CN113566699B - 具有校准对象的旋转色度范围传感器系统和方法 - Google Patents

具有校准对象的旋转色度范围传感器系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于坐标测量机(CMM)的色度范围传感器(CRS)光学探针的校准配置包含校准对象。所述校准对象包含至少第一标称圆柱形校准表面，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述CRS光学探针的旋转轴线对准。所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处。第一组角度参考特征形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中。所述角度参考特征被配置成由径向距离感测光束感测，并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知的角度或已知的角度间隔彼此定位。

Description

具有校准对象的旋转色度范围传感器系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及精密测量仪器，并且更具体地涉及诸如可以与坐标测量机(CMM)一起使用以确定工件的测量值的色度范围传感器光学探针。
背景技术
在一种类型的坐标测量机中，用探针扫描工件的表面。在扫描之后，提供工件的三维轮廓。在一种类型的扫描探针中，通过使探针的机械触点与沿工件表面的各个点接触来直接测量工件。在一些情况下，机械触点是球。
在其它坐标测量机中，利用光学探针，该光学探针在不与表面物理接触的情况下测量工件。某些光学探针(例如，三角测量探针)利用光来测量工件表面点，并且一些光学探针包括用于对工件表面的2-D部分进行成像的摄像机(例如，立体视觉系统或结构化光系统)。在一些系统中，经由图像处理软件确定工件的几何元件的坐标。
使用光学和机械测量传感器两者的某些“组合”坐标测量机也是已知的。在美国专利号4,908,951中描述了一种这样的装置，该专利的全部内容特此通过引用并入本文。所描述的设备具有两个主轴，一个主轴承载机械探针，一个主轴保持具有光束路径的摄像机，激光学探针同时反射到所述光束路径中以在Z坐标中(即，沿着摄像机的光学轴线)进行测量。
美国专利号5,825,666描述了一种光学坐标测量机，其中，该装置的光学接触探针在其远端上、在标准探针的接触元件上具有第一目标，该专利的全部内容特此通过引用并入本文。标准探针安装在摄像机上以对摄像机上的目标成像。该目标在X和Y坐标中的移动和位置由机器的计算机图像处理系统指示。第二目标安装在探针的近端并指示Z坐标中的移动和位置。第二目标可以遮蔽光电检测器，但是可以通过平行于X、Y平面的光束聚焦在摄像机上。平行于X、Y平面的正交光束可以照射第二目标。然后，当使用星形探针时，计算机可以计算围绕Z轴的旋转。还公开了用于保持多个探针的自动更换架、探针保持器和用于选择性地安装在摄像机上的透镜。
光学探针和/或坐标测量机还可以包含旋转元件，以例如使光学探针的光学笔相对于轴线旋转。另外，光学元件可以包含放置在源光束路径中的反射元件，该反射元件沿与源光束不同的方向引导测量光束。
相关问题涉及由坐标测量机使用旋转光学笔进行的测量的误差，诸如半径、方位角、Z距离误差，其可以具有非线性分量。常规上，可以使用干涉仪来执行校准以解决此类误差。然而，特别是对于旋转探针，使用干涉仪进行的校准难以准确地执行。另外，这种校准可能难以在诸如制造设施之类的测量地点执行。
需要一种用于校准耦合到坐标测量机的色度范围传感器光学探针的配置和方法，该坐标测量机提供关于此类问题的改进。
发明内容
本发明内容的提供是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于辅助确定所要求保护的主题的范围。
提供了一种用于提供校准数据以校正旋转色度范围传感器配置的错位误差的方法。所述旋转色度范围传感器配置被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束并且使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转。提供了一种校准对象，所述校准对象具有至少第一标称圆柱形校准表面，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准。所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处，并且包含形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征。所述角度参考特征被配置成由径向距离感测光束感测，并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知的角度或已知的角度间隔彼此定位。以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系布置所述校准对象。所述旋转轴线的方向和所述中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在5度内平行。
操作所述旋转色度范围传感器配置以提供第一组径向距离数据，所述第一组径向距离数据是在所述径向距离感测光束在相对于所述校准对象沿所述Z方向的第一Z坐标处围绕所述旋转轴旋转时获取的，所述径向距离数据以所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所感测的旋转角度作为参考。处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组径向距离数据以确定所述校准数据。所述校准数据被配置成可用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。
在一些实施方式中，提供了一种系统，所述系统包含坐标测量机(CMM)、色度范围传感器(CRS)光学探针和校准对象。所述CMM包含光发生电路、波长检测电路和CMM控制电路。所述CRS光学探针被配置成耦合到所述CMM并且包含光学笔，所述光学笔具有包含至少共焦孔径和色散光学器件部分的共焦光学路径。所述光学笔被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束，使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转，并且沿靠近待测量工件表面的测量轴线将不同波长聚焦在不同距离处。所述校准对象用于提供校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差。
附图说明
当结合附图参考以下详细描述时，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，同时变得更好理解，其中：
图1是包含光学笔的示范性色度传感器(CRS)系统的框图；
图2是坐标测量系统的框图，该坐标测量系统包含坐标测量机、包含光学笔的CRS光学探针、控制器和用户界面；
图3A和3B是示出图2的CRS光学探针的第一示范性实施例的内部组件的图式；
图4A和4B是示出包含图3A和3B的可重复快速交换支座和可互换光学元件的光学笔的组件的图式；
图5是示出图2的探针控制器的组件的框图；
图6是示出光学笔的示范性实施例的组件的图式，该光学笔包含用于使可互换光学元件旋转的旋转部分和用于测量并报告位置信息的编码器；
图7A至7C是示出图6的光学笔的示范性校准组件的截面图；
图8A至8C是示出当使用旋转光学笔进行测量时可能导致出现测量误差的实例性错位以及可以被考虑以补偿此类误差的参数的概念图；
图9A至9D示出了采用环规形式的校准对象的实例性实施例；
图10示出了采用阶梯式环规形式的校准对象的实例性实施例；
图11A至11C是示出了采用阶梯式环规形式的校准对象的另一个实例性实施例的截面图和概念图；
图12A至12C示出了采用一个或多个精密玻璃管形式的校准对象的实例性实施例；
图13A至13E示出了采用多个嵌套精密金属管形式的校准对象的实例性实施例；
图14是与光学笔相关联的一组实例性测量的径向数据的图形表示；
图15是基于图14的该组示例性测量的径向距离数据确定的校正斜率和偏移的图形表示；
图16是示出在光学笔的旋转轴线相对于校准对象的中心轴线的多个量规距离和多个偏移处获得径向距离数据的实施例的概念图；以及
图17是示出用于校准CMM的旋转色度范围传感器配置的例程的一个示范性实施例的流程图。
具体实施方式
图1是基于期望与坐标测量机结合使用的操作原理的第一类型的示范性色度传感器(CRS)系统100的框图。CRS系统100与在美国专利号7,876,456号和7,990,522(分别为′456和′522专利)中所描述的系统具有某些相似性，这些专利特此通过引用全部并入本文。如图1所示，CRS系统100包含光学元件120和电子器件部分160。应当理解，图1所示的CRS系统100是色点传感器系统，该色点传感器系统在一些情况下可以一次测量单个测量点。图1所示的光学元件120是光学笔。然而，在各种实施例中，可以利用替代类型的色度范围系统，诸如色度线传感器。
光学笔120包含光纤连接器109、外壳131(例如，组装管)和光学器件部分150。光纤连接器109附接到外壳131的端部。在各种实施方式中，光纤连接器109可以相对于外壳131以一定角度取向。光纤连接器109通过包围它的光缆112接收输入/输出光纤(未详细示出)。输入/输出光纤通过光纤孔径195输出源光，并通过光纤孔径195接收反射的测量信号光。
在操作中，从光纤端通过光纤孔径195发射的宽带(例如，白色)源光由光学器件部分150聚焦，该光学器件部分包含提供轴向色散的一个或多个透镜，使得沿光学轴线OA的焦点位于取决于光的波长的不同距离处，如对于色度共焦传感器系统所已知的。源光形成测量光束196，该测量光束包含在相对于光学笔120的位置Z处聚焦在工件表面190上的波长。在从工件表面190反射时，反射光被光学器件部分150重新聚焦到光纤孔径195上。有效源光和反射光由限制光线LR1和LR2界定。由于轴向色散，只有一个波长将具有与从光学笔120到表面190的测量距离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孔径195处最佳聚焦的反射光的波长。光纤孔径195在空间上过滤反射光，使得主要是最佳聚焦波长通过光纤孔径195并进入光缆112的芯体。如下面和所结合的参考文献中更详细描述的，光缆112将反射的信号光引导到波长检测器162，该波长检测器用于确定具有主要强度的波长，该波长对应于到工件表面190的测量距离。
图1还以虚线轮廓示意性地示出了任选的反射元件155。如在美国专利公开号20120050723中更详细地描述的，反射元件可以放置在源光束SB的路径中，该美国专利公开特此通过引用全部并入本文。在这种实施方式中，测量轴线MA不与光学轴线OA同轴，而是反射元件可以一些测量应用中根据需要在不同方向(例如，与光学轴线正交)上沿测量轴线MA′引导测量光束196′。这种正交取向在本文其它附图所示的实施例中使用，这将在下面更详细地描述。
电子器件部分160包含光纤耦合器161、波长检测器162、光源164、信号处理器166和存储器部分168。在各种实施例中，波长检测器162包含分光计或光谱仪装置，其中，色散光学器件部分(例如，光栅)通过光缆112接收反射光，并将所得光谱强度轮廓传输到检测器阵列163。波长检测器162还可以包含相关信号处理(例如，在一些实施例中由信号处理器166提供)，该相关信号处理从轮廓数据中去除或补偿某些检测器相关误差分量。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/或不可区分。
由信号处理器166控制的白光源164通过光学耦合器161(例如，2x1光学耦合器)耦合到光缆112。如上所述，光穿过光学笔120，从而产生纵向色差使得其焦距随光的波长而变化。最有效地通过光纤透射回来的光的波长是聚焦在表面190上的位置Z处的波长。反射波长相关的光强度然后再次通过光纤耦合器161，使得大约50％的光被引导到波长检测器162，该波长检测器可以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轮廓，并且可操作以提供对应的轮廓数据，如在并入的参考文献中更详细描述的。简而言之，信号处理器166计算指示轮廓数据坐标(例如，峰值位置坐标)的子像素分辨率距离，并且指示与波长峰值相对应的坐标的距离经由存储在存储器部分168中的距离校准查找表来确定到表面的测量距离。指示坐标的距离可以通过各种方法来确定，这些方法诸如确定包含在轮廓数据的峰值区域中的轮廓数据的质心。如下面将更详细地描述的，在诸如本文描述的旋转系统中，校准数据(例如，存储在存储器部分168中或其它)也可以用于至少部分地基于光学笔120的旋转角取向来指示或调整测量距离。
光学笔120通常具有由最小范围距离ZMIN和最大范围距离ZMAX界定的测量范围R。在已知光学笔的一些实例性情况中，测量范围R可以是距笔的端部的标称间隙或工作距离的大约10分之1(例如，在几十微米到几毫米的范围内)。图1示意性地示出了如果使用反射器元件155，则测量范围R′可以沿由反射器元件155的放置确定的测量轴线MA(例如，x轴)引导。在这种情况下，测量范围R′可以由最小范围距离XMIN和最大范围距离XMAX界定。
应当理解，在一些实施方式中，电子器件部分160可以远离光学笔120定位。已知使用定制支架将与图1所示的光学笔120类似的光学笔安装在CMM上，并将与光缆112类似的光纤沿CMM组件外部的临时路径引导到与电子器件160类似的远程定位电子器件。
如下文关于图2、3A和3B更详细地公开的，在一些实施例中，光源和波长检测器部分160A中的一组组件(例如，包含波长检测器162和光源164)可以包含在CRS光学探针总成内。如果需要，测量信号处理和控制电路160B中的一组组件(例如，包含信号处理器166和存储器部分168)可以位于CRS光学探针总成的远程外部(例如，以维持低的探针重量和紧凑的探针大小)。
图2是坐标测量系统200和可自动连接和互换的CRS光学探针系统215的图式。即，CRS光学探针系统215可以自动地与其它类型的CMM探针互换。CRS光学探针系统在本文中也可以简称为CRS光学探针。在本文的各个附图中，除非说明书或上下文另有指示，否则具有类似后缀的附图标记(例如，具有后缀XX的附图标记1XX和2XX)通常可以指代类似元件，使得本领域普通技术人员通常可以在描述有限的情况下基于类似于对类似元件1XX的先前描述等等理解元件2XX的操作。然而，应当理解，尽管存在这种类比，但是各种元件可以在不同的实施例中具有不同的实施方式，这对于本领域普通技术人员是显而易见的，并且不限于是相同的。
坐标测量系统200包含坐标测量机控制器202、计算机和用户界面206、探针信号处理和控制电路207以及坐标测量机210。控制器202包含探头控制器203、位置锁存器204和运动控制器205。CRS光学探针215包含自动交换接头元件236，并且通过探针自动接头连接件230(也被称为自动交换接头连接件)中的配合接头元件连接到坐标测量机210。
在各种实施方式中，坐标测量机210可以通过数据传输线201(例如，总线)与所有其它组件进行通信，该数据传输线通过连接器208(例如，“micro-D”型连接器)连接到探头电缆211，该探头电缆向CRS光学探针215提供信号和从CRS光学探针提供信号。坐标测量机210由坐标测量机控制器202控制，而CRS光学探针215与探针信号处理和控制电路207(例如，在一个实施例中，包含测量信号处理和控制元件260B(如上文参考图1中的元件160B所概述)的探针信号处理和控制电路)交换数据并由其控制。用户可以通过计算机和用户界面206控制所有组件。
如上文所概述并且在下面参考图3A和3B更详细地描述，CRS光学探针215包含探针电子器件275和光学笔220，该探针电子器件包含光源和波长检测器部分260A(例如，在一个实施例中，如上文参考图1中的元件160A所概述的光源和波长检测器)，该光学笔将测量光束296引向测量表面290。在一种特定的实例性实施方式中，测量表面290可以包括螺纹孔的内表面。已知的CMM探针(例如，接触探针)难以或不可能完全和可靠地测量此类表面。诸如本文所公开的CRS光学探针能够以改进的完整性、准确性和通用性来扫描和测量此类表面。
如下面将关于图5更详细地描述的，在一个实施例中，与光学笔和/或可互换光学元件相关的数据(例如，标识数据、校准数据、补偿数据等)可以存储在CRS光学探针215的外部(例如，存储在探针信号处理和控制电路207中)。在替代实施方式中，这种数据的各部分可以被存储或以其它方式编码在CRS光学探针215的各部分内。
图3A和3B是示意性地示出坐标测量机210和CRS光学探针215′(类似于图2的CRS光学探针215)的某些组件的图式。图3A是前视图，并且图3B是坐标测量机210和CRS光学探针215′的不同角度的视图。如图3A和3B所示，坐标测量机210包含探头213。探头213通过探头电缆211接收和传输探针信号。探头213固定在坐标测量机套筒轴217上。探头213在探针自动接头连接件230处连接到探针215′。
在一些实施例中，探头213在水平面中旋转360度并且包含一种类型的U形接头。探针自动接头连接件230是机电连接件，该机电连接件以使得探头213可以与一个探针断开并附接到另一个探针的方式将探头刚性地且机械地紧固到CRS光学探针215′。在一个实施例中，探针自动接头连接件230可以包含第一配合自动交换接头元件234和第二配合自动交换接头元件236，其中，第一自动交换接头元件234安装到探头213，而第二配合自动交换接头元件(236)安装到CRS光学探针215′。在一个实施例中，探针自动接头连接件230具有配合的电触点或连接件235，使得当探针被附接时，触点自动接合并形成电连接。
CRS光学探针215′通过自动接头连接件230接收其功率和控制信号。通过自接头连接件230传递到CRS光学探针215′的信号通过连接件235传递。如图3A和3B所示，CRS光学探针215′包含自动交换接头元件236和安装到自动交换接头元件236上的探针总成216，以用于通过探针自动接头连接件230自动连接到CMM。探针215′还可以包含保护盖或外壳269(示意性地示出)。探针总成216包括光学笔220和探针电子器件275，该探针电子器件可以包括电动光源264和波长检测器262，它们全部都由各种结构构件支撑。在图3A和3B所示的实施例中，结构构件从附接到自动交换接头元件236上的基座218延伸。光学笔220(类似于光学笔120)可以包含光纤连接器209，以及包含孔径295和色散光学器件部分250的共焦光学路径，其输出测量光束296。在一些实施例中，光学笔220可以包含可重复快速交换支座285，其允许替换色散光学器件部分250，如下面更详细描述的。电动光源264(例如，宽光谱LED光源)可以与包含在探针电源和信号控制电路部分276中的已知电路(例如，如见于商用色度测距系统(chromaticrangingsystem))结合工作，该探针电源和信号控制电路部分包含在探针电子器件275中，并且接收通过自动交换接头元件传输的电力。在一些实施例中，探针电子器件275包含串行化器277S，其允许各种数据信号被串行化并使用相对较少的导线通过自动接头连接件230传送到解串器(例如包含在探针信号处理和控制电路207中)，如下面更详细描述的。在图3A所示的实施例中，串行化器277S包含在探针功率和信号控制电路部分276上。然而，在其它实施例中，串行化器277S可以包含在CRS波长检测器262中，因为要传输的大部分串行化数据是源自CRS波长检测器262的测量频谱轮廓数据。更一般地，串行化器277S可以位于探针电子器件275中提供令人满意的噪声和串扰特性的任何期望位置处。
光源264产生源自CRS光学探针总成的光，该光包括通过光缆212引导到光学笔220的波长的输入光谱分布。CRS波长检测器262可以包括与光谱仪装置262′和包括沿CRS波长检测器的测量轴线分布的多个像素的检测器阵列263结合工作的已知电路(例如，如见于商用色度测距系统)，该多个像素接收从目标表面反射到共焦光学路径中的相应波长并提供输出光谱轮廓数据。
应当理解，诸如上面概述并且在CRS光学探针总成内完全产生和处理用于测量的光的配置允许CRS光学探针总成是独立的和可自动交换的。在各种实施例中，这种CRS光学探针系统不需要或不包含通过自动接头连接器从CRS光学探针总成到外部元件或沿与自动接头连接器平行的任何其它临时路径的光纤连接件。换句话说，在各种实施例中，这种CRS光学探针总成不会连接到或不包含延伸到CRS光学探针总成外部的光纤。
在各种实施例中，CRS光学探针总成被配置成使得光学笔被安装在CRS光学探针总成的远端处。在图3A和3B所示的实施例中，CRS光学探针总成215′包含基座部分218、耦合到基座部分218的波长检测器安装部分219A，以及耦合到基座部分并承载光学笔而不承载波长检测器的光学笔安装部分219B，其可以将与热和质量相关偏转和振动与光学笔隔离开。在一些实施例中，安装部分219A和219B中的一个或两个可以包括中空结构管(例如，碳纤维管)，该中空结构管远离基座部分并朝向CRS光学探针总成的远端延伸。
在一个实施例中，光学笔220的质心位于由CRS光学探针215′的其余部分的质心CMPA和探针自动接头连接件230的中心轴线CAJ限定的轴线附近。当探头213用于移动CRS光学探针215′时，这种配置可以提供探头的更平滑操作(例如，避免不必要的附加扭矩、振动、偏转等)。在一种实施方式中，光学笔220也可以相对于探针自动接头连接件230安装，使得光学笔220的中心轴线CAOP(例如，用于测量的参考轴线)与自动交换接头230的中心轴线CAJ同轴。在这种配置中，当CMM使探针自动接头连接件230围绕其轴线旋转时，光学笔220也可以围绕其轴线旋转，而测量参考轴线在X-Y平面中没有横向移动。这种配置可以提供某些优点(例如，机械上更稳定、相对于CMM的定位简化了利用光学笔220进行的测量的位置计算等)。
对于包含示范性可重复快速交换支座285的实施例，图4A和4B是示出图3A和3B的光学笔220的组件的图式。在图4A和4B所示的实施例中，光学笔220包含基座构件282和可互换光学元件280。可互换光学元件280包含前板286、管231和色散光学部分250。基座构件282包含基座外壳282A，其包含用作可重复快速交换基座285的第一配合半部285A的表面，并且前板286具有用作可重复快速交换基座285的第二配合半部285B的对应表面。在一个实施例中，通过包括安装在第一配合半部285A和第二配合半部285B中的一个或两个中的永磁体285C的保持力装置，可重复快速交换支座285的第二配合半部285B被压靠在第一配合半部285A上。更一般地，保持力装置可以包括已知装置，诸如弹簧承载的机械棘爪等。利用这种配置，第二配合半部285B可以在程序控制下(例如，由计算机和用户界面206控制)自动连接到第一配合半部285A和与第一配合半部分离。例如，在一个实施例中，光学笔可以包含轴环232等，其可以在程序控制下进行导向，使得其插入在CMM的运动体积内的探针架上所包含的配合叉的臂之间。然后，CMM可以移动CRS光学探针215′，使得叉臂支承在轴环232上并迫使可重复快速交换支座285的配合半部分开，留下可互换光学元件280悬挂在探针架中。可互换光学元件280可以通过与这些操作相反的操作安装回基座构件282。另外，利用这种配置，在与工件横向碰撞的情况下，可互换光学元件280将与基座构件282分离，而不会被损坏。
在一个实施例中，可重复快速交换支座285可以包括以第一三角形图案(例如，等边三角形)固定在第一配合半部285A中的三个球体或球285D，以及以配合图案固定在第二配合半部285B中的三个径向取向的V形槽285E。可重复快速交换支座285的这种实施例允许可互换光学元件280被安装成使得横向取向的测量光束296面向间隔开120度的三个不同取向中的任一个。然而，应当理解，这种实施例仅仅是示范性的而不是限制性的。可以使用各种其它可重复快速交换安装配置，只要提供足够的安装可重复性即可，这在本领域中是公知的。
可互换光学元件280包含色散光学部分250(例如，类似于上文关于图1描述的色散光学部分150)。在一个实施例中，基座构件282包含光纤212的端部，其通过光纤连接器261连接到LED光源264和光谱仪装置262′。光纤的端部可以靠近共焦孔径295定位，该共焦孔径相对于可重复快速交换支座285的第一配合半部285A固定，该第一配合半部可以大致围绕共焦孔径295。在一些实施例中，光纤的端部提供共焦孔径。在一些实施例中，共焦孔径295由粘结在靠近或邻接光纤的端部的适当位置(例如，在保持光纤的保持器或连接器上)的薄孔隙提供。在图4A所示的实施例中，基座构件282包含：光纤端部定位装置283，其包括光纤保持元件283A(例如，在该实施例中，与连接器209配合的光纤连接器)；以及光纤端部定位装置283B，其靠近可重复快速交换支座285的第一配合半部285A固定(例如，粘结)在基座构件282中。
在该实施例中，光纤端部定位装置283可以包括光纤保持元件，其(例如，通过连接器209)保持光纤并且相对于可重复快速交换支座285的第一配合半部285A固定光纤端部和共焦孔径295。然而，在其它实施例中，共焦孔径可以单独地固定到基座构件282，并且如果需要，光纤的端部可以通过合适的光纤端部定位元件固定到该共焦孔隙附近，如下面更详细描述的。
可互换光学元件280从共焦孔径295接收测量光并将测量光返回到共焦孔径，并且提供测量光在沿测量轴线的相应测量范围中的轴向色散。在一个实施例中，色散光学部分250还可以包含反射元件294，其将测量光束横向地(例如，相对于管231的轴线横向地)引导到光学笔220的轴线。
图5是图2的计算机和用户界面206以及探针信号处理和控制电路207的一个实施例的框图。如图5所示，探针信号处理和控制电路207可以包含解串器277D、位置锁存器515、CRS光学探针ID520和光学笔ID525。探针信号处理和控制电路207的组件通过数据传输线201彼此耦合并耦合到计算机和用户界面206。
解串器277D可以与图3A所示的串行化器277S结合工作，以允许各种数据信号被串行化并使用相对较少的导线通过自动接头连接件230传送。串行化器277S和解串器277D涉及可以用于一些实施例中的某些低电压差分信令(LVDS)的利用。简而言之，在串行化器与解串器之间提供同步信号，以便确保它们同步。在对应的信号线上提供时钟信号，直到解串器完成为止，此时切换同步信号，之后在信号线上提供相关数据信号(而不是先前的时钟信号)。
位置锁存器515涉及XYZ锁存信号。简而言之，提供XYZ锁存信号以用于使CRS光学探针的测量定位与坐标测量机控制器202的测量定位同步。在一个实施例中，位置锁存器515与坐标测量机控制器202中的位置锁存器204进行通信，以便确保坐标测量机210的坐标被正确同步。换句话说，位置锁存器515和位置锁存器204组合以确保整个导出测量的准确性，使得CMM机坐标(其反映特定测量期间CRS光学探针的位置)与CRS光学探针测量(其相对于CRS光学探针位置)适当地组合。
CRS光学探针ID520用于确定CRS光学探针215′的标识(例如，通过读取和处理从包含在CRS光学探针215中的标识元件导出的标识信号)，而光学元件ID525用于确定可互换光学元件280的标识(例如，通过读取和处理从包含在可互换光学元件280中的标识元件导出的标识信号)。CRS光学探针215′和可互换光学元件280的正确标识允许利用正确的配置和校准数据，以便确保CRS光学探针215和可互换光学元件280中的操作和所得测量是准确的。
图6是示出光学笔220A的示范性实施例的组件的图式，该光学笔包含非旋转或固定部分605、用于旋转可互换光学元件280A和测量光束296的方向的旋转元件610，以及用于测量和报告位置信息(诸如光学笔的方位角旋转角度，以及相对于Z轴的位置信息，诸如与校准对象的位置相关的位置信息)的编码器630，如关于图7A至13E更详细讨论的。如图6所示，基座构件282A被配置成包含非旋转部分605、旋转元件610和编码器630的组件。
图6示出了一些示范性“有界”共焦光线(或光线段)。具体地，光线R1和R2被示出在传输透镜251与孔径295之间，而光线R3和R4被示出在传输透镜251与色散光学部分250之间。在一些实施例中，传输透镜251可以是准直或近准直透镜，并且光线R3和R4被示出为近似平行或近似准直，这在某些实施方式中可以提供优点。光线R5和R6被示出在色散光学部分250内并作为光线R7和R8出现在测量光束296中。应当理解，在该特定实施例中，共焦孔隙的操作位置297靠近或处于光学笔220的透镜系统的最佳聚焦位置，特别是传输透镜251的聚焦位置。传输透镜251可以位于基座构件282A的延伸部分282AX内。
如图6所示，旋转元件610包含旋转部分612，其在该特定实施例中包含用于提供可重复快速交换支座285的第一配合半部的表面。第一配合半部以类似于上文关于图4A和4B所述的配置耦合到快速交换支座285的位于前板286上的第二配合半部。旋转元件610还包含允许旋转部分612旋转的轴承614以及用于驱动旋转的马达616和齿轮618。也可以将替代配置用于马达和旋转致动(例如，机动化套筒配置等)。当传输透镜251位于基座构件282A中时，由于通过旋转接头的平行光线R3和R4所指示的宽准直光束的光透射对改变对准较不敏感的事实，旋转可能产生较小的误差/影响。
编码器630感测指示光学笔220A的组件的位置的位置信息(例如，旋转位置信息和相对于Z轴的位置信息)，并且例如经由一根或多根电缆(参见图2的探头电缆211)报告位置信息。
在一个实施例中，可互换光学元件280A可以包含ID元件233(例如安装到前板286)。对应的读取器元件233R可以位于光学笔基座构件282A中。ID元件233可以用可互换光学元件280的特定标识信息来编码。在一个实施例中，ID元件233可以包括射频标识装置(RFID元件)，其可以是无源RFID元件。读取器元件233R(例如，RFID读取器元件)被定位成足够接近以便能够从ID元件233读取数据。在一些实施例中，如果读取器元件233R不位于ID元件233附近，则可以在基座构件282A中设置孔，使得基座构件的材料不会阻碍ID元件233与读取器元件233R之间的信号交换(例如，无线电信号、光信号、光学图像等的交换)。在一些实施例中，ID元件233可以包括标识标记(例如，简单条形码)或颜色，并且读取器元件233R可以包括提供与标识标记或颜色相对应的信号的光电检测器。在一些实施例中，ID元件233可以包括具有标识频率的无源谐振电路，并且读取器元件233R可以包括响应于标识频率而提供信号的激励器/检测器。读取器元件233R例如经由一根或多根电缆(参见图2的探头电缆211)基于响应信号报告标识信息。
为了便于说明，旋转元件610和编码器630以功能块的形式示出。应当理解，旋转元件610和编码元件630的布置仅仅是示范性的而不是限制性的。各种配置可以被改变以包含用于旋转和延伸可互换光学元件并报告位置信息的类似组件，基于本公开的细微修改将是显而易见的。
在一些实施例中，出于校准和准确性目的，光学笔可以由校准数据或信息来表征，该校准数据或信息包含或是基于与例如可互换光学元件的多个旋转位置相对应的径向距离数据、与光学笔220A、可互换光学元件280和色散光学部分250、快速交换支座285相关联的各种焦点和测量距离等。这种校准数据或信息可以补偿各种错位，这些错位可以随着旋转位置、相对于Z轴的位置和色度范围传感器(CRS)测量距离以及其它误差(例如，旋转编码器误差、Z级误差等)而变，如下面更详细地讨论的。
图7A至7C是示出图6的光学笔220A的示范性校准组件740的图式，该校准组件可以用于获得用于校准光学笔220A的径向距离和其它数据。图7A是用于提供包含校准组件的光学笔的结构的概述的概念图，而图7B和7C提供实例性实施例的更详细说明。如图7A所示，光学笔220A具有非旋转或固定部分605和旋转部分610。校准组件740包含可移动地附接到光学笔220A的非旋转部分605的校准规延伸部744，以及校准规或对象746。如图所示的校准规746通过校准规延伸部744相对于光学笔220A的旋转部分610保持就位。当旋转元件610围绕光学笔220A的中心轴线(用于进行测量的参考轴线)旋转时，(例如，利用如图7C所示的测量光束296)进行校准对象的测量以获得用于校准光学笔220A的径向距离测量。
校准规延伸部744可以使用各种保持力装置来将校准对象746相对于光学笔220A的旋转色度范围传感器配置保持就位。例如，可以采用类似于上文关于重复快速交换支座285所讨论的机构。利用这种配置，校准对象746可以在程序控制下(例如，由计算机和用户界面206控制)自动地连接到校准规延伸部744，从校准规延伸部定位以及与校准规延伸部分离。
如图7B和7C所示，校准组件740还包含延伸部致动器742，该延伸部致动器可以包含轴承、马达和齿轮(为了便于说明，这些未示出，轴承614、马达616和齿轮618是图6的旋转元件610的类似组件)以便于将校准规延伸部744定位在存储位置(如图7B所示)与延伸校准位置(如图7A和7C所示)之间。图7B示出了校准规延伸部744处于存储位置并且当前未耦合到校准对象746′的实例性配置。在采用校准规或对象746′进行的校准操作期间，校准规延伸部744可以移动到延伸校准位置中。否则，校准规延伸部744可以存储在存储位置中，以免干扰使用光学笔220A进行的其它测量(例如，对螺纹孔的内表面的测量，如上文参考图2所讨论的)。如上所述，在一种实施方式中，当校准规延伸部744移动到延伸校准位置时，它可以耦合到校准对象746′，如图7C所示。
在一些实施例中，光学笔220A和校准对象746′被配置成使得校准对象746′可以被保持在光学笔上。例如，校准对象746′可以在缩回时间段期间以缩回位置保持在校准规延长部上，使得校准规延长部744和校准对象746′在缩回时间段期间的正常测量操作期间不阻碍或不干扰径向距离感测光束(即，测量光束296)。在校准时间段处，校准对象746′可以移动并以校准位置保持在校准规延伸部上。
在一些实施例中，校准规延伸部744可以由延伸致动器742定位在多个延伸校准位置中的一个延伸校准位置中，以便于在不同的CRS测量距离或焦距处收集校准径向距离。在此类情况下，编码器可以报告关于校准对象相对于光学笔220A的位置的Z轴位置信息。以类似于上文关于可互换光学元件280A所讨论的方式，校准对象746′可以包含ID元件，并且校准规延伸部744可以包含对应的读取器元件。
也可以将替代配置用于延伸致动器742(例如，机动化套筒配置等)。在一些实施例中，校准规延伸部744相对于光学笔220A的旋转色度范围传感器配置以约束关系布置校准规或对象746′，如下文更详细地讨论。
如图7C所示，校准规或对象746′包括具有内表面748和外表面750的环规。可以采用其它校准对象，并且可以在校准对象中采用各种材料(例如，金属、玻璃等)。在实施例中，内表面748和外表面750中的一个或多个可以包含印刷标记或图案化表面(例如，参见图9A至9D)或其各种组合，当由测量光束296扫描时，该印刷标记或图案化表面提供可以用于产生与光学笔220A相关的校准信息的校准数据。
图8A至8C是以放大方式示出当使用光学笔进行测量时可能导致出现测量误差的实例性错位以及可以被考虑以补偿此类误差的参数的概念图。如图8A所示，在理想情况下，光学笔(参见图6的光学笔220A)具有参考中心轴线820。当对理想圆柱830的表面进行测量时，参考中心轴线820与理想圆柱830的理想中心C对准，并且测量光束(参见图7C的测量光束296)的入射角相对于理想圆柱830的表面的法线是理想常数。理想测量将指示从理想中心C到沿理想圆柱体830的理想轨迹870的理想点的距离。图8A和8B示出了沿理想轨迹870的实例性理想点，其包含在旋转角度ω＝0处的理想点Pideal850。
然而，光学笔或其它组件的错位可能引入测量误差(例如，可能由各种因素引起，诸如快速交换支座285的错位等)。例如，光学笔的光学轴线可以具有距参考中心轴线820的xy偏移810，并且光学笔的沿光学笔长度L的旋转轴线860可以相对于光学笔220A的参考中心轴线820错位。另外，反射元件294(参见图2和7B)可以与光学笔的光学轴线错位。结果，相对于测量点进行的测量可以从围绕非理想中心S′旋转的位置S进行，如图8B中更详细所示。这些以及其它可能的错位(如图8B中更详细示出的)导致测量点在非理想轨迹上，或在具有误差890的轨迹上。图8A和8B示出了具有相关联的错位误差的实例性测量点，其包含在旋转角度ω＝0处的测量点840。为了更好地示出某些方面，所提供的图示中的实例包含某些放大的几何形状(例如，Z轴已被压缩以便更好地示出潜在的错位和误差等)。
图8B示出了可以引起谐波误差的实例性错位的附加细节。在此，参考中心轴线m(即，安装轴线)对应于图8A的参考中心轴线820。旋转轴线r对应于图8A的旋转轴线860。光学轴线o被示出为沿笔光学长度L与笔光学轴线共线。轴线标号m、r和o在下标中用于各种错位参数，其中一些在图8B中示出。安装轴线错位角度θm给出了安装轴线m相对于旋转轴线r的错位角度，该错位角度发生在包含旋转轴线并以安装轴线错位方位取向角φm取向的平面内(图示中未示出)。旋转轴线错位角度θr给出了光学轴线o相对于旋转轴线r的错位角度，该错位角度发生在包含旋转轴线并以方位错位取向角φr取向的平面内(图示中未示出)。离开笔的最终测量光束还可以具有由输出法向仰角(标称竖直方向)角度误差δθo和输出法向方位角(标称水平方向)轴线误差δφo(未示出)指定的指向误差。
图8C使用与图8B所示相同的放大几何结构示出了可以由光学笔的各种错位引入的一次谐波误差的实例。对于该实例，如所列表的，光学笔具有50μm的X轴偏移δx、-40μm的Y轴偏移δy，它们构成图8A中的xy偏移810的x和y分量。其它列表参数在以上图8B的描述中定义并且具有用于以下各项的实例性(放大)值：安装轴线错位角度θm为6°，安装轴线错位方位取向角φm为240μm，安装轴线时钟误差(未示出)为5°，理想光学笔长度L为2000μm(在图8B中被缩短以放大误差)，旋转轴线错位角度θr为8°，旋转轴线错位取向角φr为40°，输出法向方位角轴线误差δφo为10°，输出法向仰角误差δθo为5°，以及理想校准测量距离为1000μm。在一定程度上，方位角相关误差(符号φ)耦合到方位角偏移误差和谐波相位误差，而轴线错位和仰角误差(符号θ)耦合到半径和Z偏移以及谐波振幅误差。如图所示，半径误差主要是一次谐波，如图所示，该一次谐波在大约-180°的半径偏移误差附近振荡。Z误差主要是在恒定Z误差偏移附近振荡的一次谐波误差，如图所示，该恒定Z误差偏移是大约180μm的偏移常数。方位角误差主要是一次谐波，如图所示，该一次谐波在大约-50μm的方位角偏移常数附近振荡。所有三条曲线也可以具有少量的高次谐波含量。应当理解，在该实例中，为了更好地示出潜在的错位和产生的误差，放大了各个方面。在某些实施方式中，实际错位可以为0.1至1度的数量级，并且实际误差(除xy偏移之外)可以为单位数微米或更小的数量级。
如本文别处更详细地讨论的，在给出旋转角度ω和任选地给出Z的情况下对校准对象进行的径向距离测量可以用于生成校准数据。校准数据又可以用于调整当坐标测量机的光学笔用于测量工件时获得的测量数据(例如，径向距离数据)。除了使用校准对象生成的径向距离数据之外的校准数据可以用作校准信息的一部分或用于生成校准信息。例如，在一些实施例中可以采用使用干涉仪进行以确定与光学笔相关联的色度范围传感器距离(例如，在各种光波频率下的测量距离)或与校准对象相关联的测量。在另一个实例中，在一些实施例中可以采用与校准对象相对于光学笔的位置有关的Z轴信息。
图9A至9D示出了圆柱形环规形式的校准对象946的第一实施例。图9A和图9B是圆柱形环规946的透视图和截面图。圆柱形环规946具有内表面904，该内表面具有彼此具有已知位置关系的已知特征，诸如印刷或纹理化图案906。内表面904是标称圆柱形校准表面，其具有沿Z方向延伸的中心轴线905，当执行校准测量时，该中心轴线旨在大致平行于CRS光学笔的旋转轴线对准(例如，参见图8A的参考中心轴线820和旋转轴线860)。如图所示的第一标称圆柱形校准表面904被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线905已知的第一半径Rc处。
图9C和9D中概念性地示出了实例性图案，这些图示出了待施加到内表面904上或形成于内表面中的图案的展开印刷校样或孔图形式的实例性图案。印刷或纹理化图案906可以包含形成在第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征(例如，参考线等)，其中，该角度参考特征被配置成由径向距离感测光束感测并且在第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕中心轴线以已知角度或已知角度间隔彼此定位。图案的特征可以由光学笔(诸如图7A到7C的光学笔220A)检测。例如，在各种实施例中可以采用黑白、灰度或不同颜色的印刷图案、不同深度或形状的纹理化图案及其各种组合。
如图9C所示，图案906具有：以已知间隔分开的方位角指示器或竖直参考线908，其可以是规则的或不规则的；以及以已知间隔分开的Z轴指示器或倾斜参考线910，其可以是规则的或不规则的。竖直线908提供方位角位置校准信息，并且倾斜线910提供关于方位角指示器或竖直参考线908的Z轴位置校准信息。线908、910可以具有均匀厚度或者可以具有变化的厚度。例如，如图所示的竖直线908中的一条竖直线是具有与其它竖直线不同厚度的参考线，以指示校准规946上的特定方位角位置。可以采用多条参考线来指示校准规上的多个特定位置(例如，中点)。当图案是纹理化图案时，图9C的图案906可以表示指示形成在校准对象的内表面904中的凹痕或突起的位置的孔图。在某些实施方式中，内表面904原本可以是光滑的。
为了便于说明，图9C的图案906的竖直线908被示为白条，而对角线910被示为黑条。在印刷图案实施例的实践中，相同颜色可以用于两种类型的条(例如，黑色)，各种颜色可以用于两种类型的条(例如，以指示与条相关联的角位置)等，以及其各种组合。如上所述，对于纹理化图案，可以采用凹痕，其可以具有不同的宽度和深度以便于校准信息的测量。
图9C还示出了实例性校准测量轨迹920。与由光学笔220A获取的测量轨迹920相关的位置信息(例如，在进行与轨迹920相关的测量时由图6的编码器630提供的位置信息)可以连同与轨迹920相关联的测量结果(例如，径向距离测量数据、Z位置测量数据)一起用作校准数据或信息，或者用于例如基于相应的测量位置处的测量结果与理想结果之间的差值产生校准数据或信息。
图9D的图案906′类似于图9C的图案906，不同的是图案906′不包含图9C的图案906的角线910，因此轨迹920′仅使用竖直线908测量与校准对象相关的校准信息。如果需要，Z轴校准信息可以通过其它方式获得，这些其它方式例如当校准对象946移动就位时检测该校准对象的顶面或底面的边缘等。在一些实施例中也可以或替代地采用其它图案(例如，倾斜网格、水平加角度线等)。
图10是具有中心轴线1005的校准对象1046的第二实施例的截面图。校准对象1046是阶梯式直径环规，其具有带第一直径的第一内表面1048和带小于第一直径的第二直径的第二内表面1048′。第一内表面1048和第二内表面1048′中的一个或两个可以是用于进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C和9D)。阶梯式直径环规1046的使用便于在多个测量距离处进行校准测量，以及进行Z轴相关校准测量。校准规延伸部744(参见图7A至7C)可以将校准规1046定位在相对于测量光束296的第一延伸位置处以便于获取第一内表面1048的校准读数，并且可以将校准规1046定位在相对于测量光束296的第二延伸位置处以便于获取第二内表面1048′的校准读数。在一些实施例中，可以使用对第一内表面1048与第二内表面1048之间的过渡的检测来获得Z轴校准信息。
图11A是环规形式的校准对象1146的另一个实施例的透视图，而图11B和11C是类似于图11A的环规形式的校准对象1146′的某些方面的概念性图示。图11A的校准对象1146具有带阶梯式直径1149i至1149n的多个内圆形表面1148i至1148n，而图11B和11C的类似校准对象1146′具有带阶梯式直径1149i′至1149n′的多个内圆形表面1148i′至1148n′。内圆形表面1148i至1148n或1148i′至1148n′中的一个或多个可以是用于进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C、9D、13D和13E)。在图11A的型式中，存在七个阶梯式内表面，而在图11B和11C的型式存在十个阶梯式内表面。图11B是环规1146′的十个阶梯式内表面的展开或孔图的形式。图11C示出了使用旋转光学笔在环规1146′的内圆形表面1148i′至1148n′的阶梯式内径1149i′至1149n′上沿Z方向的螺旋扫描中收集的代表性测量数据的3D曲线图。在校准对象1146和1146′中使用多个阶梯式表面便于获得距离范围中的测量(例如，径向距离测量)，其可以用于产生光学笔的CRS距离范围中的校准信息，以及获得Z轴校准数据。
如图11A所示的环规1146的外表面1150具有包含凹部1154的平面1152。平面1152和凹部1154可以通过相对于光学笔的旋转色度范围传感器配置成约束关系的校准规延伸部(参见图7A至7C的光学笔220A的校准规延伸部744)来便于环规1146的布置。具体地，平面1152可以用作安装在测量平台中的光学笔的方位角旋转角度ω的参考表面(以设定ω＝0)，并且凹部1154的正交表面可以用作对准Z轴方向的参考。例如，平面1152和凹部1154的大小和形状可以被设置成接收校准规延伸部的对应突片或突起(未示出)，以将环规1146相对于旋转色度传感器配置保持在约束关系中。可以采用其它定位方案(例如，环规的相对侧上的平面、具有不同形状的凹部、校准对象上的突片和校准规延伸部上的对应凹部等，以及它们的各种组合)。
图12A和图12B是精密玻璃管形式的校准对象1246的另一实施例的透视图和截面图。参考图12B，精密玻璃管1246具有标称圆柱形内表面1204和标称圆柱形外表面1250。内表面1204和外表面1250中的一个或两个可以是用于进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C、9D、13D和13E)。标称圆柱形表面的图案可以包含非图案化部分(例如，参考线之间的间隙或窗口)以便于进行与另一标称圆柱形表面上的图案相关的测量。例如，标称圆柱形内表面1204上的图案可以具有间隙或窗口(参见图13D的窗口1374)，通过该间隙或窗口可以观察、测量或以其它方式检测标称圆柱形表面1250上的图案的特征。
内表面1204和外表面1250标称上是圆柱形校准表面，其具有沿Z方向延伸的中心轴线1205，当执行校准测量时，所述中心轴线旨在大致平行于CRS光学笔的旋转轴线(例如，参见图8A的参考中心轴线820和旋转轴线860)对准。如图所示的第一标称圆柱形校准表面1204被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1205已知的第一半径Ri处。如图所示的第二标称圆柱形校准表面1250被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1205已知的第二半径Ro处。
在一些实施例中，内表面1204可以具有用于测量一种类型的校准信息的图案(例如，有助于测量角位置信息的图案)，并且外表面1250可以具有有助于测量另一种类型的校准信息的图案(例如，有助于测量Z轴相关位置信息的图案)。在一些实施例中，外表面1250可以是图案化表面，而内表面1204可以是没有图案的透明或半透明表面。在此类实施例中，距离(半径)测量可以通过检测内表面1204和外表面1250来获得(例如，根据需要使用材料的已知或测量的折射率从光学厚度转换为物理厚度)，并且角位置和Z轴位置测量可以通过检测外表面1250的图案的特征来获得。
图12C示出了包括两个嵌套式精密玻璃管、内管1258和外管1260的校准对象1246′的实施例。内管1258具有内标称圆柱形校准表面1262和外标称圆柱形校准表面1264。外管1260具有内标称圆柱形校准表面1266和外标称圆柱形校准表面1268。校准表面1262、1264、1266、1268具有沿Z方向延伸的中心轴线1205，当执行校准测量时，该中心轴线旨在大致平行于CRS光学笔的旋转轴线对准(例如，参见图8A的参考中心轴线820和旋转轴线860)。如图所示的标称圆柱形校准表面1262被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1205已知的半径R1i处。如图所示的标称圆柱形校准表面1264和1266各自近似地布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1205已知半径R2i处(为了便于说明，假设标称圆柱形校准表面1264和1266的半径之间的差值可以忽略)。如图所示的标称圆柱形校准表面1268被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1205已知的半径R2O处。
内管1258的标称圆柱形内表面1262、内管1258的标称圆柱形外表面1264、外管1260的标称圆柱形内表面1266和外管1260的标称圆柱形外表面1268中的一个或多个可以是用于进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C、9D、13D和13E)。
标称圆柱形表面的图案可以包含非图案化部分(例如，参考线或窗口之间的间隙)以便于进行与另一标称圆柱形表面上的图案相关的测量。例如，内管1258的标称圆柱形内表面1262上的图案可以具有间隙或窗口，通过该间隙或窗口，可以以类似于上文参考图12B所讨论的方式观察、测量或以其它方式检测外管1260的标称圆柱形内表面1266上的图案的特征。
在一些实施例中，外管1260的外表面1268可以是图案化表面，而内管1258和外管1260的其它表面可以是没有图案的透明或半透明表面。距离(半径)测量可以通过检测内管1258的内表面1262、内管1258的外表面1264、外管1260的内表面1266和外管1260的外表面1268中的一个或多个来获得，并且方位角和Z轴相关位置测量可以通过检测外管1260的外表面1268的图案的特征来获得。在一些实施例中可以采用图案化和非图案化表面和/或多种类型的图案的各种组合。在一些实施例中可以采用附加的嵌套管。底盖或其它保持结构可以用于将嵌套管1258、1260相对于彼此保持就位。嵌套玻璃管实施例便于在光学笔的CRS测量距离范围内获得校准信息，以及获得Z轴校准数据，而无需重新定位校准对象以进行多次量规距离测量。可以根据需要以类似于上面参考图12B讨论的方式从光学距离或厚度获得物理距离。
图13A至13E示出了多个嵌套精密金属管1358、1360和1370的形式的校准对象1346的实施例。在图13A至13E中，嵌套金属管1358、1360和1370的大小被放大，并且管之间的间隔可以被假定为是可忽略的或者可以被放大以便于说明。一些实施例可以采用多于三个如图所示的嵌套金属管(例如，7个或更多个管等)。
图13A是校准对象1346的截面图。精密金属管1358具有内表面1362，精密金属管1360具有内表面1366，并且精密金属管1370具有内表面1372。内表面1362、1366和1372标称上是圆柱形校准表面，其具有沿Z方向延伸的中心轴线1305，当执行校准测量时，所述中心轴线旨在大致平行于CRS光学笔的旋转轴线(例如，参见图8A的参考中心轴线820和旋转轴线860)对准。标称圆柱形校准表面1362、1366和1372被布置在距沿Z轴延伸的中心轴线1305已知的半径处(如图所示，分别为R1、R2和R3)。
图13B是示出其中嵌套金属管1358、1360和1370沿Z轴1305具有不同长度L1、L2、L3的实施例的侧面截面图。金属管1358的内表面1362、金属管1360的内表面1366和管1370的内表面1372中的一个或多个的一部分可以是用于以类似于上文关于图10的阶梯式直径环规1046和图11A至11C的阶梯式直径环规1146和1146′所述的方式进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C和9D)。
校准规延伸部744(参见图7A至7C)可以将校准规1346定位在相对于测量光束296的第一延伸位置处以便于获取内表面1362的校准读数，可以将校准规1346定位在相对于测量光束296的第二延伸位置处以便于获取内表面1366的校准读数，并且可以将校准规1346定位在相对于测量光束296的第三延伸位置处以便于获取内表面1372的校准读数。作为基于内表面1362、1366、1372中的一个或多个上的图案的Z轴校准信息的补充或替代，对内表面1362、1366、1372之间的过渡的检测可以用于获得Z轴校准信息。在各种实施方式中，还可以或替代地使用其它配置(例如，如通过内管中的开口或窗口所观察到的，可以在外管的内表面上包含图案，如下文将关于图13D和13E更详细地描述的)。
图13C至13E示出了校准规1346的一个实施例，其中嵌套金属管1358、1360和1370可以沿Z轴线1305总体上具有相同长度L1。长度可以稍微成锥形(未示出)以便于提供良好的同心度和对准。如下文关于图13D至13E(概念性地示出了实例性图案)更详细地讨论的，内管(如图所示，金属管1358和金属管1360)可以具有窗口或切口形式的图案，该窗口或切口围绕圆周延伸穿过管的侧面以允许测量束296穿过到达更大半径的管壁。管1358的内表面1362、管1360的内表面1366以及管1370的内表面1372的剩余部分中的一个或多个可以包括用于以类似于上文描述的方式进行校准测量的图案化的表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C和9D)。
如图所示，校准对象1346具有盖1380以将管1358、1360、1370相对于彼此保持就位。校准规延伸部744(参见图7A至7C)可以与盖1380接合以将校准规1346相对于旋转色度范围传感器配置(参见图7A至7C)布置成约束关系。如图13D和13E所示的嵌套金属管实施例便于在光学笔的CRS距离范围内获得校准信息，以及获得Z轴校准数据，而无需针对每个量规距离R1、R2、R3重新定位校准对象。
图13D概念性地示出了校准对象1346，其中内嵌套管1358具有延伸穿过管1358的窗口1374形式的图案，并且中间嵌套管具有延伸穿过管1360的窗口1376形式的图案。图13D示出了应用于或形成于管1358、1360、1370的内表面1362、1366、1372中的一个或多个图案的展开窗口/印刷校样/孔图形式的实例性图案。
内管1358的窗口1374和中间管的窗口1376的大小被设置成并且内管1358和中间管1360被定位成使得在操作中，旋转色度范围传感器配置(参见图7A至7C)可以通过管1358中的窗口1374的开口来检测管1360的窗口1376，并且可以检测外管1370的内表面1372的一部分。旋转色度范围传感器配置(参见图7A至7C)对窗口1374、1376和表面1362、1366、1372的检测可以提供校准测量数据以用作或产生校准数据或信息。
另外，内表面1362、1366、1372中的一个或多个可以包含图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，参见图9C和9D)，其也可以用于进行校准测量。如图所示，管1358的表面1362包含竖直图案线1308，管1360的表面1366包含倾斜线1310，并且管1370的表面1372包含倾斜线1310。尽管如图所示的窗口1374、1376是竖直矩形，但是一些或所有窗口可以具有倾斜侧面，其可以用于提供Z轴校准测量数据(例如，作为倾斜线1310的替代或补充)。
图13E所示的实施例类似于图13D的实施例，不同的是，内嵌套管1358具有延伸穿过管1358的切口1382(而非窗口)形式的图案，并且中间嵌套管具有延伸穿过管1360的切口1384(而非窗口)形式的图案。图13E示出了应用于或形成于管1358、1360、1370的内表面1362、1366、1372中的一个或多个图案的展开切口/印刷校样/孔图形式的实例性图案。
内管1358的切口1382和中间管1360的切口1384的大小被设置成并且内管1358和中间管1360相对于彼此定位成使得在操作中，旋转色度传感器配置(参见图7A至7C)可以通过管1358中的切口1382的开口来检测管1360的切口1384，并且可以通过切口1382和1384的至少一些部分对准的开口来检测外管1370的内表面1372的一部分。旋转色度范围传感器配置(参见图7A至7C)对切口1382、1384和表面1362、1366、1372的检测可以提供校准测量(距离)数据以用作或产生校准数据或信息。另外，如上所述，内表面1362、1366、1372中的一个或多个可以包含也可以用于进行校准测量的图案化表面(例如，具有印刷或纹理化图案，诸如倾斜线1310)。
图14是使用校准对象收集的校准测试数据的图形表示，该校准测试数据被提供用于以七个校准步长进行测量并且以圆柱坐标(页面中的Z轴)绘制。例如，可以利用具有七个或更多个同心校准表面的校准环规，该同心校准表面诸如阶梯式校准表面(参见例如图11A至11C和13B)和/或通常可以在垂直于旋转色度范围传感器系统的Z轴的平面中对准的校准表面(例如，参见图12C和13C至13E)等。竖直轴线表示测量的径向距离，而水平轴线表示以旋转周期为单位绘制的光学笔旋转角度。在一些实施方式中，在不同径向距离处进行测量可以包括相对于Z轴重新定位校准对象(例如，针对具有阶梯式表面的校准对象，使用图7A至7C的校准规延伸部744调整校准对象的位置，诸如图11A至11C和13B所示的实施例)、可能调整探针信号处理和控制电路(参见图2和5的探针信号处理和控制电路207)的控制参数，和/或扫描内置于延伸部或平台中的Z轴台以进行螺旋扫描等。
下面的表1示出了旋转色度范围传感器配置中的误差的实例性原因。还参见上文讨论的图8C。
表1：错位和所得误差
由错位引入的误差也可以使用方程组来表示，该方程组可以与在校准制品上收集的测量数据进行比较以产生用于补偿误差(例如，用于调整测试测量结果)的校准数据或信息。例如，可以采用对测量数据的曲线拟合来确定表示误差的方程的系数。
在一个实例中，测量中的误差可以由以下关系(方程1)表示：
其中，输入数据变量是DC和ωc(上面没有出现的Zc是可以收集的第三测量输入)；测量中的误差是ΔR、和ΔZ；；并且直到二次谐波的拟合系数是符号的余数，它们全部如下定义：
DC表示来自光学笔的补偿后的距离测量数据，其在不旋转时被校准为线性的，但是在用于旋转测量时可以具有由测量系统中的各种机械错位引起的偏移和缩放误差；
ωc表示光学笔旋转编码器的补偿后的旋转角度输出；
Zc表示光学笔旋转编码器平台的补偿后的Z轴台位置输出；
ΔR表示径向距离测量误差，其包含具有以下系数的项：
R0表示径向偏移常数项；
RL表示径向线性(缩放)项系数；
CR1表示径向一次谐波项振幅系数；
θR1表示径向一次谐波项相位系数；
CR2表示径向二次谐波振幅系数；
θR2表示径向二次谐波项相位系数；
表示方位角测量误差，其包含具有以下系数的项：
表示方位角偏移常数项；
表示方位角线性(缩放)项系数；
表示方位角一次谐波振幅系数；
表示方位角一次谐波相位系数；
表示方位角二次谐波振幅系数；/>
表示方位角二次谐波相位系数；
ΔZ表示Z轴测量误差，其包含具有以下系数的项：
Z0表示Z轴偏移常数项；
ZL表示Z轴线性(缩放)项系数；
Cz1表示Z轴一次谐波项振幅系数；
θZ1表示Z轴一次谐波项相位系数；
Cz2表示Z轴二次谐波项振幅系数；
θZ2表示Z轴二次谐波项相位系数；
其中在一些实施例中，二次谐波项可以被视为是可忽略的。在其它实施例中，可以包含二次和甚至更高次谐波项。
用于旋转CRS测量系统的完全补偿的测量可以通过以下关系以柱面坐标表示(方程式2)：
其中右边的项如上文所定义，并且
RRCPS，c表示完全补偿的测量径向距离；
表示完全补偿的测量方位角；
ZRCPS，c表示测量的Z轴距离。
图14是以柱面坐标绘制的图11B所示的校准制品的补偿数据的Z轴投影的实例。该数据补偿了至少半径偏移。
该数据可以如下从圆柱坐标变换为笛卡尔坐标(方程式3)：
变换可以用于帮助可视化数据。图11C是变换为笛卡尔坐标并以笛卡尔坐标绘制的来自图14的数据的实例。变换也可以用于归一化数据。例如，可以将数据变换成笛卡尔坐标，可以应用旋转和平移变换来将数据与Z轴对准，然后可以将数据变换回圆柱坐标。
在一些情况下，感兴趣的测量可以在小半径测量范围内，并且对单个校准制品半径的校准是足够的。在这些情况下，线性系数RL、和ZL可以被设定为零，并且根据需要，拟合可以仅包含常数偏移项R0、/>和Z0以及谐波项(例如，可以仅需要半径中的1次和2次谐波项)。在其它情况下，测量可以跨越光学笔的整个半径范围，并且可以使用单独的环规或理想地多步长环规来校准整个半径范围的测量。如果需要，也可以利用具有方位角和Z校准所需的标记或特征的校准制品来校准不同半径处的潜在方位角和Z轴误差。在这种情况下，线性拟合可以包含线性系数RL、/>和ZL以及常数偏移项R0、/>和Z0·。可以同时对这些参数以及谐波系数进行拟合。在一些情况下，可能期望在完整的、积分的旋转周期中对半径数据进行平均化(参见图14中的“平均径向距离”标记)(由此平均求出谐波含量)，然后仅在多个量规半径Ri平均半径数据处拟合线性和偏移项以确定线性校正系数RL、/>和ZL以及常数偏移校正项R0、/>和Z0·/>
作为实例，图15是图14的校准测试数据和对可跟踪的接受值的指示的图形表示。图15的竖直轴线表示平均径向距离，并且图15的水平轴线表示校准对象的量规号(在阶梯式量规的情况下为步数)。在给出径向距离或步长的情况下，测试数据与可跟踪的接受值之间的差值对应于该距离或步长下的半径误差ΔR。直接线性拟合到测试数据表现出良好的线性，但是多步校准制品中的可跟踪的接受值存在一些偏移和斜率误差。将测量的平均径向距离线性拟合(虚线)到步长半径的可跟踪的接受值(即，来自方程式1的ΔR＝R0+RLDC)导致利用所确定的校正后的斜率RL和偏移R0校准系数来将测量校准到可跟踪的接受值。校正后的斜率和偏移可以用于校准旋转点色度传感器配置以在测量范围中进行准确的半径测量。可以根据需要从在不同半径处下校准制品中的Z轴或方位角参考图案对Z轴和方位角进行类似的校正。
图16是在不同距离(如图所示，在四个量规距离处)和不同偏移(如图所示，在N个偏移处)的范围内获得一组更连续的校准距离测量的图形表示。通过比较在不同的量规距离和偏移处的测量，例如通过使用同时曲线拟合，由于机械旋转引起的误差(其在旋转角度方面具有共模)可以与由于CRS笔校准引起的误差(其在测量的CRS距离方面具有共模)分离。
通过使用距量规(例如，多距离量规)的轴线的XY偏移以及使用量规距离步长，测量距离数据可以与CRS范围内的每个CRS距离相关联。这可以便于CRS距离的连续校准，而不是简单地基于每个环规距离或步长处的半径的分段线性校准。例如，可以执行以校准对象为中心的光学笔的理想轴线的第一校准，以消除谐波误差。如图16所示，偏移1使光学笔的理想轴线与校准对象的中心轴线对准。该数据可以用于在偏差较小的特定半径测量处产生校正。然后可以在光学笔的理想轴线距校准对象中心轴线的多个偏移(例如，偏移2至偏移N)处进行校准距离测量。在各种实施方式中，所产生的数据可以包含连续半径范围处的测量。在各种实施方式中，XY偏移可能导致传感器对准环规或类似工件表面法线方面存在较小的振荡偏差。根据校准制品的表面类型，这种偏差可能导致半径测量误差。在此类实施方式中，该表面可以是已知的并且角度偏差可以是确定性的，因此如果需要，可以采用查找表或类似计算来校正这种误差。
应当理解，当光学笔的轴线能够与如本文所述的环规(即，校准对象)轴线对准并且随后以对应的对准(例如，相同的对准)进行工件测量时，环规方法对于校准光学笔是特别有利的。此类配置可以在各种平台(例如，SCARA机器人、视觉系统、具有固定自动接头的CMM等)中实现。例如，在一些这样的配置中，探针可以保持在固定(例如，竖直)取向(即，其可以用于校准过程以及执行工件的测量两者)，并且对于校准过程，环规可以以对应的固定(例如，竖直)取向安装到平台。
图17是示出用于校准CMM的旋转色度范围传感器配置的例程1700的一个示范性实施例的流程图，该例程可以由例如具有如本文所述的校准对象的CMM的实施例中的一个或多个采用。在实施例中，该例程提供校准数据或信息以校正旋转色度范围传感器配置的错位误差，该旋转色度范围传感器配置被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束并且使径向距离感测光束围绕旋转轴线旋转。
当例如探针信号处理和控制电路(例如，图2和5的探针信号处理和控制电路207)可以调用例程1700时，该例程开始于1702。例程1700从1702前进到1710。
在1710处，校准对象(参见例如图7A和7C的校准对象746、图9A至9D的校准对象946、图10的校准对象1046、图11A至11C的校准对象1146和1146′、图12A和12B的校准对象1246、图12C的校准对象1246′、图13A至13E的校准对象1346)相对于CMM的旋转色度范围传感器配置(参见图6和7A至7C)定位。校准对象具有至少第一标称圆柱形校准表面(参见例如图11A至11C的表面1148i至1148n和1148i′至1148n′)，其具有沿Z方向延伸的中心轴线，该中心轴线旨在大致平行于CMM的旋转轴线对准。第一标称圆柱形校准表面被设置在距沿Z方向延伸的校准对象的中心轴线已知的第一半径处。
第一标称圆柱形校准表面可以包含形成在第一标称圆柱形校准表面上或其中的一个或多个参考特征，诸如第一组竖直参考特征(参见例如图9C的竖直线908)、第一组角度参考特征(参见例如图9C的倾斜线910)等。参考特征可以被配置成由径向距离感测光束感测并且相对于彼此位于已知位置处(例如，角度参考特征可以在第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕中心轴线具有已知的角度或已知的彼此角度间隔)。
可以相对于旋转色度范围传感器配置以约束关系布置校准对象，其中，旋转轴线的方向和中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在阈值内平行，例如在5度内平行。校准对象可以例如通过旋转CRS配置的校准规延伸部(参见例如图7A至7C的校准规延伸部744)保持在约束关系中。例程1700从1710前进到1720。
在1720处，该例程操作旋转色度范围传感器配置以提供第一组径向距离测量数据，该第一组径向距离测量数据是在径向距离感测光束在相对于校准对象沿Z方向的第一Z坐标处围绕旋转轴旋转时获取的，该径向距离测量数据以径向距离感测光束围绕旋转轴线的所感测的旋转角度作为参考。例如，编码器(参见图6的编码器630)可以提供所感测的旋转角度信息。例程1700从1720前进到1730。
在1730处，例程1700确定是否获得一组附加的径向距离测量数据。当在1730处确定获得一组附加的径向距离测量数据时，例程1700从1730前进到1740。
在1740处，该例程执行任选的调整以便于获得该组附加的径向距离数据，诸如使用校准规延伸部(例如，图7A至7C的校准规延伸部744)来重新定位阶梯式校准对象(例如，图11A至11C的校准对象1146)，或者以其它方式调整校准对象和/或CRS探针相对于彼此的位置，调整信号处理例程等。例程1700从1740返回到1720以操作CRS探针来获得该组附加的径向距离测量数据。
当在1730处确定没有获得一组附加的径向距离测量数据时，该例程从1730前进到1750。在1750处，例程1700处理以所感测的旋转角度作为参考的一组所获得的径向距离测量数据以确定校准数据，其中，该校准数据被配置成可用于表征或补偿随着径向距离感测光束围绕旋转轴线的所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。例程1700从1750前进到1760，其中，该例程可以终止或执行附加处理(诸如存储校准数据和/或确定附加的校准数据等)。
例程1700的实施例可以执行比所示出的动作更多的动作，可以执行比所示出的动作更少的动作，并且可以按各种次序或顺序来执行动作。例如，在实施例中，例程1700可以并行地获得多个测量距离的径向距离数据集(例如，当对具有在垂直于旋转色度范围传感器系统的Z轴的平面中大致对准多个校准表面的校准对象进行测量时(参见图12C和13C至13E))。在实施例中，例程1700可以在数据集的获得完成之前处理一个或多个径向距离测量数据集。在另一个实例中，在一些实施例中，校准信息可以包含使用干涉仪获得的数据，诸如与光学笔相关联的理想CRS距离、一个或多个标称圆柱形校准表面的半径等。例程1700可以被修改为包含检索使用干涉仪获得的数据和/或包含使用干涉仪执行测量。
如上所述，提供了一种用于提供校准数据以校正旋转色度范围传感器配置的错位误差的方法。所述旋转色度范围传感器配置被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束并且使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转。提供了一种校准对象，所述校准对象具有至少第一标称圆柱形校准表面，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准。所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处，并且包含形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征。所述角度参考特征被配置成由径向距离感测光束感测，并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知的角度或已知的角度间隔彼此定位。以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系布置所述校准对象。所述旋转轴线的方向和所述中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在5度内平行。
操作所述旋转色度范围传感器配置以提供第一组径向距离数据，所述第一组径向距离数据是在所述径向距离感测光束在相对于所述校准对象沿所述Z方向的第一Z坐标处围绕所述旋转轴旋转时获取的，所述径向距离数据以所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所感测的旋转角度作为参考。处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组径向距离数据以确定所述校准数据。所述校准数据被配置成可用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。
在一些实施方式中，所述方法包含获得第一组径向距离数据，并将所述旋转色度范围传感器配置与所述校准对象之间的Z关系调整为相对于所述校准对象沿所述Z方向的第二Z坐标，其中所述第一Z坐标与所述第二Z坐标之间的差值是已知的。所建立的标称上固定角度关系在调整期间不改变。重复所述旋转色度范围传感器配置的操作以在所述第二Z坐标处提供第二组径向距离数据。处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组径向距离数据和所述第二组径向距离数据以确定所述校准数据。所述校准数据被配置成可用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。
在一些实施方式中，所述校准对象是专用环规，并且所述方法包含将所述旋转色度范围传感器配置和所述专用环规中的至少一个安装在被约束成沿所述Z方向移动的精确Z运动台组件上。操作所述精确Z运动台组件以建立所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的所述已知差值。
在一些实施方式中，所述第一标称圆柱形校准表面包含形成在所述表面的壁中的至少一个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部，每个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部的Z坐标已知随着围绕所述表面的所述壁的圆周的角度而变。
在一些实施方式中，所述校准对象是专用环规，并且所述旋转色度范围传感器配置包括与所述旋转色度范围传感器配置集成的第一环规安装特征。所述专用环规包括配合的第二环规安装特征，所述配合的第二环规安装特征被配置成与所述第一环规安装特征配合并且当如此配合时根据作为约束关系的关系来对准所述专用环规。
在一些实施方式中，所述旋转色度范围传感器配置包含：光学笔总成，所述光学笔总成包括容纳所述旋转色度范围传感器配置的透镜元件和旋转轴承机构的外壳元件。所述第一环规安装特征与所述旋转色度范围传感器配置的所述外壳元件集成。
在一些实施方式中，所述外壳元件和所述专用环规被配置成使得所述专用环规可以在缩回时间段期间以缩回位置保持在所述外壳元件上，使得它在所述缩回时间段期间的正常测量操作期间不阻碍或不干扰所述径向距离感测光束。在校准时间段处，所述专用环规可以移动并以校准位置保持在所述外壳元件上，在所述校准位置中，所述校准对象以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系进行布置。
在一些实施方式中，所述校准对象包含与所述第一标称圆柱形校准表面同心的第二标称圆柱形校准表面。所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面中的一个是内表面，一个是外表面，并且所述外表面的至少部分通过所述内表面可见。
在一些实施方式中，所述校准对象是玻璃管。所述第一标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的外壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的内壁。
在一些实施方式中，所述校准对象包含多个同心玻璃管。所述第一标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的一个的壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的另一个的壁。
在一些实施方式中，所述内表面具有包含多个窗口或切口的图案。通过所述图案的所述窗口或切口，所述外表面的部分是可见的。
在一些实施例中，所述校准对象包含第三标称圆柱形校准表面。所述第三标称圆柱形校准表面与所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面同心。
在一些实施方式中，所述校准对象包含具有沿所述Z方向延伸的所述中心轴线的第二标称圆柱形校准表面，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准。所述第二标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第二半径R2处。所述第二半径R2不同于所述第一半径R1。
在一些实施方式中，所述校准对象包含包括一个或多个安装特征，所述安装特征被配置成将所述校准对象耦合到所述旋转色度范围传感器配置的校准规延伸部以相对于所述旋转色度范围传感器配置以约束关系定位所述校准对象。在所述约束关系中，所述旋转轴线的方向和所述中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在5度内平行。
在一些实施方式中，当所述校准对象耦合到所述校准规延伸部时，所述第一标称圆柱形校准表面被配置成与所述旋转色度范围传感器配置具有第一Z关系，并且所述第二标称圆柱形校准表面与所述旋转色度范围传感器配置具有第二Z关系。所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的差值是已知的。
在一些实施方式中，所述校准对象的所述一个或多个表面特征包括平坦表面和凹部。
在一些实施方式中，所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面中的一个是内表面，一个是外表面，并且所述外表面的至少部分通过所述内表面可见。
在一些实施方式中，所述校准对象是玻璃管。所述第一标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的外壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的内壁。
在一些实施方式中，所述校准对象包含多个同心玻璃管。所述第一标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的一个的壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的另一个的壁。
在一些实施方式中，所述校准对象的所述内表面具有包含多个窗口或切口的图案，通过所述窗口或切口，所述外表面的部分是可见的。
在一些实施方式中，所述校准对象包含第三标称圆柱形校准表面，所述第三标称圆柱形校准表面与所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面同心。
在一些实施方式中，所述第一标称圆柱形校准表面包含形成在所述表面的壁中的至少一个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部。每个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部的Z坐标已知随着围绕所述表面的所述壁的圆周的角度而变。
在一些实施方式中，提供了一种系统，所述系统包含坐标测量机(CMM)、色度范围传感器(CRS)光学探针和校准对象。所述CMM包含光发生电路、波长检测电路和CMM控制电路。所述CRS光学探针被配置成耦合到所述CMM并且包含光学笔，所述光学笔具有包含至少共焦孔径和色散光学器件部分的共焦光学路径。所述光学笔被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束，使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转，并且沿靠近待测量工件表面的测量轴线将不同波长聚焦在不同距离处。所述校准对象用于提供校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差。
在一些实施方式中，所述CRS光学探针包含光学笔总成，所述光学笔总成包括外壳元件和第一校准对象安装特征，所述外壳元件容纳所述旋转色度范围传感器配置的透镜元件和旋转轴承机构，所述第一校准对象安装特征与所述CRS光学探针的所述外壳元件集成。
在一些实施方式中，所述外壳元件和所述第一校准对象安装特征被配置成使得所述第一校准对象安装特征可以在缩回时间段期间以缩回位置保持在所述外壳元件上，使得所述外壳元件和所述第一校准对象安装特征在所述缩回时间段期间的正常测量操作期间不阻碍或不干扰所述径向距离感测光束。在校准时间段处，所述第一校准对象安装特征可以在所述校准时间段期间移动并保持在校准位置中。
尽管已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，本领域技术人员应当理解特征的所示和所描述的布置以及操作序列的许多变化。例如，应当理解，如本文描述的坐标测量机可以是任何类型的常规坐标测量机和/或可以是利用其中确定坐标的光学探针的任何其它类型的机器(例如，利用光学探针的机器人平台等)。作为另一个实例，除了如本文描述的CRS光学探针之外，还可以在所描述的系统和配置中利用其它类型的光学探针(例如，其它非接触白光光学探针可以类似地用于经由所公开的自由空间光纤耦合等将光透射到光学探针)。还可以使用各种其它替代形式来实施本文所公开的原理。另外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步实施。本说明书中提及的所有美国专利特此以引用方式全部并入本文。如果需要采用各种专利和申请的概念以提供另外的实施方式，则可以修改实施方式的各方面。
可以根据上述详细描述对实施凡是进行这些和其它改变。-通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实施方式，而应当被解释为包含所有可能的实施方式以及此类权利要求被授权的等同物的全部范围。

Claims (24)

1.一种用于提供校准数据以校正旋转色度范围传感器配置的错位误差的方法，所述旋转色度范围传感器配置被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束并且使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转，所述方法包括：
a)提供具有至少第一标称圆柱形校准表面的校准对象，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，其中：
所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处，并且
所述第一标称圆柱形校准表面包含形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征，其中，所述角度参考特征被配置成由所述径向距离感测光束感测并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知角度或已知角度间隔彼此定位；
b)以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系布置所述校准对象，其中，所述旋转轴线的方向和所述中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在5度内平行；
c)操作所述旋转色度范围传感器配置以提供第一组径向距离数据，所述第一组径向距离数据是在所述径向距离感测光束在相对于所述校准对象沿所述Z方向的第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转时获取的，所述径向距离数据以所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所感测的旋转角度作为参考；以及
d)处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组径向距离数据以确定所述校准数据，其中，所述校准数据被配置成能够用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括：
第一次执行所述步骤a)至c)以在相对于所述校准对象沿所述Z方向的所述第一Z坐标处提供所述第一组径向距离数据；
将所述旋转色度范围传感器配置与所述校准对象之间的Z关系调整为相对于所述校准对象沿所述Z方向的第二Z坐标，其中，所述第一Z坐标与所述第二Z坐标之间的差值是已知的，而不改变在步骤b)中建立的所述标称固定角度关系；
重复步骤c)以在所述第二Z坐标处提供第二组径向距离数据；以及
在步骤d)中，处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组径向距离数据和所述第二组径向距离数据以确定所述校准数据，其中，所述校准数据被配置成能够用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述校准对象是专用环规，并且重复步骤c)以在所述旋转色度范围传感器配置与所述专用环规之间的第二Z关系下提供第二组径向距离数据，其中，所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的差值是已知的，所述方法包括：
将所述旋转色度范围传感器配置和所述专用环规中的至少一个安装在被约束成在步骤b)中沿所述Z方向移动的精确Z运动台组件上，并且操作所述精确Z运动台组件以建立所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的所述已知差值。
4.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一标称圆柱形校准表面包括形成在所述表面的壁中的至少一个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部，每个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部的Z坐标已知随着围绕所述表面的所述壁的圆周的角度而变；以及
在步骤d)中处理所述第一组和所述第二组以确定所述校准数据，其中所述校准数据被配置成能够用于表征或补偿随着所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线的所述所感测的旋转角度而变的径向距离测量误差和Z坐标位置误差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述校准对象是专用环规，所述旋转色度范围传感器配置包括与所述旋转色度范围传感器配置集成的第一环规安装特征，并且所述专用环规包括配合的第二环规安装特征，所述配合的第二环规安装特征被配置成与所述第一环规安装特征配合并且当如此配合时根据在步骤b)中作为约束关系的关系来对准所述专用环规。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述旋转色度范围传感器配置包含：光学笔总成，所述光学笔总成包括容纳所述旋转色度范围传感器配置的透镜元件和旋转轴承机构的外壳元件；以及与所述旋转色度范围传感器配置的所述外壳元件集成的所述第一环规安装特征。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述外壳元件和所述专用环规被配置成使得所述专用环规能够在缩回时间段期间以缩回位置保持在所述外壳元件上，使得所述专用环规在所述缩回时间段期间的正常测量操作期间不阻碍或不干扰所述径向距离感测光束，并且在校准时间段处，所述专用环规能够在所述校准时间段期间移动并以符合步骤b)的校准位置保持在所述外壳元件上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准对象包含与所述第一标称圆柱形校准表面同心的第二标称圆柱形校准表面，其中，所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面中的一个是内表面，一个是外表面，并且所述外表面的至少部分通过所述内表面可见。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述校准对象包括以下至少一项：
玻璃管，其中，所述第一标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的外壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的内壁；
多个同心玻璃管，其中，所述第一标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的一个的壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的另一个的壁；
第三标称圆柱形校准表面，所述第三标称圆柱形校准表面与所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面同心；或者
所述内表面上的图案，所述图案包含多个窗口或切口，通过所述窗口或切口，所述外表面的部分是可见的。
10.一种系统，其包括：
坐标测量机(CMM)，所述CMM包括：
光发生电路；
波长检测电路；以及
CMM控制电路；
色度范围传感器(CRS)光学探针，所述CRS光学探针被配置成耦合到所述CMM，所述CRS光学探针包括光学笔，所述光学笔具有包含至少共焦孔径和色散光学器件部分的共焦光学路径，所述光学笔被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束，使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转，并且沿靠近待测量工件表面的测量轴线将不同波长聚焦在不同距离处；以及
校准对象，所述校准对象用于提供校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，所述校准对象包括：
至少第一标称圆柱形校准表面，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处；以及
形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征，其中，所述角度参考特征被配置成由所述径向距离感测光束感测并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知角度或已知角度间隔彼此定位。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述CRS光学探针包含光学笔总成，所述光学笔总成包括外壳元件和第一校准对象安装特征，所述外壳元件容纳所述旋转色度范围传感器配置的透镜元件和旋转轴承机构，所述第一校准对象安装特征与所述CRS光学探针的所述外壳元件集成。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述外壳元件和所述第一校准对象安装特征被配置成使得所述第一校准对象安装特征能够在缩回时间段期间以缩回位置保持在所述外壳元件上，使得所述外壳元件和所述第一校准对象安装特征在所述缩回时间段期间的正常测量操作期间不阻碍或不干扰所述径向距离感测光束，并且在校准时间段处，所述第一校准对象安装特征能够在所述校准时间段期间移动并保持在校准位置中。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述校准对象包括第二标称圆柱形校准表面，所述第二标称圆柱形校准表面具有沿所述Z方向延伸的所述中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，所述第二标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第二半径R2处，所述第二半径R2不同于所述第一半径R1。
14.根据权利要求13所述的系统，其中当所述校准对象耦合到所述第一校准对象安装特征时，所述第一标称圆柱形校准表面被配置成与所述CRS光学探针具有第一Z关系，并且所述第二标称圆柱形校准表面与所述旋转色度范围传感器配置具有第二Z关系，其中，所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的差值是已知的。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述校准对象包括第二标称圆柱形校准表面，所述第二标称圆柱形校准表面具有沿所述Z方向延伸的所述中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，所述第二标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第二半径R2处，所述第二半径R2不同于所述第一半径R1，其中，所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面中的一个是内表面，一个是外表面，并且所述外表面的至少部分通过所述内表面是可见的。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述内表面具有包含多个窗口或切口的图案，通过所述窗口或切口，所述外表面的部分是可见的。
17.一种用于提供校准数据以校正旋转色度范围传感器配置的错位误差的校准对象，所述旋转色度范围传感器配置被配置成相对于旋转轴线沿径向方向引导径向距离感测光束并且使所述径向距离感测光束围绕所述旋转轴线旋转，所述校准对象包括：
至少第一标称圆柱形校准表面，所述第一标称圆柱形校准表面具有沿Z方向延伸的中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，所述第一标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第一半径R1处；以及
形成在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中的第一组角度参考特征，其中，所述角度参考特征被配置成由所述径向距离感测光束感测并且在所述第一标称圆柱形校准表面上或其中围绕所述中心轴线以已知角度或已知角度间隔彼此定位。
18.根据权利要求17所述的校准对象，其包括：
第二标称圆柱形校准表面，所述第二标称圆柱形校准表面具有沿所述Z方向延伸的所述中心轴线，所述中心轴线旨在大致平行于所述旋转轴线对准，所述第二标称圆柱形校准表面被布置在距沿所述Z方向延伸的所述中心轴线已知的第二半径R2处，所述第二半径R2不同于所述第一半径R1。
19.根据权利要求18所述的校准对象，其包括一个或多个安装特征，所述一个或多个安装特征被配置成将所述校准对象耦合到所述旋转色度范围传感器配置的校准规延伸部以相对于所述旋转色度范围传感器配置以约束关系定位所述校准对象，其中，所述旋转轴线的方向和所述中心轴线的方向相对于彼此处于标称固定角度关系并且彼此在5度内平行。
20.根据权利要求19所述的校准对象，其中，当所述校准对象耦合到所述校准规延伸部时，所述第一标称圆柱形校准表面被配置成与所述旋转色度范围传感器配置具有第一Z关系，并且所述第二标称圆柱形校准表面与所述旋转色度范围传感器配置具有第二Z关系，其中，所述第一Z关系与所述第二Z关系之间的差值是已知的。
21.根据权利要求19所述的校准对象，其中，所述一个或多个表面特征包括平坦表面和凹部。
22.根据权利要求18所述的校准对象，其中，所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面中的一个是内表面，一个是外表面，并且所述外表面的至少部分通过所述内表面可见。
23.根据权利要求22所述的校准对象，其包括以下至少一项：
玻璃管，其中，所述第一标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的外壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述玻璃管的内壁；
多个同心玻璃管，其中，所述第一标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的一个的壁，并且所述第二标称圆柱形校准表面是所述多个玻璃管中的另一个的壁；
第三标称圆柱形校准表面，所述第三标称圆柱形校准表面与所述第一标称圆柱形校准表面和所述第二标称圆柱形校准表面同心；或者
所述内表面上的图案，所述图案包含多个窗口或切口，通过所述窗口或切口，所述外表面的部分是可见的。
24.根据权利要求18所述的校准对象，其中：
所述第一标称圆柱形校准表面包括形成在所述表面的壁中的至少一个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部，每个相应的完整或部分螺旋形凹槽或脊部的Z坐标已知随着围绕所述表面的所述壁的圆周的角度而变。
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