第二配置的一部分的第二值，并且所述电子部分被配置为被操作以确定工件(例如相同后不同的工件)的测量，作为第二组测量的一部分。
根据进一步的示例性实施例，提供了一种调节色点传感器(CPS)光学笔的量程和间隔距离的方法，该光学笔可操作为提供可用于测量距一目标表面的距离的信号。该方法包括提供CPS光学笔，其包括：壳体；孔，输出源辐射并接收反射辐射；和轴向色差部分，其沿着所述CPS光学笔的光学轴线布置。该轴向色差部分配置为接收来自所述孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向所述表面输出，接收来自所述表面的反射辐射，并且以轴向色散将所述反射辐射聚焦到所述孔附近。轴向色差部分由多个轴向色散聚焦元件形成，所述多个轴向色散聚焦元件包括：第一轴向色散聚焦元件，其接收源辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第一聚焦区；第二轴向色散聚焦元件，其接收来自第一聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第二聚焦区；以及第三轴向色散聚焦元件，其接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束。该方法包括调节第一和第二轴向色散聚焦元件之间的第一长度以及第二和第三轴向色散聚焦元件之间的第二长度。
根据各种实施例，调节第一长度和第二长度的步骤是在制造CPS光学笔期间执行的。
根据各种实施例，CPS光学笔包括被配置为调节第一长度和第二长度的致动器，并且调节第一长度和第二长度的步骤由CPS光学笔的用户执行。
根据各种实施例，CPS光学笔可配置为多种配置，所述多种配置由所述第一长度的相应值和所述第二长度的相应值限定，并且调节所述第一长度和所述第二长度的步骤包括选择所述多种配置中的一种。根据各种实施例，所述多种配置与所述CPS光学笔的间隔距离的相应值和所述CPS光学笔的量程的相应值相关联，并且调节所述第一长度和所述第二长度的步骤包括选择所述间隔距离和所述量程的期望值。
根据各种实施例，该方法包括多个量程的拼合，包括：
为了测量第一量程，从多种配置中选择第一配置，第一配置与第一间隔距离和第一量程相关联，其中第一和第二长度的调节是为了实现第一配置以用于测量第一量程，以及
为了测量不同于第一量程的第二量程，从多种配置中选择第二配置，第二配置与第二间隔距离和第二量程相关联，并且调节第一和第二长度以实现第二配置以用于测量第二量程。
根据各种实施例，该方法包括：
首先确定待测量工件的尺寸(例如，其尺寸可以是近似的、估计的等)，其中第一和第二长度的调节实现足以测量工件的间隔距离和量程；和
在调节后，操作CPS光学笔，以对工件进行测量。
根据各种实施例，工件的测量包括在第一组测量中，所述第一组测量是在所述第一和第二长度已经被调节到作为第一配置的一部分的第一值的情况下进行的，并且在所述CPS光学笔被操作以进行第一组测量之后，所述方法还包括将所述第一和第二长度调节到作为第二配置的一部分的第二值，并且操作所述CPS光学笔，以对工件(例如，对与进行了第一组测量的工件相同或不同的工件)进行第二组测量。
根据各种实施例，所述第一和第二长度的调节是为了获得作为第一配置的一部分的第一值，该第一值实现第一量程，并且该方法还包括操作具有所述第一配置的所述CPS光学笔，以对工件进行第一组测量；将第一和第二长度调节到作为第二配置的一部分的第二值，以实现比第一量程小的第二量程；和操作具有所述第二配置的所述CPS光学笔，以对所述工件进行第二组测量，其中所述第二组测量对应于比所述第一组测量更高分辨率或更小光斑尺寸中的至少一个。
附图说明
图1是具有可调量程和可调间隔距离的示例性色点传感器(CPS)光学笔的框图。
图2是根据示例性实施例的包括光学笔和电子部分的CPS系统的框图，该光学笔和电子部分可以耦合到坐标测量机(CMM)形式的外部设备。
图3是多种配置的样本表，以其中任何一个可以配置CPS光学笔，其中多种配置由第一和第二轴向色散聚焦元件之间的第一长度的相应值以及第二和第三轴向色散聚焦元件之间的第二长度的相应值限定。
图4是示出根据各种示例性实施例可实现的CPS光学笔的量程和间隔距离的样本值以及CPS光学笔的量程和间隔距离之间的相关性的曲线图。
图5是示出根据示例性实施例的调节CPS光学笔的量程和间隔距离的方法的流程图。
图6是示出了具有可调量程(示出了两个量程)的CPS光学笔的量程分辨率的图表，其进一步根据一个操作示例示出了拼合多个量程以由此增加CPS光学笔的有效总量程且同时保持高分辨率测量能力的方法。
具体实施方式
图1是示例性彩色共焦点传感器或色点传感器(CPS)100的框图。CPS100与美国专利7,876,456；7,990,522；和8,194,251中描述的传感器有某些相似之处，其全部内容通过引用结合于本文。如图2所示。如图1所示，CPS100包括光学笔120和电子部分160。光学笔120包括光纤连接器109、沿着光学笔120的中心Z光学轴线(OA)延伸的壳体131以及轴向色差部分150。如图所示，光纤连接器109连接到壳体131的端部，并接收从电子部分160延伸的光纤电缆112中封装的输入/输出光纤(未详细示出)。输入/输出光纤通过光纤共焦孔195从光源164(在电子部分160中)输出源光(source light)，并且也通过光纤共焦孔195接收反射的测量光。
在操作中，包括提供轴向色差(色散)的一个或多个透镜的轴向色差部分150输入(接收)通过光纤共焦孔195从光纤端发出的宽频带(例如白色)源光。色差部分150将接收到的源光作为具有轴向色散的聚焦测量光束(或测量光)196向待测量的表面输出，接收来自该表面的反射辐射，并将反射辐射聚焦在具有轴向色差的光纤共焦孔195附近。在图1所示的实施例中。如图1所示，光学笔120的光学轴线OA由于反射器155的放置而弯折90度，如下所述，因此测量光196在图1中大致向下传播。作为轴向色散的结果，沿着光学轴线OA的测量光196的焦点(与图1中的测量轴线MA重合)根据光的波长而处于不同的距离处，这对于彩色共焦传感器系统是已知的。测量光196包括在位置Z处聚焦在工件表面190上的波长，该位置Z相对于光学笔120处于测量距离(MD)。在从工件表面190反射时，反射的测量光被轴向色差部分150重新聚焦到光纤共焦孔195上。操作的源光和反射测量光由限制光线(limitingray)LR1和LR2限制。由于轴向色差，只有一个波长将具有与从光学笔120到表面190的测量距离MD相匹配的前焦点尺寸FF。光学笔被配置成使得在表面190处最佳聚焦的波长也将是在光纤共焦孔195处最佳聚焦的反射测量光的波长。光纤共焦孔195在空间上对反射的测量光进行滤光，使得主要的最佳聚焦波长穿过光纤共焦孔195并进入光缆112的芯。光缆112将反射的测量光路由到波长检测器162，波长检测器162被配置成确定具有主导强度的波长，该波长对应于到工件表面190的测量距离(MD)。
如图所示，光学笔120具有由最小量程距离ZMIN和最大量程距离ZMAX限定的工作量程(或简称为“量程”)R，并且表面190需要位于工作量程R内才能被测量。光学笔120的工作量程R可以在几毫米到几十毫米之间变化。根据各种实施例，工作量程R可以基于轴向色差部分150的配置而可调节地设定，这将在下面更全面地描述。
如图所示，测量距离MD是从光学笔120到进行测量的点(在工件表面190处)的距离，是间隔距离SD和工作距离WD的总和。间隔距离SD被限定为从光学笔120的测量光束出射点(在所示配置中位于反射器155处)到量程起点的距离，该量程起点位于量程R的最小量程距离ZMIN处。工作距离WD被限定为从最小量程距离ZMIN到进行测量的工件表面190的距离。
而图1示出了光学笔120，其沿Z轴线的测量轴线MA在反射器155处“弯折”，从而以相对于光学笔120的轴线大致直角的方向重定向测量光束196，其中测量轴线MA以其他角度(不同于90度)弯折或不弯折的光学笔120的其他配置对于本领域技术人员来说同样是可以理解的。图示的“弯折”结构在形成适合于测量孔洞的各种特征的光学笔方面在技术上是有利的。例如，这种光学笔可以插入孔洞中，使得测量光束相对于光学笔的轴线成直角传播，以测量孔洞直径或孔洞内壁的表面状况(例如，光滑度，内部的螺纹结构)。
电子部分160包括光纤耦合器161、波长检测器162、光源(源光产生部分)164、信号处理器166和存储部分168。在各种实施例中，波长检测器162包括光谱仪或摄谱仪装置，其中色散元件(例如，光栅)通过光纤电缆112接收反射的测量光束，并将得到的光谱强度分布传输到检测器阵列163。波长检测器162还可以包括相关的信号处理(例如，在一些实施例中由信号处理器166提供)，其从光谱强度分布图中去除或补偿某些与检测器相关的误差分量。因此，在一些实施例中，波长检测器162和信号处理器166的某些方面可以合并和/或不区分。
由信号处理器166控制的白光源164通过光耦合器161(例如，2×1光耦合器)耦合到光缆112。如上所述，基于源光的测量光穿过光学笔120，光学笔120产生纵向色差，使得其焦距随光的波长而变化。最有效地通过光纤电缆112传输回来的测量光的波长是在位置Z处聚焦在表面190上的波长。反射的波长相关测量光强度然后再次穿过光纤耦合器161，以被导向到波长检测器162，波长检测器162产生光谱强度分布。检测器阵列163接收沿着检测器阵列163的测量轴线分布在像素阵列上的光谱强度分布。来自检测器阵列163的光谱强度分布将包括对应于从光学笔120到被测表面190(在Z处)的独特距离的光谱峰值分量(即，测量距离MD)。通过相对于彼此移动光学笔120和/或工件表面190，可以对工件表面190上的不同表面点采取/确定/获得不同的测量。以这种方式，通过上述操作(例如，包括具有信号处理器166的电子部分160的那些)，光学笔120能够被利用/操作，以测量工件(例如，如进行与到工件表面190的测量距离MD相对应的测量的操作所示)。
如图2所示，在测量或检查工作表面的各种几何特征的应用中(例如，孔洞的螺纹表面190’)，光学笔120可以耦合到本领域已知的任何坐标测量机(CMM)209，CMM 209能够控制光学笔120沿着X、Y和Z轴线中的每一个的精确位置。典型地，CMM具有可沿着XY平面的一个轴线移动的桥状件(bridge)，以及可沿着XY平面的另一个轴线沿着桥状件移动的托架。Z轴线运动由垂直套筒210提供，垂直套筒210通过托架上下移动。如图2所示，根据本发明的各种实施例，CMM 209的垂直套筒210的远端包括探头212，探头212被配置成接收各种可互换的光学笔120。在图2中，光纤电缆112向光学笔120提供信号并从光学笔120接收信号。光学笔120所联接的CMM 209通过数据传输线199(例如，总线)与其他部件通信，数据传输线通过连接器208(例如，“micro-D”型连接器)连接到光学笔120的光纤电缆112。光学笔120所联接的CMM 209由CMM控制器202控制，而光学笔120与CPS笔信号处理和控制电路207(其例如，在一个实施例中，由图1的电子部分160中的信号处理器166和存储器部分168提供)交换数据并受其控制。在所示的例子中，CMM控制器202包括被配置为控制探头212的操作的探头控制器203、产生探头212的XYZ位置的位置闩锁(position latch)204、以及被配置为在X、Y和Z方向上控制探头212的精确位置和运动并因此控制光学笔120的精确位置和运动的运动控制器205，如现有技术中已知。
发明人已经发现，通过将轴向色差部分150配置成具有至少三个轴向色散聚焦元件，其分别隔开第一长度(在第一和第二轴向色散聚焦元件之间)和第二长度(在第二和第三轴向色散聚焦元件之间)，并且通过调节第一长度和第二长度，可以调节光学笔的量程以及间隔距离。利用与高分辨率测量能力相关联的每个可调量程，可以为每个测量应用选择具有高分辨率测量能力的合适量程，和/或与也具有高分辨率测量能力的另一个量程结合使用，从而扩展一个或多个光学笔的有效总量程。
在图1所示的实施例中。如图1所示，轴向色差部分150包括第一轴向色散聚焦元件150A、第二轴向色散聚焦元件150B和第三(或最末)轴向色散聚焦元件150C。在图示的例子中，第三轴向色散聚焦元件150C是最末轴向色散聚焦元件，因为它从光学笔120向待测量表面190输出测量光束196。
在各种实施例中，每个轴向色散聚焦元件可以包括一个或几个轴向色散光学部件，包括非球面透镜、球面透镜、折射透镜、衍射光学元件或一些复杂的复合透镜。在各种实施例中，第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C可以类似地配置，并且可以包括在一些或所有轴向色散聚焦元件中相同的至少一个光学部件。在一些实施例中，一些或所有轴向色散聚焦元件彼此相同地配置。在一些实施例中，在使用多个光学部件(一组透镜)来形成轴向色散聚焦元件的情况下，多个光学部件中的每一个都彼此相同。在图1所示的例子中。如图1所示，第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C中的每一个包括至少一个相同的单透镜。此外，第二和第三轴向色散聚焦元件150B和150C中的每一个由彼此相同的两个单透镜形成。第一轴向色散聚焦元件150A包括单透镜(即，其与第二和第三轴向色散聚焦元件150B和150C中的所有单透镜相同)，并且还包括双透镜。
在操作中，第一轴向色散聚焦元件150A接收来自孔195的源辐射(sourceradiation)，并将该辐射聚焦在轴向色差部分150内部的第一聚焦区FR 1。第二轴向色散聚焦元件150B接收来自第一聚焦区FR 1的辐射，并将该辐射聚焦到在轴向色差部分150内部的第二聚焦区FR 2。第三轴向色散聚焦元件150C接收来自第二聚焦区FR 2的辐射，并从光学笔120向待测量表面190输出测量光束196。
光学笔120的可操作波长由第一轴向色散聚焦元件150A聚焦在第一聚焦区FR 1中，并由第二轴向色散聚焦元件150B再次聚焦在第二聚焦区FR2中，由第三轴向色散聚焦元件150C再次聚焦在包括工件表面190的聚焦区中。工作量程R(或者更具体地，工作量程R的最大和最小量程距离ZMAX和ZMIN)根据各种光学系统约束和因素来确定。例如，波长检测器本身的配置(见图1的162)是确定工作量程的一个因素。对于要测量的不同预期和期望的波长，期望的是波长分布在检测器162的阵列上，从而可以实现高水平的分辨率。确定工作量程的另一个主要因素是物理距离，在该距离上，轴向色差部分150能够使用色差以特定的精度使特定的一组波长聚焦。可以通过调节第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C之间的长度来改变这种距离。
通过调节第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C之间的长度，可以改变光学笔120的工作量程R和间隔距离SD。具体地，第一和第二轴向色散聚焦元件150A和150B之间的第一距离L1被配置为可调节，并且第二和第三轴向色散聚焦元件150B和150C之间的第二距离L2被配置为可调节。
图3是多种配置(示出了五种配置)的样本表，其中可以配置CPS光学笔120的任何一种，其中配置由第一和第二轴向色散聚焦元件150A和150B之间的第一长度L1的相应值以及第二和第三轴向色散聚焦元件150B和150C之间的第二长度L2的相应值来限定。如图所示，不同的配置(即，不同组的第一长度L1和第二长度L2)导致光学笔120具有不同的间隔距离SD和工作量程R。在图示的例子中，间隔距离SD可以在2mm到4mm之间变化，工作量程R可以在4mm到10mm之间变化。图3进一步示出了不同的配置1-5与测量光束196在间隔距离SD处的光斑尺寸的相应值以及测量光束196在工作量程R加上间隔距离SD处的光斑尺寸的相应值相联系。例如，配置1具有11.311mm的第一长度L1和13.456mm的第二长度L2，以及2mm的间隔距离SD和4mm的工作量程R，在间隔距离SD处产生14μm的光斑尺寸，并且在工作量程R加上间隔距离SD处产生31μm的光斑尺寸。如上所述，改进的(较小的)光斑尺寸通常有助于提高(较高的)测量分辨率。因此，多种配置中的任何一个不仅可以根据期望的间隔距离和期望的工作量程来选择，还可以根据间隔距离处的期望光斑尺寸和工作量程加上间隔距离处的期望光斑尺寸来选择。
图4是示出根据各种示例性实施例可实现的CPS光学笔120的工作量程和间隔距离的样本值的曲线图。图4示出了CPS光学笔120的工作量程和间隔距离之间的相关性。具体来说，对于给定的工作量程，有一个可能的间隔距离的量程。类似地，对于给定的间隔距离，存在一系列可能的工作量程。在图4所示，点的尺寸代表光学笔120的性能(通常对应于测量光束的光斑尺寸)，其中点尺寸越小，则性能越好。取决于期望的性能目标(对应于图4中的最大允许点尺寸)可以识别可能的间隔距离的量程和可能的工作量程。在图示的例子中，CPS光学笔120的可能工作量程在3mm到30mm之间，并且CPS光学笔的可能间隔距离在2mm到7mm之间。
在各种实施例中，第一长度L1和第二长度L2在CPS光学笔120的制造过程中被可调节地设定(例如，利用一个或多个调节元件，例如间隔元件SP或致动器170等)，以获得期望的工作量程R、期望的间隔距离SD、间隔距离SD处的期望光斑尺寸和/或间隔距离SD记上工作量程R处的期望光斑尺寸。例如，某些间隔元件SP可以包括不同尺寸的间隔件，这些间隔件可以沿着轴向色差部分150的轴线定位，以设定期望的第一长度L1和期望的第二长度L2。五种不同的CPS光学笔120可以分别以配置1-5制造，如图3的表格所示。然后，用户可以选择具有期望量程、间隔距离和光斑尺寸特征的CPS光学笔120中的一个。
在各种实施例中，回头参考图1，CPS光学笔120可以包括一个或多个调节元件(例如，致动器170和/或间隔元件SP等)，其被配置为调节光学笔120的第一长度L1和第二长度L2，该光学笔120可以由该CPS光学笔的用户操作/利用，以在每次使用之前调节该光学笔120的量程、间隔距离和光斑尺寸特征。在一些实施例中，致动器170包括一个或多个线性致动器，其被构造和配置为使第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C中的至少一个相对于彼此滑动，以改变第一长度L1和第二长度L2。合适的线性致动器包括但不限于电致动器、压电致动器、机电致动器、电磁致动器、磁致动器、液压致动器和气动致动器，以及诸如螺旋接头和凸轮机构的机械致动器。在各种实施例中，间隔元件SP可以包括致动器170的可调节部分和/或可以包括单独的间隔件(例如，固定的或可调的)，所述间隔件用于设置L1和L2的长度。在各种实施例中，间隔元件SP1可以位于轴向色散聚焦元件150A和150B之间(即，设置为/对应于长度L1)并且间隔元件SP2可以位于/定位于轴向色散聚焦元件150B和150C之间(即，设定为/对应于长度L2)。在各种实施例中，这种调节元件被配置成不阻挡或以其他方式抑制/干扰来自轴向色散聚焦元件150A、150B和150C的聚焦辐射沿着其预期路径行进(例如，用于输出测量光束等)。例如，这种调节元件可以包括位于辐射的可操作路径之外的部分(例如，靠近壳体131和/或基本接触和/或靠近轴向分散聚焦元件150A、150B和150C等的外边缘)和/或可以包括允许辐射穿过的光学透明或其他透射部分等。在各种实施例中，某些类型的调节元件(例如，致动器、可调间隔件等)可具有某些优点(例如，具有外部可接触的部分，例如调节螺钉部分等，用于执行调节和/或需要CPS光学笔的有限拆卸或不需要拆卸，和/或外部操作或移除轴向色散聚焦元件150A、150B和150C，以便执行调节等)。
而图1示出了包括第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C的轴向色差部分150，在一些实施例中，轴向色差部分150可以包括附加的轴向色散聚焦元件。例如，第二轴向色散聚焦元件150B可以由至少两个中间轴向色散聚焦元件(未示出)形成，包括第一中间轴向色散聚焦元件和最末中间轴向色散聚焦元件。第一中间轴向色散聚焦元件接收来自第一聚焦区FR 1的辐射并将该辐射聚焦在第一中间聚焦区，最末中间轴向色散聚焦元件接收来自最末中间聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在第二聚焦区FR 2。
图5是示出根据示例性实施例的调节CPS光学笔120的量程和间隔距离的方法的流程图，其中光学笔120可操作为提供可用于测量到目标表面190的距离的信号。在步骤501中，该方法提供了以上述方式配置的CPS光学笔120。具体地，CPS光学笔120包括壳体131；输出源辐射并接收反射辐射的孔195；和沿着CPS光学笔120的光学轴线布置的轴向色差部分150。轴向色差部分150被配置成接收来自孔195的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向表面190输出，接收来自表面190的反射辐射，并以轴向色散将反射辐射聚焦在孔195附近。轴向色差部分150由多个轴向色散聚焦元件形成，包括：第一轴向色散聚焦元件150A，其接收源辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分150内部的第一聚焦区FR 1；第二轴向色散聚焦元件150B，其接收来自第一聚焦区FR 1的辐射，并将该辐射聚焦在轴向色差部分150内部的第二聚焦区FR 2；以及第三轴向色散聚焦元件150C，其接收来自第二聚焦区FR2的辐射，并输出测量光束196。
在步骤502，该方法确定要调节的值。在各种实施例中，这些值可以对应于用于对工件等进行测量的CPS光学笔的量程、间隔距离和/或分辨率。在各种实施例中，值的确定可以包括确定待测工件的尺寸(例如，实际的、近似的、估计的等)(例如，这可以对应于距离、间隔距离等)和/或确定所需的分辨率。
在步骤503，该方法调节第一和第二轴向色散聚焦元件150A和150B之间的第一长度L1以及第二和第三轴向色散聚焦元件150B和150C之间的第二长度L2。在各种实施例中，可以进行调节以实现能够测量工件尺寸的量程和间隔距离和/或实现用于期望的分辨率(即，对应于测量的光斑尺寸(一个或多个))。在各种实施例中，可以通过利用一个或多个调节元件(例如间隔件、致动器等)来执行调节，所述一个或多个调节元件用于调节对应于如上所述的第一和第二长度L1和L2的间距。例如，在制造过程中，相同组的光学元件/透镜150A、150B和150C可以与一个或多个调节元件一起用于执行调节(例如，可以获得不同尺寸和/或可调节的间隔件，并从中选择，用于插入光学元件/透镜之间，以形成用于特定应用的特定配置，和/或可以使用线性致动器来调节间隔等)。作为另一个例子，用户可以进行调节(例如，利用线性致动器和/或间隔器来调节第一和第二长度等)。在步骤504中，该方法包括操作CPS光学笔以对工件进行测量。
在决策步骤505中，确定是否要执行额外的调节。如果不需要进行额外的调节，则该方法结束。如果要进行额外的调节，该方法返回步骤502。例如，在完成对工件进行第一组测量的过程之后，对于下一个应用，对工件进行第二组测量(例如，相同或不同的工件)，并且对于这些工件，要测量的尺寸和/或期望的分辨率可能不同，因此需要不同配置的CPS光学笔。
作为涉及工件测量的示例，在一个特定的示例应用中，可以测量各种管道半径(例如，为此，可以将CPS光学笔可插入管道的中间和/或可以相对于彼此旋转/移动该管道或该CPS光学笔，使得测量光束指向管道的内表面/沿着管道的内表面扫描)。对于这种应用，要测量的管道的半径可以在尺寸上变化，并且应该理解，在一些情况下，这种变化可以大于先前已知的CPS光学笔的典型工作量程。为了执行这样的测量，根据这里公开的原理，可以调节CPS光学笔120的长度L1和L2(即，用于调节量程、间隔距离、分辨率等)，以便能够执行期望的测量。这种测量的一些具体的示例值将在下面参考来自图3的示例值进行更详细的讨论。
关于一些特定的示例值，对于测量从2mm到6mm变化的管道半径的应用，长度L1和L2可以被调节以对应于图3的配置1。作为另一个例子，如果对于下一个应用，要测量的管道的半径可能从2mm变化到10mm，则长度L1和L2可以被调节以对应于图3的配置2。类似地，如果对于下一个应用，待测量的管道半径可能从3mm变化到11mm，则长度L1和L2可以被调节以对应于图3的配置3。根据这些示例，应理解，长度L1和L2可以被配置成作为用于进行第一组测量的第一配置的一部分的第一值，然后可以被调节到作为用于进行第二组测量的第二配置的一部分的第二值，然后可以被调节到作为用于进行第三组测量的第三配置的一部分的第三值，等等。
进一步考虑到用于测量可能从3mm到11mm变化的管道半径的应用，可以理解的是，图3的其他配置可以未被选择/不能用于此类应用。例如，配置1对于这样的应用没有足够的量程(即，只有2mm到6mm的量程)，而配置4和5将具有的间隔距离(即，4mm)对于在该量程的较低端或其附近进行测量来说太长了(例如，等于或接近3mm、3.5mm等)。因此，如果CPS光学笔最初或之前被调节为对应于配置1、4或5，则为了执行3mm至11mm量程的测量，CPS光学笔可以被调节/重新调节(例如，以对应于配置3)。作为另一种选择(即，如下面将参考图6更详细地描述)，对于某些应用，某些量程的全部或部分可以通过对整个量程的不同部分使用不同的配置而拼合在一起。
如上所述，可以至少部分地基于待测工件的物理特性(例如，物理尺寸/测量距离等)选择期望配置和/或对长度L1和L2的对应调节。如上面进一步指出的，还可以基于测量的期望分辨率进行选择(例如，较小的光斑尺寸对应于较高的测量分辨率)。举例来说，在要测量的管道半径的量程可能从3mm到10mm的应用中，图3的配置2或配置3可以被调节/选择并用于执行这种测量。然而，要注意的是，用于2mm到10mm量程的配置2的光斑尺寸在22μm到98μm之间变化，而用于3mm到11mm量程的配置3的光斑尺寸在21μm到62μm之间变化。因此，在3mm处，明显的是配置3将具有更好的测量分辨率(即，因为对于2mm处的配置2，光斑尺寸已经是22μm，并且通常在3mm处进一步增加，而3mm处的配置3具有21μm的光斑尺寸)。类似地，在10mm处，明显的是配置3将具有更好的测量分辨率(即，因为对于10mm处的配置2，光斑尺寸为98μm，而在11mm处的配置3，光斑尺寸为62mm，并且通常在10mm处减小)。因此，对于从3mm到10mm的特定量程，在整个量程中，配置3可以提供更高的测量分辨率(即较小的光斑尺寸)，因此对于特定的应用来说可能是希望的。在其他应用中，可以只为给定量程的一部分提供相对于其他潜在配置更高的测量分辨率，但对此该特定部分可以被认为具有更高的优先级/重要性，并且对此可以选择具有更高测量分辨率的配置。如下面将参照图6更详细描述的，对于特定的应用，通过对整个量程的不同部分使用不同的配置，可以拼合某些量程的全部或部分(即，具有一定的测量分辨率(一个或多个))(例如，这可以导致整个量程的每个部分的更高测量分辨率)。
作为涉及工件测量的另一个例子，对于某些应用，可以选择提供相对大量程(例如，用于确定工件的一般形状，并且对于该形状，测量可能具有低分辨率/大光斑尺寸)。在使用具有大量程的配置进行/确定测量之后，可以选择/调节具有相对较小量程的配置(例如，如用于以更高分辨率测量度更精确地测量工件尺寸等)。作为一些具体的数值例子，在一个应用中，待测量的工件可以包括椭圆形孔，该孔在一个方向上具有5mm的第一径向尺寸，在另一个方向上具有3mm的第二径向尺寸。用于确定变化工件的一般形状/近似尺寸的第一配置(例如，例如孔)可以具有间隔距离(例如，2mm)和相对较大的量程(例如，7mm)，用于一般性地测量工件。在具有相对较大量程的第一配置(例如，7mm)用于确定工件/孔的大致形状/近似尺寸之后，可以选择/调节具有较小量程和/或较高分辨率的第二配置，以用于再次测量工件/孔(例如，具有用于测量的更好分辨率/更小光斑尺寸等)。在一个具体的示例实施方式中，第二配置可以具有间隔距离(例如，2mm)和可选择/调节到的相对较小的量程(例如，2mm，在整个量程内具有相对较高的分辨率/较小的光斑尺寸)，对此，可以使用于测量的CPS光学笔120的相对运动遵循孔的大致形状，以保持距工件/孔表面相对较小的间隔，从而保持在该量程内(例如，2mm)，还防止CPS光学笔120与工件/孔表面碰撞和/或移动得比第二配置的间隔距离更近，等等。
应当理解，这里公开的CPS光学笔120被配置成能够如上所述进行调节。这与某些先前已知的CPS光学笔形成对比，这些光学笔没有被配置成能够进行这种调节。例如，美国专利8,212,997示出了先前已知的CPS光学笔的一些示例性实施方式，并且在此通过引用将其全部并入。虽然‘997专利公开了如何实现扩展量程，但是在这样的配置中，所示的量程和间隔距离是相对固定的，并且没有被配置成以本文公开的方式可调节。与这种现有实施方式相反，CPS光学笔120(即，包括如本文所公开这样布置的第一、第二和第三轴向色散聚焦元件150A、150B和150C)被配置成能够进行这样的调节。
根据各种实施例，调节第一长度L1和第二长度L2的步骤502是在制造CPS光学笔120期间执行的。
根据各种实施例，CPS光学笔120包括被配置为调节第一长度L1和第二长度L2的致动器170，并且调节第一长度L1和第二长度L2的步骤502由CPS光学笔120的用户通过操作致动器170来执行。
根据各种实施例，CPS光学笔120可配置为多种配置，这些配置由第一长度L1的相应值和第二长度L2的相应值限定，并且调节第一长度L1和第二长度L2的步骤502包括选择多种配置之一。根据各种实施例，多种配置与CPS光学笔120的间隔距离SD的相应值和CPS光学笔120的量程R的相应值相关联，并且调节第一长度L1和第二长度L2的步骤502包括选择间隔距离SD和量程R的期望值。
参考图3和4，CPS光学笔120的不同配置提供了工作量程、间隔距离和光斑尺寸(性能)的不同组合。因此，根据各种实施例，用户可以通过组合使用一个或多个CPS光学笔的不同配置来将多个工作量程“拼合”在一起，从而增加CPS光学笔(一个或多个)的有效总量程，同时保持高分辨率测量能力。图6是示出了具有可调量程(示出了两个量程，分别由线601和602表示)的CPS光学笔120的量程分辨率的曲线图。假设用户希望对表面190进行测量，该表面位于从2mm到10mm的测量距离MD。在这种情况下，用户可以从光学笔120的多种配置中选择第一配置，由线601表示，该第一配置提供从2mm到4mm的第一量程，具有从13μm到31μm的期望的小光斑尺寸。然后，用户可以从多种配置中选择第二配置，由线602表示，该第二配置提供从4mm到10mm的第二量程，具有从18μm到50μm的期望的小光斑尺寸。通过选择第一配置以覆盖从2mm到4mm的测量距离MD，并选择第二配置以覆盖从4mm到10mm的测量距离MD，用户可以在从2mm到10mm的整个测量距离MD上进行测量，同时保持高分辨率(小光斑尺寸)测量能力。
上面已经描述了本发明的系统和方法的各种实施例。不同实施例的各种特征可以选择性地组合或替换，以产生本发明的更多实施例。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部量程。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种色点传感器(CPS)光学笔，可操作为提供可用于测量距一表面的距离的信号，该光学笔包括：
壳体；
孔，输出源辐射并接收反射辐射；和
轴向色差部分，其沿着所述CPS光学笔的光学轴线布置，以接收来自所述孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向所述表面输出，接收来自所述表面的反射辐射，并且以轴向色散将所述反射辐射聚焦到所述孔附近，其中：
轴向色差部分由多个轴向色散聚焦元件形成，所述多个轴向色散聚焦元包括：第一轴向色散聚焦元件，其接收源辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第一聚焦区；第二轴向色散聚焦元件，其接收来自第一聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第二聚焦区；以及第三轴向色散聚焦元件，其接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束；其中
第一和第二轴向色散聚焦元件之间的第一长度被配置为可调，第二和第三轴向色散聚焦元件之间的第二长度被配置为可调。
2.根据权利要求1所述的CPS光学笔，包括：
致动器，被配置为调节第一长度和第二长度，该致动器可由所述CPS光学笔的用户操作。
3.根据权利要求2所述的CPS光学笔，其中，所述致动器包括一个或多个线性致动器，以使所述第一、第二和第三轴向色散聚焦元件中的至少一个相对于彼此滑动，以改变所述第一长度和所述第二长度。
4.根据权利要求1所述的CPS光学笔，其可配置为多种配置，其中所述多种配置由第一长度的相应值和第二长度的相应值限定。
5.根据权利要求4所述的CPS光学笔，其中所述多种配置与所述CPS光学笔的间隔距离的相应值以及所述CPS光学笔的量程的相应值相关联，并且其中所述CPS光学笔的量程的值为3mm到30mm，并且所述CPS光学笔的间隔距离的值为2mm到7mm。
6.根据权利要求4所述的CPS光学笔，其中所述多种配置与所述CPS光学笔的间隔距离的相应值以及所述CPS光学笔的量程的相应值相关联，并且其中所述多种配置与所述间隔距离处的测量光束的光斑尺寸的相应值以及所述量程加上所述间隔距离处的测量光束的光斑尺寸的相应值相关联。
7.根据权利要求1所述的CPS光学笔，其中所述第二轴向色散聚焦元件由至少两个中间轴向色散聚焦元件形成，所述至少两个中间轴向色散聚焦元件包括第一中间轴向色散聚焦元件和最末中间轴向色散聚焦元件，所述第一中间轴向色散聚焦元件接收来自所述第一聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在第一中间聚焦区，并且所述最末中间轴向色散聚焦元件接收来自最末中间聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在第二聚焦区。
8.根据权利要求1所述的CPS光学笔，其中所述多个轴向色散聚焦元件中的每一个包括在所述多个轴向色散聚焦元件中相同的至少一个光学部件。
9.根据权利要求8所述的CPS光学笔，其中所述多个轴向色散聚焦元件彼此相同。
10.根据权利要求1所述的CPS光学笔，其中所述多个轴向色散聚焦元件中的每一个包括一个或多个非球面透镜。
11.根据权利要求1所述的CPS光学笔，还包括具有信号处理器的电子部分，其中第一和第二长度的调节实现足以测量特定尺寸的工件的间隔距离和量程，并且电子部分被配置为被操作以确定工件的测量。
12.根据权利要求11所述的CPS光学笔，其中，所确定的测量被包括在第一组测量中，所述第一组测量是在第一和第二长度已经被调节到作为第一配置的一部分的第一值情况下进行的，并且在电子部分被操作以进行第一组测量之后，所述第一和第二长度被配置为可被调节到作为第二配置的一部分的第二值，并且所述电子部分被配置为被操作以确定工件的测量，作为第二组测量的一部分。
13.一种调节色点传感器(CPS)光学笔的量程和间隔距离的方法，该光学笔可操作为提供可用于测量距一目标表面的距离的信号，该方法包括：
提供CPS光学笔，其包括：
壳体；
孔，输出源辐射并接收反射辐射；和
轴向色差部分，其沿着所述CPS光学笔的光学轴线布置，以接收来自所述孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向所述表面输出，接收来自所述表面的反射辐射，并且以轴向色散将所述反射辐射聚焦到所述孔附近，其中：
轴向色差部分由多个轴向色散聚焦元件形成，所述多个轴向色散聚焦元件包括：第一轴向色散聚焦元件，其接收源辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第一聚焦区；第二轴向色散聚焦元件，其接收来自第一聚焦区的辐射并将该辐射聚焦在轴向色差部分内部的第二聚焦区；以及第三轴向色散聚焦元件，其接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束；和
调节第一和第二轴向色散聚焦元件之间的第一长度以及第二和第三轴向色散聚焦元件之间的第二长度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述CPS光学笔包括被配置为调节所述第一长度和所述第二长度的致动器，并且调节所述第一长度和所述第二长度的步骤由所述CPS光学笔的用户执行。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述CPS光学笔可配置为多种配置，所述多种配置由所述第一长度的相应值和所述第二长度的相应值限定，并且调节所述第一长度和所述第二长度的步骤包括选择所述多种配置中的一种。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多种配置与所述CPS光学笔的间隔距离的相应值和所述CPS光学笔的量程的相应值相关联，并且调节所述第一长度和所述第二长度的步骤包括选择所述间隔距离和所述量程的期望值。
17.根据权利要求16所述的方法，包括拼合多个量程，包括：
为了测量第一量程，从多种配置中选择第一配置，第一配置与第一间隔距离和第一量程相关联，其中第一和第二长度的调节是为了实现第一配置以用于测量第一量程，以及
为了测量不同于第一量程的第二量程，从多种配置中选择第二配置，第二配置与第二间隔距离和第二量程相关联，并且调节第一和第二长度以实现第二配置以用于测量第二量程。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
首先确定待测量工件的尺寸，其中第一和第二长度的调节实现足以测量工件的间隔距离和量程；和
在调节后，操作CPS光学笔，以对工件进行测量。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述工件的测量包括在第一组测量中，所述第一组测量是在所述第一和第二长度已经被调节到作为第一配置的一部分的第一值的情况下进行的，并且在所述CPS光学笔被操作以进行第一组测量之后，所述方法还包括将所述第一和第二长度调节到作为第二配置的一部分的第二值，并且操作所述CPS光学笔，以对工件进行第二组测量。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二长度的调节是为了获得作为第一配置的一部分的第一值，该第一值实现第一量程，所述方法还包括：
操作具有所述第一配置的所述CPS光学笔，以对工件进行第一组测量；
将第一和第二长度调节到作为第二配置的一部分的第二值，以实现比第一量程小的第二量程；和
操作具有所述第二配置的所述CPS光学笔，以对所述工件进行第二组测量，其中所述第二组测量对应于比所述第一组测量更高分辨率或更小光斑尺寸中的至少一个。
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