专利名称：具有光学监测系统的表面感测装置的制作方法
具有光学监测系统的表面感测装置本发明涉及一种专用于定位设备，尤其是坐标测量机(CMM)或扫描机，中的表面感测装置。所述装置包括基座以及与待测量表面建立接触或无接触测量连接的探头。所述探头通过至少一个接头可移动地链接至基座，并且包括具有触针长度和触针顶端的中空触针。所述表面感测装置还包括光学监测系统，其用于测量触针顶端相对于触针载体的位移。所述光学监测系统包括用于产生光束的发光装置，S卩，至少一个光源，所述光束在触针内部被朝着触针顶端引导，其中至少部分光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束。另外，所述光学监测系统设置有用于返回光束的检测器装置，其能够产生指示触针顶端的位移的电输出信号。坐标测量机(CMM)用于确定物体的三维形貌。CMM通常包括能够相对于支撑物体 的台在三个方向(X，Y，Z)上移动的臂。用合适的传感器测量臂在这些方向中的任何方向上的移动，由此测量臂相对于物体的实际位置。为了测量表面变化，已知基于触觉传感器和光学传感器的使用的测量原理。在国际专利申请No. WO 89/07745中，公开了一种用于坐标测量机的探头。所述探头包括触针，其被支撑以进行轴位移和角位移。传感器感测由于触针末端与工件的接合而在触针的感测端上产生的轴向力。设置在触针上的应变计系统感测触针的感测端上的横向力。使用轴向力和横向力来确定工件表面的取向，并且描述了一种控制系统，其在扫描操作期间响应于那些力保持触针垂直于工件表面。根据测量传感器所提供的信号并且通过知道表面感测装置的部件的尺寸，可预测触针顶端的中心的位置。然而，触针组件常常会由于与工件表面接触以及由于加速过程中的惯性力而弯曲，这种弯曲使得触针顶端的中心的实际位置不确定。在美国专利No. 5118956中，公开了一种扫描探针顶端，其设置有传感器，例如反射镜、光纤或双折射元件，其在连接至探针的触针接触工件时通过振动或经受应变而改变状态。该传感器设置在触针上(在反射镜的情况下)或设置在触针中(在光纤的情况下)。由于与工件的表面接触导致的传感器的状态改变引起由传感器输送的光波的路径长度、偏振状态或强度的改变。作为一个例子，公开了一种用于检测这样的改变的干涉仪。引导向待检查物体的探测光束和返回光束可在光纤中从光源到物体传播并在光纤中返回到检测器。光学传感器不独自用于检测触针的变形或振动。另外，光学传感器代替传统的电传感器。作为一个缺点，该感测结构需要记录大量时间内的干涉图样的变化和/或需要使用大面积、高分辨率的位置敏感检测器。另外，对于触针位移和/或弯曲的干涉图样改变的校准很困难，因为通常干涉图样很难精确再现。基于触觉传感器，即，工件接触顶端，的扫描测量通常与主要问题关联。如果触针被设计为柔性非常低/非常刚硬，则感测顶端/传感器头必须非常精确地跟随物体的表面变化，以便确保与物体均匀或相等且连续地接触，以便准确确定表面形貌。测量头由于其质量而导致惯性相对大，因此需要非常平滑或均匀的抛光表面和/或低扫描速度以便准确测量。相反，如果触针被设计为柔性非常高/非常容易变形，则扫描速度可增大，但测量头/传感器将仅输送物体表面的平滑的/近似的表现作为测量结果。在美国专利No. 6633051中，提出了一种方案，其中将相对刚硬的喇叭形触针载体与相对薄的小质量柔性触针连接，以便确保由触针以及与高柔性触针组合的触针载体形成的系统的高本征频率，即，高扫描速度的可能性。来自激光光源的探测光束在触针内被引导至顶端，在该处遇到后向反射器。触针顶端的偏转导致反射/返回光束的位移，并用容纳于触针载体中的位置敏感检测器进行测量/记录。因此，包括激励光源和检测器的光学监测系统实现触觉测量系统的功能。作为美国专利No. 6633051所公开的系统结构的一个缺点，包括激光二极管、检测器和驱动电子元件的光学监测系统安装在触针载体中，因此将若干热源包封于触针及其载体所形成的封闭框架内。只要没有达到热平衡，热的出现就将导致测量系统的不可控的变形。此类坐标测量机的一个主要优点在于由于测量探针能够快速调换(常常甚至是自动调换)，即，触针形状和长度调换以最优地适于待扫描物体，因此具有高操作灵活度性。必须避免任何导致热平衡条件改变的触针调换，包括触针及触针载体所形成的框架内的任何热源。对于包括触觉传感器的CMM和配备有光学传感器的CMM 二者而言，如果在强加速力作用于光学传感器上的情况下触针出现弯曲，或者在扫描触觉测量的情况下触针出现快速变形，则均有必要提供光学监测系统。因此，必须考虑和补偿两个影响首先，具有显著长度的中空触针(例如，长度为300mm、直径为5mm的碳触针)在水平取向时由于重力而经历约80 μ m的静态弯曲。另外，由于内孔偏心和材料不均匀，该静态弯曲略微偏离于旋转对称大约几个微米。作为第二个影响，在扫描测量中发生由附加加速力引起的触针的动态弯曲，其可达到与静态弯曲类似的量，并且可增加或补偿静态弯曲。另外，触针末端会由于CMM的启动而经历振动串扰。当配备光学监测系统时，与美国专利No. 6633051中所公开的结构相比，应该避免在包括触针和触针载体的封闭测量系统中包含热源，即，电力消耗装置，成为进一步干扰变形的潜在源。本发明的目的在于提供一种特别用于基于光学或触觉传感器的CMM或扫描机的表面感测装置，其应该配备有不会在测量系统中产生热的光学监测系统。具体地讲，目的在于提供一个技术方案来将源自感测触针顶端的指示触针顶端的位移或触针的弯曲的信号传输给远程检测器，其中传输的信号或信号变化应该能够容易且高精确度地相对于触针位移或弯曲的相关量按比例变化。在下文中，触针顶端的位移和触针的弯曲概括为“触针顶端的位移”。此任务的方案必须满足下列技术边界条件-能够测量几kHz范围内的触针动态变形(弯曲)，因此允许配准由CMM和测量头的活动机械轴的启动引起的小振动激励；-以约IOOnm的精度确定测量顶端的变形；-不会在感测探针和触针载体内显著产生热或功耗(低于ImW)；-与光电机械接口兼容，即，能够通过单模光纤进行信号传输；
-不会干扰光学传感器信号的光学传输的返回光束的光路；-方案与触觉传感器和光学传感器的使用均兼容。上述目的和任务通过根据本发明的表面感测装置来解决，其设置有基座以及与待测量表面建立接触或无接触测量的探头。所述探头通过至少一个接头可移动地链接至基座，并且包括具有触针长度和触针顶端的中空触针。所述表面感测装置还包括光学监测系统，其用于测量触针顶端相对于触针载体的位移。所述光学监测系统包括用于产生光束的发光装置，S卩，至少一个光源，所述光束在触针内部被朝着触针顶端引导，其中至少部分光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束。另外，所述光学监测系统设置有用于返回光束的检测器装置，其能够产生指示触 针顶端的位移的电输出信号。所述发光装置可以是单个光源，例如激光器、激光二极管或超辐射发光二极管(SLED)，但也可由大量这样的光源构成。作为本发明的一个特征，“发光装置”以这样的方式构建使得发射的光具有至少两个不同的、具有给定特性分布的可区分的光特性。这样不同的、可区分的光特性组合成在触针内部被朝着感测触针顶端引导的探测光束，所述光特性可以是(例如)由不同的激光光源发射的不同离散波长的光分量，或者发射谱带可与离散光谱子范围分开的光，类似通常由超辐射发光二极管(SLED)发射的带宽为大约IOnm的光。在触针顶端处，至少部分探测光束返回，并作为返回光束向后传播。返回光束包含关于触针顶端的任何位移或触针的弯曲的信息，该信息以(例如)返回光束光路的位移来提供。作为本发明的另一特征，提供光学编码部件作为通常设置在触针载体和触针顶端之间的光路上的光学监测系统的另一部件，该部件设置在触针载体中的光返回路径上。所述光学编码部件被设计为将该光学解码部件处接收到的关于触针顶端的位移(通常为横向位移)或关于触针的弯曲的信息(例如，以返回光束光路的位移的形式)变换为移位的返回光束的可区分的光分量或光特性的份额之间的分布与未移位的返回光束的对应分布相比的变化。换言之返回光束在光学编码部件上的入射位置的信息被变换为返回光束的特性分布的变化。可区分的光分量的份额中分布的返回光束被进一步引导向作为光学监测系统一部分的检测器装置。检测器装置对所述至少两个可区分光特性敏感，并被构建用于依据返回光束的变化的特性分布产生电输出信号。优选的是，光学编码部件以这样的方式设计使得依据返回光束在光学编码部件上的入射位置修改返回光束的特性分布，从而从光学编码部件向检测器装置传播的具有修改的特性分布的返回光束指示触针顶端的位移，而与返回光束在光返回路径内的确切传播路径无关。因此，能够通过光纤将具有修改的特性分布的返回光束光学波导至检测器装置，而不会失去返回光束所携带的触针顶端位移的光学指示。作为本发明的优选实施方式，提供表面感测装置作为坐标测量机，特别是作为具有关节臂的CMM，其一端形成基座，其另一端附接探头。优选的是，发光装置包括一个或多个激光光源，检测器装置包括一个或多个检测器。另外，优选的是，发光装置和检测器装置设置在探头外部，更优选地，容纳于感测装置的基座中。由发光装置产生的光束以及从光学编码部件向检测器装置传播的返回光束优选通过光纤在关节臂中波导。尤其优选的是，利用循环器作为光束导向装置将光束外耦合出传输光纤以及将返回光束内耦合入传输光纤中。可提供传输光纤以用于与光学绝缘器结合将探测光束从至少一个光源引导向光束导向装置(例如，循环器或融合耦合器)，其可操作以将探测光束引导至设置有第一光纤准直器的第一光纤(“探测光束光纤”)中，所述第一光纤准直器用于外耦合准直光束使其作为光学自由光束朝着触针的感测顶端进一步传播。可提供第二光纤准直器以用于将返回光束耦合到第二光纤(“返回光束光纤”)中，并将返回光束朝着光束导向装置引导，在光束导向装置处其耦合到传输光纤中以便于传输至检测器。优选地，所述传输光纤以及第一光纤和第二光纤为单模光纤。为了提高返回光的份额并将返回光束的光路位移的检测限于仅触针顶端的位移 或仅触针的弯曲，优选的是与感测顶端相邻地安装光学部件，以基本上不受感测顶端倾斜的影响地使光束返回，所述光学部件优选被提供作为后向反射器。在本发明的优选实施方式中，所述至少两个可区分光特性由具有不同的波长或波长范围和/或不同的偏振状态的产生光束的光分量给出，特性分布由每一光分量的比例或份额给出。优选的是，光学编码部件包括分区段滤光器，其具有至少两个区段，所述区段具有不同(优选地，光谱不重叠)的传输特性。所述滤光器可设置在返回光束路径中第二光纤准直器的入瞳平面内。分区段滤光器的垂直于返回光束的传播方向的横截面可具有任何形状；然而，类似圆形或四边形状的对称形状是优选的，例如横截面面积为2mmX2mm。滤光器区段的不同透射特性可涉及对不同光偏振状态的不同透射，但优选涉及不同光谱透射，即，分区段滤光器是优选设置有光谱不重叠透射窗口的彩色滤光器，光谱不重叠透射窗口的光谱距离为100或200GHz，即，对应于电信ITU规范，C和L谱带中O. 8nm或1.6nm。当然，必须根据产生探测光束的光源的发射波长来选择滤光器区段的透射特性(反之亦然)。所述光学编码部件还可包括能够使返回光束在垂直于所述返回光束的传播方向的方向上产生局部变化的偏转的光学部件。所述光学编码部件还可包括设计用于干涉距离测量的信号传输的“通道”(区段)，以便于确定触针长度的变化。为了便于制造，分区段滤光器可包括四个区段。然而，可实现任何其他类型的分区段，对于在未移位的返回光束的情况下发射的光分量强度，各个区段优选被设计为平均相对透射。分区段滤光器可为分区段的介电干涉滤光器。与例如具有相对平缓的斜度的有色玻璃滤光器相比，介电干涉滤光器由于其对入射多色光束的光谱滤除和透射之间的明显分离而为人所知。分区段滤光器可通过将不同透射性的区段粘附在一起来制造，所述区段会有利于以小系列进行加工。不同的玻璃板将设置不同的涂层，锯割，然后将不同涂层的件组合到分区段滤光器，所有制造步骤为标准工艺步骤。为了加工更大系列，以晶片工艺制造分区段滤光器会是有利的，其包括在足够数量的掩模步骤期间沉积涂层。这样的制造方法将避免将各个区段粘附的步骤。
参照附图并在从属权利要求中公开并描述了表面感测装置的另外的优选实施方式。本发明的另一主题是一种用于根据本发明的表面感测装置的探头，所述探头被形成用于与待测量表面建立并保持接触或无接触测量连接，其中所述探头包括触针载体和具有触针顶端的中空触针。作为特征，所述探头包括用于从所述表面感测装置接收通过光纤波导的具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性的光束的装置。所述探头还包括用于将所述光束外耦合出所述光纤并将其在所述触针内部朝着所述触针顶端引导的装置，其中至少部分所述光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束。另外，所述探头包括作为光学监测系统一部分的光学编码部件，其用于测量触针顶端相对于触针载体的位移。所述光学编码部件设置在触针载体中的所述光返回路径中，并被设计为将返回光束在所述 光学编码部件上的入射位置的信息变换为返回光束的特性分布的变化。所述探头还包括用于将具有变化的特性分布的返回光束内耦合至光纤中、以允许在所述表面感测装置中对返回光束光学波导的装置。根据本发明的探头的优选实施方式还包括具有分束器的光束分布器和/或循环器，所述循环器连接至传输光纤，并连接至第一光纤和第二光纤。在此实施方式中，所述循环器用于将从所述传输光纤(119)接收的来自能够发射至少两个可区分的光分量的至少一个光源的光注入连接至第一光纤准直器的第一光纤中，以及将从连接至第二光纤准直器的第二光纤接收的从触针的感测顶端返回的光注入传输光纤中。本发明的另一主题是一种用于表面感测装置的探头的监测方法，所述探头包括触针载体和具有触针顶端的中空触针。所述监测方法被设计用于测量触针顶端相对于触针载体的位移。所述方法包括以下步骤在所述触针内部将具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性的光束朝着所述触针顶端引导，其中至少部分所述探测光束被反射，成为具有光返回路径的返回光束；将返回光束在光学编码部件上的入射位置的信息变换为返回光束的特性分布的变化，所述光学编码部件设置在触针载体中的光返回路径上，检测返回光束的所述至少两个可区分的光特性，以及依据返回光束的变化的特性分布确定触针顶端相对于触针载体的位移。因此优选的是，在变换步骤之后，通过光纤对返回光束进行波导。


图I示出根据现有技术(美国专利No. 6633051)，专用于与设置有物体接触顶端9的触觉感测探针组合使用的触针载体I和中空触针2的组件。图2a示出分区段彩色滤光器100作为光学编码部件的例子。图2b示出分区段彩色滤光器200的替代实施方式作为光学编码元件的第二例子。图3示意性地示出根据图2a的分区段彩色滤光器的区段的适合透射范围。图4a和图4b示出光源的选择，其发射波长与根据图2a和图3将与其组合使用的分区段彩色滤光器的选择相关。图4a示出四个选择的单独激光器的发射谱线(强度
I( λ ))。图4b示出以其发射横跨根据图2a和图3的分区段彩色滤光器的透射窗口的方式选择的超辐射发光二极管(SLED)所发射的光的典型光谱分布。图5不出包括分束器17的光束分布器19,其设置在探测光束的光路55中以用于在将探测光束与返回光束空间分离时，内耦合(in-coupling，IN)探测光束并将该探测光束被朝着感测触针顶端引导，外耦合(out-coupling，OUT)返回光束并将该返回光束朝着检测器引导，所述返回光束将由光学编码部件(如图2a和图3所示的分区段彩色滤光器100)分析。图6a示意性地示出利用复用器120将来自不同光源的发射组合、并用解复用器130将组合信号光谱分离为光谱份额以便于其各自检测的可能结构。图6b示出根据图6a的结构的变型，其使用按照不同频率调制的激光器111至114以及仅单个检测器145，并且结合了检测的电信号的傅里叶分析。
图6c示出根据图6b的激光器111至114的傅里叶谱。图7a和图7b示出可结合根据图6a的结构使用的复用器(720,820)或解复用器的可能实施方式。图7c示出类似于图7b所示的解复用器830的结构，但其中使用单个超辐射发光二极管825作为光源，取代四个DFB激光器。图8示出分区段滤光器300的另一可能实施方式，其包括两个不同的彩色滤光器区段，以及使返回光束在滤光器平面内在垂直于其传播方向的方向上产生局部变化的偏转的部件或功能。图9示出分区段偏振滤光器500作为光学编码部件的另一可能实施方式。图10示出具有偏振计设置的功能以确定返回光束的偏振状态的解复用器的可能实施方式。图11示出包括触针载体61、触针62和光学监测系统的组件，所述光学监测系统为使用图2a所示分区段彩色滤光器和图5所示光束分布器的测量结构，其与触觉传感器结合使用。图12示出类似于图11所示的结构，不同的是由融合耦合器151和两个绝缘体152、153来代替循环器150。图13示出基本上类似于图11所示的组件，其包括触针载体61、触针62和光学监测系统，所述光学监测系统针对与图5所示光束分布器结合的测量结构进行了调整，以提供四个区段用于区分光谱光分量(入1、λ2、λ3、λ 4;测量透射光谱份额的强度)，这四个通道之一还用于通过干涉测量确定相位改变。图14示出使用光学传感器代替触觉传感器来用于距离测量的结构。图15示出图14的替代结构，其中触针62’被提供为双管，其具有双内壁以接纳光纤88。图16示出具有光学传感器的表面感测装置，所述感测装置设置有旋转致动器。图17a示出根据图16的结构的变型，设计用于允许触针不受限地旋转。图17b示出用两个旋转轴提供触针载体绕两个垂直轴的旋转自由度的例子。图18示出专用于与(例如)图2a或图5所示分区段彩色滤光器结合的具有两个区段的分区段彩色滤光器600，以用于设置有3轴测量能力的表面感测装置。图19示出分区段彩色滤光器100 (X，Y)的区段所覆盖的λ I至λ 4左右的光谱范围，相邻于图18的2区段滤光器600(Z)的两个区段所覆盖的光谱范围(λ5，λ6)。图20示出六个单独的激光光源的选择，其发射谱线在图19的组合滤光器的光谱范围中。图21示出作为另外一种选择的单个光源，超辐射发光二极管(SLED)所发射的光的典型光谱分布，带宽通常为约10nm，光谱发射谱带横跨所有六个滤光器区段的透射窗口。图22示出光束分布器99的可能结构，其具有与分区段彩色滤光器100和600的组合一起使用的分束器。图23示出与图7c所示超辐射发光二极管825’组合使用的解复用结构，但现在实现有两个另外的光谱分离通道。 图24示出设计用于X、Y和Z方向的光学测量的包括触针载体61、触针62和光学监测系统的组件。图25示出配备有附接至触针载体161的触针162的关节臂坐标测量机(CMM) 900。图26示出桥式CMM作为另一例子。图27a_27d示出在经过参照图2a描述的分区段彩色滤光器之后向下移位的返回光束的光分量的测量的强度分布。图28上部以剖视图示出光纤的模。图26的两个下部示出四个自由传播部分光束之一在X和Y方向上的强度分布。图29a_29d示出四个部分光束(参见图27a至图27d)在光纤平面内的强度分布的照片。图30示出对于IOOym光束位移的例子，四个光学通道中的返回光束的光谱强度分布。图31示出对于倾斜方向上的光束位移的例子，四个光学通道中的返回光束的光谱强度分布。
具体实施例方式下面参照附图描述本发明。除非另外指明，所有实施方式(包括上面已经描述的那些)均可组合。在下文中，相同的标号指代相同的系统部件或用于相同功能的部件；贯穿说明书，X、Y和Z方向以相同的方式理解，对应于水平面(X，Y)和垂直方向(Z)。图I示出根据现有技术(美国专利No. 6633051)，专用于与设置有物体接触顶端10的触觉感测探针组合使用的触针载体I和中空触针2的组件。触针载体I具有喇叭形状。触针2在触针的上侧开放端4处通过连接装置3与触针载体I连接，触针2的纵向轴线与触针载体I的轴线A对齐。在触针载体中安装有光学监测系统，其包括激光光源5，在该激光光源的输出端处设置有凸透镜6以用于产生准直激光束，所述激光束在经过分束器7之后，作为自由光束在中空触针2内朝着靠近接触顶端10设置的后向反射器9传播。通过后向反射器9返回的光入射在分束器7的相对于光轴和轴线A成45°角的反射表面8上，并被相对于轴线A成直角朝着位置敏感检测器11反射。与后向反射器9 一起的接触顶端10的任何位移均导致返回光束在检测器11的平面内的横向位移。
上面已经概述，作为此结构的主要缺点，包括激光光源5、检测器11和驱动电子器件的光学监测系统安装在触针载体I中，因此将若干热源包封在由触针及其载体形成的闭合框架中，从而只要没有达到热平衡，就会导致测量系统的不可控的变形。图2a示出分区段彩色滤光器100作为光学编码部件的例子。在此例子中，滤光器包括四个区段101-104，其对应于在四个不同的波长λ I、λ 2、λ3和λ 4处具有最大透射(优选具有光谱不重叠的透射范围)的滤光器，如图3示意性示出的(透射Τ(λ))。例如，滤光器透射可适合于依照电信用ITU规范的辐射通道，光谱分离为(例如)100GHz或200GHz，在C和L谱带中对应于约O. 8nm或I. 6nm。滤光器可具有任何几何形状，类似圆形、正方形或多边形。出于方便调节光束路径和系统校准的目的，优选点对称形状。在示例性理想情况下，分区段滤光器以这样的方式设置在返回光束的光路中使得在不存在所述返回光束(由于触针顶端的位移或触针的弯曲引起)的位移的情况下，返 回光束在滤光器平面内的横截面50相对于分区段滤光器/滤光器区段中心对称。进一步理想化，以这样的方式选择滤光器的透射特性以及探测光束的光谱组成(也因此，返回光束的光谱组成)(例如，后者利用所选发射波长的激光光源)使得在经过分区段滤光器之后，返回光的透射份额(fraction)相等(透射光份额平均分布)。当返回光束由于触针顶端的位移或触针的弯曲而移位时，其在滤光器平面内的横截面50’将不再相对于分区段滤光器/滤光器区段对称。结果，在经过滤光器之后光分量的透射份额将偏离于平均分布。图2b示出分区段彩色滤光器的替代实施方式作为光学解码元件的第二例子。在这种情况下，分区段彩色滤光器200包括三个区段201、202和203，分别对应于在波长XU入2和λ 3处具有最大透射的单独滤光器。然而，考虑到方便制造，如图2a所示具有四个区段的分区段滤光器可能是优选的。图4a和图4b示出激光光源的选择，其发射波长与将与其组合使用的分区段彩色滤光器的选择相关。图4a示出四个选择的单独激光器的发射谱线(强度I (λ))。发射波长可在箭头所指示的间隔内变化。与电信应用不同，无需激光波长的特殊稳定，激光信号仅经弱调制(MHz范围内)以便于更稳定的AC检测能力。图4b示出超辐射发光二极管(SLED)所发射的光的典型光谱分布(强度Ι(λ))，带宽通常为约10nm。SLED必须以其发射横跨分区段彩色滤光器的透射窗口的方式选择(比照图3)，其中来自SLED的光的返回光束将分成光谱分离的份额。图5不出包括分束器17的光束分布器19,其设置在探测光束的光路55中以用于在将探测光束与返回光束空间分离时，内耦合(IN)探测光束并将该探测光束被朝着触针顶端引导，外耦合(OUT)返回光束并将该返回光束朝着至少一个检测器引导，所述返回光束将由光学编码部件(如图2a所示的分区段彩色滤光器100)分析。可能由于触针的弯曲或触针顶端的位移而移位的返回光束经过分束器17(可为50%分束器)而被引导向光学编码部件，具体地讲，引导向分区段彩色滤光器100。返回光束在滤光器平面内的横向位移导致透射光分量的份额分布改变，如上面参照图2a所说明的。光束分布器19的部件可例如利用光胶与分区段滤光器100粘合在一起并形成微光学部件。对于通常由介电干涉层构成的分区段彩色滤光器，将没有透射辐射反射回系统中。滤光器可构建于具有例如50%透射率的吸收黑玻璃上。当两次穿过这样的吸收层时，干扰反射将被抑制6dB，与50%分束器17的效果结合得到12dB的抑制。优选地，主反射被引导到陷光器20中，所述陷光器(例如)由与分束器17粘合在一起的吸收黑玻璃构成。为了进一步减小干扰反射，有利的是光束分布器19相对于探测光束的正交入射方向55略微倾斜地设置，并设置有吸收性孔径。不希望的反射的剩余影响可通过校准光学监测系统来补偿。图6a示意性地示出利用复用器120将来自不同光源的发射组合，以及用解复用器130将组合信号光谱分离(spectrally separating)为光谱份额以便于其各自检测的可能结构。按照波长λ I-λ 4发射的四个分布反馈(DFB)激光二极管111-114的发射(各单一纵模)用复用器120光谱组合，并注入第一单一单模光纤117中，所述光纤将光谱组合的 光导向循环器150。类似地，通过第二单模光纤118将光谱组合的光信号从循环器150导向解复用器130，在解复用器130处，光被光谱分离，然后被引导向检测器141-144以便于各自检测。为了更好的检测能力，可对激光光源进行调制。为了辨别解复用器130中的可能光学串扰，可按照不同的频率调制激光二极管111-114。然后，检测时仅考虑具有相关调制频率的信号。根据激光光源的相对强度噪声(RIN)，可能有必要对其发射强度进行监测以便于噪声补偿。一些激光二极管制造商在激光二极管的外壳中集成了监测二极管以用于强度控制。这样集成的监测二极管还可用于RIN测量，只要监测二极管的带宽足够大即可。作为另外一种选择，可利用不对称光学耦合器将激光二极管的发射功率的较小份额(如1%)提供给外部监测二极管以用于RIN控制。在受控噪声补偿的信号处理中，必须考虑监测二极管信号的可能延迟。图6a所示复用和解复用结构也可集成到与光学传感器组合的结构中。由光纤117引导的发射信号以及由光纤118引导的接收信号可利用循环器150内耦合到传输光纤119中和外耦合到传输光纤119外。图6b示出根据图6a的结构的变型，其简化了信号检测。四个DFB激光器111至114中的每一个具有不同的波长并按照不同的频率调制，以使得这些不同的激光器可以以光谱方式和电方式被识别。因此对于信号检测，仅需要单个检测器145。则检测的电信号的傅里叶谱FT (图6c)示出四个频率fl、f2、f3和f4，其强度或傅里叶系数取决于各自光谱波长的强度。当对检测的电信号进行模拟或数字解调时，可分离并分析四个单独的信号。图6c所示的信号强度等同于光谱强度分布。图7a和图7b示出可结合根据图6a的结构使用的复用器或解复用器的可能实施方式。复用器是电信领域的标准部件，通常被制造为平板波导或通过薄膜技术(TFF)制造。图7a示出复用器/解复用器720的可能实施方式，其使用分束器717a_717d来组合从光纤准直器711-714提供的光束，所述光束将作为探测光束发射。组合光束被引导向光纤准直器719。类似结构可用于将组合光束解复用为其波长λ1-λ4的光谱份额。图7b示出复用器/解复用器820的替代实施方式，其包括分插(add/drop)滤光器831-833以用于将组合波长λ I-λ 4的入射光分离为其光谱分量以便于检测器841-844检测，或者利用光纤耦合器821-824将来自激光二极管811-814的光组合为共用探测光束。同样，这样的结构可利用标准电信部件制造。图7c示出类似于图7b所示的解复用器830的结构，但其中使用单个超辐射发光二极管825作为光源，取代四·个DFB激光器。来自循环器150的多色光通过包括分插滤光器831-833的解复用器830分离为其光谱分量λ I- λ 4，以便于检测器841-844检测。图8示出分区段滤光器300的另一可能实施方式作为光学解码部件。滤光器300包括两个不同的彩色滤光器区段301和302，并设置有使返回光束在滤光器平面内在垂直于其传播方向的方向上产生局部变化的偏转的部件或功能。在图示例子中，该效果通过滤光器的变化的厚度303来实现，在此例子中考虑不同光谱透射的两个区段，如分区段的滤光器300的横截面侧视图所示。因此，返回光束在穿过滤光器时根据其在滤光器上的入射·位置以不同的方式偏离并透射。由此，图8中的实线指示返回光束没有经受由触针弯曲或触针顶端位移引起的偏转的情况下的光束路径和横截面，而虚线指示发生这样的触针顶端位移或弯曲时滤光器上的光束路径和横截面。滤光器追寻光束路径设置在光纤准直器的入瞳平面中，该平面内的波前的倾斜导致光纤入射面中的内耦合位置的位移，从而导致内耦合效率的改变。如果返回光束在垂直方向(还称为滤光器入射面的垂直取向)上移位，则两个光谱透射路径或通道中的透射功率同时改变。因此，此结构的某一缺点是必须确定光谱透射的绝对(总)强度。返回光束这样的局部变化的偏转还可通过设置在光束路径中的分区段滤光器之外单独的附加光学部件实现，那么所述单独的附加部件将被称为是光学编码部件的组成部分。图2a、图2b和图8所示的光学编码部件还可与附加光学“通道”或区段组合，以用于传输距离测量(例如，干涉距离测量)的信号，以便于确定触针长度的改变。还可设计与图5所示光束分布器结合的(例如)如图2a所示具有四个区段的分区段滤光器，以提供四个区段用于区分光谱光分量(λ 、λ2、λ3、λ 4;测量透射光谱份额的强度)，这四个通道之一还用于通过干涉测量确定相位改变。图9示出分区段偏振滤光器500作为光学解码部件的另一可能实施方式。在这样的系统结构中，使用偏振状态取代光谱范围作为光分量区分特征，需要偏振保持单模光纤来进行光导向。优选的是，返回光束以45°偏振入射在分区段偏振滤光器500平面上。滤光器500的区段501被设计为透射垂直偏振，区段502用于水平偏振。区段503由四分之一波片构成。利用此光学编码部件，以三个光学参数，垂直偏振、水平偏振及其相位关系，来编码关于触针位置或弯曲的信息。图10示出具有偏振计设置的功能以确定返回光束的偏振状态的解复用器的可能实施方式。返回光束通过分束器517a_517c分布，以便于检测器541-543检测偏振状态和辐射相位。图11示出包括触针载体61、触针62和光学监测系统的组件，所述光学监测系统为使用图2a所示分区段彩色滤光器和图5所示光束分布器的测量结构，其与触觉传感器结合使用。光学监测系统的主要部件(不消耗电功率和生成热)容纳于与触针62连接的触针载体61中。来自一个或多个光源(例如，来自若干激光器或SLED)的光谱可区分的光学光分量从循环器150注入第一光纤117 (优选为单模光纤)中，该第一光纤连接至第一光纤准直器71。探测光束作为自由光束被朝着触针顶端引导，所述触针顶端设置有后向反射器79以及被设计为接触物体(未示出)的触觉传感器80。探测光束的至少部分被后向反射器反射成为返回光束，在存在触针顶端的位移或触针的弯曲的情况下返回光束将经受位移。遵循传播方向，返回光束进入光束分布器19，其包括至少一个分束器17并设置有陷光器20，如吸收黑玻璃。 用于返回光束的不同光谱份额分析的光被光纤准直器72收集并发射到第二(优选)单模光纤118中，从第二光纤118所述光被引导向循环器150并被进一步引导向传输光纤119,传输光纤119可稱合至光电机械接口。图12示出类似于图11所示的结构，不同的是由融合耦合器151和两个绝缘体152、153来代替循环器150。图13示出基本上类似于图11所示的组件，其包括触针载体61、触针62和光学监测系统，所述光学监测系统针对与图5所示光束分布器结合的测量结构进行了调整，以提供四个区段用于区分光谱光分量(入1、λ2、λ3、λ 4;测量透射光谱份额的强度)，这四个通道之一还用于通过干涉测量确定相位改变。光学监测系统的主要部件(不消耗电功率和生成热)容纳于触针载体61中，所述触针载体61通过弹簧系统75与触针62柔性连接。弹簧系统75被设计为允许带有其触觉传感器顶端的触针62垂直位移，所述垂直方向被理解为与X和Y轴所横跨的水平面垂直的Z轴。来自一个或多个光源(例如，来自若干激光器或SLED)的光谱可区分的光学光分量从循环器150注入第一光纤117 (优选为单模光纤)中，该第一光纤117连接至第一光纤准直器71。探测光束作为自由光束被朝着触针顶端引导，所述触针顶端设置有后向反射器79以及被设计为接触物体(未示出)的触觉传感器80。探测光束的至少部分被后向反射器反射成为返回光束，当与物体触觉接触时，返回光束将经受位移并在z方向上发生光束路径改变。遵循传播方向，返回光束进入光束分布器19，其包括至少一个分束器17并设置有陷光器20，如吸收黑玻璃。在此例子中，分束器17的反射表面21和陷光器20以这样的方式设计使得考虑三种波长的光分量，从分区段滤光器100的反射被引导到陷光器中从而被其吸收，而与第四种波长(如，λ I)相关的光分量被反射表面21 (如，设置有光谱选择性反射涂层)反射，并与分区段滤光器100所透射的波长λ I的光分量干涉。使用干涉测量原理来确定由于ζ方向上的触针位移引起的光路长度改变需要光源所发射的波长λ I的光充分相干，然而当使用DFB激光二极管作为具有几米的相干长度的光源时这很容易实现。图14示出使用光学传感器代替触觉传感器来用于距离测量的结构。在大多数方面，设置与图11或图13类似，还考虑光束分布器19和分区段彩色滤光器100的设计。
然而，使用光学探针85代替触觉传感器顶端来提供代表光学距离测量的信号。通过光纤88将该信号从包括光纤准直器86的光学探针85传输到波分复用器(WDM) 89，例如，所述WDM 89被设计用于1300nm左右和1500nm左右的波长。解复用的信号从WDM被引导到传输光纤119中，以被进一步引导到(例如)光电机械接口。必须避免光纤88阻挡或遮蔽监测系统的探测光束和返回光束的光路。因此，在触针62内侧从波长解复用器(WDM) 89引导向光学探针85的光纤88通过触针62的内壁处的固定件87a、87b来附接。为了将距离测量光纤88与探针和返回光束的光路分离，作为另外一种选择或作 为附加装置，可使用作为双管84提供的触针62’，其具有双内壁以用于接纳光纤88(图15)。图16示出具有光学传感器的表面感测装置，所述感测装置设置有旋转致动器(C轴)，其测量内孔尤其多种多样，例如气缸。基本设计类似于图14所示设置。然而，与之相t匕，设置具有矩形光束偏转的光学探针85’。触针62连接至由旋转致动器传送的触针载体61，所述旋转致动器包括电机90、用于电机旋转的解码器91和轴承92。为了允许距离测量光纤88’旋转，后者设置有光纤环(fiber coil)88，a。此结构的潜在问题是轴向冲击，其取决于角位置、旋转速度和测量头的取向(水平或垂直等)。当将旋转致动器集成于触针载体61中并使用中空轴来引导探测光束/返回光束时，探测顶端(后向反射器)可直接接触。基于图16所示结构，可考虑当重力场中的旋转、横向加速度和旋转轴的轴向不稳定改变时由触针的弯曲引起的位移。所有这些影响可一起确定并补偿。图17a示出根据图16的结构的变型。此实施方式基于用于光纤88的光学旋转耦合器93的使用，光学旋转耦合器93被设计用于允许触针62不受限地旋转。旋转耦合器93的下部与触针62连接并能够随其一起旋转，而旋转耦合器93的上部静止。静止棱镜状光束偏离器95连接至触针62。为了允许无限旋转，与旋转耦合器93的可旋转上部连接的光纤88必须被引导为自由穿越光束偏离器95的位置。这样的光纤穿引件(lead-thrOUgh)94可略微设置在光束偏离器95以及探针和返回光束的光束路径的一边。然而，在特定位置处，光纤88将穿过光束路径。因此，应该选择薄的光纤(优选地，至少在光束穿过的区域中直径低于125 μ m)，以便将光束的遮蔽最小化。在旋转校准测量时确定此区域中的光束位置也可有令人满意的精度。作为进一步的变型，探头(即，附接有触针162的触针载体161)可连接至关节臂 测量机的臂末端或桥式坐标测量机的Z柱的承窝，所述承窝用作固定装置，通过为触针载体161提供相对于该固定装置的旋转自由度的旋转轴926、927来传送。图17b示出用两个旋转轴提供触针载体绕两个垂直轴的旋转自由度的例子。这样的结构尤其有利于扫描应用，以便精确地跟随物体表面。图18示出专用于与(例如)图2a所示分区段彩色滤光器结合的具有两个区段的分区段彩色滤光器，用于设置有3轴测量能力的表面感测装置。从除了在XY平面上扫描之外还允许沿着z方向的距离测量的已知触觉测量头开始，呈现专用于所有三个轴X、Y、Z的触觉测量的光学监测系统的结构。对于纯扫描触觉测量，光学监测系统这样的3轴功能是不必要的。除了下面所呈现的专门基于用于3维扫描的光学测量的方案之外，当然两轴(X和Y)的光学监测系统与传统已知的电子距离测量(例如，基于电感传感器)的组合也是可以的。利用垂直于z运动方向的90°偏离分束器确定触针相对于Z方向的位置(参见图22)。由此，返回光束被引导到作为光学解码部件一部分的2区段滤光器600上，所述滤光器包括两个区段105和106，这两个区段具有不同(优选不重叠)的光谱透射。滤光器优选以这样的方式设置在返回光束的光束路径中，使得在与物体相互作用时没有位移的情况下，返回光束在两个滤光器区段上具有镜面对称横截面50。当触针在Z方向上发生位移时，返回光束以横向移位的光束横截面50"入射在2分区段滤光器上。 优选地，2区段滤光器600的区段105和106以这样的方式选择使得其光谱透射窗口达到图2a所示分区段彩色滤光器的透射所覆盖的光谱范围(参见图19 :分区段彩色滤光器100 (X，Y)的区段所覆盖的λ I至λ4左右的光谱范围，相邻于2区段滤光器600 (Z)的两个区段所覆盖的光谱范围(λ5，λ6))。总共可使用六个单独的激光光源，其发射波长落入分区段彩色滤光器的光谱范围内，如图20所示。发射波长可在箭头所指示的间隔内变化。或者，同样可使用光谱发射谱带横跨所有六个滤光器区段的透射窗口的超辐射发光二极管(图21)。图21示出超辐射发光二极管(SLED)所发射的光的典型光谱分布，带宽通常为约10nm。图22示出光束分布器99的可能结构，其具有与分区段彩色滤光器100和600的组合一起使用的分束器。光束分布器99包括光束偏离棱镜96a、96b、分束器97a、97b、97c和分区段彩色滤光器100、600，下侧分束器97a具有例如黑玻璃的吸收背侧98a，其附接到可在Z方向上移动的触针上端，而光束分布器99的其他部分容纳固定于触针载体61中。返回光束通过(例如)50%分束器97a分裂成两部分，一部分朝着分束器97b传播，分束器97b也设置有吸收背侧98b并承载分区段彩色滤光器100，另一部分经棱镜96b引导至分区段彩色滤光器600。两个光束在光谱分离成光分量之后通过彩色分束器97c组合成共用光束，以在一个光纤中一起进一步引导(“OUT”)。图23示出与图7c所示超辐射发光二极管825’组合使用的解复用结构，但现在实现有两个另外的光谱分离通道，使用附加的分插滤光器834和835来分离波长λ5和入6的光分量以便检测器845和846检测。图24示出设计用于Χ、Υ和Z方向的光学测量的包括触针载体61、触针62和光学监测系统的组件。所述结构包括弹簧系统75以用于允许带有其传感器顶端80的触针62垂直位移，所述垂直方向被理解为与X和Y轴所横跨的水平面垂直的Z轴。所述结构大体类似于图13所示，不同之处在于光束分布器69被光束分布器99代替，其已参照图22详细描述。光学监测系统的主要部件(不消耗电功率和生成热)容纳于触针载体61中，所述触针载体61通过弹簧系统75与触针62柔性连接。来自一个或多个光源(例如，来自若干激光器或SLED)的光谱可区分的光学光分量从循环器150注入第一光纤117 (优选为单模光纤)中，该第一光纤117连接至第一光纤准直器71。探测光束作为自由光束被朝着触针顶端引导，所述触针顶端设置有后向反射器79以及被设计为接触物体(未示出)的触觉传感器80。探测光束的至少部分被后向反射器反射成为返回光束，当与物体触觉接触时，返回光束将经受位移并在z方向上发生光束路径改变。遵循传播方向，返回光束进入光束分布器99，其功能已参照图22描述。代替图11至图13所示的触觉传感器80，或者图14至图17或图24所示的光学传感器85或85’，表面感测装置的不同实施方式还可包括组合的光学触觉传感器。这样的光学触觉传感器可类似典型触觉传感器的球形传感器顶端一样设置，但球体为透光的或者具 有用于透光的穿孔。作为完整表面感测装置的例子，图25示出配备有附接至触针载体161的触针162的关节臂坐标测量机(CMM) 900。关节臂CMM 900包括基座920，其形成CMM的支撑并容纳光源911和检测器941，如图示意性示出的。若干臂部件通过接头连接至基座900，所述臂部件由此能够相对于彼此移动。如上所述设置在触针载体161和/或触针162中的光学部件通过光纤917和918与容纳于基座920中的光源911和检测器941连接，如图示意性示出的。作为另一例子，图26示出桥式CMM。该桥式CMM包括支撑桥923和X托架924的两个门型支柱921、922，所述X托架可沿桥(X方向)驱动。可在Z方向上移动的Z柱925固定附接有触针162的触针载体161。由门型支柱921、922和桥923形成的门可在Y方向上移动。容纳于(例如)CMM控制器(未示出)中的光源和检测器同样通过光纤与设置在触针载体161或触针162中的光学监测系统的部件连接，如上所示。实例/模拟为了模拟，选择下列参数光纤参数w0: =6. 3 μ m · O. 5纤芯(Hi—Flex)λ : =1. 55 μ m ζ := -~— = 20. 111. μηι
λ光束参数f :=3. 8mm 准直透镜的焦距M= 0.595 · ■ 透镜后面的束腰位置(测量光束
zO
OZ1 :=i^ = 718.006·腳 瑞利范围等于测量范围
2尺寸=4mm 传播场尺寸探测光束的直径为I. 2mm。约70cm的瑞利长度大于使用30cm长的触针的测量距离的两倍。因此，可假定在整个自由光束传播长度上光束准直。测量的经过分区段彩色滤光器(如参照图2a所述)之后返回光束的光分量的强度分布显示于图27a-27d中。
分区段滤光器所覆盖的总面积(图像尺寸)为(4mm)2。可从图27a_27d推断，也从不相等的强度分布明显看出，返回光束朝着底部移位了 100 μ m(图27c，图27d)。利用触针61末端处的后向反射器79(比照图11)，这样的ΙΟΟμπι位移对应于50 μ m的触针弯曲。(可忽略后向反射器的可能倾斜)。通过4个通道(滤光器区段)透射的光功率为
权利要求
1.一种表面感测装置，包括 基座; 探头，其用于与待测量表面建立并保持接触或无接触测量连接，所述探头通过至少一个接头可移动地链接至所述基座，其中所述探头包括触针载体￠1,161)和具有触针顶端的中空触针(62，62’，162)； 光学监测系统，其用于测量所述触针顶端相对于所述触针载体的位移，所述光学监测系统包括 发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)，其用于产生光束，所述光束在所述触针出2，62’，162)内部被朝着所述触针顶端引导，其中至少部分所述光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束；以及 用于所述返回光束的检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)，其能够产生指示所述触针顶端的位移的电输出信号， 其特征在于 所述发光装置以这样的方式构建使得所述光束具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性， 所述光学监测系统还包括光学编码部件(100，200, 300, 500, 600)，其设置在触针载体(61，161)中的所述光返回路径上，并被设计为将所述返回光束在所述光学编码部件(100, 200, 300, 500, 600)上的入射位置(50，50’)的信息变换为所述返回光束的特性分布的变化，并且 所述检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)对所述至少两个可区分的光特性敏感，并被构建用于依据所述返回光束的变化的特性分布产生所述电输出信号。
2.根据权利要求I所述的表面感测装置， 其特征在于 所述光学编码部件(100，200, 300, 500, 600)以这样的方式设计使得依据所述返回光束在所述光学编码部件(100，200，300，500，600)上的入射位置修改所述返回光束的特性分布，从而从所述光学编码部件(100，200, 300, 500, 600)向所述检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)传播的具有修改的特性分布的所述返回光束指示所述触针顶端的位移，而与所述返回光束在所述光返回路径内的确切传播路径无关，从而能够通过光纤将具有修改的特性分布的返回光束光学波导至所述检测器装置，而不会失去所述返回光束所携带的所述触针顶端位移的光学指示。
3.根据权利要求I或2所述的表面感测装置， 其特征在于 所述表面感测装置被设置作为具有关节臂的坐标测量机，其一端形成所述基座，其另一端包括用于可移除地附接所述探头的承窝， 尤其包括一个或多个激光光源的所述发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)以及尤其包括一个或多个光检测器的所述检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)设置在所述探头外部，尤其其中所述发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)和所述检测器装置(I.41，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)容纳于所述基座中，并且 由所述发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)产生的光束以及从所述光学编码部件(100，200，300，500，600)向所述检测器装置(141，142，143，144，14.5，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)传播的所述返回光束通过光纤在所述关节臂中波导，尤其其中利用循环器(150)作为光束导向装置将所述光束外耦合出传输光纤(119)以及将所述返回光束内I禹合入传输光纤(119)中； 或者 所述表面感测装置被设置作为桥式坐标测量机，其包括 两个门型支柱(921，922)，所述门型支柱(921,922)可移动地连接至所述基座并支撑 桥(923)， X托架(924)，其能够沿着所述桥移动，以及 Z柱(925)，其可移动地连接至所述X托架(924)，并包括用于可移除地附接所述探头的承窝， 尤其其中所述承窝分别设置用于所述探头相对于所述Z柱(925)或相对于所述关节臂的另一端的旋转自由度。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述至少两个可区分的光特性由具有不同的波长或波长范围和/或不同偏振状态的产生光束的光分量给出，并且 所述特性分布由每一光分量的比例或份额给出。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述光学编码部件(100，200，300，500，600)包括分区段滤光器(100，200，300，500，600)，其位于所述光返回路径中第二光纤准直器(72)的入瞳平面内，所述滤光器(100，200，300，500, 600)包括具有不同的、优选不重叠的透射特性的至少两个区段(101，102，103，104，105，106，201，202，203，301，302，501，502，503)， 尤其其中所述分区段滤光器(100，200，300，600)是设置有光谱不重叠透射窗口的彩色滤光器(100，200, 300, 600)，所述光谱不重叠透射窗口的光谱距离为100或200GHz，即，对应于电信ITU规范，C和L谱带中O. 8nm或I. 6nm。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述光学编码部件(100，200，300，500, 600)包括用于所述返回光束的光学折射部件(303)，所述光学折射部件(303)能够使所述返回光束在接收平面内在垂直于所述返回光束的传播方向的方向上产生局部变化的偏转。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的表面感测装置，所述中空触针出2，62’，162)具有触针长度， 其特征在于 所述光学编码部件(100，200，300，500, 600)包括设计用于干涉距离测量的信号传输的区段，以确定所述触针长度的变化。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述返回光束在经过形成光束分布器(19，99)的至少一个分束器(17，97a，97b)之后被引导向所述光学编码部件(100，200，300，500，600)， 尤其其中所述光束分布器(19，69)与所述光学编码部件(100，200, 300) 一起设置作为粘合在一起的微光学部件，所述微光学部件尤其设置有陷光器(20)，特别是设置有吸收黑玻璃背侧以用于减小非透射光的干扰反射。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述光学编码部件是分区段滤光器(500)，并设置有具有偏振选择性透射的区段(501，502)，尤其是另外包括四分之一波片(503)，所述四分之一波片(503)允许利用偏振计确定不同偏振的返回光束路径之间的相位关系。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)是发射不同波长的大量激光光源(111，112，113，114，811，812，813，814，911)， 尤其其中所述光学监测系统另外设置有复用器(120，720，820)，所述复用器(120，720, 820)被设计为将来自所述大量激光光源(111，112，113，114，811，812，813，814，911)的不同波长的光光谱组合，并将组合光耦合至离开所述复用器的第一光纤117中；并且 所述检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，84·6，941)由对不同波长敏感的大量检测器(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，8·42，843，844，845，846，941)形成， 尤其其中所述光学监测系统另外设置有解复用器(130，720，820，830，830’)，所述解复用器(130，720，820，830，830’)被设计为将所述返回光束的光光谱分离为不同波长的光束份额，以便于所述大量检测器(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)检测。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述发光装置是尤其具有约IOnm带宽的发射谱带的超辐射发光二极管(825，825’)，所述超辐射发光二极管(825，825’)的光谱发射在所述返回光束中由所述光学编码部件(100, 200, 300, 600)分离为不同波长的多个部分光束，以提供给所述检测器装置(141，142，143，144，145，541，542，543，544，841，842，843，844，845，846，941)。
12.根据权利要求I至10中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述发光装置(111，112，113，114，811，812，813，814，825，825’，911)是发射不同波长并按照与傅里叶谱中的多个频率(fl，f2，f3，f4)对应的不同频率调制的大量激光光源(11·1，112，113，114，811，812，813，814，911)，并且所述检测器装置(145)对所述可区分的光特性敏感，各个信号能够通过模拟或数字解调来分离。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 所述探头包括用于与待测量表面建立并保持接触测量连接的触觉传感器(80)，所述触觉传感器(80)优选设置有后向反射器(79)， 或者 所述探头包括用于与待测量表面建立并保持接触测量连接的光学触觉传感器，所述光学触觉传感器包括透光的传感器顶端或穿孔传感器顶端以便于透光； 或者 所述探头包括用于与待测量表面建立并保持无接触测量连接的光学传感器(85，85’)，所述光学传感器(85，85’)优选设置有从波分复用器(89) —直延伸至所述触针顶端的单模光纤(88)， 尤其其中 设置有旋转致动器，所述触针出2，62’，162)连接至由所述旋转致动器传送的触针载体(61，161)，并且包括优选具有光纤环(88’a)的距离测量光纤(88’)，或者 设置有用于所述单模光纤(88)的光学旋转耦合器(93)，所述光学旋转耦合器(93)被设计用于允许所述触针出2，62’，162)的不受限的旋转，所述光学旋转耦合器(93)的一部分与触针出2，62’，162)连接并能够随所述触针出2，62’，162) 一起旋转，而旋转耦合器(93)的另一部分静止。
14.根据权利要求I至13中任一项所述的表面感测装置， 其特征在于 设置有3轴测量能力(X，Y，Z)，所述表面感测装置包括 附加分区段彩色滤光器￠00)，其设置有具有优选光谱不重叠的透射特性的至少两个区段(105，106)，以及 光束分布器(99)，其具有与分区段滤光器(100，200，300，600)组合使用的分束器，所述光束分布器(99)包括光束偏离棱镜(96a，96b)、分束器(97a，97b，97c)和分区段彩色滤光器(100，200，300，600)，下侧分束器(97a)附接至能够在Z方向上移动的触针上端，而光束分布器(99)的其他部分容纳固定于所述触针载体￠1)中，其中所述返回光束通过分束器(97a)分裂成两部分，一部分朝着承载分区段彩色滤光器(100，200，300)的分束器(97b)传播，另一部分经棱镜(96b)引导至分区段彩色滤光器￠00)。
15.一种用于根据权利要求I至14中任一项所述的表面感测装置的探头，所述探头被形成用于与待测量表面建立并保持接触或无接触测量连接，其中所述探头包括触针载体(61，161)和具有触针顶端的中空触针(62，62’，162)， 其特征在于 所述探头包括用于从所述表面感测装置接收通过光纤波导的具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性的光束的装置，以及用于将所述光束外耦合出所述光纤并将其在所述触针出2，62’，162)内部朝着所述触针顶端引导的装置，其中至少部分所述光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束， 作为光学监测系统一部分的光学编码部件(100，200，300，500，600)，其用于测量所述触针顶端相对于所述触针载体的位移，所述光学编码部件(100，200，300，500，600)设置在所述触针载体￠1,161)中的所述光返回路径中，并被设计为将所述返回光束在所述光学编码部件(100，200，300，500，600)上的入射位置的信息变换为所述返回光束的特性分布的变化，并且 用于将具有变化的特性分布的返回光束内耦合至光纤中、以允许在所述表面感测装置中对所述返回光束光学波导的装置。
16.根据权利要求15所述的探头， 其特征在于 所述触针载体出1，161)还包括以下部件中的至少一个 循环器(150)，其连接至传输光纤(119)，并连接至第一光纤(117)和第二光纤(118)，以用于 将从所述传输光纤(119)接收的光束注入连接至第一光纤准直器(71)的所述第一光纤(117)中，并且 将通过第二光纤准直器(72)内耦合至所述第二光纤(118)中的返回光束注入所述传输光纤(119)中； 光束分布器(19，99)，其包括分束器(17，97a, 97b)。
17.一种用于表面感测装置的探头的监测方法，所述探头包括触针载体出1，161)和具有触针顶端的中空触针出2，62’，162)，所述监测方法被设计用于测量触针顶端相对于触针载体的位移，所述监测方法包括以下步骤 引导步骤，该步骤在所述触针出2，62’，162)内部将具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性的光束朝着所述触针顶端引导，其中至少部分所述光束被反射，成为沿着光返回路径传播的返回光束， 变换步骤，该步骤将所述返回光束在光学编码部件(100，200，300，500，600)上的入射位置的信息变换为所述返回光束的特性分布的变化，所述光学编码部件设置在所述触针载体(61，161)中的所述光返回路径上， 检测步骤，该步骤检测所述返回光束的所述至少两个可区分的光特性，以及确定步骤，该步骤依据所述返回光束的变化的特性分布确定所述触针顶端相对于所述触针载体的位移， 尤其其中在所述变换步骤之后，通过光纤对所述返回光束进行波导。
18.根据权利要求17所述的监测方法， 其特征在于 在X和/或Y方向方向上确定所述触针顶端相对于所述触针载体的位移， 尤其其中通过以下方式另外在Z方向上确定所述触针顶端的位移 在执行所述变换步骤之前依据Z方向上的位移偏转所述返回光束，然后依据所述返回光束的变化的特性分布确定所述触针顶端在Z方向上的位移，或者使用电子距离测量系统，其尤其具有电感传感器。
全文摘要
本发明总的来说涉及一种表面感测装置，该表面感测装置包括用于测量中空触针的顶端相对于触针载体的位移的光学监测系统。根据本发明，光学监测系统的发光装置以这样的方式构建使得光束具有至少两个具有给定特性分布的可区分的光特性。光学监测系统还包括光学编码部件(100)，其设置在触针载体中的光返回路径上，并被设计为将返回光束在光学编码部件(100)上的入射位置(50,50')的信息变换为返回光束的特性分布的变化，检测器装置对所述至少两个可区分的光特性敏感，并被构建用于依据返回光束的变化的特性分布产生电输出信号。
文档编号G01B5/012GK102869949SQ201180022447
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年5月5日
发明者托马斯·延森, 克努特·西尔克斯 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司