受光素子 受光素子 受光素子
半導体 半導体 半導体
レーザ レーザ レーザ
投光 投光 投光
レンズ レンズ レンズ
受光レンズ 受光レンズ 受光レンズ
受光素子 受光素子 受光素子
上図のように、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。
従 来 は P S D ( P o s i t i o n S e n s i t i v e D e t e c t o r：光 位 置 検 出 素 子 ) が 使 用 さ れて ました が
P S D は 受 光 波 形 の重 心位 置を出 力 するため、 光 などの 影 響 を 受けます。 迷 このため 近 年 は正
確にピーク位 置を検 出で きるC C D を用 います。
レーザ変位センサの最新テクノロジー
1-1 高精度エルノスターレンズを採用！
対象物からの反射光をLi-CCD上に集光するための受光レンズユニットを新設計しました。新開発、高精度エルノスターレンズに
より、収差による結像スポットの歪みを徹底的に低減。 さらにセンサヘッドと一体化された専用ダイキャストハウジングを採用し、
高い剛性を確保しました。
基準距離の時 距離が近づいた時 距離が遠ざかった時
受光波形
受光素子 受光波形 受光素子 受光波形 受光素子
上記のように、4枚のレンズを組み合わせることで、 レンズの収差を極限まで低減し、基準距離の時だけでなく、距離が近づいた
時、遠ざかった時でもCCD上に結像するスポットが1点になるように設計されています。
10
受光素子 受光素子 受光素子
半導体 半導体 半導体
レーザ レーザ レーザ
投光 投光 投光
レンズ レンズ レンズ
受光レンズ 受光レンズ 受光レンズ
受光素子 受光素子 受光素子
上図のように、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。
従 来 は P S D ( P o s i t i o n S e n s i t i v e D e t e c t o r：光 位 置 検 出 素 子 ) が 使 用 さ れて ました が
P S D は 受 光 波 形 の重 心位 置を出 力 するため、 光 などの 影 響 を 受けます。 迷 このため 近 年 は正
確にピーク位 置を検 出で きるC C D を用 います。
レーザ変位センサの最新テクノロジー
1-1 高精度エルノスターレンズを採用！
対象物からの反射光をLi-CCD上に集光するための受光レンズユニットを新設計しました。新開発、高精度エルノスターレンズに
より、収差による結像スポットの歪みを徹底的に低減。 さらにセンサヘッドと一体化された専用ダイキャストハウジングを採用し、
高い剛性を確保しました。
基準距離の時 距離が近づいた時 距離が遠ざかった時
受光波形
受光素子 受光波形 受光素子 受光波形 受光素子
上記のように、4枚のレンズを組み合わせることで、 レンズの収差を極限まで低減し、基準距離の時だけでなく、距離が近づいた
時、遠ざかった時でもCCD上に結像するスポットが1点になるように設計されています。
10
レーザ顕微鏡の種類
スキャン（走査）方式
レーザ顕微鏡にも様々な種類、方式のものがあります。
レーザ顕微鏡を構成する基本パーツであるスキャナ（走査方式）、光源、
受光素子について、その種類と特長を説明します。
①ガルバノスキャナ方式
ガルバノスキャナは、サーボモータの先端に
レーザ光を反射させるためのミラーが付いて
おり、モータを制御して、そのミラー角度を
変えることでX軸方向、Y軸方向にレーザを
スキャナ
走査するための機構。
スキャナ
長所 画質が良い。
短所 走査速度が遅い。 レンズ
②光音響素子（AOD）方式
音響光学媒体
光音響素子とは、ガラスからなる音響光学媒体
に圧電素子を接着し、この圧電素子に電気信号
高周波信号
を加えて超音波を発生させて、音響光学媒体中
を通るレーザ光を回折させて、光を偏向させる
圧電素子
素子のことです 。
長所 走査速度が速い。
短所 画像に歪みが出やすい。
レンズ
一方からのみ光を透過するデバイス
の為完全な共焦点光学系にならない
③ニポウディスク方式
光源
端に一列ないしは多数列のピンホールを螺旋状
ニポウディスク
に持つ円盤（ディスク）を回転させて、ピン
ホールを通過した複数の光が試料表面上を走査 受光素子
するスキャナです。
レンズ
長所 画質は比較的に良い。
短所 光利用効率が悪く反射の低い試料の
観察は困難
レーザ顕微鏡の原理①
共焦点の原理
レーザ顕微鏡は、拡大観察と同時に試料表面の高さを検出する方法
として、光源、受光素子、対物レンズ、ハーフミラー、ピンホール
から構成される特殊な光学系を用いています。
光源から出力された光は、対物レンズによって試料表面に集光され
ます。
集光された光は試料表面上で反射し、往路と同じ光路を戻って行き
ます。戻ってきた光は、ハーフミラーによって直角に曲げられ、ピ
ンホール面上で再び集光します。
集光された光がピンホールを抜け、受光素子に達することで、試料
が焦点距離(ピントの合う距離)にあることを検出します。
（下図の左；合焦点時を参照）
試料が焦点の合わない距離にあると反射光は集光されず、ピンホー
ルを通過できないため、受光素子も光を検出できません。
（下図の右；ピンぼけ時を参照）
レーザ顕微鏡は受光素子に戻ってくる反射光の強弱から、試料が焦
点位置にあるか否かを検出します。
このように対物レンズの焦点距離と等しい位置にピンホール、受光
素子を配置した光学系を共焦点光学系といい、このような検出原理
を『共焦点の原理』といいます。
合焦点時 ピンぼけ時
光源
光源
ハーフミラー
ハーフミラー
ピンホール
ピンホール
受光素子 受光素子
対物レンズ 対物レンズ
試料
試料
4. 加 速度 セン サと は
加速 度センサは、その名の通り、内部の圧電素 子
を 使 用して、 動 の
振 『加 速 度』 計 測 する 機 器で
を 錘
す。構造としては右図の通りです。
圧電素子
出力
ケース
加速度の内部構造
加速 度センサは、錘が上下に移動することで圧電
素子が伸び縮みし、その変化に応じた電荷を出力
① 錘が上下に移動すると
するという原理を応用しています。
② 圧電素子が伸び縮みし、
電荷を出力
圧電効果とは
コ 圧電性のある物体（圧電素子）に力を加えたとき、分極が発 生し、 圧が生じる現 象のことを圧電 効果
電
と呼びます（逆に、 圧を圧電素子に加えたときに力が生じる現 象のことを逆 圧電 効果と呼びます）
電 。
圧電型加速度ピックアップは圧電効果を利用して加速度を計測しています。
5. 加速度センサの構造
加速度センサには圧電素子への力のかけ方で大きくわけて２つの構造のものがあります。
❶ コンプレッション（圧縮）型 ❷ シェア（せん断）型
1 コンプレッション（圧縮）型
錘
ケースと錘の間に圧電素子がネジ止めされた構造に
なります。 械 的 強 度 が 高く、 衝 撃 性 が 強 いこと
機 耐
が 特長です。 点としては焦電 気 効果の影 響を受け
欠
やすいことがあげられます。 般 振 動 計 測はもちろ
一 圧電素子
ん、 速 回 転機 器など、 周 波 振 動の計 測に向いて
高 高
います。
ケース
焦電気効果… 温 度 変 化 に よって 電 気 分 極 が 起 こること
コンプレッション型の加速度センサの構造
で、パイロ電 気とも呼びます。ノイズの周波
数 成分としては極めて低いので、通常はハイ
パスフィルタで除去します。
4. 加 速度 セン サと は
加速 度センサは、その名の通り、内部の圧電素 子
を 使 用して、 動 の
振 『加 速 度』 計 測 する 機 器で
を 錘
す。構造としては右図の通りです。
圧電素子
出力
ケース
加速度の内部構造
加速 度センサは、錘が上下に移動することで圧電
素子が伸び縮みし、その変化に応じた電荷を出力
① 錘が上下に移動すると
するという原理を応用しています。
② 圧電素子が伸び縮みし、
電荷を出力
圧電効果とは
コ 圧電性のある物体（圧電素子）に力を加えたとき、分極が発 生し、 圧が生じる現 象のことを圧電 効果
電
と呼びます（逆に、 圧を圧電素子に加えたときに力が生じる現 象のことを逆 圧電 効果と呼びます）
電 。
圧電型加速度ピックアップは圧電効果を利用して加速度を計測しています。
5. 加速度センサの構造
加速度センサには圧電素子への力のかけ方で大きくわけて２つの構造のものがあります。
❶ コンプレッション（圧縮）型 ❷ シェア（せん断）型
1 コンプレッション（圧縮）型
錘
ケースと錘の間に圧電素子がネジ止めされた構造に
なります。 械 的 強 度 が 高く、 衝 撃 性 が 強 いこと
機 耐
が 特長です。 点としては焦電 気 効果の影 響を受け
欠
やすいことがあげられます。 般 振 動 計 測はもちろ
一 圧電素子
ん、 速 回 転機 器など、 周 波 振 動の計 測に向いて
高 高
います。
ケース
焦電気効果… 温 度 変 化 に よって 電 気 分 極 が 起 こること
コンプレッション型の加速度センサの構造
で、パイロ電 気とも呼びます。ノイズの周波
数 成分としては極めて低いので、通常はハイ
パスフィルタで除去します。
2 光 干渉の基本
2-1 光干 渉 の 基 本 原 理 参照面
△x
光の干渉とは、 象物表面からある点ま
対
での光の距離（光路）に差が生じると発生
CCD 映像素子
する現象です。 映像素子 駆動部
この現象を利用して、 象物表面の凹凸
対 ハーフ ラー
ミ
を計測しているのが、光干渉計になります。 測定面
半導体
信 号
レーザ駆動回路
図 5 は干渉歪計の構造図です。 レーザ
処理部
電子冷却
温度制御回路
素 子
D / A 演 算 A / D
変換器 回 路 変換器
画 像
メモリ （デジタル画像処理部）
遅 延
混合器
素 子
T V モニタ
図5 干渉歪計の構造部
光源（半導体レーザなど）からでた光は、ハーフミラーによって一方は透過して参照面に、他方は反射され
参照面で反射して受光素子である CCD 素子で結像します。
て試料表面に導かれます。透過した光は、
同じく受光素子である CCD 素子
他方の反射された光は、対象物表面で反射されてハーフミラーを透過し、
で結像します。
CCD 素子から参照面までの光学的な距離（光路） CCD 素子から試料表面までの光学的な距離が同
予め、 と
CCD 素子に結像される映像に、
じ距離になるように設計することで、 試料表面の凹凸によって生じた光路
差で発生した干渉縞が映し出されます。その干渉縞の本数をカウントすることで、試料表面の凹凸（高さ）
を読み取ることができます。
光干渉式形状測定システム
光 干 渉 式 形 状 測 定システムは、 C D 素 子などの画 像センサで光の干 渉パターンを観 測し、 元 形 状を求める計
C ３次
測 法を採 用した商 品です。 準 平 面 鏡 参 照 面 ）
基 （ を内 蔵した対 物レンズを用いて、 準 平 面 鏡 参 照 面 ）
基 （ と対 象 物
（測定面）にハロゲンランプや白色 L E Dなどの白色 光をあて、それぞれの反 射 光 同 士を干 渉させると基 準 平 面 鏡を
基 準にして対 象 物 面の形 状が高さ1 / 2 波 長ごとの等 高 線として干 渉 縞が現れます。この干 渉 縞をイメージセンサで
読み込み、コンピュータ処 理をおこなうことにより干 渉 縞の最 大 強 度の点を求めて、 凸を測 定します。
凹
図6のように、
表面がフラットな対象物
（左
図）と表面が斜めになった対象物（右図）
があったとき、それぞれの対象物の表面
上から
で生じる干渉縞は大きく異なります。 見たとき
対象物の表面からある距離のところに
CCD素子を置いて、 れぞれの対象物
そ
での干渉縞を観察すると、左図は対象物 横から
表面がフラットであり、光路差が生じな 見たとき
いため干渉縞が発生しません。 干渉縞
（このとき、干渉縞像はグレーなど同一
干渉縞の
色で表示されます。） 見え方
しかし、右図のように斜めになった形状
では、光路差が生じるため干渉縞が発生
図6 干渉縞の見え方 ㈰
します。
3
3-4 共焦 点 式 カ ラ ー レ ー ザ 顕 微 鏡 の 測 定 精 度
「ピント（焦点）が合ったときに反射光量が最大となる」という共焦点原理を利用した顕微鏡の測定精度に
は、反射光量のピーク値を正確に読み取る能力が大きな影響を及ぼします。共焦点光学系を構成する方式
は複数あります。
以下は当社のレーザ顕微鏡が採用している「ピンホール共焦点方式」についてです。ピンホール共焦点方
ピンホールの直径はわずか数 10 μ m で、
式は、受光素子の前にピンホールが設けられています。 焦点が合っ
ていないときの反射光を遮断する役目を持っています。下図で「焦点が合ったとき」では、通常の光学系も
レーザ共焦点光学系も受光素子に反射光が入光しています。 焦点が合っていないとき」
「 を見てみると、通
常の光学系では受光素子に反射光（ピンボケ光）が入光していますが、レーザ共焦点光学系ではピンホー
ルにより反射光（ピンボケ光）が遮断されています。
すなわち、焦点が合ったときのみ受光素子に反射光が入光する構造になっており、これにより共焦点光学
系を構成します。
ピンホール共焦点光学系と通常の光学系の受光素子への入光イメージ
通 常の光 学 系 レーザ共焦点光学系 通常の光学系 レーザ共焦点光学系
レーザ レーザ レーザ レーザ
ピンホール
ハーフ ハーフ ハーフ ハーフ
ミラー ミラー ミラー ミラー
受光素子 受光素子 受光素子 受光素子
対象物 対象物 対象物 対象物
ピンホール共焦点光学系と通常の光学系の焦点位置検出
実際に入光する反射光量を共焦点光学系と通常の光学系でシミ
通 常の光 学 系は、ピンホールが
ュレーションすると右図のようになります。共焦点光学系では焦点 ないため光 量ピークが広くなる
通 常の光 学 系の
I- Zカーブ
位置で反射光量がピークを描いているのに対し、通常の光学系で
I n t en s i ty 反 射 光 量 ）
はなだらかなカーブを描きます。焦点位置付近でピークがたたないた
焦 点 位 置 以 外からの
め焦点位置を検出することは困難になります。 外 乱 光・ フレア
（
ピンホール共 通 点
VK シリーズの場合では、 軸測定分解能が1nm、
Z
光 学 系のI - Zカーブ
繰り返し精度は14nm（σ）
を実現しています。
Z pos i ti on
焦点
14
1-3 寸法測定器の進化
（動作原理）
新技術③ 受光素子がHL-CCD
1
CCD方式の寸法測定器に求められる受光素子とは？
→ 測定対象物の像を高速サンプリングできる受光素子
商品紹介
LS-7000シリーズの受光素子は？
→ HL-CCD
（High Speed Linear CCD）
･ 受光した光を常時露光するHL-CCDを採用し、超高速サンプリングを実現。
･ 常時露光時間内の平均値で測定していますので、一時的な変動ものがしません。
平均値
D０ D１ D２
高速移動ワーク 露光時間 平均値
測定値
D０ D１ D２
新技術④ 受光信号のエッジ検出にD.E.プロセッサ
CCD方式の寸法測定器に求められるエッジ検出とは？
→
『高速 高精度』光量変動に強い』透明体に強い』
・ 『 『
LS-7000シリーズのエッジ検出は？
→ D.E.プロセッサ
･ デジタル信号処理により、窓の汚れによる光量変化やゴミほこりなどの影響が受
けにくい。
･ しきい値を変更することにより、透明体を安定検出できます。
しきい値変更によるガラス基板の検出
ガラスエッジによる
受光量変化 しきい値
しきい値
しきい値変更前 しきい値変更後
1-11
レーザ式変位センサ
■ / Laser displacement sensor /
レーザ式変位センサの測定原理 Semiconductor laser displacement
sensors and meters
Semiconductor laser displacement sensors
三角測量を応用した方式で、発光素子と受光
and meters comprise a light-emitting
素子の組み合わせで構成されています。発光
element and a light-receiving element and
素子には、半導体レーザが用いられています。 detect targets using triangulation. A
semiconductor laser is used as the light-
受光素子には光位置検出素子（PSD）や電
emitting element. A position-sensitive
荷結合素子（CCD）などが使われます。半導
detector (PSD) or a charge-coupled device
体レーザの光は投光レンズを通し集光され、 (CCD) is used as the light-receiving element.
測定対象物に照射されます。 して、
そ 対象物 A lens focuses the beam on the target.
The target reflects the beam back through
から拡散反射された光線の一部は受光レンズ
the lens where it is focused on the light-
を通して受光素子上にスポッ を結びます。
ト そ receiving element, forming a beam spot. The
の対象物が移動するごとにスポットも移動す beam spot moves as the target moves.
Displacement can be determined by
るので、
そのスポットの位置を検出することで
detecting the movement of the beam spot.
対象物までの変位量を知ることができます。
表面反射とセンサヘッド構造 Surface reflection and sensor head
Light beams reflected by a target's
対象物体からの表面反射光は、拡散反射成
surface comprise diffuse-reflective and
分と正反射成分に分けて考え こ がで ま
る と き す。
specular-reflective components.
これらの反射光は、対象物体の材質や表面 The ratio of the diffuse-reflective
component to the specular-reflective
状態によって異な 鏡面体や光沢のある物
り、
component depends on the material or
体では正反射成分が、 して一般的な表面
そ
surface of the target. Mirror-surfaced or
をもつ物体では拡散反射成分が支配的にな shiny targets mainly reflect specular
ります。 components; targets with a dull surface
mainly reflect diffuse components.
そこで当社は、超高精度変位計では対象物
KEYENCE's ultra-high-resolution
体は鏡面体や鏡面に近いことが多いため、 displacement meters are designed for
正反射成分を受光するセンサ構造にしてい specular-reflective targets, as many
targets have mirrorlike or shiny surfaces.
ます。また、一般的な物体を対象とする変位
General-use displacement meters for
計では拡散反射成分を受光するセンサ構造
long distance measurement of
にして、
より長い測定距離が可能となるよう diffusereflective targets are also
available.
にしています。
• Sensor head configuration
• センサヘッドの構造
① 駆動回路 ① Drive Circuit
② 半導体レーザ ② Semiconductor laser
③ 投光レンズ ③ Transmitter lens
④ 変位 ④ Displacement
⑤ 測定対象物 ⑤ Target
⑥ 基準位置 ⑥ Reference distance
⑦ 受光レンズ ⑦ Receiver lens
⑧ 受光素子 ⑧ Light-receiving element
⑨ 信号増幅回路 ⑨ Amplifier
⑨
①
②
③
⑧
⑦
④ ⑥
⑤
• センサヘッドの受光部形状 • Sensor head design and operating
principle
正反射受光型. 拡散反射受光型
（超高精度タイ プ） （高精度 長距離タイ
・ プ）
Specular-reflective receiver Diffuse-reflective receiver
(Ultra-high-resolution type) (Long distance, high-resolution types)
6
翻訳キーワード集
