Moire 간섭무늬와 그 이용에 관한 연구

Abstract

2枚의 光學的廻折格子를 內對面시키어 중합하면 彫刻線에 수직방향으로 무늬가 觀察된다. 이 무늬를 moire 干涉 무늬라 부른다. 이 무늬를 그 廻折格子의 彫刻精度의 良否를 판정하는데 應用되고 있다. 光學系로서는, 格子-받침대를 包含한 光學系-裝置를 設計·製作하여 moire 무늬의 여러 形態를 觀察하고 撮影할 수 있도록 하였다. 이 系는 格子常數 ω₁=ω₂=1.69μ이고, 彫刻線數 N₁=N₂=592선/㎜인 두 replica의 廻折格子 G₁, G₂를 중합하여 그들의 傾角 θG₁G₂와 간격 tG₁G₂의 變化에 따른 moire 무늬를 觀察할 수 있게 되어있다. 이 光學系의 配置는, 原理的으로 最少偏倚를 유지하는 觀測系로 구성되어 있다. θG₁G₂및 tG₁G₂의 變化에 따른 moire 무늬들의 透過强度分布에 관한 연구는, 위에 기술한 光學系-裝置와 光電裝置의 使用으로 이루어지는데, 이 實質的인 實驗은, 最少偏倚觀測系밑에서 다음과 같은 關與因子의 變化에 따라서 相對的測定이 수행된다. 즉 SC: 光源部의 스릿드幅 （SC1=0.2㎜, SC2= 0.6㎜, SC3=0.9㎜） ST: 光電管전면에 裝置한 스릿드幅 （ST1=0.11*1.01㎟, ST2=0.34*1.05㎟, ST3=0.61*0.9㎟） tG1G2: 두 replica 格子 사이의 간격 （tG1G2→0） θG1G2: 두 格子의 傾角 （θG1G2=0°~3.6°） 다음에 moire 무늬의 contrast에 관한 해석적인 문제는 다음 식으로 주어지는 contrastr계수 Cf에 의해 평가 분석된다. Cf= sin（1/2δ㎝）/ 1/2δ㎝ = sin{msπt cos（α/ω）}/ msπt cos（α/ω） S= SC/fc （fc는 시준기의 렌즈의 초점거리） ω: replica의 격자상수 α: 입사각, t=tG1G2=0.125㎜ m : 회절의 차수 （m=1） 實驗結果에 따르면 moire무늬의 相對方强度分布는 Sc 및 θG1G2에 依存되는데 Sc가 클수록 또 θG1G2는 0˚~ 2.6˚에서 θ가 增加할수록 커진다. 그러나 무늬의 contrast는 스릿드幅 Sc가 커질수록 低下한다는 事實을 證明하였다. 最近에는 彫刻精度가 매우 높은 廻折格子가 開發되어, moire무늬를 미세한 길이의 測定에 應用하는 분야가 開拓되어, 精密度量計測에 유력한 수단으로서 그 발전을 기대할 수 있게 되었다. 필자는 이 近者에 moire무늬를 使用해서 精密測定을 할 수 있는 새로운 光學系를 고안하였는데, 이 系는 렌즈系를 使用한 독특한 方法으로서 直接 2枚의 格子를 중첩시키는 方案에 比하면 여러 가지 点에서 優秀한 特徵을 가지고 있다. 格子-pupil렌즈-格子인 光學系, 廻折理論을 適用하여 moire무늬의 强度分布에 관한 一般式들 유도하고 格子-格子인 경우의 理論式과 비교하였다. Moire 干涉 무늬를 使用한 길이의 精密測定의 機構로서 要請되는, 위에서 제작한 moire 무늬의 光學系-裝置外에 移動格子의 平行移動에 따른 moire 무늬의 通過數를 自動記錄할 수 있는 digital計數器의 製作을 위시하여 主尺系檢出器 및 副尺系檢出器도 製作完了하여 實用上의 機能에 대한 檢討도 確認되어 測定에 着手하게 되었다. 이 全光學界-電子工學系의 製作開發은 앞으로 精密測定에 매우 고무적인 展望을 가져오리라 確信한다.

; When a couple of optical diffraction gratings are brought into contact face to face, rectilinear fringes are seen lying perpendicular to the ruling direction of gratings. This fringe is known by the nave of “Moire Fringe”, and has hitherto been used to examine the ruling quality of gratings. We designed and manufactured an optical system having “grating holder” in order to enhance observation and photographs of the moire fringe-profiles. The moire fringes depend on θG1G2 and tG1G2, whereθG1G2 is the inclined angle and tG1G2 is the distance between two gratings. The gratings have a grating constant W1=W2=1.69 The configurations of optical system-apparatus are organized by the observing-system of “Minimum deviation”. The experimental study on the relative transmission intensity-distribution of the various moire fringes has been made by the use of the photometric instruments and the optical system-apparatus which are already designed and manufactured. Also, these actual surveys were performed by means of a correlative measurement which depends on the following factor-changes under the minimum-deviation observing system. SC: slit-width of the beam source （SC1=0.2㎜, SC2= 0.6㎜, SC3=0.9㎜） ST: slit-width in front of photomultiplier tube（ST1=0.11*1.01㎟, ST2=0.34*1.05㎟, ST3=0.61*0.9㎟） tG1G2: distance of the two replica gratings （tG1G2→0） θG1G2: inclined angle between the two gratings （θG1G2=0°~3.6°） An analytical problem of the fringes-contrast has been evaluated by the relative measurements of the cohtrast coefficient Cf which is given as follows: Cf= sin（1/2δ㎝）/ 1/2δ㎝ = sin{msπt cos（α/ω）}/ msπt cos（α/ω） S= SC/fc （fc: focal length of Collimeter lens） ω: grating constant of replica grating （ω1=ω2 1/592㎜） t=tG1G2=0.125㎜ α: angle of incident ray m : diffraction-order （m=1）

The results showed that the transmission intensity-distribution of the fringes in general depends on the Sc and θG1G2: i.e. the greater the Sc and θG1G2, the greater the intensity of the fringes will result. However, the θG1G2 is larger than θ=2.6˚, the transmission intensity are decreasing with fringe-vanish. In this case, Fringe-contrast depends on the slit-width Sc, the lower the contrast of the fringes that will result. All these results have been confirmed by this experiments. In recent years, as it has become easy to obtain very fine and large diffraction gratings, the application of moire fringe to measure fine length measurements has been markedly developed, and this is expected to become a powerful means for precision metrology. I have recently developed a new optical system using the moire fringe for precision measurement. This apparatus is of an original type using a lens system to make both gratings into very few analysis based on optical diffraction theory has been done for this fringe, there were no clue to solve various kind of difficulties met at adjusting this optical system. In order to remove these difficulties, a general equation giving intensity distribution of the moire fringe was derived theoretically, and discussions about intensity distribution of the fringe both in case of grating-overlapping and of gratings by the above lens system. In measuring a length, the system works as a moire fringe pulse digital counting system in which the reading head（scale grating）moves in parallel with fixed index grating. The entire optical-electrical system developed in the present work is found very attractive for any precision length measurement.