面（諸如圓）上的至少三個(gè)測(cè)量點(diǎn)當(dāng)前需要旋轉(zhuǎn)光筆120,使得其 測(cè)量方向MD'在三個(gè)不同位置與孔的內(nèi)表面相交。然而，如在上述"【背景技術(shù)】"部分中討論 的，必須旋轉(zhuǎn)光筆120需要復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械零件來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，是耗時(shí)的且因此降低測(cè)量吞 吐量，并且不可避免地引入某種程度的跳動(dòng)和/或擺動(dòng)以及相關(guān)測(cè)量錯(cuò)誤。
[0049] 在各個(gè)應(yīng)用中，可以期望能夠在不需要旋轉(zhuǎn)光筆120的情況下測(cè)量孔的內(nèi)表面的 至少三個(gè)點(diǎn)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如圖5和7中所示，提供可以附接至光筆120的末端的棱錐 形反射光元件201形式的分束偏轉(zhuǎn)元件200 (替代圖1的反射元件155)。分束偏轉(zhuǎn)元件200 允許在不需要旋轉(zhuǎn)光筆120的情況下測(cè)量諸如圓直徑的孔的幾何特性。
[0050] 如圖5中所示，直角三角形棱錐形反射光元件201具有三角形基底202,具有在三 角形基座202的中心的上方直接對(duì)齊的頂點(diǎn)203,并且包括分別對(duì)應(yīng)于至少三個(gè)測(cè)量方向 MD1、MD2和MD3的第一、第二和第三平面反射面204A、204B和204C。例如，棱錐形反射光 元件201可以是將鏡面涂層應(yīng)用至每個(gè)平面反射面204A、204B和204C的直角三角形棱錐 形棱鏡。另外參照?qǐng)D7,布置棱錐形反射光元件201以使得其頂點(diǎn)203面向到來(lái)的測(cè)量光 ML。三個(gè)平面反射面204A、204B和204C接收測(cè)量光ML并同時(shí)沿著分別橫向于中心Z軸的 至少三個(gè)測(cè)量方向MD1、MD2和MD3向待測(cè)量的孔的內(nèi)表面散布（反射）測(cè)量光196AU96B 和196C。孔可以具有圓形截面、非圓形截面（例如，正方形截面），并且可以僅部分地被圓 形或非圓形截面的內(nèi)表面包圍。
[0051] 在各個(gè)示例性實(shí)施例中，至少三個(gè)測(cè)量方向MD1、MD2和MD3均勻地分別在360度 上。例如，在所圖示的圖5的實(shí)施例中，三個(gè)測(cè)量方向MD1、MD2和MD3的每個(gè)相鄰對(duì)形成 120度角，并且平面反射面204A、204B和204C的每個(gè)具有大約0? 6NA的有效數(shù)值孔徑（NA) (與入射的測(cè)量光ML的NA相比）。具體地，大約0. 6NA的數(shù)值孔徑基于1. 2R的平均光束 直徑，其如圖5中所示被測(cè)量方向MD1、MD2和MD3的每個(gè)平分（bisect)，其中R是投射到 棱錐形反射光元件201的三角形基底202上的入射光束ML的半徑。另一方面，如圖6中所 示，圖1的反射元件155的數(shù)值孔徑是NA，其與入射在反射元件155上的測(cè)量光ML的NA相 同。NA基于被測(cè)量方向MD平分的長(zhǎng)度為2R的束三角形基底，其中R是反射元件155的半 徑。應(yīng)注意，與棱錐形反射光元件201關(guān)聯(lián)的大約0. 6NA的數(shù)值孔徑并非顯著小于圖1的 反射元件155的數(shù)值孔徑NA，并且適于接收并輸出為了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例執(zhí)行彩色 共焦點(diǎn)感測(cè)測(cè)量的目的的足夠量的測(cè)量光。
[0052] 圖7示意性地示出從平面反射面中的兩個(gè)反射的三個(gè)測(cè)量光束中的兩個(gè)196A、 196B，盡管實(shí)際上分別從三個(gè)平面反射面反射三個(gè)測(cè)量光束。具體地，在圖7中，從第一平 面反射面204A反射的第一測(cè)量光196A沿著第一測(cè)量方向MD1傳播，并且從第二平面反射 面204B反射的第二測(cè)量光196B沿著第二測(cè)量方向MD2傳播。如所圖示的，光筆120沿著 第一和第二測(cè)量方向MD1和MD2中的每個(gè)具有由RMIN'和RMAX'限制的相同測(cè)量范圍R'。 雖然圖7中未示出，但是從第三平面反射面204C反射的第三測(cè)量光196C沿著第三測(cè)量方 向MD3傳播，并且具有由RMIN'和RMAX'限制的相同測(cè)量范圍R'。
[0053] 圖8圖示了在配置棱錐形反射光元件201形式的分束偏轉(zhuǎn)元件200時(shí)的一般考 慮。圖8還適用于分束偏轉(zhuǎn)元件200由以下將參照?qǐng)D15-17描述的圓錐形光元件340形成 的實(shí)施例。一般地，棱錐形反射光元件201 (或圓錐形光元件340)的頂點(diǎn)半角可以計(jì)算為：
[0054]頂點(diǎn)半角=45-{sirTHNA)}/^ 等式（1)
[0055] 例如，假設(shè)入射光束ML的數(shù)值孔徑NA是0. 2,于是頂點(diǎn)半角計(jì)算為42. 11度。
[0056] 與如圖1中所示的反射元件155的截面相比，圖8示出棱錐形反射光元件201 (或 圓錐形光元件340)的截面。對(duì)于棱錐形反射光元件201或圓錐形光元件340,反射表面頂 點(diǎn)相對(duì)于中心Z軸且在中心Z軸和測(cè)量光的平面內(nèi)的半角優(yōu)選地小于45度，以便測(cè)量光的 主光線相對(duì)于光筆的中心Z軸為90度。以上計(jì)算的42. 11度的頂點(diǎn)半角滿足此需求。在 各個(gè)示例性實(shí)施例中，一般規(guī)則是頂點(diǎn)的半角應(yīng)當(dāng)比45度小測(cè)量光ML的NA角的1/4,如圖 8中所示。
[0057] 根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，該方法能夠以至少如5微米一樣精細(xì)的測(cè)量分辨率測(cè)量孔的幾 何特性。
[0058] 在檢查孔的各個(gè)幾何特性的應(yīng)用中，光筆120可以耦接至本領(lǐng)域已知的任何坐標(biāo) 測(cè)量機(jī)（CMM)，其能夠控制光筆120沿著X、Y和Z軸的每個(gè)的精確位置。通常，CMM具有可 以沿著XY平面的一個(gè)軸移動(dòng)的橋（bridge)、以及沿著XY平面的另一個(gè)軸的可沿著該橋移 動(dòng)的托架（carriage)。由通過(guò)托架上下移動(dòng)的垂直套筒（quill)提供Z軸移動(dòng)。如圖9A 中所示，CMM 209的垂直套筒210的末端包括配置為接收諸如根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的 光筆120的各種可替換細(xì)長(zhǎng)探針的探頭212。在一個(gè)實(shí)施例中，CMM的探頭212可以并入可 以從英國(guó)格洛斯特郡的Renishaw計(jì)量有限公司獲得的最常用于工業(yè)中的某些應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) Renishaw?自動(dòng)接合（autojoint)連接配置。在圖9A的示例中，光筆120 f禹接至探頭212 以檢查包括螺紋213的孔的幾何特性。CMM通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線199(例如總線）與其它部件通 信，數(shù)據(jù)傳輸線199通過(guò)連接器208 (例如"微D"型連接器）連接至向光筆120提供信號(hào)并 從光筆120接收信號(hào)的探頭線纜211。光筆120所耦接到的CMM 209由CMM控制器202控 制，而光筆120與CPS筆信號(hào)處理和控制電路207交換數(shù)據(jù)并且由CPS筆信號(hào)處理和控制 電路207控制（例如，在一個(gè)實(shí)施例中由圖1的電子部分160中的信號(hào)處理器166和存儲(chǔ) 器部分168提供）。用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)和用戶接口 206控制所有部件。
[0059] CMM控制器202包括配置為控制探頭212的操作的探頭控制器203、以及特別地 配置為控制探頭212以及從而光筆120在X、Y和Z方向上的精確位置和移動(dòng)的移動(dòng)控制 器205,如本領(lǐng)域中已知的。CMM控制器202還包括產(chǎn)生探頭212的XYZ位置的位置鎖存器 204。CPS筆信號(hào)處理和控制電路207中包括的對(duì)應(yīng)的位置鎖存器204產(chǎn)生光筆120的XYZ 鎖存信號(hào)，并且與CMM控制器202中的位置鎖存器204通信，以將CMM 209的坐標(biāo)與光筆 120的測(cè)量坐標(biāo)同步。因此，可以基于對(duì)應(yīng)于放置在孔內(nèi)部的光筆120的位置的CMM坐標(biāo)， 確定由耦接至CMM的光筆120檢查的諸如孔的中心位置的孔的幾何特性。
[0060] 如以下將更全面描述的，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，提供允許用戶在不需要旋轉(zhuǎn) CPS筆的情況下利用該筆檢查或測(cè)量工件的孔的幾何特性的方法。在各個(gè)應(yīng)用中，所述方法 涉及在孔中定位光筆120以在不需要旋轉(zhuǎn)光筆120的情況下確定孔的內(nèi)表面的至少三個(gè)測(cè) 量點(diǎn)。在其它應(yīng)用中，所述方法涉及沿著X、Y和Z軸中的一個(gè)或多個(gè)線性移動(dòng)光筆120,由 此在不需要旋轉(zhuǎn)光筆120的情況下確定孔的內(nèi)表面的至少三個(gè)測(cè)量點(diǎn)。光筆120的這種線 性平移（translation)可以由光筆120可以耦接到的任何標(biāo)準(zhǔn)CMM容易地完成。檢查包括 諸如孔的待檢查的各種特征的工件的指令通常實(shí)現(xiàn)在可以由CMM執(zhí)行的工件程序或零件 程序中。
[0061] 作為另一示例，可以結(jié)合諸如可以從在伊利諾斯州奧羅拉的三豐美國(guó)公司獲得的 微小型視覺(jué)系統(tǒng)的QUICK VISION1' QV Apex系列的本領(lǐng)域已知的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)使 用光筆120。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括可移動(dòng)視覺(jué)（相機(jī)）系統(tǒng)以及其上放置待 視覺(jué)檢查的工件的可移動(dòng)平臺(tái)（stage)。視覺(jué)系統(tǒng)和/或平臺(tái)可以沿著X、Y和Z軸移動(dòng)， 使得視覺(jué)系統(tǒng)可以獲取放置在平臺(tái)上的工件的完整圖像用于檢查和分析的目的。獲取包括 諸如孔的待檢查的各個(gè)特征的工件的圖像、以及檢查所獲取的圖像的指令通常實(shí)現(xiàn)在可以 在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)上執(zhí)行的工件程序或零件程序中。一些視覺(jué)系統(tǒng)可以包括配置為持有 (hold)諸如根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的光筆120的專業(yè)探針的探針子系統(tǒng)。因此，通過(guò)將 光筆120耦接至視覺(jué)系統(tǒng)的探針子系統(tǒng)，用戶可以利用機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的控制器控制光 筆120沿著X、Y和Z方向的位置和線性移動(dòng)，從而獲得孔的內(nèi)表面的至少三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，類似 于使用CMM控制光筆120的位置和線性移動(dòng)。在此配置中，可以結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)利 用標(biāo)準(zhǔn)CMM技術(shù)來(lái)控制探針子系統(tǒng)，以關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的待測(cè)量的孔自動(dòng)定 位并移動(dòng)光筆120、以及因此光筆120的分束偏轉(zhuǎn)元件200。
[0062] 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 法的一般流程圖。
[0063] 在塊220,第一步驟是將光筆120定位在孔內(nèi)部的位置以使得測(cè)量光沿著至少三 個(gè)測(cè)量方向入射在內(nèi)表面上的步驟。例如，CPS 100的電子部分160操作以使得測(cè)量光沿 著至少三個(gè)測(cè)量方向入射在內(nèi)表面上。
[0064] 在塊222,第二步驟是接收通過(guò)放置在孔中的所述位置的光筆120的共焦孔徑195 從至少三個(gè)測(cè)量方向反射回的測(cè)量光的步驟。例如，光譜儀（圖7的162中）接收通過(guò)共 焦孔徑195從至少三個(gè)測(cè)量方向反射回的測(cè)量光。
[0065] 在塊224,第三步驟是操作CPS系統(tǒng)以獲得測(cè)量光的光譜強(qiáng)度分布的步驟（參見(jiàn)圖 2)，其中光譜強(qiáng)度分布包括對(duì)應(yīng)于沿著至少三個(gè)測(cè)量方向在光筆的測(cè)量范圍"R"內(nèi)的到內(nèi) 表面的距離的光譜峰值分量。光譜峰值分量可以或可以不彼此獨(dú)立，如將在下面的各個(gè)示 例中描述的。
[0066] 在塊226中，第四步驟是至少部分地基于包括分析光譜強(qiáng)度分布以確定沿著至少 第一測(cè)量方向從光筆120到內(nèi)表面的至少第一距離度量的信號(hào)處理操作確定孔的幾何特 性的步驟。
[0067] 在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，可以由CPS 100的電子部分160、由CPS 100耦接至的 諸如CMM的外