3次元測定コラム

3Dレーザースキャナーの計測の仕組み

3Dレーザースキャナーの計測の仕組み

3Dレーザースキャナーの計測方法には主に3つの方式があります。三角法方式、タイム・オブ・フライト方式、位相差方式(フェイズ・シフト)です。

三角法方式

ラインレーザー(ストライプレーザ光)を測定対象物に交差させて照射し、その反射光を(カメラ)センサーで取得し三角法を使って、対象物からスキャナーまでの距離を計測する方法です。

レーザー光源(点1)と(カメラ)センサー(点2)間の距離と角度は決まっています。レーザーがスキャンした対象物に照射されると、対象物とレーザーとの接点(点3)で三角形を形成し、センサーに戻ってくる角度を識別し、その点(点3)の位置を決定します。一般的に、この方式は高い精度の計測が可能ですが、比較的近い範囲、小さな対象物の計測に適しており、測定に有効な範囲は最大数メートルほどです。

飛行時間型(タイム・オブ・フライト方式)

タイム・オブ・フライト方式は,レーザーを発射してから測定対象物に反射し帰ってくるまでの時間を計測して距離を算出する方法です。レーザー光の往復した時間と照射方向により、距離と角度を割り出して三次元座標データを取得します。この飛行時間型のスキャナーの精度は、いかに正確な時間を測定できるがキーです。(3.3ピコセカンドは時間光が1ミリ進む)。

一般的に、タイム・オブ・シフト方式のスキャナーは、何百何千メートルと長距離を計測できるため、広範囲に及ぶ遺跡や大型の建築物の計測に適しています。

位相差方式(フェイズシフト方式)

フェイズシフト方式は、複数に変調させたレーザー光を照射し、対象物に当たって戻ってきた拡散反射成分の位相差により、対象物との距離を求める方法です。垂直方向に回転するミラーと水平方向に回転する本体の角度情報をエンコーダより得て、測定ポイントの座標を記録します。測定時には、反射率も同時に記録し、受光素子の出力値に対して補正を行っています。

図1:フェイズシフト技術の図解

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このタイプのスキャナーは、150mぐらいの範囲を高精度かつ高速にスキャンします。(図1)。例えば、FARO Laser Scanner Focus3D使用時の最大976,000ポイント/秒でスキャン可能です。

まとめ

  • 3Dレーザースキャナーは短時間で大量の3D座標データ、点群データを取得します。
  • 従来の2次元的な計測と異なり、レーザースキャナーにより取得した大量の点群データには、点ごとに3次元座標値(X,Y,Z)が得られ、正確に3次元形状を把握できます。
  • 面として捉えることができるため、単純な寸法測定だけではなく、断面形状の解析など高密度な測定が可能となります。
  • また、レーザースキャナーで取得した点群データは、他のCADソフトウェアや3Dアプリケーションにインポートでき、データの表示、解析などの操作も可能です。
  • 3Dレーザースキャナーは、歴史的建造物、遺跡、橋梁、プラントなどあらゆるものをデジタル化し調査や検証が可能です。
  • タイム・オブ・フライト方式は、フェイズシフト方式に比べ、長距離・広範囲の計測を得意としますが、データ取得に時間がかかります。
  • 一方で、位相差方式は大量な点群データを短時間で取得できる特徴があります。
  • 目的に応じて両方式を使い分けることが重要です。

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