CN113566700B - 具有校准对象的旋转色度范围传感器系统及方法 - Google Patents

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圆柱形校准对象和球形校准对象。所述圆柱形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。所述球形校准对象包含具有第一多个表面部分的标称球形校准表面。所述CMM被操作以获得径向距离测量值并使用所述圆柱形校准对象的径向距离测量值来确定圆柱形校准数据，并使用所述球形校准对象的径向距离测量值来确定球形校准数据。

Description

具有校准对象的旋转色度范围传感器系统及方法

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、旋转角度、 Z位置误差，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。

需要一种用于校准联接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用于坐标测量机(CMM)的校准数据的校准系统。校准系统包含 CMM，该CMM包括光发生电路系统、波长检测电路系统和CMM控制电路系统，以及被配 置成联接到CMM的色度范围传感器(CRS)光学探针。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。校准系统包含圆柱形校准对象和球形校准对象。

所述圆柱形校准对象用于提供圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，并 且包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表面。所述CRS光学探针被 配置成提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆 柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时 获取的。所述圆柱形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，并且为此处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组圆柱形径向 距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

所述球形校准对象包括标称球形校准表面，所述标称球形校准表面用于提供球形校准数 据以校正所述CRS光学探针的错位误差。对于所述标称球形校准表面上的第一多个表面部 分，对于每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所 述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此所述光学笔也沿扫 描轴线方向移动(即，相应地沿所述扫描轴线方向移动所述径向距离感测光束)以获取所述 一组球形径向距离数据。处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确 定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述多个表面部 分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

在一些实施方式中，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。提供圆柱形校准对象和球形校准对象。

所述圆柱形校准对象包括至少第一标称圆柱形校准表面，所述至少第一标称圆柱形校准 表面具有沿Z方向延伸的中心轴线并且以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系来布 置。所述旋转色度范围传感器配置操作以提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转 轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。所述圆柱形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圆柱形径向距离数据以确定第一组圆柱形校准数据。

所述球形校准对象包括标称球形校准表面，所述标称球形校准表面具有第一多个表面部 分并且以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系来布置。操作所述旋转色度范围传感器 配置以对所述第一多个表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径 向距离数据是在所述旋转色度范围传感器配置的光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标 称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述旋转色度范围传感器配 置的所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所 述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

在一些实施方式中，提供了一种校准系统，所述校准系统用于包括色度范围传感器(CRS) 光学探针的CRS配置。所述校准系统包括：所述圆柱形校准对象，所述圆柱形校准对象用于 提供圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差；所述球形校准对象，所述球形校 准对象用于提供球形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差；以及工作台(例如，包 括表面板)，所述工作台被配置成相对于所述CRS光学探针定位所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象。

在一些实施方式中，所述系统包含控制部分(例如，包含一个或多个控制器、控制电路 等)，所述控制部分被配置成对与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据执行 处理，以确定被指示为最接近所述光学笔的所述所感测的最接近表面点，并至少部分地基于 与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。所述控制部分还可以被配置成将所述圆柱形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，并且处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组 圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

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的该组实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。

图18是示出包含CMM和示范性校准组件的坐标测量系统的各种示范性组件的图式。

图19示出了球形校准对象形式的校准对象的实施例。

图20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。

图21是示出用于通过对球形校准对象进行径向距离测量来获得球形校准数据的例程的 一个示范性实施例的流程图。

图22是用于示出在光学笔相对于球形校准对象处于第一取向和标称间隙距离时对球形 校准对象的多个表面部分进行径向距离测量的概念图。

图23和24是用于示出处理径向距离数据以确定球形校准对象的多个表面部分的最接近 点并使用最接近点来生成球形校准数据的概念图。

图25A和25B是用于示出获得球形校准对象的表面部分的球形径向距离数据的图式。

图26是用于示出在光学笔相对于球形校准对象处于第二取向和标称间隙距离时对球形 校准对象的多个表面部分进行径向距离测量的概念图。

图27A是用于示出具有获得球形校准对象的径向距离测量的光学笔的CMM的理想对准 的概念图。

图27B和27C是用于示出在使用具有光学笔的CMM获得球形校准对象的径向距离测量 的背景下的各种错位误差的概念图。

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(其可以用作径向距离感测光束)，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)联接 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(例如，其可以用作径向距离感测光束)。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(chromatic ranging system))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、联接到 基座部分218的波长检测器安装部分219A，以及联接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ID 520和光学笔ID 525。探针信号处理和控制电路207的组件通过数据传输线 201彼此联接并联接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ID 520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ID 525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，例如，如关于图7A至13E、16和20至27C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 述的配置联接到快速交换支座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工作台误差等)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是圆柱形校准对象，该圆柱形校准对象通过校准规延伸部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 前未联接到校准对象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，它可以联接到校准对象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的圆柱形环规。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一些实 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Pideal 850。

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θ_m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旋转取向角φ_m取向的平面内(图示中未示出)。旋转轴线错位角度θ_r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旋转错位取向角φ_r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δθ_o和输出法向 旋转(标称水平方向)轴线误差δφ_o(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θ_m为6°，安装轴线 错位旋转取向角φ_m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θ_r为8°，旋转轴线错位取向 角φ_r为40°，输出法向旋转轴线误差δφ_o为10°，输出法向仰角误差δθ_o为5°，以及理想校准测 量距离为1000μm。在一定程度上，旋转相关误差(符号φ)联接到旋转偏移误差和谐波相位 误差，而轴线错位和仰角误差(符号θ)联接到半径和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。旋转误差主要是一次谐波，如图所示，该一次谐波在大约-50μm的旋转偏移常数附近振荡。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。在另一个实例中，在一些实施例中可 以采用对多个校准对象进行的径向距离测量，诸如对多个圆柱形校准对象进行的测量、对多个球形校准对象进行的测量，或对多种类型的校准对象进行的测量(例如，对圆柱形校准对 象和球形校准对象进行的测量)。

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：以已知间隔分开的旋转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提供旋转位置校准信息，并且倾斜线910提供关于旋转指示器或 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上的特定旋转位置。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 色度范围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R_1i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R_2i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R_2O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，并且旋转和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，旋转色度范围传感器配置(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是使用圆柱形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轴工作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D_C和ω_c(上面没有出现的Z_c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：

D_C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；

ω_c表示光学笔旋转编码器的补偿后的旋转角度输出；

Z_c表示光学笔旋转编码器平台的补偿后的Z轴工作台位置输出；

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；

R_L表示径向线性(缩放)项系数；

C_R1表示径向一次谐波项振幅系数；

θ_R1表示径向一次谐波项相位系数；

C_R2表示径向二次谐波振幅系数；

θ_R2表示径向二次谐波项相位系数；

表示旋转测量误差，其包含具有以下系数的项：

表示旋转偏移常数项；

表示旋转线性(缩放)项系数；

表示旋转一次谐波振幅系数；

表示旋转一次谐波相位系数；

表示旋转二次谐波振幅系数；

表示旋转二次谐波相位系数；

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；

Z_L表示Z轴线性(缩放)项系数；

C_z1表示Z轴一次谐波项振幅系数；

θ_Z1表示Z轴一次谐波项相位系数；

C_z2表示Z轴二次谐波项振幅系数；

θ_Z2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

R_RCPS，c表示完全补偿的测量径向距离；

表示完全补偿的测量的旋转角度；

Z_RCPS，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R_L、和Z_L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，也可以利用具有旋转和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旋转和Z轴误差。在这种情况下，线性拟合可以 包含线性系数R_L、/>和Z_L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R_i平 均半径数据处拟合线性和偏移项以确定线性校正系数R_L、/>和Z_L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+R_LD_C)导致利用所确 定的校正后的斜率R_L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轴或旋转角度参考图案对Z轴和旋转角度进行类似的校 正。

图16是在不同距离(如图所示，在四个不同量规距离处)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的圆柱形校准对象746、图9A至9D的圆 柱形校准对象946、图10的圆柱形校准对象1046、图11A至11C的圆柱形校准对象1146和1146′、图12A和12B的圆柱形校准对象1246、图12C的圆柱形校准对象1246′、图13A至13E的圆柱形校准对象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。

如上文所提及的，作为圆柱形校准对象的补充或替代，可以采用其它校准对象。例如， 可以采用球形校准对象。

图18是示出包含CMM 210的坐标测量系统1800的各种实例性组件的图式，该CMM包含多个校准对象。坐标测量系统1800可以类似于图2的坐标测量系统200，并且包含某些组件的附加细节和操作的实例，该组件由类似或相同的附图标记指示。坐标测量系统1800可以 包含手动操作单元1810，以及包括接口电子器件202′和主计算机206(例如，包含计算机和 用户接口)的主电子系统。接口电子器件202′可以包含例如控制CMM 210的移动的运动控制 器205、探针信号处理和控制电路207(例如，其也可以或替代地包含在其它组件中)，以及 (例如，通过信号和控制线201A)连接到CRS光学探针系统215的接口电路(未示出)。手动操作单元1810可以(例如，通过信号和控制线201C)联接到接口电子器件202′和/或作为接口电子器件的一部分，并且可以包含用于手动操作CMM 210的操纵杆1811。主计算机206(例如，通过信号和控制线201B)联接到接口电子器件202′，并且可以通过用户输入或程序控制来操作CMM 210，并且处理工件W的测量数据，该工件W可以包含待测量测量表面 290(例如，测量表面290可以包括工件W中的螺纹孔的内表面)。主计算机206包含用于输 入例如测量条件或指令的输入装置1812(例如，键盘等)，以及用于输出例如测量结果的输出 装置1813(例如，显示器、打印机等)。在各种实施例中，主计算机206和接口电子器件202′ 可以被合并和/或是不可区分的。在各种实施方式中，信号和控制线201A至201C可以是通 用数据传输线/总线配置201的一部分。

CMM 210包含位于表面板1852上的驱动机构1851和用于将CRS光学探针系统215附接到驱动机构1851的附接部分236(例如，可以包含在附接到铰接式探头213上的自动交换接头元件)。驱动机构1851包含用于以三维方式移动CRS光学探针系统215的x轴滑动机构1851X、y轴滑动机构1851Y和Z轴滑动机构1851Z。在各种实施方式中，CRS光学探针系 统215可以自动地存储在存储架(未示出)中，并且可以根据已知原理自动地从存储架中移 除并在自动接头连接件230处(例如，在检查程序的控制下)附接到附接部分236，该自动接 头连接件可以包括提供各种可互换CMM探针或传感器所共有的物理接口的精确运动学安装 特征、光纤连接、电连接等。作为测量或校准操作的一部分，如本文所述，CRS光学探针系 统215由CMM 210相对于表面(例如，工件的测量表面290或校准对象的测量表面等)定 位，并将测量光束296(例如，径向距离感测光束)引向该表面。如图18所示，表面板1852(例如，其可以用作CMM 210的工作台)可以具有定位在其上的各种校准对象(例如，该校 准对象在一些实施方式中可以固定到表面板1852或以其它方式定位在已知坐标处)。在图18 的实例中，球形校准对象1898、圆柱形校准对象1846A和圆柱形校准对象1846B被示出为定 位在表面板1852上，如可以用于如本文所述的各种校准过程。圆柱形校准对象1846A和1846B 可以具有与相应的标称圆柱形校准表面不同的半径。如上所述，在一些实施方式中，可以提 供包含具有不同半径的两个不同标称圆柱形校准表面的单个圆柱形校准对象，而不是具有带不同半径的两个圆柱形校准对象。

图19示出了用于获得球形校准数据以校正CMM的CRS光学探针(参见例如图18的CMM 210的光学探针系统215)的错位误差的球形校准对象1998形式的校准对象的第一实施例。球形校准对象1998包括标称球形校准表面1904，并且通常可以由表面板1852上方的支撑结构1906支撑(例如，可以是表面板1852的一部分或位于表面板上)。

假定已知球形校准对象1998的标称半径R_S(因此也是直径)和参考中心C_S。如在图20 至27C的讨论中更详细地讨论的，使用球形校准对象进行的径向距离测量可以用于确定球形 校准数据，诸如半径、旋转角度和Z位置球形校准信息。

在各种实施例中，诸如图18的校准对象1898或图19的校准对象1998之类的一个或多 个球形校准对象可以与一个或多个圆柱形校准对象(参见例如图18的圆柱形校准对象1846A 和1846B)一起使用，以获得用于确定诸如圆柱形和球形校准数据之类的校准数据的径向距离测量。例如，在一些实施方式中，可以对一个或多个圆柱形校准对象进行径向距离测量以 获得圆柱形半径校准数据，并且可以对一个或多个球形校准对象进行径向距离测量以获得旋 转角度和Z位置球形校准数据。使用圆柱形校准对象来获得半径校准数据以及使用球形校准 对象来获得旋转角度和Z位置校准数据可以便于使用简单的圆柱形校准对象，因为当替代地使用球形校准对象的径向距离测量来获得旋转角度和Z位置校准数据时，可以避免将图案添 加到圆柱形校准对象以便于获得旋转角度和Z位置校准数据。当然，一些实施例可以从诸如 圆柱形校准对象和球形校准对象之类的各种校准对象的径向距离测量获得半径、旋转角度和 Z位置校准数据的各种组合。

图20是示出用于校准CMM的旋转色度范围传感器配置的例程2000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公开的一个或多个校准对象的CMM的一个或 多个实施例采用。在实施例中，例程2000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。例如探针信号处理和控制电路(例 如，图2、5和18的探针信号处理和控制电路207)、基本校准例程等可以调用例程2000。

如图所示，例程2000开始于2002，其中可以执行CMM的基本校准。在各种实施方式中，这种基本校准可以在工厂执行(例如，稍后执行例程2000的其它步骤)和/或也可以在其它时间(例如，在现场等)执行。在一些实施方式中，“基本校准”可以替代地被称为“工厂 校准”和/或“初始校准”。基本校准可以包含利用从光学笔移动一系列距离的测量校准表面(例如，诸如镜子的反射表面)。在各种实施方式中，每个实际距离是已知的，被测量和/或以其它方式确定(例如，利用干涉仪)，并且还利用光学笔来测量距离。实际距离与用光学笔测量的距离之间的差值用于确定每个距离的校正值，该校正值可以用于生成每个校正后距离Dc 的校正表(例如，可以对该表中记录的距离之间的距离进行插值等)。基本校准2002可以包 含获得其它校准数据，诸如进行径向距离测量以确定校准偏移信息(参见例如图14至19和 21至27C及其讨论)、将一个或多个校准对象(例如，圆柱形校准对象、球形校准对象)配准到光学笔(例如，参考图18和19，确定圆柱形校准对象1846a、1846b的半径和参考中心的值、确定表面板1852上的球形校准对象1898、1998的标称半径R_S和参考中心C_S的值) 等，及其各种组合。

例程2000从2002前进到2004。在2004处，例程2000使用一个或多个圆柱形校准对象 获得圆柱形校准数据。这可以例如如上面关于图14至17所讨论的那样进行。例如，可以使 用被配准到笔的圆柱形校准对象来获得半径校正校准数据，例如在有或没有Z工作台扫描的 情况下有两个或更多个可用的阶梯式半径(例如：可以在一次Z扫描中测量具有不同半径的 三个环规的堆叠，或者在没有Z工作台扫描的情况下可以在两次测量中采用并测量两个环规) 以获得至少半径偏移和线性校正系数数据以校正旋转笔时的机械错位误差。在一些实施例中， 可以在该阶段处获得旋转角度、Z位置以及一次和二次谐波误差校准信息，并且建立参考原 点。应注意，由于存在较少的平移运动轴线，圆柱形校准对象在一些实施方式中可以为光学笔提供比通常使用球形校准对象获得的半径校正信息(例如，在以下描述的2006处)更准确 的半径校正信息，诸如偏移、线性和旋转二次谐波校正信息，这可以导致减小校准误差等。

例程2000从2004前进到2006。在2006处，例程2000通过使用一个或多个球形校准对 象进行径向距离测量来获得校准数据。图21是示出用于通过对球形校准对象进行测量来获得 校准数据的例程2100的一个示范性实施例的流程图，该球形校准对象可以由例如具有如本文 所公开的一个或多个校准对象的CMM的一个或多个实施例采用。例程2100可以例如由图20 的例程2000在2006处调用。图22至27C是用于示出通过获得球形校准对象的径向距离测 量数据以及可以在补偿例程中对其使用所获得的校准数据的误差的实例性类型来确定校准数据的过程的概念图。为了方便起见，将参考图22至25描述例程2100。

如图所示，例程2100在2112处开始，其中例程2100操作旋转色度范围传感器配置以对 球形校准对象1998(例如，参见图25A)的表面的第一表面部分(例如，贴片)提供对应的 一组球形径向距离数据，该对应的一组球形径向距离数据是在旋转色度范围传感器配置的光 学笔与球形校准对象1998近似相距第一标称间隙位置位置或距离D1时根据光学笔220的第 一取向围绕旋转轴线旋转径向距离感测光束时获取的。当探针测量光束(例如，径向距离感测光束)沿探针/笔坐标系的Z轴(其在图22所示的取向上对应于球形校准对象坐标系中的 Z轴并且对应于扫描轴线方向SA)旋转和移动时，获得径向距离数据，从而产生与最接近光 学笔的圆柱形校准对象的贴片相对应的测量。图25A和25B示出了当径向距离感测光束296 在多个位置处围绕光学笔220的旋转轴线PA(例如，其可以对应于光学笔/探针坐标系的Z 轴)(例如，根据旋转角度ω)旋转时的表面部分(例如，贴片)的点和对应的数据测量(例如，对应于所感测的径向距离R)，对于该多个位置，光学笔220(以及相应的径向距离感测 光束296)沿扫描轴线方向SA相对于球形校准对象1998移动。在各种实施方式中，光学笔 220沿扫描轴线方向SA相对于球形校准对象1998的移动可以至少部分地是相对移动。例如， 在一些实施方式(任选的)中，球形校准对象1998可以在能够在一维或多维(例如，1D、2D 或3D)中移动球形校准对象1998的工作台或其它机构(例如，定位在表面板上或作为表面 板的一部分等)上，这因此可以导致光学笔220相对于球形校准对象1998产生相对移动(即， 当球形校准对象1998被工作台或其它机构相对于光学笔220移动时)。

如图22所示，光学笔220被定位在距球形校准对象1998的表面1904的第一标称间隙距 离D₁处，并且被操作以获得与球形校准对象1998的第一表面部分(例如，贴片)相对应的 径向距离数据，对于该径向距离数据可以确定对应的最接近的接近点P₁，如下面将更详细地 描述的。在沿扫描轴线方向SA的多个位置处获得与第一表面部分相对应的数据(例如，参见 图25A和25B)。在各种实施方式中，用于获得与第一表面部分相对应的径向距离数据的操作 可以包括将包含光学笔220的CRS光学探针移动到沿扫描轴线方向SA的一系列位置(即， 同时维持间隙距离D1)，并且在每个位置处旋转光学笔220的径向距离感测光束以获得与第 一表面部分的一部分相对应(即，与沿扫描轴线方向SA的当前位置相对应的)的径向距离数 据。根据此类操作，可以获得与表面部分相对应的径向距离数据(例如，参见图25A，其关 于用于表面部分的此径向距离数据的实例的图形表示)。例程2100从2112前进到2114。

在2114处，例程2100基于针对球形校准对象的表面1904的表面部分(例如，贴片)获 得的对应的一组球形径向距离数据来确定光学笔220最接近该表面部分的接近点(例如，CP 或P_i，参见图22的P₁至P₄、图23、25A、27A至27C的CP、图26的p₁′至P₄′)。参考图 25A，最接近的接近点CP可以与在旋转角度i和距离z_i处收集的法向矢量相关联。该最接近 的接近点CP可以例如使用基于已知半径(参见图19的半径R_S)的平滑拟合到球面算法、其 它拟合函数等来获得。表面部分或贴片的大小(例如，沿扫描轴线方向SA的Z轴扫描的范 围)可以被选择为在提供对最接近的接近点的足够准确的确定的范围内(例如，使用基于已知半径的拟合到球面算法)。例程2100从2114前进到2116。

在2116处，例程2100确定是否在标称间隙距离D₁处并根据第一取向获得与球形校准对 象1998的另一个表面部分(例如，贴片)相对应的一组径向距离数据。通常，将在给出的间 隙距离和取向处获得球形校准对象的至少两个贴片的径向距离数据集。如图22所示，为四个 贴片获取径向距离数据集以便分别确定四个对应的最接近的接近点P₁、P₂、P₃和P₄(即，每 个贴片一个最接近的接近点)。为了便于说明，示出了沿球形校准对象1998的赤道似的圈EQ 的所示部分间隔开的最接近的接近点(即，最接近的接近点中的每一者对应于一个贴片)(赤 道似的圈EQ可以由贴片的所确定的最接近的接近点P₁至P₄标称地定义)。通常，贴片和/或 对应的最接近的接近点可以在球形校准对象1998的标称球形校准表面1904上均匀分布和/或 彼此等距。例如，贴片和/或对应的最接近的接近点可以沿球形校准对象1998的赤道似的圈 EQ均匀分布。

如图22所示，光学笔220的坐标系的Z轴(即，对应于光学笔轴线PA)与球形校准对象1998的参考轴线Z_S标称对准(或平行)。在一些实施方式中，球形校准对象1998的参考 轴线Z_S通常可以与重力对准和/或平行于CMM坐标系Z轴方向。

可以采用阈值数量来确定是否获得与表面1904的另一个表面部分或贴片相对应的一组 径向距离数据(例如，可以获得与贴片相对应的多组径向距离数据，直到获得阈值数量(例 如，4、6等)的此类数据集)。阈值数量可以基于各种因素来确定，诸如期望的补偿准确度、 基于球形校准数据要补偿的校准误差的类型、是否要获得多个标称间隙距离或取向处的数据、可用的数据处理资源等。

当在2116处确定在标称间隙距离和第一取向处获得与球形校准对象的另一个表面部分 (例如，贴片)相对应的一组径向距离数据时，例程从2116进行到2118，其中光学笔被重新 定位(在图22的实例中，不改变取向)到与球形校准对象近似相距第一标称间隙位置或距离 D₁的另一个位置(例如，赤道似的圈EQ周围的另一个位置)，以获得与球形校准对象的另一 个表面部分相对应(例如，与具有对应的最接近的接近点P₂的贴片相对应)的另一组径向距 离数据。该位置可以沿球形校准对象的标称赤道似的圈EQ(例如，在某些理想配置中在法向 于探针轴线PA的平面中)。当使用球形校准对象获得多组径向距离数据时，在一些情况下，对应的多个位置可以沿标称赤道似的圈彼此标称等距。例如，如果针对两个表面部分(例如， 贴片)获得数据，则贴片可以沿赤道似的圈EQ间隔开180度。例程2100从2118进行到2112 以获取球形校准对象的另一个表面部分的数据。

当在2116处确定没有在当前标称距离处并根据当前(例如，第一、第二等)取向获得与 球形校准对象的另一个表面部分相对应的一组径向距离数据时，例程从2116进行到2120， 其中例程处理与一组表面部分相关联并在标称间隙距离和当前(例如，第一、第二等)取向 处获得的径向距离数据、最接近点信息或两者，以根据当前取向生成或确定针对当前标称间 隙距离的球形校准数据(例如，诸如半径、Z位置和旋转角度球形校准数据)。

例如，参考图23和24，在图22中正考虑的实例中，已经确定了光学笔220沿赤道似的 圈到球形校准对象1998的表面1904的贴片的五个最接近的接近点CP。可以使用校准对象的 标称半径R_S(参见图19)或直径将这五个点拟合到球体，这也是已知的。例如，可以将这五 个点变换到CMM的坐标系并对其求平均以找到球形校准对象1998的中心的参考位置RP。 关于沿光学笔轴线PA和/或扫描轴线方向SA的五个点的偏差的信息(例如，这五个点中的 任何点对于当前探针取向而言在赤道似的圈平面之外的范围)可以用于生成Z位置校准信息， 并且旋转编码器信息(例如，参见图6的编码器630)可以用于生成旋转校准信息。换句话说，参考图24，标称点与测量点之间的差值可以用作或用于生成校准数据。此类差值可以被 表示为(ΔR(，)，Δ(，)，Δ(，))，其中是旋转旋转角度，并且z是光学笔轴线PA上的Z轴位置(即， 对于该Z轴位置，探针/笔坐标系的Z轴可以对应于光学笔轴线PA)。因此，可以获得与随着 旋转角度和光学笔轴线PA上的位置z而变的每个点相对应的指向误差的数据。

通过对球形校准对象的多个表面部分(例如，贴片)进行径向距离测量来获得校准数据 (每个表面部分的大小足以准确地确定最接近点)便于避免在大的表面斜率下进行测量时的像 差，并且避免外推单个表面贴片的拟合来找到参考中心的误差。球形校准对象可以是CMM 的标准大小，这便于在多个取向处获得球形校准数据(例如，参见图22和26，其示出了光学 笔220相对于CMM坐标系的不同取向)。例程2100可以从2120返回到调用例程，诸如图20 的例程2000，以提供所生成的球形校准数据。

再次参考图20，例程2000从2006进行到2008，其中该例程根据光学笔220相对于球形 校准对象1998的另一个取向来确定是否在第一标称间隙距离处获得附加的校准数据。在光学 笔相对于球形校准对象的不同取向处，重力可能在使用旋转测量光束获得的测量中引入不同 的误差。在光学笔220的不同取向处获得校准测量便于获得更准确的校准数据，以便在希望在光学笔的Z轴处于与重力不同地对准的取向中进行测量时使用。换句话说，可以通过在光 学笔相对于球形校准对象的多个取向处获取径向距离数据来获得用于校正重力对CMM 210 和光学笔220的组件的影响的球形校准数据。

当在2008处确定根据光学笔相对于球形校准对象的另一取向在第一标称间隙距离处获 得附加的校准数据时，例程2000从2008进行到2010，其中修改光学笔220相对于球形校准 对象1998的取向。

图22和26是示出光学笔220相对于球形校准对象1998的不同取向的概念图。在图22 和26中，实施例的球形校准对象1998的坐标系的参考轴线ZS可以被视为是竖直的(例如， 与重力矢量标称对准)并且可以被视为平行于CMM坐标系的Z轴。在图22中，光学笔轴PA和光学笔220沿其移动(例如，用于扫描球形校准对象1998的表面1904的贴片)的扫描 轴线方向SA也平行于CMM坐标系的Z轴和参考轴线Z_S。在图26中，光学笔轴PA和光学 笔220沿其移动的扫描轴线方向SA不平行于CMM坐标系的Z轴(即，相对于CMM坐标 系的Z轴成角度)。因此，图22的光学笔相对于球形校准对象1998具有与图26的光学笔不 同的取向。

在2010处修改光学笔相对于球形校准对象的取向(例如，从图22的取向改变到图26的 取向)之后，例程2000返回到2006，以根据光学笔相对于球形校准对象的修改后取向来获得 球形校准数据。例如，参考图26，可以为具有对应的最接近的接近点P₁′、P₂′、P₃′和P₄′的四 个贴片获取径向距离数据集，如图所示，这些最接近的接近点沿球形校准对象1998的赤道似 的圈EQ′的一部分，该赤道似的圈EQ′不同于图22所示的赤道似的圈EQ。

当在2008处没有确定根据光学笔220相对于球形校准对象1998的另一取向在第一标称 间隙距离处获得附加的校准数据时，例程2000从2008进行到2012，其中该例程确定是否在 光学笔220相对于球形校准对象1998的另一个标称间隙位置或距离处获得附加的校准数据。以类似于以上关于图14至17所讨论的方式，在光学探针的色度范围内的多个间隙位置或距 离处获得球形校准数据可以便于生成随着所测量的距离或半径而变的校准偏移和线性缩放数 据，以补偿各种错位误差。

当在2012处确定在光学笔220相对于球形校准对象1998的另一个标称间隙位置或距离 处获得附加的校准数据时，例程2000从2012进行到2014，其中修改光学笔220相对于球形 校准对象1998的标称间隙位置或距离。例程从2014进行到2006，以在例如与图22和26的 间隙距离D1不同的修改后的间隙位置或距离处获得球形校准数据(例如，修改后的间隙距 离D₂可以大于或小于D₁)。如将在下面更详细描述的，图27B和27C示出了具有不同间隙距离的一些实例。

图27A是用于示出具有对球形校准对象1998进行径向距离测量的光学笔220的CMM的理想对准的概念图。图27B和27C是用于示出在各种间隙距离处对球形校准对象1998进行径向距离测量的背景下的各种错位误差的概念图。

在图27A所示的理想对准中，包含光学笔的CRS光学探针沿扫描轴线方向SA移动(例 如，沿所示取向上下移动)。扫描轴线方向SA平行于光学笔220的轴线PA，并且来自光学笔的径向距离感测光束296正交于光学笔的轴线PA。使用CMM的参考点(X，Y，Z)_CMM(例如， 在该参考点处，包含光学笔的CRS光学探针附接到CMM或其它)和测量数据(ΔX，ΔY，ΔZ)_CRS，可以准确地确定测量点(如图所示，具有参考中心(X，Y，Z)_ref并且由支撑结构1906支撑的球形 校准对象1998上的点)的位置。在图27A所示的理想对准中，ΔZ分量可以对应于参考点(X，Y，Z)_CMM与径向距离感测光束之间的竖直长度L₁，并且ΔX/ΔY三角分量可以对应于水平间 隙距离D₁(例如，沿径向距离感测光束从光学笔轴线PA到球形校准对象1998的表面上的最 接近的接近点CP)。与图27A所示的理想对准相比，在许多情况下，测量条件可能不是理想 的(例如，包含非理想对准)，并且测量误差(例如，诸如上表1中所陈述的那些)可能例如由于各种组件(例如，探针、光学笔、CMM等的组件)的错位而出现。

图27B放大示出了当光学探针/光学笔轴线PA不与光学笔220沿其移动的扫描轴线SA 对准时可能出现的Z位置误差ΔZ和旋转轴线错位角误差θ_r。理想地，光学笔220的径向距 离感测光束296在获得其径向距离数据的球形校准对象1998的表面的贴片的最接近的接近 点CP处与球形校准对象1998的表面正交(例如，参见图27A)。然而，当扫描轴线SA不与光学笔220的轴线PA对准时，径向距离感测光束296在最接近的接近点CP处可能不与球形校准对象1998的表面正交。这可能导致所获得的径向距离数据产生误差，诸如Z位置误差ΔZ和错位角误差θ_r。这些误差的量值和符号可以随着间隙距离、旋转位置等而变。应当理解，在图27B的实例中，对距离(例如，D1B、D2B)和距离误差(例如，ΔZ1B、ΔZ2B)的 确定和/或知识可以使得能够(例如，根据某些三角法和/或其它计算和关系等)确定错位角误 差θ_r和/或其它误差。

如图27B所示，可以在不同的标称间隙距离处进行径向距离测量，诸如在如光学笔220 的实线描绘所示的第一标称间隙距离处(例如，对应于距离D1B)以及在如光学笔220的虚 线描绘所示的第二标称间隙距离处(例如，对应于距离D2B)进行径向距离测量，如球形校 准对象1998的每一侧所示并且所示的对应的最接近的接近点CP_RB和CP_LB在每一侧上。例如，如图27B所示的Z位置误差ΔZ的量值可以随着标称间隙距离而变。更具体地，如图27B所示，第一标称间隙距离对应于距离D1B，并且当光学笔围绕球形校准对象1998的赤道似的圈EQ1B移动(例如，用于获取围绕球形校准对象1998间隔开的不同贴片的数据集)时，Z 位置误差可以变化，对于该Z位置误差，峰值Z位置误差可以对应于第一Z位置误差ΔZ1B (例如，如相对于最接近的接近点CP_RB的位置所示)。第二标称间隙距离可以对应于距离D2B， 并且对于该第二标称间隙距离，当光学笔围绕赤道似的圈EQ1B移动时的峰值Z位置误差可 以对应于第二Z位置误差ΔZ2B(例如，如相对于具有最接近的接近点CP_RB的位置所示的)。

理想地，光学笔220的径向距离感测光束296也与光学笔220的轴线PA和扫描轴线方 向SA正交(例如，参见图27A)。图27C示出了当径向距离感测光束的角度不与光学笔轴线PA正交时可能出现的实例性误差。例如，当存在与反射元件294相关联的错位时(参见图4A)，径向距离感测光束可能不与光学笔220的轴线PA和扫描轴线方向SA正交。这可能导致径向距离测量产生误差，诸如所示的输出法向仰角误差δθ_O。在一些实施方式中，这些误 差的量值和符号可以是相对恒定的，或者替代地可以随着间隙距离、旋转位置等而变。

如图27C所示，可以在不同的标称间隙距离处进行测量，诸如在如光学笔220的实线描 绘所示的第一标称间隙距离处以及在如光学笔220的虚线描绘所示的第二标称间隙距离处进 行径向距离测量，如球形校准对象1998的每一侧所示并且所示的对应的最接近的接近点CP_RC和CP_LC在每一侧上。更具体地，如图27C所示，第一标称间隙距离可以对应于距离D1C， 并且在一些情况下，当光学笔围绕球形校准对象1998的赤道似的圈EQ1C移动(例如，用于 获取围绕球形校准对象1998间隔开的不同贴片的数据集)时，Z位置误差可以是相对恒定的 (例如，与图27B的可能具有较大变化的Z位置误差相反)，对于该Z位置误差，相对恒定 (或峰值)Z位置误差可以对应于第一Z位置误差ΔZ1C(例如，如相对于最接近的接近点CP_RC的位置所示)。第二标称间隙距离可以对应于距离D2C，并且对于该第二标称间隙距离，当光 学笔220围绕赤道似的圈EQ1C移动时的相对恒定(或峰值)Z位置误差可以对应于第二Z 位置误差ΔZ2C(例如，如相对于具有最接近的接近点CP_RC的位置所示的)。应当理解，在图 27C的实例中，对距离(例如，D1C、D2C)和距离误差(例如，ΔZ1C、ΔZ2C)的确定和/或知识可以使得能够(例如，根据某些三角和/或其它计算和关系等)确定径向距离测量中的误 差(诸如所示的输出法向仰角误差δθ_O(例如，其在图27C的实例中可以是相对恒定的))和 /或其它误差。

当在2012处确定没有在光学笔220相对于球形校准对象1998的另一个标称间隙位置或 距离处获得附加的校准数据时，例程2000从2012进行到2016，其中该例程确定是否获得附 加的校准数据(例如，使用另一校准对象或配置)。当在2016处确定获得附加的校准数据时， 例程2000返回到2004。当在2016处没有确定获得附加的校准数据时，该例程可以终止或执 行附加处理(基于所获得的校准数据生成附加的校准数据，存储校准数据等)。

例程2000和2100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，在一个实施例中，可以组 合例程2000和2100。在另一个实例中，在一些实施例中，(例如，当在现场测量校准期间调 用例程时)可以不执行基本(例如，工厂)校准2002，而是可以检索先前已确定(例如，在 工厂处或以其它方式确定)的这样的基本校准数据。

在另一个实例中，可以按各种顺序进行调整以获得与各种贴片、取向和间隙位置或距离 相关联的球形校准数据。例如，在各种实施方式中，例程2000可以在动作2008/2010之前或与其并行地执行动作2012/2014。在图20的当前表示中，动作2008/2010可以被视为/指定为 形成例程2000的相对内环，而动作2012/2014可以被视为/指定为形成例程2000的相对外环。 在一个实施例中，顺序可以是相反的(例如，动作2012/2014向上移动以形成内环并且动作2008/2010向下移动以形成外环)，这是由于确定可能优选的是使内环用于附加的间隙数据， 因为这在一些情况下可能仅涉及CMMXYZ轴。该取向可能需要相对缓慢的自动接头取向运 动，这在一些情况下可能不像XYZ运动那样可重复。而且，在一些情况下，可能存在来自热 漂移或其它因素的影响，对于该热漂移或其它因素，可能期望在内环中收集在一个取向处进行校准所需的所有间隙的所有XYZ运动。在不同间隙处的校准可以是可分离的，因此在一些 情况下它们可以被包含在外环中。

以类似于上文关于使用圆柱形校准对象在不同半径处收集的多组数据所讨论的方式，可以使用从球形校准对象在不同间隙距离处收集的多组径向距离数据来获得偏移和线性缩放校 准数据。在不同的间隙距离处围绕圆柱形校准对象的表面部分(例如，贴片)的多组径向距 离测量类似于在不同半径的阶梯处不同环规或环规的多组径向距离测量。在各种实施方式中， 可以基于使用圆柱形校准对象在不同半径处收集的多组径向距离数据、从球形校准对象在不 同间隙距离处收集的多组径向距离数据和/或其各种组合来获得偏移和线性缩放校准数据。

例如，参考等式1(为了方便在下面再现)(其中径向距离测量中的误差以一组关系的形 式表示)，该关系中的项可以基于圆柱形校准数据集、球形校准数据集和/或其各种组合来确 定(例如，对使用圆柱形校准数据确定的项的细化或确认可以基于球形校准数据)。

在实施例中，例如，对径向距离误差ΔR的校正可以基于工厂和圆柱形校准数据，而对旋 转角度和Z位置ΔZ误差的校正可以基于球形校准数据。

例如，偏移R_O、线性校正因子R_LD_C和二次谐波₂cos(4+₂)项可以基于基本(例如，工厂) 校准测量或使用圆柱形校准对象进行的测量。一次谐波项C_R1cos(2+₁)可以基于基本校准测量、 使用圆柱形校准对象进行的测量、其组合来确定，该组合被设定为CMM(X，Y，Z)_CMM)的参考坐 标。取决于期望的准确度、探针的刚度和其它方面，这些因素可以从在探针竖直方向上进行 的测量来确定，并且应用于在所有或类似取向处进行校正，或者它们可以针对每个取向从在 每个取向处进行的测量来确定。(参见下面等式4的讨论)。

旋转角度偏移和Z偏移Z_o误差可以基于在最接近的接近点处对于在随着旋转角度/>而变的间隙距离处的球形校准对象(参见图27B)的多个贴片的测量来确定。可以使用在附 加的间隙距离处进行的测量来进行确认或调整。旋转角度的线性校正因子/>和Z位置误 差的线性校正因子Z_LD_L以及较高次谐波校正因子(例如/> 必要时可以使用在与光学笔的范 围相对应的不同标称间隙距离处对球形校准对象进行的径向距离测量来确定。当期望较高次 谐波校正因子时，在一些实施例中可以获得对附加贴片的径向距离测量(例如，当期望一次 谐波校正时，对于一个或多个标称间隙距离，在4个贴片或更多个贴片处的测量；当期望一次和二次谐波校正时，对于一个或多个标称间隙距离，在8个贴片或更多个贴片处的测量)。 在一些实施方式中，项D_C可以被设定为0(例如，由于旋转由可以从0旋转到360度的数字 旋转编码器提供，对于该数字旋转编码器可以存在相对较小的线性缩放误差或不存在线性缩 放误差)。

如上文所讨论的，可以在光学探针/笔相对于重力的多个取向处获得对球形校准对象的径 向距离测量，以便确定球形校准数据以补偿不同取向处的重力。对光学笔220的Z轴相对于用于旋转CRS测量系统的重力在标称间隙距离处的不同取向的补偿可以在笛卡尔坐标中通 过以下关系(等式4)表示：

其中

是在沿与取向相关联的球形校准对象的等式分布的多个等距贴片的N个最接近的接近点 处获得的测量数据的平均值；以及

是球形校准对象中心的已接受坐标。等式4的关系可以用于补偿不同取向处的重力。

如上文所讨论的，提供了一种用于提供用于坐标测量机(CMM)的校准数据的校准系统。 校准系统包含CMM，该CMM包括光发生电路系统、波长检测电路系统和CMM控制电路系统，以及被配置成联接到CMM的色度范围传感器(CRS)光学探针。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。校准系统可以包含圆柱形校准对象和球形校准对象。

所述圆柱形校准对象用于提供圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，并 且包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表面。所述CRS光学探针被 配置成提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆 柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时 获取的。所述圆柱形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，并且为此处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组圆柱形径向 距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

所述球形校准对象包括标称球形校准表面，所述标称球形校准表面用于提供球形校准数 据以校正所述CRS光学探针的错位误差。对于所述标称球形校准表面上的第一多个表面部 分，对于每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所 述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此所述光学笔也沿扫 描轴线方向移动以获取所述一组球形径向距离数据。处理与每个相应的感测表面部分相对应 的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部 分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数 据。

在一些实施方式中，所述第一标称圆柱形校准对象包括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，并且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。

在一些实施方式中，所述圆柱形校准对象是环规。在一些实施方式中，所述圆柱形校准 对象是第一圆柱形校准对象，并且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，并且所述系统还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是以下至少一者：(i)所述第一圆柱形校准对象的一部分；或者 (ii)第二圆柱形校准对象的一部分，所述第二圆柱形校准对象具有沿所述Z方向延伸的第二 中心轴线，其中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。所述CRS光学探针被配置成提供第二组圆柱形径向距离数据，所述第二组圆柱形径向距离数据是在相对于所述第二 标称圆柱形校准表面沿所述Z方向在Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束 时获取的。所述第二圆柱形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，并且除了所述第一组圆柱形径向距离数据之外还处理所述第二组圆 柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

在一些实施方式中，所述系统被配置成通过处理所述圆柱形校准数据和所述球形校准数 据来确定所述CRS光学探针的校准数据。

在一些实施方式中，所述标称球形校准表面包含多个点，所述多个点各自与所述标称球 形校准表面的公共中心点相距相同的标称半径。

在一些实施方式中，所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分包含所述标称球 形校准表面上的多个贴片，所述多个贴片围绕所述标称球形校准对象的赤道似的圈彼此标称 等距。获取与所述多个贴片中的贴片相对应的球形径向距离数据包括沿所述光学探针的Z轴 移动所述光学探针。

在一些实施方式中，所述标称球形校准表面具有第二多个表面部分，并且对于所述第二 多个表面部分中的每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离 数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距所述第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与所述第 二多个表面部分中的每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为 最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述第二多个表面部分相对 应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。在一些实施方式中，所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分包含所述标称球形校准表面上的第一多个贴片，所述 第一多个贴片围绕所述标称球形校准对象的第一赤道似的圈彼此标称等距，并且所述标称球 形校准表面上的所述第二多个表面部分包含所述标称球形校准表面上的第二多个贴片，所述 第二多个贴片围绕所述标称球形校准对象的第二赤道似的圈彼此标称等距。

在一些实施方式中，对于所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分中的每个表 面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球 形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第二标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与所述第二标称间隙距离处的每个相应 的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的 最接近表面点。至少部分地基于与所述第二标称间隙距离相对应的所述所感测的最接近表面 点来确定所述球形校准数据。

在一些实施方式中，所述系统包括表面板，所述表面板被配置成相对于所述CRS光学探 针定位所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象。

在一些实施方式中，对于所述第一多个表面部分中的每个表面部分，所述CRS光学探针 被配置成：提供所述对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在 所述光学笔相对于所述球形校准对象具有第一取向时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感 测光束时获取的；以及对于所述标称球形校准表面上的第二多个表面部分中的每个表面部分， 提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔相对于所述球形校准对象具有不同于所述第一取向的第二取向时围绕旋转轴线旋转所述径向距离 感测光束时获取的。

在一些实施方式中，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。提供圆柱形校准对象和球形校准对象。

所述圆柱形校准对象包括至少第一标称圆柱形校准表面，所述至少第一标称圆柱形校准 表面具有沿Z方向延伸的中心轴线并且以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系来布 置。所述旋转色度范围传感器配置操作以提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转 轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。所述圆柱形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圆柱形径向距离数据以确定第一组圆柱形校准数据。

所述球形校准对象包括标称球形校准表面，所述标称球形校准表面具有第一多个表面部 分并且以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系来布置。操作所述旋转色度范围传感器 配置以对所述第一多个表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述旋转色度范围传感器配置的光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标 称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与每个相应的感 测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述旋转色度范围传感器配 置的所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

在一些实施方式中，所述第一标称圆柱形校准对象包括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，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。所述方法包括操作所述旋转色度范围传感 器配置以感测所述第一组角度参考特征。

在一些实施方式中，所述圆柱形校准对象是环规。在一些实施方式中，所述圆柱形校准 对象是第一圆柱形校准对象，并且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。所述方法包括提供第二标称圆柱形校准表面，所述 第二标称圆柱形校准表面是以下至少一者：(i)所述第一圆柱形校准对象的一部分；或者(ii) 第二圆柱形校准对象的一部分，其中所述第二圆柱形校准对象具有沿所述Z方向延伸的第二 中心轴线，并且其中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。所述方法包括操作 所述色度范围传感器配置以提供第二组圆柱形径向距离数据，所述第二组圆柱形径向距离数 据是在所述径向距离感测光束在相对于所述第二标称圆柱形校准表面沿所述Z方向的Z坐标 处围绕所述旋转轴旋转时获取的，所述第二圆柱形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。除了所述第一组圆柱形径向距离数据之外还 处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第二组圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

在一些实施方式中，处理所述圆柱形校准数据和所述球形校准数据以生成用于所述色度 范围传感器配置的校准数据。

在一些实施方式中，所述标称球形校准表面具有第二多个表面部分，并且所述方法包括 操作所述色度范围传感器配置以对所述第二多个表面部分中的每个表面部分提供对应的一组 球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距所述第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。 处理与所述第二多个表面部分中的每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以 确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述第二多个 表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

在一些实施方式中，所述方法包括操作所述旋转色度范围传感器配置以对所述第一多个 表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述旋 转色度范围传感器配置的所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第二标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与每个相应的感测表面部分相对应 的每一组径向距离数据以及所述第二标称间隙距离以确定被指示为最接近所述旋转色度范围 传感器配置的所述光学笔的所感测的最接近表面点。至少部分地基于与所述多个表面部分相 对应的所述所感测的最接近表面点以及所述第二标称间隙距离来确定球形校准数据。

在一些实施方式中，提供了一种校准系统，所述校准系统用于包括色度范围传感器(CRS) 光学探针的CRS配置。所述校准系统包括：圆柱形校准对象，所述圆柱形校准对象用于提供 圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差；球形校准对象，所述球形校准对象用 于提供球形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差；以及表面板，所述表面板被配置 成相对于所述CRS光学探针定位所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象。

所述圆柱形校准对象包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表 面。所述CRS光学探针被配置成提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距 离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转 所述径向距离感测光束时获取的。所述圆柱形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 一组圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

所述球形校准对象包括标称球形校准表面。对于所述标称球形校准表面上的第一多个表 面部分，对于每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据， 所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。处理与每个相应的感测表 面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表 面点。至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述 球形校准数据。

在一些实施方式中，所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象安装在所述表面板上。

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 (20)

1.一种系统，其包括：

坐标测量机(CMM)，所述CMM包括：

光发生电路系统；

波长检测电路系统；以及

CMM控制电路系统；

色度范围传感器(CRS)光学探针，其被配置成联接到所述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；

圆柱形校准对象，其用于提供圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，所述圆柱形校准对象包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表面，其中所述CRS光学探针被配置成提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，所述圆柱形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，并且为此，处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据；以及

球形校准对象，其用于提供球形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，所述球形校准对象包括标称球形校准表面，其中对于所述标称球形校准表面上的第一多个表面部分，对于每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此，所述光学笔也沿扫描轴线方向移动以获取所述一组球形径向距离数据，并且为此，处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点，并且为此，至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置成通过处理所述圆柱形校准数据和所述球形校准数据来确定所述CRS光学探针的校准数据。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述标称球形校准表面包含多个点，所述多个点各自与所述标称球形校准表面的公共中心点相距相同的标称半径。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分包括所述标称球形校准表面上的多个贴片，所述多个贴片围绕所述标称球形校准对象的赤道似的圈彼此标称等距。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述标称球形校准表面具有第二多个表面部分，并且对于所述第二多个表面部分中的每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距所述第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此，处理与所述第二多个表面部分中的每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点，并且为此，至少部分地基于与所述第二多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分包含所述标称球形校准表面上的第一多个贴片，所述第一多个贴片围绕所述标称球形校准对象的第一赤道似的圈彼此标称等距，并且所述标称球形校准表面上的所述第二多个表面部分包含所述标称球形校准表面上的第二多个贴片，所述第二多个贴片围绕所述标称球形校准对象的第二赤道似的圈彼此标称等距。

7.根据权利要求1所述的系统，其中对于所述标称球形校准表面上的所述第一多个表面部分中的每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第二标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此，处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点，并且为此，至少部分地基于与所述第二标称间隙距离相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

8.根据权利要求1所述的系统，其包括：

表面板，所述表面板被配置成相对于所述CRS光学探针定位所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象。

9.根据权利要求1所述的系统，其中对于所述第一多个表面部分中的每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成：

提供所述对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔相对于所述球形校准对象具有第一取向时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的；以及

对于所述标称球形校准表面上的第二多个表面部分中的每个表面部分，提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔相对于所述球形校准对象具有不同于所述第一取向的第二取向时围绕旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述圆柱形校准对象包括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1所述的系统，其中所述圆柱形校准对象是环规。

12.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述圆柱形校准对象是第一圆柱形校准对象，并且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

所述系统还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是以下至少一者：

所述第一圆柱形校准对象的一部分；或者

第二圆柱形校准对象的一部分；

其中所述第二标称圆柱形校准表面具有沿所述Z方向延伸的第二中心轴线，并且其中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CRS光学探针被配置成提供第二组圆柱形径向距离数据，所述第二组圆柱形径向距离数据是在相对于所述第二标称圆柱形校准表面沿所述Z方向在Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，所述第二圆柱形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，并且为此，除了所述第一组圆柱形径向距离数据之外还处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第二组圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据。

13.一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，并且沿靠近待测量工件表面的测量轴线将不同波长聚焦不同距离处，所述方法包括：

提供圆柱形校准对象，所述圆柱形校准对象包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表面；

以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系布置所述圆柱形校准对象；

操作所述旋转色度范围传感器配置以提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，所述圆柱形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圆柱形径向距离数据以确定第一组圆柱形校准数据；

提供球形校准对象，所述球形校准对象包括标称球形校准表面，所述标称球形校准表面具有第一多个表面部分；

以相对于所述旋转色度范围传感器配置的关系布置所述球形校准对象；

操作所述旋转色度范围传感器配置以对所述第一多个表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述旋转色度范围传感器配置的光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此，所述径向距离感测光束也沿扫描轴线方向移动以获取所述一组球形径向距离数据；

处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述旋转色度范围传感器配置的所述光学笔的所感测的最接近表面点；以及

至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定球形校准数据。

14.根据权利要求13所述的方法，其还包括处理所述圆柱形校准数据和所述球形校准数据以生成用于所述色度范围传感器配置的校准数据。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述标称球形校准表面具有第二多个表面部分，并且所述方法还包括：

操作所述色度范围传感器配置以对所述第二多个表面部分中的每个表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距所述第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的；

处理与所述第二多个表面部分中的每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点；以及

至少部分地基于与所述第二多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。

16.根据权利要求13所述的方法，其还包括：

操作所述旋转色度范围传感器配置以对所述第一多个表面部分提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述旋转色度范围传感器配置的所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第二标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的；

处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以及所述第二标称间隙距离以确定被指示为最接近所述旋转色度范围传感器配置的所述光学笔的所感测的最接近表面点以确定所述球形校准数据；以及

至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点以及所述第二标称间隙距离来确定球形校准数据。

17.根据权利要求13所述的方法，其还包括：

操作所述旋转色度范围传感器配置以对所述第一多个表面部分提供所述对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔相对于所述球形校准对象具有第一取向时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的；以及

操作所述旋转色度范围传感器配置以对于所述标称球形校准表面上的第二多个表面部分中的每个表面部分，提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔相对于所述球形校准对象具有不同于所述第一取向的第二取向时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的。

18.一种校准系统，其包括：

色度范围传感器(CRS)配置，所述CRS配置包含CRS光学探针；

圆柱形校准对象，其用于提供圆柱形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，所述圆柱形校准对象包括具有沿Z方向延伸的中心轴线的至少第一标称圆柱形校准表面，其中所述CRS光学探针被配置成提供第一组圆柱形径向距离数据，所述第一组圆柱形径向距离数据是在相对于所述圆柱形校准对象沿所述Z方向在第一Z坐标处围绕一旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，所述圆柱形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，并且为此，处理以所述所感测的旋转角度作为参考的所述第一组圆柱形径向距离数据以确定所述圆柱形校准数据；

球形校准对象，其用于提供球形校准数据以校正所述CRS光学探针的错位误差，所述球形校准对象包括标称球形校准表面，其中对于所述标称球形校准表面上的第一多个表面部分，对于每个表面部分，所述CRS光学探针被配置成提供对应的一组球形径向距离数据，所述对应的一组球形径向距离数据是在所述光学笔与所述球形校准对象近似相距第一标称间隙距离时围绕所述旋转轴线旋转所述径向距离感测光束时获取的，并且为此，所述光学笔也沿扫描轴线方向移动以获取所述一组球形径向距离数据，并且为此，处理与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据以确定被指示为最接近所述光学笔的所感测的最接近表面点，并且为此，至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据；以及

工作台，其被配置成相对于所述CRS光学探针定位所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象。

19.根据权利要求18所述的校准系统，其中所述工作台包括表面板，并且所述圆柱形校准对象和所述球形校准对象安装在所述表面板上。

20.根据权利要求18所述的校准系统，其还包括控制部分，所述控制部分被配置成对与每个相应的感测表面部分相对应的每一组径向距离数据执行处理，以确定被指示为最接近所述光学笔的所述所感测的最接近表面点，并至少部分地基于与所述多个表面部分相对应的所述所感测的最接近表面点来确定所述球形校准数据。