專利名稱：用于同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體上涉及精確測量儀器，并且更特別地涉及彩色點傳感器系統(tǒng) (chromatic point sensor system)的操作方法，在該彩色點傳感器系統(tǒng)中，使用附加的光學(xué)元件產(chǎn)生用于同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束。
背景技術(shù)：
受控色像差技術(shù)可以用于距離感測度量應(yīng)用。如1986年第17卷第6期第279-282 頁的 Optics(Paris)上的 G. Molesini 禾Π S. Quercioli 的 “I^seudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration”所說明的那樣，受控縱向色像差(這里也稱作軸向色散)可以被引入光學(xué)成像系統(tǒng)，使得成像系統(tǒng)的焦距隨著波長而變化，這提供了光學(xué)度量手段。特別地，能夠設(shè)計后焦距(BFL)為波長的單調(diào)函數(shù)的透鏡。在白光操作中，這樣的透鏡呈現(xiàn)能夠用作距離感測應(yīng)用的光譜探針的軸向散焦彩色帶。作為另一示例，全部內(nèi)容通過引用合并于此的美國專利No. 7，477，401公開了具有軸向色像差(也稱作軸向或縱向色散)的光學(xué)元件可以用于聚焦寬帶光源，使得到焦點的軸向距離隨著波長而變化。因此，僅一種波長被精確地聚焦于表面，并且該表面的軸向距離或高度決定哪種波長被最好地聚焦。當(dāng)光從該表面反射時，光被重新聚焦到諸如針孔等小檢測器孔和/或光纖的端部。當(dāng)從表面反射時，只有良好地聚焦于該表面的波長良好地聚焦于針孔和/或光纖。其他所有的波長不佳地聚焦于光纖，所以不能將很多能量耦合到光纖中。因此，對于與物體高度對應(yīng)的波長來說信號水平最好。檢測器處的光譜儀測量各波長的信號水平，這有效地表明物體高度。某些制造商將適用于工業(yè)安裝范圍的彩色共焦的實用的和緊湊的光學(xué)組件稱作彩色共焦點傳感器和/或“光學(xué)筆”。測量Z高度的光學(xué)筆儀器的一個示例是由STIL，S. A. of Aix-en-Provence, France (STIL S. A.)制造的光學(xué)筆儀器。作為具體示例，型號為OP 300NL 的S TIL光學(xué)筆測量Z高度并且具有300微米范圍。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No. 7，6 ，705(' 705專利)中說明了彩色共焦點傳感器的另一構(gòu)造，該專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此。‘705專利公開了提供改進(jìn)的光通量和改進(jìn)的光點尺寸的透鏡構(gòu)造，所述光點尺寸使得與各種可購買的構(gòu)造相比改進(jìn)了測量分辨率。對于各種應(yīng)用，可以期望改進(jìn)當(dāng)前可獲得的光學(xué)筆的各方面的操作(例如，在不同表面和/或在不同范圍同時測量多個點的能力等)。本發(fā)明旨在提供改進(jìn)的彩色點傳感器的操作方法，在該傳感器中，使用附加的光學(xué)元件產(chǎn)生用于同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束。

發(fā)明內(nèi)容
本內(nèi)容用于以簡化的形式介紹構(gòu)思的選擇，所述構(gòu)思在下面的具體實施方式
部分中進(jìn)一步說明。本內(nèi)容不等同于所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也不用于輔助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。提供一種彩色共焦點傳感器系統(tǒng)，其包括雙光束彩色共焦點傳感器筆裝置。雙光束彩色共焦點傳感器筆(也稱為光學(xué)筆)被構(gòu)造為使得包括來自光學(xué)筆的光的第一測量光束可以被定位于(例如，工件的)第一表面區(qū)域并且包括來自光學(xué)筆的光的第二測量光束可以同時被定位于第二表面區(qū)域，從第一和第二測量光束產(chǎn)生的測量光可以穿過光學(xué)筆和共焦孑L (confocal aperture)而被收回。在本發(fā)明的一些實施方式中，提供可以被安裝到彩色共焦點傳感器筆的端部的雙光束組件。在不存在雙光束組件的情況下，彩色共焦點傳感器筆提供具有測量范圍R的單個源頭光束。在一個實施方式中，雙光束組件包括安裝元件，其被構(gòu)造為安裝到彩色共焦點傳感器筆的端部；以及第一反射元件，其被安裝到安裝元件。第一反射元件被定位于來自光學(xué)筆的源頭光束中(例如，定位于源頭光束的包括色像差的會聚部分中)并且將源頭光束分成第一測量光束和第二測量光束。雙光束組件沿著第一測量軸線輸出第一測量光束并沿著第二測量軸線輸出第二測量光束，并且將從第一和第二測量光束產(chǎn)生的工件測量光返回到彩色共焦點傳感器筆。在本發(fā)明的一些實施方式中，在一個實施例中，第一反射元件可以包括由反射區(qū)域和透射區(qū)域構(gòu)成的圖案。在一個實施方式中，反射區(qū)域可以包括平面反射鏡區(qū)域，透射區(qū)域可以包括開口孔。在一個實施例中，圖案可以形成為蝕刻的孔圖案，其中部分光束透過孔 (例如，貫穿諸如硅片等薄材料或金屬板等的孔)并且光束的一些部分從孔隔膜或板的未蝕刻的材料區(qū)域反射。在某些實施方式中，使用這樣的孔技術(shù)可能優(yōu)于使用在某些實施例中可能引起透射光束的像差的光束分光器立方體等。在其他實施方式中，可以使用校正技術(shù)補償由任何透射元件(例如，光束分光器、棱鏡元件等)導(dǎo)致的任何像差的影響。在本發(fā)明的一些實施方式中，第一反射元件的反射區(qū)域在源頭光束中具有總反射面積并且透射區(qū)域在源頭光束中具有總透射面積，總反射面積可以在總透射面積的特定百分比(例如，+/-25% )內(nèi)。在某些實施方式中，總反射面積可以與總透射面積具有特定的差(例如，至少+/-5%)。在某些實施例中，反射區(qū)域和透射區(qū)域的圖案可以被大體上設(shè)計成具有跨越其中心的反射對稱性。在本發(fā)明的一些實施方式中，包括被構(gòu)造為使第二測量光束沿著第二測量軸線偏轉(zhuǎn)的第二反射元件。在一個實施方式中，第二反射元件包括平面的第一表面反射鏡。在本發(fā)明的一些實施方式中，雙光束組件被構(gòu)造為使得第一和第二反射元件的平面反射面彼此平行。在另外的實施方式中，第一和第二反射元件的平面反射面彼此正交。在本發(fā)明的一些實施方式中，在各構(gòu)造中，可以使用于第一測量光束的第一測量軸線和用于第二測量光束的第二測量軸線被取向為實現(xiàn)選出的測量操作。例如，測量軸線可以在與光學(xué)筆的光軸相同的方向、與所述光軸橫切(例如，正交)、彼此橫切(例如，正交)、共面、相反的方向等上取向?？梢岳斫獾氖牵谝缓偷诙y量光束彼此正交的構(gòu)造可以用于多種測量(例如， 測量兩個表面之間的變化角、同時測量底部和側(cè)壁的表面粗糙度等)?？梢岳斫獾氖?，第一和第二測量光束沿著平行的測量軸線被引導(dǎo)的構(gòu)造也可以用于多種測量(例如，測量臺階高度等)。該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點包括共模表面波紋(例如，由于切削工具漂移或振動而產(chǎn)生)不影響溝或臺階尺寸測量；可以由單個筆實現(xiàn)兩個測量；以及筆和/或測量表面不需要橫向地來回移動以提供沿著不同的軸線或線的一系列測量數(shù)據(jù)，這相應(yīng)地提供更快的測量并提高了精度(即，消除了振動、臺架運動等)。此外，該方法允許使用單個光學(xué)筆同時在不同的測量范圍上進(jìn)行兩個測量。此外，雙光束組件可以被容易地安裝到傳統(tǒng)的光學(xué)筆用以提供多個測量點功能。期望測量臺階高度的實施例的具體示例包括PCB走線 (track)高度、硅晶片層厚(例如，不透明層的厚度)、集成電路上的元件、MEMS度量、沿著直邊的槽、0型環(huán)槽等。對于某些類型的測量(例如，沿著直邊的槽或0型環(huán)槽的測量)，在一個實施例中，光學(xué)筆或被測量表面可以通過馬達(dá)驅(qū)動附件彼此相對移動(例如，對于直邊來說直線移動，對于0型環(huán)槽來說轉(zhuǎn)動)，使得可以沿著待測的整個特征的長度實現(xiàn)連續(xù)測量。在其他實施例中，可以測量臺架的直線度或平坦度。此外，在某些實施例中，可以測量臺架的動態(tài)滾動、節(jié)距或橫擺。在沒有本發(fā)明的雙光束組件的情況下，在現(xiàn)有技術(shù)中利用趨于變貴且變龐大的干涉儀和特定光學(xué)部件來進(jìn)行某些這些類型的測量。本發(fā)明的雙光束組件相比于這樣的現(xiàn)有技術(shù)干涉儀構(gòu)造的優(yōu)點在于，本發(fā)明的雙光束組件容易建立、較便宜(即，光學(xué)部件較簡單)，并且占據(jù)較小空間(即，光學(xué)部件較小等)。在本發(fā)明的一些實施方式中，安裝元件可以包括至少一個外對準(zhǔn)面，該外對準(zhǔn)面與第一和第二測量軸線中的一方平行或正交。在另一實施方式中，安裝元件包括界面，該界面被構(gòu)造為當(dāng)其抵接彩色共焦點傳感器筆的界面時，第一和第二測量軸線中的至少一方與彩色共焦點傳感器筆的光軸平行或正交。在本發(fā)明的一些實施方式中，雙光束組件包括用于相對于安裝元件定位第一反射元件的可調(diào)支架，使得第一反射元件的反射平面被可調(diào)地沿著源頭光束的軸線定位。在另一實施方式中，雙光束組件包括用于相對于彩色共焦點傳感器筆定位安裝元件的可調(diào)支架，使得第一反射元件的反射平面被可調(diào)地沿著源頭光束的軸線定位。在另一實施方式中， 雙光束組件包括用于相對于第一安裝元件定位第二反射元件的可調(diào)支架，使得第二反射元件的反射平面被可調(diào)地沿著第二測量光束的軸線定位。這樣的實施方式可以用于調(diào)整由雙光束組件提供的兩個測量范圍之間的關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一些實施方式中，第一反射元件的反射面和第二反射元件的反射面之間的沿著第二測量光束的距離SEPP小于彩色共焦點傳感器筆的最大焦距 MF。在一個實施方式中，距離SEPP小于測量范圍R?？梢岳斫獾氖牵陂g隔SEPP小于測量范圍R的情況下，系統(tǒng)可以被理想地設(shè)計，以進(jìn)行落入范圍R內(nèi)的兩個測量(例如，對于相同表面上的兩個測量或?qū)τ谛∨_階)。在另一實施方式中，距離SEPP至少是測量范圍R?？梢岳斫獾氖?，在間隔距離SEPP至少等于測量范圍R的情況下，這允許筆的有效測量范圍基本上延伸超過其標(biāo)準(zhǔn)范圍(例如，用于測量比光學(xué)筆的標(biāo)準(zhǔn)測量范圍高的臺階高度等)。在本發(fā)明的一些實施方式中，如果待測的兩個表面之間的距離大于由光學(xué)筆的光學(xué)部件固有地提供的測量范圍(即，如果間隔距離SEPP等于或大于測量范圍R)，則雙光束組件可以被構(gòu)造成提供偏移，使得第一測量光束在第一名義間距上提供第一測量范圍，且第二測量光束在第二名義間距上提供第二名義測量范圍。作為具體的數(shù)字示例，如果光學(xué)筆的通常測量范圍R被初始地設(shè)計成通過調(diào)整間隔距離SEPP僅覆蓋50微米，則可以使測量范圍在50微米(由此保守地覆蓋至少大致50微米至100微米臺階高度范圍)或100微米(由此保守地覆蓋至少大致100微米至150微米臺階高度范圍)或150微米(由此保守地覆蓋至少大致150微米至200微米臺階高度范圍)等處開始?？梢岳斫獾氖?，這樣的構(gòu)造在下述情況下顯著優(yōu)于已有的光學(xué)筆如果期望測量被分開比光學(xué)筆的測量范圍大的距離的兩個表面(例如，兩個表面之間具有臺階高度)，則每次期望在測量兩個表面之間來回切換時，光學(xué)筆或表面的物理位置需要在Z方向上調(diào)整。相反，根據(jù)本發(fā)明，通過使用適當(dāng)?shù)貥?gòu)造的雙光束組件，可以同時獲得這樣的測量，而不需要在Z方向上額外地移動光學(xué)筆。作為進(jìn)一步顯著的優(yōu)點，如果要獲取多個測量點(例如，不僅在一個測量位置而是沿著邊緣在多個測量點處連續(xù)地測量臺階高度)，光學(xué)筆或待測工件可以被放置于可動構(gòu)件 (例如，軸承、臺架、轉(zhuǎn)動構(gòu)件等)并且以沿著邊緣掃描的方式移動，使得能夠容易地獲得多個連續(xù)測量數(shù)據(jù)而不需要Z方向上的額外移動。在大多數(shù)應(yīng)用中，通常期望偏移被設(shè)定為與待測的兩個表面之間的Z高度差不同。更具體地，關(guān)于與待測的第一和第二表面對應(yīng)的第一和第二光譜峰值之間的沿著檢測器測量軸線的距離，可以理解的是，如果偏移距離等于兩個表面之間的Z高度差，則兩個光譜峰值將大致彼此重疊。因此，對于兩個表面之間的待測的給定的Z高度差，通常期望將系統(tǒng)構(gòu)造為使得偏移距離與Z高度差不同到足以使得兩個測量高度的光譜峰值能夠被區(qū)分到期望的程度。然而，還可以理解的是，在某些實施方式中，還期望該Z高度差小到足以使得兩個光譜峰值均落入檢測器測量軸線的期望范圍內(nèi)，從而使兩個峰值能夠在同一檢測器上測量。在本發(fā)明的一些實施方式中，關(guān)于與光譜峰值相關(guān)的信號的幅值，期望使來自第一和第二測量光束的兩個信號盡可能大，以實現(xiàn)最高容許能力和最高速度的測量。在可選實施方式中，如果期望能夠根據(jù)第一測量光束的幅值和第二測量光束的幅值彼此區(qū)分第一和第二測量光束，在某些實施例中，可以有意地使第一和第二測量光束中的一方比另一方具有小信號強度，從而能夠進(jìn)一步區(qū)分光束。在本發(fā)明的一些實施方式中，光學(xué)筆的光學(xué)部分的透鏡可以被分成位于光學(xué)筆的單光束部分的端部處的透鏡和位于雙光束組件的端部處的一個或多個透鏡。在一個具體實施例中，在通過雙光束組件的光路的端部處為雙測量光束中的各方設(shè)置單獨的透鏡。可以理解的是，通過將透鏡設(shè)置為與光學(xué)筆的單光束部分分開的元件，在透鏡的設(shè)計和選擇中允許更大的靈活性，包括使用具有特定期望特性的透鏡(例如，使用具有相同或不同的軸向色散特性的透鏡等)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于大致同時或同時測量兩個不同表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的操作方法。在該方法的一個實施方式中，雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)可以包括具有共焦孔并安裝有雙光束組件的光學(xué)筆。在另一實施方式中，雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)可以包括具有共焦孔并且具有定位于兩個透鏡之間的雙光束組件的光學(xué)筆， 所述透鏡提供通常與彩色點傳感器的光學(xué)筆相關(guān)聯(lián)的縱向色像差。在該方法的各實施方式中，來自系統(tǒng)的第一測量光束被定位于第一表面區(qū)域并且來自系統(tǒng)的第二測量光束被定位于第二表面區(qū)域。如此處所用的，術(shù)語“工件”指的是反射測量光束并且能夠相對于光學(xué)筆移動的任何元件。從第一和第二測量光束產(chǎn)生的測量光穿過光學(xué)筆和共焦孔被收回。確定至少一組測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括從第一測量光束產(chǎn)生的第一測量數(shù)據(jù)和從第二測量光束產(chǎn)生的第二測量數(shù)據(jù)?；谥辽僖唤M測量數(shù)據(jù)，確定工件特征測量數(shù)據(jù)和工件特征位置變化中的至少一方。在一個實施方式中，利用相對細(xì)微的分辨率(例如，至少與IOnm — 樣細(xì)微)確定各測量數(shù)據(jù)。可以理解的是，本發(fā)明的系統(tǒng)無需使用干涉儀或其他更復(fù)雜的系統(tǒng)就能實現(xiàn)這樣高精度的測量。在一些實施方式中，第一表面區(qū)域和彩色共焦點傳感器系統(tǒng)中的至少一方相對于另一方移動，以獲得多組測量數(shù)據(jù)。在一些實施方式中，該移動使得第一測量光束沿著第一表面區(qū)域掃描并且第二測量光束沿著第二表面區(qū)域掃描以獲得多組測量數(shù)據(jù)。在各實施方式中，相對運動可以是直線運動，或可以通過轉(zhuǎn)動工件而實現(xiàn)。在一些實施方式中，彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移大于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R的5%，以在系統(tǒng)的檢測器上提供能單獨區(qū)分的信號峰值。在一些實施方式中，彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移小于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R。在一些實施方式中，提供一種用于構(gòu)造測量槽深/臺階高度用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的方法。例如，第一和第二測量光束可以平行地取向，并且第一表面區(qū)域可以是槽底和下臺階表面區(qū)域中的至少一方，第二表面區(qū)域可以是槽肩和上臺階表面區(qū)域中的至少一方，多組測量數(shù)據(jù)表明了槽或臺階在沿著槽或臺階的多個位置處的高度和高度變化中的至少一方。在一些這樣的實施方式中，彩色共焦點傳感器系統(tǒng)可以被構(gòu)造成使得與第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移減去與槽或臺階的名義高度尺寸對應(yīng)的值小于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R并且至少是測量范圍R的5%。在一些實施方式中，提供一種用于構(gòu)造測量槽/間隙寬度和/或位置用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的方法。例如，第一和第二測量光束可以在相反的方向上取向，并且第一表面區(qū)域位于槽或間隙的第一側(cè)面，第二表面區(qū)域位于槽或間隙的與第一側(cè)面相反的第二側(cè)面，多組測量數(shù)據(jù)表明了槽或間隙在沿著槽或間隙的多個位置處的寬度和寬度變化中的至少一方。在一些實施方式中，提供一種用于構(gòu)造測量表面跳動/支承跳動用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的方法。例如，第一和第二測量光束可以平行地取向，第一表面區(qū)域是跳動表面(runout surface)區(qū)域，第二表面區(qū)域是相對于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)固定的基準(zhǔn)表面區(qū)域，多組測量數(shù)據(jù)表明了跳動表面相對于基準(zhǔn)表面在沿著跳動表面的多個位置處的高度和高度變化中的至少一方。在一些這樣的實施方式中，彩色共焦點傳感器系統(tǒng)可以被構(gòu)造為使得與第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移減去與跳動表面和基準(zhǔn)表面之間的名義高度差對應(yīng)的值小于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R并且至少是測量范圍R的5%。在一些實施方式中，提供一種用于構(gòu)造測量表面/支承滾動或節(jié)距vs運動用的雙光束彩色點傳感器的方法。例如，第一和第二測量光束被平行地取向，第一表面區(qū)域和第二表面區(qū)域位于工件上，在獲得多組測量數(shù)據(jù)期間，第一測量光束的測量軸線和第二測量光束的測量軸線具有間隔，所述間隔限定與運動方向垂直的間隔距離SEPPR0LL和與運動方向平行的間隔距離SEPPPITCH。在一些這樣的實施方式中，如果間隔小于彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R，則是有利的。在一些這樣的實施方式中，多個測量數(shù)據(jù)與間隔距離SEPPR0LL的值結(jié)合使用以確定工件繞與運動方向平行的軸線的角滾動(angular roll)。在一些這樣的實施方式中，多組測量數(shù)據(jù)與間隔距離SEPPPITCH的值結(jié)合使用以確定工件繞與運動方向平行的軸線的角節(jié)距(angular pitch)。在一些實施方式中，提供用于雙光束組件的機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝使用裝置，并且使用機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝使用裝置執(zhí)行該方法。在一些實施方式中，提供用于雙光束組件的圓度測量機(jī)安裝使用裝置，并且使用圓度測量機(jī)安裝使用裝置執(zhí)行該方法。


當(dāng)結(jié)合附圖時，通過參照下面的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述方面和很多伴隨的優(yōu)點將變得更容易理解并變得更好理解，在附圖中圖1是產(chǎn)生具有特定測量范圍的單個測量光束的示例性彩色共焦點傳感器的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的通過示意性示出的雙光束組件進(jìn)一步加強的圖1的彩色共焦點傳感器的框圖，其中該雙光束組件提供具有兩個特定測量范圍的兩個測量光束；圖3是來自諸如圖2的彩色共焦點傳感器的光譜輪廓數(shù)據(jù)(spectral profile data)的圖，其示出與兩個測量光束相關(guān)的兩個光譜峰值；圖4是聯(lián)接到光學(xué)筆的雙光束組件的第一示例性實施方式的分解圖；圖5是圖4的雙光束組件的選出的部件的分解圖；圖6是使用中的圖4的光學(xué)筆和雙光束組件的側(cè)剖視圖；圖7是可以用于圖4的第一反射元件的反射面的圖案的圖；圖8是聯(lián)接到光學(xué)筆的雙光束組件的第二實施方式的側(cè)剖視圖；圖9是聯(lián)接到光學(xué)筆的雙光束組件的第三實施方式的側(cè)剖視圖；圖10是聯(lián)接到光學(xué)筆的雙光束組件的第四實施方式的側(cè)剖視圖；圖11是示意性示出可以以多種形式設(shè)置的用于雙光束組件的可選反射元件構(gòu)造的圖；圖12是聯(lián)接到光學(xué)筆的雙光束組件的第五實施方式的側(cè)剖視圖；圖13是示出用于同時測量兩個不同表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)所用的示例性通用程序的流程圖；圖14是示出用于構(gòu)造測量槽深/臺階高度用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性程序的流程圖；圖15是示出用于構(gòu)造測量槽/間隙寬度和/或位置用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性程序的流程圖；圖16是示出用于構(gòu)造測量表面/支承跳動用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性程序的流程圖；圖17是示出用于構(gòu)造測量運動期間的表面滾動(roll)或節(jié)距(pitch)用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性程序的流程圖；圖18A至圖18D是示出雙光束組件用的機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝使用裝置的示例性實施方式的圖19A至圖19D是示出雙光束組件用的圓度測量機(jī)安裝使用裝置的示例性實施方式的圖。
具體實施例方式圖1是示例性彩色共焦點傳感器100的框圖。彩色共焦點傳感器100與全部內(nèi)容通過引用合并于此的同時在審的美國專利申請No. 11/940，214和美國專利申請 No. 12/463，936(分別是'214申請和'936申請)中說明的傳感器有些相似。如圖1所示，彩色共焦點傳感器100包括光學(xué)筆120和電子部分160。光學(xué)筆120包括光纖連接器 107、殼體130和光學(xué)部分150。光纖連接器107被安裝到殼體130的端部。光纖連接器107 收納穿過包裹輸入/輸出光纖的光纖纜線112的輸入/輸出光纖(未詳細(xì)示出)。輸入/ 輸出光纖經(jīng)由光纖孔(fiber aperture) 195輸出源頭光，并且經(jīng)由光纖孔195接受反射的測量信號光。在操作中，如對于彩色共焦傳感系統(tǒng)所已知的那樣，經(jīng)由光纖孔195從光纖端部發(fā)出的寬帶(例如，白)源頭光被光學(xué)部分150聚焦，光學(xué)部分150包括提供軸向色散的透鏡，使得沿著光軸OA的焦點根據(jù)光的波長而位于不同距離。源頭光包括聚焦于相對于光學(xué)筆120位于位置Z的工件表面190的波長。在從工件表面190反射時，反射光由光學(xué)部分 150重新聚焦到光纖孔195。操作源頭光和反射光由極限光線LRl和LR2劃界。由于軸向色散，僅一種波長具有與從光學(xué)筆120到表面190的測量距離匹配的前焦尺寸(front focus dimension) FF0光學(xué)筆被構(gòu)造為使得最好地聚焦于表面190處的波長還將是最好地聚焦于光纖孔195處的反射光的波長。光纖孔195在空間上過濾反射光使得主要是最好地聚焦的波長穿過光纖孔195并且進(jìn)入光纖纜線112的芯中。如下面更詳細(xì)地說明并且在合并的參考文件中說明的那樣，光纖纜線112將反射的信號光傳送到用于確定具有主強度的波長的波長檢測器162，所述波長與到工件表面190的測量距離相對應(yīng)。電子部分160包括光纖耦合器161、波長檢測器162、光源164、信號處理器166和存儲部分168。在各實施方式中，波長檢測器162包括光譜儀或攝譜儀，在所述光譜儀或攝譜儀中，散光元件(dispersive element)(例如，光柵)經(jīng)由光纖纜線112接收反射光并將產(chǎn)生的光譜強度輪廓傳遞到檢測器陣列163。波長檢測器162還可以包括去除或補償來自輪廓數(shù)據(jù)的某些檢測器相關(guān)誤差分量的相關(guān)信號處理(例如，在一些實施方式中，由信號處理器166提供)。因此，在一些實施方式中，波長檢測器162和信號處理器166的某些方面可以合為一體和/或難以分辨。由信號處理器166控制的白光源164經(jīng)由光纖耦合器161 (例如，2X 1光纖耦合器)與光線纜線112耦合。如上所述，光經(jīng)過產(chǎn)生縱向色像差的光學(xué)筆120，使得光的焦距隨著光的波長而變化。經(jīng)由光纖最有效地傳遞回來的光的波長是聚焦于位置Z處的表面 190上的波長。于是，如下面關(guān)于圖3更詳細(xì)地說明并且在合并的參考文件中說明的那樣， 被反射的取決于波長的光的強度再次穿過光纖耦合器161，使得該光的大約50%被引導(dǎo)到波長檢測器162，該波長檢測器162能夠接收分布于沿著檢測器陣列163的測量軸線的像素陣列上的光譜強度輪廓，并且操作以提供對應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)。簡略地，由信號處理器166計算表示輪廓數(shù)據(jù)的坐標(biāo)(例如，峰值位置坐標(biāo))的亞像素分辨率距離，表示與波長峰值對應(yīng)的坐標(biāo)的距離經(jīng)由存儲于存儲部分168中的距離校正查找表確定到表面的測量距離。表示坐標(biāo)的距離可以由多種方法來確定，諸如確定包括于輪廓數(shù)據(jù)的峰值區(qū)域中的輪廓數(shù)據(jù)的形心(centroid)。如下面將更詳細(xì)地說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，在一些例子中可以期望彩色共焦點傳感器100不僅能測量到第一表面190的距離，還能測量到第二表面190'的距離。例如， 在一些實施例中可以期望測量“臺階高度”，或者能測量兩個表面。如圖1所示，在這樣的例子中，第二測量表面190'可以離第一測量表面190足夠遠(yuǎn)，使得兩個表面之間的距離Zdif 超出光學(xué)筆120的標(biāo)準(zhǔn)測量范圍。換言之，光學(xué)筆120的測量范圍R由最小范圍距離ZMIN 和最大范圍距離ZMAX劃界，并且在圖1所示的位置中，當(dāng)表面190落入測量范圍R中時，表面190'落在測量范圍之外。例如，在一些已知的光學(xué)筆的例子中，測量范圍R可以是離筆端的名義間距(nominal standoff)或工作距離(例如，在數(shù)十微米至幾毫米的范圍內(nèi)) 的大致十分之一。在要求測量臺階高度的應(yīng)用中，或者在要求測量表面190和表面190'兩者的其他實施例中，可以期望能從光學(xué)筆120的單一 Z定位測量這兩個表面。即使在表面 190'落在光學(xué)筆120的標(biāo)準(zhǔn)測量范圍R內(nèi)的例子中，在一些實施例中仍可以期望不需要進(jìn)一步移動光學(xué)筆120就能測量到表面190和表面190'兩者的距離。如下面關(guān)于圖2更詳細(xì)地說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置能夠安裝到光學(xué)筆120的端部的雙光束組件，這允許在不需要額外地移動光學(xué)筆120的情況下在不同的測量范圍上實現(xiàn)兩個表面(例如，表面190 和表面190')的測量。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的安裝有示意性示出的雙光束組件200的圖1 的彩色共焦點傳感器100的框圖。如下面更詳細(xì)地說明的那樣，在一種構(gòu)造中，雙光束組件 200沿著第一測量軸線MA 1輸出第一測量光束FMB并沿著第二測量軸線MA2輸出第二測量光束SMB。如圖2所示，雙光束組件200包括位于光學(xué)筆120的源頭光束SB的路徑中的第一反射元件210。第一反射元件210有效地將源頭光束SB分成兩部分。更具體地，第一反射元件210將源頭光束SB的第一部分透射為第一測量光束FMB，并將源頭光束SB的第二部分反射為第二測量光束SMB。雙光束組件200還可以包括可選的第二反射元件220，該第二反射元件220可以反射第二測量光束SMB的全部或一部分。在具有第二反射元件220的實施方式中，可以沿著與第一測量光束FMB的第一測量軸線MA 1平行的第二測量軸線MA2反射第二測量光束SMB。在測量軸線MA 1和MA2之間示出間隔距離SEPP，該距離也是第一反射元件210和第二反射元件220之間的距離。關(guān)于安裝有雙光束組件200的光學(xué)筆120的操作，對于利用第一測量光束FMB實現(xiàn)的測量來說，示出的測量范圍R 1具有最小范圍距離ZlMIN和最大范圍距離Z1MAX。在一個實施方式中，范圍Rl以及距離ZlMIN和ZlMAX可以與圖1所示的范圍R以及距離ZMIN 和ZMAX大致對應(yīng)。如圖2所示，位置Zl處的表面190落入測量范圍Rl中。關(guān)于由第二反射元件220沿著第二測量軸線MA2反射的第二測量光束SMB，實現(xiàn)測量范圍R2。如圖2所示，測量范圍R2具有最小范圍距離Z2MIN和最大范圍距離Z2MAX。如圖2所示，位置Z2處的表面190'落入測量范圍R2中。此外，偏移距離OFFSET表示測量范圍Rl和R2之間的差別偏移。如下面將更詳細(xì)地說明的那樣，可以使用多種技術(shù)來調(diào)整間隔距離SEPP(例如，在第一反射元件210和第二反射元件220之間使用寬度改變的固定間隔元件和/或使第一反射元件210和第二反射元件220之間的距離或第一反射元件210和第二反射元件220的位置可調(diào)等)。
可以理解的是，對于圖2所示的構(gòu)造，偏移距離OFFSET大致等于或者等于間隔距離SEPP，因此偏移距離OFFSET可以通過雙光束組件200的設(shè)計或調(diào)整來控制或調(diào)整?？梢岳斫獾氖牵谝粋€具體的示例性實施方式中，可以設(shè)置可調(diào)支架用以相對于光學(xué)筆120 (例如，沿著源頭光束SB的軸線)定位第一反射元件210，從而使有效距離SEPP和OFFSET可調(diào)。 這也可以使范圍Rl和R2的間距相對于雙光束組件200可調(diào)。關(guān)于圖2，可以理解的是，第二測量光束SMB的有效定位和/或其名義測量范圍可以以至少兩種途徑來調(diào)整。作為第一示例，可以沿著第一測量光束FMB的方向移動第一反射元件210，這有效地沿著第一反射元件210改變了反射第二測量光束SMB的位置，并且相應(yīng)地略微增大或減小光學(xué)筆120的端部和第二測量光束SMB向上反射的位置之間的距離。作為第二示例，可以沿著第二測量光束SMB的方向移動第二反射元件220。在各實施方式中，如果根據(jù)某些光學(xué)系統(tǒng)約束條件來確定測量范圍的最大距離和最小距離(即，測量范圍Rl的ZlMAX和ZlMIN以及測量范圍R2的Z2MAX和Z2MIN)，則可以是有利的。簡略地，確定測量范圍的最小距離和最大距離的第一因素是特定的透鏡組能以特定水平的精度聚焦特定的波長組的物理距離。更通常地，具有最小和最大極限值的各范圍通常與可得到的輸入光譜能夠通過使用色像差被良好地聚焦的范圍對應(yīng)。此外，檢測器自身的極限值是所述范圍的另一因素。換言之，對于待測量的不同預(yù)期和期望的波長，可以期望波長在檢測器陣列上散布從而可以實現(xiàn)高水平的分辨率。總之，具有特定的最小距離和最大距離的范圍通常由與有效地在沿著特定軸線的距離上聚焦光譜的能力有關(guān)的極限值和由與波長在檢測器上的分散有關(guān)的設(shè)計選擇確定?？梢岳斫獾氖?，通過使用雙光束組件200，利用單一光學(xué)筆120可以測量多個點。 此外，不同的測量范圍(例如，之間具有偏移距離的測量范圍Rl和R2)可以與不同的測量光束相關(guān)聯(lián)，使得不同Z位置處的表面可以被有效地測量而無須相對于表面190和190'額外地調(diào)整光學(xué)筆120的位置。如下面關(guān)于圖6、圖8、圖9、圖10和圖11更詳細(xì)地說明的那樣，在各實施方式中， 第一測量軸線MAl和第二測量軸線MA2可以相對于光學(xué)筆120和/或相對于彼此在多個方向上取向，從而實現(xiàn)期望的測量功能。例如，測量軸線MAl和MA2可以在與光學(xué)筆120的光軸OA相同的方向、與光軸OA橫切(例如，正交)的方向、彼此共面的方向、彼此相反的方向、彼此橫切(例如，正交)的方向等上取向。作為彼此正交的測量光束的示例，如圖2所示，在不具有第二反射元件220或者第二反射元件220透射第二測量光束SMB的一部分的實施方式中，第二測量光束SMB沿著可選的第二測量軸線MA2'延伸。在該實施方式中，提供了具有最小范圍距離Z2MIN'和最大范圍距離Z2MAX'的測量范圍R2'。如下面關(guān)于圖 9更詳細(xì)地說明的那樣，當(dāng)期望第二測量光束SMB在與第一測量光束FMB的方向有效地橫切(例如，垂直)的方向上取向時，可以使用這樣的實施例(例如，用于測量兩個表面之間的變化角等)。圖3是來自彩色共焦點傳感器的光譜輪廓數(shù)據(jù)310的圖300，其示出離光學(xué)筆的兩個表面距離的光譜峰值數(shù)據(jù)，其中所述光學(xué)筆根據(jù)這里所公開的原理安裝有雙光束組件 (例如，雙光束組件200)。例如如合并的參考文件所述，在本領(lǐng)域中，普遍地理解諸如圖3所示的光譜數(shù)據(jù)。輪廓數(shù)據(jù)310示出與各像素ρ (處于標(biāo)準(zhǔn)化伏特)相關(guān)聯(lián)的信號水平。輪廓數(shù)據(jù)310與利用安裝有雙光束組件的光學(xué)筆(例如，與圖2所示的彩色共焦點傳感器100和雙光束組件200相似)所進(jìn)行的測量操作對應(yīng)。如下面更詳細(xì)地說明的那樣，輪廓數(shù)據(jù)310具有光譜峰值，所述光譜峰值具有峰值位置坐標(biāo)(即，P(Zl)和P(Z2+0FFSET))?？梢岳脕喯袼胤直媛试诖_定了輪廓數(shù)據(jù)310 的峰值區(qū)域的擬合曲線的峰值的基礎(chǔ)上或在輪廓數(shù)據(jù)310的峰值區(qū)域的形心的基礎(chǔ)上、或利用多種其他校正和信號處理方法(例如，如合并的參考文件所詳細(xì)說明的那樣)來確定峰值位置坐標(biāo)P(Zl)和P(Z2+0FFSET)。如前面關(guān)于圖1所論述的那樣，測量距離“Ζ”可以被確定為與所存儲的距離校正數(shù)據(jù)中的峰值位置坐標(biāo)的值對應(yīng)的測量距離。在各實施方式中，可以對所存儲的距離校正數(shù)據(jù)進(jìn)行插值以給出與亞像素峰值位置坐標(biāo)精確地對應(yīng)的測量距離。關(guān)于檢測器上的信號和實際測量表面位置或值Zl和Ζ2之間的關(guān)系，為了確定工件的實際尺寸，在一個實施方式中，可以遵從下述約定。Z值被定義為沿著Z方向的絕對測量位置或值。因此，圖2和圖3中以及下述等式中的值Zl和Ζ2被解釋為由第一測量光束 FMB或由第二測量光束SMB確定的測量值(Ζ值)。測量值Zl和Ζ2可以被解釋為與特定基準(zhǔn)位置(例如，光學(xué)筆120的端部)有關(guān)的值。因此，一般說來，與基準(zhǔn)點的位置有關(guān)的特定間距值或偏移值可以被加到測量范圍內(nèi)的位置。在某些實施例中，測量值Zl可以被認(rèn)為是兩個測量值中的“更典型”的測量值。 即，在圖2的實施方式中，測量值Zl從未被從測量軸線向第二反射元件偏轉(zhuǎn)的第一測量光束FMB取得。因此，測量值Zl名義上具有與不存在雙光束組件200的情況(例如，諸如圖 1中所示)相同的值。更具體地，如圖2所示，確定測量值Zl的第一測量光束FMB大致由圖1中所示的用于確定測量值Z的測量光束(即，未改變的源頭光束)用的相同光線構(gòu)成。 因此，在該特別的例子中，在有或者沒有雙光束組件200的情況下，從第一測量光束FMB確定的測量值Zl和使光譜峰值位置與對應(yīng)的Z距離相關(guān)的Z距離校正曲線大體上應(yīng)該是相同的。在該情況下，可以說Zl實質(zhì)上與校正曲線Z值相等，所述校正曲線Z值與從第一測量光束FMB產(chǎn)生的信號P (Zl)對應(yīng)。如下面更詳細(xì)地論述的那樣，一般而言，這對于已經(jīng)經(jīng)歷了第二次反射從而轉(zhuǎn)入不同方向、具有一些間隔尺寸SEPP并且由此具有沿著Z軸方向的偏移距離OFFSET的任何第二測量光束(例如，第二測量光束SMB)來說都是不成立的?；谏鲜鲈聿⑶覅⒄請D2和圖3，可以定義或推出下述等式Zl = ZcalP (FMB) = P(Zl)(等式 1)Z2 = ZcalP(SMB)-OFFSET = ZcalP(Z2+0FFSET)-OFFSET(等式 2)關(guān)于等式2，可以理解的是，在到達(dá)沿著Z軸方向的“絕對測量位置”Z2之前，第二測量光束SMB沿第二測量光束SMB所行進(jìn)的偏轉(zhuǎn)路徑與Z軸方向橫切地行進(jìn)附加尺寸SEPP =OFFSET，使得產(chǎn)生的信號仿佛是沿著Z軸方向從比位置Z2遠(yuǎn)離筆的位置測量到的。因此，必須從由第二測量光束SMB產(chǎn)生的信號所表示的表觀測量距離減去OFFSET，以確定沿著Z軸方向的真實距離Z2。進(jìn)一步關(guān)于等式2，在一個實施例中，可以由峰值像素表示信號，因此，在圖3中， 與來自第二測量光束SMB的測量對應(yīng)的左側(cè)峰值P (SMB)也被標(biāo)示為P (Z2+0FFSET)，并且由于Zl可以被認(rèn)為與沒有雙光束組件時返回的值一致(如上所述)，所以與第一測量光束 FMB信號峰值相關(guān)聯(lián)的峰值P (FMB)也被標(biāo)示為P (Zl)。
因此，在一個實施方式中，光學(xué)筆120用的標(biāo)準(zhǔn)查找表可以用于確定值Z1。關(guān)于來自第二測量光束SMB的峰值，待查找的值與總和(Z2+0FFSET)對應(yīng)。偏移值OFFSET可以通過設(shè)計(例如，從間隔距離SEPP)或通過標(biāo)定(例如，在間距設(shè)定為OFFSET的情況下，兩個光束均指向平坦的、垂直的表面)來得知，使得能夠基于信號和已知的OFFSET確定Z2和 Zl的值。在圖3中，檢測器上的峰值之間的間隔被標(biāo)示為函數(shù)f(Zl，Z2，0FFSET)，該函數(shù)能夠可選地寫成函數(shù)f (Zl，Zdiff,OFFSET)。峰值間隔在像素位置方面是Zl和Zdiff的函數(shù)的原因是給定像素相對于給定距離的校正是非線性的，使得關(guān)于非線性曲線上的特別位置需要提供校正。在僅使用線性轉(zhuǎn)換的可選實施例中，間隔將僅依賴于值Zdiff和OFFSET?；谏鲜鲈聿⑶覅⒄請D2和圖3，當(dāng)臺階高度Zdiff = Z1-Z2與OFFSET相同時， 峰值P (FMB)和峰值P (SMB)將位于檢測器上的相同位置(即，峰值P (FMB)和峰值P (SMB) 在曲線310上難以分辨)。根據(jù)這些考慮，在各實施例中，期望參照距離Zdiff = Z1-Z2 的希望范圍選擇或調(diào)整偏移距離OFFSET，使得峰值P(FMB) =P(Zl)和峰值P(SMB)= P (Z2+0FFSET)不重疊并且能夠被區(qū)分。關(guān)于能區(qū)分所述峰值的能力，在某些實施例中，可以期望所述峰值靠近得不小于檢測器上的測量范圍的大約5% -10% (例如，在圖3中示出具有大約70像素間隔的峰值的示例作為一組光譜輪廓數(shù)據(jù)310a的虛線表示)。為簡單起見， 這可以被重申為要求距離OFFSET被設(shè)置為使得(Zdiff-OFFSET) >0. 05*R，或者在更保守的實施例中要求Z diff的所有期望值滿足(Zdiff-OFFSET) > 0. 1*R。因此，在某些實施例中，期望彩色點傳感器系統(tǒng)100裝置包括根據(jù)前述考慮構(gòu)造的雙光束組件200。特別地，根據(jù)前述，雙光束組件和光學(xué)筆裝置的總的連續(xù)測量范圍Z能夠多達(dá)R+0FFSET。然而，如果距離OFFSET超過測量范圍R，則在總的測量范圍中將會存在兩個光束都不能夠獲得有效測量的間隙或中斷。理論上，連續(xù)的測量范圍可以達(dá)到N*R，其中N為光束的數(shù)量。如果利用較少的信號來工作是可接受的，則各光束可以更多次地分裂， 并且可以獲得達(dá)到光學(xué)筆的最大聚焦距離的大部分的范圍(例如，與一個特定實施例中的 10R數(shù)量級的間距類似)。在這樣的實施例的略微更保守的估計中，由于各光束的較低光強度和在多次分裂操作中的光學(xué)性能退化，利用信噪比或采樣率的一些退化，可以實現(xiàn)至少 8R的實際工作范圍。圖4是聯(lián)接到光學(xué)筆120的雙光束組件400的第一示例性實施方式的分解圖。 在圖4中，利用相同或相似的附圖標(biāo)記表示與圖2的雙光束組件200中的元件相同或相似的元件。圖4的雙光束組件400與前述示意性示出的雙光束組件200的不同之處在于，第一測量光束FMB和第二測量光束SMB均沿著與光學(xué)筆120的光軸正交的測量軸線被向下引導(dǎo)。如圖4所示，安裝元件402 (例如，具有上槽的安裝臺，所述上槽使得所述安裝臺可以被收緊)用于將雙光束組件400固定地安裝到光學(xué)筆120。設(shè)置夾緊螺栓403，用于在光學(xué)筆120的端部周圍收緊和壓縮安裝元件402。第一反射元件組件210'可以被安裝到安裝元件402，第二反射元件組件220'可以被安裝到第一反射元件組件210'。在某些實施方式中，第一反射元件組件210'和第二反射元件組件220'可以包括與圖2的第一反射元件 210和第二反射元件220類似的部件。如圖4所示，第一反射元件組件210'可以包括第一反射元件保持件406、第一反射元件框架408和第一反射元件410?？梢栽O(shè)置間隔元件404以調(diào)整第一反射元件組件210'相對于安裝元件402和光學(xué)筆120的間隔。第二反射元件組件220'可以包括第二反射元件保持件416和第二反射元件420?？梢栽O(shè)置間隔元件414 以調(diào)整第二反射元件組件220'相對于第一反射元件組件210'、安裝元件402以及光學(xué)筆 120的間隔。如圖6所示，間隔元件414可以用于調(diào)整尺寸SEPP(由此調(diào)整值OFFSET，如上所述)。間隔元件404可以用于單獨調(diào)整名義間距尺寸或工作距離。如圖4所示，間隔元件404可以可調(diào)整地分開安裝元件402和第一反射元件保持件406。如下面關(guān)于圖5更詳細(xì)地說明的那樣，第一反射元件保持件406包括用于穩(wěn)固地收納第一反射元件框架408的尺寸精確并且精確地對準(zhǔn)的方形開口，其中第一反射元件410 被安裝到第一反射元件框架408。間隔元件414可以可調(diào)整地分開第一反射元件保持件 406和第二反射元件保持件416。第二反射元件保持件416包括用于穩(wěn)固地收納第二反射元件420 (例如，第一表面反射45-45-90棱鏡)的尺寸精確并且精確地對準(zhǔn)的方形開口，所述第二反射元件420可以通過粘接或其他接合方法接合到所述第二反射元件保持件416。 可以使用組裝螺栓417穿過精確的組裝孔而以適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)組裝雙光束組件400的部件。在操作期間，雙光束組件400提供沿著通常與光學(xué)筆120的初始光軸橫切或正交的測量軸線的第一測量光束FMB和第二測量光束SMB。第一測量光束FMB被第一反射件 410向下(與光學(xué)筆光軸橫切)反射，而第二測量光束SMB被第二反射元件420向下(與光學(xué)筆光軸橫切)反射。如下面關(guān)于圖5更詳細(xì)地說明的那樣，第一反射元件保持件406 和第二反射元件保持件416被設(shè)計成穩(wěn)固地保持和對準(zhǔn)第一反射元件410和第二反射元件 420，從而使第一測量光束FMB和第二測量光束SMB適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)。圖5是圖4的雙光束組件400的選出的部件的分解圖。如圖5所示，第一反射元件保持件406具有用于收納和對準(zhǔn)第一反射元件框架408的尺寸精確并且精確地對準(zhǔn)的方形開口，其中第一反射元件410被安裝到第一反射元件框架408。第一反射元件保持件406 還具有指定的安裝面MSPA、MSPB和MSRE。在第一種構(gòu)造中，安裝面MSPA可以被安裝為朝向光學(xué)筆120，其中源頭光束SB穿過孔HA并且第一測量光束FMB和第二測量光束SMB將沿著與光學(xué)筆120的光軸OA正交的測量軸線被引導(dǎo)(例如，如下面關(guān)于圖6更詳細(xì)地說明的那樣)。在可選的構(gòu)造中，安裝面MSPB可以被安裝成面向光學(xué)筆120，其中源頭光束SB穿過孔HB并且第一測量光束FMB和第二測量光束SMB將沿著與光學(xué)筆120的光軸OA平行的測量軸線被引導(dǎo)(例如，如下面關(guān)于圖8更詳細(xì)地說明的那樣)。當(dāng)安裝面MSRE出現(xiàn)在構(gòu)造中時，安裝面MSRE通常面朝容納于第二反射元件保持件416內(nèi)的第二反射元件420?？梢岳斫獾氖牵惭b面和組裝孔的適當(dāng)對準(zhǔn)確保用于使處于正確取向的第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的適當(dāng)對準(zhǔn)。通過仔細(xì)構(gòu)造用于穩(wěn)固地保持安裝有第一反射元件410的第一反射元件框架408的第一反射元件保持件406和用于穩(wěn)固地保持第二反射元件420的第二反射元件保持件416也確保該適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。第一反射元件保持件406包括孔HA、HB和HC，而第一反射元件框架408包括孔 H1、H2和H3以及第一反射元件安裝面MSFRE。第一反射元件410 (例如，通過粘接或其他接合方法)被安裝到第一反射元件框架408的第一反射元件安裝面MSFRE。在一些實施方式中，對于第一測量光束FMB和第二測量光束SMB來說有利的是包括不穿過雙光束組件中的任何光學(xué)材料和/或潛在的扭曲產(chǎn)生折射界面的光線。因此，在圖4至圖10所示的實施方式中，第一反射元件是帶圖案的鏡元件，所述鏡元件包括第一表面平面反射鏡區(qū)域(例如，拋光金屬板的材料區(qū)域)和包括開口孔(例如，穿過拋光金屬板的孔)的透過區(qū)域。在各實施方式中，第二反射元件(如果存在)可以反射所有的光。因此，在這樣的實施方式中， 可以通過由任何方便的元件(例如，圖5所示的棱鏡元件420)制成的第一表面鏡來提供第二反射元件。如下面關(guān)于圖6更詳細(xì)地說明的那樣，在一個構(gòu)造(即，其中安裝面MSPA被安裝為面朝光學(xué)筆120)中，孔HA和Hl接收來自光學(xué)筆120的源頭光束，而光束的一部分穿過孔 H2并且穿過第一反射元件410的開口部作為第二測量光束SMB，并且光束的一部分穿過孔 H3和HC被向下反射作為第一測量光束FMB。如下面關(guān)于圖8更詳細(xì)地說明的那樣，在可選的構(gòu)造(即，其中安裝面MSPB被安裝為面朝光學(xué)筆120)中，來自光學(xué)筆120的源頭光束可以穿過孔HB被接收，而光束的一部分穿過第一反射元件410的開口部分然后穿過孔H3和 HC作為第一測量光束FMB，并且光束的一部分被第一反射元件410的反射部分反射作為第二測量光束SMB。圖6是組裝后的圖4和圖5的雙光束組件400和光學(xué)筆120的側(cè)剖視圖(例如， 如它們使用時所呈現(xiàn)的)。如圖6所示，安裝元件402包圍光學(xué)筆120的端部，并且被夾緊螺栓403夾緊在適當(dāng)?shù)奈恢谩０惭b元件402可以包括外對準(zhǔn)面AS，所述外對準(zhǔn)面AS可以倚靠在另一面上，用以輔助測量到表面190和190'的距離用的雙光束組件400的適當(dāng)?shù)臏y量軸線對準(zhǔn)和穩(wěn)定性。在圖6的實施方式中，對準(zhǔn)面AS被示出為與第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的測量軸線正交。可以理解的是，在可選的實施方式中，可以在安裝元件402 的其他部分或其他元件(例如，在第一反射元件保持件406或第二反射元件保持件416上等)設(shè)置其他對準(zhǔn)面。間隔元件404被示出為在安裝元件402和第一反射元件保持件406之間提供期望的間隔距離。如上面關(guān)于圖4和圖5所述，第一反射元件保持件406保持安裝有第一反射元件410的第一反射元件框架408。緊接第一反射元件保持件406，間隔元件414在第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416之間提供期望的間隔距離(例如，在一些實施方式中提供期望的尺寸SEPP = OFFSET，如前所述)。如上面關(guān)于圖4和圖5所述，第二反射元件保持件416以適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)將第二反射元件420穩(wěn)固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩＝M裝螺栓417用于適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)和組裝雙光束組件400的部件。在操作期間，從孔195穿過光學(xué)筆120的透鏡150的光作為源頭光束SB行進(jìn)，所述源頭光束SB延續(xù)到第一反射元件410，源頭光束的一部分穿過第一反射元件410的開口部分延續(xù)為第二測量光束SMB，所述第二測量光束SMB被第二反射元件420朝向表面190' 沿著第二測量軸線向下反射。源頭光束的一部分被第一反射元件410的反射部分反射為第一測量光束FMB，所述第一測量光束FMB朝向表面190沿著第一測量軸線向下行進(jìn)。如上面關(guān)于圖2和圖3所述，為了在期望位置產(chǎn)生光譜峰值或產(chǎn)生具有沿著檢測器測量軸線的期望的最小間隔的光譜峰值(例如，如參照圖3所示出的)，可以根據(jù)期望的工件尺寸選擇或調(diào)整諸如間隔距離SEPP和偏移距離OFFSET等多種尺寸。因此，可以理解的是，如圖6所示的間隔元件404和414為此可以被選擇為具有期望厚度。如圖6所示，間隔元件414確定第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的物理間隔和對應(yīng)的測量范圍偏移兩者。如上面關(guān)于圖3所述，期望所述偏移大到足以使得能夠分辨光譜峰值，但是小到足以使得兩個光譜峰值落入檢測器的期望測量范圍內(nèi)。仍如圖6所示，間隔元件404確定測量光束的工作距離相對于雙光束組件400的全部間距尺寸。在各實施方式中，可以改變間隔元件404和414的寬度(例如，通過插入可變數(shù)量的間隔元件或具有不同寬度的間隔元件
寸J ο可以理解的是，圖6的構(gòu)造允許表面190和190'之間的臺階高度被測量為尺寸 Zdiff (例如，如圖2所示以及如上所述)，其中，在圖6的構(gòu)造中，第一測量光束FMB和第二測量光束SMB分別朝向表面190和190'被引導(dǎo)。該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點包括由單一光學(xué)筆120可以實現(xiàn)兩個測量；Zdiff可以超過光學(xué)筆的標(biāo)準(zhǔn)測量范圍R ；以及光學(xué)筆和 /或測量表面都無需前后移動以提供測量，這相應(yīng)地提供更快的測量并提高了精度(即， 消除了振動、臺架運動等)。還可以理解的是，僅通過安裝雙光束組件400的安裝元件402， 傳統(tǒng)的光學(xué)筆能夠容易地轉(zhuǎn)變成用于進(jìn)行包括雙測量范圍或延長的測量范圍的雙光束功能。圖7是可以用于圖4至圖6的反射元件410的表面的示例性實施方式的一系列反射圖案410A-410D的圖。所述圖案被限定在與由圖案接收到的照明大致對應(yīng)的虛線“界限” 內(nèi)。如圖7所示，圖案可以被包括在片材或玻璃上的薄膜的延伸區(qū)域(例如，如圖所示的矩形片材或膜區(qū)域)內(nèi)，如前所述并且如下面進(jìn)一步所述。如圖7所示，反射圖案410A被分成四個部分S1A-S4A，第一部分SlA和第三部分S3A是開口的(或能透光的)，并且第二部分S2A和第四部分S4A是反射性的。圖案410B被示出為分成八個部分S1B-S8B，部分S1B、 S3B、S5B和S7B是開口的，而部分S2B、S4B、S6B和S8B是反射性的。在圖案410C中，中間的圓形部分SlC是開口的，而外環(huán)部分S2C是反射性的。在圖案410D中，中央的圓形部分 SlD是開口的并且由反射性的內(nèi)圓形部分S2D包圍，內(nèi)圓形部分S2D由開口的圓形部分S3D 包圍，圓形部分S3D進(jìn)一步由反射性的外圓形部分S4D包圍。當(dāng)反射圖案410D形成于片材時，所述圖案可以包括極小的橋部分BR以支撐部分S2D。如果所述圖案形成于玻璃上的薄膜等，則可以省略橋部分BR。如下面更詳細(xì)地所述，所有的圖案410A-410D均形成為對雙光束組件400的操作有利的對稱型。更具體地，在某些實施例中，期望圖案具有跨越圖案中心的反射對稱性，或者換言之，如果圖案圍繞其中心轉(zhuǎn)動180度，圖案應(yīng)當(dāng)看起來相似或相同。如圖7的圖案 410A和410B所示，這可以通過提供具有偶數(shù)個開口部分和偶數(shù)個反射部分的圖案而在一種實施例中實現(xiàn)，其中各開口部分均具有跨越圖案中心與其對稱的相應(yīng)的開口部分，并且各反射部分具有跨越圖案中心與其對稱的相應(yīng)的反射部分。這種構(gòu)造是可行的，原因在于， 關(guān)于來自光學(xué)筆120的源頭光束，在從工件表面反射的測量光束中，源頭光束的上部的光線將在光學(xué)部件的下部返回。類似地，在從工件表面反射的測量光束中，來自源頭光束的下部的光線將在光學(xué)部件的上部返回。因此，例如關(guān)于圖案410A，源頭光束的行進(jìn)穿過開口部分SlA的部分將穿過開口部分S3A從被測量表面反射回來。類似地，源頭光束的由反射部分S2A反射的部分將從被測量表面反射回來并由部分S4A朝向光學(xué)筆120反射，從而提供期望的測量信息。類似地，源頭光束的行進(jìn)穿過開口部分S3A的部分穿過開口部分SlA被反射回來，并且源頭光束的從第四部分S4A反射的部分被反射回到第二部分S2A?？梢岳斫獾氖?，對于圖案410B的八個對稱部分S1B-S8B中的各部分來說，發(fā)生類似的操作。關(guān)于圖案410C和410D，可以理解的是，對于相應(yīng)的圓形圖案也存在類似的操作對稱性。例如，源頭光束的行進(jìn)穿過靠近開口部分SlC的一個邊緣的開口區(qū)域的部分將穿過靠近開口部分SlC的相反邊緣的區(qū)域而被反射回來。類似地，源頭光束的由靠近反射部分 S2C的一個邊緣的反射部分反射的部分將從測量表面朝向位于反射部分S2C的相反邊緣的反射部分被反射回來?？梢岳斫獾氖牵瑢τ趫A形圖案410D的各開口和各反射部分也發(fā)生類似的操作。 在一些實施方式中，反射區(qū)域被設(shè)計為在源頭光束中(虛線內(nèi))具有總反射面積并且透光區(qū)域在源頭光束中具有總透光面積，并且總反射面積可以位于總透光面積的規(guī)定百分比(例如，+/-25%)內(nèi)，使得第一和第二測量光束內(nèi)的能量至少部分地平衡，并且第一和第二測量光束均提供期望水平的信號強度。在某些其他實施方式中，總反射面積與總透光面積可以具有規(guī)定的差異(例如，至少)，使得第一和第二測量光束內(nèi)的能量的差異可檢測，并且基于第一和第二測量光束在檢測器上的信號強度(例如，第一和第二測量光束的峰值高度)，第一和第二測量光束的信號可以彼此區(qū)分。圖8是聯(lián)接到光學(xué)筆120的雙光束組件800的第二實施方式的側(cè)剖視圖。可以理解的是，雙光束組件800的部件可以與圖4至圖7的雙光束組件400的相似編號的部件類似或相同。雙光束組件800的主要區(qū)別在于第一測量光束FMB和第二測量光束SMB均沿著與光學(xué)筆120的光軸OA平行的測量軸線被引導(dǎo)。如圖8所示，安裝元件802用于將雙光束組件800安裝到光學(xué)筆120的端部，并且被夾緊螺栓803擰緊。安裝元件802的外對準(zhǔn)面AS被示出為與由雙光束組件800輸出的第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的測量軸線平行。雙光束組件800的其余部件相對于圖6的雙光束組件400的可比較部件通常以90度取向。更具體地，在雙光束組件800中， 第一反射元件保持件806在第二反射元件保持件816的下方取向(與圖6中所示的第一反射元件保持件406和第二反射元件保持件416的左右取向相比)。第一反射元件保持件806收納安裝有第一反射元件810的第一反射元件框架808。 如上面關(guān)于圖7所述，第一反射元件810可以包括具有開口部分和反射部分的圖案。第二反射元件保持件816收納第二反射元件820。設(shè)置組裝螺栓817用以組裝和適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)雙光束組件800的部件。在操作中，來自光學(xué)筆120的源頭光束朝向第一反射元件810被引導(dǎo)。源頭光束的行進(jìn)穿過第一反射元件810的開口部分的部分延續(xù)為第一測量光束FMB，所述第一測量光束FMB沿著第一測量軸線朝向表面190被引導(dǎo)。源頭光束的由第一反射元件810的反射部分反射的部分朝向第二反射元件820被引導(dǎo)，然后，第二反射元件820朝向表面190 ‘沿著第二測量軸線引導(dǎo)第二測量光束SMB?？梢岳斫獾氖?，第一測量光束FMB和第二測量光束 SMB由此沿著與光學(xué)筆120的光軸OA相同的方向被平行地引導(dǎo)。在一個實施方式中，在圖8和圖4中以相同后綴編號的元件可以是類似或相同的， 并且使用在圖4中總體上示出的可選安裝孔相對于彼此以不同的取向簡單地組裝。圖9是聯(lián)接到光學(xué)筆120的雙光束組件900的第三實施方式的側(cè)剖視圖?？梢岳斫獾氖牵p光束組件900的部件可以與上述雙光束組件400和800的相似編號的部件類似或相同。雙光束組件900的主要不同在于，第一測量光束FMB在與光學(xué)筆120的光軸相同的方向上沿著第一測量軸線被引導(dǎo)，而第二測量光束SMB在與光學(xué)筆120的光軸正交的方向上沿著第二測量軸線被引導(dǎo)。如圖9所示，安裝元件902用于將雙光束組件900安裝到光學(xué)筆120的端部，并且被夾緊螺栓903擰緊。安裝元件902的外對準(zhǔn)面AS被示出為與第一測量光束FMB的測量軸線平行并且與第二測量光束SMB的測量軸線正交。間隔元件904在安裝元件902和第一反射元件保持件906之間提供指定的間隔。第一反射元件保持件906收納安裝有第一反射元件910的第一反射元件框架908。如上面關(guān)于圖7所述，第一反射元件910可以包括具有開口部分和反射部分的圖案。在操作 中，來自光學(xué)筆120的源頭光束朝向第一反射元件910被引導(dǎo)。源頭光束的行進(jìn)穿過第一反射元件910的開口部分的部分延續(xù)為沿著第一測量軸線行進(jìn)的第一測量光束FMB。源頭光束的由第一反射元件910的反射部分反射的部分被向下引導(dǎo)為沿著第二測量軸線行進(jìn)的第二測量光束SMB。由此，如圖9所示，第一測量光束FMB和第二測量光束SMB相對于彼此大體上正交?？梢岳斫獾氖牵@樣的構(gòu)造可以用于測量多種類型的表面構(gòu)造(例如，測量兩個表面之間的變化角、同時測量底部和側(cè)壁的表面粗糙度等)。在一個實施方式中，在圖9和圖4中以相同后綴編號的元件可以是類似或相同的， 并且可以簡單地省略圖4所示的一些元件。圖10是聯(lián)接到光學(xué)筆120的雙光束組件1000的第四實施方式的側(cè)剖視圖。可以理解的是，雙光束組件1000的部件可以與如上所述的雙光束組件400、800和900的相似編號部件類似或相同。雙光束組件1000的主要不同在于，第一測量光束FMB在與光學(xué)筆120 的光軸OA正交的向下方向上沿著第一測量軸線被引導(dǎo)，而第二測量光束SMB在與第一測量光束FMB的方向相反的向上方向上沿著第二測量軸線被引導(dǎo)。如圖10所示，安裝元件1002用于將雙光束組件1000安裝到光學(xué)筆120的端部， 并且被夾緊螺栓1003擰緊。安裝元件1002的外對準(zhǔn)面A S被示出為與第一測量光束FMB 和第二測量光束SMB的測量軸線正交。間隔元件1004在安裝元件1002和第一反射元件保持件1006之間提供指定的間隔。第一反射元件保持件1006收納安裝有第一反射元件1010 的第一反射元件框架1008。如上面關(guān)于圖7所述，第一反射元件1010可以包括具有開口部分和反射部分的圖案。緊接第一反射元件保持件1006，間隔元件1014在第一反射元件保持件1006和第二反射元件保持件1016之間提供指定的間隔。第二反射元件保持件1016收納第二反射元件1020。設(shè)置組裝螺栓1017以對準(zhǔn)和組裝雙光束組件1000的部件。在操作中，來自光學(xué)筆120的源頭光束SB朝向第一反射元件1010被引導(dǎo)。源頭光束的由第一反射元件1010的反射部分向下反射的部分在向下方向上延續(xù)為沿著第一測量軸線行進(jìn)的第一測量光束FMB。源頭光束SB的穿過第一反射元件1010的開口部分的部分由第二反射元件1020反射，從而在向上方向上被引導(dǎo)為沿著第二測量軸線行進(jìn)的第二測量光束SMB?？梢岳斫獾氖牵谝粶y量光束和第二測量光束在相反方向上的取向可以用于獲得多種類型的測量(例如，測量間隙寬度等)。在一個實施方式中，在圖10和圖4中以相同后綴編號的元件可以是類似或相同的，并且使用在圖4中大體上示出的可選安裝孔在相對于彼此不同的取向上簡單地組裝。 例如，可以看出雙光束組件1000的部件與圖6所示的雙光束組件400的部件實質(zhì)上相同， 除了第二反射元件保持件1016轉(zhuǎn)動了 180度?？梢岳斫獾氖峭ㄟ^以使部件能夠被轉(zhuǎn)動和 /或調(diào)整的方式構(gòu)造雙光束組件，利用一組雙光束組件零件可以實現(xiàn)不同的雙光束組件構(gòu)造。
圖11是示出可以以多種形式(例如，使用棱鏡塊元件或組件)設(shè)置的用于雙光束組件的示例性反射元件構(gòu)造1100A-1100F的圖。如下面將要更詳細(xì)地說明的那樣，反射元件構(gòu)造1100A-1100F可以使第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的某些取向與前述雙光束組件600、800、900以及1000的第一測量光束FMB和第二測量光束SMB的取向相同?？梢岳斫獾氖?，在一些實施方式中，源頭光束SB可以在第一反射元件表面處被與參照圖7所示的原理對應(yīng)的圖案反射，其中所述圖案例如可以形成為棱鏡塊上的薄膜圖案。可選地，在一些實施方式中，源頭光束SB可以在第一反射元件表面處被半鍍銀鏡面等反射。然而，盡管這可能是經(jīng)濟(jì)的，但是在測量光束通過所述表面返回時將導(dǎo)致光的損失或浪費。在第二反射元件表面使第二測量光束沿著測量軸線MA2偏轉(zhuǎn)的實施方式中，所述表面可以是全鏡面。當(dāng)使用棱鏡塊元件時，可以理解的是，一定程度的扭曲可能由棱鏡元件引入到第一測量光束FMB和第二測量光束SMB，然而，即使在這樣的情況下仍可以獲得可運行裝置，并且在某些實施例中，如本領(lǐng) 域已知的那樣，通過校正技術(shù)可以處理任何程度的扭曲。如圖11所示，在該特別的構(gòu)造中，反射元件構(gòu)造1100A包括在兩邊均具有全反射鏡面的三角形棱鏡元件1110A。反射元件1110A將沿著光軸OA行進(jìn)的源頭光束SB分成第一測量光束FMB和第二測量光束SMB，其中第一測量光束FMB沿著第一測量軸線MAl被向上引導(dǎo)，第二測量光束SMB沿著第二測量軸線MA2被向下引導(dǎo)?？梢岳斫獾氖?，這樣的構(gòu)造可以替代圖10的雙光束組件1000，圖10的雙光束組件1000如上所述也在相反的方向上引導(dǎo)第一測量光束FMB和第二測量光束SMB。在某些實施例中，可以期望三角形棱鏡元件1110A的邊以小于45度的角θ取向。 這可能是期望的，原因在于，元件1110Α的各邊均接收會聚源頭光束SB的一半。換言之，如果期望使全部會聚源頭光束SB通過該裝置而鏡像相背，則三角形棱鏡元件1110Α的表面需要傾斜，以考慮會聚和各邊涉及會聚的一半的事實。由此，在一個具體的示例性實施方式中，角θ從45度偏離大約數(shù)值孔徑(NA)的一半。通過適當(dāng)?shù)卮_定角θ，第一測量光束 FMB和第二測量光束SMB在從相應(yīng)的表面190和190'被反射回來之后，交叉地返回并且具有與光束被分開時出現(xiàn)的構(gòu)造大致相同的構(gòu)造。以此方式，類似的光束沿著它們的初始線路反射回到光學(xué)筆120中，使得能夠?qū)崿F(xiàn)精確測量。如圖11進(jìn)一步所示，下一個反射元件構(gòu)造1100Β包括第一反射元件11IOB和第二反射元件1120Β。第一反射元件1110Β可以是部分反射部分透光的片材(即，如光學(xué)部件中已知的)使得沿著光軸OA提供的源頭光束的一部分可以被向上反射為沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束。此外，源頭光束的一部分還可以被透射到第二反射元件1120Β并且被向上反射為沿著第二測量軸線ΜΑ2的第二測量光束?？梢岳斫獾氖?，該構(gòu)造使沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束的取向和沿著第二測量軸線ΜΑ2的第二測量光束的取向與圖6中所示的雙光束組件400的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向類似。下一個反射元件構(gòu)造1100C包括光束分光器1107C。光束分光器1107C將沿著光軸OA行進(jìn)的源頭光束的一部分透射為沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束。光束分光器1107C還在內(nèi)反射面11IOC處將源頭光束的一部分向上反射為沿著第二測量軸線ΜΑ2的第二測量光束?？梢岳斫獾氖?，沿著第一測量軸線MAl輸出的第一測量光束的取向和沿著第二測量軸線ΜΑ2輸出的第二測量光束的取向與圖9所示的雙光束組件900的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向類似。
下一個反射元件構(gòu)造1100D包括棱鏡元件1107D。在棱鏡元件1107D的第一內(nèi)表面1110D處，沿著光軸OA行進(jìn)的源頭光束的一部分被向上反射為沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束。此外，該源頭光束的其余部分穿過內(nèi)表面1110D透射到元件1107D的第二表面1120D，在此處，源頭光束的該其余部分被向上反射為沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束?？梢岳斫獾氖?，該構(gòu)造使沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束的取向和沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束的取向與圖6中所示的雙光束組件400中的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向類似。下一個反射元件構(gòu)造1100E包括菱形棱鏡元件1107E。在棱鏡元件1107E的第一表面1110E處，沿著光軸OA被引導(dǎo)的源頭光束的一部分被向上反射為沿著第一測量軸線 MAl的第一測量光束。此外，源頭光束的其余部分穿過第一表面1110E透射到元件1107E的第二表面1120E，在此處，源頭光束的該其余部分被向上反射為沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束?？梢岳斫獾氖?，該構(gòu)造也使沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束的取向和沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束的取向與圖6所示的雙光束組件400的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向類似。
下一個反射元件構(gòu)造1100F包括梯形棱鏡元件1107F。在梯形棱鏡元件1107F的第一表面1110F處，沿著光軸OA提供的源頭光束的一部分被向上反射為沿著第一測量軸線 MAl的第一測量光束。此外，第一表面1110F還將源頭光束的一部分透射到元件1107F的第二表面1120F，在此處，源頭光束的該部分被向下反射為沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束。可以理解的是，該構(gòu)造使沿著第一測量軸線MAl的第一測量光束的取向和沿著第二測量軸線MA2的第二測量光束的取向與圖10所示的雙光束組件1000的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向類似。圖12是聯(lián)接到光學(xué)筆120的雙光束組件1200的第五實施方式的側(cè)剖視圖。可以理解的是，雙光束組件1200的部件可以與上述的雙光束組件200、400、800、900和1000的相似編號的部件類似或相同。在雙光束組件1200中，第一測量光束FMB的取向和第二測量光束SMB的取向與圖8的雙光束組件800的第一測量光束的取向和第二測量光束的取向相同(即，第一測量光束FMB和第二測量光束SMB均在與光學(xué)筆120的光軸OA相同的方向上沿著平行測量軸線被引導(dǎo))。雙光束組件1200的主要不同(特別參照圖2的雙光束組件 200)在于，雙光束組件1200定位于光學(xué)部分150的透鏡之間。即，光學(xué)部分150已經(jīng)被分成位于光學(xué)筆120端的透鏡150A和位于雙光束組件1200端的透鏡150B和150B'。在一些實施方式中，這可以被認(rèn)為是將雙光束組件1200的部件放置于光學(xué)筆120的內(nèi)部，于是所述光學(xué)筆120可以被認(rèn)為是雙光束光學(xué)筆。無論如何，由于雙光束在進(jìn)入CP S系統(tǒng)的色散光學(xué)系統(tǒng)的最后的透鏡之前由雙光束組件1200形成，所以雙光束中的各光束均需要如由透鏡150B和150B'提供的單獨透鏡。更具體地，如圖12所示，透鏡150B沿著第一測量光束FMB的測量軸線MAl定位， 而透鏡150B'沿著第二測量光束SMB的測量光軸MA2定位。在操作中，來自光學(xué)筆120的源頭光束SB朝向第一反射元件1210被引導(dǎo)。源頭光束的行進(jìn)穿過第一反射元件1210的開口部分的部分延續(xù)為行進(jìn)穿過透鏡150B并且沿著第一測量軸線MAl被引導(dǎo)的第一測量光束FMB。源頭光束的由第一反射元件1210的反射部分反射的部分朝向第二反射元件1220 被引導(dǎo)，然后所述第二反射元件1220將第二測量光束SMB沿著第二測量軸線MA2引導(dǎo)穿過透鏡150B'。 關(guān)于由透鏡150A、150B和150B'提供的軸向色散，該操作與上面關(guān)于圖2的說明的操作相同。如對于彩色共焦傳感器系統(tǒng)所已知的那樣，透鏡150B和150B'均與透鏡150A 協(xié)作以提供期望的軸向色散，使得沿著測量軸線MAl和MA2的焦點根據(jù)光的波長而位于不同的距離。當(dāng)反射光從表面或工件表面反射時，對于第一測量光束FMB和第二測量光束SMB 來說，反射光通過透鏡150B和150B'分別與透鏡150A協(xié)作而重新聚焦到光纖孔195?？梢岳斫獾氖?，通過設(shè)置作為離開光學(xué)筆120的單獨元件的透鏡150B和150B'，允許透鏡設(shè)計和選擇上的更大靈活性，包括使用具有特定的期望特性的透鏡(例如，使用具有相同或不同的軸向色散性質(zhì)的透鏡等)。在這樣的構(gòu)造中，如果離開透鏡150A的光束SB在名義上是準(zhǔn)直的，則是有利的。在這樣的情況下，在一些實施方式中，第一測量光束FMB的路徑長度與第二測量光束SMB的路徑長度之差不會引起很多設(shè)計困難，并且透鏡150B和150B'可以類似或相同。另外，透鏡150B和150B'可以在名義準(zhǔn)直光束中沿著各自的光路相對自由地定位，使得更容易提供第一測量光束FMB的測量范圍和第二測量光束SMB的測量范圍之間的期望關(guān)系(例如，期望的測量范圍OFFSET)。在一些實施方式中，透鏡150B和150B'可以是不同的，使得如果期望的話，它們可以提供長度不同的相應(yīng)的測量范圍(例如，300微米測量范圍以及3毫米測量范圍)。可以理解的是，上述任何類型的雙光束或多光束彩色共焦點傳感器系統(tǒng)可以被應(yīng)用以執(zhí)行下述多光束CPS系統(tǒng)測量方法或用途。圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的使用雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)同時測量兩個不同表面區(qū)域的示例性通用程序1300的流程圖。如圖13所示，在塊1310處，提供被構(gòu)造為用于同時測量兩個不同表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)，其中所述兩個不同表面區(qū)域中的至少一個表面區(qū)域位于工件上。在一個實施方式中，系統(tǒng)可以包括具有共焦孔并且安裝有雙光束組件的光學(xué)筆。下面將關(guān)于圖14-18更詳細(xì)地說明同時測量兩個不同表面區(qū)域用的彩色點傳感器系統(tǒng)的不同構(gòu)造方法的具體示例。在塊1320處，來自系統(tǒng)的第一測量光束被定位在第一表面區(qū)域并且來自系統(tǒng)的第二測量光束被定位在第二表面區(qū)域。下面更詳細(xì)地說明第一和第二表面區(qū)域的若干示例。簡略地，第一表面區(qū)域和第二表面區(qū)域具有與第一測量光束的位置和第二測量光束的位置之間的關(guān)系對應(yīng)的空間關(guān)系。如下所述，在塊1340處的對應(yīng)的測量組期間，工件表面的不同部分可以進(jìn)入第一和/或第二測量光束的位置并且臨時變?yōu)榈谝缓?或第二表面區(qū)域。在塊1330處，接收從第一和第二測量光束產(chǎn)生的穿過系統(tǒng)和共焦孔返回的工件測量光。在塊1340處，確定至少一組測量數(shù)據(jù)，各組測量數(shù)據(jù)均包括從第一測量光束產(chǎn)生的第一測量數(shù)據(jù)和從第二測量光束產(chǎn)生的第二測量數(shù)據(jù)。在一個實施方式中，利用相對細(xì)微的分辨率(例如，至少與IOnm—樣細(xì)微)確定各測量數(shù)據(jù)?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明的系統(tǒng)在不需要使用干涉儀或其他更復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下能獲得如此高精度的測量數(shù)據(jù)。在塊1350處，基于至少一組測量數(shù)據(jù)，確定工件特征測量數(shù)據(jù)和工件特征位置變化中的至少一方。例如，可以確定第一和第二表面區(qū)域之間的高度差，或者當(dāng)工件移動經(jīng)過第一和第二測量光束時可以確定高度差的變化。如下面更詳細(xì)地說明的那樣，高度差的變化可以表明臺階高度的變化、或表面角的變化、或表面跳動等。圖14是示出用于構(gòu)造測量槽深/臺階高度用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性子程序1420的流程圖。例如，在由程序1300測量槽深/臺階高度的情況下，子程序1420 的操作可以大致對應(yīng)于或能被用作在圖13的塊1320處進(jìn)行的操作，并且在一些實施方式中提供塊1340處的動作。在塊1421處，確定槽深/臺階高度以用于構(gòu)造該系統(tǒng)。例如，從圖或文字說明或初步測量等可以確定名義槽深/臺階高度。在塊1422處，將雙光束彩色點傳感器測量裝置構(gòu)造為使得固定的Z偏移減去在塊1421處確定的槽深/臺階高度小于最大值(例如，CPS的測量范圍R)，但是還大于最小值(例如，0. 05*R)，使得兩個測量光束在雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的檢測器的測量范圍內(nèi)產(chǎn)生能單獨區(qū)分的測量峰值。在塊1423 處，將雙光束組件構(gòu)造為使得測量光束將沿著測量軸線(例如，平行地)被引導(dǎo)，所述測量軸線被取向為使得一個測量光束被定位于槽底/下臺階表面區(qū)域，而另一個測量光束被定位于槽肩/上臺階表面區(qū)域。在圖6和圖8、圖11的構(gòu)造1100B、1100D和1100E以及圖12 中示出了測量光束的這種取向(即，它們被平行地引導(dǎo))在判斷塊1424處，判斷工件部分是否相對于雙光束組件轉(zhuǎn)動(例如，雙光束光學(xué)筆被安裝在圓度測試儀上，并且由圓度測試儀使工件轉(zhuǎn)動)。如果工件將轉(zhuǎn)動，則子程序進(jìn)行到塊1425，在塊1425處，為工件設(shè)置轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，然后結(jié)束子程序1420。下面將關(guān)于圖20A 至圖20D更詳細(xì)地說明安裝于圓度測試儀的測量槽深用的光學(xué)筆的示例。如果工件不轉(zhuǎn)動，則子程序進(jìn)行到判斷塊1426，在塊1426處，判斷工件部分是否相對于雙光束組件直線移動(例如，雙光束光學(xué)筆被安裝在基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或機(jī)架或者如圖19A所示的視覺系統(tǒng)的測量頭上等，并且工件在直線承載系統(tǒng)上移動)。如果工件將直線移動，則子程序進(jìn)行到?jīng)Q1427 處，在塊1427處，設(shè)置直線移動機(jī)構(gòu)(例如，機(jī)器視覺系統(tǒng)的臺架)，之后結(jié)束子程序(例如，以圖13的塊1330繼續(xù)操作，并且在塊1330和/或1340處提供工件運動)。如果工件不直線移動，則結(jié)束子程序。圖15是示出用于構(gòu)造測量槽/間隙寬度和/或位置用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性子程序1520的流程圖。例如，在由程序1300測量槽/間隙寬度和/或位置的情況下，子程序1520的操作可以大致對應(yīng)于或能被用作在圖13的塊1320處進(jìn)行的操作， 并且在一些實施方式中提供塊1340處的動作。在塊1521處，確定槽/間隙寬度和/或位置以用于構(gòu)造該系統(tǒng)。例如，從圖或文字說明或初步測量等可以確定名義槽/間隙寬度和/ 或位置。在塊1522處，將雙光束彩色點傳感器測量裝置構(gòu)造為使得雙光束的測量范圍被分開與在塊1421處確定的槽/間隙寬度相當(dāng)?shù)木嚯x，并且使得固定的Z偏移小于最大值(例如，CPS的測量范圍R)，但是還大于最小值(例如，至少0. 05*R)，使得兩個測量光束在雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的檢測器的測量范圍內(nèi)產(chǎn)生能單獨區(qū)分的測量峰值。在塊1523處，將雙光束組件構(gòu)造為使得測量光束將沿著測量軸線(例如，平行地但在相反方向上)被引導(dǎo)， 所述測量軸線被取向為使得一個測量光束被定位于槽/間隙的第一側(cè)面區(qū)域，而另一個測量光束被定位于槽/間隙的相反的第二側(cè)面區(qū)域。在圖10、圖11的構(gòu)造1100A和1100F中示出了測量光束的這種取向(即，它們在相反的方向上被引導(dǎo))。在判斷塊1524處，判斷工件部分是否相對于雙光束組件轉(zhuǎn)動(例如，雙光束光學(xué)筆被安裝在圓度測試儀上，并且由圓度測試儀使工件轉(zhuǎn)動)。如果工件將轉(zhuǎn)動，則子程序進(jìn)行到塊1525，在塊1525處，為工件設(shè)置轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，然后結(jié)束子程序1520。如果工件部分不轉(zhuǎn)動，則子程序進(jìn)行到判斷塊1526，在塊1526處，判斷工件部分是否相對于雙光束組件直線移動。如果工件部分將直線移動，則子程序進(jìn)行到塊1527，在塊1527處，設(shè)置直線移動機(jī)構(gòu)(例如，雙光束光學(xué)筆被安裝在基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或機(jī)架或者如圖19A所示的視覺系統(tǒng)的測量頭上等，并且工件在直線承載系統(tǒng)上移動)，之后結(jié)束子程序(例如，以圖13的塊1330繼續(xù)操作，并且在塊1330和/或1340處提供工件運動)。如果工件部分不直線移動，則結(jié)束子程序。 圖16是示出用于構(gòu)造測量表面/支承跳動(runout)用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性子程序1620的流程圖。例如，在由程序1300測量表面跳動的情況下，子程序 1620的操作可以大致對應(yīng)于或能被用作在圖13的塊1320處進(jìn)行的操作，并且在一些實施方式中提供塊1340處的動作。跳動指的是當(dāng)平面或柱面沿著平行于該面的方向移動時沿著法線方向的偏離。在塊1621處，確定名義跳動表面和基準(zhǔn)表面之間的高度差以用于構(gòu)造該系統(tǒng)。例如，從圖或文字說明或初步測量等可以確定名義高度差。在塊1622處，將測量裝置構(gòu)造為使得固定的Z偏移與名義跳動表面和基準(zhǔn)表面之間的高度差相當(dāng)?shù)幌嗤?，使得兩個測量光束在雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的檢測器的測量范圍內(nèi)產(chǎn)生能單獨區(qū)分的測量峰值。在塊1623處，將雙光束組件構(gòu)造為使得測量光束將沿著測量軸線(例如，平行地) 被引導(dǎo)，所述測量軸線被取向為使得第一測量光束被定位于跳動表面區(qū)域，而第二測量光束被定位于基準(zhǔn)表面區(qū)域，所述基準(zhǔn)表面區(qū)域鄰近跳動表面地定位并且相對于光學(xué)筆固定。在塊1624處，設(shè)置使跳動表面相對于光學(xué)筆移動的機(jī)構(gòu)，使得能夠獲取從第一和第二測量光束產(chǎn)生的多組測量數(shù)據(jù)。例如，將雙光束光學(xué)筆安裝在基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或機(jī)架上，并且工件在直線的或轉(zhuǎn)動的承載系統(tǒng)上移動，之后結(jié)束子程序(例如，以圖13的塊1330繼續(xù)操作， 并且在塊1330和/或1340處提供工件運動)。圖17是示出用于構(gòu)造測量表面在承載系統(tǒng)上運動期間的滾動或節(jié)距用的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的示例性子程序1720的流程圖。在塊1721處，確定兩個測量光束之間的間隔距離SEPP(例如，對于滾動測量來說垂直于運動方向，或者對于節(jié)距測量來說平行于運動方向)以用于構(gòu)造該系統(tǒng)。在塊1722處，將測量裝置構(gòu)造為使得固定的Z偏移至少是最小值(例如，0. 05*R，使得兩個測量光束在雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的檢測器的測量范圍內(nèi)產(chǎn)生能單獨區(qū)分的測量峰值)。在塊1723處，將雙光束組件構(gòu)造為使得第一和第二測量光束將沿著測量軸線被引導(dǎo)，所述測量軸線被取向為使得第一測量光束被定位于滾動或節(jié)距表面的第一表面區(qū)域，第二測量光束被定位于滾動或節(jié)距表面的第二表面區(qū)域。在塊1724處，設(shè)置使?jié)L動表面相對于光學(xué)筆移動的機(jī)構(gòu)，使得能夠獲取從第一和第二測量光束產(chǎn)生的多組測量數(shù)據(jù)。例如，將雙光束光學(xué)筆安裝在基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或機(jī)架上，并且工件在直線的或轉(zhuǎn)動的承載系統(tǒng)上移動，之后結(jié)束子程序(例如，以圖13的塊1330繼續(xù)操作，并且在塊1330和/或1340處提供工件運動)。對于不同運動位置處的多組測量數(shù)據(jù)，在確定由尺寸SEPP分開的第一和第二測量光束之間的差的變化的基礎(chǔ)上，可以計算角滾動或節(jié)距變化VS運動。圖18A至圖18D是示出包括雙光束組件1801的機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝使用裝置1800 的示例性實施方式的圖。安裝使用裝置1800被設(shè)置于具有光學(xué)成像系統(tǒng)1834的顯微鏡式機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)，所述光學(xué)成像系統(tǒng)1834諸如是在同時在審和共同轉(zhuǎn)讓的美國核準(zhǔn)前公開No. 20090109285以及在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No. 7，454，053中所述的光學(xué)成像系統(tǒng)， 上述專利的全部內(nèi)容均通過引用合并于此。在2004年3月25日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No. 7，324，682和2003年8月4日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國核準(zhǔn)前公開No. 20050031191 中，還更詳細(xì)地說明了視覺測量機(jī)器和控制系統(tǒng)的多個方面，上述專利的全部內(nèi)容均通過引用合并于此。如'682專利和'191公開中更詳細(xì)說明的那樣，機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)可以包括控制系統(tǒng)部分，所述控制系統(tǒng)部分能用于重放所拍攝和存儲的工件檢查圖像、在這樣的工件檢查圖像中檢查和分析工件特征并且存儲和/或輸出檢查結(jié)果。如圖 18A所示，包括物鏡1870的光學(xué)成像系統(tǒng)1834具有光軸OA并且放大工件 1880的表面和對該表面成像。物鏡1870可以通過沿著Z軸引導(dǎo)承載件1834a移動而聚焦。工件1880在工件臺架1872上被放置于光學(xué)成像系統(tǒng)1834的視場中，其中工件臺架 1872能在引導(dǎo)承載件1872a上沿著X和Y軸移動。該機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)可以包括機(jī)械探針系統(tǒng)1836以及相關(guān)聯(lián)的控制軟件，與利用從位于伊利諾斯的奧羅拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)得到的QUICK VISION QV Apex系列視覺系統(tǒng)得到的那些大致相當(dāng)。探針系統(tǒng)1836可以適于保持安裝有雙光束組件1801的光學(xué)筆120，所述探針系統(tǒng)將與多種測量功能結(jié)合使用。在該構(gòu)造中，標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)測量機(jī)器技術(shù)可以與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合使用，以控制探針系統(tǒng)1836使光學(xué)筆120和雙光束組件1801相對于工件1880自動地定位，同時機(jī)器視覺控制系統(tǒng)用于移動工件臺架1872和工件1880，使得可以進(jìn)行諸如上述關(guān)于圖13-17所說明的測量功能。如圖18A所示，探針系統(tǒng)1836能沿著Z軸引導(dǎo)承載件1836a移動，并且可以包括探針頭組件1839，探針頭組件1839可以包括繞Z軸轉(zhuǎn)動并且垂直于Z軸的馬達(dá)驅(qū)動頭1845。 帶有雙光束組件1801的光學(xué)筆120通過連接件1844被機(jī)械地聯(lián)接到馬達(dá)驅(qū)動頭1845，并且光纖112將光學(xué)筆120連接到光學(xué)筆電子部分160。在一個實施方式中，可以通過全部可從 Renishaw PLC, Gloucestershire, UK 得到的、Renishaw 出版物 H-1000-5070-11-B 中所述的PH 10馬達(dá)驅(qū)動頭系列中的一種來提供馬達(dá)驅(qū)動頭1845。圖18A還示出代表示例性控制電路和/或程序的塊。在圖18A的實施方式中，所述塊包括計算機(jī)用戶界面1860、視覺系統(tǒng)控制器1810以及探針頭控制器1830，其中視覺系統(tǒng)控制器1810可以用作與光學(xué)筆電子部分160通信的主系統(tǒng)，上述所有部分通過電力控制總線1815彼此互相連接并且連接到機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)的多個部件，電力控制總線1815通過連接件1892被連接到探針系統(tǒng) 1836。光學(xué)筆電子部分160可以使用帶有雙光束組件的光學(xué)筆進(jìn)行檢測，并且與計算機(jī)用戶界面1860以及/或視覺系統(tǒng)控制器1810交換控制和數(shù)據(jù)信號。一般而言，上述的多種塊可以使用與現(xiàn)有技術(shù)中用于類似操作的部件和操作類似或相同的部件和操作來構(gòu)造。可以理解的是，在各實施方式中，上述塊的操作可以使用通用處理器等來執(zhí)行，并且在各實施方式中，與各塊相關(guān)聯(lián)的電路和/或程序可以合為一體或不區(qū)分。圖18B和圖18C分別是一種測量操作中的雙光束組件1801和工件1880的側(cè)剖視圖和俯視剖視圖。如圖18B和圖18C所示，第一測量光束FMB朝向工件1880的第一表面區(qū)域F SR被引導(dǎo)，而第二測量光束SMB朝向第二表面區(qū)域SSR被引導(dǎo)。探針系統(tǒng)1836和工件臺架1872中的任一方或兩方可以用于相對于工件1880定位和移動雙光束組件1801，使得第一測量光束FMB沿著第一表面區(qū)域F SR掃描，而第二測量光束SMB沿著第二表面區(qū)域 S SR掃描，從而可以獲取多組測量點。圖18D是工件1880的三維圖，其示出當(dāng)雙光束組件1801和/或工件1880相對于另一方移動(例如，沿著Y軸方向)使得第一測量光束FMB沿著第一表面區(qū)域FSR掃描且第二測量光束SMB沿著第二表面區(qū)域SSR掃描時從第一測量光束FMB和第二測量光束SMB 產(chǎn)生的測量點。如圖18D所示，在第一測量位置處，獲得一組測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括使用第一測量光束FMB在第一表面區(qū)域FSR上獲得的第一表面測量點FSMPl和使用第二測量光束SMB在第二表面區(qū)域SSR上獲得的第二表面測量點SSMPl。在第二測量位置處，獲得類似的第一表面測量點FSMP2和第二表面測量點SSMP2的組，并且在第三測量位置處，獲得類似的第一表面測量點FSMP3和第二表面測量點SSMP3的組?？梢砸韵嗤姆绞将@得額外的測量點。
在各實施方式中，測量點組可以用于確定多種測量數(shù)據(jù)(例如，工件1880的選出的尺寸或上述關(guān)于圖13-17所述的其他測量數(shù)據(jù))。在一個具體示例中，諸如圖18D所示的測量點組可以用于諸如同時測量第一表面區(qū)域FSR和第二表面區(qū)域SSR的表面粗糙度和/ 或平坦度或跳動等。如果在X方向和/或Z方向上提供運動，則可以提供能用于測量第一表面區(qū)域FSR和第二表面區(qū)域SSR之間的多個位置(例如，Al，A2，A3)處的角A或A的變化的測量組。圖19A至圖19D是示出雙光束組件1901用的圓度測量機(jī)安裝使用裝置1900的示例性實施方式的圖。安裝使用裝置1900被設(shè)置于諸如美國專利No. 5，926，781所述的圓度測量機(jī)1902 (即，圓度測量儀)，所述專利的全部內(nèi)容通過引用合并于此。如圖19A所示，圓度測量機(jī)1902可以通過控制和數(shù)據(jù)信號纜線1931被連接到圓度測量儀的處理部件1929。圓度測量機(jī)1902可以包括收納馬達(dá)(未示出)的主殼體1903， 所述馬達(dá)被控制為通過驅(qū)動軸使定中心_整平單元1905和轉(zhuǎn)盤1907轉(zhuǎn)動到各種角度。使用旋轉(zhuǎn)編碼器(未示出)測量所述角度。定中心_整平單元1905裝配有定中心-整平旋鈕。柱1915從主殼體1903向上延伸?；瑒蛹?917可以沿著柱1915上下移動，并且承載有水平延伸的臂1919。臂1919的端部承載有探針保持件1921，探針保持件1921被配置成支撐帶有雙光束組件1901的光學(xué)筆120，所述光學(xué)筆120通過圓度測量機(jī)1902與多種測量功能結(jié)合使用。光纖112將光學(xué)筆120連接到光學(xué)筆電子部分160，光學(xué)筆電子部分160 可以通過控制數(shù)據(jù)和信號纜線1931'連接到處理部件1929，處理部件1929可以用作與光學(xué)筆電子部分160通信的主系統(tǒng)。在該構(gòu)造中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)圓度測量機(jī)技術(shù)來相對于工件1980定位探針保持件1921和光學(xué)筆120以及雙光束組件1901，并且轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤1907和工件1980，使得可以進(jìn)行諸如上述關(guān)于圖13至圖17所述的測量功能。例如，在轉(zhuǎn)盤1907 轉(zhuǎn)動期間，對于繞驅(qū)動軸的軸線分布的多個測量位置(例如，測量到的角位置)記錄從來自光學(xué)筆120和雙光束組件1901的輸出信號推出的值。圖19B和圖19C分別是一種測量操作中的雙光束組件1901和工件1980的側(cè)剖視圖和俯視剖視圖。如圖19B和圖19C所示，第一測量光束FMB朝向工件1980的第一表面區(qū)域FSR被引導(dǎo)，而第二測量光束SMB朝向工件1980的第二表面區(qū)域SSR被引導(dǎo)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤 1907轉(zhuǎn)動時，第一測量光束FMB沿著第一表面區(qū)域FSR掃描，而第二測量光束SMB沿著第二表面區(qū)域SSR掃描，使得可以以已知的角度獲得多組測量點(例如，能用于確定各角位置處的槽同心性和/或深度的測量點)。圖19D是第一表面區(qū)域FSR和第二表面區(qū)域SSR的三維切斷圖，其示出當(dāng)工件 1980轉(zhuǎn)動時從第一測量光束FMB和第二測量光束SMB產(chǎn)生的測量點。如圖19D所示，在第一測量位置處，獲得一組測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括使用第一測量光束FMB在第一表面區(qū)域FSR上獲得的第一表面測量點FSMPl和使用第二測量光束SMB在第二表面區(qū)域SSR上獲得的第二表面測量點SSMPl。在第二測量位置處，獲得類似的第一表面測量點FSMP2和第二表面測量點SSMP2的組，在第三測量位置處，獲得類似的第一表面測量點FSMP3和第二表面測量點SSMP3的組?？梢砸韵嗤姆绞将@得額外的測量點。在一個實施方式中，多組測量點(例如，F(xiàn)SMPl和SSMP1、FSMP2和SSMP2、FSMP3和 SSMP3等)可以用于確定工件1980的測量數(shù)據(jù)。在一個具體的示例性實施例中，測量點可以用于確定槽深/臺階高度，其中第一表面測 量點FSMPl和第二表面測量點SSMPl確定尺寸Dl (S卩，與第一測量位置處的槽深/臺階高度對應(yīng))。類似地，第一表面測量點FSMP2和第二表面測量點SSMP2確定尺寸D2，而第一表面測量點FSMP3和第二表面測量點SSMP3確定尺寸D3，各尺寸均與相應(yīng)的測量位置處的槽深/臺階高度對應(yīng)。可以理解的是，除了圖18A至圖18D和圖19A至圖19D所示的構(gòu)造以外，可以使用其他的構(gòu)造來獲得多組測量數(shù)據(jù)。例如，可以使用不同的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生掃描運動，并且可以根據(jù)要獲得的測量數(shù)據(jù)使用雙光束組件的不同取向和構(gòu)造(例如，諸如圖2至圖12所示)。本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點包括共模表面波紋(例如，由于切削工具漂移或振動而產(chǎn)生)不影響溝或臺階尺寸測量；可以由單個筆實現(xiàn)兩個測量；以及筆和/或測量表面不需要被沿著二維方向或軸線掃描以提供沿著不同的軸線或線的一系列測量數(shù)據(jù)，這提供了更快的測量并提高了精度(即，消除了振動、臺架運動等)。在某些實施例中，可以測量臺架的動態(tài)滾動、節(jié)距或橫擺。在沒有這里公開的雙光束組件和方法的情況下，在現(xiàn)有技術(shù)中利用趨于變貴和變龐大的干涉儀和特定光學(xué)部件來進(jìn)行某些這些類型的測量。本發(fā)明的雙光束組件和方法相比于這樣的現(xiàn)有技術(shù)的干涉儀測量構(gòu)造的優(yōu)點在于，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法較容易建立且較便宜(即，光學(xué)部件較簡單)，并且占據(jù)較小空間(即，光學(xué)部件較小等)。盡管已經(jīng)示出并且說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是在本公開的基礎(chǔ)上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，所示出和說明的特征配置和操作順序的多種變化是顯而易見的。因此， 可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行多種改變。相關(guān)申請的引用本申請是2010年8月26日提交的美國專利申請No. 12/869，687的部分連續(xù)案， 本申請?zhí)卮艘笤撁绹鴮＠暾埖膬?yōu)先權(quán)和申請日。美國專利申請No. 12/869，687的關(guān)鍵內(nèi)容包含于此，除此以外，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
權(quán)利要求
1.一種用于同時測量兩個表面區(qū)域的多光束彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的操作方法，所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)包括具有共焦孔的光學(xué)筆，所述方法包括將來自所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的第一測量光束定位于第一表面區(qū)域，將來自所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的第二測量光束定位于第二表面區(qū)域，其中至少所述第一表面區(qū)域位于工件上；接收從所述第一測量光束和所述第二測量光束產(chǎn)生并穿過所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)和所述共焦孔返回的工件測量光；確定至少一組測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括從所述第一測量光束產(chǎn)生的第一測量數(shù)據(jù)和從所述第二測量光束產(chǎn)生的第二測量數(shù)據(jù)；以及基于所述至少一組測量數(shù)據(jù)，確定工件特征測量數(shù)據(jù)和工件特征位置變化中的至少一方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一表面區(qū)域和所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)中的至少一方相對于另一方移動，以獲得多組測量數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述移動是直線移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)筆被安裝于機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)， 所述移動由所述機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)的運動系統(tǒng)提供。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述移動是轉(zhuǎn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)筆被安裝于圓度測量儀，所述移動由所述圓度測量儀提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述移動使所述第一測量光束沿著所述第一表面區(qū)域掃描并且使所述第二測量光束沿著所述第二表面區(qū)域掃描，以獲得多組測量數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一測量光束和所述第二測量光束平行地取向，并且所述第一表面區(qū)域是槽底和下臺階表面區(qū)域中的至少一方，所述第二表面區(qū)域是槽肩和上臺階表面區(qū)域中的至少一方，并且所述多組測量數(shù)據(jù)表明了槽或臺階在沿著所述槽或臺階的多個位置處的高度和高度變化中的至少一方。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與所述第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與所述第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移減去與所述槽或臺階的名義高度尺寸對應(yīng)的值小于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R并且至少是所述測量范圍R的5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一測量光束和所述第二測量光束在相反的方向上取向，并且所述第一表面區(qū)域位于槽或間隙的第一側(cè)面，所述第二表面區(qū)域位于所述槽或間隙的與所述第一側(cè)面相反的第二側(cè)面，并且所述多組測量數(shù)據(jù)表明了所述槽或間隙在沿著所述槽或間隙的多個位置處的寬度和寬度變化中的至少一方。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一測量光束和所述第二測量光束平行地取向，所述第一表面區(qū)域是跳動表面區(qū)域，所述第二表面區(qū)域是相對于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)固定的基準(zhǔn)表面區(qū)域，并且所述多組測量數(shù)據(jù)表明了所述跳動表面相對于所述基準(zhǔn)表面在沿著所述跳動表面的多個位置處的高度和高度變化中的至少一方。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與所述第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與所述第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移減去與所述跳動表面和所述基準(zhǔn)表面之間的名義高度差對應(yīng)的值小于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R并且至少是所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的所述測量范圍R的5%。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一測量光束和所述第二測量光束平行地取向，所述第一表面區(qū)域和所述第二表面區(qū)域位于所述工件上，在獲得所述多組測量數(shù)據(jù)期間，所述第一測量光束的測量軸線和所述第二測量光束的測量軸線具有間隔， 所述間隔限定與運動方向垂直的間隔距離SEPPR0LL和與所述運動方向平行的間隔距離 SEPPPITCH中的至少一方。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述間隔小于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述多組測量數(shù)據(jù)與所述間隔距離 SEPPR0LL的值組合使用，以確定所述工件繞與所述運動方向平行的軸線的角滾動。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述多組測量數(shù)據(jù)與所述間隔距離 SEPPPITCH的值組合使用，以確定所述工件繞與所述運動方向平行的軸線的角節(jié)距。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用至少與IOnm—樣細(xì)微的分辨率確定所述第一測量數(shù)據(jù)和所述第二測量數(shù)據(jù)中的每一方。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與所述第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與所述第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移大于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R的5%。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)被構(gòu)造為使得與所述第一測量光束對應(yīng)的第一測量范圍和與所述第二測量光束對應(yīng)的第二測量范圍之間的Z偏移小于所述彩色共焦點傳感器系統(tǒng)的測量范圍R。
全文摘要
用于同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器系統(tǒng)的操作方法。一種系統(tǒng)和方法提供被操作成能夠同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束彩色點傳感器(CPS)系統(tǒng)。在一個實施方式中，單光束CPS光學(xué)筆可安裝有雙光束組件。系統(tǒng)的第一和第二測量光束可以分別定位于第一和第二表面區(qū)域，并且均將光反射穿過雙光束CPS的共焦孔。確定至少一組測量數(shù)據(jù)，所述測量數(shù)據(jù)包括從第一測量光束產(chǎn)生的第一測量數(shù)據(jù)和從第二測量光束產(chǎn)生的第二測量數(shù)據(jù)。至少第一個表面區(qū)域可以移動以在多個位置獲得測量數(shù)據(jù)組。利用極細(xì)微的分辨率(例如，至少與10nm一樣細(xì)微)確定各測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)和方法滿足如下應(yīng)用無需使用干涉儀或其他貴且復(fù)雜的元件就能要求這樣的分辨率和精度。
文檔編號G01B11/22GK102384721SQ20111024997
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者C·E·艾特曼, 謝勇 申請人:株式會社三豐