用于干涉计量测量机的光学笔制造技术

一种用于光学测量系统的光学笔包括探针主体，所述探针主体被布置成可调节地装配在测量机器中以用于对测试对象进行光学测量。被光学地耦合在笔主体内的单模光纤将具有跨越一系列波长的瞬时或顺序确立的带宽的源射束传送到笔主体，并且将来自笔主体的测量射束向检测器传送。笔主体内的光学器件的组合和配置提供更紧密且高效的光学笔。

Optical pen for interferometric measuring machine

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于干涉计量测量机的光学笔
在光学计量学的领域中，坐标测量机可以被布置为使用用于将光指引到测试对象并且指引来自测试对象的光的光学笔来获取测试对象的逐点干涉计量测量结果。用于作为测量的形式产生干涉的光学器件可以被包含在光学笔内。
技术介绍
相对光学路径长度位移的逐点测量可以通过测量随着波数的干涉计量相位变化的速率而在一系列这样的光学位移上进行。例如，由多个波长（即低时间相干射束或一连串不同波长）所组成的空间相干源射束可以被分束器划分成从测试对象被反射的对象射束以及从参考反射器被反射的参考射束。来自测试对象和参考反射器二者的反射光在分束器处被重新组合成测量射束并且在诸如分光仪之类的检测器内被重新聚焦，所述检测器记录返回的测量射束的不同频谱分量的干涉强度。基于（a）随着被称为调制频率的射束频率的改变的干涉相位的改变速率与（b）在对象射束和参考射束之间的光学路径长度差异之间的关系，可以确定在不同的测量点之间的相对光学位移。将源射束划分成对象射束和参考射束并且然后将对象射束和参考射束重新组合成公共测量射束的干涉计量组件可以被包含在光学笔内，所述光学笔还将对象射束指引到测试对象以及指引来自测试对象的对象射束。将干涉计量组件一起组装在光学笔内可以减小不想要的扰动的可能性，所述不想要的扰动对于对象射束和参考射束具有不同的影响，这可能降低测量准确性和可靠性。然而，将干涉仪容纳在光学笔内所需要的组件的数目和复杂性可能向光学笔增添体积和复杂性，所述光学笔相对于测试对象必须是相对可移动的以获取测试对象上的一系列测量点。特别是在穿过干涉仪的相应对象臂和参考臂的对象射束和参考射束的光学路径长度需要具有相当长度的实例中，干涉仪的两个臂可以以如下方式增添光学笔的尺寸并且使光学笔的形状畸变：可干扰光学笔在具有各种表面形状的测试对象之上的所需的相对移动。例如，虽然对象臂可与光学笔的中心轴对准，但参考臂通常从中心轴偏移，这既增大光学笔的尺寸也使光学笔的形状从轴对称畸变。诸如Mirau干涉仪之类的干涉计量装置可显著减小在光学笔与测试对象之间的工作距离。
技术实现思路
在各实施例之中，呈现了更紧密和轴对称的光学笔，该光学笔克服所指出的缺陷并且提供用于诸如以下各项的目的：扩展光学笔特别是在小工作空间中的测量机会，降低光学笔内的干涉计量组件的复杂性和数目，并且还减小影响光学笔的干涉计量功能的扰动的可能性。例如，用于在测试对象特征上的多个点之上取得干涉计量距离测量的光学笔除了别的之外尤其包括笔主体，所述笔主体被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体，并且用于将来自笔主体的测量射束传送到远程检测器。由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件使从单模光纤的端部所发射的源射束准直。由笔主体所支撑的分束器透射源射束的第一部分作为对象射束，并且反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角（non-normalangle）往回通过第一聚焦光学器件。由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件将笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且使从测试对象反射的对象射束准直，作为返回对象射束。参考反射器反射参考射束，作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到达分束器。分束器透射返回对象射束并且将返回参考射束反射成与返回对象射束对准，从而将返回对象射束和参考射束组合成测量射束。第一聚焦光学器件将测量射束聚焦到单模光纤的端部中，以将来自笔主体的测量射束传送到远程检测器。在参考示例中，第一聚焦光学器件被源射束和测量射束各自穿过一次，并且被参考射束穿过两次（即作为参考射束和返回参考射束）。第二聚焦光学器件被对象射束穿过两次（即作为对象射束和返回对象射束）。因而，用于使源射束准直并且聚焦测量射束的同一聚焦光学器件还用于使参考射束准直和聚焦，从而消除对于用以使参考射束适当地成形的分离的聚焦光学器件的需要。第一聚焦光学器件包括光轴，并且分束器优选地包括至少部分反射性的表面，该表面以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。在这方面，所述至少部分反射性的表面从针对第一聚焦光学器件的光轴的法线背离不多于三度，使得参考射束沿着源和测量射束的相应路径的相当大部分与所述源和测量射束重叠。参考射束与源和测量射束之间的重叠允许更紧密的设计。另外，第一和第二聚焦光学器件可共享经对准的光轴。所有射束，包括源、对象、参考和测量射束优选地都沿着相同或接近相同的轴传播，这限制了相对扰动不同地影响射束的可能性。然而，参考射束从在分束器处所实现的源和测量射束的轻微角背离可以关于第一和第二聚焦光学器件的光轴的定向以不同方式被表述。例如，源和测量射束的公共光轴可以与第一聚焦光学器件的光轴对准，并且参考射束的光轴可以相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜。可替换地，参考射束的光轴可以与第一聚焦光学器件的光轴对准，并且源和测量射束的公共光轴可以相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜。特别地，当参考射束以轻微离轴的方向传播通过第一聚焦光学器件时，可以通过将参考射束限制到源射束的中央或近轴射线而使分散或其它像差效应最小化。例如，部分反射性的表面可以被布置成沿着参考光轴反射源射束的中央或近轴射线，而不类似地反射形成对象射束的源射束的更边缘的射线或以其它方式阻碍形成对象射束的源射束的更边缘的射线的透射，所述参考光轴相对于源和测量射束的公共光轴倾斜。分束器可以被形成为包括所述至少部分反射性的表面的透射板，并且所述透射板可以以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。优选地，所述透射板包括以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜的前表面和后表面，并且所述至少部分反射性的表面被形成为反射涂层，反射涂层占据以第一聚焦光学器件的光轴为中心的前表面和后表面之一的一部分。以相同或不同的方式，分束器可以包括被设置在中央的反射器，该反射器以非法角倾斜并且以透射区为边界。被设置在中央的反射器优选被成形为盘（例如圆形或椭圆形区域），但是还可以被成形为环。为了延伸参考射束的光学路径同时限制其从被源和测量射束所占据的体积的空间发散，可以提供中间反射器，用于折叠去往和来自参考反射器的在途参考射束的路径。优选地，参考射束的路径跨源和测量射束的公共光轴被折叠。因而，参考反射器可以被定位在笔主体的径向外围附近，处于更容易经受调节的位置中。单模光纤的端部优选地限定接受锥，光通过所述接受锥进入单模光纤。参考反射器优选地沿着参考光轴可调节，以使返回参考射束散焦，用于平衡单模光纤的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间的射束能量。特别是在部分反射性的表面在分束器的一部分内居中以反射源射束的中央或近轴射线而不同样地反射源射束的更边缘射线的情形中，参考反射器优选地沿着参考光轴被定位在距第一聚焦光学器件大体上等于或大于第一聚焦光学器件的焦距的光学距离处，使得返回参考射束不扩张超出部分反射性的表面。对象射束和返回对象射束可以被布置成沿着分束器和对象焦点之间的对象光轴行进通过第一光学距离，并且参考射束和返回参考射束可以被布置成沿着分束器和参考反射器之间的参考光轴行进通过第二光学距离。由于这样被布置，所以第一和第二光学距离优选按一定量偏移以避免零干涉状况。这可以通过调节第二聚焦光学器件的轴向位置来实现。另外，第一和第二聚焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的光学笔，包括：笔主体，被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体并且用于从笔主体传送测量射束；由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件，用于使从单模光纤的端部发射的源射束准直；由笔主体所支撑的分束器，用于透射源射束的第一部分作为对象射束，并且用于反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角往回通过第一聚焦光学器件；由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件，用于将在笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且用于使从测试对象反射的对象射束准直作为返回对象射束；参考反射器，用于反射参考射束作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到分束器；所述分束器被布置用于透射所述返回对象射束并且用于将所述返回参考射束反射成与所述返回对象射束对准，从而将所述返回对象射束和所述返回参考射束组合成所述测量射束；以及所述第一聚焦光学器件被布置用于将所述测量射束聚焦到单模光纤的端部中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.04.18 US 15/4907491.一种用于在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的光学笔，包括：笔主体，被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体并且用于从笔主体传送测量射束；由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件，用于使从单模光纤的端部发射的源射束准直；由笔主体所支撑的分束器，用于透射源射束的第一部分作为对象射束，并且用于反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角往回通过第一聚焦光学器件；由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件，用于将在笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且用于使从测试对象反射的对象射束准直作为返回对象射束；参考反射器，用于反射参考射束作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到分束器；所述分束器被布置用于透射所述返回对象射束并且用于将所述返回参考射束反射成与所述返回对象射束对准，从而将所述返回对象射束和所述返回参考射束组合成所述测量射束；以及所述第一聚焦光学器件被布置用于将所述测量射束聚焦到单模光纤的端部中。2.根据权利要求1所述的光学笔，还包括：中间反射器，用于折叠在途去往和来自参考反射器的参考射束的路径。3.根据权利要求2所述的光学笔，其中所述源射束和测量射束包括与光纤的端部对准的公共光轴，并且所述中间反射器跨所述源射束和测量射束的公共光轴折叠参考射束的路径。4.根据权利要求3所述的光学笔，其中：（a）单模光纤的端部限定接受锥，光通过所述接受锥进入单模光纤，（b）参考射束和返回参考射束共享中间反射器和参考反射器之间的参考光轴的折叠端部，以及（c）参考反射器沿着参考光轴的折叠端部可调节，以使返回参考射束散焦，从而在单模光纤的端部处的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间平衡射束能量。5.根据权利要求1所述的光学笔，其中所述第一聚焦光学器件包括光轴，并且所述分束器包括至少部分反射性的表面，至少部分反射性的表面以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜，其中所述至少部分反射性的表面的法线优选地从第一聚焦光学器件的光轴背离不多于三度。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学笔，其中第一和第二聚焦光学器件包括相应的光轴，所述对象射束和返回对象射束共享延伸通过第二聚焦光学器件的对象光轴，所述参考射束和返回参考射束共享延伸通过第一聚焦光学器件的参考光轴，所述源射束和测量射束共享延伸通过第一聚焦光学器件的公共光轴，并且所述参考光轴相对于源射束和测量射束的公共光轴倾斜。7.根据权利要求6所述的光学笔，其中所述参考光轴相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜，所述源射束和测量射束的公共光轴与第一聚焦光学器件的光轴对准，所述对象光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准，并且第一聚焦光学器件的光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准。8.根据权利要求6所述的光学笔，其中所述参考光轴与第一聚焦光学器件的光轴对准，所述源射束和测量射束的公共光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准，所述对象光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准，并且第一聚焦光学器件的光轴相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜。9.根据权利要求5所述的光学笔，其中所述部分反射性的表面沿着相对于源射束和测量射束的公共光轴倾斜的参考光轴反射源射束的中央或近轴射线，而不类似地反射源射束的形成对象射束的更边缘的射线。10.根据权利要求1所述的光学笔，其中所述分束器包括被设置在中央的反射器，所述被设置在中央的反射器以非法角倾斜并且以透射区为边界，所述被设置在中央的反射器优选地被成形为盘或环。11.根据权利要求10所述的光学笔，其中（a）所述部分反射性的表面在分束器的一部分内居中以用于反射源射束的中央或近轴射线而不同样地反射源射束的形成对象射束的更边缘的射线，（b）第一聚焦光学器件具有一焦距，并且（c）所述参考反射器被定位在距第一聚焦光学器件大体上等于或大于第一聚焦光学器件的所述焦距的光学距离处，使得所述返回参考射束不扩张超出被设置在中央的反射器。12.根据权利要求1所述的光学笔，还包括：第一和第二聚焦光学器件具有相应的光轴，并且第一聚焦光学器件的光轴相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜；并且所述分束器还被布置用于：沿着与第二聚焦光学器件的光轴对准的对象光轴透射源射束的第一部分作为对象射束并且沿着与第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：DB凯，
申请(专利权)人：优质视觉技术国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US