１．3Dセンサーの種類

3Dセンサーは、計測手法によってさまざまな種類があります。
非接触3Dセンサーに使われるセンシング技術は「時間遅延法」「三角測量法」「焦点法」の3つです。

時間遅延法

時間遅延法を利用した3Dセンサーでは、対象物に光を照射してセンサーに帰るまでの時間から距離を計測します。
最長で100mを超える奥行の計測が可能です。計測精度は近距離の場合でも数mm程度です。

LiDAR

LiDAR（ライダー）とは、「light detection and ranging（光による検知と測距）」の頭文字をとった言葉で、照射したレーザー光の反射光や散乱光を検出することで、対象物までの距離や形状を測定する手法です。
照射したレーザー光が物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し、物体までの距離や方向を測定します。
LiDARは、対象物はもちろん、位置や形状まで正確に測れることが特徴です。
自動車の自動運転には必要不可欠な技術になっています。

TOF（Time-of-Flight）

LiDARのうち、パルス波を一定間隔で投光するものがTOFセンサーです。
カメラと組み合わせたTOFカメラとしての利用が多く、人の行動監視などに使われます。
一度の光照射で広い視野範囲の情報を取得できるのが特徴です。比較的低コストで利用できます。

三角測量法

三角測量法を利用した3Dセンサーでは、カメラと光源など2つのデバイスの位置関係から3次元的な距離を計測します。
例えば位置関係が既知のカメラと光源があり、測定ポイントに対する角度を求めることで対象物までの距離を取得します。
3Dセンサーの精度は2つのデバイス間の距離と、対象物を見るカメラの分解能に依存します。
高倍率の光学系を用いることで、μmレベルの計測も可能です。

光切断法

光切断法は、ライン状のレーザー光を対象物に照射し、その反射光をカメラで捉え、
カメラ画像に映るレーザーラインの変位から対象物の高さを計測する方法です。
1回のスキャンで1プロファイル（断面）分のデータが取得できるラインスキャンタイプのセンサーです。
3Dセンサーまたは対象物を移動しながらスキャンし、
取得したプロファイルデータを連続的に結合することで、3次元形状を生成します。
光切断法はカメラに映るレーザーラインの高さを算出するというシンプルな計測手法ですが、高精度かつ確実性の高い手法です。
細いレーザーラインを照射する光学系機器やカメラ性能の向上により、μmレベルの高さ計測も可能となりました。

ステレオビジョン

ステレオビジョンは、2台以上のカメラで対象物の同じ位置を捉え、その視差から高さの違いを算出します。
エリアカメラ1ショットで3次元形状が撮影でき、速度・コスト的に有利な手法です。
安価な可視光カメラを用いて得られた画像から、複数の立体物の大きさ、距離、位置、速度等を
瞬時に検出することができます。
撮影画像内の特徴点同士の視差を比較するため、高低差がテクスチャとなって映る必要があります。

縞投影法／パターン投影法

パターン投影法はレーザーやLED光で対象物にパターンを投影し、
物体の表面に反射するパターンを別の角度からカメラで観測することによって、3次元形状を計測する方法です。
縞模様パターンを使用するケースが多く縞投影法とも呼ばれます。
縞投影法では縞の太さが異なる複数の縞パターンを投影し、カメラで撮影します。
対象物が平面の場合は直線的な縞模様が撮影されますが、
カメラは斜め上から撮影するため、対象物に凹凸があると縞模様が湾曲したり途切れて撮影されます。
複数撮影した縞パターンの情報を組み合わせることで、光が反射した面の高さを算出することができます。
縞投影法は静止状態で高精度な3次元形状を撮像できます。

焦点法

焦点法は、3Dセンサーと対象物の距離を変えながら複数枚画像を撮像し、ピントの合った位置から高さを算出します。
「ピントが合った位置」を判断する方法によって手法が異なり、精度が決まります。
計測手法によってはnmレベルの高さが計測できます。

白色干渉方式

白色干渉方式は、複数の波長をもつ白色光を２方向から照射した際、
その光路長が完全に同じ場合に光が強く干渉するという特性を利用した計測手法です。
白色光をビームスプリッタによって２分割し、一方を対象物に、もう一方を参照ミラーに反射させて、
センサーが受光します。 受光した光同士の干渉強度が最も強くなった距離から対象物表面までの高さを測定します。
光の波長のオーダーでフォーカス位置を算出できるため、nmレベルの高さが計測できます。
また対象物の材質・色を問わず計測できるのも特徴です。

共焦点（コンフォーカル光学系）

共焦点光学系では、点光源からの光が対物レンズを通過して対象物の表面に反射し、
反射光が再度レンズを通過してセンサーで受光されます。
センサーに入光する直前にピンホールと呼ばれる小さな穴があり、
焦点の合う位置で反射した光のみが通過し検出されることでフォーカス位置を判別します。
コントラストの高い鮮明なデータが取得できます。
1回の計測では広い面積の計測ができないため、
主にレーザー顕微鏡など限られた視野を計測する用途で使用されます。

合焦点法

合焦点法は、カメラと対象物の距離を少しずつ変動させながら、
光学的にフォーカスの合う位置を探索する計測法です。
複数枚の画像を撮像し、焦点ぼけの変化を分析することで、3次元形状を復元します。
Z軸方向に取り込める範囲が広く、面で計測できるため焦点法の中では高速で計測できます。
一方、計測精度は粗くなります。

2．3Dセンサーの使用用途

3Dセンサーの使用用途は計測手法により異なります。

4．3Dセンサー計測手法別製品比較表

3Dセンサーの具体的製品を計測手法別に比較表としてまとめます。

計測手法	分類	製品例	Z高さ精度	スキャン速度
光切断法	三角測量法	LMI Technologies社製 Gocator2000シリーズ	0.001mm~1mm	数100～ 10,000ライン/秒
縞投影法	三角測量法	LMI Technologies社製 Gocator3000シリーズ	0.01mm~0.2mm	～6フレーム/秒
ステレオ法 (ラインカメラ)	三角測量法	Chromasens社製 3DPIXA	0.001mm～0.4mm	18,400～ 34,400ライン/秒
共焦点法	焦点法	LMI Technologies社製 Gocator5500シリーズ	0.05μm~0.5μm	2,000～ 10,000ライン/秒
白色干渉法	焦点法	Heliotis社製 heliInspect	0.001μm~0.1μm	～2フレーム/秒
TOF	時間遅延法	Basler社製 blaze	5mm~10mm	30フレーム/秒

5．3Dセンサーの計測手法別 製品紹介

Gocatorシリーズ

LMI Technologies社製のGocatorシリーズは光切断法、縞投影法、共焦点法の各種3Dセンサーを扱っています。
サブミクロンの精密計測から最大視野幅2mの広視野スキャンまで対応可能です。

光切断法/縞投影法/共焦点法

Gocatorシリーズ 製品の詳細についてはこちらをご覧ください。

heliInspect

heliInspectは非接触方式で最も精度の高い計測原理である白色干渉法を用いた3次元エリアセンサーカメラです。
通常白色干渉方式は1視野あたり数10秒の計測時間を要しますが、特別なCMOSセンサー技術によりワンショットあたり数100msでナノオーダーの計測を実現します。

白色干渉法　超高精度3Dエリアセンサー

heliInspect 製品の詳細についてはこちらをご覧ください。

3DPIXA

3DPIXAは高解像度のカラーラインセンサー2台をステレオで配置し、 2Dカラー画像と3D高さ画像を1回のスキャンで撮影できる3Dラインスキャンカメラです。
鮮明なカラー画像と高さデータを組み合わせることで2Dカメラでは対応できない高度な外観検査を可能にします。

ステレオ方式 ラインスキャンカメラ

3DPIXA 製品の詳細についてはこちらをご覧ください。