[发明专利]用于干涉计量测量机的光学笔

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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-normal angle）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。