シャドー法に基づく微小変位計測

サマリー

高精度の微小変位測定は、航空宇宙工学、超精密機械加工、マイクロアセンブリの分野で重要です。本プロトコルは、シャドー技術に基づく微小変位の測定について記述しています。

要約

微小変位の精密測定は、科学および産業分野で重要です。しかし、複雑な設計と測定器の高コストのため、これは困難な課題です。日光を浴びて水面を歩くアメバチムシが形成する影に着想を得て、微小変位測定法を提案しました。超疎水性の特性を持つウォーターストライダーの脚は、水面を曲げます。曲面の水面が太陽光を屈折させ、池の底に明るい縁の影を作り出しています。影のサイズは、通常、水面からの脚のくぼみの深さよりも大きくなります。微小変位測定システムでは、印加される変位は影の直径の変化に比例します。提示された研究は、この影の技術に基づく微小変位測定手順を提案しています。変位感度は、5μmの範囲で10.0nm/ピクセルに達することができます。このシステムは、構築が簡単で、低コストで、高精度で優れた線形性能を備えています。この方法は、微小変位を測定するための便利な追加オプションを提供します。

概要

精密な変位測定は、航空宇宙工学¹、超精密加工²、マイクロアセンブリ³の分野で重要な役割を果たしています。構造^{ヘルスモニタリング4}のためには、構造変形を正確に測定する必要があります。しかし、高精度の微小変位測定は、測定器の複雑な設計と高コストのために、依然として困難な課題です⁵。

微小変位測定技術は、従来の方法と非従来の方法に分けることができます。磁気センサー、静電容量センサー、誘導センサー、電気センサーなどの従来の方法は、電磁干渉の影響を受けやすい⁶。従来とは異なる方法は、光ファイバーベースの方法やレーザー法などの光学的な方法が中心です。

Ke Tianらは、微小変位を測定するためにバルーン形状の曲げマルチモードファイバー構造を設計し、その変位感度は実験的に0〜100μmの測定範囲で0.51dB / μmを達成できました⁷。ただし、光ファイバー復調器のサイズとコストを最初に考慮する必要があります。そして、熱の影響をなくすことは容易ではありませんでした。Qianbo Luらは、強度補償と位相変調8により感度が44.75mV/nmに達することができる回折格子干渉共振器に基づくサブナノメートル分解能の変位センサを提案し^た。レーザー干渉計は、ナノスケールの分解能を持つ一般的に使用される微小変位計の1つです。しかし、リフレクターは複雑な信号処理を必要とし、干渉法のフリンジ分解能はその用途を制限します⁹。そのため、シンプルで低コスト、高精度な計測システムが求められています。

この記事では、シャドウ技術10,11,12,13に基づく微小変位測定手順を提案します。これは、シンプルで低コスト、高精度で、優れた線形性能を備えています。この方法は、水面を歩くアメンボに触発されました。超疎水性の特性を持つウォーターストライダーの脚は、水面を曲げます。曲面の水面が太陽光を屈折させ、池の底に明るい縁の影を作り出しています。影のサイズは、一般に、水面14,15,16からの脚のくぼみの深さよりもはるかに大きい。このシステムでは、印加された変位と影の直径の変化は比例しており、これはキャリブレーション実験によって検証されました。この研究は、この方法が微小変位を正確に測定するための代替手段を提供することを示しています。

プロトコル

1. PDMSピースの準備

1. ポリジメチルシロキサン(PDMS、 材料表を参照)ポリマーを調製するには、直方体のポリカーボネート(PC)容器内でベースと硬化剤(計量天秤を使用)を30:1の比率で秤量します。
   注:コンテナのサイズは60mm×45mm×15mmです。混合物の高さは約10mmです。
2. PDMS混合物をブレンダーで約20分間混合し、泡で満たされるまで混合します。
3. 真空ポンプを使用して、混合物から気泡を約30分間除去します( 材料の表を参照)。
4. PDMSを65°Cのオーブンで4時間硬化させます。
5. PCコンテナで形成されたPDMSピースを変位に敏感な要素として使用します(手順2.1)。
   注:PDMSピースのサイズは60mm×45mm×10mmです。

2. 微小変位測定のための実験的準備

1. 平行光源、直径0.7mmの開口ダイアフラム、PDMS(変位感受性素子)、3本の剛体円筒形脚を備えたワークベンチ、カメラ、垂直精密ポジショナー、電動ステージ、その他のコンポーネント(図1と図2に示すように、材料表を参照)など、測定システムのすべてのモジュール/コンポーネントを収集します。
2. 市販のワークベンチ( 資料の表を参照)をPDMSに置きます。
   注意: PDMSの表面は、ワークベンチの脚によって曲げられています。作業台はアルミニウムを機械加工することによって得られます。剛性のある円筒形の脚の直径は0.5mmで、できるだけ小さくする必要があります。
3. 平行な光源を開口絞りで接続して、剛性のある円筒形の脚の1つに垂直に一定の直径の平行光線を放射します。
   注意: 平行光線の直径は0.7 mmで、できるだけ小さくする必要があります。
4. 平行光源をPDMS表面から約50mm上に配置するには、ワークベンチの電動ステージを調整します。
   注:曲がった表面は平行光を屈折させ、 図3に示すように、明るいエッジを持つ影を作成します。
5. カメラをPDMSの真下260mmに配置して、影の画像をキャプチャします。カメラレンズの倍率を調整して、影が画像全体に広がるようにします。
   注:カメラのピクセルサイズと解像度は、それぞれ約3.72μmと4,000×6,000です。
6. ワークベンチの0.2 nm上に0.2 nmの分解能で垂直精密ポジショナーを固定して、変位感度を校正します(ステップ4)。

3. 画像処理

1. マシンビジョンソフトウェアを使用して、影のカラー写真をグレースケール画像に変換します( 「マテリアルの表」を参照)。
   1. ソフトウェア の開始 ボタンをクリックして、影の画像を処理し、影の直径を直接取得します。
      注:画像処理手順のコードはソフトウェアに統合されています。
2. ノイズを除去するためのガウスフィルタリングや、画像のコントラストを強調するための画像強調など、画像の前処理を実行する¹²。
3. Canny 演算子を使用して、各ピクセルのグラデーションを計算し、サブピクセルのエッジ輪郭セットを取得します。非最大抑制¹²に基づいて非エッジピクセルを除外する。
4. シャドウ エッジの一部ではないエッジ輪郭を削除するには、特定の長さのしきい値を設定します。
5. 影の直径を円¹⁷の最小二乗フィットでフィットします。

4. 変位の口径測定

1. 垂直精密ポジショナー( 材料の表を参照)を調整して、ワークベンチのロードボタンに接触させます。
2. 現在のシャドウ イメージを参照イメージとしてキャプチャします。
3. ワークベンチと垂直精密ポジショナーの間の距離が5μmになるまで、ワークベンチを1μmステップで下に移動するように駆動します。
4. 各ステップでカメラで影の写真を撮ります。
5. 実験を 5 回繰り返します。
6. 結果をあてはめて、垂直精密ポジショナーの変位出力と式 4 による影の直径の変化との関係を求めます (代表的な結果を参照)。
   注:ここから、変位感度 k が得られます。

5. 微小変位の測定

1. 垂直精密ポジショナーとワークベンチのロードボタンとの間の接触を外します。
2. 現在のシャドウ イメージを参照イメージとしてキャプチャします。
3. 電動リニアステージ(分解能、0.625μm)を調整して、ロードボタンに接触させます。
   注:本研究では、市販の電動リニアステージ( 材料の表を参照)を使用して、微小変位測定を実証しました。ただし、ユーザーは、微小変位測定を必要とする多くの一般的なサンプルを測定できます。
4. 微小変位による影の現在の画像をキャプチャします。
   注:テストサンプルがロードボタンに接触すると、ワークベンチが移動します。微小変位により影の直径が変化します。次に、影の画像がキャプチャされ、影の直径が決定されます。
5. 画像処理により影径の変化を求め(ステップ3)、キャリブレーションされた変位感度 k と 式4に従って微小変位を計算します。
   注:式4の Z は微小変位です。

結果

プロトコルに従って、微小変位測定システムの感度を校正し、微小変位を測定することができます。微小変位測定におけるシャドー法を以下に示します。 図 3 は、印加された変位による PDMS 変形面を通る平行光の移動経路を示しています。平行光の屈折により、明るいエッジを持つ影が形成されます。Johnson-Kendall-Roberts (JKR) モデルに基づく PDMS 表面の変位 z(x) の陽解は¹⁸ です。

(式1)

ここで、 Z は適用された変位、 r は剛体円筒脚の半径です。最も外側の_光の入 射角θ1は、式2で表すことができます。

ディスカッション

このプロトコルは、シャドウ技術に基づく微小変位測定システムを提案しました。変位のキャリブレーションは、変位感度と測定範囲を取得するためのプロトコル内の重要なステップです。変位感度は、式4に基づいて円筒形の脚部と平行光ビームの直径を小さくし、作動距離を長くすることで改善できます。さらに、カメラのピクセルサイズと解像度、および画像処理の精度も、変位感度を向上させるための鍵となります。影の直径の変化を最小にするために、ピクセル サイズはできるだけ小さくする必要があります。測定範囲を広げるために、カメラの解像度はできるだけ大きくする必要があります。シャドウ画像のフィッティング精度は、測定システムの性能に直接影響します。

シャドー法に基づくシステムは、大きな変位測定には適していません。PDMSは、大きな変形により損傷を受ける敏感なコンポーネントです。カメラの解像度も測定範囲を制限します。カメラの解像度は、すべてのシャドウ イメージを含めるのに十分な高さである必要があります。さらに、PDMSの寿命は室温でわずか2年と比較的短い...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アパーチャーダイヤフラム	高精度研削		アパーチャーの直径は0.7mm。
カメラ	キヤノン	EOS80D	カメラのピクセルサイズと解像度は約3.72μです。m と 4000 ×それぞれ 6000 です。
HALCON	MVTec Software GmbH	18.11	MVTec HALCONは、世界中で使用されている統合開発環境(HDevelop)を備えたマシンビジョン用の包括的な標準ソフトウェアです。
電動リニアステージ	Zolix	TSA50-C	分解能 0.625 μm
平行光源	Oriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.	BTPL-50G	ピーク波長は523nmです。
ポリジメチルシロキサン(PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	PDMSは、透明なシリコンベースの架橋ポリマーです。
真空ポンプ	上海苔癬-BX楽器技術有限公司	2XZ-6B	ポンプ速度は6 L / s.The究極の真空は&leです。1 Pa
縦型精密ポジショナーPI		P-620。ZCD	分解能は 0.2 nm で、50 μm の範囲です。
剛性の高い円筒形の脚を3本備えたワークベンチ	高精度研削		脚の直径は0.5mm。脚は、半径14 mmの円の三等点に分布