Name: micro/nano-scale strain distribution measurement from sampling moir&#233; fringes
Uploaded: 2017-05-23T15:00:00
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この研究は、内閣府が運営する構造物材料（SIP-IMASM）のための革新的測定・解析ユニットD66号（D66号）の閣僚級戦略イノベーション推進計画（JSPS KAKENHI、助成金JP16K17988およびJP16K05996）によって支持された。著者はDrsにも感謝しています。 NIMSの岸本聡氏と内藤君義氏のCFRP資料

1.試料上の微小・ナノスケールグリッドの確認<ol><li> 標本の加工 <ol><li>顕微鏡下で使用される特定のローディングデバイス（ 例えば、 1 x 5 x 30 mm 3 ）が必要とするサイズに検体を切断し、観察される表面を目的の領域よりも1.5倍大きくする。 </li><li>自動研磨機（ 例： SiC箔＃320を3分間、＃800を150rpmで1分間使用）で、粗くて細かいサンドペーパーを使用し?...

<ol>
	<li>Weller, R., Shepard, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Displacement+measurement+by+mechanical+interferometry.">Displacement measurement by mechanical interferometry.</a> Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).</li><li>Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microcreep+deformation+measurements+by+a+moir&#233;+method+using+electron+beam+lithography+and+electron+beam+scan.">Microcreep deformation measurements by a moir&#233; method using electron beam lithography and electron beam scan.</a> Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).</li><li>Ifju, P., Han, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+applications+of+moir&#233;+interferometry.">Recent applications of moir&#233; interferometry.</a> Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).</li><li>Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+curved+surface+micro-moir&#233;+method+and+its+application+in+evaluating+curved+surface+residual+stress.">A curved surface micro-moir&#233; method and its application in evaluating curved surface residual stress.</a> Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).</li><li>Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subset+geometric+phase+analysis+method+for+deformation+evaluation+of+HRTEM+images.">Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images.</a> Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).</li><li>Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+high+temperature+creep+deformation+of+micro-structure+with+metal+film+wire+on+flexible+membrane+using+geometric+phase+analysis.">In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis.</a> Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).</li><li>Wang, Q., Kishimoto, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+analysis+of+residual+stress+and+stress+intensity+factor+in+a+resist+after+UV-nanoimprint+lithography+based+on+electron+moir&#233;+fringes.">Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moir&#233; fringes.</a> J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).</li><li>Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+the+surface+structure+of+butterfly+wings+using+the+scanning+electron+microscopic+moir&#233;+method.">Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moir&#233; method.</a> Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).</li><li>Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+3D+SEM+Moir&#233;+method+for+micro+height+measurement.">Novel 3D SEM Moir&#233; method for micro height measurement.</a> Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).</li><li>Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+planar+periodic+structure+using+inverse+laser+scanning+confocal+microscopy+moir&#233;+method+and+its+application+in+the+structure+of+butterfly+wing.">Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moir&#233; method and its application in the structure of butterfly wing.</a> J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).</li><li>Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase-shifting+laser+scanning+confocal+microscopy+moir&#233;+method+and+its+applications.">Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moir&#233; method and its applications.</a> Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).</li><li>Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-plane+deformation+measurement+using+the+atomic+force+microscope+moir&#233;+method.">In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moir&#233; method.</a> Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).</li><li>Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+on+the+digital+nano-moir&#233;+method+and+its+phase+shifting+technique.">A study on the digital nano-moir&#233; method and its phase shifting technique.</a> Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).</li><li>Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-directional+structural+characterization+of+hexagonal+packed+nanoparticles+by+hexagonal+digital+moir&#233;+method.">Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moir&#233; method.</a> Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).</li><li>Liu, Z., Lou, X., Gao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deformation+analysis+of+MEMS+structures+by+modified+digital+moir&#233;+methods.">Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moir&#233; methods.</a> Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).</li><li>Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+analysis+of+moir&#233;+fringe+multiplication+under+a+scanning+electron+microscope.">Theoretical analysis of moir&#233; fringe multiplication under a scanning electron microscope.</a> Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).</li><li>Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Ka&#378;mierczak, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFM+nanomoir&#233;+technique+with+phase+multiplication.">AFM nanomoir&#233; technique with phase multiplication.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).</li><li>Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., Yoshida, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+33:+Full-field+measurements+of+principal+strains+and+orientations+using+moir&#233;+fringes.">Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moir&#233; fringes.</a> Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. 3, 251-259 (2017).</li><li>Wang, Z., Han, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+iterative+algorithm+for+phase+extraction+of+randomly+phase-shifted+interferograms.">Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms.</a> Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).</li><li>Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Residual+thermo-creep+deformation+of+copper+interconnects+by+phase-shifting+SEM+moir&#233;+method.">Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moir&#233; method.</a> Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).</li><li>Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sampling+moir&#233;+method+for+accurate+small+deformation+distribution+measurement.">Sampling moir&#233; method for accurate small deformation distribution measurement.</a> Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).</li><li>Ri, S., Muramatsu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+error+analysis+of+the+sampling+moir&#233;+method+and+phase+compensation+methodology+for+single-shot+phase+analysis.">Theoretical error analysis of the sampling moir&#233; method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis.</a> Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).</li><li>Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+sampling+Moir&#233;+as+a+substitute+for+microscope+scanning+Moir&#233;+for+high-sensitivity+and+full-field+deformation+measurement+at+micron/nano+scales.">Digital sampling Moir&#233; as a substitute for microscope scanning Moir&#233; for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales.</a> Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).</li><li>Dai, F., Wang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+fringe+patterns+analysis+using+digital+processing+tehniques:+I+fringe+center+method.">Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method.</a> Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).</li><li>Gutmann, B., Weber, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase-shifter+calibration+and+error+detection+in+phase-shifting+applications:+a+new+method.">Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method.</a> Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).</li><li>Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro/submicro+grating+fabrication+on+metals+for+deformation+measurement+based+on+ultraviolet+nanoimprint+lithography.">Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography.</a> Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).</li><li>Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+grating+fabrication+technique+on+metal+films+using+UV-nanoimprint+lithography.">A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography.</a> Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).</li></ol>

説明された技術では、試片上に周期的なパターンが存在しない場合、1つの困難なステップは、マイクロ/ナノスケールの格子または格子（格子と略記）製造26である。グリッドピッチは、変形測定のための重要なパラメータであるため、変形前に均一でなければならない。材料が金属、金属合金またはセラミックである場合、UVまたは加熱ナノインプリントリソグラフィ（NIL?...

マイクロ/ナノスケールの変形測定は、機械的特性、不安定性挙動、残留応力、および高度材料の割れ発生を評価するために極めて不可欠である。光学技術は非接触、全視野、および非破壊であるため、過去数十年間の変形測定のために様々な光学的方法が開発されている。近年、マイクロ/ナノスケール変形計測技術には、モ​​アレ法1,2,3,4 、幾何位相解析（GPA） 5,6 、フーリエ変換（FT）、デジタル画像相関（DIC）、電子スペックルパターン干渉計（ESPI）。これらの技術の中で、複数の周波数が存在するので、GPAおよびFTは複雑な変形測定にはあまり適していない。 DIC法はsim変形キャリアはランダムなスペックルなので、ノイズに対しては無力です。最後に、ESPIは振動に強く敏感です。 マイクロ/ナノスケールのモアレ法の中で、最も一般的に使用されている方法は、電子走査モアレ7,8,9 、レーザー走査モアレ10,11 、原子間力顕微鏡（AFM）モアレ12などの顕微鏡走査モアレ法であるデジタル/オーバーラップモアレ13,14,15方法、および乗算/フラクショナルモアレ方法16,17などのいくつかの顕微鏡ベースのモアレ方法が含まれる。走査モアレ法は、広い視野、高いレゾリューションlution、ランダムノイズに対する無感覚。しかし、従来の走査モアレ法は、2つの方向にモアレ縞を生成するために、試料ステージまたは走査方向を90°回転させ、2回走査する必要があるため、2D歪み測定には不都合である。回転と二重走査プロセスは、回転誤差を導入し、2Dひずみの測定精度に深刻な影響を与え、特にせん断ひずみに対して長時間かかる。時間位相シフト技法19,20 は、変形測定精度を向上させることができるが、動的テストには適さない時間および特別な位相シフト装置を必要とする。 サンプリングモアレ法21,22 は、変位測定において高い精度を有しており、主に、自動車の場合のブリッジのたわみ測定に使用されているお尻。サンプリングモアレ法をミクロ/ナノスケールの2Dひずみ測定に拡張するために、2ピクセルサンプリングのモアレ縞から新たに再構成された乗算モアレ法が開発された。この方法では、測定値が2倍に感度が高く、走査モアレ法が維持される。さらに、空間位相シフトサンプリングモアレ法は、マルチピクセルサンプリングモアレ縞からも開発され、高精度の歪み測定が可能です。このプロトコルは、詳細なひずみ測定手順を紹介し、研究者やエンジニアが材料や製品の製造プロセスを改善し、変形を測定する方法を学ぶのを助けると期待されています。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="737">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:208px;">Automatic Polishing Machine</td>
			<td style="width:161px;">Marumoto Struers K.K.</td>
			<td style="width:201px;">LaboPol-30, Labor Force-100</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="34">
			<td height="34" style="height:34px;width:208px;">Carbon Fiber Reinforced Plastic</td>
			<td style="width:161px;">Mitsubishi Plastics, Inc.&#160;</td>
			<td style="width:201px;">HYEJ16M95DHX1</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:208px;">Computer</td>
			<td style="width:161px;">DELL Japan</td>
			<td style="width:201px;">VOSTRO</td>
			<td style="width:167px;">Can be replaced with another computer with C++ programming language</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:208px;">Image Recording Software</td>
			<td style="width:161px;">Lasertec Corporation</td>
			<td style="width:201px;">LMEYE7</td>
			<td style="width:167px;">Installed in a laser scanning microscope</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:208px;">Ion Coater</td>
			<td style="width:161px;">Japan Electron Optics Laboratory Ltd.</td>
			<td style="width:201px;">JEC3000F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:208px;">Laser Scanning Microscope</td>
			<td style="width:161px;">Lasertec Corporation</td>
			<td style="width:201px;">OPTELICS HYBRID</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="90">
			<td height="90" style="height:90px;width:208px;">Nanoimprint Device</td>
			<td style="width:161px;">Japan Laser Corporation&#160;</td>
			<td style="width:201px;">EUN-4200</td>
			<td style="width:167px;">Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device</td>
		</tr>
		<tr height="90">
			<td height="90" style="height:90px;width:208px;">Nanoimprint Mold</td>
			<td style="width:161px;">SCIVAX Corporation</td>
			<td style="width:201px;">3.0&#956;m pitch</td>
			<td style="width:167px;">Customized</td>
		</tr>
		<tr height="90">
			<td height="90" style="height:90px;width:208px;">Nanoimprint Resist</td>
			<td style="width:161px;">Toyo Gosei Co., Ltd&#160;</td>
			<td style="width:201px;">PAK01</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:208px;">Polishing Solution</td>
			<td style="width:161px;">Marumoto Struers K.K.</td>
			<td style="width:201px;">DP-Spray P 15&#956;m, 1&#956;m, 0.25&#956;m</td>
			<td>Use from coarse to fine</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:208px;">Pipet</td>
			<td style="width:161px;">AS ONE Corporation</td>
			<td style="width:201px;">10mL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:208px;">Sand Paper</td>
			<td style="width:161px;">Marumoto Struers K.K.</td>
			<td style="width:201px;">SiC Foil #320, #800</td>
			<td>Use from coarse to fine</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:208px;">Spin Coater</td>
			<td>MIKASA Corporation</td>
			<td style="width:201px;">MS-A100</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

micro/nano-scale strain distribution measurement from sampling moir&#233; fringes

この作業では、フルフィールドマイクロ/ナノスケール変形測定のためのサンプリングモアレ技術の測定手順と原理について説明します。開発された技術は、再構成された乗算モアレ法または空間位相シフトサンプリングモアレ法を使用するという2つの方法で実行できます。標本グリッドピッチが約2ピクセルの場合、2ピクセルサンプリングのモアレ縞が生成されて、変形測定のための乗算モアレパターンが再構成される。変位と歪みの両方の感度は、同じ広い視野の従来の走査モアレ法の2倍です。標本グリッドピッチが3ピクセル前後である場合、マルチピクセルサンプリングモアレ縞が生成され、空間位相シフト技法が全フィールド変形測定のために組み合わされる。ひずみの測定精度が大幅に向上し、自動バッチ測定が容易に実現できます。両方の方法は、伝統的なモアレ技術のように、試料または走査線を回転させることなく、単一ショットグリッド画像から2次元（2D）ひずみ分布を測定することができる。例として、2つの炭素繊維強化プラスチック試験片のせん断ひずみを含む2次元変位およびひずみ分布を3点曲げ試験で測定した。提案された技術は、様々な材料の機械的特性、亀裂発生および残留応力の非破壊的定量評価において重要な役割を果たすことが期待される。

2つの炭素繊維強化プラスチック（CFRP）試験片（＃1および＃2）の二次元変位およびひずみ分布を、モアレ形成原理23および測定プロセス（ 図1 ）に従って測定した。 CFRP標本は、直径10-11μmのK13D炭素繊維とエポキシ樹脂でできていた。 CFRP＃1の変形は、2段階サンプリングモアレ縞からの再構成された乗算モアレ法を用いて決定...

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Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling MoirÃƒÆ’Ã†'Ãƒâ€šÃ‚Â© Fringes

マイクロ/ナノスケールでの高精度ひずみ分布測定のための2ピクセルおよびマルチピクセルサンプリング方法を特徴とするサンプリングモアレ技術をここに示します。

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

グラフェンナノプレートレットとマルチスケール複合材料強化に基づくひずみセンシング

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