レーザー変位計の原理とは？ミラー方式・三角測距をやさしく図解【設計・生産技術者向け】

非接触で対象物までの距離・変位を測るレーザー変位計。その心臓部である「三角測距」の仕組みから、鏡面対応の正反射型、面計測を可能にするミラー（走査）方式、さらに高精度な共焦点・分光干渉方式までを、図解で整理します。

変位計そのものの全体像（種類・原理・用途・選び方）は、まとめ記事「変位計とは？原理・種類・用途を徹底解説」で解説しています。

この記事の結論（先に要点）

レーザー変位計の基本原理は「三角測距」。投光したレーザーの反射光を受光素子に結像させ、距離が変わると結像位置がずれる量から変位を算出します。
反射のとらえ方で2タイプ。一般面向けの拡散反射型と、鏡面・光沢面向けの正反射型があります。
「ミラー方式」はMEMSミラーでレーザーを振って面を走査する方式。1点計測を段差・形状の面計測へ拡張し、対象の位置ずれにも強いのが特長です。
さらに高精度が必要なら共焦点方式・分光干渉方式。透明体や薄膜、nmオーダーの計測に対応します。

レーザー変位計とは？
基本原理①：三角測距方式（三角測量方式）
1. 拡散反射型と正反射型 ― 光沢面をどう測るか
2. 受光素子のちがい ― PSDとCMOS／CCD
基本原理②：ミラー方式（MEMSミラー走査）
さらに高精度な方式：共焦点・分光干渉
測定方式の比較表
実務での選定ポイント
よくある質問（FAQ）
まとめ
出典（一次情報）

レーザー変位計とは？

レーザー変位計（レーザー変位センサ）とは、対象物にレーザー光を当て、その反射光から対象物までの距離や変位（位置の変化量）を非接触で測定する計測器です。接触式のダイヤルゲージやLVDT（差動トランス）と異なり、対象に触れずにµm（マイクロメートル）オーダーの測定ができるため、生産ラインのインライン検査や、やわらかい・動いているワークの計測に広く使われます。

変位センサには、レーザー式のほかに渦電流式・静電容量式・超音波式などの非接触方式があります。中でもレーザー式は、測定距離が長く、高速・高精度で、対応できる素材が広いことから、寸法・段差・厚み・振動・平面度などの計測で標準的に採用されています。本記事では、そのレーザー式の測定原理を掘り下げます。

基本原理①：三角測距方式（三角測量方式）

最も一般的なレーザー変位計の原理が三角測距方式（三角測量方式）です。名前の由来は、投光したレーザー・対象物・受光素子の3点が三角形を形づくることにあります。仕組みは次の通りです。

投光素子（半導体レーザー）から出た光を投光レンズで対象物の表面に集光します。表面で反射した光を受光レンズで集め、PSDやCMOSなどの受光素子上に結像させます。ここで、対象物までの距離が変化すると、反射光の入射角度が変わり、受光素子上での結像位置がずれます。この結像位置のずれ量を電気信号に変換することで、変位量を算出する——これが三角測距の核心です。

図1：三角測距方式の基本原理。距離が変わると受光素子上の結像位置がずれる。

受光量そのものではなく「反射光の角度（結像位置）の変化」を見るため、ワークの色むらや背景の影響を受けにくいのが利点です。同色の背景上にある対象でも安定して検出できます。

拡散反射型と正反射型 ― 光沢面をどう測るか

三角測距には、反射光のどの成分を受光するかで2つのタイプがあります。実務での方式選定のカギになる部分です。

拡散反射型：レーザーを測定面に対してほぼ垂直に投光し、四方に散らばる拡散反射光を斜めから受光します。測定レンジを広くとれ、紙・樹脂・加工面など一般的なマット面の測定に向きます。一方、拡散反射がほとんど得られない透明体や鏡面には不向きです。

正反射型：投光角と受光角が等しくなるように光学系を斜めに配置し、鏡のように跳ね返る正反射成分を受光します。鏡面・光沢金属・ガラス・透明体の測定に用いられ、測定レンジは狭くなるものの、繰返し精度・精度は高くなります。

図2：拡散反射型（左）は一般面向けで広レンジ、正反射型（右）は鏡面向けで高精度。

受光素子のちがい ― PSDとCMOS／CCD

三角測距の精度は「結像位置をどう読み取るか」で決まり、受光素子の種類が効いてきます。

PSD（位置検出素子）：素子の両端から得られる2つの出力A・Bをもとに A/(A+B) を演算して受光位置を求める方式。構造がシンプルで応答が速い一方、対象の表面状態や光量分布の影響を受けやすい面があります。

CMOS／CCDイメージセンサ：画素ごとの光量分布を読み取り、ピーク位置から距離を求めます。対象の色むらや表面状態の影響を受けにくく、高精度な変位計測ができるのが強みです。CMOSは画素ごとに信号を読み出すため低消費電力、CCDはバケツリレー方式で高感度、という違いがあります。近年の高精度モデルではCMOSリニアイメージセンサが主流です。

基本原理②：ミラー方式（MEMSミラー走査）

三角測距は基本的に「1点」の距離を測る方式です。これを面的に広げるのがミラー方式（走査方式）です。

代表例が、カメラ内蔵タイプに採用される高精度MEMSミラーによるドライブスキャンです。レーザーをMEMSミラーで反射させ、ビームの角度を高速に振ることで、指定した範囲をなぞるように走査します。1点ごとに三角測距で高さを求めながらスキャンするため、段差・形状・プロファイルといった面の情報を取得できます。

図3：ミラー方式。MEMSミラーでビーム角を振り、1点計測を面計測へ拡張する。

さらにカメラ画像で対象の輪郭を認識し、指定ポイントを追従できるモデルもあります。これによりワークの位置がずれても同じ箇所を測れるため、搬送中の製品や治具のばらつきがある現場でも安定した段差・高さ測定が可能になります。

さらに高精度な方式：共焦点・分光干渉

透明体やnmオーダーの計測など、三角測距では難しい領域には別原理の方式が使われます。

共焦点方式：対物レンズを高速に動かして焦点位置を走査し、対象物が焦点位置にあるときだけピンホールを通った光を受光します。材質や傾きによる受光波形の乱れがなく、常に安定した波形が得られるため、透明体や傾いた面、微小段差でも高精度に測定できます。赤・緑など複数波長を同時に使う「マルチカラー共焦点」方式もあります。

分光干渉方式（白色干渉方式）：広帯域のSLD（スーパールミネッセントダイオード）光を使い、対象からの反射光と参照光の干渉パターンを波長ごとに解析して距離を求めます。1nm（0.001µm）級の繰返し精度と、ø2mm程度の微小スポットを両立でき、薄膜の厚みや微小部品の高精度計測に用いられます。

測定方式の比較表

代表的な方式の原理・得意分野・精度の目安を一覧にまとめます（数値は一般的な目安で、機種により異なります）。

方式	測定原理	得意な対象	分解能の目安	特徴
三角測距（拡散反射）	反射光の結像位置のずれ	紙・樹脂・加工面など一般面	0.1〜数µm級	測定レンジが広く汎用的
三角測距（正反射）	正反射成分の結像位置	鏡面・光沢金属・ガラス	サブµm級	高精度だがレンジは狭い
共焦点方式	焦点一致時のみ受光	透明体・傾いた面・微小段差	数十nm級	材質・傾きの影響を受けにくい
分光干渉方式	反射光と参照光の干渉	薄膜・微小部品・高精度計測	1nm級	最高精度・微小スポット
ミラー（走査）方式	MEMSミラーで面を走査	段差・形状・プロファイル	µm級	面計測・位置ずれに強い

実務での選定ポイント

設計・生産技術の現場で方式を選ぶときは、次の順で絞り込むと迷いません。

① 対象の表面：マット面なら拡散反射型、鏡面・光沢・透明体なら正反射型か共焦点方式を第一候補に。

② 必要な精度・分解能：µm級で足りるか、サブµm〜nm級が要るか。高精度側ほど共焦点・分光干渉が候補になります。

③ 測るのは点か面か：1点の距離・厚み・振動なら三角測距、段差・形状・プロファイルならミラー（走査）方式。

④ 現場条件：ワークの位置ずれ、測定レンジ、応答時間、設置スペースを確認。

あわせて、カタログの3指標も必ずチェックします。分解能（測定値のばらつき幅。小さいほど高精度）、直線性（理想直線からの誤差。±0.1%F.S. などF.S.比で表記）、応答時間（出力が10→90%に達する時間）です。

よくある質問（FAQ）

Q. レーザー変位計と「レーザー距離計」は何が違いますか？
A. 変位計はµm〜サブµmオーダーの微小な位置変化を高精度に測る計測器で、主に三角測距を用います。距離計は数m〜数十mの長距離を測る用途が中心で、光の往復時間（TOF）や位相差を使うのが一般的です。測定レンジと精度のオーダーが大きく異なります。

Q. 鏡面や光沢のある金属は測れますか？
A. 測れます。鏡面・光沢面には正反射型を選びます。投光角＝受光角に配置して正反射成分を受光するため、拡散反射がほとんど得られない面でも安定します。透明体や傾いた面が多い場合は共焦点方式も有力です。

Q. 「ミラー方式」と普通の三角測距はどう使い分けますか？
A. 1点の距離・厚み・振動を測るなら三角測距で十分です。段差・形状・プロファイルを面でとらえたい、またはワークの位置ずれが大きい場合に、MEMSミラーで走査するミラー方式が有効です。

Q. 測定精度を安定させるコツは？
A. 対象の表面状態に合った反射タイプ（拡散/正反射）を選ぶこと、測定範囲の中心（基準距離）付近で使うこと、外乱光や振動を抑えることが基本です。色むらや傾きが問題になる場合は、CMOS受光素子や共焦点方式の採用を検討します。

まとめ

レーザー変位計の原理の中心は三角測距——反射光の結像位置のずれから変位を求める仕組みです。表面に応じて拡散反射型／正反射型を選び、面計測や位置ずれ対策にはミラー方式（MEMSミラー走査）、透明体やnm計測には共焦点・分光干渉方式を使い分けます。まずは「対象の表面・必要精度・点か面か」の3点で候補を絞り込むのが、失敗しない選定の近道です。