- 开发了一种系统，可以高效、轻松地校准参考球面透镜表面的球面度，这对于高精度光学元件的开发和制造至关重要，不确定度与以前相同，为 43 nm
- 通过引入随机球法并建立不确定性评估方法，不再需要精确的光学系统调整，同时保持较小的不确定性
- 提供一种服务，使光学元件制造商能够以较小的不确定性校准参考球面透镜的表面形状
AIST的球面度校准系统与现场使用的参考球面透镜之间的关系
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）工程测量标准研究部长度标准研究组川岛夏美研究员、平井明子研究组组长、近藤嘉德首席研究员、鲫阳一副研究主任不确定性43 nm 参考球面透镜球形度。
安装在智能手机、内窥镜等中的相机必须具有即使很小也能获得高清图像的镜头。为了提高透镜、曲面镜等球面形状光学元件的精度，不仅需要将表面不规则度降低到纳米级，而且还需要在纳米级上使绝对形状与设计形状相匹配。因此，有必要精确且精确地测量加工表面形状，以评估与设计形状的偏差。实现这一目标的高精度形状测量设备需要参考球面透镜，球形度会影响测量精度。
这次，我们开发了一种使用激光干涉仪的球度校准装置，该装置使用一种称为随机球法的实用方法来F号的参考球面透镜。另外，光学系统调整时的误差（错位)引起的测量误差。凭借这些功能，现在可以校准用户任何 F 值的参考球面透镜，测量精度为 43 nm 不确定度。未来，我们将通过工业用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控制的进步做出贡献。
此研究结果的详细信息将于 2024 年 10 月 24 日发布。工程中的光学和激光
小型高性能镜头用于我们周围的智能手机摄像头和头戴式显示器。为了获得更高清晰度的图像，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等性能。为了满足所要求的规格，不仅需要采用高精度的加工技术，还需要准确地测量和评估产品是否按照设计制造。用于此目的的形状测量设备在测量时指的是参考球面透镜。市售的高精度形状测量机（激光干涉仪）具有纳米级以下的高分辨率和数纳米级的高测量重复性，但作为基准的标准球面透镜的球度校准精度是形状测量机测量精度的瓶颈。此外，制造工厂需要根据测量目标拥有不同光圈值的参考球面透镜，但之前在产业技术研究院使用的球面度校准方法需要准备两个具有相同光圈值的参考球面透镜。存在一个问题，即在校准具有非产业技术研究所拥有的光圈值的参考球面透镜时，客户必须准备两个。
在日本综合技术研究所，在使用激光干涉仪的球度校准装置中两球比较三位置法的原理，对用户带来的参考球面镜片的球面度进行了校准。二球比较三位置法是通过在包括旋转在内的三个位置关系下测量具有相同F数的两个球面透镜来校准每个球面透镜的表面形状的方法。然而，如果AIST没有相同F数的参考球面透镜，客户必须准备两个具有相同F数的参考球面透镜，难以准确识别旋转过程中的旋转轴并评估重力引起的形状失真，并且需要精确对准。实现参考球面透镜的高精度校准存在几个问题。因此，我们一直在研究建立一种实用的参考球面透镜标定系统，以替代两球比较三位置法。
这次，我们介绍了随机球法作为参考球面透镜的实用校准方法。此外，通过建立不确定度评估方法，详细分析两球比较三位置法中存在的问题，即使用随机球法也会影响测量的不对中引起的测量误差，我们创建了一个可以轻松校准的系统，其不确定度与传统方法相同。
随机球法是一种测量球体表面形状，将其旋转多次，然后对结果进行平均以获得与使用完美球体相同的结果的方法，即使不使用完美球体也是如此。在新开发的校准系统中，安装一个球体，使其中心位于参考球面透镜的焦点处，测量参考球面透镜的形状相对于球面上任意部分表面（部分球面）的偏差（图1左）。然后，旋转球体，得到每个部分球面形状与参考球面透镜形状之间的偏差，并求出它们的平均值。结果，对每个部分球面的表面形状进行平均，并且可以获得参考球面透镜的形状与真实球面的偏差，使得可以校准参考球面透镜的绝对形状。该球体可与任何F数参考球面透镜配合使用，无需用户准备两个昂贵的参考球面透镜。
图1随机球法示意图
根据光的波长测量长度或几何形状时，例如校准参考球面透镜时，必须精确调整（对准）光学元件固定的位置。随机球法每次旋转球体时都需要对准，这会导致测量仪器水平和垂直偏离参考球面透镜和测量仪器的共焦位置（图2）。这种未对准会导致倾斜、慧差、散焦和球面分量的测量误差。因此，我们对不对中与测量误差之间的关系进行了理论分析和实验验证，建立了对不对中不确定度的评估方法。以往对激光干涉仪不对中影响的研究仅考虑了测量仪器安装的物空间坐标系，但鉴于待分析的数据是相机拍摄的图像，我们进行了考虑激光干涉仪中干涉条纹图像采集光学系统和图像处理坐标系的理论分析。结果，他们发现错位的影响比之前想象的要小，而且不需要精确调整。另一方面，还发现由于参考球面透镜的缺陷，未对准的影响变得明显，这表明需要通过实验评估每个透镜的未对准的影响。通过建立考虑到这些因素的不确定性评估方法，例如，在校准F数为075的参考球面透镜时，以前的研究认为需要以水平方向13 nm和垂直方向40 nm的精度调整焦点位置，但现在可以以43 nm的精度校准参考球面透镜的球度，这与以前相同，即使焦点位置调节精度为水平方向106 nm、垂直方向318 nm。
一旦使用这些先进技术的校准服务开始，将可以校准更广泛的参考球面透镜，从而有助于光学元件制造商开发高精度光学元件和提高产品质量控制。此外，当用户使用自己的激光干涉仪测量物体时，可以应用对未对准引起的测量误差的分析结果，从而可以实现相同的测量精度，而无需像以前的研究那样进行精确的调整。
图 2 未对准示例以及作为误差叠加在测量结果形状上的结果形状
使用新开发的校准系统SI 可追溯此外，作为更简单的方法，我们计划通过与产业技术研究院已经校准的参考球面透镜进行比较来进行校准。我们还将把新开发的技术和球形应用到工业领域。
已出版的杂志：工程中的光学和激光
论文标题：球面斐索干涉仪对准误差新分析及基于随机球试验的球度校准系统不确定度评估
作者：Natsumi Kawashima、Yohan Kondo、Akiko Hirai 和 Youichi Bitou
DOI：https://doiorg/101016/joptlaseng2024108646