近日，日本产业技术综合研究所（AIST）的高级研究员 Yonori Kondo（研究组组长）、Akiko Hirai（研究组组长）、Natsumi Kawashima（研究部副部长）与松下生产工程有限公司（PPE）开发了一种球形直径测量技术，该技术达到了世界最高水平的精度。
近年来，在需要高精细图像的车载摄像头和内窥镜等领域，为了提高这些设备的光学性能，安装在这些设备中的光学元件的设计形状正在向自由曲面化方向发展。对于自由曲面镜头和镜子来说，不仅要在纳米级别降低表面的凹凸，而且还需要使包括曲率半径在内的绝对形状与设计形状在纳米级别上相匹配。为了实现这一目标，不仅需要纳米级别的加工技术，而且还需要与之相匹配的形状测量技术。
在自由曲面透镜、镜子等光学元件的形状测量设备中，绝对形状的测量精度取决于球体的直径校准精度，该精度被用作形状测量设备的基准。以往的球体直径校准的精度存在约100纳米至200纳米的不确定度，不如轮廓仪的测量分辨率和重现性高。因此，AIST开发了搭载低接触力探针系统的三维测量机（μ-CMM）和以硅制块规为基准的球体直径校正方法，这种方法能够实现以15纳米的不确定度测量球体的直径。如果利用该球体作为自由曲面形状测量设备的基准，将有望实现自由曲面形状测量的高精度化。
在尖端产业和基础研究领域，人们要求实现具有纳米级形状精度保证的光学元件。例如，为了提高安装在智能手机上的小型相机镜头、支持先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AD）的车载摄像头、以及医用内窥镜镜头的性能，需要不断提高球面和非球面镜头形状的高精度化。此外，在半导体光刻设备和基础科学领域，例如，使用X射线的同步辐射设施所需的聚焦镜形状已从球面发展到非轴和非球面，所需的形状精度也已达到纳米级。多年来，这些光学元件的设计几何形状变得更加复杂，为了将误差降到最低，现在已经达到了被称为自由曲面（free-form surface）的水平。 为了实现纳米级精度的自由曲面元件，不仅需要抛光和加工技术，还必须具备高精度测量和评估元件形状的技术。例如，如果能够精确测量制作出的镜头与设计形状的误差，就可以开发出在纳米级别修正这些偏差的超精密加工技术。
AIST正在致力于实现自由曲面纳米级形状测量的研发，而PPE正在推进这种三维测量技术的进步和能够实现纳米级形状测量的设备的研发。可以测量自由曲面（如光学元件）的轮廓仪配备了接触式或非接触式检测器（探头），用于测量具有陡峭表面的物体轮廓。形状测量机首先测量具有极高精度表面形状且直径经过校正的球体，然后通过测量结果的偏差来确定测量误差并进行补偿，以实现高精度测量。 基于2024年11月28日AIST新闻稿中介绍的方法，使用球形Fizeau干涉仪能够以几纳米的精度评估球体的表面形状。目前，轮廓仪测量精度的瓶颈取决于作为基准使用的球体直径校正精度级别。
球体的直径通常使用遵循阿贝原理的万能测长机进行校正，其测量精度存在大约100纳米到200纳米的不确定性。万能测长机通过两个相对的平面夹持球体，并测量两个平面之间的距离作为球体的直径。仪器夹持球体时的压力经测得从亚牛顿量级到牛顿量级之间，这个级别的接触力会使得球体发生亚微米量级的形变。这种亚微米量级形变量的校正是基准球体直径校正中的一个重要不确定性因素。此外，夹持球体的两个平面的平整度和平行度也是确定球面上两个相对点之间距离的另一个重要不确定性因素。
此次，AIST和PPE联合开发了一款搭载低接触力（约0.1 mN）探针系统的μ-CMM（微米级坐标测量机）。此外，通过参考块式规则校准μ-CMM的探针系统，设计了一种球体直径校准方法，以高精度测量球体两个相对点之间的距离，并实现了15纳米的测量精度（约提高一个数量级）。
此外，这项研究和开发得到了日本科学振兴会的科学研究补助金（B）（2021-2023财年）的支持。
AIST计划到2025年1月开始提供基准球体直径的测量服务，这些球体的直径被用作各种形状测量机的标准，环规被用作内径测量仪器的标准，针规被用于孔径测量。同时，AIST和PPE将在工业生产实际场景中使用校准后的球体共同推进基于自由曲面光学元件（透镜和镜子）的纳米级绝对形状测量方法的开发。
该研究成果的详细信息已于2024年12月7日发表在《Precision Engineering》上。（DOI：10.1016/j.precisioneng.2024.12.003）
