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光子散乱量子効果に基づいたエンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理基盤構築

研究課題

研究課題/領域番号 21K18159
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
研究機関大阪大学

研究代表者

高谷 裕浩  大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70243178)

研究分担者 水谷 康弘  大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40374152)
上野原 努  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10868920)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
キーワードエンジニアード・サーフェス / ナノ表面トポグラフィ / 光子散乱 / 量子的ゴーストイメージング / 光スピンホール効果 / 散乱ドレスト光子 / ラマン分光 / 量子もつれ光子対
研究開始時の研究の概要

ナノ表面トポグラフィを加工し,人工的に多様な機能を付与するエンジニアード・サーフェスの要求が高まっている.その機能性の機序はナノ表面トポグラフィのスケール階層的な幾何特性に基づいている.本研究は,機能を発現する幾何学的構造の基本単位,大面積の秩序性,均一性および局所的な幾何特性を損なう超微細欠陥のそれぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用である,量子的3Dゴーストイメージング(量子もつれ光子対),光スピンホール効果(量子的偏光解析法),ラマン散乱分光(散乱ドレスト光子検出)に基づいた新たな光子散乱表面計測原理を確立し,新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーの確立をめざす.

研究実績の概要

本研究は,機能を発現する幾何学的構造の基本単位,大面積の秩序性,均一性および局所的な幾何特性を損なう超微細欠陥のそれぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用である,量子的3Dゴーストイメージング(量子もつれ光子対),光スピンホール効果(量子的偏光解析法)およびラマン散乱分光(散乱ドレスト光子検出)に基づく新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築を目的としている.本年度は,それぞれのスケール階層に対応する,下記4項目の光子散乱計測の基礎解析および実験に注力した.
[1]:アイドラ光子とシグナル光子の同時計数による“画像化”の高分解能化を確立するため,量子的ゴーストイメージング(QEPGI)の解析シミュレータを構築し,3D-QEPGIの計測原理に基づいたクラスタ・レベルの表面トポグラフィ計測原理に関する基礎解析を遂行した.
[2]:光スピンホール効果計測による幾何学的特徴量計測の基本特性を明らかにするため,反射位置シフト量の計測によって表面微細構造の平均的厚さの大域的“不均一性”を評価し,マクロ・レベルの幾何学的特徴量計測実験を遂行した.
[3]:散乱ドレスト光子のラマン分光特性と原子スケールの欠陥に起因する局所応力場状態の関係を明らかにし,
振動スペクトル(ラマン散乱分光)に基づく表面解析手法を確立するため,新規にフェムト秒レーザを利用して表面層原子集団のみを励起する局所励起光学系を構築し,単一光子検出レベルの高感度ラマン分光装置を用いたラマン分光光学系の基本動作検証実験を遂行した.
[4]:エンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築において,長さの国家基準である光周波数コムを用いた光逆散乱計測法によるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測の基本原理の確立と高精度化を図るため,多波長位相回復アルゴリズムの数値解析と基礎実験を遂行した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ナノ表面トポグラフィを加工し,人工的に多様な機能を付与するエンジニアード・サーフェスの要求が高まっている.エンジニアード・サーフェスの多様な機能性の機序はナノ表面トポグラフィのスケール階層的な幾何特性に基づいており,新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーを開拓するためには,それぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用を明らかにし,(1)量子的3Dゴーストイメージング(量子もつれ光子対),(2)光スピンホール効果(量子的偏光解析法)および(3)ラマン散乱分光(散乱ドレスト光子検出)に基づいた光子散乱表面計測原理の学理構築が不可欠である.そこで本年度は,(1)から(3)の解析および基礎実験検証に加え,当初研究計画からの発展的研究として,基準計測原理を導入するための光周波数コムを用いた光逆散乱計測法の高精度化に取り組んだ.(1)から(3)に関しては,それぞれ,(1)QEPGIのシミュレーションおよびQEPGI光学系を用いた基礎実験からアイドラ光子とシグナル光子の同時計数による高分解能イメージングアルゴリズムの開発,(2)表面での反射前後における偏光状態が変化したときの光子の反射位置シフト量計測によって,表面微細構造の平均的厚さをサブナノメートルオーダで評価,および(3)フェムト秒レーザを利用して表面層原子集団のみを励起する局所励起光学系の構築とサファイアガラスのラマン分光特性による局所応力場状態の計測などの研究成果を挙げた.さらに,光周波数コムを用いた光逆散乱計測法によるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測実験において新たな多波長位相回復アルゴリズムを確立し,マイクロ矩形溝計測によってマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測の基本原理を検証した.以上の研究成果と発展的研究への展開により,進捗状況として「おおむね順調に進展している」の評価とした.

今後の研究の推進方策

エンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築に向け,量子的3Dゴーストイメージング(量子もつれ光子対),光スピンホール効果(量子的偏光解析法)およびラマン散乱分光(散乱ドレスト光子検出)に基づいた光子散乱表面計測の統合化および基準計測原理としての光周波数コムを用いた光逆散乱計測法の確立を推進する.まず,それぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用に対応する光子散乱表面計測の検証実験として,ナノ表面トポグラフィによる光子散乱理論に基づいた3D-QEPGI解析シミュレーション解析およびアイドラ光子とシグナル光子の同時計数によるイメージングと同期した表面深さ方向の距離計測による3D-QEPGIの計測原理に基づいたクラスタ・レベルの表面トポグラフィ計測,光スピンホール効果による反射シフト量検出による表面微細構造のマクロ・レベルの幾何学的特徴量計測と表面微細構造の大域的不均一性評価,およびフェムト秒レーザによる表面層原子励起を利用した増強ラマン散乱分光による局所応力場計測とそれに基づくミクロ・レベルの原子スケール欠陥計測を遂行する.次に,光周波数コムによるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測データに基づいたスケール階層における各光子散乱表面トポグラフィ計測の統合化戦略を検討し,長さ標準にトレーサブルなメトロロジーの構築を検討する.さらに,3D-QEPGIの微細構造深さ分布と光スピンホール効果の薄膜層深さおよび局所応力場に基づいた原子スケール欠陥サイズの整合性照合など,光子散乱量子効果計測システムによるデータ統合化と計測パラメータの適応的制御をめざす.データ駆動型の制御手法を用いて,各スケール階層の計測パラメータを自律的調整する計測システムの適応的制御ソフトウェアを構築し,エンジニアード・サーフェスの機能性に基づいたデータの統合化手法を開発する.

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 審査結果の所見   実施状況報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 10件)

  • [雑誌論文] Phase Retrieval Algorithm for Surface Topography Measurement Using Multi-Wavelength Scattering Spectroscopy2024

    • 著者名/発表者名
      Itakura Satoshi、Uenohara Tsutomu、Mizutani Yasuhiro、Takaya Yasuhiro
    • 雑誌名

      International Journal of Automation Technology

      巻: 18 号: 1 ページ: 92-103

    • DOI

      10.20965/ijat.2024.p0092

    • ISSN
      1881-7629, 1883-8022
    • 年月日
      2024-01-05
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Prediction Uncertainty Evaluation of Deep Learning Ghost Imaging Based on the Feature Map2023

    • 著者名/発表者名
      Shoma Kataoka, Yasuhiro Mizutani, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      OPTM2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Propagation Enhancement Factor in the Spin Hall Effect of Light (SHEL) Observation for Smooth Optics Measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Naila Zahra, Yasuhiro Mizutani, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      International Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Stroboscopic sampling moire microscope for investigation of MEMS’ full surface in-plane vibration2023

    • 著者名/発表者名
      Mona Yadi, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yoshiharu Morimoto and Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      ISMTII2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Robust Surface Imaging Method Based on Quantum Single Pixel Imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Elie Magnon
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023),
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Deep Groove Measurement using Broadband Optical Frequency Comb Scattering Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Itakura, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光空間周波数フィルタを用いたレーザ逆散乱法によるうねり計測に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      谷ノ上 樹生, 板倉 聡史, 上野原 努, 水谷 康弘, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会,
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高解像度化深層学習を用いたサブピクセルゴーストイメージングによる広域微小欠陥検査(第4報)-多方向特徴抽出による推定精度の向上-2023

    • 著者名/発表者名
      片岡 将磨, 水谷 康弘, 上野原 努, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2023年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ラマン分光法を用いた光学結晶のクラック周辺における分子構造変化の計測2023

    • 著者名/発表者名
      板倉聡史, 上野原 努, 水谷 康弘, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2023年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of Ellipsometry Based on Spin Hall Effect of Light (6th report)-Accuracy affecting parameters-2023

    • 著者名/発表者名
      Zahra Naila, 水谷 康弘, 上野原 努, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 広帯域光周波数コム散乱分光による表面トポグラフィ計測に関する基礎的研究(第9報)-波長と散乱電場のフーリエスペクトルとの相関を利用した散乱電場の補正-2023

    • 著者名/発表者名
      板倉 聡史, 上野原 努, 水谷 康弘, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 光学的空間周波数フィルタリングを用いたレーザ逆散乱法によるうねり計測に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      谷ノ上 樹生, 板倉聡史, 上野原 努, 水谷 康弘, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高解像度化深層学習を用いたサブピクセルゴーストイメージングによる広域微小欠陥検査(第5報)-マルチスケール推定による欠陥位置推定精度の改善-2023

    • 著者名/発表者名
      片岡 将磨, 水谷 康弘, 上野原 努, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 時間的スパース性を用いたオンマシン工具位置画像計測(第一報)-フレーム間差分を用いた切りくずの検出と除去-2023

    • 著者名/発表者名
      嶋田 剛, 水谷 康弘, 片岡将磨, 上野原 努, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] マルチチャンネルゴーストイメージングを用いた外観検査法2023

    • 著者名/発表者名
      織田 健太郎, 水谷 康弘, 片岡将磨, 上野原 努, 高谷 裕浩
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子対を用いたゴーストイメージングによる超解像顕微鏡(第2報)-量子もつれ光子対の空間的相関性を用いた高解像度化による近接2欠陥の識別-2023

    • 著者名/発表者名
      吉岡未稀, 水谷康弘, 片岡将磨, 上野原努, 高谷裕浩
    • 学会等名
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 広帯域光周波数コム散乱分光による表面トポグラフィ計測に関する基礎的研究(第7報)-矩形溝計測による表面トポグラフィ計測原理の検証-2023

    • 著者名/発表者名
      板倉聡史, 上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • 学会等名
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] ブリュースタ入射微弱レーザ散乱光子計数によるナノ表面性状計測に関する基礎研究2023

    • 著者名/発表者名
      玉置俊介, 上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • 学会等名
      日本機械学会2022年度学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Ellipsometry based on spin Hall effect of light (SHEL) using modified weak measurement for surface area measurement2022

    • 著者名/発表者名
      Naila Zahra, Yasuhiro Mizutani, Zhehan Li, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      OPTM2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical Inverse Scattering Phase Retrieval Algorithm for Surface Topography Measurement by Optical Frequency Comb Scattering Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Itakura, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      International Symposium on Flexible Automation
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Periodic Surface Topography Measurement by Broadband Optical Frequency Comb Scattering Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Itakura, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Precision Engineering
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Image Processing Aspect of Transverse Shift Measurement in the Spin Hall Effect of Light (SHEL) Ellipsometry2022

    • 著者名/発表者名
      Naila Zahra, Yasuhiro Mizutani, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Precision Engineering
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Super-resolution microscope with Ghost Imaging using quantum entangled photon pairs2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Yoshioka, Yasuhiro Mizutani, Shoma Kataoka, Kenta Ienaka, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Precision Engineering
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 広帯域光周波数コム散乱分光による表面トポグラフィ計測に関する基礎的研究(第6報)-VIPA分光法を用いた表面像と回折像分光における単一光ファイバによる強度分布測定の空間分解能の検証-2022

    • 著者名/発表者名
      板倉聡史, 上野原 努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • 学会等名
      2022年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子対分布の縮小投影を用いた量子ゴーストイメージングによる超解像顕微鏡(量子もつれ光子対分布による異方倍率の改善)2022

    • 著者名/発表者名
      吉岡未稀, 水谷康弘, 片岡将磨, 上野原努, 高谷裕浩
    • 学会等名
      日本機械学会第14回生産加工・工作機械部門講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子対を用いたゴーストイメージングによる超解像顕微鏡(第1報) -量子もつれ光子対分布の縮小投影方式の検討-2022

    • 著者名/発表者名
      吉岡未稀, 水谷康弘, 家中幹大, 片岡将磨, 上野原努, 高谷裕浩
    • 学会等名
      2022年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-07-13   更新日: 2024-12-25  

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