近日，日本产业技术综合研究所（AIST）开发了一种可以高效、轻松地校准参考球面透镜表面球度的系统，这对于开发和制造高精度光学元件是必不可少的，不确定度为4.3 nm，与传统镜头相同。随机球法的引入和不确定性评估方法的建立，在保持较小不确定性的同时，消除了对光学系统进行精确调整的需要。为不确定度较小的光学元件制造商提供可以校准参考球面透镜表面轮廓的服务。
AIST工程测量标准研究部长度标准研究组研究员 Natsumi Kawashima、研究组组长Akiko Hirai、高级研究员Yonori Kondo和AIST研究部副研究部副研究部Yoichi Oto的不确定度为 4.3 nm，参考球面透镜的球形度。我们开发了一种可以高精度校准的技术。
对于安装在智能手机和内窥镜中的相机，必须有一个即使很小也能获得高清图像的镜头。为了提高透镜和曲面镜等球形光学元件的精度，不仅需要将表面不规则性减少到纳米级，而且还需要在纳米级将绝对形状与设计形状相匹配。 因此，有必要精确测量加工后的表面几何形状，以评估与设计形状的偏差。实现此目的的高精度形状测量设备具有一种机制，该机构是指具有高球度的表面，称为参考球面透镜，球度的程度决定了测量的精度。
在这项研究中，我们建立了一个系统，该系统可以在使用激光干涉仪的球度校准装置中使用一种称为随机球法的实用方法轻松校准业内任何 F 数的参考球面透镜。 此外，我们还建立了一种通过详细分析光学系统调整过程中误差（对准误差）引起的测量误差来评估不确定度的方法。 这使得校准用户任何F值参考球面透镜成为可能，测量精度为4.3 nm。 未来，我们将通过工业中使用的参考球面透镜的校准系统，为高精度光学元件的开发和产品质量管理的高度化做出贡献。
我们周围的智能手机相机和头戴式显示器都使用小型高性能镜头。 为了获得更高清的图像，提高光学元件精度的制造和评估技术正在不断改进。
这些光学元件的表面形状会影响分辨率和其他性能。 为了满足所需的规格，不仅需要准确测量和评估高精度加工技术，还需要准确测量和评估它们是否按照设计制造。用于此目的的轮廓仪是指测量中的参考球面透镜。 市售的高精度轮廓仪（激光干涉仪）具有纳米或更低的高分辨率和几纳米测量的高重复性，但参考参考球面透镜的球度校准精度是轮廓仪测量精度的瓶颈。此外，在制造现场，需要根据测量对象拥有各种F值的参考球面透镜，但在AIST使用的球度校准方法中，需要准备两个具有相同F号的参考球面透镜，并且在校准具有AIST没有的F值的参考球面透镜时，存在一个问题，除非客户准备两个镜头，否则无法校准。
AIST一直在使用激光干涉仪的球度校准设备中使用一种称为双球面比较三位置法的原理来校准用户引入的参考球面透镜的球度。 双球面比较三位置法是一种可以通过以包括旋转在内的三种位置关系测量具有相同 F 数的两个球面透镜的表面形状来校准它们的方法。 然而，实现参考球面透镜的高精度校准存在几个问题，例如如果 AIST 没有具有相同 F 值的参考球面透镜，客户需要准备两个具有相同 F 数的参考球面透镜，旋转时难以准确识别旋转轴，评估重力引起的形状变形，以及需要精确对准。 为此，我们一直在进行研究，以建立一种实用的参考球面透镜校准系统，以取代双球面比较三位置方法。
使用新开发的校准系统，我们将开始标准供应SI可追溯球度。 作为一种更简单的方法，我们计划通过与校准的AIST参考球面透镜进行比较来校准透镜。 此外，新开发的技术和球形将应用于工业生产。这项研究的详细内容已于2024年10月24日发表在《Optics and Lasers in Engineering》期刊上。
