具有復(fù)用位置信號的測量裝置的制作方法

本公開涉及精確計量學(xué)，并且更特別地涉及用于坐標(biāo)測量機(jī)的探針的感測配置。

背景技術(shù)：

坐標(biāo)測量機(jī)(cmm)可以獲得被測工件的測量值。在美國專利no.8,438,746中描述了一個示例性現(xiàn)有技術(shù)cmm，其全部內(nèi)容通過引用并入本文，所述cmm包括用于測量工件的探針、用于移動探針的移動機(jī)構(gòu)、以及用于控制移動的控制器。在美國專利no.7,652,275中描述了包括表面掃描探針的cmm，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。如其中所公開的，機(jī)械接觸探針或光學(xué)探針可以掃描工件表面。

在美國專利no.6,971,183(’183專利)中還描述了采用機(jī)械接觸探針的cmm，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。其中公開的探針包括具有表面接觸部分的觸針、軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括移動構(gòu)件，其允許接觸部分在測量探頭的中心軸線方向(也稱為z方向或軸向方向)上移動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其允許接觸部分垂直于z方向移動。軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)嵌套在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)。接觸部分位置和/或工件表面坐標(biāo)是基于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位移以及軸向運(yùn)動移動構(gòu)件的軸向位移而確定的。

諸如’183專利中公開的那些的運(yùn)動機(jī)構(gòu)和/或常規(guī)位移檢測器布置可能相對昂貴和/或易受由于機(jī)構(gòu)和/或檢測器缺陷引起的各種“交叉耦合”誤差的影響。需要一種在探針中的相對緊湊的感測配置，其中位移檢測器布置可以相對較便宜，同時盡管在合理預(yù)期的機(jī)制和/或檢測器缺陷的情況下，也拒絕各種“交叉耦合”誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容，以便以簡化的形式介紹將在下文的具體實(shí)施方式中進(jìn)一步描述的一些概念。本發(fā)明內(nèi)容并非旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也并非旨在用于幫助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。

提供一種在三軸上響應(yīng)的掃描探針，以用于測量機(jī)(例如，cmm)。掃描探針包括觸針懸掛部分和觸針位置檢測部分。觸針懸掛部分包括觸針聯(lián)接部分，其配置為剛性地聯(lián)接至觸針；以及觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其配置為實(shí)現(xiàn)觸針聯(lián)接部分沿著軸向方向的軸向運(yùn)動、以及觸針聯(lián)接部分圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。觸針位置檢測部分包括光源配置、多點(diǎn)位置檢測器部分、復(fù)用信號處理和控制電路、旋轉(zhuǎn)位置檢測配置和軸向位置檢測配置。在各種實(shí)施方式中，光源配置包括可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源和可控的軸向檢測光源，可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源配置為提供旋轉(zhuǎn)檢測光束，且可控的軸向檢測光源配置為提供軸向檢測光束。

在各種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)位置檢測配置包括旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器。旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑配置為從旋轉(zhuǎn)檢測光源接收旋轉(zhuǎn)檢測光束。旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器沿著旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑定位，且聯(lián)接至觸針懸掛部分，且配置為向多點(diǎn)位置檢測器部分輸出可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束。

在各種實(shí)施方式中，軸向位置檢測配置包括軸向檢測光束路徑和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器。軸向檢測光束路徑配置為從軸向檢測光源接收軸向檢測光束。軸向檢測偏轉(zhuǎn)器沿著軸向檢測光束路徑定位，且聯(lián)接至觸針懸掛部分，且配置為向多點(diǎn)位置檢測器部分輸出可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束。軸向檢測偏轉(zhuǎn)器配置為響應(yīng)于軸向運(yùn)動在軸向方向上移動，且還配置為響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在橫向于軸向方向的至少一個方向上移動。

在各種實(shí)施方式中，多點(diǎn)位置檢測器部分配置為接收可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束，并響應(yīng)于此輸出x和y位置信號x和y位置信號表示觸針聯(lián)接部分圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)。多點(diǎn)位置檢測器部分還配置為接收可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束，并響應(yīng)于此輸出z位置信號，z位置信號表示觸針聯(lián)接部分關(guān)于軸向方向的位置。

在各種實(shí)施方式中，復(fù)用信號處理和控制電路配置為將可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束和可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束復(fù)用在多點(diǎn)位置檢測器部分上，并提供解復(fù)用，以使x和y位置信號與z位置信號分離。各種實(shí)施方式中，觸針位置檢測部分配置為使得z位置信號對軸向檢測偏轉(zhuǎn)器在橫向于軸向方向的至少一個方向上的運(yùn)動基本上不敏感。

附圖說明

圖1是示出了測量系統(tǒng)的各種典型部件的示意圖，其包括利用例如本文所公開的掃描探針的cmm；

圖2是示出了聯(lián)接至cmm并提供x、y和z位置信號的掃描探針的各種元件的框圖；

圖3是示出了聯(lián)接至觸針的觸針懸掛部分的、第一示例性實(shí)施方式的示意圖；

圖4是示出了包括在掃描探針的主體外殼內(nèi)的圖3的觸針懸掛部分的一種實(shí)施方式的截面的示意圖；

圖5是示出了觸針位置檢測部分的第一示例性實(shí)施方式的示意圖，其用于聯(lián)接至觸針懸掛部分；

圖6是示出了聯(lián)接在掃描探針的主體外殼內(nèi)的、圖5的觸針位置檢測部分的示意圖；

圖7是示出了觸針位置檢測部分的第二示例性實(shí)施方式的示意圖；

圖8是示出了觸針位置檢測部分的第三示例性實(shí)施方式的示意圖；

圖9是示出了包括在掃描探針中的觸針懸掛部分的、第二示例性實(shí)施方式的截面的示意圖；

圖10a和10b是示出了彎曲元件的實(shí)施方式的示意圖，其例如可以用于觸針懸掛部分，以實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；以及

圖11是示出了例程的一個示例性實(shí)施方式的流程圖，用于基于從掃描探針接收的位置信號來確定觸針的接觸部分的3d位置。

具體實(shí)施方式

圖1是示出了測量系統(tǒng)100的各種典型部件的示意圖，其包括利用例如本文所公開的掃描探針300的cmm200。測量系統(tǒng)100包括操作單元110、控制cmm200的移動的運(yùn)動控制器115、主機(jī)120和cmm200。操作單元110聯(lián)接至運(yùn)動控制器115，且可以包括操縱桿111，以手動地操作cmm200。主機(jī)120聯(lián)接至運(yùn)動控制器115，操作cmm200，并處理用于工件w的測量數(shù)據(jù)。主機(jī)120包括輸入裝置125(例如，鍵盤等)以輸入例如測量條件，以及輸入裝置130(例如，顯示器、打印機(jī)等)以輸出例如測量結(jié)果。

cmm200包括位于表面板210上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)220、以及用于將掃描探針300附接至驅(qū)動機(jī)構(gòu)220的附接部分224。驅(qū)動機(jī)構(gòu)220包括x軸、y軸和z軸滑動機(jī)構(gòu)222、221和223，分別用于三維地移動掃描探針300。附接至掃描探針300的端部的觸針306包括接觸部分348。如將在下文更詳細(xì)地描述的，觸針306附接至掃描探針300的觸針懸掛部分，當(dāng)接觸部分348沿著工件w的表面上的測量路徑移動時，這允許接觸部分348在三個方向上自由地改變其位置。

圖2是示出了聯(lián)接至cmm200并提供x、y和z位置信號的掃描探針300的各種元件的框圖。掃描探針300包括探針主體302，其合并觸針懸掛部分307和觸針位置檢測部分311。觸針懸掛部分307包括觸針聯(lián)接部分342和觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)309。觸針聯(lián)接部分342剛性地聯(lián)接至觸針306。觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)309配置為實(shí)現(xiàn)觸針聯(lián)接部分342和附接的觸針306沿著軸向方向的軸向運(yùn)動，且實(shí)現(xiàn)觸針聯(lián)接部分342和附接的觸針306圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如將在下文參考圖3和圖4更詳細(xì)地描述的。

如圖2所示，觸針位置檢測部分311包括光源配置317、多點(diǎn)位置檢測器部分321、復(fù)用信號處理和控制電路350、旋轉(zhuǎn)位置檢測配置313、以及軸向位置檢測配置325。光源配置317包括可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318a和可控的軸向檢測光源318b。復(fù)用信號處理和控制電路350包括旋轉(zhuǎn)檢測函數(shù)發(fā)生器354a、軸向檢測函數(shù)發(fā)生器354b、以及解復(fù)用器356。

旋轉(zhuǎn)位置檢測配置313接收來自可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318a的旋轉(zhuǎn)檢測光束，并向多點(diǎn)位置檢測器部分321輸出可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束。軸向位置檢測配置325從可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318b接收軸向檢測光束，并向多點(diǎn)位置檢測器部分321輸出可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束。旋轉(zhuǎn)檢測函數(shù)發(fā)生器354a和軸向檢測函數(shù)發(fā)生器354b分別控制可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318a和可控的軸向檢測光源318b，從而將可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束和可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束復(fù)用在多點(diǎn)位置檢測器部分321上。

多點(diǎn)位置檢測器部分321接收可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束，并響應(yīng)于此輸出x和y位置信號，x和y位置信號表示觸針聯(lián)接部分342圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)，且還接收可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束，并響應(yīng)于此輸出z位置信號，z位置信號表示觸針聯(lián)接部分342關(guān)于軸向方向的位置。解復(fù)用器356從多點(diǎn)位置檢測器部分321接收復(fù)用的x、y和z位置信號，并進(jìn)行解復(fù)用操作，以使x和y位置信號與z位置信號分離。在各種實(shí)施方式中，一個或多個接收部分(例如，在cmm200中、運(yùn)動控制器115中、主極120中，等等。)可以從解復(fù)用器356接收x、y和z位置信號，且一個或多個相關(guān)聯(lián)的處理部分可以用于確定，當(dāng)附接的觸針306的接觸部分沿著被測量的工件w的表面移動時，觸針聯(lián)接部分342的3d位置和/或接觸部分的3d位置。如將在下文更詳細(xì)地描述的，在各種實(shí)施方式中，對x、y和z位置信號的處理可以利用z位置信號結(jié)合掃描探針的已知三角學(xué)，從x或y位置信號中的至少一個移除軸向運(yùn)動交叉耦合分量。在各種實(shí)施方式中，掃描探針300的某些部分(例如，解復(fù)用器356和/或旋轉(zhuǎn)檢測函數(shù)發(fā)生器354a和軸向檢測函數(shù)發(fā)生器354b的部分)可以被包括在探針主體302(例如，被包括在cmm200中、運(yùn)動控制器115中、主極120中，等等)的外部。

應(yīng)當(dāng)理解，利用單個多點(diǎn)位置檢測器部分321(例如，對應(yīng)于單個位置光電檢測器，與利用多個位置光電檢測器的實(shí)施方式相反)具有各種優(yōu)點(diǎn)。例如，所得的配置可以更加緊湊(例如，允許xy光束的路徑長度更小，使得探頭的整體z高度更小，等等。)且更便宜(減少光電檢測器成本，等等)。在各種實(shí)施方式中，需要用于這樣的配置的復(fù)用信號處理和控制電路可以利用各種不同類型的復(fù)用技術(shù)(例如，頻域復(fù)用，時域復(fù)用，等等)。在美國專利no.5,552,883中，以及在文章“high-speedmicroscaleopticaltrackingusingdigitalfrequency-domainmultiplexing”(maclachlan，r.a.，riviere，c.n.，ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement，第58卷，第6期，2009年6月，第1991-2001頁)中描述了利用具有由位置敏感檢測器接收的多個光束的配置中的復(fù)用的測量技術(shù)的示例，其各自通過引用整體并入本文。

在利用頻域復(fù)用的實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)檢測函數(shù)發(fā)生器354a和軸向檢測器函數(shù)發(fā)生器354b可以分別以不同的頻率來驅(qū)動可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318a和可控的軸向檢測光源318b(例如，包括led)。結(jié)果，入射在多點(diǎn)位置檢測器部分321(例如，包括位置光電檢測器)上的可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束和可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束可以具有不同的頻率。相應(yīng)地，來自多點(diǎn)位置檢測器部分321的輸出可以用兩個不同頻率的ac頻率調(diào)制來編碼。為了解復(fù)用信號，解復(fù)用器356可以包括例如帶通濾波器(例如，對應(yīng)于兩個不同頻率)、硬件和/或軟件解調(diào)器等部件。

在操作中，當(dāng)多點(diǎn)位置檢測器部分321上的入射光(例如，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)或軸向檢測點(diǎn)中的至少一個)改變位置，輸出ac幅度改變。在各種實(shí)施方式中，利用頻域復(fù)用可以有助于降低1/f漂移。在某些實(shí)施方式中，近似25％至50％的動態(tài)范圍可以分配給最小ac調(diào)制深度。在某些實(shí)施方式中，可能期望第一驅(qū)動頻率(例如，來自旋轉(zhuǎn)檢測器函數(shù)發(fā)生器354a)應(yīng)當(dāng)比期望的傳感器帶寬大指定的量(例如，在一個具體示例實(shí)施方式中至少大10倍)，從而調(diào)制載波頻率將不太可能破壞期望的傳感器位置信號。在這樣的實(shí)施方式中，用于第二驅(qū)動頻率的頻率(例如，對應(yīng)于軸向檢測器函數(shù)發(fā)生器354b)可以被模擬，以便根據(jù)期望的傳感器帶寬和濾波器極的數(shù)量來確定足夠的間隔。更具體地，可以使第一驅(qū)動頻率和第二驅(qū)動頻率充分地分離，使得它們可以通過帶通濾波來區(qū)分。一般來說，值可以設(shè)定為使得期望的第二驅(qū)動頻率比第一驅(qū)動頻率大至少指定的余量(例如，在一個具體示例實(shí)施方式中，具有等于至少4倍傳感器帶寬的余量)。

在利用時域復(fù)用的實(shí)施方式中，可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源318a可以在第一時間段期間打開，對于該第一時間段，可以讀取來自多點(diǎn)位置檢測器部分321的相對應(yīng)的輸出，之后是第二時間段，在第二時間段期間，可控的軸向檢測光源318b可以被打開，且可以讀取來自多點(diǎn)位置檢測器部分321的相對應(yīng)的輸出。在某些實(shí)施方式中，這樣的時域復(fù)用技術(shù)可以被視為比上述利用頻域復(fù)用的技術(shù)更加簡單。然而，在這樣的實(shí)施方式中，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)位置檢測配置313和軸向位置檢測配置325的輸出信號可以被同時地讀出，對此，可能期望使得時域復(fù)用循環(huán)速率足夠快，從而樣本之間的時間延遲不會產(chǎn)生不期望的測量結(jié)果。在一個特定的示例實(shí)施方式中，實(shí)施近似2.5khz的位置吞吐量，并且利用大于指定量(例如，4倍，10倍，等等)的相對應(yīng)的周期速率。在各種實(shí)施方式中，可以利用過采樣技術(shù)，對此，可以實(shí)施讀數(shù)的平均。

圖3是示出了聯(lián)接至觸針406的示意性/部分表示的觸針懸掛部分407的第一示例性實(shí)施方式的部分的示意圖。應(yīng)當(dāng)理解，圖3的某些編號的組件4xx可以對應(yīng)于和/或具有與圖2的類似編號的對應(yīng)組件3xx類似的操作，并且可以通過與其類比且如下文另外描述的來理解。表示具有類似設(shè)計和/或功能的元件的該編號方案也適用于下面的圖4-11。如圖3所示，觸針懸掛部分407包括觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409和觸針聯(lián)接部分442。觸針聯(lián)接部分442配置為剛性地聯(lián)接至觸針406，觸針406具有接觸部分448，以接觸工件w(未示出)的表面s。

如下文參考圖4更詳細(xì)地描述的，觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409配置為實(shí)現(xiàn)觸針聯(lián)接部分442和附接的觸針406的軸向運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得接觸部分448可以在沿著表面s的形狀的三個方向上改變其位置。為了說明的目的，圖3中的紙面上的垂直方向和水平方向分別被定義為z方向和y方向，并且相對于紙面的垂直方向被定義為x方向。在該圖中，測量探針300的中心軸線o(軸向方向o)的方向與z方向一致。

在圖3中，示出了觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部分，其包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436(其也被稱為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件rp)、彎曲元件440、以及設(shè)置在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436內(nèi)的移動構(gòu)件412。如下文參考圖4更詳細(xì)地描述的，彎曲元件440實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436圍繞旋轉(zhuǎn)中心rc的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。如下文參考圖5更詳細(xì)地描述的，觸針位置檢測部分(未整體地示出)可以包括附接至移動構(gòu)件412的端部的旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416(例如，凹面鏡)，其朝向多點(diǎn)位置檢測器部分421反射光，多點(diǎn)位置檢測器部分421包括位置光電檢測器422。位置光電檢測器422從而能夠感測移動構(gòu)件412在x和y方向上的旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的凹陷面可以成形為，為由位置光電檢測器422檢測到的反射光提供所需的“偏轉(zhuǎn)關(guān)系”。這樣的配置可以具有各種優(yōu)點(diǎn)(例如，允許位置光電檢測器422的小型化、允許利用具有不同長度的更大范圍的觸針，等等)。以下近似可以用于理解系統(tǒng)的各個方面(例如，傾斜靈敏度等)。

關(guān)于圖3所示的示例配置，在一個示例實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的凹陷表面可以具有半徑r，并且輸入到旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器的光束可以沿著其未偏轉(zhuǎn)光軸的方向(例如，如圖3中的虛線光路線lp所示)被準(zhǔn)直。位置光電檢測器422可以位于自旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的光路長度l＝r/2處，其大約等于自旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的反射光束(即，可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束)的所得焦距。在這樣的實(shí)施方式中，對于位置光電檢測器422上的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)(例如，由來自旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束形成)，沿著x方向遠(yuǎn)離零點(diǎn)的的移動或位移δxpsd可以包括由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436在平行于x方向的平面中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傾斜θy(即，在旋轉(zhuǎn)中心rc處圍繞平行于y軸的軸線的旋轉(zhuǎn))的兩個貢獻(xiàn)，其可以近似為：

傾斜貢獻(xiàn)＝(l*θy)(等式1)

平移貢獻(xiàn)＝(l*θy*h/r)＝(l*θy*h/2l)(等式2)

其中，h是從旋轉(zhuǎn)中心rc到旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416的距離。

傾斜貢獻(xiàn)來自由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)器416的表面傾斜變化，并且平移貢獻(xiàn)來自作為遠(yuǎn)離偏轉(zhuǎn)器416的光軸的距離的函數(shù)的偏轉(zhuǎn)器上的曲率依賴的表面角度變化。從而，組合等式1和2所示的貢獻(xiàn)：

δxpsd＝lθy(1+h/2l)(等式3)

相對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傾斜分量θy的遠(yuǎn)離觸針406的接觸部分448的零點(diǎn)的x方向移動或位移δxstylus可以近似為：

δxstylus＝θy*(hs+ls)(等式4)

組合等式3和4，光電檢測器422上的x方向點(diǎn)位移相對于接觸部分448處的x方向位移的比率可以近似為：

δxpsd/δxstylus＝(l+(h/2))/(hs+ls)(等式5)

y坐標(biāo)運(yùn)動分量類似于上述表達(dá)式，并且不需要在本文中進(jìn)一步詳細(xì)地解釋。用于各種測針的觸針長度ls可以在等式(例如，關(guān)于系統(tǒng)的三角學(xué))中使用，以基于xy檢測的點(diǎn)位置來確定接觸部分448的xy位置。

圖4是示出了包括在掃描探針400的探針主體402的主體外殼408內(nèi)的觸針懸掛部分407′的截面的一個實(shí)施方式的局部示意圖，其可使用作為圖3的觸針懸掛部分407。如圖4所示，觸針懸掛部分407′包括觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409和聯(lián)接至觸針406的觸針聯(lián)接部分442。觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409可以包括移動構(gòu)件412、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436、聯(lián)接至主體外殼408a的彎曲元件440(用于支撐且實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)、彎曲元件414和415(其支撐移動構(gòu)件412并將其聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436，以實(shí)現(xiàn)移動構(gòu)件412的軸向運(yùn)動)。掃描探針400包括觸針位置檢測部分511(其具有的部件和操作將在下文參考圖5更詳細(xì)地描述)，以確定觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409和/或觸針406的接觸部分448的位置和/或運(yùn)動。

彎曲元件440(即，稱為第二彎曲元件)可以在軸向方向o上設(shè)置在一對彎曲元件414和415(即，稱為第一彎曲元件)的相應(yīng)的平面之間。將在下文關(guān)于圖10a和圖10b更詳細(xì)地描述彎曲元件414、415和440的示例。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436可以具有關(guān)于第二彎曲元件440對稱的形狀，且可以一體地包括：環(huán)部分436a；兩個連接部分436b；以及圓柱部分436c。第一彎曲元件414和415的周邊部分固定至環(huán)部分436a。連接部分436b延伸進(jìn)入環(huán)部分436a內(nèi)，以便連接至圓柱部分436c(其具有中空中心)。第一彎曲元件414和415可以設(shè)置在相對于第二彎曲元件440對稱的距離處，但是這樣的實(shí)施方式僅僅是示例性的而不是限制性的。

包括移動構(gòu)件412的軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410被支撐在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的內(nèi)部，且旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436和軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410一起構(gòu)成作為觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)409的一部分的運(yùn)動模塊。軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410允許接觸部分448在軸向方向o上移動。包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)434允許觸針406的接觸部分448借助于圍繞旋轉(zhuǎn)中心rc的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動橫向于(例如，近似垂直于)軸向方向o移動。

移動構(gòu)件412一體地包括：下部部分412a；桿部分412b；以及上部部分412c。支架437用于將旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416(例如，曲面鏡)和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器426(例如，透鏡)剛性地附接至上部部分412c。如之前所述并且如下面關(guān)于圖5所示的觸針位置檢測部分511進(jìn)一步詳細(xì)描述的，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416被包括作為旋轉(zhuǎn)位置檢測配置的部分，且軸向檢測偏轉(zhuǎn)器426被包括作為軸向位置檢測配置的部分。桿部分412b設(shè)置在第一彎曲元件414和415的對之間。桿部分412b容納在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436中。

下部部分412a形成在桿部分412b下方，且觸針聯(lián)接部分442(例如，凸緣構(gòu)件)附接至下部部分412a。凸緣部分444設(shè)置為用于觸針406的附接。凸緣部分444和觸針聯(lián)接部分442一起構(gòu)成可拆卸的聯(lián)接機(jī)構(gòu)(例如，已知類型的運(yùn)動接頭或聯(lián)接)，其允許可重復(fù)定位的(例如，在碰撞撞掉觸針的情況下，當(dāng)故意改變觸針時，等等)各種觸針406和觸針聯(lián)接部分442之間的附接和分離。

圖5是示出了觸針位置檢測部分511的第一示例性實(shí)施方式的示意圖，其包括相對于探針本體和外殼移動的旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526。除非另有說明，觸針位置檢測部分511的各種其他部件可以相對于探針本體或和/外殼固定。如圖5所示，觸針位置檢測部分511包括光源配置517、多點(diǎn)位置檢測器部分521、復(fù)用信號處理和控制電路550、旋轉(zhuǎn)位置檢測配置、513，以及軸向位置檢測配置525。如將在下文更詳細(xì)地描述的，多點(diǎn)位置檢測器部分521聯(lián)接至復(fù)用信號處理和控制電路550，且包括具有表面平面的位置光電檢測器522。如圖5所示，光源配置517包括可控的旋轉(zhuǎn)檢測光源518a和可控的軸向檢測光源518b(例如，led光源)，其可以配置為分別提供準(zhǔn)直的或接近準(zhǔn)直的旋轉(zhuǎn)檢測光束519a和軸向檢測光束519b(例如，使用透鏡518a′和518b′)。旋轉(zhuǎn)檢測光束519a沿著被包括在旋轉(zhuǎn)位置檢測配置513中的旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑523被引導(dǎo)，且軸向檢測光束519b沿著被包括在軸向位置檢測配置525中的軸向檢測光束路徑529被引導(dǎo)。

旋轉(zhuǎn)位置檢測配置513包括旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑523和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516。在示出的實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)檢測光束519a傳輸通過光學(xué)部件520(例如，偏振分束器)并沿著沿軸向方向的旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑523行進(jìn)至旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516，其在此被反射。旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516的操作可以通過對旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416、位置光電檢測器422和等式1-5的之前描述的類比來大致上被理解。如圖所示，旋轉(zhuǎn)檢測光束519a被凹陷旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516反射為可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束519a′，其沿著可變偏轉(zhuǎn)光束路徑523′行進(jìn)返回到光學(xué)部件520的反射表面。光學(xué)部件的反射表面反射可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束519a′的至少一部分，以繼續(xù)沿著沿橫向于光軸的方向的可變偏轉(zhuǎn)光束路徑523′，從而在位置光電檢測器522的表面上的位置處形成旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)。位置光電檢測器522是已知類型，其分別提供與沿著x軸方向和y軸方向的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)位置相關(guān)的信號。在各種實(shí)施方式中，這樣的信號可以被指定作為x和y位置信號，其表示觸針聯(lián)接部分圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)。更具體地，位置光電檢測器522配置為輸出x位置信號和y位置信號，x位置信號響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)沿著位置光電檢測器522的第一軸線的位置，且y位置信號響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)沿著位置光電檢測器522的第二軸線的位置。在各種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)位置檢測配置513名義上配置為使得，在沒有觸針聯(lián)接部分圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)的情況下，x和y位置信號對旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516沿著軸向方向的運(yùn)動基本上不敏感。

關(guān)于光學(xué)部件520，四分之一波片533可以沿著旋轉(zhuǎn)檢測光束路徑在光學(xué)部件520和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516之間的一部分定位。四分之一波片533根據(jù)已知方法將來自光學(xué)部件520的線性偏振改變?yōu)閳A偏振。從旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516反射的可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束519a′返回通過四分之一波片533，并且再次變?yōu)榫€性偏振，旋轉(zhuǎn)偏振使得光學(xué)部件520將全部或大部分的光朝向位置光電檢測器522反射。這樣的偏振配置可以將光源518a與反射光隔離，并且與非偏振配置相比，顯著地改善了觸針位置檢測功率效率。

軸向位置檢測配置525包括軸向檢測光束路徑529和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526。在示出的實(shí)施方式中，軸向檢測光束519b沿著軸向檢測光束路徑529行進(jìn)，并由反射部件531(例如，透鏡)反射，以向軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526行進(jìn)。軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526定位為使得其光軸沿著軸向檢測光束路徑529橫向于軸向方向取向的一部分延伸，并沿著可變偏轉(zhuǎn)光束路徑529′引導(dǎo)透射的可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束519b′，以在位置光電檢測器522的表面平面上的位置處形成軸向檢測點(diǎn)。位置光電檢測器522可以是已知類型，其提供與軸向檢測點(diǎn)沿著z檢測軸線的位置相關(guān)的信號。在各種實(shí)施方式中，z檢測軸線可以對應(yīng)于位置光電檢測器的第一軸線或第二軸線，上文關(guān)于旋轉(zhuǎn)位置檢測配置513引述過位置光電檢測器。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)上述描述，位置光電檢測器522在其表面上接收來自軸向位置檢測配置525的軸向檢測點(diǎn)和來自旋轉(zhuǎn)位置檢測配置513的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)。如上文關(guān)于圖2描述的，復(fù)用信號處理和控制電路550用于區(qū)分來自點(diǎn)的信號，以確定相應(yīng)的x、y和z位置信號。

軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526聯(lián)接至觸針懸掛部分的移動構(gòu)件(例如，之前參考圖4描述的移動構(gòu)件412)。在一個實(shí)施方式中，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516兩者都附接至支架537，支架537聯(lián)接至移動構(gòu)件412。移動構(gòu)件的軸向運(yùn)動沿著橫向于其光軸且橫向于軸向檢測光束路徑529的軸向方向(例如，近似地沿著z軸方向)移動檢測偏轉(zhuǎn)器526。該平移使得軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526相對于輸入軸向檢測光束路徑529重新定位。軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526的透鏡形狀導(dǎo)致透射的可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束519b'的折射或偏轉(zhuǎn)，以及作為遠(yuǎn)離軸向檢測器偏轉(zhuǎn)器526的光軸的距離的函數(shù)的相對應(yīng)的可變偏轉(zhuǎn)光束路徑529'的折射或偏轉(zhuǎn)。從而，在位置光電檢測器522上的所得的軸向檢測點(diǎn)的位置表示軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526和其所附接的移動構(gòu)件的軸向運(yùn)動。

關(guān)于圖5所示的配置，輸入到軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526的軸向檢測光束519b可以沿著其未偏轉(zhuǎn)的光軸被準(zhǔn)直。位置光電檢測器522可以位于大約等于從軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526輸出的可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束519b'的焦距的光路長度。在這樣的實(shí)施方式中，z方向點(diǎn)位移δzpsd(例如，對應(yīng)于軸向檢測點(diǎn)沿著位置光電檢測器522的z方向軸線的位移)相對于觸針接觸部分448處(例如，圖3所示的接觸部分448)的z方向位移δzstylus的比率可以近似為：

δzpsd/δzstylus≈1(等式6)

在各種實(shí)施方式中，如果軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526能夠在橫向于軸向方向的至少一個方向上移動，則避免了機(jī)械復(fù)雜性。例如，如圖5所示，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516兩者都能夠在3個方向上移動。然而，根據(jù)本文所公開的原理，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526近似地沿著其光軸的方向、橫向于軸線方向(即，近似地沿著y軸)的運(yùn)動可以改變所得的軸向檢測點(diǎn)或線的聚焦的程度，而基本上不需要改變軸向檢測點(diǎn)或線在位置光電檢測器522上的有效位置。所得的z位置信號對這樣的散焦運(yùn)動基本上不敏感。此外，由觸針的小θy旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526近似地沿著x軸方向的運(yùn)動的預(yù)期范圍可以改變z位置光電檢測器522上的z位置點(diǎn)(不是線)沿著“未感測”x軸方向的有效位置，而基本上不改變其z位置，使得z位置信號對這樣的x軸運(yùn)動基本上不敏感。然而，值得注意的是，當(dāng)軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526是相對簡單的圓形透鏡時(例如，如圖5所示)，由觸針的大θy旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向檢測偏轉(zhuǎn)器的運(yùn)動弧可以產(chǎn)生位置光電檢測器522上的z位置點(diǎn)的弧運(yùn)動，其包括小的z位置變化分量，以及點(diǎn)的不期望的和/或未感測的x軸位置變化分量。校準(zhǔn)或補(bǔ)償可以用于減少或消除信號處理中的相關(guān)的殘余z誤差效應(yīng)。替代地，包括兩個交叉的圓柱透鏡中的至少一個的更復(fù)雜的軸向檢測偏轉(zhuǎn)器可以用于光學(xué)地減少點(diǎn)的不期望的和/或未感應(yīng)的x軸位置變化分量，并且進(jìn)一步減少和/或簡化由于運(yùn)動弧引起的位置光電檢測器522上的z位置點(diǎn)的任何次要的不期望的z軸位置變化分量的校正，如下面更詳細(xì)地概述。

如上文所述，在各種實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516沿著其光軸(即，近似地沿著軸向方向和/或z軸方向)的運(yùn)動可以改變位置光電檢測器522上的軸向檢測點(diǎn)的聚焦的所得程度，如上文所述，這可能對所得的z位置信號相對無關(guān)緊要。在各種實(shí)施方式中，在軸向運(yùn)動與x和y位置信號之間可能仍存在一些相對不期望的交叉耦合。例如，等式3和5示出了x方向點(diǎn)位移δxpsd(例如，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)沿著位置光電檢測器522的x軸的位移)對旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516和位置光電檢測器522之間的光路長度l敏感。對于y方向點(diǎn)位移δypsd(例如，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)沿著光電檢測器522的y軸的位移)，也注意到類似的效果。如圖所示，在圖3中，光路長度l受軸向運(yùn)動影響。然而，根據(jù)之前概述的原理，軸向或z位置信號相對準(zhǔn)確，且從而可用于校正l，以允許等式5基于來自δxpsd的信號提供δxstylus的相對準(zhǔn)確的確定。更具體地，在各種實(shí)施方式中，可以利用z位置信號結(jié)合掃描探針的已知三角學(xué)，以從x或y位置信號中的至少一個移除軸向運(yùn)動交叉耦合分量。此外，如果需要，可以使用已知類型的用于減少交叉耦合誤差的校準(zhǔn)和/或迭代/相互依賴的位置坐標(biāo)確定方法，以進(jìn)一步改善測量的x、y和z位置或位移值的精度。

圖6是示出了聯(lián)接至掃描探針的主體外殼608的圖5的觸針位置檢測部分511的各個部分的示意圖。如上文概述的，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516兩者都剛性地附接至支架537，支架537聯(lián)接至移動構(gòu)件412及其附接的觸針聯(lián)接部分442(未示出)。另外，各個圖示的元件可以相對于主體外殼608直接或間接地固定(例如，剛性地附接)。在各種實(shí)施方式中，位置光電檢測器522上的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)的電和軸向檢測點(diǎn)的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)用信號處理和控制電路確定相對應(yīng)的x、y和z位置信號。對x、y和z位置信號的卻實(shí)現(xiàn)確定旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526的位置，其相對應(yīng)地表示移動構(gòu)件412(以及相對應(yīng)的觸針聯(lián)接部分442、附接的觸針406、接觸部分448，未示出)相對于主體外殼608的絕對3d位置。

光源518a和518b的對準(zhǔn)可能影響系統(tǒng)的總體性能。為了允許光源518a和518b和/或準(zhǔn)直透鏡518a′和518b′的正確的對準(zhǔn)，可以在一些實(shí)施方式中使用對準(zhǔn)組件，例如組件641，其包括z位置管642、xy管643、以及保持器/擋板644。

圖7是示出了觸針位置檢測部分711的第二示例性實(shí)施方式的示意圖，其可以通過與關(guān)于圖5的之前描述的類比來理解。與圖5的實(shí)施方式的顯著的差別包括：重新定位光學(xué)部件720(例如，偏振分束器)和四分之一波片733、以及添加反射鏡743和光學(xué)部件745(例如，分束器)。進(jìn)行這樣的改變，結(jié)合使用旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器716(例如，凹面鏡)和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器726(例如，透鏡)，其每一個具有長于圖5的相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526的焦距。在示出的實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器716的焦距的百分比增加大于軸向檢測偏轉(zhuǎn)器726的焦距的百分比增加。這樣的實(shí)施方式可以允許更多的自由，以達(dá)到由旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器716提供的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)的期望的運(yùn)動范圍和/或聚焦敏感度，和/或調(diào)整旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)的運(yùn)動與位置光電檢測器722上的軸向檢測點(diǎn)的運(yùn)動之間的關(guān)系，用于移動構(gòu)件412的相對應(yīng)的運(yùn)動。此外，這樣的實(shí)施方式可以允許改變各種其他元件，從而更緊湊地布置、更有效率、更經(jīng)濟(jì)，等等。

圖8是示出了觸針位置檢測部分811的第三示例性實(shí)施方式的示意圖，其可以通過與關(guān)于圖5的之前描述的類比來理解。與圖5的實(shí)施方式的顯著差異包括重新定位位置光電檢測器822和添加反射鏡839。進(jìn)行這樣的改變，結(jié)合使用旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器816和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器826，其每一個具有長于圖5的相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器516和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器526的焦距。圖8所示的實(shí)施方式可以因此相對應(yīng)地允許更多的自由，以分別達(dá)到由旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器816和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器826提供的旋轉(zhuǎn)檢測點(diǎn)和/或軸向檢測點(diǎn)的期望的運(yùn)動范圍和/或聚焦敏感度。應(yīng)當(dāng)理解，在這樣的配置中，位置光電檢測器821可以定位為接近光源818a和818b，例如可以附接至公共電路板或以其他方式緊鄰復(fù)用信號處理和控制電路(例如，在探針的頂部附近)。此外，這樣的實(shí)施方式可以允許改變各種其他元件，從而更緊湊地布置、更有效率、更經(jīng)濟(jì)，等等。

應(yīng)當(dāng)理解，圖5-8所示的變化是表示進(jìn)一步重新布置和/或調(diào)整各種光學(xué)元件以及相關(guān)光路的可能性，同時保留與本文所公開的原理相關(guān)聯(lián)的概述的許多或所有優(yōu)點(diǎn)。例如，如前所述，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器可以包括兩個交叉的圓柱透鏡中的至少一個，其具有聚焦到z位置光電檢測器(例如，位置光電檢測器522)上的焦距。在一個實(shí)施方式中，圓柱透鏡中的一個安裝為根據(jù)觸針偏轉(zhuǎn)移動(例如，安裝在支架537上)并對準(zhǔn)，使得其聚焦能力在y-z平面中。其他圓柱透鏡可以安裝(例如，到引導(dǎo)部分535或其安裝件)在軸向檢測光束路徑529中，使得其聚焦能力在x-y平面中。與簡單的圓形透鏡相比，對于這樣的配置，由觸針的θy旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向檢測偏轉(zhuǎn)器的運(yùn)動弧理想地不產(chǎn)生z位置光電檢測器上的點(diǎn)的顯著的不期望的和/或未感測的x軸位置變化分量，且可以減少和/或簡化由于運(yùn)動弧引起的位置光電檢測器522上的z位置點(diǎn)的任何次要的不期望的z軸位置變化分量的校正。作為另一示例，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器和/或軸向檢測偏轉(zhuǎn)器可以具有更長或更短的焦距，和/或到位置光電檢測器的光路可以更長或更短。在某些實(shí)施方式中，可以改變軸向檢測偏轉(zhuǎn)器和旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器所附接的支架的配置。例如，軸向檢測偏轉(zhuǎn)器所附接的軸臂的相對長度可以增加或減少，對此，應(yīng)當(dāng)理解，這樣的改變可以相對應(yīng)地改變軸向檢測偏轉(zhuǎn)器響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的運(yùn)動量。在其他實(shí)施方式中，光路可以配置為使得軸向檢測偏轉(zhuǎn)器可以是反射元件(例如，凹陷反射元件)，而不是透射元件(例如，透鏡)。另外，在各種實(shí)施方式中，可能期望使用偏振光源，其取向?yàn)楸苊庠谘刂饴返母鱾€偏振器接口處浪費(fèi)光能和/或信號強(qiáng)度。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本文所公開的各種實(shí)施方式僅是示例性的，而非限制性的。

圖9是示出了包括在掃描探針900的探針主體902的主體外殼908內(nèi)的可用作圖3所示的觸針懸掛部分407的觸針懸掛部分907的第二實(shí)施方式的截面的局部示意圖。掃描探針900可以類似于之前參考圖4描述的掃描探針400，除了觸針懸掛部分907的第二實(shí)施方式與觸針懸掛部分407′的實(shí)施方式不同。簡單來說，如之前參考圖4描述的，在觸針懸掛部分407′中，包括(軸向)移動構(gòu)件412的軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410嵌入或支撐在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的內(nèi)部。與此相反，在觸針懸掛部分907的本實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′嵌入或支撐在包括(軸向)移動構(gòu)件412′的軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410′的內(nèi)部。

如圖9所示，觸針懸掛部分907包括觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)909以及聯(lián)接至觸針406的觸針聯(lián)接部分442。觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)909包括移動構(gòu)件412′、盤狀彎曲元件414′和415′(即，被稱為第一彎曲元件)，其支撐移動構(gòu)件412′并將其聯(lián)接至主體外殼908，以實(shí)現(xiàn)移動構(gòu)件412′以及支撐在其內(nèi)部的元件的軸向運(yùn)動。支撐在移動構(gòu)件412′的內(nèi)部的元件包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)434′，其包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′以及聯(lián)接移動構(gòu)件412′的盤狀彎曲元件440′(稱為第二彎曲元件)，以支撐并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。掃描探針900包括觸針位置檢測部分511(其具有的部件和操作之前參考圖5描述)，以確定觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)909和/或觸針406的接觸部分448的位置和/或運(yùn)動。

第二彎曲元件440′可以在軸向方向o上設(shè)置在第一彎曲元件414′和415′的對的相應(yīng)的平面之間。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′可以具有關(guān)于第二彎曲元件440′對稱的形狀。第一彎曲元件414′和415′可以設(shè)置在相對于第二彎曲元件440′對稱的距離處，盡管這樣的實(shí)施方式僅是示例性的而非限制性的。

包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)434′支撐在(軸向)移動構(gòu)件412′的內(nèi)部，且移動構(gòu)件412′和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)434′一起構(gòu)成運(yùn)動模塊，其為觸針運(yùn)動機(jī)構(gòu)909的部分。軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)410′允許觸針406的接觸部分448在軸向方向o上移動。包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)434′允許接觸部分448借助于圍繞旋轉(zhuǎn)中心rc的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動橫向(例如，近似垂直)于軸向方向o移動。

旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′一體地包括：下部部分；連接至第二彎曲元件440′的中心桿部分；以及下部部分。觸針聯(lián)接部分442(例如，凸緣構(gòu)件)附接至旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′的下部部分。凸緣部分444設(shè)置為附接至觸針406。凸緣部分444和觸針聯(lián)接部分442可以一起構(gòu)成可拆卸的聯(lián)接機(jī)構(gòu)(例如，已知類型的運(yùn)動接頭或聯(lián)接)，其允許可重復(fù)定位的(例如，在碰撞撞掉觸針的情況下，當(dāng)故意改變觸針時，等等)各種觸針406和觸針聯(lián)接部分442之間的附接和分離。

支架437用于將旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416(例如，曲面鏡)和軸向檢測偏轉(zhuǎn)器426(例如，透鏡)剛性地附接至旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436′的上部部分。如之前參考圖5所示的觸針位置檢測部分511描述的，旋轉(zhuǎn)檢測偏轉(zhuǎn)器416被包括作為旋轉(zhuǎn)位置檢測配置的部分，且軸向檢測偏轉(zhuǎn)器426被包括作為軸向位置檢測配置的部分。

當(dāng)與本文概述的類型的觸針懸掛系統(tǒng)結(jié)合使用時，根據(jù)本文所公開的原理的觸針位置檢測部分511，以及其他觸針位置檢測部分具有特別的優(yōu)點(diǎn)。然而，基于上文，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本文所公開的原理的觸針位置檢測部分不限于與這種懸架一起使用。更一般地，如果位置檢測偏轉(zhuǎn)器(例如，旋轉(zhuǎn)和/或軸向檢測偏轉(zhuǎn)器)可以以操作方式剛性地聯(lián)接至觸針，則可以使用任何兼容類型的觸針懸掛系統(tǒng)，如果需要，這可以包括一些完全旋轉(zhuǎn)的或完全直線的懸掛系統(tǒng)。

圖10a和10b是示出了彈性可變形盤狀彎曲元件1014和1040的特定示例實(shí)施方式的示意圖，例如可以用于觸針懸掛部分中，以實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。彎曲元件的材料的示例是磷青銅，但是應(yīng)當(dāng)理解，在其他實(shí)施方式中可以使用其他材料。在一個實(shí)施方式中，第一彎曲元件1014可以與成對的第一彎曲元件相同(例如，類似于彎曲元件414和415)，而在其他實(shí)施方式中，一對第一彎曲元件可以彼此不同。

第一彎曲元件1014設(shè)置有在圓周方向上彼此偏移120度的三個切口部分1014d，以形成周邊部分1014a、結(jié)合部分1014b、以及中心部分1014c。周邊部分1014a是固定至相對應(yīng)的元件(例如，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的環(huán)部分)的最外面周邊部分。結(jié)合部分1014b的相反的端部分別聯(lián)接至周邊部分1014a和中心部分1014c。中心部分1014c是待固定至相對應(yīng)的元件(例如，移動構(gòu)件412)的部分。附接的元件(例如，移動構(gòu)件412)在軸向(或z)方向上的位移使得中心部分1014c垂直于彎曲元件1014的平面移動(例如，軸向方向)。應(yīng)當(dāng)理解，在其他實(shí)施方式中，其他形狀可以用于彎曲元件。

在圖10b的實(shí)施方式中，第二彎曲元件1040設(shè)置有在圓周方向上彼此偏移180度的兩個弧形切口部分1040e，以及形成在其之間的兩個鉸鏈部分1040c。在圓周方向上彼此偏移180度的兩個弧形切口部分1040f進(jìn)一步設(shè)置在切口部分1040e的徑向內(nèi)側(cè)面上，且兩個鉸鏈部分1040d形成在其之間。因此，形成周邊部分1040a、結(jié)合部分1040g、以及中心部分1040b。周邊部分1040a是待固定至相應(yīng)的元件(例如，主體外殼408)的部分。中心部分1040b是待固定至相應(yīng)的元件(例如，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件436的圓柱部分436c的中部)的部分。切口1040e和1040f以及所得的鉸鏈彼此偏移90度。從而，中心部分1040b是圍繞這些鉸鏈可傾斜的(可旋轉(zhuǎn)的)，使得第二彎曲元件1040的中心用作旋轉(zhuǎn)中心rc。應(yīng)當(dāng)理解，在其他實(shí)施方式中，對于每個彎曲元件可以使用其他形狀。

圖11是示出了例程1100的一個示例性實(shí)施方式的流程圖，以基于從掃描探針接收的位置信號確定觸針的接觸部分的3d位置。在圖框1110處，確定掃描探針已經(jīng)定位，使得由觸針聯(lián)接部附接的觸針的接觸部分與被測量的工件的表面接觸。在圖框1120處，從復(fù)用信號處理和控制電路接收x和y位置信號以及z位置信號，復(fù)用信號處理和控制電路配置為將可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束和可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束復(fù)用在掃描探針的多點(diǎn)位置檢測器部分上。

多點(diǎn)位置檢測器部分配置為接收可變偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)檢測光束，并響應(yīng)于此輸出x和y位置信號，x和y位置信號表示觸針聯(lián)接部分圍繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)。多點(diǎn)位置檢測器部分還配置為接收可變偏轉(zhuǎn)軸向檢測光束，并響應(yīng)于此輸出z位置信號，z位置信號表示觸針聯(lián)接部分關(guān)于軸向方向的位置。在各種實(shí)施方式中，復(fù)用信號處理和控制電路包括解復(fù)用器，其配置為接收來自多點(diǎn)位置檢測器部分的輸出，并使x和y位置信號與z位置信號分離。在圖框1130處，處理x、y和z位置信號，以確定觸針的接觸部分的3d位置，包括利用z位置信號結(jié)合掃描探針的已知三角學(xué)，從x或y位置信號中的至少一個移除軸向運(yùn)動交叉耦合分量。

盡管已經(jīng)示出和描述了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，但是基于本公開，所示出和描述的特征布置和操作序列中的許多變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。各種替代形式可以用于實(shí)施本文公開的原理。此外，上述各種實(shí)施方式可以組合以提供進(jìn)一步的實(shí)施方式。本說明書中引用的所有美國專利和美國專利申請通過引用整體并入本文。如果需要，可以修改實(shí)施方式的方面，以采用各種專利和應(yīng)用的概念，從而提供另外的實(shí)施方式。

根據(jù)上面的詳細(xì)描述，可以對這些實(shí)施方式做出這些和其他改變。一般而言，在所附的權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將權(quán)利要求限制于說明書和權(quán)利要求中公開的特定實(shí)施方式，而是應(yīng)被解釋為包括所有可能的實(shí)施方式以及這些權(quán)利要求所賦予的等同物的全部范圍。