球形狀測定方法和裝置的制造方法
【專利說明】球形狀測定方法和裝置
[0001]2014年7月17日提交的日本專利申請2014-147226的包括說明書、附圖和權利要求書的全部內容通過引用而被包含于此。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種球形狀測定方法和裝置，特別是涉及一種能夠高精度地測定球整體的形狀的球形狀測定方法和裝置。
【背景技術】
[0003]軸承的球、作為測定儀的基準的參照球、透鏡等球或局部具有球形狀的部件在產業(yè)界被廣泛利用。為了測定這些具有球形狀的部件的形狀，提出了很多的表面形狀測定方法、裝置。干涉儀裝置為其代表性的一例，能夠高精度且高密度地測定這些球的表面形狀。并且，為了測定超出表面形狀測定裝置所能夠測定的面內區(qū)域的球面形狀，還提出了具備表面形狀測定單元以及用于保持測定對象的球面且變更測定位置的位置變更單元的裝置(美國專利6，956，657B2號公報(以下為專利文獻1)以及《光波干渉C dt §真球度?測定》、2011年度精密工學會秋季大會學術演講會演講論文集P868-869(以下為非專利文獻1))。
[0004]這些裝置通過位置變更單元使測定對象的球面移動來變更測定位置，并且通過表面形狀測定單元測定多個局部區(qū)域的形狀。通過被稱為拼接的運算來將這些多個區(qū)域的測定形狀連接，由此測定出廣范圍的球面形狀。
[0005]在此，說明非專利文獻1所示的球形狀測定裝置的概要。在圖1中示出表示裝置的結構的側視圖。測定裝置包含形成表面形狀測定單元的由例如斐索(Fizeau)干涉儀構成的激光干涉儀20的部分和作為位置變更單元的位置變更機構40的部分。在該裝置中使用的激光干涉儀20是通過使用具有球面形狀的參照球面22并將由激光光源24產生的激光光線26的波長作為標準與參照球面22進行比較來測定被測定球10的表面形狀的裝置。在圖中，28是分束器，30是用于使激光光線26平行光線化的準直透鏡，32是用于檢測通過分束器28合成得到的干涉光的攝像元件。
[0006]被測定球(以下，也被簡稱為球)10被設置在參照球面22的焦點位置處。通過激光干涉儀20測定的區(qū)域是激光光線26所照射的球10的表面上的一部分，因此為了測定更廣的區(qū)域而需要使激光干涉儀20主體或被測定球10的位置移動的單元。非專利文獻1所示的裝置具備位置變更機構40，該位置變更機構40將被測定球10和支承軸12固定，將具有軸的球設為對象，通過支承軸12對被測定球10進行保持的同時，通過Θ旋轉軸42以及與Θ旋轉軸42正交的Φ旋轉軸44的二軸旋轉機構將球10的任意的面向激光干涉儀20的測定范圍移動。
[0007]在圖2中表示非專利文獻1的裝置的俯視圖。Φ旋轉軸44與測定光軸成直角(圖2中的紙面垂直方向)，在該軸上參照球面22的焦點被調整為一致。當使Φ旋轉軸44旋轉時，能夠使支承Θ旋轉軸42的支架46繞Φ軸旋轉。Θ旋轉軸42在此基礎上能夠旋轉360度以上。此時，通過調整支承軸12、支架46的臂的長度使得被測定球10的中心位置在Φ旋轉軸44上，由此被測定球10能夠在參照球面22的焦點位置旋轉為任意的角度。在這樣的結構中，為了通過激光干涉儀20測定被測定球10的半球所涉及的區(qū)域，只要使被測定球10繞Θ旋轉軸42旋轉360度并繞Φ旋轉軸44在從支承軸12與測定光軸正交的位置到支承軸12與測定光軸平行的位置為止90度的范圍內旋轉。
[0008]在圖3a和3b中示出通過這種結構的裝置所能夠測定的區(qū)域與Θ和φ兩個旋轉軸的關系。本圖是對圖1所示的裝置從上面觀察到的圖。首先，將支承軸12處于與激光干涉儀20的測定光軸正交的位置時的Φ旋轉軸44的角度定義為第一支承角度Φ 1。圖3a表示該狀態(tài)。如果將支承軸12的中心軸定義為被測定球10的極軸，則能夠將處于與該極軸正交的位置的球的表面的輪廓考慮為球的瑋線，直徑最大的位置的輪廓為赤道(第一測定瑋線)。通過在第一支承角度Φ1下使Θ旋轉軸42旋轉，能夠使球面的第一測定瑋線上的任意的點朝向激光干涉儀20。如果在該位置實施測定，則能夠測定Θ旋轉軸42在任意位置時的單個測定區(qū)域的形狀。為了之后進行的拼接運算，而期望以相鄰的單個測定區(qū)域具有重復區(qū)域的方式決定Θ旋轉軸42的旋轉步進。該重復區(qū)域設為例如激光干涉儀20的視角的大致一半左右即可。在此，將第一支承角度Φ 1設為支承軸12與測定光軸正交的位置進行了說明，但是并非一定如此，也可以將第一支承角度Φ1設定在任意的位置。
[0009]接著，使φ旋轉軸44旋轉，設定在與第一支承角度Φ1不同的位置。將該位置設為第二支承角度Φ2。圖3b表示該狀態(tài)。當在該位置使Θ旋轉軸42旋轉時，與激光干涉儀20的測定光軸相交的球面上的點描繪出某個軌跡。將由該軌跡表示的輪廓設為第二測定瑋線。通過與第一支承角度Φ1時的操作同樣地使Θ旋轉軸42旋轉，能夠在球面的第二測定瑋線上測定Θ旋轉軸42在任意位置時的單個測定區(qū)域的形狀。與Θ旋轉軸42的步進同樣地，第一支承角度Φ 1與第二支承角度Φ2的間隔設為例如激光干涉儀20的視角的大致一半左右即可。
[0010]在φ旋轉軸44的旋轉范圍內設定多個支承角度Φ，在各個位置操作Θ旋轉軸42，并執(zhí)行該過程直到對應位置的單個測定區(qū)域覆蓋被測定球10的半球部分為止。參照Θ旋轉軸42和Φ旋轉軸44的位置信息，將通過這樣獲得的很多的單個測定區(qū)域的形狀通過拼接運算相互連接，能夠測定被測定球10的表面形狀。Φ旋轉軸44的旋轉范圍不限于圖2所示的90度的范圍，只要激光干涉儀20與位置變更機構40之間不發(fā)生物理性的沖突等，就能夠設定為任意的范圍。用于由多個單個測定區(qū)域覆蓋被測定球10的半球的必要條件是Φ旋轉軸44的旋轉范圍為90度。
[0011]當構成位置變更機構40的各個部件的尺寸與設計值不同、或存在運動誤差時，存在隨著Θ旋轉軸42、Φ旋轉軸44的旋轉而被測定球10從參照球面22的焦點位置偏移的情況。在對球面進行測定的干涉儀裝置中，該位置偏移使得產生測定誤差。為此，在非專利文獻1的裝置中也能夠具備例如圖4所示的由臺48x、48y、48z構成的正交三軸的平移機構48?；诩す飧缮鎯x20的干涉條紋圖像，以使干涉條紋數(shù)盡可能少的方式移動被測定球10，由此能夠修正該位置偏移。

【發(fā)明內容】

_2] 發(fā)明要解決的問題
[0013]專利文獻1和非專利文獻1中所示的現(xiàn)有技術是對透鏡那樣的局部球形狀、或者通過被固定的軸所保持的球進行測定的技術，很難對軸的周邊、保持部分的周邊的區(qū)域進行測定，其測定范圍被限制為大致半球的程度。雖然能夠根據(jù)激光干涉儀的視場范圍的大小、位置變更單元的移動范圍來測定超出半球的區(qū)域，但是無法對保持球的部位進行測定。因此，期望一種高精度地測定球整體的形狀的裝置及其測定方法。
[0014]本發(fā)明是為了解決上述以往的問題點而完成的，其課題在于高精度地測定球整體的形狀。
[0015]本發(fā)明通過下面的球形狀測定方法來解決上述課題，該球形狀測定方法使被測定球能夠自如地旋轉，在各個旋轉位置針對以彼此相鄰的測定區(qū)域之間具有重復區(qū)域的方式設定的每個測定區(qū)域測定局部的球面形狀，基于這些重復區(qū)域的形狀來通過拼接運算將各個局部的球面形狀接合，由此測定表面形狀，在該球形狀測定方法中，在從能夠自由地保持或釋放被測定球的球保持機構釋放了被測定球的狀態(tài)下使得球支承臺能夠保持球，通過轉換對球進行保持的位置，使得能夠測定球整體的形狀。
[0016]在此，能夠設為使上述球支承臺能夠旋轉。
[0017]另外，能夠設為能夠調整被測定球和表面形狀測定單元的位置。
[0018]本發(fā)明還提供一種球形狀測定裝置，具備:表面形狀測定單元，其測定球面的局部形狀；以及位置變更單元，其使被測定球相對于上述表面形狀測定單元自如地旋轉，其中，在各個旋轉位置針對以彼此相鄰的測定區(qū)域之間具有重復區(qū)域的方式設定的每個測定區(qū)域測定局部的球面形狀，基于這些重復區(qū)域的形狀來通過拼接運算將各個局部的球面形狀接合，由此測定表面形狀，該球形狀測定裝置還具備球形狀測定單元，該球