[发明专利]具有可调量程和可调间隔距离的色点传感器光学笔

说明书

一种色点传感器(CPS)光学笔，提供可用于测量距一表面的距离的信号，并且包括轴向色差部分，该轴向色差部分被布置成接收来自孔的源辐射，将其作为具有轴向色散的聚焦测量光束向表面输出，接收来自表面的反射辐射并将其聚焦在孔附近。轴向色差部分包括接收源辐射并将其聚焦在第一聚焦区的第一轴向色散聚焦元件，接收来自第一聚焦区的辐射并将其聚焦在第二聚焦区的第二轴向色散聚焦元件，以及接收来自第二聚焦区的辐射并输出测量光束的第三轴向色散聚焦元件。第一、第二和第三轴向色散聚焦元件之间的长度是可调的(即，导致可调量程)。

技术领域

本发明总体上涉及精密测量仪器，更具体地说，涉及一种具有可调量程和可调间隔距离的色点传感器(chromatic point sensor：CPS)光学笔。

背景技术

轴向色差技术可用于距离传感计量。如G.Molesini and S.Quercioli，J.Optics(巴黎)的1986年第17卷第6期第279-282页的“纵向色差的伪彩色效应(PseudocolorEffects of Longitudinal Chromatic Aberration)”中所述，可在光学成像系统中引入受控的纵向色差(这里也称为轴向色散)，导致成像系统焦距随波长变化，这提供了光学计量的手段。特别地，可以设计后焦距(back focal length：BFL)是波长的单调函数的透镜。在白光操作中，这种透镜呈现出轴向分散焦点的彩虹，可用作用于距离感测应用的光谱探针。

作为另一个例子，美国专利7,477,401(该文献通过引用合并于本文)公开了具有轴向色差的光学元件可以用于让宽频带光源聚焦，使得表面的轴向距离或高度决定哪个波长最佳地聚焦在该表面上。在从表面反射后，光被重新聚焦到更小的检测器孔上，例如针孔和/或光纤末端，并且只有在表面上聚焦良好的波长才在孔上聚焦良好。其他波长聚焦不好，不会将太多功率耦合到孔中。分光计测量通过孔返回的每个波长的信号水平。波长强度峰值有效地指示了表面的距离或高度。

某些制造商将适用于工业环境中的彩色共焦测距的实用且紧凑的光学组件被称为彩色共焦点传感器，即包括光学笔的色点传感器(CPS)和/或简称为“光学笔”。测量Z高度的光学笔式仪器的一个例子是由法国Aix-en-Provence的STIL,S.A(STIL S.A.)制造的光学笔式仪器。作为一个具体的例子，STIL光学笔型号OP 300NL测量Z高度，量程为300微米。

在共同转让的美国专利7,626,705(‘705专利)中描述了彩色共焦点传感器和光学笔的另一种配置，其全部内容通过引用结合于本文。’705专利公开了一种透镜结构，其提供了改进的光学吞吐量和改进的光斑尺寸，与各种商业上可获得的结构相比，这导致对测量分辨率的改善。

衡量光学笔技术价值的一个标准是它的距离分辨率；例如，多功能光学笔应该能够以高分辨率进行远距离测量。然而，在保持整个量程内的高分辨率测量能力的同时，有一些设计限制则限制了人们可以扩展光学笔的程度。

发明内容

提供该内容是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的一些概念。该内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主量程。

考虑到需要扩展光学笔的量程，同时在整个量程内保持高分辨率测量能力，发明人设计了一种技术方案，包括具有可调量程和可调间隔距离的CPS光学笔。如本文所用，量程(range)是可由光学笔测量的空间或范围；也就是说，距放置于该量程内的目标物体的距离可以通过光学笔来测量。间隔距离(stand-off distance)是指从光学笔的测量光束离开点到该量程起点的距离(即，距离光学笔最近的量程终点)。通过调节光学笔的量程，例如从量程A到量程B，光学笔的有效总量程变成量程A和量程B的组合，从而被扩展，同时量程A和量程B保持它们各自的高分辨率测量能力。通过调节光学笔的间隔距离，例如，从短间隔距离到长间隔距离，甚至相同尺寸的量程也将在距光学笔的两个不同距离处开始，从而扩展光学笔的有效整体量程，作为从距光学笔的短间隔距离处开始的相同尺寸量程和从距光学笔的长间隔距离处开始的相同尺寸量程的组合。