Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
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Protocol
1.試料上の微小・ナノスケールグリッドの確認
- 標本の加工
- 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。
- 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て、観察する試料表面（ 例えば、 1×30mm 2 ）を研磨する。 30N）。各研磨ステップ後に水を使用して試験片を洗浄する。
- 同じ試験片表面を、自動研磨機（ 例えば、 DP-スプレーP15μmを5分間、P1を8分間、P050μmを150rpmで10分間使用する粗い研磨溶液および微細な研磨溶液を使用して連続的に研磨する。 30 N）。各ポリシンの後に水を使用して検体を洗浄するgステップ。
- 周期パターンが試料上に存在しない場合のマイクロ/ナノスケール格子の作製
注記：試料表面のマイクロ/ナノスケールに自然な周期パターンが存在する場合、このステップは省略できます。紫外線（UV）または加熱ナノインプリントリソグラフィ（NIL） 26 、電子ビームリソグラフィ（EBL） 2 、および集束イオンビーム（FIB）ミリング6からグリッド製造方法を選択する。
注記：ここでは、UV NILを例として、グリッド製造プロセスを紹介します。- ピペットを用いて試料表面にUVレジスト2 mLを滴下する。
- スピンコーターを用いて1500rpm、60秒間、試料表面のレジストを塗布する。
- 0.2MPaの圧力でナノインプリントモールドをレジスト層に押し付ける。 30秒間、375nmの波長のUVにレジストを暴露する。
- ナノインプリントモールドを試料表面から分離する。
- 顕微鏡を用いた標本上の格子の観察
- イオンコーター（ 例えば、 3Paで30秒間、30mAのスパッタリング電流でコーティング）を用いて、グリッド表面上に厚さ3〜10nmの白金または金の層を被覆する。
- 標本をレーザー走査顕微鏡（LSM） 23の下に置く。
注：透過型電子顕微鏡（TEM） 5 、原子間力顕微鏡（AFM） 12 、または走査型電子顕微鏡（SEM） 7などの他の顕微鏡も使用することができる。 - フォーカスを調整し、顕微鏡の画像記録ソフトウェアの "Capture"と "File | Export | Image File"をクリックして、顕微鏡を使用して1つのグリッド画像を保存します。
- グリッド画像からの標本のグリッドピッチ（nmまたはμm）の計算
- 10グラム以上の平均値を計算するグリッド画像の中央領域には、走査またはレンズの歪みの潜在的な影響を避けるためにIDがピッチングする。
注：標本上のグリッドは、室温で数日間保存することができます。
- 10グラム以上の平均値を計算するグリッド画像の中央領域には、走査またはレンズの歪みの潜在的な影響を避けるためにIDがピッチングする。
2.荷重試験におけるグリッド画像の取得
- 顕微鏡下での荷重試験の準備
- 試料を、引張り、圧縮、加熱、または電気的負荷装置のような、顕微鏡下の装填装置に固定する。
注：グリッドピッチが20 nm未満の場合は、TEMまたはAFMを使用する必要があります。グリッドピッチが20nm〜10μmであれば、SEMを用いることができる。グリッドピッチが400nmより大きい場合、LSMを使用することができる。 - 特定の要件に応じて、負荷速度（ たとえば 0.01 mm / s）および負荷または変位増分ステップ（ たとえば 0.5 N /ステップまたは0.024 mm /ステップ）を設定します。荷重と変位の両方をゼロにプリセットします。
- グリッドをサーフする観測平面内のエース。顕微鏡のサンプルステージを動かしたり回転させたりして、低倍率で対象領域を選択します。
- 画像のグリッドピッチを1.8×1ピクセルサイズより大きくすることにより、適切な倍率を選択します。
注：通常、画像内のグリッドピッチを2ピクセル以上にする方が良いです。グリッドピッチが1ピクセル多いほど、変形測定の精度は高くなりますが、測定の視野は小さくなります。
- 試料を、引張り、圧縮、加熱、または電気的負荷装置のような、顕微鏡下の装填装置に固定する。
- 負荷試験におけるグリッド画像の収集
- 顕微鏡の画像記録ソフトウェアの "Capture"と "File | Export | Image File"をクリックして読み込む前に、関心領域のグリッド画像を保存します。
- ローディング装置の操作ソフトウェアを使用して、最初のロードステップ（ 例えば、 0.5Nまたは0.024mm）を実施することによって、その場で標本を顕微鏡にロードし始める。
- Rec顕微鏡の画像記録ソフトウェアの「キャプチャ」および「ファイル|エクスポート|画像ファイル」をクリックして、最初のロードステップ後の関心領域のグリッド画像を（ 例えば、 0.5Nまたは0.024mmで）設定します。顕微鏡の倍率と作動距離が変わらないようにしてください。
- 荷重装置を使用して各荷重ステップを実施して、試験片の荷重を続けます。各荷重ステップの後に、試料が破損するまで、または一定の値に達するまで（ 例えば、荷重を19回加え、1 N、1.5 N、2.0 N、...、10 Nで19の格子画像を0.5の間隔で記録するN;または0.048mm、0.072mm、0.096mm、...、0.48mm、0.024mmの間隔で）。顕微鏡の倍率と作動距離が変わらないことを確認してください。
注記：グリッドイメージは、任意の長時間保存することができます。
Def前後のモアレ縞模様の発生オマージュ
- グリッド画像におけるグリッドピッチ（画素）の推定
- 画像処理ソフトウェア（ 例えば、マイクロソフトペイント） において、隣接する2つのグリッドドットの中心間の距離を測定することにより、ロード前のグリッド画像におけるグリッドピッチ（単位：ピクセル）を推定する。
- 最大荷重でグリッド画像のグリッドピッチを推定する。
- サンプリングピッチ（画素）の決定
- 変形前後のグリッドピッチが1.8〜2.5ピクセルの場合、ステップ3.2.2に移動します。変形前後のグリッドピッチが2.4〜3.6ピクセルの場合、ステップ3.2.3にスキップしてください。変形前後のグリッドピッチが3.2ピクセルを超える場合は、ステップ3.2.4に進んでください。
- サンプリングピッチをT = 2ピクセルに設定します。手順3.3に進んでください。
- サンプリングピッチをT = 3ピクセルに設定します。手順3.3に進んでください。
- サンプリングピッチTを正に設定する豊富なシミュレーション結果22から決定される、変形前後の格子ピッチ0.75xおよび1.25x以内の整数。
注：手順3.2.1と3.2.4の要件を満たす2つの正の整数がある場合は、より大きな整数をサンプリングピッチとして選択する方がよい。要件を満たす正の整数が3つ以上ある場合は、サンプリングピッチより少し大きければ中間整数を選択する方が良いです。
- 変形前のモアレ縞模様の発生
- 変形前にグリッドイメージを開きます。 x方向を右向き、 y方向を鉛直下向き、座標（0,0）を左上角とし、 x方向の画像幅Wとy方向の画像高さHを算出する。
注： y方向は次のように定義することもできます。垂直上向き。 - ステップ3.3.3に移動して、モアレ縞をy方向に生成する。ステップ3.3.7に進み、モアレ縞をx方向に生成します。
- ローパスフィルタ（LPF）を使用してグリッド画像を格子画像に処理します。例えば、主方向が格子線に垂直な方向として定義される主方向xを有する格子を抑制するために、FTアルゴリズムを使用する。フィルタサイズをグリッドピッチに近づけるように設定します。
- y = kピクセル（ k = 0）（ 図1 ）からのサンプリングピッチT （ T ≧2）の間隔を用いて、いくつかの水平ラインのグレー値を抽出するだけでグリッド画像を薄くする（ すなわち、 y = k + T画素、...、 y = k + iT画素のサンプリングラインにおける値であり、ここでiはa正の整数）。最後のサンプリングラインk + iTの座標を画像の高さHより小さくする。
- 水平サンプリングラインで画像の全領域強度補間（線形またはBスプライン）を実行することによって、 y方向にサンプリングモアレパターンを生成する。
- 1画素分のインクリメントステップでkを変化させることにより（ すなわち、間引きの開始点をy = kにシフトすることによって）ステップ3.3.4および3.3.5 T -1回を繰り返すことによって、 y方向に他のT -1サンプリングモアレパターンを生成するk = 1、...、 T -1）である。
- ステップ3.3.3でxをyに変更し、画像の高さHを画像の幅Wに変更することにより、ステップ3.3.3~3.3.6の同じ手順を使用して、 x方向にTステップ空間位相シフトサンプリングモアレパターンを生成するステップ3.3でyをxに変更する。4-3.3.6。
注： x方向のサンプリングピッチは、 y方向のサンプリングピッチと異なる場合があります。
- 変形前にグリッドイメージを開きます。 x方向を右向き、 y方向を鉛直下向き、座標（0,0）を左上角とし、 x方向の画像幅Wとy方向の画像高さHを算出する。
- 変形後のサンプリングモアレ縞の生成
- 異なる負荷ですべてのグリッドイメージを開きます。グリッド画像の数をNとする 。
- ステップ3.3.3-3.3.6をN回繰り返すことによって、 y方向にTステップ空間位相シフトモアレ縞のN個のグループを生成する。
- ステップ3.3.7をN回繰り返すことによって、 x方向にTステップ空間位相シフトモアレ縞のN個のグループを生成する。
4.荷重試験における試験片の変形測定
- 変形前および変形後のモアレ縞の強度の決定
- t段階のモアレ縞の強度をt3.3.5と3.3.6のステップでy方向 。ステップ3.3.7でx方向のモアレ強度を決定する。次の式23を用いて、 j （ j = x 、 y ）方向の変形前のTステップ（ T ≧2）モアレ強度を記述する。
（1）
ここでp jはj （ j = x 、 y ）方向の変形前のグリッドピッチ、 Aは変調振幅、 Dは背景強度と高周波強度を含む。 - ステップ3.4.2で変形後のTステップモアレ縞の強度をy方向に抽出し、ステップ3.4.3のx方向のモアレ強度を決定する。変形後のTステップ（ T ≧2）モアレ強度を記述するj （ k ）、 p j 、 A 、 DをI ' m、j （ k ）、 p 'に変更することにより、上記の式（式1）と同じ式を用いてj （ j = x 、 y ） j 、 A '、 D 'とする。ここで、上付きの一重引用符は変形後を意味する。
注：サンプリングピッチがT≥3ピクセルの場合、この手順を無視して手順4.3に進みます。
- t段階のモアレ縞の強度をt3.3.5と3.3.6のステップでy方向 。ステップ3.3.7でx方向のモアレ強度を決定する。次の式23を用いて、 j （ j = x 、 y ）方向の変形前のTステップ（ T ≧2）モアレ強度を記述する。
- 以下の式23を用いて変形前の2段階サンプリングモアレ強度（ 図1a ）間の乗法干渉から乗算モアレ縞を再構築する
（2）
ここで私は マルチ、 jは強度ofは変形前のj （ j = x 、 y ）方向の再構成された乗算モアレ縞である。 - フリンジセンタリング手法24を使用して変形前に再構成された乗算モアレ縞を処理する。再構成された乗算モアレの中心線でフリンジ次数に連続する整数と半整数f j = [1,1.5,2,2.5、...]を割り当てます。
注記：乗算モアレ縞が高密度である場合、2段階サンプリングモアレのフリンジ次数が最初に決定される（ すなわち、f j （ 0）= [1,0,2,0,3,0、...]およびf j （1）= [0,1.5,0,2.5,0,3.5、...]）。乗算モアレ縞の縞次数はf j = f j （0）+ f j （1）= [1,1.5,2,2.5,3,3.5、...]となる。剛体の変位は歪みの結果に影響を与えません。 - 以下の式23を用いて、サンプリングピッチに対する変形前の試料の相対歪みを測定する。
（3） 
（4）
u j _relaとεj _relaはそれぞれj （ j = x 、 y ）方向の変形前の相対変位と相対歪みを表し、γxy _relaは変形前の相対せん断ひずみを表す。 - ステップ4.2.1~4.2.3を繰り返して、x、y方向の変形後の試料の相対歪みをN回測定し、 I multi、 j 、 I m、 j （0）、 I m、 j I ' multi、 j 、 I ' 、 j ' 、 j ' 、 j ' 、 j ' y '、 ε ' j_rela 、およびγ ' xy_relaは、それぞれ、 m ' 、 j '（0）、 I 'm 、 j （1）、 p'j 、 A '、 D '、u'j_relaここで、上付き文字の一重引用符は変形後を意味します。
- j （ j = x 、 y ）方向の実際の法線ひずみεjを求めます。これは、グリッドピッチとせん断ひずみの相対変化であるγxyです。これは絶対値ですe変形前後の相対歪みによる荷重による試料の格子角の変化。
（5） 
（6）
- 以下の式23を用いて変形前の2段階サンプリングモアレ強度（ 図1a ）間の乗法干渉から乗算モアレ縞を再構築する
- 変形の測定サンプリングピッチがT ≧3ピクセルの場合
- 空間位相シフト法を用いて、 k = 0のときの変形前のj （ j = x 、 y ）方向のサンプリングモアレ縞の位相を計算する21
（7） - φmを置き換えることにより、 k = 0のときの変形後のj （ j = x 、 y ）方向のサンプリングモアレ縞の位相を求め、
注：ステップ4.3.1および4.3.2の位相分布に多すぎるランダムノイズがある場合、sin / cosフィルタ25を使用して位相を平滑化することができます。 - 変形前と変形後のj （ j = x 、 y ）方向のサンプリングモアレ縞の位相差を求める（Δφm 、 j = φ ' m、 j - φm 、 j ）。
- 変位u jの法線ひずみεjを
（8） 
（9） 
（10）
注：ひずみ分布にノイズが多すぎる場合は、平均平滑化フィルタを使用することができ、フィルタサイズは2グリッドピッチより小さくなります。
- 空間位相シフト法を用いて、 k = 0のときの変形前のj （ j = x 、 y ）方向のサンプリングモアレ縞の位相を計算する21
- 結果保管
- .tifまたは.bmpファイルなどの画像形式のモアレ縞、位相（サンプリングピッチがT≥3ピクセルの場合）、変位、ひずみ、およびテキスト（.txtまたは.csvなど）のデータを保存しますファイル。
（1） 
（2） 
（3） 
（4） 
（5） 
（6） 
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（8） 
（9） 
（10） Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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され、CFRP＃2のものは、3段階サンプリングモアレ縞からの空間位相シフトサンプリングモアレ法を用いて測定された。
A）CFRP＃1の変形測定
CFRP＃1の厚さ、長さおよび幅は、それぞれ1mm、22mmおよび4mmであった（ 図2a ）。長さd全ての繊維の方向は、サンドペーパーおよび研磨溶液を用いて研磨された1×22mm 2表面に対して垂直であった。研磨された表面上に、UVナノインプリントリソグラフィを用いてピッチ3.0μmのグリッドを作製した（ 図2b ）。歪みゲージを底部の4×22mm 2の表面に貼り付けて、最大の引っ張り歪みを監視した。
3点曲げ試験は、レーザースキャニング顕微鏡の下で支持スパンを16mm有する装填治具を用いてCFRP＃1上で実施した。スパン・トゥ・デプス比は、米国材料試験協会（ASTM）の基準によれば16であった。歪みゲージ値が0および0.00533であるときのグリッド画像（ 図2b ）を記録した。顕微鏡の対物レンズの倍率は5倍であり、走査解像度は1024×1024であった。 x方向は水平方向ですy方向は鉛直上向きである。
CFRP＃1のx方向とy方向のグリッドピッチは記録画像の2画素程度であったため、2方向のダウンサンプリングピッチは変形計測のためにT = 2画素とした。走査歪みの潜在的な影響を避けるために、1.26×0.53mm 2の大きさの中央領域を関心領域として選択した。 2ピクセルのダウンサンプリングと式（2）から、2ステップサンプリングモアレパターンと再構成された乗算モアレパターンが変形後に生成された（ 図2c ）。式（3）、（4）を用いて、歪みゲージ値が0.00533のときのサンプリングピッチに対する変形量を算出した。同様に、ひずみゲージ値が0のときの相対的な変形も得られた。最後に、実際の変形分布、inc式（5）および（6）を用いて、2D変位（ 図2d ）、2D法線ひずみおよびせん断ひずみ（ 図2e ）を測定した。
変位分布（ 図2d ）から、 x方向の変位は、左上および右下の角で正であり、他の2つの角で負である。 y方向変位は全領域で負であり、中央領域では最小である。これは、曲げ試験片の変形特徴とよく一致する。ひずみ分布（ 図2e ）から、上の領域はx方向の圧縮ひずみ、 y方向のひずみひずみ、下の領域はx方向のひずみひずみ、 y方向のひずみひずみがあり、興味深い変形c非常に特徴的です。せん断ひずみは、左の領域で負であり、曲げ特性に一致して右の領域で正である。
B）CFRP＃2の変形測定
積層CFRP＃2の厚さ、長さおよび幅は、それぞれ1mm、30mmおよび5mmであった（ 図3a ）。 8層あり、各層の厚さは0.13mmであった。すべての繊維の長さ方向は、サンドペーパーおよび研磨溶液を用いて研磨された1×30mm 2表面に対して垂直であった。次いで、3.7μmピッチのグリッドを、UVナノインプリントリソグラフィを用いて研磨面上に作製した（ 図3b ）。
3点曲げ試験は、レーザースキャニング顕微鏡の下で支持スパンが16mmの装填治具を用いて行った。 span-to-d陥没率も16であった。0.2N予圧でのグリッド画像が最初に記録された。荷重が10.8Nであり、たわみが-200μmであるとき、変形グリッド像も記録された（ 図3b ）。顕微鏡の対物レンズの倍率は5倍、結像ズームは120％、走査解像度は1,024×1024画素であった。 x方向は右向きであり、 y方向は鉛直上向きである。
CFRP＃2のx方向とy方向のグリッドピッチは記録画像の3画素程度であったので、2方向のダウンサンプリングピッチは変形計測のためにT = 3画素とした。走査歪みの潜在的な影響を避けるために、1.15×0.49mm 2の大きさの中心領域を関心領域として選択した。ステップ4.3で説明した方法を使用して、モアレ相消失x方向およびy方向の両方で0.2Nおよび10.8Nでの摩擦が得られた（ 図3c ）。 2D平面内変位（ 図3d ）、2D法線ひずみおよびせん断ひずみ（ 図3e ）の分布を決定した。
CFRP＃2の変位分布（ 図3d ）は、 y方向変位がわずかに異なることを除いて、CFRP＃1（ 図2d ）のものと同様です。 CFRP＃2（ 図3e ）のx方向のひずみとせん断ひずみの特徴は、曲げ試験片の変形特徴と一致するCFRP＃1（ 図2e ）のものと同様である。しかし、CFRP＃2のy方向歪み（ 図3e ）はdiffCFRP＃1はCFRP＃2が積層された試験片であるため、CFRP＃1のそれとは異なる。 y方向のひずみの分布からいくつかの層が観察され、これは全領域でほぼ負である。
図1：モアレ形成の原理と測定プロセスのサンプリング。 （ a ）サンプリングピッチがT = 2ピクセルの場合の2画素サンプリングモアレ縞からの再構成モアレの生成原理。 （ b ）サンプリングピッチがT ≧3ピクセルの場合、多段階位相シフトサンプリングモアレ縞の形成原理とモアレ位相の測定プロセス。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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図2：CFRP＃1の変形測定結果 （ a ）レーザ顕微鏡下での三点曲げ試験の実験装置と試験片の図。 （ b ）マイクログリッドを有するCFRP＃1の観察された表面。 （ c ）ひずみゲージの値が0.00533のときの2段階サンプリングモアレパターンと再構成された乗算モアレパターン。 （ d ）測定されたx方向およびy方向の変位分布。 （ e ）CFRP＃1のx方向、 y方向およびせん断ひずみの測定された分布。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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図3：積層CFRP＃2の変形測定結果 （ a ）レーザー顕微鏡下での三点曲げ試験の図。 （ b ）マイクログリッドを用いたCFRP＃2の表面観察。 （ c ）0.2Nの予荷重および10.8Nの負荷におけるxおよびy方向のサンプリングモアレ縞のラップ位相（範囲：-π〜π）分布。 （ d ） y方向のたわみ（-200μm）が表示されていないx方向およびy方向の測定変位分布。 （ e ）CFRP＃2のx方向、 y方向およびせん断ひずみの測定された分布。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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Discussion
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） 27 、電子ビームリソグラフィ（EBL） 2 、集束イオンビーム（FIB）ミリング6 、またはグリッド複写法26は、中古。材料に弱いポリマーが含まれている場合は、EBLとFIBの粉砕は推奨されません。材料の成分が耐熱性でない場合、NILを加熱することはできません。試料が薄膜である場合、試料を分離することは容易ではないので、グリッド複製法は適用が困難である。
そのための重要なステップ提案手法を用いた変形前後の格子像の歪み計測は、従来の干渉モアレ縞の形成原理とは原理的に異なるサンプリングモアレ縞22の生成である。明確なサンプリングモアレ縞を生成するために、望ましくない線または点を抑制するために、FTアルゴリズムなどのローパスフィルタが提案される。サンプリング・モアレ縞がダウン・サンプリング（ すなわち、グリッド・イメージの間引き）および線形強度補間の後に不明瞭である場合、ダウンサンプリングの前に平均フィルタのような平滑化フィルタを採用することができる。明瞭なサンプリングモアレ縞を生成するために、強度補間のために2次または3次B-スプライン補間アルゴリズムを使用することができます。
伝統的なモアレ法と比較して、ひずみ分布測定のために提案されたサンプリングモアレ技術は、簡単な2Dひずみ測定と簡単な処理、高速、高い変形感度、高い測定精度を実現します23 。 2Dの歪み測定は、従来の方法で必要であった顕微鏡の試料ステージまたは走査線を回転させることなく容易に行うことができる。さらに、必要な情報は各負荷での単発グリッド画像のみであるため、動的変形を測定することができます。これは、時間的位相シフトモアレ法では実行できません。なぜなら、各負荷で時間と共にいくつかのグリッドまたはモアレ画像が必要とされるからです。
記載された技術は、マイクロ/ナノスケールでの容易な2Dひずみ測定を可能にするが、他の技術と同様に、それ自身の限界23を有する。記録された画像のグリッドピッチは、2ピクセルまたはマルチピクセルサンプリングモアレ縞を生成するために1.8ピクセルより大きくすべきである。画像のグリッドピッチが約2 piの場合2画素サンプリングのモアレ縞は、同じ倍率で同じ視野を有する顕微鏡走査モアレ縞の代替物として役立つことができる。しかし、画像のグリッドピッチが、顕微鏡の最高解像度で約1ピクセルである場合、別個の走査モアレ縞が直接観察可能である場合、サンプリングモアレ縞は同じ倍率で形成することができない。顕微鏡の倍率を上げると、モアレ縞をサンプリングすることができますが、変形測定の視界は減少します。幸いにも、市販の顕微鏡の走査解像度は向上しており、ほとんどの場合、モアレ縞をサンプリングすることができる。走査解像度が高いほど、1グリッドピッチの画素数が大きくなり、ひずみ測定精度が高くなる。
2画素サンプリングモアレfriからの再構築された乗算モアレ法多画素サンプリングモアレ縞からの空間位相シフトサンプリングモアレ法は、処理速度が速く、測定精度は高いが視野は狭くなる。方法の選択は、標本グリッドピッチのピクセル数、または標本グリッドピッチのピクセル数が制御可能である場合に要求される測定精度および視野に依存する。両方の方法は、非破壊変形測定を行い、機械的特性、亀裂の発生および成長、残留応力、欠陥検出、構造的特徴付けなどの定量的評価を行うのに有用である。
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Disclosures
著者は何も開示することはない。
Acknowledgments
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
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Automatic Polishing Machine | Marumoto Struers K.K. | LaboPol-30, Labor Force-100 | |
| Carbon Fiber Reinforced Plastic | Mitsubishi Plastics, Inc. | HYEJ16M95DHX1 | |
| Computer | DELL Japan | VOSTRO | Can be replaced with another computer with C++ programming language |
| Image Recording Software | Lasertec Corporation | LMEYE7 | Installed in a laser scanning microscope |
| Ion Coater | Japan Electron Optics Laboratory Ltd. | JEC3000F | |
| Laser Scanning Microscope | Lasertec Corporation | OPTELICS HYBRID | |
| Nanoimprint Device | Japan Laser Corporation | EUN-4200 | Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device |
| Nanoimprint Mold | SCIVAX Corporation | 3.0μm pitch | Customized |
| Nanoimprint Resist | Toyo Gosei Co., Ltd | PAK01 | |
| Polishing Solution | Marumoto Struers K.K. | DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm | Use from coarse to fine |
| Pipet | AS ONE Corporation | 10mL | |
| Sand Paper | Marumoto Struers K.K. | SiC Foil #320, #800 | Use from coarse to fine |
| Spin Coater | MIKASA Corporation | MS-A100 |
References
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