使用非旋轉(zhuǎn)彩色點傳感器筆的孔測量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及精密測量儀器，并且更具體地涉及用于在不需要旋轉(zhuǎn)彩色點傳感 器（CPS)筆的情況下操作CPS筆以測量諸如孔直徑等的孔的特性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軸向色差技術(shù)可以用于距離感測計量。如在G. Molesini和S. Quercioli的 "Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration，'（J. Optics (巴黎）， 1986年，第17卷，No. 6,第279-282頁）中描述的，可以在光學(xué)成像系統(tǒng)中引入經(jīng)控制的縱 向色差（這里還稱為軸向色差），使得成像系統(tǒng)焦距隨著波長而改變，這提供了用于光學(xué)計 量的手段。具體地，可以將透鏡設(shè)計為其后焦距（BFL)是波長的單調(diào)函數(shù)。在白光操作中， 這樣的透鏡呈現(xiàn)出具有軸向色散的焦點的彩虹，其可以用作用于距離感測應(yīng)用的光譜探針 (probe)〇
[0003] 作為另一示例，通過全文引用合并在此的美國專利No. 7477401公開了具有軸向 色差的光學(xué)元件可以用于聚焦寬帶光源，使得表面的軸向距離或高度確定哪個波長最佳地 聚焦在該表面。當(dāng)從該表面反射時，光重新聚焦到諸如針孔和/或光纖端部的探測器孔徑 上，并且只有在該表面上良好聚焦的波長在孔徑上良好聚焦。其它波長聚焦差，并且將不耦 合很多電力到孔徑中。光譜儀對于通過孔徑返回的每個波長測量信號電平。波長強度峰值 有效地指示表面的距離或高度。
[0004] 某些制造商將適合于工業(yè)設(shè)置中的彩色共焦測距（ranging)的實用且緊湊的光 學(xué)組件稱為彩色共焦點傳感器、包括光筆的彩色點傳感器（CPS)、以及/或者簡單地稱為 "光筆"。測量Z高度的光筆儀器的一個示例是由法國普羅旺斯艾克斯的STIL公司（STIL S. A.)制造的光筆儀器。作為具體示例，STIL光筆型號OP 300NL測量Z高度并具有300微 米范圍。
[0005] 在共同轉(zhuǎn)讓的（commonly assigned)美國專利No. 7626705中描述了用于彩色共 焦點傳感器的另一配置，這里通過全文引用將該專利合并在此。此專利公開了提供改進的 光學(xué)通過量和改進的光斑大小的透鏡配置，其與各種市售的配置相比，實現(xiàn)改進的測量分 辨率。
[0006] 用于測量諸如孔直徑的孔的特性的當(dāng)前可得的光筆的應(yīng)用需要將光筆相對于待 測量的孔旋轉(zhuǎn)，以便測量孔壁的不同部分并確定其整體形狀和/或位置。筆旋轉(zhuǎn)需要復(fù)雜 的光學(xué)機械零件以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。在各個應(yīng)用中，筆的旋轉(zhuǎn)是耗時的且降低測量吞吐量。而且， 筆的旋轉(zhuǎn)不可避免地引入某種程度的跳動（runout)和擺動（wobble)以及相關(guān)測量錯誤。
[0007] 通過全文引用合并在此的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No. 8194251 ( "'251專利"）公開 了可以被定位（position)以同時測量兩個表面區(qū)域的雙光束光筆。一般來說，雖然在'251 專利中公開的雙光束配置相對于單光束光筆來說可以提供某些優(yōu)勢，但是'251專利中的 筆并非特別地配置用于可靠且高效的孔測量，尤其用于測量可能接近筆直徑的孔直徑。
[0008]對于牽涉孔和/或它們的內(nèi)表面的測量的各個應(yīng)用，可以期望對使用CPS光筆的 配置和方法的改進。本發(fā)明針對于提供用于在不需要旋轉(zhuǎn)CPS光筆的情況下操作該筆測量 諸如孔直徑的孔的內(nèi)表面的特性的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 提供此"
【發(fā)明內(nèi)容】
"部分以介紹簡化形式的構(gòu)思精選（selection)，以下在"具體 實施方式"部分中進一步描述所述構(gòu)思。此"
【發(fā)明內(nèi)容】
"部分不意圖識別主張權(quán)利的主題的 關(guān)鍵特征，也不意圖用于幫助確定主張權(quán)利的主題的范圍。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例，提供了一種用于使用彩色點傳感器（CPS)系統(tǒng) 檢查至少部分地被內(nèi)表面包圍的孔的幾何特性的方法。該方法一般地包括五個步驟。第一 步驟是提供CPS系統(tǒng)，其包括電子部分和光筆。電子部分包括源光生成部分、光譜儀和信號 處理器。光筆包括沿著光筆的中心Z軸延伸的外殼、輸出源光的共焦孔徑、布置為輸入源 光并輸出聚焦為具有軸向色差的測量光的軸向色差部分、以及布置為同時沿著橫向于中心 Z軸的至少三個測量方向散布（distribute)測量光的分束偏轉(zhuǎn)元件。例如，分束偏轉(zhuǎn)元件 可以是包括對應(yīng)于所述至少三個測量方向的至少三個平面反射面（facet)的棱錐形反射 光元件、或圓錐形反射光元件。第二步驟是將光筆定位在孔內(nèi)側(cè)的位置，使得測量光沿著 所述至少三個測量方向入射在內(nèi)表面上。第三步驟是接收通過所述位置處的光筆的共焦 孔徑從所述至少三個測量方向反射回的測量光。第四步驟是操作CPS系統(tǒng)以獲得測量光 的光譜強度分布（profile)。光譜強度分布包括與沿著所述至少三個測量方向在光筆的測 量范圍內(nèi)的到內(nèi)表面的距離對應(yīng)的光譜峰值（peak)分量。第五步驟是至少部分地基于包 括分析光譜強度分布以確定沿著至少第一測量直徑從光筆到內(nèi)表面的至少第一距離度量 (measurement)的信號處理操作，確定諸如孔直徑等的孔的幾何特性。
[0011] 在一些示例性實施例中，孔具有圓形截面?？拙哂邪霃絩，并且方法可以包括配置 或選擇光筆以使得其沿著所述至少三個測量方向的每個的測量范圍從其中心Z軸延伸至 少距離RMAX'，其中MAX' >r。
[0012] 在一些實施例中，將光筆定位在所述位置的步驟包括將光筆定位在大約孔的中 心，使得光譜強度分布中的所有光譜峰值分量基本上重合以形成指示沿著所述至少三個測 量方向的內(nèi)表面的平均半徑的組合光譜峰值。
[0013] 在本發(fā)明的其它方面，光筆耦接至坐標(biāo)測量機（CMM)，并且CMM用于定位光筆?？?以基于對應(yīng)于位置的CMM坐標(biāo)，確定孔的中心位置。
[0014] 在一些實施例中，將光筆定位在孔中的位置的步驟包括將光筆定位在提供在孔中 的多個位置獲得的組合光譜峰值之中最高或最窄組合光譜峰值的位置。最高或最窄組合光 譜峰值可以指示例如孔的平均半徑。
[0015] 在其它實施例中，將光筆定位在孔中的位置的步驟包括將光筆定位為偏離孔中的 中心，使得光譜強度分布中的至少三個光譜峰值分量是分別對應(yīng)于沿著所述至少三個測量 方向從光筆到內(nèi)表面的距離的獨立（isolated)光譜峰值分量。例如，可以從偏離中心位置 相對于孔中心的方向/定向推斷所述至少三個測量方向的每個相對于孔中心的角方向/定 向。
[0016] 在其它實施例中，將光筆定位在孔中的位置的步驟包括將光筆定位在孔中的第一 偏離中心位置，使得光譜強度分布中至少第一光譜峰值分量是對應(yīng)于在所述第一偏離中心 位置沿著對應(yīng)的唯一（unique)測量方向從光筆到內(nèi)表面的唯一距離的獨立光譜峰值分 量。此外，當(dāng)光筆耦接至坐標(biāo)測量機（CMM)時，CMM用于定位光筆，并且該方法另外包括重復(fù) 對應(yīng)于第二和第三偏離中心位置的定位、接收和操作步驟，使得至少獲得第二和第三光譜 強度分布中第二和第三獨立光譜峰值分量，作為分別對應(yīng)于在第二和第三偏離中心位置沿 著對應(yīng)的唯一測量方向從光筆到內(nèi)表面的唯一距離的獨立光譜峰值分量。然后，在確定幾 何特性的步驟中，信號處理操作包括：(a)至少分析第一、第二和第三光譜強度分布以至少 確定在第一、第二和第三偏離中心位置沿著對應(yīng)的唯一測量方向從光筆到內(nèi)表面的第一、 第二和第三距離度量；以及（b)至少基于第一、第二和第三距離度量以及分別對應(yīng)于第一、 第二和第三偏離中心位置的CMM坐標(biāo)，確定孔的幾何特性。
[0017] 在本發(fā)明的一些方面中，孔的內(nèi)表面包括螺紋，并且光筆耦接至用于定位光筆的 CMM。將光筆定位在孔中的位置的步驟包括將光筆定位在對應(yīng)于沿著與孔的中心軸平行的 方向的軸向位置以及橫向于孔的中心軸的當(dāng)前偏離中心位置的當(dāng)前位置，使得對應(yīng)的光譜 強度分布中至少第一光譜峰值分量是對應(yīng)于在當(dāng)前位置沿著對應(yīng)的唯一測量方向從光筆 到內(nèi)表面的唯一距離的獨立光譜峰值分量。該方法還包括在對應(yīng)于多個不同軸向位置（沿 著Z軸）的多個不同當(dāng)前位置重復(fù)定位、接收和操作步驟。在確定幾何特性的步驟中，信號 處理操作包括：(a)分析分別對應(yīng)于與多個不同軸向位置對應(yīng)的多個不同當(dāng)前位置的多個 光譜強度分布，以確定在對應(yīng)于多個不同軸向位置的多個不同當(dāng)前位置沿著對應(yīng)的唯一測 量方向從光筆到螺紋的多個距離度量；以及（b)至少基于在對應(yīng)于多個不同軸向位置的多 個不同當(dāng)前位置的多個距離度量中的一些，確定螺紋的幾何特性。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例，提供一種用于檢查至少部分地被內(nèi)表面包圍的 孔的幾何特性的彩色共焦點傳感器（CPS)系統(tǒng)。該CPS系統(tǒng)包括光筆，其包括沿著光筆的 中心Z軸延伸的外殼、輸出源光的共焦孔徑、布置為輸入源光并輸出聚焦為具有軸向色差 的測量光的軸向色差部分、以及布置為同時沿著橫向于中心Z軸的至少三個測量方向散布 測量光的分束偏轉(zhuǎn)元件。CPS系統(tǒng)還包括包含源光生成部分、光譜儀和信號處理器的電子部 分。電子部分配置為使得：（i)當(dāng)將光筆定位在孔內(nèi)部的位置時，電子部分操作為使得測量 光沿著至少三個測量方向入射在內(nèi)表面上，并且光譜儀接收通過所述位置處的光筆的共焦 孔徑從所述至少三個測量方向反射回的測量光；（ii)信號處理器與光譜儀結(jié)合地操作以 獲得測量光的光譜強度分布，其中光譜強度分布包括與沿著所述至少三個測量方向在光筆 的測量范圍內(nèi)的到內(nèi)表面的距離對應(yīng)的光譜峰值分量；以及（iii)信號處理器執(zhí)行包括如 下a)、b)和C)中的至少一個的操作：
[0019] a)至少部分地基于包括分析光譜強度分布以確定沿著至少第一測量方向從光筆 到內(nèi)表面的至少第一距離度量的信號處理操作，確定孔的幾何特性；
[0020] b)分析光譜強度分布以確定沿著至少第一測量方向從光筆到內(nèi)表面的至少第一 距離度量，并將所述至少第一距離度量輸出至配置為至少部分地基于至少第一距離度量而 確定孔的幾何特性的外部系統(tǒng)；以及
[0021] c)將光譜強度分布輸出至配置為至少部分地基于包括分析光譜強度分布以確定 沿著至少第一測量方向從光筆到內(nèi)表面的至少第一距離度量的信號處理操作而確定孔的 幾何特性的外部系統(tǒng)。
[0022] 在各種示例性實施例中，外部系統(tǒng)是光筆所耦接至的CMM，