本發(fā)明涉及以非接觸的方式測量具有呈球面狀的曲面的球面形狀部件中的該曲面的形狀的形狀測量裝置和形狀測量方法。

背景技術(shù)：

作為具有呈球面狀的曲面的球面形狀部件，可代表性地舉出光學(xué)鏡頭或加工光學(xué)鏡頭的加工皿。以往，作為測量這種球面形狀部件中的曲面的形狀的技術(shù)，已知有使接觸式的探針與測量對象物接觸而進(jìn)行測量的接觸式的形狀測量技術(shù)。

此外，近年來，還已知有通過激光位移計等使用了光的距離測量器來測量到被測量面的距離，由此測量被測量面的形狀的非接觸式的形狀測量技術(shù)(例如參照專利文獻(xiàn)1、2)。在非接觸式的形狀測量技術(shù)中，由于無需使探針與被測量物接觸，所以不會對被測量面造成損傷，此外，即使測量對象面為粗糙面或斷續(xù)的面，也能夠高精度地進(jìn)行測量。并且，非接觸式的測量技術(shù)與以往的接觸式的測量技術(shù)相比具有能夠以較短時間進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)。

另一方面，在使用了光的距離測量器中，存在以下問題：距離的測量精度根據(jù)照射光向測量對象物的照射角度，即照射光的光軸相對于測量點(diǎn)處的切面的斜率而發(fā)生變化。具體而言，照射光相對于切面的照射角度離90°的偏差越大，測量精度越下降。為了解決這種問題，在專利文獻(xiàn)1中，通過運(yùn)算來校正由于傾斜照射引起的測量誤差。此外，在專利文獻(xiàn)2中，通過將各種載物臺和固定器具設(shè)定為基于固定的算法的關(guān)系，縮小了由被測量物的緣部的急劇的面反射的光的反射角度。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開平9-178439號公報

專利文獻(xiàn)2：日本特開2002-257511號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

但是，在使用了光的距離測量器中，除了由于上述照射角度引起的誤差以外，還存在由于測長距離、即從測量器的端面到被測量面之間的距離引起的固有的誤差。在如上述專利文獻(xiàn)1、2那樣對呈球面狀的被測量面照射光的情況下，即使以被測量面的球心為基準(zhǔn)而改變了光的照射方向，只要被測量面不是正球形，邏輯上就無法使測長距離固定。但是，在上述專利文獻(xiàn)1、2中的任意一個中都沒有公開涉及與測長距離對應(yīng)的誤差的減小的技術(shù)。

本發(fā)明就是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種能夠在利用光以非接觸的方式測量呈球面狀的被測量面的形狀時，減小與測長距離對應(yīng)的誤差而進(jìn)行高精度的形狀測量的形狀測量裝置和形狀測量方法。

用于解決問題的手段

為了解決上述問題，并達(dá)成目的，本發(fā)明的形狀測量裝置測量具有呈球面狀的被測量面的測量對象物的該被測量面的形狀，其特征在于，該形狀測量裝置具有：保持件，其保持所述測量對象物；傳感器，其通過對所述被測量面照射光，以非接觸的方式測量與所述被測量面之間的距離并輸出測量值；傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其使所述傳感器繞第1軸旋轉(zhuǎn)；傳感器移動機(jī)構(gòu)，其使所述傳感器在與所述第1軸垂直的第2軸上移動，能夠使所述傳感器跨越與所述第1軸的交點(diǎn)的兩側(cè)而移動；保持件移動機(jī)構(gòu)，其使所述保持件沿著與鉛直方向平行的第3軸移動，并且使所述保持件在與該第3軸垂直的面內(nèi)移動；以及控制裝置，其根據(jù)從所述傳感器輸出的所述測量值，計算所述被測量面的形狀，并且計算該被測量面的球心的位置，對于所述保持件移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行使所述球心的位置與所述第1軸和所述第2軸的所述交點(diǎn)一致的控制。

在上述形狀測量裝置中，其特征在于，所述傳感器在所述第2軸上的位置能夠根據(jù)所述被測量面的廣域形狀而進(jìn)行調(diào)節(jié)。

上述形狀測量裝置的特征在于，該形狀測量裝置還具有保持件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該保持件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使所述保持件繞所述第3軸旋轉(zhuǎn)。

在上述形狀測量裝置中，其特征在于，所述控制裝置根據(jù)利用所述傳感器測量在表面的至少一部分具有正球面的主器件(master)而獲得的測量值，計算該形狀測量裝置的組裝誤差，并使用該組裝誤差來校正從所述傳感器輸出的所述被測量面的所述測量值。

在上述形狀測量裝置中，其特征在于，所述控制裝置具有存儲部，該存儲部存儲關(guān)于該形狀測量裝置預(yù)先取得的、與由所述傳感器照射的所述光的角度特性相關(guān)的信息，所述控制裝置使用與所述角度特性相關(guān)的信息，至少根據(jù)所述傳感器的繞所述第1軸的旋轉(zhuǎn)量，校正由于照射到所述被測量面上的所述光的照射角度引起的所述測量值的誤差。

在上述形狀測量裝置中，其特征在于，所述控制裝置具有存儲部，該存儲部存儲關(guān)于該形狀測量裝置預(yù)先取得的、與測長距離相關(guān)的信息，所述控制裝置使用與所述測長距離相關(guān)的信息，校正由于所述傳感器和所述被測量面之間的距離引起的所述測量值的誤差。

上述形狀測量裝置的特征在于，該形狀測量裝置還具有溫度計測器，該溫度計測器計測該形狀測量裝置的周圍的溫度，所述控制裝置具有存儲部，該存儲部存儲關(guān)于該形狀測量裝置預(yù)先取得的、與溫度特性相關(guān)的信息，所述控制裝置使用與所述溫度特性相關(guān)的信息，校正由于所述溫度的變化引起的所述測量值的誤差。

在上述形狀測量裝置中，其特征在于，所述控制裝置根據(jù)由所述傳感器測量出的所述被測量面和所述測量對象物的外周面的測量值，計算所述外周面相對于所述被測量面的偏心量。

本發(fā)明的形狀測量方法使用測量具有呈球面狀的被測量面的測量對象物的該被測量面的形狀的形狀測量裝置來進(jìn)行，其特征在于，所述形狀測量裝置具有：保持件，其保持所述測量對象物；傳感器，其通過對所述被測量面照射光，以非接觸的方式測量與所述被測量面之間的距離并輸出測量值；傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其使所述傳感器繞第1軸旋轉(zhuǎn)；傳感器移動機(jī)構(gòu)，其使所述傳感器在與所述第1軸垂直的第2軸上移動，能夠使所述傳感器跨越與所述第1軸的交點(diǎn)的兩側(cè)而移動；以及保持件移動機(jī)構(gòu)，其使所述保持件沿著與鉛直方向平行的第3軸移動，并且在與該第3軸垂直的面內(nèi)移動，該形狀測量方法包含以下步驟：根據(jù)從所述傳感器輸出的所述測量值，計算所述被測量面的形狀，并且計算該被測量面的球心的位置，通過所述保持件移動機(jī)構(gòu)，使所述球心的位置與所述第1軸和所述第2軸的所述交點(diǎn)一致。

上述形狀測量方法的特征在于，該形狀測量方法還包含以下步驟：根據(jù)所述被測量面的廣域形狀，調(diào)節(jié)所述傳感器在所述第2軸上的位置。

上述形狀測量方法的特征在于，還包含以下步驟：主器件測量步驟，利用所述傳感器來測量在表面的至少一部分具有正球面的主器件的所述正球面，并輸出測量值；第1運(yùn)算步驟，根據(jù)在所述主器件測量步驟中測量出的所述主器件的測量值，計算所述形狀測量裝置的組裝誤差；以及第2運(yùn)算步驟，使用在所述第1運(yùn)算步驟中計算出的所述組裝誤差，校正從所述傳感器輸出的所述被測量面的所述測量值。

上述形狀測量方法的特征在于，該形狀測量方法還包含校正步驟，該校正步驟使用關(guān)于所述形狀測量裝置預(yù)先取得的、與由所述傳感器照射的所述光的角度特性相關(guān)的信息，至少根據(jù)所述傳感器的繞所述第1軸的旋轉(zhuǎn)量，校正由于照射到所述被測量面上的所述光的照射角度引起的所述測量值的誤差。

上述形狀測量方法的特征在于，該形狀測量方法還包含校正步驟，該校正步驟使用關(guān)于所述形狀測量裝置預(yù)先取得的、與測長距離相關(guān)的信息，校正由于所述傳感器和所述被測量面之間的距離引起的所述測量值的誤差。

上述形狀測量方法的特征在于，該形狀測量方法還包含校正步驟，該校正步驟使用關(guān)于所述形狀測量裝置預(yù)先取得的、與溫度特性相關(guān)的信息，校正由于所述形狀測量裝置的周圍的溫度變化引起的所述測量值的誤差。

上述形狀測量方法的特征在于，該形狀測量方法還包含以下步驟：根據(jù)由所述傳感器測量出的所述被測量面和所述測量對象物的外周面的測量值，計算所述外周面相對于所述被測量面的偏心量。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置使以非接觸的方式測量與被測量面之間的距離并輸出測量值的傳感器繞第1軸旋轉(zhuǎn)的傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、及使傳感器在與第1軸垂直的第2軸上移動的傳感器移動機(jī)構(gòu)，并使第2軸上的上述傳感器能夠跨越與第1軸的交點(diǎn)的兩側(cè)而移動，并且使被測量面的球心的位置與第1軸和第2軸的交點(diǎn)一致，所以無論被測量面的曲率如何，都能夠?qū)鞲衅骱捅粶y量面之間的距離設(shè)定為固定，能夠減小傳感器中的與測長距離對應(yīng)的誤差而進(jìn)行高精度的形狀測量。

附圖說明

圖1是示出本發(fā)明實(shí)施方式的形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖。

圖2是示出圖1所示的傳感器中的角度特性誤差的例子的曲線圖。

圖3是示出圖1所示的傳感器中的直進(jìn)性誤差的例子的曲線圖。

圖4是示出圖1所示的傳感器中的溫度特性誤差的例子的曲線圖。

圖5是示出使用了圖1所示的形狀測量裝置的形狀測量方法的流程圖。

圖6是示出圖5所示的主器件(測量對象物)的調(diào)節(jié)方法的流程圖。

圖7是用于說明被測量面的測量方法的第1例的示意圖。

圖8是用于說明被測量面的測量方法的第2例的示意圖。

圖9是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

圖10是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

圖11是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

圖12是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

圖13是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

圖14是用于說明測量對象物的測量值的校正方法的曲線圖。

圖15是用于說明測量對象物的測量值的校正方法的曲線圖。

圖16是用于說明偏心量的測量方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖說明本發(fā)明的實(shí)施方式的形狀測量裝置以及形狀測量方法。另外，本發(fā)明不受這些實(shí)施方式限定。另外，在各附圖的記載中，對相同部分標(biāo)注相同標(biāo)號來示出。需要注意到附圖僅是示意圖，各個部分的尺寸關(guān)系和比率與實(shí)際情況不同。在附圖相互之間也包括彼此的尺寸關(guān)系和比率不同的部分。

(實(shí)施方式)

圖1是示出本發(fā)明實(shí)施方式的形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖。如圖1所示，本實(shí)施方式的形狀測量裝置1是測量具有呈凸或凹的球面狀的被測量面的測量對象物的該被測量面的形狀的形狀測量裝置，更詳細(xì)而言，測量被測量面的各個點(diǎn)的徑向的形狀偏差。形狀測量裝置1具有：基座2；2個支承部件3，其被固定在該基座2上；2個滑軌4，其經(jīng)由編碼器5被能夠旋轉(zhuǎn)地安裝在這些支承部件3上；桿6，其被安裝成能夠沿著設(shè)置在滑軌4上的軌道部4a滑動；傳感器7，其被固定在該桿6上；θ載物臺8，其被以能夠在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在基座2上；X載物臺9、Y載物臺10、和Z載物臺11，它們設(shè)置在該θ載物臺8上；保持件12，其保持Z載物臺11上的測量對象物20；溫度計測器13，其經(jīng)由腳部13a而設(shè)置在基座2上，并測量周圍的溫度；以及控制裝置14，其控制該形狀測量裝置1整體的動作。以下，設(shè)鉛直方向?yàn)閆方向、與該Z方向垂直的水平面為XY面。

測量對象物20例如是如光學(xué)鏡頭或研磨該光學(xué)鏡頭的研磨工具等那樣在至少一部分上具有呈凸或凹的球面狀的被測量面21的部件。另外，雖然在圖1中，設(shè)作為測量對象物20的上表面的被測量面21為凹形狀、下表面為平面狀，但是測量對象物20的形狀只要至少被測量面21形成為球面形狀即可，未特別限定。此外，關(guān)于被測量面21的表面狀態(tài)，可以是粗糙面，也可以是研磨面。

傳感器7是通過對測量對象物20的被測量面21照射光來測量到該被測量面21的距離并輸出測量值的非接觸式測量器。在本實(shí)施方式中，使用通過三角測距方式來測量距離的激光位移計作為傳感器7。另外，除了三角測距方式以外，當(dāng)然還可以使用如分光干渉方式的傳感器那樣通過其他方式測量距離的設(shè)備，作為傳感器7。將由傳感器7測量的到測量對象物20之間的距離信息(測量值)輸出到控制裝置14。

2個滑軌4設(shè)置成能夠繞編碼器5的中心軸R1(第1軸)360°旋轉(zhuǎn)，且相互平行。編碼器5是經(jīng)由滑軌4使傳感器7繞中心軸R1旋轉(zhuǎn)的傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。此外，滑軌4和桿6是使傳感器7在與中心軸R1垂直的軸R2(第2軸)上移動的傳感器移動機(jī)構(gòu)。作為該傳感器7可移動的路徑的軸R2和中心軸R1的交點(diǎn)為傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C。

桿6和傳感器7設(shè)置成能夠沿著軸R2跨越旋轉(zhuǎn)中心C的兩側(cè)而移動。軌道部4a上的桿6的位置，即軸R2上的傳感器7的位置根據(jù)被測量面21的廣域形狀而進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體而言，在被測量面21的廣域形狀為凹的球面狀的情況下，桿6配置在比支點(diǎn)4b靠下側(cè)，即接近被測量面21的一側(cè)，在被測量面21的廣域形狀為凸的球面狀的情況下，桿6配置于比支點(diǎn)4b靠上側(cè)，即從被測量面21遠(yuǎn)離的一側(cè)。

在滑軌4和桿6上設(shè)有驅(qū)動裝置，滑軌4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和桿6在滑軌4上的滑動經(jīng)由該驅(qū)動裝置，被控制裝置14自動控制?；蛘撸部梢杂捎脩羰謩涌刂苹?的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和桿6在滑軌4上的滑動。將編碼器5的旋轉(zhuǎn)移動量和滑軌4上的桿6的直進(jìn)移動量(從支點(diǎn)4b起的距離和移動方向)輸出到控制裝置14。

θ載物臺8是如下的保持件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：通過繞與Z方向平行的軸旋轉(zhuǎn)，使保持件12，換言之測量對象物20相對于桿6的相對朝向發(fā)生變化。此外，X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺11是如下的保持件移動機(jī)構(gòu)：通過在θ載物臺8上在XYZ的各個方向上平移，來調(diào)節(jié)保持件12、換言之測量對象物20的3維位置。在這些θ載物臺8、X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺1上設(shè)有驅(qū)動裝置，θ載物臺8的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺11在各個方向上的平移運(yùn)動經(jīng)由該驅(qū)動裝置，被控制裝置14自動控制?；蛘撸部梢杂捎脩羰謩涌刂痞容d物臺8的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺11在各個方向上的平移運(yùn)動。

控制裝置14例如由個人計算機(jī)構(gòu)成，并控制該形狀測量裝置1整體的動作。詳細(xì)而言，控制裝置14具有：存儲部141，其存儲該控制裝置14的控制程序和各種信息；運(yùn)算部142，其計算被測量面21的形狀；顯示部143，其顯示計算出的被測量面21的形狀；以及控制部144，其統(tǒng)一控制這些各個部的動作。

控制部144對調(diào)節(jié)桿6在滑軌4上的位置、以及θ載物臺8、X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺11的位置以使得被測量面21的球心與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致、以及測量被測量面21的形狀的一系列動作進(jìn)行控制。

具體而言，從傳感器7對被測量面21照射激光作為照射光，通過檢測來自被測量面21的反射光，測量從傳感器7到被測量面21的距離，并根據(jù)該距離，測量被測量面21的形狀、即微小的凹凸或與正球形的形狀誤差。如上所述，由于將被測量面21的球心設(shè)定成與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致，所以通過使滑軌4和θ載物臺8旋轉(zhuǎn)，能夠從傳感器7對被測量面21上的各個點(diǎn)處的切面垂直地照射照射光，并能夠?qū)膫鞲衅?到被測量面21上的各個點(diǎn)的距離維持為固定。因此，能夠?qū)τ诒粶y量面21的整個區(qū)域，排除在傳感器7中產(chǎn)生的固有的誤差，具體而言由于照射光對于被測量面21的照射角度而引起的誤差、或由于到被測量面21之間的測長距離的不同而引起的誤差，從而進(jìn)行高精度的形狀測量。以下，將由照射光的照射角度引起的誤差稱作角度特性誤差。此外，將由于測長距離的不同而引起的誤差稱作直進(jìn)性誤差。

但是，只要被測量面21是正球形，則就如上所述能夠進(jìn)行排除了角度特性誤差和直進(jìn)性誤差的形狀測量。但是，在被測量面21上產(chǎn)生波動等偏離了正球形的情況下，這些誤差的影響體現(xiàn)到傳感器7的測量結(jié)果中。此外，根據(jù)該形狀測量裝置1設(shè)置的環(huán)境，有時還產(chǎn)生由于溫度變化引起的溫度特性誤差。因此，在本實(shí)施方式中，通過事先評價傳感器7中的角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差的各誤差成分并存儲到存儲部141中，并使用基于這些誤差成分的校正數(shù)據(jù)來對于從傳感器7輸出的測量值進(jìn)行校正運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了高精度的形狀測量。

以下，參照圖2～圖4，對于存儲部141所存儲的誤差成分進(jìn)行說明。另外，以下進(jìn)行說明的各種誤差成分是被用作傳感器7的激光位移計單獨(dú)具有的固有的成分，只要一旦取得并存儲到存儲部141中則無需再次取得，直到進(jìn)行傳感器7的校正為止。

圖2是示出傳感器7中的角度特性誤差的例子的曲線圖。在從傳感器7照射的照射光相對于被測量面21上的照射點(diǎn)處的切面的法線傾斜的情況下，照射光的光路與反射光的光路不一致。在該情況下，測量對象距離D越大，傳感器7的測量值產(chǎn)生越大的誤差。這種誤差是角度特性誤差ΔL_θ(D)。這里，角度θ表示照射光的光軸相對于照射點(diǎn)的切面的法線的角度。另外，圖2所示的實(shí)線表示θ＝+θ₀時的角度特性誤差ΔL_θ(D)，虛線表示θ＝-θ₀時的角度特性誤差ΔL_θ(D)。這種角度特性誤差ΔL_θ(D)能夠通過使照射光相對于照射點(diǎn)處的切面傾斜而進(jìn)行實(shí)際測量。切面的法線與照射光的光軸所成的角度能夠通過控制編碼器5的旋轉(zhuǎn)量和θ載物臺8的旋轉(zhuǎn)量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。存儲部141按照每個角度θ(-90°<θ<90°)，存儲這樣測量出的角度特性誤差ΔL_θ(D)。

圖3是示出傳感器7中的直進(jìn)性誤差的例子的曲線圖。在沒有角度特性誤差的情況下，在使相對于被測量面21的測量對象距離、即從傳感器7到被測量面21上的各個點(diǎn)之間的距離發(fā)生變化時，在測量對象距離和傳感器7的測量值之間產(chǎn)生誤差。這種誤差是直進(jìn)性誤差ΔL_d(D)。直進(jìn)性誤差ΔL_d(D)能夠根據(jù)針對各測量對象距離的傳感器7的測量值而取得。存儲部141存儲這樣取得的直進(jìn)性誤差ΔL_d(D)。

圖4是示出傳感器7中的溫度特性誤差的例子的曲線圖。當(dāng)在沒有角度特性誤差的狀態(tài)下，使傳感器7與被測量面21之間的位置關(guān)系不變化而使溫度環(huán)境發(fā)生變化時，在測量對象距離和傳感器7的測量值之間產(chǎn)生誤差。該誤差是溫度特性誤差ΔL_t(T)。圖4所示的實(shí)線表示在將測量對象處理維持為40mm、使溫度在23°±4°之間發(fā)生變化的情況下的傳感器7的測量值。存儲部141存儲這樣按照每個測量對象距離而實(shí)際測量出的溫度特性誤差ΔL_t(T)。

接著，說明使用了圖1所示的形狀測量裝置1的形狀測量方法。圖5是示出使用了形狀測量裝置1的形狀測量方法的流程圖。

首先，在步驟S10中，將具有呈正球形的被測量面的主器件設(shè)置在保持件12上。另外，雖然下面設(shè)主器件具有的被測量面為凸的球面形狀，但即使是凹的球面形狀，也同樣能夠執(zhí)行各步驟。

在接下來的步驟S11中，進(jìn)行主器件的各種調(diào)節(jié)。圖6是示出主器件的調(diào)節(jié)方法的流程圖。

在步驟S111中，通過控制裝置14的自動控制或用戶的手動控制，調(diào)節(jié)θ載物臺8、X載物臺9、Y載物臺10和Z載物臺11，由此找出主器件的頂點(diǎn)的位置。

在接下來的步驟S112中，通過控制裝置14的自動控制或用戶的手動控制，調(diào)節(jié)Z載物臺11，使得主器件的球心與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致，由此找出主器件的球心位置。

在步驟S113中，通過控制裝置14的自動控制或用戶的手動控制來調(diào)節(jié)桿6在滑軌4上的位置，由此找出在各個傳感器7中設(shè)定有傳感器7與主器件的頂點(diǎn)之間的距離的測量基準(zhǔn)距離。

在步驟S114中，通過控制裝置14的自動控制或用戶的手動控制，使編碼器5旋轉(zhuǎn)，使傳感器7移動到測量開始位置。然后，處理返回到主例程。

在接著步驟S11的步驟S12中，通過控制裝置14的自動控制，經(jīng)由編碼器5使滑軌4旋轉(zhuǎn)，使傳感器7從測量開始位置起到測量結(jié)束位置為止繞中心軸R1旋轉(zhuǎn)，并且使θ載物臺8同步旋轉(zhuǎn)，由此進(jìn)行主器件的被測量面的測量。

作為被測量面的測量方法，可舉出以下的2個例子。圖7是用于說明被測量面的測量方法的第1例的示意圖。如圖7所示，對于主器件22的被測量面23，通過在對圓周L₁上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使θ載物臺8旋轉(zhuǎn)一周，來對圓周L₁進(jìn)行掃描。接下來，通過使編碼器5旋轉(zhuǎn)而使照射光的照射點(diǎn)錯開，在對圓周L₂上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使θ載物臺8旋轉(zhuǎn)一周，來對圓周L₂進(jìn)行掃描。同樣，通過反復(fù)進(jìn)行利用照射光對圓周L₃～L_n的掃描，能夠測量各圓周L₁～L_n上的各個點(diǎn)與傳感器7之間的距離。

圖8是用于說明被測量面的測量方法的第2例的示意圖。如圖8所示，對于主器件22的被測量面23，通過在對半圓周M₁上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使編碼器5旋轉(zhuǎn)，來對半圓周M₁進(jìn)行掃描。接下來，通過使θ載物臺8旋轉(zhuǎn)并使照射光的照射點(diǎn)錯開，在對半圓周M₂上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使編碼器5旋轉(zhuǎn)，來對半圓周M₂進(jìn)行掃描。同樣，通過反復(fù)進(jìn)行利用照射光對半圓周M₃～M_n的掃描，能夠測量各半圓周M₁～M_n上的各個點(diǎn)與傳感器7之間的距離。

在步驟S13中，運(yùn)算部142取入從傳感器7輸出的測量值、編碼器5的旋轉(zhuǎn)量、θ載物臺8的旋轉(zhuǎn)量和從溫度計測器13輸出的溫度測量值，校正被測量面23的測量值并進(jìn)行計算該被測量面23的形狀的運(yùn)算處理，并將運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲到存儲部141中。

更詳細(xì)而言，運(yùn)算部142對于從傳感器7輸出的主器件的測量值，進(jìn)行去除角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差的校正。以下，對該校正方法進(jìn)行詳細(xì)說明。圖9～圖13是用于說明主器件的測量值的校正方法的曲線圖。

在圖9中，實(shí)線表示主器件22的被測量面23的形狀的理論值，虛線表示測量值。主器件22的被測量面23形成為以比目標(biāo)的測量精度高的精度制作出的正球形。因此，圖9所示的理論值和測量值的差可認(rèn)為是形狀測量裝置中的測量誤差，即組裝誤差、角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差。

圖10和圖11是用于說明角度特性誤差的校正方法的圖。其中的圖10是示出主器件的形狀的測量值相對于主器件的形狀的理論值的差分，即將主器件的理論值視作直線的情況下的測量值的換算值的曲線圖。此外，圖11是放大示出圖10所示的區(qū)域A所包含的任意的照射點(diǎn)P1～P3的示意圖。

如圖11所示，照射光的光軸相對于測量面的法線的斜率(角度α)使用相鄰的照射點(diǎn)P1(P1_x，P1_y)、P2(P2_x，P2_y)的坐標(biāo)值，通過下式(1)來給出。

運(yùn)算部142根據(jù)存儲部141所預(yù)先存儲的角度特性誤差ΔL_θ(D)(參照圖2)，取得與角度α對應(yīng)的角度特性誤差ΔL_α(D)，從主器件的測量值中減去該角度特性誤差ΔL_α(D)，由此進(jìn)行校正。

圖12是用于說明直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差的校正方法的圖，照射點(diǎn)P1’、P2’、P3’示出了分別針對圖11所示的照射點(diǎn)P1、P2、P3校正角度特性誤差后的位置。在校正直進(jìn)性誤差時，如圖12所示，運(yùn)算部142計算從校正后的照射點(diǎn)P2’到傳感器7的表面7a的距離h，根據(jù)存儲部141所預(yù)先存儲的直進(jìn)性誤差ΔL_d(D)，取得與距離h對應(yīng)的直進(jìn)性誤差ΔL_d(h)。而且，通過從校正角度特性誤差后的主器件的測量值中減去該直進(jìn)性誤差ΔL_d(h)，來進(jìn)行校正。

此外，在校正溫度特性誤差時，運(yùn)算部142基于從溫度計測器13輸出的溫度的測量值T₀，根據(jù)存儲部141所預(yù)先存儲的溫度特性誤差ΔL_t(T)，取得與溫度的測量值對應(yīng)的溫度特性誤差ΔL_t(T₀)。而且，通過從校正直進(jìn)性誤差后的主器件的測量值減去該溫度特性誤差ΔL_t(T₀)，來進(jìn)行校正。

這樣，從傳感器7的測量值中去除角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差后的測量值，即去除3個誤差后的測量值與主器件的理論值的差分成為形狀測量裝置1的組裝誤差(參照圖13)。運(yùn)算部142將這樣計算出的組裝誤差的數(shù)據(jù)存儲到存儲部141中。

在接著步驟S13的步驟S14中，控制部144根據(jù)在步驟S13中計算出的被測量面23的形狀，判定該被測量面23的球心位置O是否與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C(參照圖1)一致。

在被測量面23的球心位置O與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C不一致的情況下(步驟S14：否)，返回到步驟S11，重新進(jìn)行主器件的調(diào)節(jié)。

另一方面，在被測量面23的球心位置O與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致的情況下(步驟S14：是)，從保持件12卸下主器件22，將測量對象物設(shè)置在保持件12上(步驟S15)。這時的主器件22的球心位置O與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致的狀態(tài)下的主器件22的測量值成為測量測量對象物時的基準(zhǔn)值。

在接下來的步驟S16中，進(jìn)行測量對象物的各種調(diào)節(jié)。測量對象物的調(diào)節(jié)方法與步驟S11相同(參照圖6)。

在步驟S17中，通過控制裝置14的自動控制，進(jìn)行測量對象物的被測量面的測量。測量對象物的被測量面的測量方法與步驟S12相同。

在步驟S18中，取入從傳感器7輸出的測量值、編碼器5的旋轉(zhuǎn)量、θ載物臺8的旋轉(zhuǎn)量和從溫度計測器13輸出的溫度測量值，進(jìn)行校正測量對象物的被測量面的測量值而計算該被測量面的形狀的運(yùn)算處理，并將運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲到存儲部141中。

詳細(xì)而言，運(yùn)算部142對于測量對象物的被測量面的測量值進(jìn)行誤差的校正。圖14和圖15是用于說明針對測量對象物的測量值的誤差的校正方法的曲線圖。

首先，如圖14所示，運(yùn)算部142從作為從傳感器7輸出的測量對象物的測量值的校正前測量值中減去在步驟S13中計算出的主器件的去除3個誤差后的測量值，進(jìn)行形狀測量裝置1的組裝誤差的校正。由此，如圖15所示，可獲得去除組裝誤差后的測量對象物的測量值即校正后測量值。

接下來，運(yùn)算部142使用編碼器5的旋轉(zhuǎn)量、θ載物臺8的旋轉(zhuǎn)量和從溫度計測器13輸出的溫度測量值，對于測量對象物的校正后測量值進(jìn)行角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差的校正。另外，角度特性誤差、直進(jìn)性誤差和溫度特性誤差的校正方法與步驟S13相同。

運(yùn)算部142還根據(jù)這樣校正后的測量值，計算測量對象部的被測量面的形狀，并將表示該形狀的數(shù)據(jù)存儲到存儲部141中。

在接下來的步驟S19中，控制部144根據(jù)在步驟S18中計算出的被測量面的形狀，判定被測量面的球心位置是否與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C(參照圖1)一致。

在被測量面的球心位置與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C不一致的情況下(步驟S19：否)，返回到步驟S16，重新進(jìn)行測量對象物的調(diào)節(jié)。

另一方面，在被測量面的球心位置與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致的情況下(步驟S19：是)，控制部144將表示在步驟S18中計算出的被測量面的形狀的數(shù)據(jù)輸出到顯示部143，并顯示該形狀(步驟S20)。然后，形狀測量裝置1的形狀測量方法結(jié)束。

如以上所說明那樣，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，由于形成為傳感器7能夠沿著滑軌4的軌道部4a進(jìn)行移動的結(jié)構(gòu)，在使被測量面的球心位置與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C一致以后，使傳感器7旋轉(zhuǎn)，所以無論測量對象物的被測量面是凸?fàn)钸€是凹狀，此外無論曲率半徑如何，都能夠?qū)⒄丈涔庀鄬τ诒粶y量面的照射角度保持為大致垂直，且將測長距離保持為大致固定來進(jìn)行測量。因此，能夠極其地縮小測量值中的角度特性誤差或直進(jìn)性誤差。

此外，根據(jù)上述實(shí)施方式，通過運(yùn)算處理去除由于被測量面上的微小的波動而產(chǎn)生的角度特性誤差、直進(jìn)性誤差或溫度特性誤差，由此能夠進(jìn)一步提高測量對象物的被測量面的形狀的測量精度。

此外，根據(jù)上述實(shí)施方式，由于通過使用具有呈正球形的被測量面的主器件來進(jìn)行測量，從而計算形狀測量裝置1的組裝誤差，所以通過從測量對象物的測量值中去除該組裝誤差，能夠進(jìn)行進(jìn)一步高精度的形狀測量。

此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，如上所述，由于無論被測量面的形狀(凸形狀或凹形狀)如何，都能夠進(jìn)行測量，所以例如能夠由同一裝置測量用于制作玻璃的研磨鏡片的加工皿和使用該加工皿而制作成的研磨鏡片。因此，能夠排除由于測量裝置的設(shè)備差引起的誤差，并高精度地相對評價兩者的測量結(jié)果。

另外，雖然在上述實(shí)施方式中，設(shè)為3維地測量呈球面狀的被測量面21的形狀，但是在形狀測量裝置1中，還能夠2維地測量圓柱的側(cè)面(外周面或內(nèi)周面)等彎曲面的形狀。在該情況下，可以省略θ載物臺8。

(變形例)

接著，對本發(fā)明的實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。雖然在上述實(shí)施方式中，說明了對測量對象物的呈球面的被測量面的形狀進(jìn)行測量的情況，但圖1所示的形狀測量裝置1還能夠?qū)y量對象物的外周面相對于被測量面的偏心量進(jìn)行測量。

本變形例的偏心量的測量方法在圖5所示的步驟S19以后、即判定為測量對象物中的被測量面的球心位置與傳感器7的旋轉(zhuǎn)中心C(參照圖1)一致以后執(zhí)行。圖16是用于說明偏心量的測量方法的示意圖。

首先，形狀測量裝置1對測量對象物25的外周面26進(jìn)行測量。詳細(xì)而言，對于測量對象物25的外周面26，通過在對圓周K₁上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使θ載物臺8旋轉(zhuǎn)一周，對圓周K₁進(jìn)行掃描。接下來，通過驅(qū)動Z載物臺11而使照射光的照射點(diǎn)錯開，在對圓周K₂上的1個點(diǎn)照射了照射光的狀態(tài)下使θ載物臺8旋轉(zhuǎn)一周，對圓周K₂進(jìn)行掃描。同樣，通過反復(fù)進(jìn)行利用照射光對圓周K₃～K_n的掃描，測量各圓周K₁～K_n上的各個點(diǎn)與傳感器7之間的距離。

而且，運(yùn)算部142根據(jù)測量對象物25的外周面26的測量值和在步驟S18中取得的數(shù)據(jù)，計算外周面26相對于被測量面27的偏心量、即作為XY方向的偏差的偏移量、和作為外周面的傾斜量的傾斜量。

以上所說明的實(shí)施方式和變形例不限于用于實(shí)施本發(fā)明的例子，本發(fā)明不限于這些例子。此外，對于本發(fā)明，能夠通過適當(dāng)組合實(shí)施方式和變形例所公開的多個結(jié)構(gòu)要素來形成各種發(fā)明。本發(fā)明能夠根據(jù)規(guī)格等進(jìn)行各種變形，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)其它的各種實(shí)施方式。

標(biāo)號說明

1：形狀測量裝置；2：基座；3：支承部件；4：滑軌；4a軌道部；4b支點(diǎn)；5：編碼器；6：桿；7：傳感器；7a：表面；8：θ載物臺；9：X載物臺；10：Y載物臺；11：Z載物臺；12：保持件；13：溫度計測器；13a：腳部；14：控制裝置；141：存儲部；142：運(yùn)算部；143：顯示部；144：控制部；20、25：測量對象物；21、23、27：被測量面；22：主器件；26：外周面。