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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2020

研究論文

光コムによる高精度非接触測定 のための測定条件の検討
水 野 優 *1 、 河 田 圭 一 *1 、 児 玉 英 也 * 1 、 斉 藤 昭 雄 *1 、 島 津 達 哉 * 1 、 菅 野 祐 介 *1

An Examination of Measurement Conditions for High-Precision Non-Contact
Measurement Using Optical Combs
Yuu MIZUNO *1 , Keiichi KAWATA *1 , Hideya KODAMA *1 , Akio SAITO * 1 ,Tatsuya SHIMADZU * 1 and Yuusuke KANNO *1
Industrial Research Center * 1
光コムを利用した距離計測器による非接触測定において、高精度測定を行うために必要な条件について検討を行った。異なる材質及び表面性状の試料について測定精度をレーザ変位計と比較し た結果、試料が金属またはセラミックの場合には測定精度はレーザ変位計を上回るが、プラスチックの場合は下回ることを確認した。また、測定光の入射角や測定距離といった測定条件を変化させた場合、測定光が試料に対して垂直でない場合には測定精度が大幅に低下するが、測定器から試料までの距離の影響は小さいことを確認した。

1. はじめにけにくいといった特長がある。しかし、新たな測定方式

生産現場では、生産ラインの途中にセンサを取り付けであるため、高精度測定のためのノウハウがあまり蓄積ることにより寸法計測や傷の検出などを自動で行うインされていない。

ライン検査が行われている。インライン検査は迅速に行

そこで、本研究では、光コム測定器による非接触測定う必要があるため、レーザや画像を用いた非接触測定技について、測定試料の材質及び表面性状によって測定精術が利用されている。近年、光コムを利用した距離計測度がどのように変化するかを調べ、レーザ変位計の測定

1)(以下「光コム測定器」という。)が製品化され、自結果と比較した。また、測定光の入射角や測定器から試器

動車部品検査等に利用されつつある。

料までの距離といった測定条件の違いによる測定精度の「光コム」とは、極めて精密に等間隔で並んだ周波数成分を持つ特殊なレーザの一種である。光コム測定器で変化を調べ、精度が低下する要因や高精度測定に必要な測定条件について検討を行った。

は中心周波数のわずかに異なる 2 つの光コムを発生させ、2. 実験方法

一方を測定試料へ、もう一方を参照面へと照射する。それぞれの反射光を干渉させると、中心周波数の差に対応する周期で干渉信号が発生し、干渉信号の位相情報によって測定試料までの距離を求めることができる。

2.1 使用機器
光コム測定器として、光コム社製の広視野センサ
Optocomb-L90 を使用した。比較対象機器として、キー

光コム測定器には、インライン測定で現在広く用いらエンス社製の二次元レーザ変位計 LJ-V7080 を使用した。

れているレーザ変位計と比べ、測定可能な焦点範囲が広

また、基準としてカールツァイス社製の接触式三次元測いため奥行きのある試料を測定でき、外乱光の影響を受定機 UPMC550 CARAT (空間精度：0.8+L/600µm)によ

セラミック

プラスチックサンドブラスト面
図 1 測定する試料と測定箇所*1 産業技術センター

自動車･機械技術室

鏡面切削面

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3. 実験結果及び考察る測定結果を用いた。
2.2 測定内容

3.1 光コム測定器とレーザ変位計の比較

試料はセラミック、プラスチック並びに金属のサンド各試料についての接触式三次元測定機による基準測定

ブラスト面、鏡面及び切削面の 5 種類で、評価区間は結果及び光コム測定器とレーザ変位計での測定結果を10mm とした。各試料の測定箇所を図 1 に示す。

図 2 及び表 1 に示す。

各試料について、試料の測定面が各測定機と垂直かついずれの試料についても基準測定での真直度は 10µm

測定範囲の中央となるように試料を配置して測定を行い、を下回っており、評価区間内では試料はほぼ平坦であっ

光コム測定器とレーザ変位計の測定精度を比較した。

た。プラスチックを除く 4 種類の試料においては、光コ

また、測定条件の違いによる測定精度への影響を調べ

ム測定器での真直度はレーザ変位計での値より小さく、るため、試料の角度をレーザに垂直な状態から 5°及びより高い精度で測定ができている。特に、切削面におい15°傾けた場合、並びに試料位置を 10mm 遠ざけた場ては、レーザ変位計では正反射光成分が測定結果に悪影合及び近づけた場合について測定を行った。

響を及ぼしている 2)が、光コム測定器ではそのような現測定精度の評価には真直度を用いた。なお、本研究で象は見られず、誤差は抑えられていた。最も光コム測定用いた光コム測定器には反射光強度を減衰器で弱める機器での誤差が小さかったのは鏡面で、これは光コム測定能があり、オーバーフローが発生した場合は減衰器を用器が試料表面で反射した光の位相から距離を測定するたいて再測定した結果を測定結果とした。

め、測定面がレーザと垂直の場合には正反射率が高いほど有利であるためと考えられる。

測定位置（mm）

鏡面測定値（mm）

測定値（mm）

測定位置（mm）

サンドブラスト面

測定値（mm）

プラスチック

測定値（mm）

測定値（mm）

セラミック

測定位置（mm）

切削面

光コム測定器
レーザ変位計三次元測定機（基準）

測定位置（mm）

測定位置（mm）
図 2 各試料での比較測定結果
表 1 比較測定時の真直度

セラミック

プラスチック

光コム測定器

0.022 mm0.105 mm

レーザ変位計

0.033 mm0.016 mm

三次元測定機（基準）0.002 mm

0.007 mm

鏡面

切削面

0.016 mm0.006 mm0.024 mm0.021 mm0.026 mm0.105 mm0.008 mm0.001 mm0.006 mm

あいち産業科学技術総合センター

鏡面研究報告 2020

切削面

測定値（mm）

測定値（mm）

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0°
5°
15°
測定位置（mm）

測定位置（mm）

図 3 試料の角度を変えた場合の測定結果
表 2 試料の角度を変えた場合の真直度
角度

鏡面切削面

0°0.014 mm

0.045 mm5°0.420 mm0.247 mm15°

1.343 mm0.180 mm

一方、プラスチック試料においては光コム測定器での真直度はレーザ変位計の値より大きく、測定精度が低い。

った場合の測定結果のうち、鏡面及び切削面の結果を抜粋し図 3 及び表 2 に示す。

これは、本研究で使用した光コム測定器で測定に用いていずれの試料においても、試料がレーザに対して垂直いるレーザが波長約 1.5µm の赤外光であり、プラスチでなくなると真直度が急激に大きくなった。これは、測ックはこの赤外光を一部透過するため、測定器が検出す定面が傾いたことで、測定器が検出する光が試料表面でる光の位相が必ずしも試料表面で反射した光の位相と一正反射した光ではなく散乱光になり、その強度が大幅に致しないことが原因と考えられる。これは光コム測定器低下したためと考えられる。また、鏡面の場合により顕では原理的に回避困難な問題である。

著な影響が見られるのは、正反射率が高く散乱光の割合3.2 測定条件の違いによる影響が小さいためであると考えられる。これは、正反射光成3.2.1 試料の角度を変えた場合分が測定結果に悪影響を及ぼすレーザ変位計とは対照的鏡面な結果である。

切削面

測定値（mm）

測定値（mm）

光コム測定器において、試料の角度を変えて測定を行

遠（+10mm）

中央
近（-10mm）

測定位置（mm）
測定位置（mm）
図 4 試料との距離を変えた場合の測定結果
表 3 試料との距離を変えた場合の真直度
距離

鏡面

切削面

遠（+10mm）

0.008 mm0.045 mm

中央0.014 mm

0.045 mm

近（-10mm）

0.008 mm0.038 mm

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レーザの出力を上げることによって散乱光の強度を十分に強くすることができればより良い結果が得られる可していくためには、満たすべき測定条件を明らかにする必要がある。

能性はあるが、装置の機能的な制約からも安全上の制約そこで本研究では、材質及び表面性状の異なる試料をからもあまり現実的ではない。したがって、斜めの面を測定し、その測定精度を比較した。その結果、セラミッ高精度に測定する必要がある場合は、レーザが測定面にク及び金属(サンドブラスト面、鏡面、切削面)ではレー垂直に照射されるよう、試料か測定器のいずれかを回転ザ変位計を上回る精度での測定ができた。一方、プラスさせる必要がある。

チックでは測定光が一部透過してしまい大きな誤差が生3.2.2 試料との距離を変えた場合じた。

光コム測定器において、試料との距離を変えて測定をまた、測定条件の違いによる光コム測定器の測定精度行った場合の測定結果のうち、鏡面及び切削面の結果をへの影響を調べたところ、測定面が測定光に対して傾い抜粋し図 4 及び表 3 に示す。ている場合は精度が大幅に低下した。一方で、試料とのいずれの試料においても距離の違いによる真直度の大距離が測定精度に与える影響は小さかった。そのため、きな変化は見られなかった。試料との距離を広げれば測光コム測定器を用いた高精度測定のためには、測定する定光の強度も当然低下するが、レーザ光は直進性が高い面が常に測定光に垂直になるよう、試料もしくは測定器ため、試料の角度を変えた場合のような極端な強度低下を回転させつつ測定を行うシステムが有用と考えられる。

は起きず、測定結果へ及ぼす影響が小さく抑えられていこのようなシステムの構築は今後の課題である。

ると考えられる。光コム測定器の特長として測定可能な焦点範囲が広いことが挙げられるが、測定可能な範囲内

文献

であれば距離による測定精度への影響を考慮する必要性

1) 今井一宏, 興梠元伸, 寺田総一: レーザー研究, 42(9),は低いことが明らかになった。

716-721(2014-09)
2) 斉藤昭雄, 水野和康, 河田圭一, 児玉英也, 水野優,

4. 結び
高い測定精度が要求される場面で光コム測定器を活用

脇祐介: あいち産業科学技術総合センター研究報告,
8, 28-29(2019)