用于光学测量机探头的可更换透镜模块系统技术方案

干涉测量机包括用于光学探头的可更换透镜模块系统。探头包括包含干涉仪的光学设备的透镜本体、和沿干涉仪的物臂包含物镜的透镜模块，该透镜模块可以用其他透镜模块更换以改变探头的测量特性。透镜模块适于容纳具有不同焦距的物镜，同时保持干涉仪的物臂的期望的光学路径长度。

Replaceable lens module system for probe of optical measuring machine

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光学测量机探头的可更换透镜模块系统
本专利技术涉及用于利用干涉技术测量测试物体的具有光学探头的测量机，并且涉及用于更换探头的光学端以使测量机适应于测量不同测试物体或测试物体特征的系统，所述光学端来自一组可更换的这样的光学端当中。
技术介绍
坐标测量机通常被布置为利用探头沿测试物体的表面捕获逐点测量，在共同的坐标系内测量探头相对于表面的位移。测量通常包括测量探头相对于测试物体的沿着或围绕机器运动轴线的相对运动，以及测量探头相对于测试物体的表面的相对位移。探头可采用各种形式，包括接触测试物体的表面的物理探头，以及光学探头，有时被称为光学笔，其反射来自测试物体的表面的聚焦光。反射光可作为距离的度量来进行分析。例如，Jones等人的第8,817,240号美国专利描述了一种光学探头，其通过共聚焦光学器件利用色散以将不同波长聚焦在不同焦距处，并且测量作为被反射通过共聚焦孔的波长的函数的距离。为了改变测量的范围或方向，第8,817,240号专利将光学笔分成包括共聚焦孔的基部构件和包括色散光学器件的可更换元件。可重复式快速更换安装件允许可更换元件被另一可更换元件代替，该另一可更换元件具有不同色散光学器件或用于改变测量的范围或方向的其他特征。在Kay的第7,791,731号美国专利中描述了另一类型的用于利用部分相干干涉仪进行距离测量的光学探头，Kay也是本申请的指名专利技术人。包括多个波长的空间相干源光束（即，低时间相干光束）被分束器分成从测试物体反射的物体光束和从参考反射器反射的参考光束。来自测试物体和参考反射器两者的反射光在分束器处重新组合成测量光束，并在诸如光谱仪的检测器内重新聚焦，该检测器记录返回的测量光束的不同光谱分量的干涉强度。所捕获的光谱的干涉强度的变化率等同于距离的度量。由于体积和成本的问题，更换包含整个干涉仪的探头部件特别成问题，并且更换干涉仪的部件是特别成问题的，因为任何差异都可能会改变测量结果。
技术实现思路
在为本专利技术所设想的实施例当中，坐标测量机的呈部分相干干涉仪形式的光学探头包括可更换透镜模块系统，其允许更换不同的透镜模块以用于调节工作距离或光学探头的精度的目的。透镜模块能够被对接于在测量机轴线的行程范围内的仓（或更换架）中，以用于自动更换透镜模块。本专利技术的一个变型提出了用于干涉测量机的光学探头的可更换透镜模块系统，该干涉测量机被布置为用于在给定容差内测量测试物体的表面高度变化。该系统包括多个透镜模块，每个透镜模块包括多个相互关联的特征。例如，每个这样的透镜模块包括（a）具有近端和远端的透镜模块壳体，（b）被安装在透镜模块壳体内的物镜，该物镜用于将准直的物体光束聚焦到位于透镜模块壳体的近端之外的焦点，（c）在透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件，其用于将透镜模块壳体连接到干涉测量机的配合的运动耦合构件，以及（d）在所述焦点中的每个与在透镜模块壳体中的每个的远端处的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度。透镜模块中的两个或更多个的区别在于，它们的物镜所具有的焦距相差超过用于测量的给定容差（例如，正或负2微米）但预期通常相差多的多（例如，20毫米）。此外，透镜模块中的两个或更多个的物镜中的每个与在其相应的透镜模块壳体的远端处的其相应的运动耦合构件通过一距离间隔开，该距离使所述焦点中的每个与两个或更多个透镜模块的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度在给定容差内相等。干涉测量机的光学探头优选地包括：支撑配合的运动耦合构件的探头本体、在探头本体内光学耦合的单模光纤、以及被安装在探头本体内的用于准直从单模光纤发射的源光束的准直器。另外，探头本体优选地包括分束器和参考反射器的干涉元件。分束器被布置为用于将准直的源光束分成（a）物体光束，该物体光束沿物臂被引导通过配合的运动耦合构件，以便传播通过所述透镜模块壳体至测试物体上的焦点，以及（b）参考光束，该参考光束沿参考臂被引导至参考反射器。分束器还被布置为用于将从测试物体反射的物体光束与从参考反射器反射的参考光束组合成测量光束。准直器提供将测量光束聚焦到单模光纤中，以朝向干涉测量机的检测器传播。测量机优选地包括用于保持透镜模块中的一个或多个的对接站。探头本体优选地能够相对于对接站相对移动，以用于（a）将探头本体的配合的运动耦合构件与在一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件对准，（b）将在一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件与探头本体的配合的运动耦合构件接合，以及（c）从对接站取出一个透镜模块。对接站优选地包括多个透镜模块保持器，并且探头本体优选地还能够相对于对接站相对移动，以用于（d）将一个透镜模块与透镜保持器中的一个对准，（e）使在一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件与探头本体的配合的运动耦合构件脱离接合，以及（f）取出探头本体，并将一个透镜模块留在一个透镜模块保持器中。本专利技术的另一变型提出了更换在干涉测量机中的光学探头的透镜模块的方法，该干涉测量机被布置为用于在给定容差内测量测试物体的表面高度变化。该方法包括将干涉测量机的探头本体耦合到透镜模块中的第一个。透镜模块中的每个包括透镜模块壳体和物镜，所述透镜模块壳体具有在该透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件，所述物镜用于形成在透镜模块壳体的近端之外焦点。该探头本体包括配合的运动耦合构件。第一光学路径长度被限定在探头本体的配合的运动耦合构件与第一透镜模块的透镜模块壳体的近端之外的焦点之间。透镜模块中的第二个被保持在对接站的多个透镜模块保持器中的一个中。第一和第二透镜模块的相应的物镜具有不同的焦距，所述不同的焦距相差超过给定容差。接下来的步骤包括将探头本体的配合的运动耦合构件从第一透镜模块的运动耦合构件脱离，将第一透镜模块留在对接站的透镜模块保持器中的另一个中，将探头本体的配合的运动耦合构件耦合到第二透镜模块的运动耦合构件，并从对接站的一个透镜模块保持器移除第二透镜模块。第二光学路径长度被限定在探头本体的配合的运动耦合构件与在第二透镜模块的透镜模块壳体的近端之外的焦点之间。在将探头本体与第一和第二透镜模块耦合的相继步骤之间，第二光学路径长度被保持为在给定容差内大致等于第一光学路径长度。优选地，从单模光纤发射的源光束被准直，并且分束器将准直的光束分成物体光束和参考光束，所述物体光束沿物臂被引导通过配合的运动耦合构件，所述参考光束沿参考臂被引导至参考反射器。参考光学路径长度沿自分束器至参考反射器的光学路径被限定，第一物体光学路径长度沿自分束器至第一透镜模块的焦点的光学路径被限定，并且该第一物体光学路径长度与该参考光学路径长度相差达预先确定的量。第二物体光学路径长度沿自分束器至第二透镜模块的焦点的光学路径被限定，并且该第二物体光学路径长度与参考光学路径长度相差的量在给定容差内对应于预先确定的量。在优选实施例中，给定容差包括正或负2微米的变化范围，并且第二物体光学路径长度与第二物体光学路径长度相差小于2微米。作为用于干涉测量机的光学探头的可更换透镜模块系统的本专利技术的另一变型包括至少两个透镜模块。该两个透镜模块中的每个具有（a）具有近端和远端的透镜模块壳体，（b）被安装在透镜模块壳体内的物镜，该物镜用于将准直的物体光束聚焦到位于透镜模块壳体的近端之外的焦点，（c）在透镜模块壳体的远端处的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于干涉测量机的光学探头的可更换透镜模块系统，所述干涉测量机被布置为用于在给定容差内测量测试物体的表面高度变化，所述可更换透镜模块系统包括：多个透镜模块；所述透镜模块中的每个包括（a）具有近端和远端的透镜模块壳体，（b）被安装在所述透镜模块壳体内的物镜，所述物镜用于将准直的物体光束聚焦到位于所述透镜模块壳体的近端之外的焦点，（c）在所述透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件，所述运动耦合构件用于将所述透镜模块壳体连接到所述干涉测量机的配合的运动耦合构件，以及（d）在所述焦点中的每个与在所述透镜模块壳体中的每个的远端处的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度；所述透镜模块中的两个或更多个的物镜具有不同的焦距，所述不同的焦距相差超过所述给定容差；以及所述透镜模块中的两个或更多个的物镜中的每个与在其相应的透镜模块壳体的远端处的其相应的运动耦合构件通过一距离间隔开，所述距离使在所述焦点中的每个与两个或更多个透镜模块的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度在所述给定容差内相等。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.05 US 15/3693551.一种用于干涉测量机的光学探头的可更换透镜模块系统，所述干涉测量机被布置为用于在给定容差内测量测试物体的表面高度变化，所述可更换透镜模块系统包括：多个透镜模块；所述透镜模块中的每个包括（a）具有近端和远端的透镜模块壳体，（b）被安装在所述透镜模块壳体内的物镜，所述物镜用于将准直的物体光束聚焦到位于所述透镜模块壳体的近端之外的焦点，（c）在所述透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件，所述运动耦合构件用于将所述透镜模块壳体连接到所述干涉测量机的配合的运动耦合构件，以及（d）在所述焦点中的每个与在所述透镜模块壳体中的每个的远端处的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度；所述透镜模块中的两个或更多个的物镜具有不同的焦距，所述不同的焦距相差超过所述给定容差；以及所述透镜模块中的两个或更多个的物镜中的每个与在其相应的透镜模块壳体的远端处的其相应的运动耦合构件通过一距离间隔开，所述距离使在所述焦点中的每个与两个或更多个透镜模块的相应的运动耦合构件之间的光学路径长度在所述给定容差内相等。2.根据权利要求1所述的可更换透镜模块系统，其中，所述给定容差包括正或负2微米的变化范围，并且所述两个或更多个透镜模块的光学路径长度在2微米内。3.根据权利要求1所述的可更换透镜模块系统，所述可更换透镜模块系统还包括：支撑配合的运动耦合构件的干涉测量机的探头本体；在所述探头本体内光学耦合的单模光纤；以及被安装在所述探头本体内的准直器，所述准直器用于准直从所述单模光纤发射的源光束。4.根据权利要求3所述的可更换透镜模块系统，所述可更换透镜模块系统还包括：被安装在所述探头本体内的参考反射器和分束器，所述分束器被布置为用于将准直的源光束分成物体光束和参考光束两者，所述物体光束沿物臂被引导通过配合的运动耦合构件以传播通过所述透镜模块壳体至测试物体上的所述焦点，所述参考光束沿参考臂被引导至所述参考反射器。5.根据权利要求4所述的可更换透镜模块系统，其中，所述分束器还被布置为用于将自所述测试物体反射的物体光束与自所述参考反射器反射的参考光束组合成测量光束。6.根据权利要求5所述的可更换透镜模块系统，其中，所述准直器提供将所述测量光束聚焦到所述单模光纤中，以朝向所述干涉测量机的检测器传播。7.根据权利要求1所述的可更换透镜模块系统，所述可更换透镜模块系统还包括：所述干涉测量机的探头本体，所述探头本体支撑所述配合的运动耦合构件，并提供用于引导准直的物体光束通过所述配合的运动耦合构件的光学通路，对接站，所述对接站用于保持所述透镜模块中的一个或多个，以及所述探头本体能够相对于所述对接站相对移动，以用于（a）将所述探头本体的所述配合的运动耦合构件与在一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件对准，（b）将在所述一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件与所述探头本体的配合的运动耦合构件接合，以及（c）从所述对接站取出所述一个透镜模块。8.根据权利要求7所述的可更换透镜模块系统，其中，所述对接站包括多个透镜模块保持器，并且所述探头本体还能够相对于所述对接站相对移动，以用于（d）将所述一个透镜模块与所述透镜保持器中的一个对准，（e）使在所述一个透镜模块的透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件与所述探头本体的配合的运动耦合构件脱离接合，以及（f）取出所述探头本体，并将所述一个透镜模块留在所述一个透镜模块保持器中。9.根据权利要求1所述的可更换透镜模块系统，其中，在所述焦点中的每个与两个或更多个透镜模块的相应的运动耦合构件之间的光学路径展现出基本上相等的平均折射率，使得在所述焦点中的每个与两个或更多个透镜模块的相应的运动耦合构件之间的物理路径长度在给定容差内保持相等。10.根据权利要求9所述的可更换透镜模块系统，其中，两个透镜模块的物镜展现不同的光学路径长度厚度，并且所述可更换透镜模块系统还包括沿在运动耦合构件与所述两个透镜模块的物镜之间的光学路径安装的光学器件，以补偿所述物镜的不同光学路径长度厚度。11.一种更换干涉测量机中的光学探头的透镜模块的方法，所述干涉测量机被布置为用于在给定容差内测量测试物体的表面高度变化，所述方法包括以下步骤：将所述干涉测量机的探头本体耦合到所述透镜模块中的第一个，其中，所述透镜模块中的每个包括透镜模块壳体和物镜，所述透镜模块壳体具有在所述透镜模块壳体的远端处的运动耦合构件，所述物镜用于形成在所述透镜模块壳体的近端之外的焦点，其中，所述探头本体包括配合的运动耦合构件，并且其中，第一光学路径长度被限定在所述探头本体的配合的运动耦合构件与在第一透镜模块的透镜模块壳体的近端之外的焦点之间；将所述透镜模块中的第二个保持在对接站的多个透镜模块保持器中的一个中，其中，所述第一和第二透镜模块的相应的物镜具有相差超过给定容差的不同的焦距；并且使所述探头本体的配合的运动耦合构件从所述第一透镜模块的运动耦合构件脱离，并将所述第一透镜模块留在所述对接站的透镜模块保持器中的另一个中；将所述探头本体的配合的运动耦合构件耦合到所述第二透镜模块的运动耦合构件，并从所述对接站的一个透镜模块保持器移除所述第二透镜模块，其中，第二光学路径长度被在限定所述探头本体的配合的运动耦合构件与在所述第二透镜模块的透镜模块壳体的近端之外的焦点之间；并且在将所述探头本体与所述第一和第二透镜模块耦合的步骤之间，保持所述第二光学路径长度在给定容差内大致等于所述第一光学路径长度。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述给定容差包括正或负2微米的变化范围，并且所述第一和第二光学路径长度被保持在2微米内。13.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括以下步骤：准直从单模光纤发射的源光束，以及在分束器处将准直的源光束分成物体光束和参考光束两者，所述物体光束沿物臂被引导通过配合的运动耦合构件，所述参考光束沿参考臂被引导至参考反射器。14.根据权利要求13所述的方法，其中，沿自所述分束器至所述参考反射器的光学路径限定参考光学路径长度，沿自所述分束器至所述第一透镜模块的焦点的光学路径限定第一物体光学路径长度，并且所述第一物体光学路径长度与所述参考光学路径长度相差达预先确定的量。15.根据权利要求14所述的方法，其中，沿自所述分束器至所述第二透镜模块的焦点的光学路径限定第二物体光学路径长度，并且所述第二物体光学路径长度与所述参考光学路径长度所相差的量在给定容差内对应于所述预先确定的量。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述给定容差包括正或负2微米的变化范围，并且所述第二物体光学路径长度与所述第二物体光学路径长度相差达小于2微米。17.一种用于干涉测量机的光学探头的可更换透镜模块系统，所述可更换透镜模块系统包括：至少两个透镜模块；所述两个透镜模块中的每个包括（a）具有近端和远端的...

【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