3Dスキャナーとは?3Dスキャナーの種類や仕組みについて解説

3Dスキャナーとは、「測域センサ」や「レーザースキャナー」とも呼ばれる、対象物の物理的な形状を感知して立体データとして取り込む機械です。対象物にレーザーを照射したり、センサーを当てたりして3Dの座標データを取得し、その後、そのデータをポリゴンデータに変換することで立体として生成します。この記事では3Dスキャナーの種類や仕組みについて解説します。

3Dスキャナーの活用法

3Dスキャナー

3Dスキャナーとは

3Dスキャナーとは、「測域センサ」や「レーザースキャナー」とも呼ばれる、対象物の物理的な形状を感知して立体データとして取り込むための機械です。対象物にレーザーを照射したり、センサーを当てたりすることで、XYZ軸からなる三次元の座標データを取得し、その後、そのデータをポリゴンデータに変換することで立体として生成します。
測域センサ(1軸走査型)では、走査平面を輪切りにしたようなデータが出力されますが、この測位器センサを2軸にすることで、3Dデータの取得をすることができます。このような機械のことを3Dスキャナーと呼んでいます。

3Dスキャナーの活用法

3Dスキャナーはさまざまな形で利用されています。たとえば自ら走行したり、移動したりするロボット。自身がいる位置の推定や障害物の位置の特定、ナビゲーションなどに3Dスキャナーが使われています。また、無人運転の乗り物等の衝突防止システムにも3Dスキャナーの技術が使われています。

3Dスキャナーの種類

ここからは、3Dスキャナーの種類をご紹介します。3Dデータを利用する機器と言えば「3Dプリンター」がよく知られていますが、未来の技術と思われていた3Dプリンターは、現在では主に業務用として利用が広がっています。立体成型「3Dモデリング」はさまざまな業界へニーズが拡大しており、製造業だけでなく医療、建設、スポーツなどの各業界から注目を浴びています。今後も3Dスキャナーのテクノロジーは進化していくものと考えられますが、3Dスキャナーは、それ単体で使用するわけではなく、 3D CADや3Dプリンターなどと連携したシステムとして導入することが大切です。3Dスキャナー単体ではなくシステムとして導入することで、その業務上での有効性をさらに向上させることが可能になります。

接触式3Dスキャナー

接触式3Dスキャナーは、探針やセンサーにより物に直接触れ、座標データを得る方法が用いられている3Dスキャナーのことです。古くから用いられているスキャニングの方法ですが、測定精度においては他の方法よりも実は優れています。しかし、他の方法と比較して測定に時間がかかること、大きい物体の測定には向かないこと、凹凸が激しい物体には向かないこと、などのデメリットもあります。

非接触式3Dスキャナー

非接触式3Dスキャナーは、物体に直接触れることなく3Dの形状を取り込める3Dスキャナーです。基本的に、物体に光線を当てることで、反射光の角度や反射の時間差を計算し、形状データを取り込む仕組みになっていて、現在、「光(格子パターン)投影法」「レーザー光切断方式」の2種類の測定法が主流になっています。
また、非接触式3Dスキャナーには、手に持って使用するハンディタイプと、設置タイプの2種類があります。ハンディタイプは固定式では測定が困難な場所で力を発揮するものの手ぶれが精度に影響するというマイナス面があります。設置タイプの場合は入り組んだ場所の測定が得意ではありませんが、精度はハンディタイプに勝るので、できれば用途に応じて使い分けることが望まれます。

X線CTスキャナー

CTスキャン。きっと誰もが耳にしたことのある言葉だと思いますが、こちらのX線CTスキャナーは、医療で使用されているCTスキャン同様のシステムで3Dデータを得る機械です。X線CTスキャナーは、接触式、非接触式では測定することのできない物体の内部形状を測定可能です。しかし、X線を使う特殊な仕組みや用途であることと、そもそも1億円ほどの値札が付けられる高価な機械なので、導入できる企業や団体が少ないのが実情です。

非接触式3Dスキャナーの仕組み

3Dスキャナー

非接触式3Dスキャナーには、ご紹介したように、「光(格子パターン)投影法」と「レーザー光切断方式」の2種類があります。ここからはそれらの仕組みについてかんたんにご紹介します。

光(格子パターン)投影法

測定の対象物に格子状のパターン光を投射し、その領域のデータを取り込む測定方法。パターン光の歪みや際を識別しながら、物体の形状を把握していきます。精度も高く、スピーディな測定が可能ですが、パターン光が識別しにくい晴天の日の屋外などでの作業には向きません。

レーザー光切断方式

測定の対象物にレーザー光線を照射し、物体の形状を線で認識してデータを取り込む測定方法です。レーザー光切断方式では、照射したレーザー光線の反射をセンサーが認識し、それにより距離や反射角を測定します。光量の多い環境での使用には仕組み的に向かないのですが、最近は暗室ではなく野外でも使えるモデルも登場しています。

3Dスキャナーを購入する前に知っておきたいこと

3Dスキャナー

3Dスキャナーは、もの作りにおいて、とても便利なツールであることに間違いありませんが、だからといって全能なわけではありません、3Dスキャナーが不得意としていることもあります。そのため、3Dスキャナーの導入を考えているのであれば、3Dスキャナーが苦手なことも知っておく必要があります。

完全には測定できない

3Dスキャナーでの立体測定は、物体表面の不必要な凹凸(ノイズ)、小さな穴などを感知し、測定することはできません。このようなエラーについては、スキャン後にソフトウェアを利用して修正します。

色や反射により測定できないことがある

黒、クリア、ミラー、光沢仕上げ、などの表面を持つ物体は、光学式の3Dスキャナーで測定することはできません。(粉を吹き付けて測る方法があります)

編集ソフトが必要

3Dスキャナーには編集ソフトが必要です。3Dスキャナーでは、スキャンした立体を点群データとして取り入れますが、実際に3D CADに変換するためには編集用のソフトウェアを使用する必要があります。このソフトウェアは、ノイズ等を修正するものと同様のものです。

実は操作する人の腕が問われる

3Dスキャナーを利用する立体スキャンは、複数回行ってデータを最適化します。これは複数のデータを重ね合わせることにより、合成の際の誤差を減らし、より正確なデータを得るために行います。ただ、重ね合わせにより、本来ならば精度が上がるデータも、スキャンの腕が悪いと逆に精度が落ちてしまう場合があります。
残念ながら、スキャンの腕を磨くには、経験を積むしかありません。スキャンは物体の形に合わせて行う必要がありますが、特性の理解と経験により、その勘所を手に入れるしかないでしょう。また、ソフトウェアにも特性がありますので、こちらも同時にノウハウを身につける必要があります。




3Dスキャナーとは・まとめ

3Dスキャナーとは、測定対象物の物理的な形状を把握するために使用される機器のことで、「接触式」と「非接触式」に大きく分けられます。用途に合わせて選ぶことがもっとも大切ですが、現在は光学式の3Dスキャナーを導入する企業が増えてきています。テクノロジーの進歩により、さまざまな業界で活用されるようになっている3Dスキャナー。今後の進化にも注目です。