面精度とは

面精度の単位・表記の意味と違い

光学部品の面精度は、様々な単位や表記で示されます。それぞれの意味と相互の関係を理解することが重要です。

• λ（ラムダ）
  基準波長の整数倍・分数で表したもの。光学研磨では通常He-Neレーザ（λ=632.8nm）を基準にする例が多いです。ISO/DIN規格では546.07nmが基準とされますが、指定なければ632.8nmとみなすことが一般的です。そのためλ/2は約0.317μm（632.8nm/2）に相当し、ISO基準では約0.273μmとなる点に注意が必要です。
• P-V [μm]
  実際の面のピークと谷の高さ差をマイクロメートルで表したもの。λ表記の値はこのP-Vに換算して比較できます（例：λ/4 (632.8nm)≒0.158μm）。
• 波長（wave）
  λとほぼ同義で、基準波長に対する割合を示します。たとえば「0.25wave」はλ/4と同じ意味です。
• 干渉縞（fringe, [本]）
  レーザ干渉計で見える等高線の数。面を傾けると現れる干渉縞の本数で表現することができます。干渉縞1本は位相差1波（λ）に相当するため、PV=λであれば傾けた方向に等間隔の2本の縞が現れます。一般にPV値[波]の2倍が干渉縞数に相当します。
• ニュートンリング（Newton, [本]）
  反射型の干渉縞（Newtonリング）の本数です。PV=λ/2に対してニュートンリング1本に相当するので、例えばλ/2（約0.317μm）＝ニュートンリング1本となります。PV=1λでは2本になります。干渉縞数と同数値になるため、実質的にPV[波]×2と同義に使われます。

代表的な測定機器と測定方法

面精度の測定には主にレーザー干渉計が用いられます。レーザー干渉計は、基準面（高精度に研磨された平面鏡）と試料面からの反射光を干渉させ、できる干渉縞の形状から表面誤差を数値化します。主要メーカーの機種としては、ZYGO（ザイゴ）社製Verifire/GPIシリーズが代表的です。これらは直径4～12インチ程度までの光学部品に対応し、平面／球面／透過光学面のいずれの測定にも用いられます。また、白色光干渉計（ZYGO NewViewなど）を使って表面粗さや段差測定を行う例もあります。こちらは主に精密平面・微細ステップ測定向けです。

測定方法

測定方法としては、フィゾー干渉法（被測定面と高精度基準面の干渉）が広く用いられます。その他、試料にビームを当てて反射波面を解析する反射波面測定や、レンズを通過させて透過波面を測る透過波面測定があります。

反射波面と透過波面では注意点が異なります。前者は単に表面の形状誤差を反映しますが、後者ではガラス内部の屈折率分布も測定結果に影響します。

• レーザー干渉計
  光源にHe-Neレーザ（632.8nm）などを用い、高精度平面鏡またはコリメータレンズを参照面とします。測定結果は通常PV[μm]、波長単位（wave）、干渉縞数などで出力されます。
• 白色光干渉計
  複数波長の干渉を利用し、ナノメートルスケールの平面度や粗さを高速測定します。透明度が低い試料や広いエリアの粗さ測定向けに用いられます。
• 接触式プロフィロメータ・レーザ変位計
  主に粗さ測定に用いられ、面精度評価には不向きですが、簡易測定や二次元計測などで補助的に使われることがあります。

測定原理と注意点

干渉計測の原理では、参照鏡と試料面からの反射光が干渉し、干渉縞が発生します。この縞の「曲がり具合」や「ずれ」を解析して、表面の形状誤差（波面誤差）を定量化します。面精度が良い場合は、ほぼ平行な等間隔の直線縞が得られ、曲がりが大きいほど凹凸が大きいことを示します。

測定時には以下の点に注意が必要です：

• 基準原器の精度
  前述の通り、干渉計は必ず高精度な基準面を必要とし、基準面自身の面精度が測定上限になります。基準面のPVがλ/10の場合、最終的に保証できる試料面精度はλ/5相当となります。
• 環境制御
  測定は極小の光路差を扱うため、温度変化や空気のゆらぎが結果に影響します。そのため測定室は恒温・恒湿にし、干渉計全体をケースで覆うなど対策します。
• 表面状態
  表面に汚れやコート膜のひずみ（応力）があると誤差に現れます。必要に応じて洗浄やアライメント後の再測定を行い、後工程（コーティングや接合）による応力変化も考慮します。
• 反射と透過の違い
  反射面の面精度測定では内部材質の影響は小さいですが、透過面（レンズ等）の場合はガラス内部の屈折率むらも波面に影響するため、用途に応じて「反射波面収差」または「透過波面収差」を仕様化します。
• 解析方法
  最新の干渉計は縞解析ソフトでPVだけでなくRMSや局所的な波面分布も計算できます。教育用には簡易的な干渉縞カウント式（面精度＝λ/2×（縞曲がり量/縞間隔））なども紹介しておくと理解が深まります。