米乐(中国)官方网站 实现世界最高精度的球径测量

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首席研究员平井吉子、研究组组长川岛夏美研究员、松下生产工程株式会社（以下简称 PPE）研究副主任鼋洋一开发了一种达到世界最高水平的球体直径测量技术准确度水平。

近年来，在车载摄像头、内窥镜等需要高清图像的领域，安装在这些设备中的光学元件越来越多地采用自由曲面设计，以提高光学性能。对于自由曲面透镜和反射镜，不仅需要将表面不规则性降低到纳米级，还需要使绝对形状（包括曲率半径）与纳米级的设计形状相匹配。要实现这一目标，不仅需要拥有纳米级加工技术，还需要拥有与纳米级加工技术相当或更好的形状测量技术。

对于自由曲面透镜和镜子等光学元件的形状测量机，绝对形状测量精度取决于用作形状测量机标准的球体的直径校准精度。迄今为止，球体直径校准的精度具有约100 nm至200 nm的不确定度，与形状测量机的测量分辨率和重复性相比，不能说是高。现在配备了低接触力探针系统坐标测量机 (μ-CMM)硅胶制成块规的球体直径校准方法，该方法使我们能够以15 nm的不确定度测量球体直径。通过使用该球体作为自由曲面形状测量机的参考，预计自由曲面形状将具有高精度。

此研究结果的详细信息将于 2024 年 12 月 7 日发布。精密工程

在尖端产业和基础研究中，需要保证纳米级形状精度的光学元件。例如，为了提高安装在智能手机中的小型相机镜头、支持高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AD）的车载相机镜头以及内窥镜用镜头的性能，对球面和非球面镜头的形状始终需要更高的精度。此外，在半导体曝光设备和基础科学领域，例如，使用X射线的同步加速器辐射设施所需的聚光镜形状已从球面演变为非轴面和非球面，所需的形状精度也达到了纳米级。这些光学元件的设计形状逐年变得更加复杂，现在已经达到了所谓的自由曲面的水平，以最大限度地减少像差。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，还需要高精度的元件形状测量和评估技术。例如，如果我们能够准确测量制造透镜的设计形状的误差，我们就可以开发超精密加工技术，在纳米级纠正这些误差。

AIST正在进行旨在实现自由曲面的纳米级形状测量的研究和开发，PPE正在推动三维测量技术的进步和设备开发，使纳米级形状测量成为可能。可以测量光学元件等自由曲面的形状测量机配备了接触式或非接触式检测器（探头）来测量具有陡峭表面的表面形状。形状测量机首先测量表面形状极其精确且直径值已校准的球体，然后根据测量结果的偏差识别并修正测量误差，从而提高精度。球体的表面形状为2024 年 11 月 28 日 AIST 新闻稿方法的球面斐索干涉仪，可以以几纳米的精度进行评估。目前，形状测量机测量精度的瓶颈是作为参考的球体的直径校准精度。

球体的直径通常是阿贝原理进行校准，其测量精度具有约100 nm至200 nm的不确定度。万能长度测量机将球体放置在两个相对平面之间，并测量两个平面之间的距离作为球体的直径。球被捏住时测得的压力范围从亚牛顿量级到牛顿量级，这种大的接触力导致球产生亚微米量级的变形。该变形量的校正是球体直径校准中重要的不确定因素之一。此外，在确定球体上的两个相对点时，夹住球体的两个平面的平坦度和平行度是不确定性的主要来源。

AIST 和 PPE 联合开发了一款配备低接触力（约 01 mN）探针系统的 µ-CMM。此外，通过使用块规作为参考来校准μ-CMM的探头系统，我们设计了一种球体直径校准方法，可以精确测量球体上两个相对点之间的距离，并实现了不确定度为15 nm的测量精度（大约提高了一个数量级）。

此项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金（2021-2023 财年）的支持。

图1显示了新开发的μ-CMM的示意图以及球体直径测量期间的状态。该设备由 X、Y 和 Z 正交 3 轴平台和探针系统组成。使用激光干涉仪测量每个轴的移动量。每个激光测量系统均根据阿贝原理设计，光轴穿过探头中心。

11183_114262点直径，我们还可以计算出球体的平均直径。

校准直径时最重要的是如何准确确定μ-CMM的探头偏移长度。探头偏移长度是指接触球体左右两侧的触针尖端之间沿 X 轴方向的距离（图 2）L_X1+L_X2）。我们决定使用块规作为参考来确定探头偏移长度。

首先，使用 µ-CMM 测量块规（图 2(a)）。 µ-CMM 的测量量是测头系统的位移。探头偏移长度是 µ-CMM 的测量量 (M_GB校准）L_GB)（图 2(a)）。接下来，使用校准探针（类似于块规）测量球体的直径。 µ-CMM 的测量数量 (M_球体) 到校准的探头偏移长度 (L_X1+L_X2) 减去球体的两点直径 (d)（图2(b)）。

高精度块规一般采用陶瓷材料制成，但由于材料的晶体结构，端面具有几十纳米的表面粗糙度（不平整度）。表面粗糙度是确定探头偏移长度的不确定性的主要来源。这次，我们以硅这种单晶材料为中心，制作了边缘抛光至表面粗糙度为 1 nm 或更小的硅块规。所制造的块规具有产业技术研究所所拥有的纳米级的测量精度和长度。可追溯至国家标准的双面干涉仪2018 年 9 月 4 日 AIST 新闻稿) 进行校准。

μ-CMM 的触针尖端形状通常为亚毫米到几毫米的球形。众所周知，当块规端面的表面粗糙度变得极其光滑时，测针尖球与块规端面之间作用的相互作用力增大，从而极大地影响探测性能。为了尽可能避免相互作用力的影响，我们制作了带有尖端曲率半径为 8 µm 的 T 形金刚石触针的探头（图 3）。结果，我们在测量几纳米或更小的球体直径时实现了可重复性。

使用新开发的 µ-CMM（图 1(b)）测量直径约为 127 毫米的氮化硅球，结果测量直径的不确定度为 15 纳米。校准后的球体可用作工业环境中使用的各种光学元件的自由曲面形状测量机的参考。与球体直径约100 nm至200 nm的常规测量精度相比，校准精度提高了约一个数量级，预计未来工业现场使用的各种形状测量机的测量精度将大幅提高。

AIST 计划于 2025 年 1 月开始针对球（作为各种形状测量机的标准）、环规（作为内径测量仪器的标准）和针规（用于孔径测量）启动直径测量服务。AIST 和 PPE 还将合作开发使用校准球在工业现场对自由曲面元件（透镜和反射镜）进行纳米级绝对形状测量。

已出版的杂志：精密工程
论文标题：使用硅量块作为参考标准通过微坐标测量机对球体进行两点直径校准
作者：Yohan Kondo、Akiko Hirai、Toshiharu Katsube、Natsumi Kawashima 和 Youichi Bitou
DOI：https://doiorg/101016/j precisioneng202412003

坐标测量机 (μ-CMM)

坐标测量机 (CMM)，通过将探头与物体接触来读取物体表面的 XYZ 坐标位置。还有非接触式探头。在典型的三坐标测量机中，由于探头测量点未与XYZ坐标测量的刻度轴对齐（不满足阿贝原理）而出现阿贝误差。新开发的三坐标测量机配备了激光干涉仪，以提高测量精度，并设计为满足阿贝原理，使激光光轴穿过测头中心。与一般的坐标测量机相比，根据阿贝原理高精度测量微小尺寸的三坐标测量机被专门称为μ-CMM（微坐标测量机）。有时称为纳米坐标测量机。[返回来源]

块规

一种由块端面之间的长度定义的端点。它是最常用的长度标准，用于校准千分尺、卡尺、三维测量机等，因为它简单但精度高，而且实用性强。[返回来源]

阿贝原理

恩斯特·阿贝 (Ernst Abbe) 在 1890 年提出的减少测量系统几何误差的原则：“被测量物体的长度和刻度的基线必须位于测量方向的同一直线上。”[返回来源]

2点直径

两个相对的平行平面之间的距离。在三个或三个以上位置测量的球体两点直径的算术平均值称为平均直径。[返回来源]

可溯源国家标准

当确认计量器具的校准链能够达到国家标准时，例如当计量器具使用标准器具校准并且该标准器具又使用更准确（不确定性较小）的标准器具校准时，则称该计量器具所获得的结果可溯源至国家标准。[返回来源]