3次元情報を用いた画像処理が求められるようになり、10年以上の年月が経過した。当初は眉唾ものの技術もあったが、現在では技術がかなり向上しており、実用的なレベルにまで達している。

3次元情報を用いた検査の普及に最も寄与したものは、やはり3次元情報を取得するデバイスの進化であろう。3次元検査の創世時代では、3次元情報の取得に膨大な時間を要し、得られる計測の質も非常に低かった。それが、光源やプロジェクタ、センサーなどのデバイスが高精度化され、3次元データの構築もFPGAや撮像素子上で実現されることで高速化の一途を辿ってきた。また、3次元データの構築は、専門的な知識を獲得したものだけが実現できる非常に難易度の高い技術であったが、現在では3次元センサーヘッドがこの役割を担うため、ユーザーは出力される高さ画像の扱いだけ習熟していれば良い。既に3次元センサーに習熟している識者には、3次元の画像処理はピッキングアプリケーションを除き、2次元の画像処理よりもずっと簡単だと認識されているはずである。

3次元手法は原理により得手不得手があり、アプリケーションに応じて最適な手法を選択する必要がある。ユーザーはそれぞれの特長を正しく理解し、最適なアプリケーションに活用することが望ましい。

各種3次元計測手法の精度-計測範囲

飛行時間(TOF)法とは

飛行時間(TOF)法は、光源から出た光が対象物で反射し、センサーに届くまでの光の時間の遅れから距離を計測する手法である。数㎜~数cmオーダーの精度ながらも、数m~数10mの範囲を計測できるため、物流管理、ドローンやAGVなどの自動制御、自動ドアの開閉やトイレの洗浄機能など、より民生用途での活用が広まりつつある。これらへの使用に耐えうるため、より密な情報を取るための高解像度化や外乱光耐性などの向上が近年のトレンドである。

三角測量法とは

三角測量法は、複数のデバイス(カメラやレーザー)を用いて三角幾何から距離を求める手法だが、FA用途で用いられる3次元手法のほとんどはこの手法を原理としたものであり、この10年で最も洗練が進んだ手法と言うことができる。高速・高精度化が進んだこの手法は、数µm~数10µmオーダーでの計測を数10㎜~数100㎜の範囲で実現し、FAにおける3次元計測のニーズの広い範囲をカバーすることに成功した。主な手法として、光切断法、縞投影法、ステレオビジョン法があるが、対象物に対してアクティブにレーザーや縞パターンを投影して、カメラを通して変位を測定する光切断・縞投影が現在のFAの主流である。近年ではセンサーに画像処理機能まで搭載したスマートセンサー化が加速している。

焦点法とは

焦点法は、簡単に言えばZ方向にピントを少しずつ変えながら光学的にフォーカスの合う位置を探索する手法である。このフォーカスの合う位置を見つける手法ごとに、合焦点法、共焦点法、白色干渉法といった手法がある。一般的に後者ほどより精度が高く計測に時間のかかる手法である。この手法の最大の利点はその精度であり、白色干渉法ではナノオーダーでの計測が可能であり、計測精度のリファレンスともなるような手法である。しかしながら計測の範囲は非常に狭く(数㎜~数10㎜)、計測には時間も要する(数秒~数10秒)技術であるため研究開発などの用途がほとんどである。

メーカーによる特性の違い

FAにおいては、特に広く活用されているのは三角測量法であるが、メーカーによっては、その特性が大きく異なる。例えば、LMI社製の「Gocator」は、業界トップクラスの精度と速度に加えて、圧倒的なユーザビリティを提供する。また、3次元センサーでありながら、画像処理機能までを本体1つで提供するスマートセンサーでもある。

本体にWebサーバーが内蔵されており、LANケーブルでPCを接続するだけでブラウザー上から全ての設定、画像処理などのプログラミングを行うこともできる。コントローラー機能も筐体に内蔵されているので別途用意する必要がなく、寸法の計測結果や合否判定結果も直接本体から内蔵されたPLCプロトコルを介して工場設備の機器に出力することも可能である

オールインワン3次元センサー「Gocatorシリーズ」

一方、Chromasens社製「3DPIXA」は、従来の三角測量ベースの3次元デバイスの中で頭一つ抜きんでた速度・精度性能を誇る。また、使用する照明方式によって様々な対象物に対応できるのも大きなメリットとなっている。

マシンビジョンにおいては対象物に応じて適切なライティングを選択するのは当然の考え方であるが、3次元センサーの場合には照明が内蔵されており、調整の効くものではない場合がほとんどである。それは扱いが簡易というメリットがあるが、3DPIXAの場合には照明は別途用意するため、マシンビジョンの通常の考え方が適用できる。特に反射の強い金属面などは、明視野・暗視野方式ではハレーションや黒抜けが発生し、結果として3次元データに抜けやノイズが発生しやすい。3DPIXAではチューブタイプの照明により全方向から均一な拡散光を照射することで金属そのものの地を捉えることができ、質の高い計測を実現することができる。

ステレオラインスキャンセンサー「3DPIXAシリーズ」

今後もより高精度に、より高速に、より容易に、より安価になっていく3次元センサーの活用シーンは確実に増加していくことが予想される。各企業は、今後も高機能な3次元デバイスの提供に注力していく。さらに、ユーザーアプリケーションに対して最適な提案に尽力していくことになる。こうした動きが、ユーザーシステムの価値向上につながっていくのである。