究極レーザ変位計技凄
Ⅰ レーザ変位計の基礎知識 p2
Ⅱ ABLE（エイブル）機能 p3
Ⅲ 究極レーザ変位計の「凄技1」 p5
Ⅳ 透明体の測定 p6
Ⅴ 究極レーザ変位計の「凄技2」 p7
高速・高精度CCDレーザ変位計 LK-Gシリーズ
■ 超高速サンプリング50KHz
■ 繰り返し精度0.01μm
■ ワイド測定1000mm
■ 透明、樹脂、金属などあらゆる対象物を安定測定
AP7-0105
仕様は改良のため予告なく変更することがあります。
本社・研究所／APSULT事業部
〒533-8555 大阪市東淀川区東中島1-3-14 Tel 06- 6379-1131 Fax 06- 6379- 1130
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究極のレーザ変位計
無料
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内容（概略図もお書き下さい）
□ 商品問い合わせ □ カタログ請求 □ テスト機依頼 □ 検出・測定相談
□ その他（ ）
右図のように、対象物に半導体レーザからレーザ光を照射。
対象物から反射した光は、受光レンズで集光され受光素子へと結像されます。
対象物までの距離が変動すると、集光される反射光の角度が変わり、
それに伴って受光素子上に結像される位置が変化します。
この受光素子上の結像位置の変化が対象物の移動量と比例することから、
結像位置の変化量を読み取り、対象物の移動量として計測しています。
レーザ変位計は、「1.三角測距の原理」にあるとおり、測定対象物からの反射光を受光素子上に結像することで距離を算出しています。
測定対象物からの反射光は対象物表面の色や艶、表面状態（凹凸の有無や角度等）が変わることで違った反射光となり、
それらに伴って受光素子上に結像される受光スポット（受光波形）も変化することになります。
この、受光スポット（受光波形）の変化が、レーザ変位計の測定精度に影響を与えます。
レーザ変位計の測定精度を安定させるには、CCDにとって最適な受光量を確保する必要があります。
受光量を確保するための方法として、下記のような方法があります。
2
測定精度を安定させるためのポイント
■CCDにとって最適な受光量を確保するための調整機能が必要。
■受光量を確保するための調整は、高速で行う必要がある。
ABLE機能が実現！
上記のように、対象物の表面が異なることで、受光素子上に結像される受光スポットが変化し測定精度に影響が発生します。
上記のように、受光量の調整方法として様々な方法がありますが、実ラインでレーザ変位計を使用するためには、
単に受光量を確保するための調整ができるというだけではなく、
「受光量の調整を高速で行う」ということも精度を安定させる為の重要な要素となります。
1
レーザの
発光パワーを調整
2
レーザの
発光時間を調整
3
受光素子の受光感度
を調整
4
受光時間（露光時間）
を調整
（エイブル）
■ 受光スポット（受光波形）例
■ 受光スポット（受光波形）に影響を与える因子
Ⅰ レーザ変位計の基礎知識
1 三 角 測 距 の 原 理
2 測 定 精 度 へ の 影 響
3 測 定 精 度 を 安 定 させるには…
● 対象物の色（色ムラ）、艶、光沢の有無
● 対象物の表面状態（凹凸の有無、角度）
● 対象物の材質（樹脂のように光が沈み込むような場合）
三角測距の原理
キーエンス、レーザ変位計LKGシリーズは、「ABLE（エイブル）機能」を搭載することで、
あらゆる対象物での超高精度化を実現しています。
発光パワー
レーザパワー
小
レーザパワー
大
発光時間：短 発光時間：長
鏡面体 黒ゴム
Ⅱ ABLE（エイブル）機能
対象物表面をセンシングしてレーザ光量を最適に調整する機能。
レーザ発光時間、レーザパワー、ゲイン（CCD増幅率）の3要素を高性能CPUにより
リアルタイム制御を実現しています。
ABLE（ABLE＝Active Balanced Laser control Engine）
レーザパワー
8倍
ー
発光時間
1662倍（0.6∼997μs）
150倍（3.2∼480μs）
調整幅
13296倍
150倍
■ 光量調整幅（従来比、最大90倍）
■ ABLE機能の効果
ほとんど光を反射しない、黒ゴムワークでも、ABLE機能を使用すれば白色セラミックスと同じレベルの受光量を確保できます。
LK-Gシリーズ
従来品
サンプリング時間
20μs
512μs
調整時間
0.06ms
7ms
■ 高速リアルタイム制御（従来比、120倍）
LK-Gシリーズ
従来品
A B L E 機 能 （ 概 要 ）
5
ワークは常に平面とは限りません。
曲面や傾斜面を測定する場合、受光量が減少するため極端な場合、測定不能になる恐れがあります。
このような場合に、ABLE機能が効果を発揮します。
ワークが移動すると受光量が変化するため、スキャニング分解能に影響がでます。
さらに、コネクタピンの反りや、パターンのあるガラス基板など、
反射光量が大きく変動するワークを高速に移動させながら測定する場合、
上手く測定出来ない場合があります。このような場合に、ABLE機能が効果を発揮します。
角 度 特 性
高 速 性
レーザ発光時間の調整を「100ns」単位で実施。
極め細かい発光時間調整を行うことで、
あらゆるワークでの安定した計測を実現しています。
1
2
3
発光時間の調整分解能
高速CPUで
リアルタイム制御
独自のアルゴリズムで
最適光量調整
非線形である、CCDの受光特性に対して、
独自のアルゴリズムによって光量フィードバックを実施。
このことにより、あらゆるワークで安定した計測を実現。
レーザパワー、発光時間、増幅率の3つのパラメータを全てデジタル化。
高速CPUでリアルタイムに演算、補正を行うことで、最適な設定を一発制御。
高速処理を行うことで、あらゆるワークでの精度アップを実現しています。
5
Ⅲ 究極レーザ変位計の「凄技1」
「 凄 技 1 」の ポ イ ン ト
A B L E 機 能 に よ る 、さ ら な る 効 果
測
定
値
［mm］
6
5
4
3
2
1
0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
位 置 ［mm］
測
定
値
［mm］
位 置 ［mm］
従来品
ワーク形状
6
5
4
3
2
1
0
究極のレーザ変位計 矢印A 矢印B
ABLE機能がない場合［従来品］
ABLE機能がない場合［従来品］ ABLE機能がある場合［究極のレーザ変位計］
ABLE機能がある場合［究極のレーザ変位計］
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
450040003500300025002000150010005000 450040003500300025002000150010005000
移 動 距 離［μm］ 移 動 距 離［μm］
ICピンの太さが
バラバラ。
1本検出さえも
できていない。
→高速な光量変化
に追従できていない
ためICピンの最初の
部分が測定できずに、
データが欠けている。
光量制御の高速
応答により、ICピンの
部分がデータ抜けなく
すべて測定できている。
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
ICピン
φ10ピンゲージ
測
定
値
［mm］
測
定
値
［mm］
■
■ ザイデルの５収差（概要）
＜無収差レンズ（理想形）＞ ＜球面収差＞
＜コマ収差＞ ＜非点収差＞
＜像面湾曲＞ ＜歪曲収差＞
■ レーザ変位計に影響を与える収差
＜三角測距方式の基本原理＞
の３つとなります。
（次号で、詳細を説明します。）
・
・
・
コマ収差
非点収差
像面湾曲
三角測距方式のレーザ変位計の基本構造は左図のようになりま
す。
左図の、各反射光（測定範囲中の反射光）の焦点位置は、シャイ
ンプルーフの法則により決まりますので、その位置に受光素子を
設置することが基本となります。
（受光波形上に結像されるスポットの形状が極力小さく、同じ大き
さ、形になる方が、測定精度が向上します。）
この、基本原理から、レーザ変位計に影響を与える収差は、
広い意味での球面収差の
一つで、レンズ中心から入
る光とレンズ周辺から入る
光のずれによって起きる
レンズの直行する軸の焦点距
離が違う現象。
（左図のＸ、Ｙ軸で焦点位置の
ずれを非点隔差といいます）
画像の歪みのことで、正方形
物体の形を糸巻き型にひずま
せるものと樽型にひずませる
２つの典型例がある。
平面の物体を結像させた
時に平面に映らない現
象。
（同一平面上に焦点がそ
ろわない現象）
ＭＥＭＯ
光学系 特別研究室
Vol. 収差とレーザ変位計の関係①6
概要
収差には大きく２つの種類があります。
一つ目は、レンズに入射する光が単色でないことに起因する収差で、これを色収差といいます。
もうひとつは、単色でも発生する単色収差があります。単色収差のうち主要な5つにはザイデル収差という名前がつい
ています。
レーザ変位センサは単色光ですので、単色収差について詳細を解説いたします。
単色収差（単一の波長の光で生じる収差）を分類し説明したもので、ドイツの光学学者ザイデルにちなんで命名された
もので、５つの収差に分類されています。
軸上、軸外を問わず、１点
から出た光が１点にしかも
平面上に集光する理想の
形です。
レンズが球面であることに由
来する収差で、中心付近に比
べ、外周付近の焦点がレンズ
側に移動します。
株式会社 キーエンス
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Ⅴ 究極レーザ変位計の「凄技2」
「 凄 技 2 」の ポ イ ン ト
7
左頁のように、ガラス背景に金属体があるような場合や、スモー
クガラスのように、受光素子上に結像する受光ピークが異なる
場合に有効な機能で、左図のように、CCDに受光した受光波形に
ついて、それぞれに個別に光量補正を行い、最適な受光波形（合
成波形）を作り出す機能です。
■ マルチABLE機能
「 凄 技 1 」の ポ イ ン ト
複数の受光波形に対して、それぞれの受光波形別に
最適な光量状態に補正をかけることで、
反射率の異なる場合でも安定した測定を実現。
1
2
複数の受光波形別の
光量補正
最大4つの受光波形に
対して補正可能
貼り合わせガラスのギャップ測定
（第二面と第三面）など、
補正波形数を多くすることで、
新たな用途にも効果を発揮。
マ ル チ A B L E 機 能
マ ル チ A B L E 機 能 に よ る 効 果
第１面をABLEで最適化した波形
第2面をABLEで最適化した波形
飽和レベル
マルチABLEで
合成された波形
ギャップ
第一面
第二面
第三面
第四面
ABLE機能がない場合［従来品］ マルチABLE機能がある場合［究極のレーザ変位計］
スモークガラス（t=0.5mm）
スモークガラスの受光波形［従来品］ スモークガラスの受光波形［究極のレーザ変位計］
測
定
値
［μm］
1 0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 1 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
位 置［mm］
測
定
値
［μm］
位 置［mm］
マルチABLE制御がない場合 マルチABLE制御がある場合
1 0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 1 0
第2面の受光量が得られず
測定ができません。！
受
光
量
受
光
量
第 1 面 第 2 面
スモークガラス
の厚み
第2面の受光量が
得られません。！
第1面、
第2面とも
均等に受光量
が得られます。
透明体での受光波形
Near Far
256
224
192
160
128
96
64
32
0
受
光
量
第一面 第二面 第三面 第四面
ギャップ
上記のレーザ及びCCDの3つの制御パラメータを使用し、CCDにとって最も感度の良い受光量となるように制御しています。
3つのパラメータの制御の優先順位は、①発光時間②レーザパワー、③受光信号の増幅という順序になっています。
1.CCDにとって、最も感度の良い受光量を「最適光量」として記憶。
（CCDへの受光量が少ない場合だけでなく、逆に多すぎる場合、受光波形が飽和してしまい、
CCD上に結像するスポットが大きくなり精度が悪くなります。そのため、最適光量をコントローラに記憶させています。）
2.レーザパワー（P）、発光時間（T）、受光信号の増幅率（G）を掛け算した値と、そのときの受光量を1サンプリングごとに記憶し、
最適光量との比較を行います。
レーザパワーをP、発光時間をT、増幅率をGとした場合、
まず、「P×T×G」を算出し、その時の受光量（W）を計測します。
次に、最適光量（Ws）との比較を行い、倍率を算出します。
STEP.1で算出した倍率を、次にサンプリング時の発光時間にフィードバックし、
そのときの受光量（W’）と最適光量を再度比較します。
最後に次のサンプリングで微調整を行います。
■ レーザーの制御パラメータ ■ CCDの制御パラメータ
A B L E 機 能（ 詳 細 ）
A B L E 機 能 の 制 御 メ カ ニ ズ ム
サンプリング周期
P
P : レーザパワー
T : 発光時間T G : 受光信号の増幅率
G
4
STEP
1
STEP
2
P
T
Ws : 最適光量
W : 受光量
W ’: 受光量
最適光量との差
Ws : 最適光量P
T’
Ⅱ ABLE（エイブル）機能
Near Far
256
224
192
160
128
96
64
32
0
受
光
量
透明体背面に金属体がある場合の受光波形
Near Far
256
224
192
160
128
96
64
32
0
受
光
量
透明体
第一面
第二面
透過光
透明体
透明なガラス表面の高さを測定する場合や、ガラスの厚みなどを測定する場合、
ガラス表面からの反射光（正反射光）を得るためにレーザの照射角を調整する必要があります。
右図のように透明ガラスに対して、垂直
にレーザを照射した場合、ガラス表面か
らの反射光が受光部に入らないため、測
定できなくなります。
右図のようにセンサヘッドを傾け、透明
ガラス面に対して照射角を調整した場
合、ガラス表面からの反射光が受光でき
るようになります。
Ⅳ 透明体の測定
■ 垂直に設置した場合
■ ガラスの背景に金属体がある場合 ■ スモークガラスの場合
■ 照射角を調整した場合
6
1 セ ン サ ヘ ッ ド の 設 定
2 受 光 波 形
透明体
第一面
受光部に光が
入りません
第二面
透過光
正反射光
第一面
第二面
透過光
反射光
入射光
反射光
測定精度を安定させるためのポイント
■複数の受光波形に対して、別々の光量補正が必要。
■複数の受光波形に対して、測定する波形を指定できる機能が必要。
マルチABLE機能が実現！
（エイブル）
スモークガラスでの受光波形
受光波形
スモークガラス裏面
からの反射光
スモークガラス表面
からの反射光
Near Far
256
224
192
160
128
96
64
32
0
受
光
量
金属体から
の反射光
ガラス表面か
らの反射光
受光波形
透明体での受光波形
ガラス裏面から
の反射光
ガラス表面から
の反射光
受光波形
透明ガラスからの反射光は、上図のようにガラス表面からの反射光とガラス裏面からの反射光があり、受光素子上には二つのピーク点が発生します。
この2つのピーク点の一つだけを測定することでガラス表面の位置計測を行ったり、ピーク点の差を計測することで厚み測定を行うことが可能になります。
しかしながら、実際の測定の際には、例えばガラスの背景に金属体がある場合や、スモークガラスなどの場合、受光波形が下図のようになり、
ピーク点が不安定な状態となり、測定が上手くいかなくなる場合があります。
Q4
A4
レーザ光は指向性が高いため、鏡（ミラー）やプリズムで光軸を曲げて測定することが可能です。
パイプ の 内 径 測 定を検 討していますが、
レーザ 変 位 計 のセンサヘッドを
取り付けるスペースがありません 。
良い 方 法はありますか？
図のように、2台のレーザ変位計の光軸をまげることにより内径測定が可能です。
内径はＸ＋Ｙ演算で求めることができます。
パイプの内径測定
図のように、直接対象物を測定できない場合には、
鏡（ミラー）を使用して光軸を曲げて測定します。
ローラーの偏心測定（障害物がある場合）
パイプ
パイプ
レーザ変位計Ｘ
レーザ変位計Ｙ鏡（ミラー）かプリズム
レーザ変位計
障害物
鏡（ミラー）
ローラー
■ 光軸合わせが出来るように、ミラーに角度の調整機構を持たせてください。
■ 精度を得るためには、角度調整後、レーザ変位計の直線性の校正を行ってください。
ワンポイントアドバイス
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