シニアアプリケーションスペシャリストによる「技術トレンド情報」（第41回）
「Polar3Dカメラ」[2024.4.24]

産業用途で利用される3D撮像技術は、2Dと比べると処理量も増えるため、ターゲットの状態（ターゲットが移動しているか否か）や、撮像デバイス側の状態（カメラ側が移動体に搭載しているか否か）の前提条件と精度要求を基に選定することになります。例えば、主に3D外観検査で用いられる「光切断方式」では、ライン型レーザー光を物体に照射すると、レーザー光は物体の凹凸を画像上の上下に変換するため、その上下する様をカメラで捉え、奥行き情報として得ます。1度の撮像で得ることができるのは、ライン型レーザーが照射している１ライン分のみであるため、撮像時は、撮像側を固定し、ターゲットを水平移動させるか、または、ターゲットを静止し、撮像側を水平移動させるかが必要になります。カメラの解像度を上げ、水平移動時間を遅くすることで、分解能を高めることができるため、高精度な3D形状の比較検査で用いられています。しかし、ターゲットまたは、撮像側のどちらか一方を水平移動させる必要があるため、自由移動するロボットアームや、AGV/AMR、サービスロボットなどへの搭載を考えると、1ショット（1回の撮像）で、カメラの視野内の3D像を得る技術も求められています。1回の撮像で、3D像を得ることができる撮像技術としては、「ステレオ方式」「ToF方式」「Structured light方式」の3点があります。「ステレオ」方式については、第24回 、第35回 、第36回コラムで紹介していますので、今回は渇愛します。「ToF方式」「Structured light方式」は、共に、人口的な光源を使用し、対象ワークが反射する光をとらえる“アクティブセンシング”に分類されるもので、外光の少ない暗い環境でも撮像可能となっています。

ToF(Time of Flight)方式の3Dカメラは、投光器と受光器で構成されており、投光器から対象物に向け、赤外光を照射し、対象物からの反射光を受光器で受け、その戻り時間を基に距離を算出します。１回の撮像で、面での距離情報を得ることができます。

Structured light方式の3Dカメラは、投光器（プロジェクション）と受光器で構成されており、投光器から対象物に向け、ストライプや格子状などのパターン光を照射し、対象物からの反射光を受光器で受け、そのパターン形状を基に距離を算出します。１度のパターン光で撮像する場合、１回の撮像で面での距離情報を得ることができます。Structured light方式では、より高分解能な距離情報を得る場合は、複数のパターン光を照射する必要があるため、対象物を静止し、複数回撮像します。

ToF方式の3Dカメラと、Structured light方式の3Dカメラでは、Structured light方式の方が、解像度を高くしやすく、欠損値になりにくい利点があります。一方、コスト面は、Structured light方式は、投光器にプロジェクション構造が必要となるため、比較的高価な設定となります。

2024年にHMS社より偏光型のStructured light方式3Dカメラ「Polar3D」が登場しています。Structured light方式は、元々ToFセンサーより欠損値の少ない方式ではありますが、「Polar3D」カメラでは、素子レベルで偏光グリッドを搭載し、高反射な床面や金属面や高輝度な外光環境に対応しています。特にToFセンサーとの比較では、明らかに、床面や高輝度照明環境での再現性が高くなっています。下記画像は、同一箇所を「ToFカメラ」と「Polar3Dカメラ」で撮像したものになりますが、「Polar3Dカメラ」の方が、真黒な画素（欠損値）が少ないことが確認できます。