亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：：带扩展的测量范围的彩色共焦点传感器光笔的制作方法
技术领域：
：本发明大体涉及精密测量仪器，并且更具体地涉及包括提供扩展的測量范围的多级光学构造的彩色点传感器系统。
背景技术：
：受控的色差技术可用于距离感测度量应用。如G.Molesini和S.Quercioli的((PseudocolorEffectsofLongitudinalChromaticAberration))J.Optics(Paris)1986年17):279-282中所述，受控的纵向色差(在此也称为轴向色散)可引入光学成像系统中，从而致使成像系统焦距随波长变化，这提供用于光学度量的方法。具体地，可设计ー种后焦距(BFL)是波长的单调函数的透镜。在白光操作中，这类透镜具有可用作距离感测应用的光谱探头的彩虹系列的轴向色散的焦点。作为进一歩的示例，在通过引用而全文结合于此的美国专利号7，477，401中，公开ー种具有轴向色差也称为轴向或纵向色散的光学元件，该光学元件可用于将宽带光源聚焦使得到焦点的轴向距离随波长而变化。因此，仅ー种波长精确地聚焦在表面上，并且该表面的高度或轴向距离确定哪种波长被最佳地聚焦。当从所述表面反射时，所述光被重聚焦到小的检测器孔径上，例如针孔和/或光纤的端部。当从表面反射时，仅有良好地聚焦在所述表面上的波长被良好地聚焦在所述针孔和/或光纤上。所有的其它波长都不良地聚焦在所述光纤上，并且因此将不能把大部分能量耦合到光纤中。因此，对于与物体的高度对应的波长，信号等级将是最大的。在检测器处的光谱仪测量对于各波长的信号等级，这有效地指示物体的高度。ー些制作商将适合于在エ业设定范围内进行色差共焦测量的可行且紧凑的光学组件称为彩色共焦点传感器和/或"光笔"。測量Z高度的光笔仪器的一种示例是由法国Aix-en-Provence的STILS.A.所制造的那些。作为具体的示例，STIL光笔模型号OP300NL测量Z高度并且具有300微米范围。用于彩色共焦点传感器和光笔的另外一种构造在共同转让的美国专利号7,626,705705专利)中描述，该专利全文通过引用结合于此。,705专利公开ー种提供改进的光学呑吐量和改进的点尺寸的透镜构造，相比于各种商业上可获得的构造这产生改善的测量分辨率。光笔的ー项价值是它的范围-分辨率比值，例如多用光笔应该能够以高分辨率在长范围上进行测量。通常而言，在已知的光笔中，对于高分辨率测量需要相对大的数值孔径，并且对于给定的数值孔径扩展测量范围，要求较大的笔直径。然而，期望有一种对于在各种应用中的彩色共焦点传感器光笔的紧凑设计。因此，期望ー种尺寸紧凑的、具有改进的范围-分辨率比值的光笔。
发明内容本
发明内容提供用于以简化的方式介绍ー些概念，这些概念将在以下详细描述中进ー步描述。此
发明内容并非用于辨识权利要求主题的关键特征，也不用于辅助确定权利要求主题的范围。本发明涉及提供ー种光笔，该光笔提供扩展的測量范围，同时对所述光笔的光学部件使用紧凑的输出透镜直径和高的数值孔径。在各种实施例中，ー种可操作来提供可用于测量到表面距离的信号的彩色共焦点传感器光笔包括壳体；输出源射线和接收反射射线的孔径；和沿所述彩色共焦点传感器光笔的光轴配置的多级光学构造，用以接收来自所述孔径的源射线、将它向所述表面输出为具有轴向色散的聚焦的測量光束、接收来自所述表面的反射射线、以及利用轴向色散将所述反射射线聚焦到接近于所述孔径。所述多级光学构造包括多个轴向色散聚焦元件。所述多个轴向色散聚焦元件包括第一轴向色散聚焦元件，其接收源射线并将该射线聚焦在所述多级光学构造内部的第一聚焦区；和最末的轴向色散聚焦元件，其接收来自所述多级光学构造内部的最末聚焦区的射线并输出所述测量光束。至少所述第一和最末的轴向色散聚焦元件提供促进增加所述测量光束的总体轴向色散的相应量的轴向色散。在一些实施例中，所述第一聚焦区和所述最末聚焦区可跨越沿所述光轴的共用维度(shareddimension)。这类实施例可包括两个轴向色散聚焦元件。在其它实施例中，所述多个轴向色散聚焦元件还可包括至少ー个中间轴向色散聚焦元件，该至少ー个中间轴向色散聚焦元件接收来自所述多级光学构造内部的相邻的聚焦区的射线并将该射线聚焦在所述多级光学构造内部的相应的中间聚焦区。这类实施例可包括至少三个轴向色散聚焦元件。在一些实施例中，一个相应的中间聚焦区和所述最末聚焦区可跨越沿所述光轴的共用维度。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个可包括在所述轴向色散聚焦元件的每ー个中相同的至少ー个光学部件。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个可以是相同的。在一些实施例中，每个轴向色散聚焦元件可包括单个光学部件。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件的至少ー个可包括至少ー个衍射光学元件。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个可包括至少ー个衍射光学元件。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个可包括小于65的阿贝数。在一些实施例中，所述轴向色散聚焦元件可包括折射率大于I.5的折射透镜。在一些实施例中，所述彩色共焦点传感器笔可包括至多5mm的输出孔径。在ー些这类实施例中，每个轴向色散聚焦元件可由具有至多5_直径的透镜构成。在一些实施例中，所述聚焦的測量光束可包括用于所述測量光束的构成波长的数值孔径的范围并且所述范围可包括大于O.15的数值孔径。在一些这类实施例中，可提供至少500μm的測量范围。在一些这类实施例中，測量范围和数值孔径范围的组合可由具有至多5mm直径的多级光学构造提供。通过结合附图參考以下详细描述，本发明的前述方面和诸多附属优点将变得更容易领悟以及变得更好理解，在附图中图I是在光笔中包括单级光学构造的示例的现有技术彩色共焦点传感器的方块图；图2是示出光笔中的示意表示的第一示例性多级光学构造的ー种彩色共焦点传感器的方块图；图3是示出光笔中的第二示例性多级光学构造的ー种彩色共焦点传感器的方块图；和图4是示出光笔中的第三示例性多级光学构造的简图。具体实施例方式图I是在光笔120中包括单级光学构造的示例性彩色共焦点传感器100的方块图。彩色共焦点传感器100与共同待决的美国专利申请号11/940，214、美国专利申请号12/463，936和美国专利申请号12/946，747(分别是‘214、‘936和‘947申请)中所述的传感器具有一定的相似性，所述三份申请全文通过引用结合于此。如图I所示，彩色共焦点传感器100包括光笔120和电子器件部分160。光笔120包括光纤连接器107、壳体130和轴向色散光学元件150。该光学构造特征在干“单级”，因为它仅包括单个轴向色散光学元件150，其中，在轴向色散光学元件150内部没有聚焦平面或聚焦区。即，对比于參考图2至图4所描述的实施例，图I的光笔120中的仅有的聚焦平面或聚焦区位于测量范围Rl中和接近于光纤孔径195。在图I所示的实施例中，轴向色散光学元件150包括第一透镜151和第二透镜152。光纤连接器107附接到壳体130的端部。光纤连接器107接收经由封装光纤的光纤缆线112的迸/出光纤(未详细示出)。该迸/出光纤经由光纤孔径195输出源射线(sourceradiation)，并且经由光纤孔径195接收反射的測量信号射线。轴向色散光学元件150沿光笔120的光轴OA配置，以接收来自光纤孔径195的源射线、将它向エ件表面190输出为具有轴向色散的聚焦的測量光束MB并且从该エ件表面190接收反射射线，以及利用轴向色散将该反射射线聚焦到接近于光纤孔径195。在操作中，从经过光纤孔径195的光纤端部发射出宽带(例如白色)源射线被轴向色散光学元件150聚焦，该轴向色散光学元件150包括提供轴向色散的光学元件，使得沿光轴OA的焦点根据所述射线的波长而在不同距离处，如对于彩色共焦传感器系统所已知的。该源射线包括被聚焦在エ件表面190上相对于光笔120在位置Z处的波长。当从エ件表面190反射时，反射射线被轴向色散光学元件150重聚焦到光纤孔径195上。所述可操作的源射线和反射射线受限制性放射线LRl和LR2约束。由于所述轴向色散，仅ー种波长将具有与从光笔120到エ件表面190这ー测量距离相匹配的前焦点维度(frontfocusdimension)FF。光笔120构造成，使得最佳地聚焦在エ件表面190处的波长将也是最佳地聚焦在光纤孔径195处的反射射线的波长。光纤孔径195空间地过滤所述反射射线，主导性地使得该最佳聚焦的波长穿过光纤孔径195且进入光纤缆线112的芯部。如以下将详述和所结合的參考中所述，光纤缆线112确定反射的信号射线到波长检测器162的路线，波长检测器162用于判定该具有与到エ件表面190的測量距离相对应的显著强度的波长。光笔120具有由最小范围距离ZlMIN和最大范围距离ZlMAX约束的测量范围Rl。电子器件部分160包括光纤稱合器161、波长检测器162、光源164、信号处理器166和存储部168。在各种实施例中，波长检测器162包括光谱仪或摄谱仪配置，其中色散元件(例如光柵)接收经过光纤缆线112的反射射线并且将得到的光谱强度廓形传送到检测器阵列163。波长检测器162也可包括从所述廓形数据消除或补偿一定的检测器相关的误差成分的相关的信号处理(例如在一些实施例中由信号处理器166提供)。因此,在ー些实施例中，信号处理器166和波长检测器162的一定方面可以是合并起来的和/或难以区分的。由信号处理器166控制的白光源164,经由光f禹合器161(例如2x1光I禹合器)率禹合到光纤缆线112。如上述，所述射线行进经过光笔120，光笔120产生纵向色差使得它的焦距随该射线的波长而改变。最有效地传送回经所述光纤的射线的波长是聚焦在エ件表面190上在位置Z处的波长。该反射的波长相关的射线强度于是再次穿过光纤耦合器161，使得射线的近似50%被导向到波长检测器162，所述波长检测器162可接收分布于沿检测器阵列163的測量轴线的像素阵列上的光谱强度廓形，并且工作以提供对应的廓形数据。简要地说，所述廓形数据的子像素-分辨率距离指示坐标(例如，峰值位置坐标)由信号处理器166计算出，并且与该波长峰值对应的距离指示坐标经由存储在存储部168中的距离校准查值表(lookuptable)而确定到所述表面的測量距离。所述距离指示坐标可由各种方法确定，例如判定包括在所述廓形数据的峰值区域中的廓形数据的形心(centroid)。应领会的是，图I所示的轴向色散光学元件150是特别简单的示例。实际中，已知的提供高的范围-分辨率比值的光笔通常包括具有复杂的复合透镜等的轴向色散光学元件。或者，ー些已知的光笔通过使用衍射光学元件(DOE)提供相对高的范围-分辨率比值。然而，这种已知的单级光学构造已被推进到接近于它们的可行的设计极限。虽然测量范围和/或范围-分辨率比值可通过增加透镜(或D0E)直径而得以扩展，但是这导致在许多应用中不可行的大的光笔直径。图2是示出在光笔中示意地表示的第一示例性多级光学构造250的ー种彩色共焦点传感器200的方块图。除使用多级光学构造250之外，彩色共焦点传感器200的设计和操作可基于图I的彩色共焦点传感器100的先前描述来理解。附图标记2XX的元件可以相似或相同于图I的相似元件1XX(例如具有匹配的尾标"XX"的那些元件)。因此，以下仅详细描述多级光学构造250的区别特征。多级光学构造250可用于取代先前參考图I描述的单级光学构造150，以提供前所未有的紧凑直径和范围-分辨率的组合。在图2所示的实施例中，多级光学构造250包括具有在沿光轴的共用维度上重迭的聚焦区的第二(或最末的)轴向色散聚焦元件250B和第一轴向色散聚焦元件250A。在此情况下，第二轴向色散聚焦元件250B也是最末的轴向色散聚焦元件，因为他是输出测量光束MB的轴向色散聚焦元件。在一个实施例中，轴向色散聚焦元件250A和250B的每ー个可包括先前參考图I所描述的轴向色散光学元件150等。更通常地，可用作元件250A和250B的各种轴向色散聚焦元件，可包括更复杂的透镜组、或衍射光学元件、或两者，如以下将详述。在操作中，第一轴向色散聚焦元件250A接收来自光纤孔径295的源射线并且将该射线聚焦在多级光学构造250内部的第一聚焦区FFR，所述第一聚焦区FFR在此情况下也是在多级光学构造250内部的最末聚焦区LFR，因为仅有两个轴向色散聚焦元件。最末的轴向色散聚焦元件250B接收来自多级光学构造250内部的最末聚焦区LFR的射线并输出測量光束MB。应领会的是，在图2所示的实施例中，第一轴向色散聚焦元件250A的第一聚焦区、FFR和最末的轴向色散聚焦元件250B的最末聚焦区LFR跨越受平面SFRMAX和SFRMIN约束的沿光轴OA的共用维度，该共用维度确定共用聚焦区SFR。该光笔的可操作波长聚焦在该共用聚焦区。第一轴向色散聚焦元件250A和最末的轴向色散聚焦元件250B提供促进增加測量光束MB的总体轴向色散的相应量的轴向色散。光笔220提供測量范围R2(由最小范围距离Z2MIN和最大范围距离Z2MAX约束)，该测量范围R2超过由具有相似直径的光笔中的单级光学构造所提供的測量范围(例如图I的測量范围Rl)。总而言之，彩色共焦点传感器可以利用多于两个轴向色散聚焦元件以模拟方式构成，而各对轴向色散聚焦元件之间有共用聚焦区，例如如图4所示。对于包括具有相应的轴向色散范围Ri的N个轴向色散聚焦元件的彩色共焦点传感器光笔，如果这些轴向色散聚焦元件在光笔中以对于以上所描绘的包括具有侧向放大率为-I的聚焦元件的多级光学构造250进行模拟的方式而组合，则这种彩色共焦点传感器光笔的测量范围R(即，測量光束的总的轴向色散)可近似为那些相应的轴向色散范围Ri的总和权利要求1.ー种可操作以提供可用于测量到表面距离的信号的彩色共焦点传感器光笔，所述彩色共焦点传感器光笔包括壳体；输出源射线和接收反射射线的孔径；和沿所述彩色共焦点传感器光笔的光轴配置的多级光学构造，用以接收来自所述孔径的源射线、将它向所述表面输出成具有轴向色散的聚焦的測量光束、接收来自所述表面的反射射线、以及利用轴向色散将所述反射射线聚焦到接近于所述孔径，其中所述多级光学构造包括多个轴向色散聚焦元件，所述多个轴向色散聚焦元件包括第一轴向色散聚焦元件，其接收源射线并将该射线聚焦在所述多级光学构造内部的第ー聚焦区，和最末的轴向色散聚焦元件，其接收来自所述多级光学构造内部的最末聚焦区的射线并输出所述测量光束；和至少所述第一和最末的轴向色散聚焦元件提供促进增加所述测量光束的总体轴向色散的相应量的轴向色散。2.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述第一聚焦区和最末聚焦区跨越沿所述光轴的共用维度。3.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述多个轴向色散聚焦元件还包括至少ー个中间轴向色散聚焦元件，所述中间轴向色散聚焦元件接收来自所述多级光学构造内部的相邻聚焦区的射线并且将该射线聚焦在所述多级光学构造内部的相应的相邻中间聚焦区。4.如权利要求3所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述ー个相应的相邻中间聚焦区和所述最末聚焦区跨越沿所述光轴的共用维度。5.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个包括在所述轴向色散聚焦元件的每ー个中相同的至少ー个光学部件。6.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个是相同的。7.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个包括单个光学部件。8.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的至少ー个包括至少ー个衍射光学元件。9.如权利要求8所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个包括至少ー个衍射光学兀件。10.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件的每ー个包括小于65的阿贝数。11.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述轴向色散聚焦元件包括折射率大于I.5的折射透镜。12.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述聚焦的測量光束包括用于所述测量光束的构成波长的数值孔径的范围并且所述范围包括大于0.15的数值孔径。13.如权利要求12所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述彩色共焦点传感器笔包括至多5mm的输出孔径。14.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述彩色共焦点传感器笔包括至多5mm的输出孔径。15.如权利要求14所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述彩色共焦点传感器笔包括至少500um的测量范围。16.如权利要求I所述的彩色共焦点传感器光笔，其中，所述彩色共焦点传感器笔包括至少500um的测量范围。全文摘要一种带扩展的测量范围的彩色共焦点传感器光笔，包括提供增强的范围-分辨率比的多级光学构造。该光学构造包括结合成促进所述光笔的总体轴向色散的至少第一和最末的轴向色散聚焦元件。所述第一聚焦元件接收源射线并将该射线聚焦在所述多级光学构造内部的第一聚焦区，所述最末的聚焦元件接收来自所述多级光学构造内部的最末聚焦区的射线并且输出测量光束。中间聚焦元件可提供在所述多级光学构造内部的附加聚焦区。此构造提供高数值孔径、紧凑的透镜直径、扩展的感测范围的前所未有的组合。所述聚焦元件可包括折射透镜或衍射光学元件。文档编号G01B11/14GK102650515SQ201210043349公开日2012年8月29日申请日期2012年2月23日优先权日2011年2月23日发明者谢勇申请人:株式会社三丰