次元変換型マルチビーム角度センサでの多元情報一括検出による次世代光学素子形状計測

• 研究課題/領域番号: 18H01345
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 清水 裕樹 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70606384)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2018年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
• キーワード: 超精密計測 / 生産工学・加工学 / 角度センサ / フェムト秒レーザ / 生産工学 / 加工学

研究成果の概要

超精密光学自由曲面形状計測技術の確立を目的として，フェムト秒レーザと分光素子で生成する多元情報マルチビームを光源として用い，空間領域で一括捕捉した反射光群から周波数領域において各ビーム固有の光周波数をもとにビーム位置および局所的傾斜角情報を抽出する，次元変換型マルチビーム角度センサのコンセプトを提案した．理論検討結果をもとにフェムト秒レーザ光源を含む実験光学系を構築し，実験的検討で提案コンセプトの実現可能性を明らかにした．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究での理論的・実験的検討結果から，次元変換型マルチビーム角度センサによって，傾斜角およびビーム位置という空間領域の多元情報を周波数領域で一括取得できることが実証され，その情報を活用した高精度自由曲面形状計測の実現可能性が見いだされた．角度情報を利用した高精度計測手法は国内外で注目を集めており，その高速化と測定不確かさ低減が課題となっているが，今後，光学系の拡張により本手法での2軸方向のスロープマップ同時取得が実現すると，学術的・工業的により高いインパクトを与える技術になるものと期待される．

研究成果

• [雑誌論文] An insight on optical metrology in manufacturing (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Yuki、Chen Liang Chia、Kim Dae Wook、Chen Xiuguo、Li Xinghui、Matsukuma Hiraku
  • 雑誌名: Measurement Science and Technology 巻: 32 ページ: 042003-042003
  • DOI: 10.1088/1361-6501/abc578
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an Optical Angle Sensor With a Mode-Locked Femtosecond Laser Source for Surface Profile Measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Yuki、Takazono Shota、Kanda Yuri、Matsukuma Hiraku、Gao Wei、Inaba Hajime
  • 雑誌名: Proceedings of the JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing (LEMP2020) 巻: -
  • DOI: 10.1115/lemp2020-8501
  • 査読あり
• [雑誌論文] DEVELOPMENT OF AN OPTICAL ANGLE SENSOR WITH A MODE-LOCKED FEMTOSECOND LASER SOURCE FOR SURFACE PROFILE MEASUREMENT (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Shimizu, Shota Takazono, Hiraku Marsukuma, Hajime Inaba, Wei Gao
  • 雑誌名: Proceedings of the JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing LEMP2020 巻: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Optical Angle Sensor Based on the Laser Autocollimation employing a Mode-locked Femtosecond Laser Source and a Single Mode Fiber Detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Shota Takazono, Yuki Shimizu, Hiraku Matsukuma, Yuri Kanda, Hajime Inaba and Wei Gao
  • 雑誌名: Proceedings of the 14th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII2019) 巻: 1
  • 査読あり
• [学会発表] モード同期フェムト秒レーザを用いた「つながる」高精度角度計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水裕樹
  • 学会等名: 日本機械学会 IIP2021 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会 若手研究者招待講演
  • 招待講演
• [学会発表] Optical Metrology with a Mode-Locked Femtosecond Laser and Grating Reflectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Shimizu
  • 学会等名: International High-level Forum on High-end Measurement Instruments & The 11th International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optical Angle Measurement with a Mode-Locked Femtosecond Laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Shimizu
  • 学会等名: International Symposium on Precision Engineering and Sustainable Manufacturing (PRESM 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒レーザ光源を用いた角度センサによる形状計測に関する研究-マルチビーム角度センサの設計と基礎特性評価- (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水裕樹, 高園翔太, 神田悠利, 松隈啓, 稲場肇, 高偉
  • 学会等名: 2020年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] An Optical Angle Sensor Based on the Laser Autocollimation employing a Mode-locked Femtosecond Laser Source and a Single Mode Fiber Detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Shota Takazono, Yuki Shimizu, Hiraku Matsukuma, Yuri Kanda, Hajime Inaba and Wei Gao
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 非直交型2軸ロイドミラー干渉計による2軸スケール回折格子パターニング -偏光制御ユニット改良によるパターン高精度化- (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 裕樹，真野 和樹，松永 雅教，村上 佑記，松隈 啓，高 偉
  • 学会等名: 2019年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] フェムト秒レーザを用いた光学式角度センサによる表面形状計測に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高園翔大，清水裕樹，松隈 啓，神田悠利，稲場肇，高偉
  • 学会等名: 2019年度精密工学会東北支部学術講演会
• [学会発表] Self-calibration of Fizeau interferometer and linear scale in Littrow configuration (2019)
  • 著者名/発表者名: Xin XIONG, Hiraku MATSUKUMA, Yuki SHIMIZU, Wei GAO
  • 学会等名: 2019年度精密工学会東北支部学術講演会
• [学会発表] 高感度光学式角度センサに関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬 旭，神田 悠利，松隈 啓，清水 裕樹，高 偉
  • 学会等名: 2019年度精密工学会東北支部学術講演会
• [学会発表] フェムト秒レーザ光源を用いた角度センサに関する研究-シングルモードファイバの適用- (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水 裕樹，高園 翔太，中村 一貴，松隈 啓，高 偉
  • 学会等名: 2019年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] 光学式角度センサを用いた表面形状計測に関する研究－光ファイバを受光部に用いた角度センサに関する検討－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 高園 翔太，清水 裕樹，松隈 啓，高 偉
  • 学会等名: 精密工学会東北支部学術講演会
• [図書] 機械工学年鑑2020 (15. 加工学・加工機器 15.8 加工計測) (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水裕樹
  • 出版者: 日本機械学会
• [備考] 東北大学 大学院工学研究科 ファインメカニクス専攻 高・清水・松隈研究室
  • URL: http://web.tohoku.ac.jp/nanometrology/index.html
• [備考] 高・清水研究室／精密ナノシステム研究センター
  • URL: http://web.tohoku.ac.jp/nanometrology/