1. はじめに

 JIS（日本産業規格，旧・日本工業規格）の規格において，穴と軸等の加工物同士のはめあいに関する公差等級表を眺めると ¹⁾，機械加工技術の進展のおかげで，近年ではより厳しい（公差の小さい）等級が追加されており，このような場合は数百nmオーダーの公差での加工が求められている．加えて，その数百nmオーダーの公差等級が定められている対象物の形状サイズは最大で数十mmオーダーであることから，両者の比をダイナミックレンジとして捉えると10⁵となり，極めて広いダイナミックレンジを持つことがわかる．「計測は科学技術の母である」とよく言われるが，「科学技術」を「ものづくり」に置き換えた場合も同様である．すなわち，上述のようなスケール・許容寸法範囲のものづくりを担保し続ける上では，この精度を超える計測手段が求められることになる．
 光をプローブとして用いる形状の計測は，機械的な接触を必要とせず，高速かつ高精度で計測できることから，3次元的な構造をはじめとする複雑形状を定量的に計測する手段として有力である．光を用いる3次元表面形状の計測手法は各種存在するが，光の「強度（または振幅）」と「位相」を用いる方法に大きく分別できる．まず，光の強度を用いる方法としてレーザー走査型共焦点顕微鏡がある．この方法では，光源・対物レンズ焦点・光センサ直前のピンホールを光学的に共役な配置とすることで，3次元空間分解能を有する．焦点位置あるいは対象を機械的に3次元走査し，対象から反射した光強度を各点（各位置）で測定することにより，µmオーダーの空間分解能，また典型的には数十から数百µmオーダーの視野で3次元形状を計測できる．この際，一般的に空間分解能は回折限界（波長程度の大きさ）によって制限され，通常用いられる光源の波長は紫外から近赤外帯であることから上述の（厳しい）公差等級と空間分解能が同等となり，これを正しく測定することは困難となる．一方，光の位相は，光波の進み度合いを周期2π（= 1波長）の関数として表すものであるため，これを計測できれば波長以下の長さ情報を得られる．通常，位相情報を取得する際には光の干渉を利用するが，この際の分解能は干渉計の機械的な振動等（位相ノイズ）により典型的には波長の100分の1程度であり，数nmから数十nmの高い空間分解能での計測が可能となる．干渉を利用して位相情報を得る方法も様々であるが，デジタルホログラフィー法では，計測したい対象に照射した光（物体光）と，対象と相互作用せず光位相の基準となる光（参照光）との干渉縞パターン（ホログラム）をカメラ等の2次元光センサで記録し，コンピューターによる波面伝搬計算（回折計算）を行うことで，物体の振幅と位相の像を得られる．このような方法は干渉計測に基づくことから，可干渉性（コヒーレンス）の高い単一波長レーザー光源がよく用いられる．一方，この方法は高精度な計測が可能であるものの，波長を超える大きさの対象の計測が困難であるという問題がある．図1(a)に示すように，平坦な面が波長を超える傾きを持っている場合，位相の折り返しが起こり，最終的に得られる結果はノコギリ波状の分布となる．このような単純かつ一様な構造の場合，例えば折り返し回数に応じて1波長分だけ波形を持ち上げるような後処理を行うことにより，灰色の破線で示す実際の形状が得られるが，図1(b)のようなステップ状に急峻な段差構造がある対象に対しては，何波長分の変化が起こったのかが不定となる．
　最後に，光の強度と位相の両方を用いる手法として白色干渉計がある．この方法では，広帯域な白色光を用いた低コヒーレンス干渉に基づいており，市販品でも数nmの奥行き分解能で計測可能であるが，上述のような広いダイナミックレンジ持つ形状を計測する場合は，計測あるいは対象を機械的に掃引しながら計測結果を奥行き方向に繋いでいく必要があり，5桁のダイナミックレンジを計測するのは容易ではない．以上のことをまとめると，非接触かつ高精度に対象の3次元表面形状を計測可能な光学的方法は有用であるものの，近年の精密なものづくりに対応するためには，同一の計測装置で広い計測ダイナミックレンジを確保できる手法が望まれる．

2. 光コム・デジタルホログラフィーの原理

 図1の光位相を表面形状計測に用いる際の問題点を解決する方法の一つとして，2つの異なる波長で計測した結果を用いる合成波長・デジタルホログラフィーがある．ここで，合成波長Λおよびその位相φは，2つの波長λ₁，λ₂およびそれぞれの位相 φ_λ1，φ_λ2を用いて次式で表される．

 式(1)から，用いる2つの波長が近ければ合成波長は大きくなり，遠ければ合成波長は小さくなる．また，式(2)から，実際にはそれぞれの波長で再構成した位相画像同士の引き算から合成波長の位相画像が得られることがわかる．この方法は位相画像から得られる奥行き方向の長さを拡大する上で有用であるが，選択可能な波長範囲が使用可能なレーザー光源の種類によって制限されるため，典型的には数µmから10 µm程度の合成波長しか生成できない．また，合成波長Λを大きくしても，位相ノイズにより分解能は同様にΛ/100程度に制限されるため，ダイナミックレンジとしては同等となる．
 そこで，本研究では究極的光源として知られる光コム光源に着目した．図2(a)に示すように，光コムは周波数軸状において多数の周波数的に安定な発振モードが繰り返し周波数 f_rep間隔で櫛（comb:コム）の歯状のスペクトルを示す．したがって，これらのコムモードを順次抽出すれば，多数の合成波長の生成が可能となる．図2(b)に示すように，最長合成波長となるΛ₁₂を用いれば，最大高さが大きくなるものの，分解能としては短い波長での計測と比較して悪くなる．そこで，Λ₁₂の計測レンジ（黒矢印）と一部重なるような短い合成波長Λ₁₃を次に用意し，これを順次短い合成波長側に引き継いで行き，最終的に単一波長での結果に接続すれば，得られるダイナミックレンジ（赤矢印）を大幅に拡大可能となる．

次回に続く－

【筆頭著者紹介】
長谷　栄治（はせ　えいじ）
徳島大学　ポストLEDフォトニクス研究所 特任助教
⟨ 略歴 ⟩
1989年生まれ．2017年，徳島大学・大学院先端技術科学教育部知的力学システム工学専攻博士後期課程修了，博士（工学）．2017年，高輝度光科学研究センター・利用研究促進部門，研究員．2019年，徳島大学・ポストLEDフォトニクス研究所，特任研究員を経て特任助教．現在に至る．

【著者紹介】
時実　悠，南川　丈夫，安井　武史
徳島大学　ポストLEDフォトニクス研究所