レーザ三角測量による3Dスキャン｜測定原理とインライン検査

レーザ三角測量は、レーザライン、カメラ（CMOSセンサ）、既知の幾何学的な関係を用いて、奥行きや表面の高さを求める非接触測定技術です。

レーザプロファイラは対象物にライン光を照射し、対象物の移動に合わせてラインの形状変化を撮影します。取得した断面形状を積み重ね、高精度な3D点群データを生成します。

2D画像に高さ情報を加えられるため、レーザ三角測量による3Dスキャンは、高速インライン検査、ロボットの位置決め、製造ラインでの精密寸法測定に活用されています。

複雑な形状、コントラストの低い材料、反射の強い表面を検査する場合、従来の2D画像だけでは必要な奥行き情報を得られないことがあります。自動化設備の設計では、この点が検査の制約となります。

レーザ三角測量では、高さ、体積、表面形状をリアルタイムに取得できます。ここでは、レーザプロファイラの測定原理と、高速なインライン自動検査を支える構成について解説します。

レーザ三角測量の原理

3Dレーザプロファイラは、三角形の幾何学的関係を利用します。主な構成要素は次の3つです。

・レーザ投光部：対象物の表面に、連続したレーザラインを照射します。

・測定対象物：レーザの下を通過する部品です。表面の高さや輪郭に応じて、観察されるレーザラインの位置と形状が変わります。

・CMOSセンサ（カメラ）：投光部に対して一定の位置と角度に配置し、表面上のレーザラインを撮影します。

投光部とカメラの距離、配置角度が既知であるため、三角測量によってレーザライン上の各点の距離、すなわちZ方向の高さを求められます。

2D断面から3D点群データへ

レーザプロファイラの1回の撮影で取得できるのは、X方向とZ方向からなる1本の断面形状です。

3D形状を得るには、対象物またはセンサを移動させます。コンベヤで搬送したり、ロボットアームでセンサを動かしたりしながら、毎秒数千本以上の断面を取得します。エンコーダでY方向の移動量と取得タイミングを同期させます。

連続する断面をソフトウェアで合成すると、部品の立体形状を表す高密度の3D点群データになります。これを用いて、コプラナリティ、段差・隙間、微小欠陥などを高精度に測定できます。

高速処理を支えるコントローラレス構成

従来は、大量の3Dデータの処理がインライン検査の速度を制限することがありました。毎秒数千本の高分解能プロファイルを外部コントローラや産業用PCへ転送すると、処理の遅れ、配線の複雑化、制御盤スペースの増加につながります。

近年は、センサヘッド側で形状データを処理するエッジ処理が進んでいます。外部機器への転送と処理の負担を減らし、高速な測定を実現します。

SinceVision SR・SRIシリーズでは、コントローラレスの構成により、シリーズの対応機種・条件に応じて最大67 kHzの取得周波数、X方向6,400点の測定に対応します。高速搬送される連続シート、複雑な電子部品、包装ラインなどの検査に活用できます。

インライン検査でレーザ三角測量を使うメリット

産業用自動化設備にレーザプロファイラを導入する主なメリットは、次のとおりです。

・色のコントラストに依存しにくい：周囲の照明で作る明暗ではなく、照射したレーザラインの位置を読み取ります。黒いベルト上の黒いゴムや、光沢のある加工金属も、反射条件に合わせた設定で測定できます。

・生産速度に対応したµm単位の測定：半導体やEV電池の検査で必要となる微小欠陥の検出を、生産タクトに合わせて行えます。

・高さを含む3Dデータ：体積、面積、断面形状を算出でき、食品の量管理や溶接ビードの検査などに活用できます。

インライン検査の高度化をご検討の方へ

コントローラレスの3Dレーザ測定で品質管理を効率化する方法については、SinceVision SR・SRIシリーズの製品情報をご覧ください。

よくある質問

Q. レーザプロファイラで測定できる材料は何ですか。

A. 投影したレーザの形状を利用するため、幅広い材料に対応します。ゴムタイヤのような暗色・つや消し面や、加工金属、半導体ウエハのような反射面も、適切な測定条件で評価できます。

Q. 外部照明は必要ですか。

A. 通常の2D外観検査とは異なり、センサがレーザラインを照射するため、コントラストを作るための外部照明は基本的に不要です。周囲の照明変化の影響を抑えて測定できます。

Q. インライン測定はどの程度の速度に対応しますか。

A. センサヘッド側でデータを処理する構成では、対応機種・設定により最大毎秒67,000プロファイル（67 kHz）を取得できます。高速包装ラインや連続シートの製造工程に利用できます。

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