球形状测定方法和装置的制造方法
【专利说明】球形状测定方法和装置
[0001]2014年7月17日提交的日本专利申请2014-147227的包括说明书、附图和权利要求书的全部内容通过引用而被包含于此。
技术领域
[0002]本发明涉及一种球形状测定方法和装置，特别是涉及一种在转换了球的情况下也能够高精度地测定单个球的整体形状的球形状测定方法和装置。
【背景技术】
[0003]轴承的球、作为测定仪的基准的参照球、透镜等球或局部具有球形状的部件在产业界被广泛利用。为了测定这些具有球形状的部件的形状，提出了很多的表面形状测定方法、装置。干涉仪装置为其代表性的一例，能够高精度且高密度地测定这些球的表面形状。并且，为了测定超出表面形状测定装置所能够测定的面内区域的球面形状，还提出了具备表面形状测定单元以及用于保持测定对象的球面且变更测定位置的位置变更单元的装置(美国专利6，956，657B2号公报(以下为专利文献1)以及《光波干渉C dt §真球度?測定》、2011年度精密工学会秋季大会学术演讲会演讲论文集P868-869(以下为非专利文献1))。
[0004]这些装置通过位置变更单元使测定对象的球面移动来变更测定位置，并且通过表面形状测定单元测定多个局部区域的形状。通过被称为拼接的运算来将这些多个区域的测定形状连接，由此测定出广范围的球面形状。
[0005]在此，说明非专利文献1所示的球形状测定装置的概要。在图1中示出表示装置的结构的侧视图。测定装置包含形成表面形状测定单元的由例如斐索(Fizeau)干涉仪构成的激光干涉仪20的部分和作为位置变更单元的位置变更机构40的部分。在该装置中使用的激光干涉仪20是通过使用具有球面形状的参照球面22并将由激光光源24产生的激光光线26的波长作为标准与参照球面22进行比较来测定被测定球10的表面形状的装置。在图中，28是分束器，30是用于使激光光线26平行光线化的准直透镜，32是用于检测通过分束器28合成得到的干涉光的摄像元件。
[0006]被测定球(以下，也被简称为球)10被设置在参照球面22的焦点位置处。通过激光干涉仪20测定的区域是激光光线26所照射的球10的表面上的一部分，因此为了测定更广的区域而需要使激光干涉仪20主体或被测定球10的位置移动的单元。非专利文献1所示的装置具备位置变更机构40，该位置变更机构40将被测定球10和支承轴12固定，将具有轴的球设为对象，通过支承轴12对被测定球10进行保持的同时，通过Θ旋转轴42以及与Θ旋转轴42正交的Φ旋转轴44的二轴旋转机构将球10的任意的面向激光干涉仪20的测定范围移动。
[0007]在图2中表示非专利文献1的装置的俯视图。Φ旋转轴44与测定光轴成直角(图2中的纸面垂直方向)，在该轴上参照球面22的焦点被调整为一致。当使Φ旋转轴44旋转时，能够使支承Θ旋转轴42的支架46绕Φ轴旋转。Θ旋转轴42在此基础上能够旋转360度以上。此时，通过调整支承轴12、支架46的臂的长度使得被测定球10的中心位置在Φ旋转轴44上，由此被测定球10能够在参照球面22的焦点位置旋转为任意的角度。在这样的结构中，为了通过激光干涉仪20测定被测定球10的半球所涉及的区域，只要使被测定球10绕Θ旋转轴42旋转360度并绕Φ旋转轴44在从支承轴12与测定光轴正交的位置到支承轴12与测定光轴平行的位置为止90度的范围内旋转。
[0008]在图3a和3b中示出通过这种结构的装置所能够测定的区域与Θ和φ两个旋转轴的关系。本图是对图1所示的装置从上面观察到的图。首先，将支承轴12处于与激光干涉仪20的测定光轴正交的位置时的Φ旋转轴44的角度定义为第一支承角度Φ 1。图3a表示该状态。如果将支承轴12的中心轴定义为被测定球10的极轴，则能够将处于与该极轴正交的位置的球的表面的轮廓考虑为球的玮线，直径最大的位置的轮廓为赤道(第一测定玮线)。通过在第一支承角度Φ1下使Θ旋转轴42旋转，能够使球面的第一测定玮线上的任意的点朝向激光干涉仪20。如果在该位置实施测定，则能够测定Θ旋转轴42在任意位置时的单个测定区域的形状。为了之后进行的拼接运算，而期望以相邻的单个测定区域具有重复区域的方式决定Θ旋转轴42的旋转步进。该重复区域设为例如激光干涉仪20的视角的大致一半左右即可。在此，将第一支承角度Φ 1设为支承轴12与测定光轴正交的位置进行了说明，但是并非一定如此，也可以将第一支承角度Φ1设定在任意的位置。
[0009]接着，使φ旋转轴44旋转，设定在与第一支承角度Φ1不同的位置。将该位置设为第二支承角度Φ2。图3b表示该状态。当在该位置使Θ旋转轴42旋转时，与激光干涉仪20的测定光轴相交的球面上的点描绘出某个轨迹。将由该轨迹表示的轮廓设为第二测定玮线。通过与第一支承角度Φ1时的操作同样地使Θ旋转轴42旋转，能够在球面的第二测定玮线上测定Θ旋转轴42在任意位置时的单个测定区域的形状。与Θ旋转轴42的步进同样地，第一支承角度Φ 1与第二支承角度Φ2的间隔设为例如激光干涉仪20的视角的大致一半左右即可。
[0010]在φ旋转轴44的旋转范围内设定多个支承角度Φ，在各个位置操作Θ旋转轴42，并执行该过程直到对应位置的单个测定区域覆盖被测定球10的半球部分为止。参照Θ旋转轴42和Φ旋转轴44的位置信息，将通过这样获得的很多的单个测定区域的形状通过拼接运算相互连接，能够测定被测定球10的表面形状。Φ旋转轴44的旋转范围不限于图2所示的90度的范围，只要激光干涉仪20与位置变更机构40之间不发生物理性的冲突等，就能够设定为任意的范围。用于由多个单个测定区域覆盖被测定球10的半球的必要条件是Φ旋转轴44的旋转范围为90度。
[0011]当构成位置变更机构40的各个部件的尺寸与设计值不同、或存在运动误差时，存在随着Θ旋转轴42、Φ旋转轴44的旋转而被测定球10从参照球面22的焦点位置偏移的情况。在对球面进行测定的干涉仪装置中，该位置偏移使得产生测定误差。为此，在非专利文献1的装置中也能够具备例如图4所示的由台48x、48y、48z构成的正交三轴的平移机构48。基于激光干涉仪20的干涉条纹图像，以使干涉条纹数尽可能少的方式移动被测定球10，由此能够修正该位置偏移。
【发明内容】
_2] 发明要解决的问题
[0013]专利文献1和非专利文献1中所示的现有技术是对透镜那样的局部球形状、或者通过被固定的轴所保持的球进行测定的技术，很难对轴的周边、保持部分的周边的区域进行测定，其测定范围被限制为大致半球的程度。虽然能够根据激光干涉仪的视场范围的大小、位置变更单元的移动范围来测定超出半球的区域，但是无法对保持球的部位进行测定。因此，期望一种高精度地测定球整体的形状的装置及其测定方法。
[0014]因此，考虑如图5所示的参考例那样通过在非专利文献1所示的具备激光干涉仪20以及具有Θ旋转轴42、Φ旋转轴44、支架46的位置变更机构40的装置中新追加由球保持机构50、球支承台52、Z升降轴54、对它们进行支承的台56以及R调整轴60构成的转换对球进行保持的位置的单元，能够将球转换并测定球整体的形状。
[0015]球保持机构50具有相对于支承轴12任意地保持或释放被测定球10的机构，在真空吸附或者被磁化的球的情况下，能够通过磁力等自如地吸附或释放被测定球10。
[0016]球支承台52是在上表面具有容纳用凹部5