[发明专利]光谱测距传感器光学笔用的可更换型光学结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2012年5月25日提交的美国专利申请13/481,734的部分继续申请，根据35U.S.C.§120要求了该递交日的优先权，在此通过引用包含其内容。

技术领域

本发明总体上涉及精密测量仪器，尤其涉及诸如可以用在坐标测量机用的探测器系统等的光谱测距传感器光学笔用的光学结构。

背景技术

在一种坐标测量机中，利用探测器来扫描工件的表面。在该扫描之后，提供工件的三维轮廓。在一种扫描探测器中，通过使该探测器的机械触点接触沿着工件表面的各点来直接测量该工件。在一些情况下，机械触点为球。

在其它的坐标测量机中，利用在无需与表面进行物理接触的情况下测量工件的光学探测器。某些光学探测器(例如，三角测量探测器)利用光来测量工件表面点，并且一些光学探测器包括用于对工件表面的2D截面进行摄像的摄像机(例如，立体视觉系统或结构光系统)。在一些系统中，经由图像处理软件来确定工件的几何元素的坐标。

还已知有使用光学测量传感器和机械测量传感器这两者的某些“组合式”坐标测量机。美国专利4,908,951说明了这样一种装置，在此通过引用包含其全部内容。该所述设备具有两个主轴，其中一个主轴支撑机械探测器，并且另一个主轴保持具有如下光束路径的摄像机，其中为了在Z坐标中、即沿着摄像机的光轴进行测量而将激光探测器同时反射至该光束路径内。

通过引用而全部包含于此的美国专利5,825,666描述了位于标准探测器的接触元件上的光学坐标测量机，其中该装置的光学触摸探测器的远端上具有第一靶。将标准探测器安装至摄像机以在该照相机上对靶进行摄像。利用该机器的计算机图像处理系统来表示靶在X坐标和Y坐标中的移动和位置。该探测器的近端安装有第二靶，并且该第二靶表示Z坐标的移动和位置。第二靶可能会使光学检测器隐蔽，但可以利用平行于XY平面的光束来齐焦于照相机。可以存在两个利用平行于XY平面的正交光束照射的第二靶。然后，在使用场强探测器的情况下，可以利用计算机来计算绕Z轴的转动。还公开了用于保持多个探测器、探测器保持件和选择性地安装在照相机上的镜头的自动交换架。

测量探测器在各种“探测头”中所包括的自动更换接合连接机构(在某些情况下，还称为“自动接头”)处可更换地频繁安装至坐标测量机。目前，Renishaw^TM探测头最常用于工业中的特定应用。这些探测头是由位于Gloucestershire,United Kingdom的Renishaw Metrology Limited所制造的。尽管Renishaw型探测头在工业中最常用，但某些技术不容易并入Renishaw型系统。此外，尝试将现有的Renishaw型探测头系统升级为具有更为先进的能力的探测头系统可能会带来巨额成本和/或极大不便。例如，适用于Renishaw型探测头系统的某些技术可能缺乏期望特征，缺乏期望水平的可控制性，并且/或者缺乏能够自动利用被配置为连接至该Renishaw型探测头系统的其它类型探测器进行更换(例如，能够在无需人为干预的情况下通过机器控制进行更换)的能力。关于使用Renishaw型探测头系统或类似系统的一个特别问题在于以下两点：现有数据；以及这些机器和探测器之间的控制接线在自动交换接头处包括有限数量的有线接线并且不包括光纤接线或光路。这实际上形成了“瓶颈”，从而使得难以向使用探测头系统所要安装和/或更换的探测器添加附加的技术和/或特征。特别地，无法使用Renishaw型探测头系统等来安装和/或更换现有的光谱测距传感器。现有的光谱测距传感器的架构与Renishaw型探测头系统中所包括的数据和控制接线不兼容。期望如下的光谱测距传感器探测器，其中该光谱测距传感器探测器例如能够使用Renishaw型探测头系统而在坐标测量机(CMM)上进行自动安装和/或更换。

现有的光谱测距传感器的相关问题在于：即使可以对光谱测距传感器的架构进行设计以使得该架构可以包括在(例如，使用Renishaw型探测头系统)能够在CMM上进行自动安装和/或更换的光谱测距传感器探测器系统内，现有类型的光谱测距传感器光学笔也是针对手动更换而设计的并且无法进行自动更换。因而，光谱测距传感器探测器系统在其用途方面由于与该探测器中使用的特定光学笔相关联的不灵活的测量范围和/或方向而仍受到限制。该不灵活性将成为光谱测距传感器探测器系统的创建和采用的重大障碍，由此在无法根据需要针对特定测量操作快速且可靠地改变该光谱测距传感器探测器系统的测量范围和/或精度的情况下，可能会使成本/效益比变差。