小選擇適當?shù)墓P。
[0085] 在本發(fā)明的一些示例性應用中，孔的內(nèi)表面包括螺紋，并且光筆120耦接至用于 定位光筆120的CMM。將光筆120定位在孔中的位置的步驟（圖9B中的塊220)包括將光 筆120定位在當前位置，其對應于沿著與孔的中心軸（即，Z方向）平行的方向的軸向位置 以及橫向于孔的中心軸的當前偏離中心位置，使得獲得對應的光譜強度分布中的至少第一 光譜峰值分量，作為對應于在當前位置沿著對應的唯一測量方向從光筆120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于多個不同軸向位置（沿著Z方向）的 多個不同當前位置，重復定位光筆120 (圖9B中的塊220)、接收測量光（圖9B中的塊222)、 以及操作CPS系統(tǒng)以獲得光譜強度分布（圖9B中的塊224)的步驟。通過以下步驟確定諸 如螺紋高度等的包括螺紋的孔的幾何特性：(a)分析分別對應于與多個不同軸向位置對應 的多個不同當前位置的多個光譜強度分布，以確定在對應于多個不同軸向位置的多個不同 當前位置沿著對應的唯一測量方向從光筆120到螺紋的多個距離度量；以及（b)基于在對 應于多個不同軸向位置的多個不同當前位置處的多個距離度量中的至少一些，確定螺紋的 幾何特性。
[0086] 圖12和13描述操作CPS系統(tǒng)以檢查孔的幾何特性的另一方法，其中孔相對于光 筆120的測量范圍R來說較小，而與以上參照圖10和11描述的孔相對較大的情況不同。具 體地，參照圖12A，在此實施例中，假設孔300具有相對于光筆的測量范圍R'較小的直徑D 以滿足以下關系：
[0087] s+d/2+R，/2>D/2 等式（3)
[0088] 其中，s是位于孔301內(nèi)部的光筆120的工作距離（見圖l)，d是其中吻合地容納 分束偏轉(zhuǎn)元件200的光筆120的直徑，并且R'是光筆120的測量范圍。
[0089] 另外參照圖13,其是圖示示例性方法的流程圖，在塊320中，將包括分束偏轉(zhuǎn)元件 200的光筆120放置在孔300內(nèi)部。如以上參照圖7描述的，光筆120具有共焦孔徑195并 且分別沿著至少三個測量方向MD1、MD2和MD3投射至少三個測量光束196AU96B和196C。 當光筆120放置在孔300內(nèi)部時，通過光筆120可以耦接至的CMM獲得光筆120的中心的坐 標（X0，Y0)。在Z方向上掃描（移動）光筆120,以便獲得沿著Z軸的一系列（X0，Y0)坐標 (初始Z掃描）。獲得初始Z掃描以對于沿著Z軸的每個值生成光筆120的參考坐標（XO， Y0)。在初始Z掃描期間，預期三個測量光束196A、196B和196C行進大約相同或類似距離 到孔300的內(nèi)表面，由此產(chǎn)生一般彼此重合的三個光譜峰值分量321。關于這一點，CPS 100 的電子部分160(和/或圖9A中的CPS筆信號處理和控制電路207)配置為處理包含三個 明顯的（distinct)峰值分量的光譜數(shù)據(jù)，即對于三個明顯的峰值分量的每個，如圖2中所 示執(zhí)行光譜峰值分量生成處理。
[0090] 在圖13中的塊322,參照圖12B，控制CMM以沿著三個測量方向之一移動光筆120。 在所圖示的實施例中，沿著第二測量方向MD2移動光筆120,如由箭頭323所指示的，使得第 二測量光196B行進至孔300的內(nèi)表面的距離變?yōu)楸绕渌鼉蓚€測量光束（196A和196C)行 進至孔300的內(nèi)表面的距離更長。這將導致基于第二測量光196B的光譜峰值分量321B相 對于分別基于第一和第三測量光束196A和196C的光譜峰值分量321A和321C位移至更長 的波長，光譜峰值分量321A和321C位移至更短波長。效果上，光譜峰值分量321B可以其 余的光譜峰值分量321A和321C獨立，如圖12B中所示。
[0091] 在圖13中的塊324,參照圖12C，控制CMM以沿著三個測量方向中的另一個（諸如 第一測量方向MD1)移動光筆120,如由箭頭325所指示的。因此，第一測量光196A行進至 孔300的內(nèi)表面的距離變?yōu)楸鹊谌郎y量光196C行進至孔300的內(nèi)表面的距離更短。這將 導致基于第一測量光196A的光譜峰值分量321A相對于位移至更長波長的基于第三測量光 束196C的光譜峰值分量321C而位移至更短的波長。效果上，光譜峰值分量321A可以從光 譜峰值分量321C獨立，其兩者已經(jīng)在以上圖12B中從基于第二測量光196B的光譜峰值分 量321B獨立。因此，此時，當以圖12C中圖示的方式相對于孔300定位光筆120時，三個光 譜峰值分量321A、321B和321C中的每個彼此獨立。
[0092] 在圖13中的塊326,在孔300中沿著Z軸移動已經(jīng)定位為使得三個光譜峰值分量 321A、321B和321C明顯彼此獨立的光筆120,由此獲得作為Z的函數(shù)的孔300的幾何度量 (例如，直徑）。與以上在步驟320中執(zhí)行的用以獲得一系列參考坐標（X0, Y0)的初始Z掃 描（見圖12A)相比，在此時的Z掃描稱為最終Z掃描。在一些實施例中，在相同方向上執(zhí) 行初始Z掃描和最終Z掃描，而在其它實施例中，可以沿著Z軸在相反方向上執(zhí)行兩個掃 描?？梢曰诔跏糧掃描（即，沿著Z軸的（X0，Y0)參考坐標的集合）、在光筆120已經(jīng)在 孔300中移動以獲得三個明顯的光譜峰值分量之后光筆120的中心坐標、以及三個明顯的 光譜峰值分量321A、321B和321C的讀數(shù)，確定諸如直徑和螺紋外形（profile)度量（例 如，螺紋高度）的孔的各種幾何特性。例如，對于沿著Z軸的每個Z值，基于如下項獲得三 個測量光束196A、196B和196C與孔300相交的XY平面上的三個測量點：（i)初始Z掃描， (ii) 在光筆120已經(jīng)移動以獲取三個明顯的光譜峰值分量之后光筆120的中心坐標，以及 (iii) 三個明顯的光譜峰值分量321A、321B和321C的讀數(shù)。然后，基于所獲得的三個測量 點，可以使用圖4中圖示的原理獲得孔300(在所圖示的示例中具有圓形截面）的直徑D。 作為其它示例，可以通過計算到螺紋的底部的距離與到螺紋的頂部的距離之間的差，獲得 螺紋高度（見圖3中的③）。
[0093] 應注意，可以由配置為接收測量光ML并將其分成四個或更多測量光束（諸如，包 括對應于相隔90度的四個測量方向的四個平面反射面的具有正方形底的直立棱錐）的光 學元件提供分束偏轉(zhuǎn)元件200。然而，額外的測量光束對于測量孔的幾何特性來說不是必 要的，并且進一步減小每個測量光束的NA，其繼而需要延長曝光/采樣時段以降低測量吞 吐量。而且，這種配置將比上述棱錐形反射光元件201更加難以制造和集成到光筆120中。 因此，根據(jù)本發(fā)明的各個示例性實施例，分束偏轉(zhuǎn)元件200是具有對應于最多四個測量方 向的最多四個平面反射面的棱錐形反射光元件。
[0094] 參照圖14并再次參照圖12A，描述操作CPS系統(tǒng)以確定具有圓形截面的孔的半徑 或直徑的另一具體方法。如圖12A中所示，在此實施例中，假設孔300具有相對于光筆的測 量范圍R較小的直徑D以滿足上述等式（3)，使得大約定位在孔300的中心的光筆120將具 有在每個測量光束196AU96B和196C的測量范圍R內(nèi)的孔300的內(nèi)表面。
[0095] 在圖14的塊330,將光筆120放置在孔300中大約孔的中心。此時，在內(nèi)表面落在 每個測量光束的測量范圍R內(nèi)的情況中，預期基于三個測量光束196A、196B和196C的三個 光譜峰值分量321 -般將彼此重合，如圖12A中所示。
[0096] 在圖14的塊332,控制CMM以調(diào)節(jié)光筆120在XY平面上的位置，直到光筆120的 中心基本上與孔301的中心重合為止，在該中心點，三個光譜峰值分量321A、321B和321C 將標稱地（nominally)彼此精確地對齊以產(chǎn)生單個高和/或窄峰值。單個高和/或窄峰值 的產(chǎn)生指示第一、第二和第三測量光束196A、196B和196C的每個在照射在孔300的內(nèi)表面 上之前行進的距離基本上相同，因此可以將該距離看作孔300的半徑。因此，此時嚴密重疊 的光譜峰值分量321A、321B和321C可用于指示孔300的半徑?？梢愿鶕?jù)每個應用調(diào)節(jié)要 指示半徑的重疊的光譜峰值分量的高度和/或窄度（narrowness)。
[0097] 在圖14的塊334,可以在孔300中沿著Z軸移動已經(jīng)調(diào)節(jié)其XY位置以使得由三個 測量光束196AU96B和196C產(chǎn)生的單個高和/或窄峰值指示孔300的半徑的光筆120,以 獲得作為Z的函數(shù)的一系列半徑。
[0098] 接下來參照圖15-17,描述根據(jù)本發(fā)明的又一實施例操作用于測量孔的幾何特性 (具體地為孔的半徑或直徑）的CPS系統(tǒng)的又一方法。如圖15A和15B中所示，本實施例 利用圓錐形光元件340形式的分束偏轉(zhuǎn)元件200。如圖7中所示，之前描述的實施例的棱 錐形反射光元件201可以被圓錐形光元件340取代，并且圓錐形光元件340可以附接至光 筆120的末端部分，并且其頂點340A面向從光筆120的共焦孔徑195輸出的測量光ML。如 圖15B中示意性地圖示的，圓錐形光元件340在接收到測量光ML時反射測量光ML以產(chǎn)生 向著待測量的孔的內(nèi)表面徑向投射的測量光342的圓錐盤。圓錐形光元件340可以是將鏡 面涂層應用至其圓錐形表面的圓錐形棱鏡。關于這一點，彩色共焦點傳感器100的電子部 分160(和/或圖9A中的CPS筆信號處理和控制電路207)配置為處理從組合基于一起形 成測量光342的圓錐盤的多個徑向光束的光譜信號而得到的光譜數(shù)據(jù)。
[0099] 在圖17的塊350,另外參照圖16A，在此實施例中，假設具有直徑D的孔300相對于 光筆120較小以滿足以上等式（3)。因此，大約定位在孔300的中心的光筆120將使孔300 的內(nèi)表面在測量光342的圓錐盤的測量范圍R內(nèi)。當光筆120放置在孔300中時，除非光 筆120的中心與孔300的中心重合，否則預期光譜數(shù)據(jù)將具有基于一起形成測量光342的 圓錐盤的多個徑向光束的寬的弱峰。
[0100] 在圖17的塊352,并且參照圖16B，控制CMM以調(diào)節(jié)光筆120在XY平面上的位置， 直到光筆120的中心基本上與孔300的中心重合為止，在該中心點，基于一起形成測量光 342的圓錐盤的多個徑向光束的多個光譜峰值分量標稱地彼此精確地重疊以產(chǎn)生更強的 (intense)窄峰360。單個窄峰360的產(chǎn)生指示共同形