Laser trapping based surface sensor for micro-CMM​

A probing system based on laser trapping is proposed for micro-scale coordinate metrology. A glass sphere (φ8um) is optically trapped (figure below) stably but quite sensitive. When the sphere is close to a surface, the trapped sphere is displaced or fluctuated by the surface forces derived from the surface. When there is a surface underneath the sphere, the optical standing wave is generated. Measuring the standing wave phase using the trapped sphere can measure the free form surface profile with the scanning of the trapped sphere.

M. Michihata, et al, “Surface imaging technique by an optically trapped microsphere in air condition”, Nanomanufacturing and metrology, vol.1, issue 1 (2018) pp.32-38. 

doi: https://doi.org/10.1007/s41871-018-0004-0​

M. Michihata, et al, “Scanning dimensional measurement using laser-trapped microsphere with optical standing-wave scale”, Optical Engineering, vol.56, no.6 (2017) 064103

doi: https://doi.org/10.1117/1.OE.56.6.064103

M. Michihata, et al, Probing technique using circular motion of a microsphere controlled by optical pressure for a nano-coordinate measuring machine, Applied Optics, vol.48, no.2, (2009) pp.198-205. [Laser focus world]

doi: https://doi.org/10.1364/AO.48.000198 

M. Michihata, et al, Development of the nano-probe system based on the laser trapping technique, Annals of the CIRP, vol.57, issue1 (2008), pp. 493-496.

doi: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.03.016

マイクロスケールの形状計測では、測定物表面をセンシングするプローブシステムがキーとなり、本研究では光放射圧によって捕捉した直径8umのガラス球をセンサーに用いる。このプローブは外力に対して非常に高感度であるため、測定物表面に近接させると表面力によりガラス球が変位する。また、自由曲面の場合、捕捉用レーザと測定面からの反射光で光定在波が形成される。測定面の位置は定在波の位相として現れる。また、この定在波による力でガラス球は変位する。これらの球の変位を計測することで、表面の情報を得、マイクロスケールの形状計測が実現可能である。