レーザ変位センサ — 三角測量と動く光点
This sensor measures distance, not force. "Displacement" here means distance or position.
A laser sends a thin beam to the object. The object scatters the light back. A lens
collects part of that light and focuses it to a small spot on a CMOS line sensor — a row of
tiny light detectors (a CCD works the same way). The key idea is triangulation:
finding distance from the shape of a triangle. The laser, the object, and the lens form that triangle.
When the object is near, the reflected light returns at a steep angle and lands at
one position on the CMOS. When the object is far, the angle is shallow and the
light lands at a different position. So the sensor reads where the spot lands, and from
that position it computes the distance. Drag the object, move the slider, or press play, and
watch the reflected ray pivot and the spot slide along the CMOS.
このセンサは力ではなく距離を測ります。「変位(displacement)」とはここでは距離や位置のことです。
レーザが細い光を対象物に当て、対象物が光を散乱して返します。レンズがその一部を集めて、
CMOSラインセンサ（微小な光検出器を一列に並べたもの。CCDでも原理は同じ）の上に小さな光点として結びます。
重要な考え方が三角測量(triangulation)です。三角形の形から距離を求めます。レーザ・対象物・レンズがその三角形をつくります。
対象物が近いと、反射光は急な角度で戻り、CMOS上のある位置に当たります。対象物が遠いと、角度は浅くなり、
別の位置に当たります。センサは光点が当たる位置を読み、そこから距離を計算します。
対象物をドラッグするか、スライダを動かすか、再生を押して、反射光が向きを変え、光点がCMOS上を移動するようすを観察してください。
The CMOS is a row of pixels. The focused spot lights up a few of them, making a bright peak. The sensor finds the centre of that peak — often to better than one pixel — and converts the pixel number into a distance.
Look at the distance marks under the pixels. Equal steps in distance are not equally spaced. When the object is near, the spot moves a large amount for a small change in distance, so the marks are spread out. When the object is far, the spot barely moves, so the marks crowd together.
This is why a triangulation sensor gives its highest accuracy at close range, and loses resolution as the object moves away.
CMOSは画素の列です。結んだ光点が数画素を光らせ、明るいピークをつくります。 センサはそのピークの中心を（しばしば1画素より細かく）求め、画素番号を距離に変換します。 画素の下の距離目盛りに注目してください。等間隔の距離が等間隔には並びません。近いほど、 距離の小さな変化で光点が大きく動くので目盛りは広がり、遠いほど光点はほとんど動かず目盛りは密になります。 だから三角測量式センサは近距離で最も高精度になり、遠ざかると分解能が下がります。
Three points make a triangle: the laser, the spot on the object, and the lens. The laser-to-lens distance — the baseline — is fixed and known. The laser direction is fixed too. So the only thing that changes with distance is the angle at the lens.
Measure that angle, and the triangle is fully known. From the triangle you get the distance.
3つの点が三角形をつくります。レーザ、対象物上の光点、レンズです。 レーザとレンズの間隔（基線長）は既知で固定、レーザの向きも固定です。距離によって変わるのはレンズでの角度だけ。 その角度を測れば三角形が定まり、距離が求まります。
The lens turns the return angle into a position on the CMOS. A steep angle (near object) and a shallow angle (far object) focus to different pixels.
レンズは戻り角をCMOS上の位置に変換します。急な角度（近い）と浅い角度（遠い）は、 別々の画素に結びます。光点の位置は距離の逆数にほぼ比例します。
This CCD/CMOS type is very accurate, and it measures without touching the object. It is widely used to inspect parts in factories and to sense obstacles in robots.
The limits: it needs a baseline, so the head cannot be tiny. The lens must see the spot, so a step or a wall can block the view (occlusion). Shiny or clear surfaces are hard. The next type, Time-of-Flight, avoids the baseline but, at present, is less accurate.
このCCD／CMOS型は非常に高精度で、対象物に触れずに測れます。工場の部品検査やロボットの障害物検出に広く使われます。 短所は、基線長が必要でヘッドを極小にできないこと、レンズが光点を見えないと段差や壁で視界が遮られること（オクルージョン）、 光沢や透明な面が苦手なことです。次の飛行時間(ToF)型は基線長が不要ですが、現状では精度が劣ります。