CN106796104A - 形状测量装置以及形状测量方法 - Google Patents

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Abstract

提供形状测量装置等，能够在利用光以非接触的方式测量呈球面状的被测量面的形状时，减小与测长距离对应的误差而进行高精度的形状测量。形状测量装置(1)具有：保持件(12)，其保持测量对象物(20)；传感器(7)，其对被测量面(21)照射光并以非接触的方式测量与该被测量面(21)之间的距离；编码器(5)，其使传感器(7)绕中心轴(R1)旋转；滑轨(4)和杆(6)，它们是使传感器(7)在与中心轴(R1)垂直的轴(R2)上移动的传感器移动机构，且能够使传感器(7)跨越与中心轴(R1)的交点的两侧而移动；XYZ载物台，其使保持件(12)沿着Z轴移动并在XY面内移动；以及控制装置(14)，其根据从传感器(7)输出的测量值来计算被测量面(21)的球心的位置，并进行使该球心的位置与传感器(7)的旋转中心(C)一致的控制。

Description

形状测量装置以及形状测量方法
技术领域
本发明涉及以非接触的方式测量具有呈球面状的曲面的球面形状部件中的该曲面的形状的形状测量装置和形状测量方法。
背景技术
作为具有呈球面状的曲面的球面形状部件，可代表性地举出光学镜头或加工光学镜头的加工皿。以往，作为测量这种球面形状部件中的曲面的形状的技术，已知有使接触式的探针与测量对象物接触而进行测量的接触式的形状测量技术。
此外，近年来，还已知有通过激光位移计等使用了光的距离测量器来测量到被测量面的距离，由此测量被测量面的形状的非接触式的形状测量技术(例如参照专利文献1、2)。在非接触式的形状测量技术中，由于无需使探针与被测量物接触，所以不会对被测量面造成损伤，此外，即使测量对象面为粗糙面或断续的面，也能够高精度地进行测量。并且，非接触式的测量技术与以往的接触式的测量技术相比具有能够以较短时间进行测量的优点。
另一方面，在使用了光的距离测量器中，存在以下问题：距离的测量精度根据照射光向测量对象物的照射角度，即照射光的光轴相对于测量点处的切面的斜率而发生变化。具体而言，照射光相对于切面的照射角度离90°的偏差越大，测量精度越下降。为了解决这种问题，在专利文献1中，通过运算来校正由于倾斜照射引起的测量误差。此外，在专利文献2中，通过将各种载物台和固定器具设定为基于固定的算法的关系，缩小了由被测量物的缘部的急剧的面反射的光的反射角度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-178439号公报
专利文献2：日本特开2002-257511号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在使用了光的距离测量器中，除了由于上述照射角度引起的误差以外，还存在由于测长距离、即从测量器的端面到被测量面之间的距离引起的固有的误差。在如上述专利文献1、2那样对呈球面状的被测量面照射光的情况下，即使以被测量面的球心为基准而改变了光的照射方向，只要被测量面不是正球形，逻辑上就无法使测长距离固定。但是，在上述专利文献1、2中的任意一个中都没有公开涉及与测长距离对应的误差的减小的技术。
本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够在利用光以非接触的方式测量呈球面状的被测量面的形状时，减小与测长距离对应的误差而进行高精度的形状测量的形状测量装置和形状测量方法。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，并达成目的，本发明的形状测量装置测量具有呈球面状的被测量面的测量对象物的该被测量面的形状，其特征在于，该形状测量装置具有：保持件，其保持所述测量对象物；传感器，其通过对所述被测量面照射光，以非接触的方式测量与所述被测量面之间的距离并输出测量值；传感器旋转机构，其使所述传感器绕第1轴旋转；传感器移动机构，其使所述传感器在与所述第1轴垂直的第2轴上移动，能够使所述传感器跨越与所述第1轴的交点的两侧而移动；保持件移动机构，其使所述保持件沿着与铅直方向平行的第3轴移动，并且使所述保持件在与该第3轴垂直的面内移动；以及控制装置，其根据从所述传感器输出的所述测量值，计算所述被测量面的形状，并且计算该被测量面的球心的位置，对于所述保持件移动机构进行使所述球心的位置与所述第1轴和所述第2轴的所述交点一致的控制。
在上述形状测量装置中，其特征在于，所述传感器在所述第2轴上的位置能够根据所述被测量面的广域形状而进行调节。
上述形状测量装置的特征在于，该形状测量装置还具有保持件旋转机构，该保持件旋转机构使所述保持件绕所述第3轴旋转。
在上述形状测量装置中，其特征在于，所述控制装置根据利用所述传感器测量在表面的至少一部分具有正球面的主器件(master)而获得的测量值，计算该形状测量装置的组装误差，并使用该组装误差来校正从所述传感器输出的所述被测量面的所述测量值。
在上述形状测量装置中，其特征在于，所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与由所述传感器照射的所述光的角度特性相关的信息，所述控制装置使用与所述角度特性相关的信息，至少根据所述传感器的绕所述第1轴的旋转量，校正由于照射到所述被测量面上的所述光的照射角度引起的所述测量值的误差。
在上述形状测量装置中，其特征在于，所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与测长距离相关的信息，所述控制装置使用与所述测长距离相关的信息，校正由于所述传感器和所述被测量面之间的距离引起的所述测量值的误差。
上述形状测量装置的特征在于，该形状测量装置还具有温度计测器，该温度计测器计测该形状测量装置的周围的温度，所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与温度特性相关的信息，所述控制装置使用与所述温度特性相关的信息，校正由于所述温度的变化引起的所述测量值的误差。
在上述形状测量装置中，其特征在于，所述控制装置根据由所述传感器测量出的所述被测量面和所述测量对象物的外周面的测量值，计算所述外周面相对于所述被测量面的偏心量。
本发明的形状测量方法使用测量具有呈球面状的被测量面的测量对象物的该被测量面的形状的形状测量装置来进行，其特征在于，所述形状测量装置具有：保持件，其保持所述测量对象物；传感器，其通过对所述被测量面照射光，以非接触的方式测量与所述被测量面之间的距离并输出测量值；传感器旋转机构，其使所述传感器绕第1轴旋转；传感器移动机构，其使所述传感器在与所述第1轴垂直的第2轴上移动，能够使所述传感器跨越与所述第1轴的交点的两侧而移动；以及保持件移动机构，其使所述保持件沿着与铅直方向平行的第3轴移动，并且在与该第3轴垂直的面内移动，该形状测量方法包含以下步骤：根据从所述传感器输出的所述测量值，计算所述被测量面的形状，并且计算该被测量面的球心的位置，通过所述保持件移动机构，使所述球心的位置与所述第1轴和所述第2轴的所述交点一致。
上述形状测量方法的特征在于，该形状测量方法还包含以下步骤：根据所述被测量面的广域形状，调节所述传感器在所述第2轴上的位置。
上述形状测量方法的特征在于，还包含以下步骤：主器件测量步骤，利用所述传感器来测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，并输出测量值；第1运算步骤，根据在所述主器件测量步骤中测量出的所述主器件的测量值，计算所述形状测量装置的组装误差；以及第2运算步骤，使用在所述第1运算步骤中计算出的所述组装误差，校正从所述传感器输出的所述被测量面的所述测量值。
上述形状测量方法的特征在于，该形状测量方法还包含校正步骤，该校正步骤使用关于所述形状测量装置预先取得的、与由所述传感器照射的所述光的角度特性相关的信息，至少根据所述传感器的绕所述第1轴的旋转量，校正由于照射到所述被测量面上的所述光的照射角度引起的所述测量值的误差。
上述形状测量方法的特征在于，该形状测量方法还包含校正步骤，该校正步骤使用关于所述形状测量装置预先取得的、与测长距离相关的信息，校正由于所述传感器和所述被测量面之间的距离引起的所述测量值的误差。
上述形状测量方法的特征在于，该形状测量方法还包含校正步骤，该校正步骤使用关于所述形状测量装置预先取得的、与温度特性相关的信息，校正由于所述形状测量装置的周围的温度变化引起的所述测量值的误差。
上述形状测量方法的特征在于，该形状测量方法还包含以下步骤：根据由所述传感器测量出的所述被测量面和所述测量对象物的外周面的测量值，计算所述外周面相对于所述被测量面的偏心量。
发明效果
根据本发明，设置使以非接触的方式测量与被测量面之间的距离并输出测量值的传感器绕第1轴旋转的传感器旋转机构、及使传感器在与第1轴垂直的第2轴上移动的传感器移动机构，并使第2轴上的上述传感器能够跨越与第1轴的交点的两侧而移动，并且使被测量面的球心的位置与第1轴和第2轴的交点一致，所以无论被测量面的曲率如何，都能够将传感器和被测量面之间的距离设定为固定，能够减小传感器中的与测长距离对应的误差而进行高精度的形状测量。
附图说明
图1是示出本发明实施方式的形状测量装置的结构例的示意图。
图2是示出图1所示的传感器中的角度特性误差的例子的曲线图。
图3是示出图1所示的传感器中的直进性误差的例子的曲线图。
图4是示出图1所示的传感器中的温度特性误差的例子的曲线图。
图5是示出使用了图1所示的形状测量装置的形状测量方法的流程图。
图6是示出图5所示的主器件(测量对象物)的调节方法的流程图。
图7是用于说明被测量面的测量方法的第1例的示意图。
图8是用于说明被测量面的测量方法的第2例的示意图。
图9是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
图10是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
图11是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
图12是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
图13是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
图14是用于说明测量对象物的测量值的校正方法的曲线图。
图15是用于说明测量对象物的测量值的校正方法的曲线图。
图16是用于说明偏心量的测量方法的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式的形状测量装置以及形状测量方法。另外，本发明不受这些实施方式限定。另外，在各附图的记载中，对相同部分标注相同标号来示出。需要注意到附图仅是示意图，各个部分的尺寸关系和比率与实际情况不同。在附图相互之间也包括彼此的尺寸关系和比率不同的部分。
(实施方式)
图1是示出本发明实施方式的形状测量装置的结构例的示意图。如图1所示，本实施方式的形状测量装置1是测量具有呈凸或凹的球面状的被测量面的测量对象物的该被测量面的形状的形状测量装置，更详细而言，测量被测量面的各个点的径向的形状偏差。形状测量装置1具有：基座2；2个支承部件3，其被固定在该基座2上；2个滑轨4，其经由编码器5被能够旋转地安装在这些支承部件3上；杆6，其被安装成能够沿着设置在滑轨4上的轨道部4a滑动；传感器7，其被固定在该杆6上；θ载物台8，其被以能够在水平面内进行旋转的方式设置在基座2上；X载物台9、Y载物台10、和Z载物台11，它们设置在该θ载物台8上；保持件12，其保持Z载物台11上的测量对象物20；温度计测器13，其经由脚部13a而设置在基座2上，并测量周围的温度；以及控制装置14，其控制该形状测量装置1整体的动作。以下，设铅直方向为Z方向、与该Z方向垂直的水平面为XY面。
测量对象物20例如是如光学镜头或研磨该光学镜头的研磨工具等那样在至少一部分上具有呈凸或凹的球面状的被测量面21的部件。另外，虽然在图1中，设作为测量对象物20的上表面的被测量面21为凹形状、下表面为平面状，但是测量对象物20的形状只要至少被测量面21形成为球面形状即可，未特别限定。此外，关于被测量面21的表面状态，可以是粗糙面，也可以是研磨面。
传感器7是通过对测量对象物20的被测量面21照射光来测量到该被测量面21的距离并输出测量值的非接触式测量器。在本实施方式中，使用通过三角测距方式来测量距离的激光位移计作为传感器7。另外，除了三角测距方式以外，当然还可以使用如分光干渉方式的传感器那样通过其他方式测量距离的设备，作为传感器7。将由传感器7测量的到测量对象物20之间的距离信息(测量值)输出到控制装置14。
2个滑轨4设置成能够绕编码器5的中心轴R1(第1轴)360°旋转，且相互平行。编码器5是经由滑轨4使传感器7绕中心轴R1旋转的传感器旋转机构。此外，滑轨4和杆6是使传感器7在与中心轴R1垂直的轴R2(第2轴)上移动的传感器移动机构。作为该传感器7可移动的路径的轴R2和中心轴R1的交点为传感器7的旋转中心C。
杆6和传感器7设置成能够沿着轴R2跨越旋转中心C的两侧而移动。轨道部4a上的杆6的位置，即轴R2上的传感器7的位置根据被测量面21的广域形状而进行调节。具体而言，在被测量面21的广域形状为凹的球面状的情况下，杆6配置在比支点4b靠下侧，即接近被测量面21的一侧，在被测量面21的广域形状为凸的球面状的情况下，杆6配置于比支点4b靠上侧，即从被测量面21远离的一侧。
在滑轨4和杆6上设有驱动装置，滑轨4的旋转运动和杆6在滑轨4上的滑动经由该驱动装置，被控制装置14自动控制。或者，也可以由用户手动控制滑轨4的旋转运动和杆6在滑轨4上的滑动。将编码器5的旋转移动量和滑轨4上的杆6的直进移动量(从支点4b起的距离和移动方向)输出到控制装置14。
θ载物台8是如下的保持件旋转机构：通过绕与Z方向平行的轴旋转，使保持件12，换言之测量对象物20相对于杆6的相对朝向发生变化。此外，X载物台9、Y载物台10和Z载物台11是如下的保持件移动机构：通过在θ载物台8上在XYZ的各个方向上平移，来调节保持件12、换言之测量对象物20的3维位置。在这些θ载物台8、X载物台9、Y载物台10和Z载物台1上设有驱动装置，θ载物台8的旋转运动以及X载物台9、Y载物台10和Z载物台11在各个方向上的平移运动经由该驱动装置，被控制装置14自动控制。或者，也可以由用户手动控制θ载物台8的旋转运动以及X载物台9、Y载物台10和Z载物台11在各个方向上的平移运动。
控制装置14例如由个人计算机构成，并控制该形状测量装置1整体的动作。详细而言，控制装置14具有：存储部141，其存储该控制装置14的控制程序和各种信息；运算部142，其计算被测量面21的形状；显示部143，其显示计算出的被测量面21的形状；以及控制部144，其统一控制这些各个部的动作。
控制部144对调节杆6在滑轨4上的位置、以及θ载物台8、X载物台9、Y载物台10和Z载物台11的位置以使得被测量面21的球心与传感器7的旋转中心C一致、以及测量被测量面21的形状的一系列动作进行控制。
具体而言，从传感器7对被测量面21照射激光作为照射光，通过检测来自被测量面21的反射光，测量从传感器7到被测量面21的距离，并根据该距离，测量被测量面21的形状、即微小的凹凸或与正球形的形状误差。如上所述，由于将被测量面21的球心设定成与传感器7的旋转中心C一致，所以通过使滑轨4和θ载物台8旋转，能够从传感器7对被测量面21上的各个点处的切面垂直地照射照射光，并能够将从传感器7到被测量面21上的各个点的距离维持为固定。因此，能够对于被测量面21的整个区域，排除在传感器7中产生的固有的误差，具体而言由于照射光对于被测量面21的照射角度而引起的误差、或由于到被测量面21之间的测长距离的不同而引起的误差，从而进行高精度的形状测量。以下，将由照射光的照射角度引起的误差称作角度特性误差。此外，将由于测长距离的不同而引起的误差称作直进性误差。
但是，只要被测量面21是正球形，则就如上所述能够进行排除了角度特性误差和直进性误差的形状测量。但是，在被测量面21上产生波动等偏离了正球形的情况下，这些误差的影响体现到传感器7的测量结果中。此外，根据该形状测量装置1设置的环境，有时还产生由于温度变化引起的温度特性误差。因此，在本实施方式中，通过事先评价传感器7中的角度特性误差、直进性误差和温度特性误差的各误差成分并存储到存储部141中，并使用基于这些误差成分的校正数据来对于从传感器7输出的测量值进行校正运算，实现了高精度的形状测量。
以下，参照图2～图4，对于存储部141所存储的误差成分进行说明。另外，以下进行说明的各种误差成分是被用作传感器7的激光位移计单独具有的固有的成分，只要一旦取得并存储到存储部141中则无需再次取得，直到进行传感器7的校正为止。
图2是示出传感器7中的角度特性误差的例子的曲线图。在从传感器7照射的照射光相对于被测量面21上的照射点处的切面的法线倾斜的情况下，照射光的光路与反射光的光路不一致。在该情况下，测量对象距离D越大，传感器7的测量值产生越大的误差。这种误差是角度特性误差ΔLθ(D)。这里，角度θ表示照射光的光轴相对于照射点的切面的法线的角度。另外，图2所示的实线表示θ＝+θ0时的角度特性误差ΔLθ(D)，虚线表示θ＝-θ0时的角度特性误差ΔLθ(D)。这种角度特性误差ΔLθ(D)能够通过使照射光相对于照射点处的切面倾斜而进行实际测量。切面的法线与照射光的光轴所成的角度能够通过控制编码器5的旋转量和θ载物台8的旋转量来进行调节。存储部141按照每个角度θ(-90°<θ<90°)，存储这样测量出的角度特性误差ΔLθ(D)。
图3是示出传感器7中的直进性误差的例子的曲线图。在没有角度特性误差的情况下，在使相对于被测量面21的测量对象距离、即从传感器7到被测量面21上的各个点之间的距离发生变化时，在测量对象距离和传感器7的测量值之间产生误差。这种误差是直进性误差ΔLd(D)。直进性误差ΔLd(D)能够根据针对各测量对象距离的传感器7的测量值而取得。存储部141存储这样取得的直进性误差ΔLd(D)。
图4是示出传感器7中的温度特性误差的例子的曲线图。当在没有角度特性误差的状态下，使传感器7与被测量面21之间的位置关系不变化而使温度环境发生变化时，在测量对象距离和传感器7的测量值之间产生误差。该误差是温度特性误差ΔLt(T)。图4所示的实线表示在将测量对象处理维持为40mm、使温度在23°±4°之间发生变化的情况下的传感器7的测量值。存储部141存储这样按照每个测量对象距离而实际测量出的温度特性误差ΔLt(T)。
接着，说明使用了图1所示的形状测量装置1的形状测量方法。图5是示出使用了形状测量装置1的形状测量方法的流程图。
首先，在步骤S10中，将具有呈正球形的被测量面的主器件设置在保持件12上。另外，虽然下面设主器件具有的被测量面为凸的球面形状，但即使是凹的球面形状，也同样能够执行各步骤。
在接下来的步骤S11中，进行主器件的各种调节。图6是示出主器件的调节方法的流程图。
在步骤S111中，通过控制装置14的自动控制或用户的手动控制，调节θ载物台8、X载物台9、Y载物台10和Z载物台11，由此找出主器件的顶点的位置。
在接下来的步骤S112中，通过控制装置14的自动控制或用户的手动控制，调节Z载物台11，使得主器件的球心与传感器7的旋转中心C一致，由此找出主器件的球心位置。
在步骤S113中，通过控制装置14的自动控制或用户的手动控制来调节杆6在滑轨4上的位置，由此找出在各个传感器7中设定有传感器7与主器件的顶点之间的距离的测量基准距离。
在步骤S114中，通过控制装置14的自动控制或用户的手动控制，使编码器5旋转，使传感器7移动到测量开始位置。然后，处理返回到主例程。
在接着步骤S11的步骤S12中，通过控制装置14的自动控制，经由编码器5使滑轨4旋转，使传感器7从测量开始位置起到测量结束位置为止绕中心轴R1旋转，并且使θ载物台8同步旋转，由此进行主器件的被测量面的测量。
作为被测量面的测量方法，可举出以下的2个例子。图7是用于说明被测量面的测量方法的第1例的示意图。如图7所示，对于主器件22的被测量面23，通过在对圆周L1上的1个点照射了照射光的状态下使θ载物台8旋转一周，来对圆周L1进行扫描。接下来，通过使编码器5旋转而使照射光的照射点错开，在对圆周L2上的1个点照射了照射光的状态下使θ载物台8旋转一周，来对圆周L2进行扫描。同样，通过反复进行利用照射光对圆周L3～Ln的扫描，能够测量各圆周L1～Ln上的各个点与传感器7之间的距离。
图8是用于说明被测量面的测量方法的第2例的示意图。如图8所示，对于主器件22的被测量面23，通过在对半圆周M1上的1个点照射了照射光的状态下使编码器5旋转，来对半圆周M1进行扫描。接下来，通过使θ载物台8旋转并使照射光的照射点错开，在对半圆周M2上的1个点照射了照射光的状态下使编码器5旋转，来对半圆周M2进行扫描。同样，通过反复进行利用照射光对半圆周M3～Mn的扫描，能够测量各半圆周M1～Mn上的各个点与传感器7之间的距离。
在步骤S13中，运算部142取入从传感器7输出的测量值、编码器5的旋转量、θ载物台8的旋转量和从温度计测器13输出的温度测量值，校正被测量面23的测量值并进行计算该被测量面23的形状的运算处理，并将运算结果的数据存储到存储部141中。
更详细而言，运算部142对于从传感器7输出的主器件的测量值，进行去除角度特性误差、直进性误差和温度特性误差的校正。以下，对该校正方法进行详细说明。图9～图13是用于说明主器件的测量值的校正方法的曲线图。
在图9中，实线表示主器件22的被测量面23的形状的理论值，虚线表示测量值。主器件22的被测量面23形成为以比目标的测量精度高的精度制作出的正球形。因此，图9所示的理论值和测量值的差可认为是形状测量装置中的测量误差，即组装误差、角度特性误差、直进性误差和温度特性误差。
图10和图11是用于说明角度特性误差的校正方法的图。其中的图10是示出主器件的形状的测量值相对于主器件的形状的理论值的差分，即将主器件的理论值视作直线的情况下的测量值的换算值的曲线图。此外，图11是放大示出图10所示的区域A所包含的任意的照射点P1～P3的示意图。
如图11所示，照射光的光轴相对于测量面的法线的斜率(角度α)使用相邻的照射点P1(P1x，P1y)、P2(P2x，P2y)的坐标值，通过下式(1)来给出。
运算部142根据存储部141所预先存储的角度特性误差ΔLθ(D)(参照图2)，取得与角度α对应的角度特性误差ΔLα(D)，从主器件的测量值中减去该角度特性误差ΔLα(D)，由此进行校正。
图12是用于说明直进性误差和温度特性误差的校正方法的图，照射点P1’、P2’、P3’示出了分别针对图11所示的照射点P1、P2、P3校正角度特性误差后的位置。在校正直进性误差时，如图12所示，运算部142计算从校正后的照射点P2’到传感器7的表面7a的距离h，根据存储部141所预先存储的直进性误差ΔLd(D)，取得与距离h对应的直进性误差ΔLd(h)。而且，通过从校正角度特性误差后的主器件的测量值中减去该直进性误差ΔLd(h)，来进行校正。
此外，在校正温度特性误差时，运算部142基于从温度计测器13输出的温度的测量值T0，根据存储部141所预先存储的温度特性误差ΔLt(T)，取得与温度的测量值对应的温度特性误差ΔLt(T0)。而且，通过从校正直进性误差后的主器件的测量值减去该温度特性误差ΔLt(T0)，来进行校正。
这样，从传感器7的测量值中去除角度特性误差、直进性误差和温度特性误差后的测量值，即去除3个误差后的测量值与主器件的理论值的差分成为形状测量装置1的组装误差(参照图13)。运算部142将这样计算出的组装误差的数据存储到存储部141中。
在接着步骤S13的步骤S14中，控制部144根据在步骤S13中计算出的被测量面23的形状，判定该被测量面23的球心位置O是否与传感器7的旋转中心C(参照图1)一致。
在被测量面23的球心位置O与传感器7的旋转中心C不一致的情况下(步骤S14：否)，返回到步骤S11，重新进行主器件的调节。
另一方面，在被测量面23的球心位置O与传感器7的旋转中心C一致的情况下(步骤S14：是)，从保持件12卸下主器件22，将测量对象物设置在保持件12上(步骤S15)。这时的主器件22的球心位置O与传感器7的旋转中心C一致的状态下的主器件22的测量值成为测量测量对象物时的基准值。
在接下来的步骤S16中，进行测量对象物的各种调节。测量对象物的调节方法与步骤S11相同(参照图6)。
在步骤S17中，通过控制装置14的自动控制，进行测量对象物的被测量面的测量。测量对象物的被测量面的测量方法与步骤S12相同。
在步骤S18中，取入从传感器7输出的测量值、编码器5的旋转量、θ载物台8的旋转量和从温度计测器13输出的温度测量值，进行校正测量对象物的被测量面的测量值而计算该被测量面的形状的运算处理，并将运算结果的数据存储到存储部141中。
详细而言，运算部142对于测量对象物的被测量面的测量值进行误差的校正。图14和图15是用于说明针对测量对象物的测量值的误差的校正方法的曲线图。
首先，如图14所示，运算部142从作为从传感器7输出的测量对象物的测量值的校正前测量值中减去在步骤S13中计算出的主器件的去除3个误差后的测量值，进行形状测量装置1的组装误差的校正。由此，如图15所示，可获得去除组装误差后的测量对象物的测量值即校正后测量值。
接下来，运算部142使用编码器5的旋转量、θ载物台8的旋转量和从温度计测器13输出的温度测量值，对于测量对象物的校正后测量值进行角度特性误差、直进性误差和温度特性误差的校正。另外，角度特性误差、直进性误差和温度特性误差的校正方法与步骤S13相同。
运算部142还根据这样校正后的测量值，计算测量对象部的被测量面的形状，并将表示该形状的数据存储到存储部141中。
在接下来的步骤S19中，控制部144根据在步骤S18中计算出的被测量面的形状，判定被测量面的球心位置是否与传感器7的旋转中心C(参照图1)一致。
在被测量面的球心位置与传感器7的旋转中心C不一致的情况下(步骤S19：否)，返回到步骤S16，重新进行测量对象物的调节。
另一方面，在被测量面的球心位置与传感器7的旋转中心C一致的情况下(步骤S19：是)，控制部144将表示在步骤S18中计算出的被测量面的形状的数据输出到显示部143，并显示该形状(步骤S20)。然后，形状测量装置1的形状测量方法结束。
如以上所说明那样，根据本发明的实施方式，由于形成为传感器7能够沿着滑轨4的轨道部4a进行移动的结构，在使被测量面的球心位置与传感器7的旋转中心C一致以后，使传感器7旋转，所以无论测量对象物的被测量面是凸状还是凹状，此外无论曲率半径如何，都能够将照射光相对于被测量面的照射角度保持为大致垂直，且将测长距离保持为大致固定来进行测量。因此，能够极其地缩小测量值中的角度特性误差或直进性误差。
此外，根据上述实施方式，通过运算处理去除由于被测量面上的微小的波动而产生的角度特性误差、直进性误差或温度特性误差，由此能够进一步提高测量对象物的被测量面的形状的测量精度。
此外，根据上述实施方式，由于通过使用具有呈正球形的被测量面的主器件来进行测量，从而计算形状测量装置1的组装误差，所以通过从测量对象物的测量值中去除该组装误差，能够进行进一步高精度的形状测量。
此外，根据本发明的实施方式，如上所述，由于无论被测量面的形状(凸形状或凹形状)如何，都能够进行测量，所以例如能够由同一装置测量用于制作玻璃的研磨镜片的加工皿和使用该加工皿而制作成的研磨镜片。因此，能够排除由于测量装置的设备差引起的误差，并高精度地相对评价两者的测量结果。
另外，虽然在上述实施方式中，设为3维地测量呈球面状的被测量面21的形状，但是在形状测量装置1中，还能够2维地测量圆柱的侧面(外周面或内周面)等弯曲面的形状。在该情况下，可以省略θ载物台8。
(变形例)
接着，对本发明的实施方式的变形例进行说明。虽然在上述实施方式中，说明了对测量对象物的呈球面的被测量面的形状进行测量的情况，但图1所示的形状测量装置1还能够对测量对象物的外周面相对于被测量面的偏心量进行测量。
本变形例的偏心量的测量方法在图5所示的步骤S19以后、即判定为测量对象物中的被测量面的球心位置与传感器7的旋转中心C(参照图1)一致以后执行。图16是用于说明偏心量的测量方法的示意图。
首先，形状测量装置1对测量对象物25的外周面26进行测量。详细而言，对于测量对象物25的外周面26，通过在对圆周K1上的1个点照射了照射光的状态下使θ载物台8旋转一周，对圆周K1进行扫描。接下来，通过驱动Z载物台11而使照射光的照射点错开，在对圆周K2上的1个点照射了照射光的状态下使θ载物台8旋转一周，对圆周K2进行扫描。同样，通过反复进行利用照射光对圆周K3～Kn的扫描，测量各圆周K1～Kn上的各个点与传感器7之间的距离。
而且，运算部142根据测量对象物25的外周面26的测量值和在步骤S18中取得的数据，计算外周面26相对于被测量面27的偏心量、即作为XY方向的偏差的偏移量、和作为外周面的倾斜量的倾斜量。
以上所说明的实施方式和变形例不限于用于实施本发明的例子，本发明不限于这些例子。此外，对于本发明，能够通过适当组合实施方式和变形例所公开的多个结构要素来形成各种发明。本发明能够根据规格等进行各种变形，并且在本发明的范围内，能够实现其它的各种实施方式。
标号说明
1：形状测量装置；2：基座；3：支承部件；4：滑轨；4a轨道部；4b支点；5：编码器；6：杆；7：传感器；7a：表面；8：θ载物台；9：X载物台；10：Y载物台；11：Z载物台；12：保持件；13：温度计测器；13a：脚部；14：控制装置；141：存储部；142：运算部；143：显示部；144：控制部；20、25：测量对象物；21、23、27：被测量面；22：主器件；26：外周面。

Claims (15)

1.一种形状测量装置，其测量具有呈球面状的被测量面的测量对象物的该被测量面的形状，其特征在于，该形状测量装置具有：
保持件，其保持所述测量对象物；
传感器，其通过对所述被测量面照射光，以非接触的方式测量与所述被测量面之间的距离并输出测量值；
传感器旋转机构，其使所述传感器绕第1轴旋转；
传感器移动机构，其使所述传感器在与所述第1轴垂直的第2轴上移动，能够使所述传感器跨越与所述第1轴的交点的两侧而移动；
保持件移动机构，其使所述保持件沿着与铅直方向平行的第3轴移动，并且使所述保持件在与该第3轴垂直的面内移动；以及
控制装置，其根据从所述传感器输出的所述测量值，计算所述被测量面的形状，并且计算该被测量面的球心的位置，对于所述保持件移动机构进行使所述球心的位置与所述第1轴和所述第2轴的所述交点一致的控制。
2.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，
所述传感器在所述第2轴上的位置能够根据所述被测量面的广域形状而进行调节。
3.根据权利要求1或者2所述的形状测量装置，其特征在于，
该形状测量装置还具有保持件旋转机构，该保持件旋转机构使所述保持件绕所述第3轴旋转。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的形状测量装置，其特征在于，
所述控制装置根据利用所述传感器测量在表面的至少一部分具有正球面的主器件而获得的测量值，计算该形状测量装置的组装误差，并使用该组装误差来校正从所述传感器输出的所述被测量面的所述测量值。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的形状测量装置，其特征在于，
所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与由所述传感器照射的所述光的角度特性相关的信息，
所述控制装置使用与所述角度特性相关的信息，至少根据所述传感器的绕所述第1轴的旋转量，校正由于照射到所述被测量面上的所述光的照射角度引起的所述测量值的误差。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的形状测量装置，其特征在于，
所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与测长距离相关的信息，所述控制装置使用与所述测长距离相关的信息，校正由于所述传感器和所述被测量面之间的距离引起的所述测量值的误差。
7.根据权利要求1～4中的任意一项所述的形状测量装置，其特征在于，
该形状测量装置还具有温度计测器，该温度计测器计测该形状测量装置的周围的温度，
所述控制装置具有存储部，该存储部存储关于该形状测量装置预先取得的、与温度特性相关的信息，所述控制装置使用与所述温度特性相关的信息，校正由于所述温度的变化引起的所述测量值的误差。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的形状测量装置，其特征在于，
所述控制装置根据由所述传感器测量出的所述被测量面和所述测量对象物的外周面的测量值，计算所述外周面相对于所述被测量面的偏心量。
9.一种形状测量方法，该形状测量方法是使用形状测量装置来进行的，该形状测量装置测量具有呈球面状的被测量面的测量对象物的该被测量面的形状，其特征在于，
所述形状测量装置具有：保持件，其保持所述测量对象物；传感器，其通过对所述被测量面照射光，以非接触的方式测量与所述被测量面之间的距离并输出测量值；传感器旋转机构，其使所述传感器绕第1轴旋转；传感器移动机构，其使所述传感器在与所述第1轴垂直的第2轴上移动，能够使所述传感器跨越与所述第1轴的交点的两侧而移动；以及保持件移动机构，其使所述保持件沿着与铅直方向平行的第3轴移动，并且在与该第3轴垂直的面内移动，
该形状测量方法包含以下步骤：根据从所述传感器输出的所述测量值，计算所述被测量面的形状，并且计算该被测量面的球心的位置，通过所述保持件移动机构，使所述球心的位置与所述第1轴和所述第2轴的所述交点一致。
10.根据权利要求9所述的形状测量方法，其特征在于，
该形状测量方法还包含以下步骤：根据所述被测量面的广域形状，调节所述传感器在所述第2轴上的位置。
11.根据权利要求9或者10所述的形状测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
主器件测量步骤，利用所述传感器来测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，并输出测量值；
第1运算步骤，根据在所述主器件测量步骤中测量出的所述主器件的测量值，计算所述形状测量装置的组装误差；以及
第2运算步骤，使用在所述第1运算步骤中计算出的所述组装误差，校正从所述传感器输出的所述被测量面的所述测量值。
12.根据权利要求9～11中的任意一项所述的形状测量方法，其特征在于，
该形状测量方法还包含校正步骤，在该校正步骤中，使用关于所述形状测量装置预先取得的、与由所述传感器照射的所述光的角度特性相关的信息，至少根据所述传感器的绕所述第1轴的旋转量，校正由于照射到所述被测量面上的所述光的照射角度引起的所述测量值的误差。
13.根据权利要求9～11中的任意一项所述的形状测量方法，其特征在于，
该形状测量方法还包含校正步骤，在该校正步骤中，使用关于所述形状测量装置预先取得的、与测长距离相关的信息，校正由于所述传感器和所述被测量面之间的距离引起的所述测量值的误差。
14.根据权利要求9～11中的任意一项所述的形状测量方法，其特征在于，
该形状测量方法还包含校正步骤，在该校正步骤中，使用关于所述形状测量装置预先取得的、与温度特性相关的信息，校正由于所述形状测量装置的周围的温度变化引起的所述测量值的误差。
15.根据权利要求9～14中的任意一项所述的形状测量方法，其特征在于，
该形状测量方法还包含以下步骤：根据由所述传感器测量出的所述被测量面和所述测量对象物的外周面的测量值，计算所述外周面相对于所述被测量面的偏心量。
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