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て、観察する試料表面（ 例えば、 1×30m​​m 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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 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。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>ナノインプリントモールドを試料表面から分離する。 </li></ol&gt; </li><li> 顕微鏡を用いた標本上の格子の観察 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>フォーカスを調整し、顕微鏡の画像記録ソフトウェアの &quot;Capture&quot;と &quot;File | Export | Image File&quot;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。 </li></ol></li><li> 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 <ol><li> 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。 </li></ol></li></ol> 2.荷重試験におけるグリッド画像の取得<ol><li> 顕微鏡下での荷重試験の準備 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 負荷試験におけるグリッド画像の収集 <ol><li>顕微鏡の画像記録ソフトウェアの &quot;Capture&quot;と &quot;File | Export | Image File&quot;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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol> Def前後のモアレ縞模様の発生オマージュ<ol><li> グリッド画像におけるグリッドピッチ（画素）の推定 <ol><li>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。 </li><li>最大荷重でグリッド画像のグリッドピッチを推定する。 </li></ol></li><li> サンプリングピッチ（画素）の決定 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 変形前のモアレ縞模様の発生 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 変形後のサンプリングモアレ縞の生成 <ol><li>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 。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol> 4.荷重試験における試験片の変形測定<ol><li> 変形前および変形後のモアレ縞の強度の決定 <ol><li> 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。 <img alt="式1" src="/files/ftp_upload/55739/image001.jpg" /> （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。 </li><li>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 &#39; m、j （ k ）、 p &#39;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 &#39;、 D &#39;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。 </li></ol></li><li><ol><li>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 <img alt="式2" src="/files/ftp_upload/55739/image002.jpg" /> （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。 </li><li>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。 </li><li>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。 <img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55739/image003.jpg" /> （3） <img alt="式4" src="/files/ftp_upload/55739/image004.jpg" /> （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。 </li><li>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 </式（2）〜（4）のI &#39; multi、 j 、 I &#39; 、 j &#39; 、 j &#39; 、 j &#39; 、 j &#39; y &#39;、 ε &#39; j_rela 、およびγ &#39; xy_relaは、それぞれ、 m &#39; 、 j &#39;（0）、 I &#39;m 、 j （1）、 p&#39;j 、 A &#39;、 D &#39;、u&#39;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。 </li><li> 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。 <img alt="式5" src="/files/ftp_upload/55739/image005.jpg" /> （5） <img alt="式6" src="/files/ftp_upload/55739/image006.jpg" /> （6） </li></ol></li><li> 変形の測定サンプリングピッチがT ≧3ピクセルの場合 <ol><li>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 <img alt="式7" src="/files/ftp_upload/55739/image007.jpg" /> （7） </li><li> 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、 <e上付き文字の一重引用符が変形後を意味する、それぞれφ &#39; m、 jおよびI &#39; m、 j （ k ）を有する式（7）のI m、 jおよびI m、 j （ k ） N回の負荷に対してN回繰り返します。 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。 </li><li>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 &#39; m、 j - φm 、 j ）。 </li><li>変位u jの法線ひずみεjを<e（ j = x 、 y ）方向と荷重による試料のせん断ひずみγxyとの関係を示す。以下の方程式6,21を使用する。 <img alt="式8" src="/files/ftp_upload/55739/image008.jpg" /> （8） <img alt="式9" src="/files/ftp_upload/55739/image009.jpg" /> （9） <img alt="式10" src="/files/ftp_upload/55739/image010.jpg" /> （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。 </li></ol></li><li> 結果保管 <ol><li> .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。 </li></ol></li></ol>

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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>

著者は何も開示することはない。

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><tbody><tr><td>Automatic Polishing Machine</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>LaboPol-30, Labor Force-100</td><td></td></tr><tr><td>Carbon Fiber Reinforced Plastic</td><td>Mitsubishi Plastics, Inc.&amp;nbsp;</td><td>HYEJ16M95DHX1</td><td></td></tr><tr><td>Computer</td><td>DELL Japan</td><td>VOSTRO</td><td>Can be replaced with another computer with C++ programming language</td></tr><tr><td>Image Recording Software</td><td>Lasertec Corporation</td><td>LMEYE7</td><td>Installed in a laser scanning microscope</td></tr><tr><td>Ion Coater</td><td>Japan Electron Optics Laboratory Ltd.</td><td>JEC3000F</td><td></td></tr><tr><td>Laser Scanning Microscope</td><td>Lasertec Corporation</td><td>OPTELICS HYBRID</td><td></td></tr><tr><td>Nanoimprint Device</td><td>Japan Laser Corporation&amp;nbsp;</td><td>EUN-4200</td><td>Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device</td></tr><tr><td>Nanoimprint Mold</td><td>SCIVAX Corporation</td><td>3.0&amp;mu;m pitch</td><td>Customized</td></tr><tr><td>Nanoimprint Resist</td><td>Toyo Gosei Co., Ltd&amp;nbsp;</td><td>PAK01</td><td></td></tr><tr><td>Polishing Solution</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>DP-Spray P 15&amp;mu;m, 1&amp;mu;m, 0.25&amp;mu;m</td><td>Use from coarse to fine</td></tr><tr><td>Pipet</td><td>AS ONE Corporation</td><td>10mL</td><td></td></tr><tr><td>Sand Paper</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>SiC Foil #320, #800</td><td>Use from coarse to fine</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>MIKASA Corporation</td><td>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 Moir&#233; 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. ...

micronano-scale-strain-distribution-measurement-from-sampling-moir

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K ビュー.  National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). 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。 

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

工学

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

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 ...

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this work, we use single particle tracking of fluorescently labeled PNIPAM microgels as a showcase for tuning microgel size by a rapid non-stirred precipitation polymerization procedure. This approach is well suited for prototyping new reaction compositions and conditions or for applications that do not require large amounts of product. Microgel synthesis, particle size and structure determination by dynamic and static light scattering are detailed in the protocol. It is shown that the addition of functional comonomers can have a large influence on the particle nucleation and structure. Single particle tracking by wide-field fluorescence microscopy allows for an investigation of the diffusion of labeled tracer microgels in a concentrated matrix of non-labeled microgels, a system not easily investigated by other methods such as dynamic light scattering.

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform PolyN-isopropylacrylamide Microgels

Non-stirred precipitation polymerization provides a rapid, reproducible prototyping approach to the synthesis of stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) microgels of narrow size distribution. In this protocol synthesis, light scattering characterization and single particle fluorescence tracking of these microgels in a wide-field microscopy setup are demonstrated.

制御された合成および均一性の高いポリの蛍光トラッキング（<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide）ミクロゲル

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this ...

化学

Measurement of Particle Size Distribution in Turbid Solutions by Dynamic Light Scattering Microscopy

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a technique used to measure the size distribution of polymer solutions or colloidal particles. Although this technique is widely used for the assessment of polymer solutions, it is difficult to measure the particle size in concentrated solutions due to the multiple scattering effect or strong light absorption. Therefore, the concentrated solutions should be diluted before measurement. Implementation of the confocal optical component in a dynamic light scattering microscope1 helps to overcome this barrier. Using such a microscopic system, both transparent and turbid systems can be analyzed under the same experimental setup without a dilution. As a representative example, a size distribution measurement of a temperature-responsive polymer solution was performed. The sizes of the polymer chains in an aqueous solution were several tens of nanometers at a temperature below the lower critical solution temperature (LCST). In contrast, the sizes increased to more than 1.0 &#181;m when above the LCST. This result is consistent with the observation that the solution turned turbid above the LCST.

A protocol for the direct measurement of particle size distribution in concentrated solutions using dynamic light scattering microscopy is presented.

動的光散乱顕微鏡による濁りソリューションにおける粒度分布の測定

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the growth of microstructurally small fatigue cracks. The proposed strain field analysis methodology is based on the use of a unique pattering technique with a characteristic speckle size of approximately 10 &#181;m. The developed methodology is applied to study the small fatigue crack behavior in body centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritic stainless steel with a relatively large grain size allowing a high spatial measurement accuracy at the sub-grain level. This methodology allows the measurement of small fatigue crack growth retardation events and associated intermittent shear strain localization zones ahead of the crack tip. In addition, this can be correlated with the grain orientation and size. Thus, the developed methodology can provide a deeper fundamental understanding of the small fatigue crack growth behavior, required for the development of robust theoretical models for the small fatigue crack&#160;propagation in polycrystalline materials.

Microstructurally small fatigue crack growth behavior is investigated using a novel methodological approach combining crack growth rate measurement and strain-field analysis to reveal the cumulative deformation field at sub-grain level.

全視野ひずみ測定における微視組織的微小疲労き裂の伝ぱデジタル画像相関法を用いた

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis

The goal of this protocol is to build a parallel high-extinction and high-resolution optical Brillouin spectrometer. Brillouin spectroscopy is a non-contact measurement method that can be used to obtain direct readouts of viscoelastic material properties. It has been a useful tool in material characterization, structural monitoring and environmental sensing. In the past, Brillouin spectroscopy has usually employed scanning Fabry-Perot etalons to perform spectral analysis. This process requires high illumination power and long acquisition times, making the technique unsuitable for biomedical applications. A recently introduced novel spectrometer overcomes this challenge by employing two VIPAs in a cross-axis configuration. This innovation enables sub-Gigahertz (GHz) resolution spectral analysis with sub-second acquisition time and illumination power within the safety limits of biological tissue. The multiple new applications facilitated by this improvement are currently being explored in biological research and clinical application.

Here we present a protocol to build a rapid Brillouin spectrometer. Cascading virtually imaged phase array (VIPA) etalons achieve a measurement speed more than 1,000 times faster than traditional scanning Fabry-Perot spectrometers. This improvement provides the means for Brillouin analysis of tissue and biomaterials at low power levels in vivo.

ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

The goal of this protocol is to build a parallel high-extinction and high-resolution optical Brillouin spectrometer. Brillouin spectroscopy is a ...

生物工学

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Production of a Strain-Measuring Device with an Improved 3D Printer

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in the analog electrical signal in a traditional strain gauge operation, a new strain measurement method is presented here. It uses a photographic technique to display the strain change by amplifying the change of the pointer displacement of the mechanism. A visual polydimethylsiloxane (PDMS) lens with a focal length of 7.16 mm was added to a smartphone camera to generate a lens group acting as a microscope to capture images. It had an equivalent focal length of 5.74 mm. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and nylon amplifiers were used to test the influence of different materials on the sensor performance. The production of the amplifiers and PDMS lens is based on improved 3D printing technology. The data obtained were compared with the results from finite element analysis (FEA) to verify their validity. The sensitivity of the ABS amplifier was 36.03 &plusmn; 1.34 &#181;&epsilon;/&#181;m, and the sensitivity of the nylon amplifier was 36.55 &plusmn; 0.53 &#181;&epsilon;/&#181;m.

This work presents a strain measurement sensor consisting of an amplification mechanism and a polydimethylsiloxane microscope manufactured using an improved 3D printer.

改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in ...

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

要約

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フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

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

制御された合成および均一性の高いポリの蛍光トラッキング（

動的光散乱顕微鏡による濁りソリューションにおける粒度分布の測定

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

全視野ひずみ測定における微視組織的微小疲労き裂の伝ぱデジタル画像相関法を用いた

ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

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

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フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

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

制御された合成および均一性の高いポリの蛍光トラッキング（

動的光散乱顕微鏡による濁りソリューションにおける粒度分布の測定

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ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用