其中CMM配置為控制光 筆的位置和移動。在一些實(shí)施例中，CMM配置為：（a)將光筆自動定位在位于要由CMM檢查 的工件上的孔內(nèi)部的位置，其中該位置是由CMM執(zhí)行的零件程序中限定的預(yù)定位置；以及 (b)結(jié)合對應(yīng)于預(yù)定位置的CMM坐標(biāo)，至少部分地基于至少第一距離度量，確定孔的幾何特 性。
【附圖說明】
[0023] 圖1是包括輸出測量光的光筆的示例性彩色點(diǎn)傳感器（CPS)的框圖。
[0024] 圖2是可由CPS獲得的包括可對應(yīng)于沿著對應(yīng)的唯一測量方向從光筆到內(nèi)表面的 唯一距離的光譜峰值分量的光譜強(qiáng)度分布的圖。
[0025] 圖3是具有螺紋的孔的剖視圖，其中可以插入并旋轉(zhuǎn)傳統(tǒng)光筆以測量諸如孔直 徑、螺紋高度等的孔的幾何特性。
[0026] 圖4圖示了基于在孔的內(nèi)表面上采取的至少三個(gè)測量點(diǎn)測量諸如具有圓形截面 的孔的直徑的孔的特性的一般構(gòu)思。
[0027] 圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的、包括三個(gè)平面反射面的直角三角形棱錐 形反射光元件形式的分束偏轉(zhuǎn)元件的示例。
[0028] 圖6圖示了可以耦接至光筆的末端（distal)并旋轉(zhuǎn)以測量孔的特性的傳統(tǒng)反射 元件的半徑和數(shù)值孔徑（NA)。
[0029] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括輸出測量光的光筆的示例性CPS的框圖，其中 光筆包括布置為同時(shí)沿著至少三個(gè)測量方向散布測量光的分束偏轉(zhuǎn)元件。
[0030] 圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、在配置要包括在光筆中的包括至少三 個(gè)面的直角三角形棱錐形反射光元件形式、或圓錐形反射光元件形式的分束偏轉(zhuǎn)元件時(shí)的 一般考慮。
[0031] 圖9A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、適于執(zhí)行檢查孔的幾何特性的各種方法 的包括光筆和電子部分的彩色共焦點(diǎn)傳感器（CPS)系統(tǒng)的框圖，電子部分可以耦接至包括 坐標(biāo)測量機(jī)（CMM)控制器和用戶接口的CMM形式的外部設(shè)備。
[0032] 圖9B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于使用CPS系統(tǒng)檢查孔的幾何特性的方 法的流程圖。
[0033] 圖10A-10D示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的、在不需要旋轉(zhuǎn)CPS光筆 的情況下操作該光筆檢查孔的幾何特性的方法。
[0034] 圖11是在圖10A-10D中圖示的方法中執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0035] 圖12A-12C示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的、在不需要旋轉(zhuǎn)CPS光筆 的情況下操作該光筆檢查孔的幾何特性的另一方法。
[0036] 圖13是圖12A-12C中圖示的方法中執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0037] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的、在不需要旋轉(zhuǎn)CPS光筆的情況下操作該光筆 檢查具有圓形截面的孔的半徑的又一方法中執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0038] 圖15A圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的可用作分束偏轉(zhuǎn)元件的圓錐形反射光 元件，而圖15B圖示了可由圖15A的圓錐形反射光元件產(chǎn)生的測量光的錐盤。
[0039] 圖16A和16B示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的、在不需要旋轉(zhuǎn)CPS光筆 的情況下操作該光筆以檢查孔的半徑的另一方法，其中該光筆可以在其末端包括圓錐形反 射光兀件。
[0040] 圖17是圖16A和16B中圖示的方法中執(zhí)行的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 圖1是示例性彩色共焦點(diǎn)傳感器或彩色點(diǎn)傳感器（CPS) 100的框圖。彩色共焦點(diǎn) 傳感器100與通過全文引用合并在此的美國專利No. 7876456、7990522和8194251中描述 的傳感器具有某些相似性。如圖1中所示，彩色共焦點(diǎn)傳感器100包括光筆120和電子部 分160。光筆120包括光纖連接器109、沿著光筆120的中心Z軸延伸的外殼131、以及軸 向色差部分150。如所圖示的，光纖連接器109附接至外殼131的端部，并接收從電子部分 160延伸的光纖線纜112中包裹的入/出光纖（未詳細(xì)示出）。入/出光纖通過光纖共焦 孔徑195輸出來自光源164 (在電子部分160中）的源光，并通過光纖共焦孔徑195接收反 射的測量光。
[0042] 在操作中，包括提供軸向色差（色散）的透鏡的軸向色差部分150通過光纖共焦 孔徑195輸入（接收）從光纖端部發(fā)出的寬帶（例如，白色）源光，并且輸出聚焦為具有軸 向色差的測量光。結(jié)果，測量光沿著光軸〇A(其與圖1中的測量方向MD重合）的焦點(diǎn)根據(jù) 光的波長而在不同的距離，正如對于彩色共焦傳感器系統(tǒng)所已知的。測量光包括在處于相 對于光筆120的測量距離（FF)的位置Z的工件表面190上聚焦的波長。當(dāng)從工件表面190 反射時(shí)，通過軸向色差部分150將反射的測量光重新聚焦到光纖共焦孔徑195上。操作的 源光和測量光以限制光線LR1和LR2為邊界。由于軸向色差，僅一個(gè)波長將具有匹配于從 光筆120到表面190的測量距離的前聚焦尺寸FF。配置光筆以使得在表面190最佳地聚焦 的波長將也是在光纖共焦孔徑195處最佳地聚焦的反射測量光的波長。光纖共焦孔徑195 在空間上過濾所反射的測量光，使得主要是最佳聚焦的波長通過光纖共焦孔徑195并進(jìn)入 光纖線纜112的芯中。光纖線纜112將所反射的測量光路由至波長探測器162,其配置為確 定具有占主導(dǎo)地位的強(qiáng)度的波長，該波長對應(yīng)于到工件表面190的測量距離（FF)。
[0043] 如所圖不的，光筆120具有由最小范圍距尚ZMIN和最大范圍距尚ZMAX限制的測 量范圍R，并且待測量的表面190應(yīng)落在測量范圍R內(nèi)。光筆120的一般測量范圍R可以在 數(shù)十微米到幾毫米的范圍中，可以基于軸向色差部分150的配置可調(diào)節(jié)地設(shè)置該范圍。在 已知光筆的一些實(shí)例中的測量范圍R可以為距筆端的標(biāo)稱（nominal)工作距離的大約1/10 至1/2。如這里使用的，光筆120的標(biāo)稱工作距離（S)被定義為從光筆120(包括以下將詳 細(xì)描述的光反射元件155)的末端到待測量的表面190的距離，如圖1中所示。
[0044] 在各個(gè)實(shí)施例中，如果根據(jù)某些光學(xué)系統(tǒng)約束確定測量范圍的最大和最小范圍距 離（即，測量范圍R的ZMAX和ZMIN)，則是有利的。簡而言之，確定測量范圍的最小值和最大 值中的第一因素是軸向色差部分150中指定的透鏡組能夠以指定的精度水平聚焦指定的 波長組的物理距離。更一般地，具有其最小和最大限制的每個(gè)范圍一般對應(yīng)于通過使用色 差可以在其上很好地聚焦可用輸入光譜的范圍。另外，波長探測器自身（見圖1中的162) 的限制是范圍中的另一因素。換言之，對于不同預(yù)期和期望的待測量波長，期望波長分散在 探測器162的陣列中，使得可以實(shí)現(xiàn)高分辨率水平。總之，一般地，通過與在沿著指定軸的 距離上有效地聚焦光譜的能力相關(guān)的限制、以及通過與波長在探測器162上的色散相關(guān)的 設(shè)計(jì)選擇，確定具有指定的最小和最大距離的范圍。
[0045] 電子部分160包括光纖稱合器161、波長探測器162、光源（源光生成部分）164、 信號處理器166和存儲器部分168。在各個(gè)實(shí)施例中，波長探測器162包括光譜儀或攝譜 儀布置，其中色散元件（例如，光柵）通過光纖線纜112接收所反射的測量光，并將所得到 的光譜強(qiáng)度分布發(fā)送至探測器陣列163。波長探測器162還可以包括從光譜強(qiáng)度分布移除 或補(bǔ)償某些探測器相關(guān)的錯(cuò)誤分量的相關(guān)信號處理（例如，在一些實(shí)施例中由信號處理器 166提供）。因此，在一些實(shí)施例中，波長探測器162和信號處理器166的某些方面可以合 并和/或是無法區(qū)分的。
[0046] 由信號處理器166控制的白光源164通過光f禹合器161 (例如，2X 1光f禹合器） 耦合至光纖線纜112。如上所述，基于源光的測量光穿過光筆120,其產(chǎn)生縱向色差，使得其 焦距隨著光的波長而改變。最高效地通過光纖傳輸回的測量光的波長是在位置Z處的表面 190上聚焦的波長。所反射的依賴于波長的測量光強(qiáng)然后再次經(jīng)過光纖耦合器161以被引 導(dǎo)至波長探測器162,其生成光譜強(qiáng)度分布。探測器陣列163接收散布在沿著探測器陣列 163的測量軸的像素陣列上的光譜強(qiáng)度分布。圖2是根據(jù)這里公開的原理的來自探測器陣 列163的光譜強(qiáng)度分布310的示例圖，該光譜強(qiáng)度分布310包括對應(yīng)于從光筆120到待測量 的孔的內(nèi)表面的唯一距離的光譜峰值分量。簡而言之，由信號處理器166計(jì)算指示圖2中 的光譜峰值分量"P"的坐標(biāo)的亞像素分辨率距離，并且指示該坐標(biāo)的距離經(jīng)由存儲器部分 168中存儲的距離校準(zhǔn)查找表，確定到表面190(在Z)的測量距離（FF)。例如，在圖2中， 確定指示光譜峰值分量"P"的約620. 6個(gè)像素的亞像素分辨率的距離，并且將亞像素分辨 率距離轉(zhuǎn)換為微米或毫米的測量距離（FF)?？梢酝ㄟ^諸如確定光譜強(qiáng)度分布的光譜峰值分 量中的矩心（centroid)的各種方法確定指示峰值坐標(biāo)的亞像素分辨率的距離。
[0047] 在圖1中，光筆120可以可選地包括虛線輪廓中所示的反射元件155。反射元件 155可以放置在從軸向色差部分150輸出的測量光ML的路徑中，以沿著一般垂直于原始測 量方向MD的測量方向MD'重新引導(dǎo)測量光196'。沿著所重新定向的測量方向MD'的測量 范圍R'與沿著原始測量方向MD的測量范圍R相同，并且也由XMIN和XMAX限制。在這樣 的實(shí)施方式中，如在一些測量應(yīng)用中所需的，反射元件155沿著不同于（例如，正交于）光 軸0A的測量方向MD'引導(dǎo)測量光196'。例如，如所圖示的這種正交定向當(dāng)前用于測量孔的 幾何特性，諸如如圖3中所示的孔直徑。圖3示出了如圖1中所示的使其測量光196'在正 交測量方向MD'上傳播的光筆120可以圍繞其中心Z軸旋轉(zhuǎn)以測量螺紋孔的外直徑①、螺 紋孔的內(nèi)直徑②、以及螺紋高度（或螺紋深度）③，其是①與②之間的差。
[0048] 具體地，如圖4中所示，諸如圓的直徑的孔的幾何特性的測量需要確定孔的內(nèi)表 面上的至少三個(gè)點(diǎn)。圖4圖示了最少需要三組X和Y坐標(biāo)（即，三個(gè)點(diǎn)A、B和C)，以便確 定圓的直徑、或在如圖3中所示的給定Z高度的孔的直徑。在圖4中，一旦確定三個(gè)點(diǎn)A、 B和C的位置，就在點(diǎn)A與B之間畫等距線,并且在點(diǎn)B與C之間畫另一條等距線 。然后可以將圓的中心0確定為等距線與,之間的交叉點(diǎn)。從〇到三 個(gè)點(diǎn)中的任一個(gè)（A、B或C)的距離是圓的半徑，并且將圓的直徑獲得為半徑的兩倍。如圖 3中所示，獲得孔的內(nèi)表