光応用計測技術で高感度高精度計測を
金沢大学 理工研究域 機械系 機械物理研究室 安達グループ Mechano-physics lab., Kanazawa University
〒920-1192 金沢市角間町
TEL : 076-234-4922 FAX : 076-234-4922
http://www.ms.t.kanazawa-u.ac.jp/~physics/ E-mail : [email protected]
1．研 究 室 の 概 要
安達が所属する機械物理研究室の教員メンバーは，大学 に教養部があった平成 7 年以前は工学部共通講座の物理学 教室（イオン結晶の物性研究が中心で理学部物理の出身者 からなる）に所属していました．このメンバーが教養部廃 止とともに工学部の学科へ分属することとなり，かなり無 理をして機械系に加わった経緯があります．そして機械系 での教育研究へと少しずつ衣替えし，研究室の名称は機械 と物理から名前をもらって現在は機械物理となっています．
この背景がありますので，機械物理研究室ではイオン結 晶の変形を研究している人や，イオン結晶の変形に伴う発 光現象を調べている人がいます．安達も物理学教室に所属 した学生時代は材料欠陥を ESR で調べていましたが，兵 庫県立工業試験場で光計測技術の研究をした経験を基に，
出身研究室に戻っても光応用計測技術を続けて研究してい ます．物理学の光学に関係したところを中心に機械による 自動化に応用可能な光計測までを扱うという感じです．そ して光応用計測技術の研究や教育を通して，機械系学生の 研究能力や機器開発能力の教育の一端を担っています．
安達のグループに入ってくる機械の学生に，光技術がな ぜいま面白いかに関しては以下のように話をします．「光 は，計測対象に非接触であり，光干渉が示すように距離に 関して極めて高感度である．またいろんな波長も使え波長 別の反射や屈折を通して材料の特性にも迫ることができ る．カメラは 2 次元の光強度分布を容易に PC に取り込ん でくれるし，最近の発光素子や受光素子，そして PC は機 能も非常に高く，リアルタイム性や高速性も実現可能にな っていると」．この視点は自分自身にも常に語りかけてい ることでもあります．
2．グループのメンバー
安達グループには現在，学部生が 2 名，博士前期課程 1 年生が 4 名，2 年生が 3 名，博士後期課程 1 年生が 1 名の 10 名がいます．都合で休養中の 1 名を除く 9 人と安達の 写真を載せました．教員は残念ながら安達だけです．学生 は全員が機械工学を学部時代に勉強していますが，光に関 係する内容は学部 1 年後期の物理学Ⅱという授業で電磁気 を少し勉強しただけですから，ほとんど知識はありませ ん．ですから，入ってから光の基礎を勉強します．工学系 の授業ではいろんな知識を手早く身につけることを学生に 要求する傾向にあるためか，勉強を始めてもしっかりとし た電磁気の知識を身につけて光の理解度を上げていくこと
はかなり難しい状況です．そこを無理やり難しい理論の勉 強を要求してもモチベーションが上がりませんので，「こ んな問題で困っている状況が製造現場にはあるから解決方 法を考えてみてよ」との指示を行い，情報収集と解決方法 の研究を進めさせます．少し昔の学生達だったら互いに自 分のかかえている問題を説明したり意見を言ったりして研 究内容の概念を深め合いましたが，最近は難しそうなこと には深入りしないようにして自分の仕事のみを要領よく適 当に行おうとする傾向があります．研究での試行錯誤の中 に成長感や自分の知識の応用を通しての充実感があると思 うのですが，指導不足のためでしょう，学生達にはなかな か分かってもらえてない気がします．
いずれにしても光応用計測技術の体得と自分の創意工 夫，そして発表力，コミュニケーション力のアップを目指 して，企業の方々から聞く必要性の高い具体的問題の解決 を研究の中心に取り上げて，研究活動をこのメンバーで行 っています．
3．研 究 領 域
研究領域は，光干渉応用計測技術，レーザ応用技術，光 信号を各種のリアルタイム計測等に生かすための PC 利用 技術などです．
3.1 光干渉応用計測技術
ここでは微細構造物の 3 次元形状計測技術と，高精度な 計測技術に分けてやっている内容を述べます．
3 次元形状計測技術ですが，MEMS 等では段差構造物 の 3 次元形状の寸法が駆動性能に大きく関係するので，よ り正確な 3 次元形状を短時間で測定する技術が必要といわ
精密工学会誌Vol.76, No.1, 2010
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図 1 自然科学 3 号館の玄関前でれています．そこで，低コヒーレンス光（ハロゲンや LED 光）干渉を利用し計測を高速化する方法を調べてい ます．最近はかなり明るい LED が入手可能となり高速点 灯や高輝度照明が可能になりつつあり，最高性能の LED を入手し，うまく使うことが速度向上には重要と感じま す．現在の計測環境の外乱強度と必要な計測精度から逆算 される露光時間の短縮化には，現在入手可能な光源と比べ もっと高輝度な光源が必要不可欠であり，超高輝度な光源 の出現が期待されます．そこで LED やその他光源の最新 情報に注意しながら，計測方法を工夫することで同じ性能 の光源を使いながらもより高速化を可能にする方法を研究 しており，この方法は新しい超高輝度光源が出現しても必 ず役に立つ方法と考えています．
高精度な計測技術ですが，われわれが簡単に実現できる 測定実験環境では，絶対的な形状精度でのナノメートル
（nm）等は容易に実現できません．できるのは相対的な検 出値の違いでの nm の分解能です．その昔，1 点計測とな る触針形状計測では nm レベルの区別は測定環境条件から ほぼ不可能でした．しかし，干渉画像を利用する粗さ計測 では容易に nm の数値が得られます．これは干渉画像では 撮影した瞬間の参照面との相対距離が光の波長の 1/数百 の分解能で簡単に得られるからです．しかし，測定したい 物体の形状を同じ視野内の周辺高さと比較する相対形状で あり，絶対的な形状ではありません．このように光干渉計 測は分解能は極めて高いのですが，空気の屈折率変動や外 部の振動による構造体の歪みの影響，作業者の人体からの 輻射熱による装置の変形量などが nm レベルの絶対形状計 測では大きく悪影響し，高精度計測は難しい問題です．そ こでいかに外乱影響を排除もしくは補正できるかが重要と 感じ，そのためのできればスマートな方法を興味をもって 調べています．
3.2 レーザ応用技術
スペックル応用変形計測，透明膜厚み計測，デジタルホ ログラフィ応用形状計測などに分けられます．
スペックル応用変形計測では，大変形計測の方法をこれ まで精密工学会誌に発表していますが，最近はさらなる高 速大変形への手法が研究テーマです．超高速画像カメラを 使えば，高速変形は測定可能になるのですが，位相変化レ
ベルの計測精度が可能な方法での変形速度の上限はまだま だ低いと感じます．そこでアルゴリズムの工夫によるより 速い変形への適応可能技術を調べています．透明膜の厚み 計測では，主にメタリック塗装上のクリアー膜の厚みをレ ーザーと高倍率長作動距離をもつカメラを用いて測定する 方法です．デジタルホログラフィ応用形状計測では，カメ ラと光ファイバーのみを用い，干渉計内にレンズや鏡を一 切使わない形状測定方法として絶対形状計測に近づけるの ではと実験中です．
3.3 PC 応用技術
研究室ではナショナルインスツルメンツのグラフィカル プログラム言語「LabVIEW」を用いた計測制御技術が中 心です．同じ会社のリアルタイムボードを用いた計測や，
最近は FPGA 素子の載ったボードを用いるリアルタイム 計測の導入も行っています．
4．産 学 連 携
私のグループでは何社かの企業とこれまでも共同研究を してきました．共同研究の切っ掛けは，Web や大学の広 報情報を通して私の研究に興味をもった方が，研究室を訪 ねていただいたことや，メールで問い合わせをいただいた ことです．私自身は現場で必要な技術に非常に興味をもっ ており，現場の話を聞くことや現場を見ることが大好きで す．われわれが研究していることや問題を聞いて試した方 法が企業の現場でお役に立てば，これに勝ることはないと 考えています．すぐに共同研究をしましょうとはもちかけ ていません．私だけの感覚かもしれませんが，光計測は必 要な条件と手法の組み合わせが重要であり，組み合わせ等 がすぐに大きな効果を発揮する場合もあれば，頑張っても 実用に耐える物にならない場合もあります．ですからちょ っと試して良く観察することが重要と考えます．このよう な考えでいますので，企業の皆さまにこれからも気楽に問 い合わせや訪ねていただければと思っています．最近は金 沢大学も KUTLO（Kanazawa University TLO）を通して の技術移転に力を入れています．そして東京その他で，大 学の研究情報広報活動も行っています．活用いただければ と考えます．
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