3Dスキャナとは？種類や測定の仕組み、具体的な使い方を解説

3Dスキャナは、対象物の表面を測定し、3Dデータとして取得する測定機器です。製品開発や品質管理、文化財の保護などさまざまな分野で活用されています。

3Dスキャナにはハンディタイプや据え置き型などさまざまなタイプがあり、導入することで作業時間の短縮やコスト面など多くの効果をもたらします。しかし、正しく計測をおこなうためにはスキャン対象によって、適切な製品を選ぶことが大切です。

この記事では、3Dスキャナの種類や使い方、活用するメリットや選び方などを詳しく解説します。

3Dスキャナとは？

3Dスキャナとは、対象物の形状やサイズを3Dデータとして取得する装置です。センサーやレーザーを使って、物体の高さや横幅、奥行きを測定します。

データを取得する際の具体的なプロセスは、以下のとおりです。

1. アームやプローブなどで対象物に直接触れたり、センサーやレーザーを当てたりして三次元のデータ（高さ・横幅・奥行き）を測定する
2. さまざまな角度から得たデータを組み合わせて「点群データ」を作る
3. 座標の点を直線で結び、三角形の面を形成することで「ポリゴンデータ（メッシュデータ）」に変換する
4. ポリゴンデータ（メッシュデータ）から3Dデータを生成する

3Dスキャナの特徴は、小さな部品や複雑な形状の製品まで多様な対象物をデジタルデータとして取り込めることです。その機能を活かして、製造現場での測定や古代遺産・歴史的建造物の研究など、さまざまな分野で使用されています。

3Dスキャナの種類と使い方

3Dスキャナは種類ごとに異なる特性があり、用途に応じて使い分けられます。代表的な3Dスキャナの種類は以下の3つです。

それぞれ詳しく解説します。

接触式3Dスキャナ

接触式3Dスキャナは、対象物に探針（プローブ）を接触させ、表面の凹凸をスキャンします。高精度な測定が可能で、高い精度の求められる製造業や品質管理の場で使用されるケースが多いです。

接触式3Dスキャナには、「アーム式」「CMM（三次元測定機）」「レーザートラッカー式」の3種類があります。それぞれの特徴は以下のとおりです。

「アーム式」と「CMM」ともに高精度な測定ができるため、製造業や品質管理の分野で活躍しています。

非接触式3Dスキャナ

非接触式3Dスキャナは、レーザーなどの光線を対象物に照射します。対象物からくる反射光の時間や角度を解析して3Dデータを取得するため、対象物に触れずに測定が可能です。

非接触式3Dスキャナは、「据え置きタイプ（CMM）」と「ハンディータイプ」の2種類に分けられます。それぞれの特徴は以下のとおりです。

さらに、非接触式3Dスキャナは主に「レーザー光線方式」と「パターン光投影方式」の2つの測定方式に分けられます。それぞれの特徴を詳しく見ていきましょう。

レーザー光線方式

レーザー光線方式では、レーザー光線を対象物に照射し、反射光を利用して形状や距離を測定します。測定方式は、大きく分けて3つあり、それぞれの特徴は以下のとおりです。

それぞれの特徴から、小さな対象物には「三角法方式」と「位相差方式」、建造物など大きな対象物には「TOF方式」が用いられます。

パターン光投影方式

パターン光投影方式は、対象物に縞模様のようなパターン光を照射し、表面の凹凸をカメラ撮影することで3Dデータを取得する方式です。取得できる点群は細かく均一で、ノイズが少ないことや、複雑な形状も忠実に再現できるメリットがあります。

また、カラーカメラを利用すればカラーデータも取得できることから、幅広い分野で活用可能です。

X線CTスキャナ

非接触式3Dスキャナの一部に「X線CTスキャナ」もあります。

X線CTスキャナは、対象物にX線を照射し、内部構造を3Dで可視化する装置です。医療用のCTスキャンと同様の原理で、対象物の表面データしか取得できない接触式と非接触式に対して、内部構造まで3Dデータとして表示できます。

製品の品質管理や研究分野でも使用されており、内部の微細な欠陥や劣化状態を精密に把握できることが特徴です。ただし、X線CTスキャナを使用する際は、以下の点を押さえておく必要があります。

• スキャンに時間がかかるため、全数検査には向いていない
• 金属などの重い物体（高密度ワーク）の測定には、大型かつ高価な装置が必要
• 放射線の安全管理に配慮が必要

3Dスキャナを使用してできること

ここでは、3Dスキャナを使用してできることを紹介します。
3Dスキャナで何ができるのか確認し、活用していきましょう。

形状変化や不具合の発見・解析

3Dスキャナを活用することで、最新のスキャンデータと過去のデータをパソコン上で簡単に比較し、形状変化や不具合がないか簡単に発見・解析ができます。過去は計測危機を使用してデータを取得していたため、データ取得にも限界がありました。

しかし今では、ソフトウェアでデータの情報処理をおこなうことで見逃しもなくなり、湾曲形状など目視での検査が難しかった物体の検査も可能です。これにより、人の手による技術や認識の差がなくなるため、誰でも一定の品質管理ができるようになります。

リバースエンジニアリング

リバースエンジニアリングとは、実際の製品の解析をして、仕様や仕組み、構造、設計などの情報をパソコンのソフト上で扱えるデータに変換することです。製品を分析して設計図を作成するだけでなく、深く動作原理や製造方法を知る目的でも活用されています。これまで手作業でおこなわれていた業務にリバースエンジニアリングを導入することで、コストや時間の大幅な削減が可能となり、製品開発の効率化につながるでしょう。

リバースエンジニアリングは、すでにある製品の外観や性能を改善して新しい製品の開発につなげることにも応用されています。設計図が存在していない古い製品の再生産や修理、競合他社の製品との比較・分析・解析などに有効的です。

リバースエンジニアリングの詳細は、以下の記事をご覧ください。

リバースエンジニアリングとは？3Dデータを活用した手法やメリット、ソフトの選び方を解説

デジタルアーカイブ

3Dスキャナは、文化的・歴史的に貴重とされる遺産や美術品、建造物などをスキャンしデータとして保管するデジタルアーカイブにも活用されています。貴重な資料を次世代につなげることや、研究・教育の現場にも活用されており、遺跡や古代遺物の修復に必要な前処理としての役割も担っています。

測量

測量は、地形や建物の形状、位置などを正確に測定する技術です。3Dスキャナの進化によって、従来と比較してより少ない人員と作業時間で高精度な測量データを取得できるようになりました。

具体的には、以下の業界や場面で、3Dスキャナを活用した測量がおこなわれています。

このように、3Dスキャナによる測量は、緻密なデータの取得とコストダウンを両立できる方法として、さまざまな分野で活用されています。

3D CG作成

3Dスキャナはゲームや映画、VR・ARなどのリアルな3D CG作成にも活用されています。

実在する物体や場所を3Dデータ化することで、精密でリアルな背景やキャラクターデザインを再現することが可能です。

ゲームでは、実在の建物やアイテムをもとにしたデザインが使用されるため、バーチャル空間でも現実感のあるエンターテインメントを体験できます。映画やテレビでは、デジタルキャラクターやシーンにリアリティをもたせるために、3Dスキャナを用いて取得した俳優の表情や動作のデータが活用されています。

3Dスキャナによる高精度な3Dデータは、視聴者の体験をより豊かにするため、エンターテインメント業界においても欠かせない技術だといえるでしょう。

3Dスキャンをする際に必要な機材

3Dスキャンをする際に必要な機材には、3Dスキャナや専用パソコンのハードウェアに加えて、専用のソフトウェアが挙げられます。

3Dスキャンをする際に必要な機材と使用用途は、以下のとおりです。

必要な機材を揃えたら実際に3Dスキャンしていきます。3Dスキャンの手順は以下のとおりです。

1. 対象物を準備し、照明や背景など撮影環境を整える
2. 3Dスキャナで対象物をスキャンして、専用パソコンに点群データを取得する
3. 3Dスキャナで取得した点群データを、専用ソフトを用いて高精度のモデルデータに変換する

精度の高い3Dスキャンをするには、必要な機材を揃えて手順を理解することが大切です。

3Dスキャナを活用するメリット

ここでは、非接触式の3Dスキャナを活用するメリットを紹介します。

測定対象物に触れずに高精度な測定ができる

非接触式3Dスキャナを利用することで、対象物に直接触れずに高精度な測定ができます。

壊れやすいアイテムや形状が変わりやすい素材、歴史的価値のあるアート作品などでも安心して使用可能です。また、光やレーザーを用いて離れた位置からでも測定が可能なため、手が届きにくい場所やアクセスが難しい現場でも高精度な測定結果が得られます。

大量の高精度点群データを取得しその場で解析ができる

3Dスキャナで瞬時に大量の高精度点群データを取得し、その場で解析できるのもメリットの一つです。

これにより、スキャン中にデータの品質や精度を確認できるため、必要に応じて再スキャンや調整が可能です。

高い精度と迅速な対応が求められる業界で、作業の効率化に役立てられています。

スキャンした物体の色情報を取得できる

3Dスキャナのなかには、物体の形状だけでなく、色彩データも含めた詳細な情報を取得できるものもあります。

スキャンした物体の色情報を取得することで、リバースエンジニアリングや、映画・ゲームのCG制作などの場面では、Web上にリアルな物体を再現できます。さらに、歴史的な物品や美術品をデジタル化する際には、色と形をそのまま記録できます。

3Dスキャナを活用するときの注意点

非接触式のスキャナにはメリットが多々ある一方で、活用するときの注意点を把握しておく必要があります。いくつか注意点があるので、それぞれ解説します。

内部構造まではスキャンできない

3Dスキャナのデメリットのひとつとして、内部構造まではスキャンできないことが挙げられます。（X線CTスキャナを除く）

3Dスキャナでは、前述したように外形の3Dデータを測定するため、光を照射できない内側に隠れた部分はデータを取得できません。

内部構造を測定する場合には、X線CTスキャナや超音波式センサーなどを使用する必要があります。それぞれの特徴に応じて、適した機器を使い分けることが大切です。

タイプによりスキャンできる範囲が異なる

3Dスキャナは、タイプにより一度にスキャンできる範囲が異なる点に注意が必要です。

3Dスキャナのなかには、ハンディータイプのように狭い範囲の測定に適したものや、物体や特定の限られた範囲にフォーカスし、高精度にスキャンするよう設計されているものがあります。これらのタイプは、大規模なエリアを一斉にスキャンするのが難しいこともあります。

一方で、昨今ではドローンを用いた空撮による、広範囲に対応した機器が利用されます。

また、レーザートラッカーや測量などで使用される地上型レーザースキャナ（TLS）などの据え置きタイプの3Dスキャナであれば、広範囲を一度に効率よく測定できるため、建設現場や土木現場、大規模な構造物の測定に活用されています。製品によって多少の誤差はありますが、一般的にTLSなどの3Dスキャナの場合、1キロメートル先まで測定可能です。

このように、3Dスキャナはタイプによってスキャン可能範囲が変わるため、用途に応じて使い分けることが大切です。

測定が難しいものもある

非接触式3Dスキャナの場合、以下の特徴をもつ対象物の測定が難しいです。

• 光沢が強い表面
• 鏡面加工された表面
• 透明な表面
• 黒い表面

光沢が強い物体や鏡面加工が施された表面では、光が反射しすぎてノイズが発生しやすくなります。透明な物体は光を通過させてしまうため、正確なデータが取れません。さらに、黒い表面も光を吸収しやすく、測定が不安定になることがあります。

また、明るすぎる環境下では光が干渉して正確な3Dデータが取得できないなど、外部の状況によっても測定結果が左右されるケースもあります。

スキャンしたデータをそのまま使えない

3Dスキャナで取得したデータを、そのまま使うことはできません。スキャンによって得られたデータは点群データであるため、3Dデータに変換する作業が必要になります。

点群データを利用する際には、データのノイズ処理や欠損箇所の穴埋めをおこない、表面を滑らかにするなどの調整をおこないます。整えられた点群データをCADデータに変換すると、精度の高い3Dデータとして活用できる状態になります。

3Dスキャナの選び方と見ておきたいポイント

ここでは、3Dスキャナの選び方と見ておきたいポイントを紹介します。
さまざまな種類があるので、目的や機能などに応じて必要なものを選びましょう。

使用用途を決める

3Dスキャナを選ぶ際は、まず使用用途を明確にしましょう。

製品検査で使用する場合は、高精度な測定結果が求められます。検査目的なら、公差（最大寸法と最小寸法の差）が重要ですが、公差が厳しい場合、スキャナでの測定が難しくなります。

一方、公差に余裕があればスキャナの利点を活かして、複雑な形状の対象物を迅速に測定できます。

求められる精度によって最適なスキャナが異なるため、使用用途は明確にしておくことが重要です。

必要な機能や要素を考える

3Dスキャナを選ぶ際は、必要な機能や要素を考える必要があります。3Dスキャナ選びで注目すべき機能や要素は、以下のとおりです。

必要な機能や要素を整理して、使用用途に合った3Dスキャナを選ぶことで、高精度なデータを効率よく測定できるようになります。

対象の大きさや形状などを確認する

3Dスキャナを選ぶ際は、スキャンしたいアイテムの大きさや形状、材質などを確認する必要があります。対象物に合った3Dスキャナを使用することで、小さな部品や大型構造物などを忠実に再現可能です。

ただし、形状が複雑なものは、スキャンする際にデータ欠落が生じやすい傾向にあります。細部の再現が必要な場合は、微細形状モードのように複雑形状を測定できる機能を搭載した機種を選ぶとよいでしょう。

使用頻度や環境を考える

3Dスキャナを選ぶには、使用頻度と環境を考えることが重要です。

使用頻度に関しては、毎日、週や月どれくらいなのかを考える必要があります。

環境に関しては、前述したように、屋外や湿度の高い場所などの外部環境は測定データの精度に影響する可能性があります。この場合、耐久性が高く防塵・防滴機能のあるスキャナを選択することで、外的要因の影響を受けにくくなるでしょう。また、持ち運びが多い場合には軽量なスキャナを選択すれば、効率的に対象物の測定ができます。

メーカーのサポート体制があるか考慮する

3Dスキャナの選定時には、メーカーのサポート体制も重要なポイントです。特に業務で使用する場合、故障やトラブルが発生した際に迅速かつ適切な対応が求められます。

修理期間中に代替品を用意してくれるメーカーであれば、業務の中断を最小限に抑えられます。サポート体制が整っているメーカーを選ぶことで、安心してスキャナを使用でき、万が一のトラブルにも備えることできるでしょう。

予算が見合っているか考える

3Dスキャナを選ぶ際は、予算が見合っているかも注目すべきポイントです。購入費用だけでなく、運用費用や人材育成にかかる費用も考慮する必要があります。

購入費用以外にかかるものとしては、メンテナンス費やソフトウェアのライセンス費、消耗品の購入費などが挙げられます。さらに、3Dスキャナを使用するにあたって人材育成が必要であれば、トレーニング費用も含めて予算を設定することが大切です。

このように、3Dスキャナを選ぶときにかかる予算がどれくらいになるのか事前に把握しておきましょう。

東京貿易テクノシステムの3Dスキャナのご紹介

東京貿易テクノシステムでは、さまざまな3Dスキャナを取り扱っています。ここでは、「AQROS-Scan」と「FLARE」の2つの3Dスキャナをご紹介します。

AQROS-Scan

AQROS-Scanは「可搬性」と「高精度」を兼ね備え、革新的な機能を搭載した3Dハンディースキャナです。

ハンディータイプの特徴として、ワンショットでの計測範囲が限られてしまうことが挙げられますが、ショット数を重ねることで、計測範囲は無限大に広がります。

重量は1〜1.3㎏ほどと、誰でも扱いやすい重さとサイズ感も魅力のひとつです。また、Wi-Fi通信機能や内蔵バッテリーにより、どのような現場でもポータブル測定が可能になります。

さらに、光沢物や黒色の対象物の測定では、照射したレーザー光が正しく反射せず正確な3Dデータを取得できないため、専用スプレーを吹きかけていました。しかし、AQROS-Scanはどのようなパーツでも高精度の3Dデータが取得可能で、光沢物や黒色の対象物もノンスプレーで測定ができます。

可搬性が高く高精度のハンディー3Dスキャナを活用したい場合は、AQROS-Scanをご検討ください。

詳しくはこちらをご覧ください。

AQROS-Scan（アクロス-スキャン）製品詳細

FLARE

FLAREは、非接触式で高精度な三次元データを迅速かつ簡単に取得できるカメラ式3Dスキャナです。試作開発や品質管理の現場で生産性を向上させ、形状再現性に優れています。FLAREには2つの高性能カメラが搭載され、異なる角度から数百万点の測定を瞬時におこない、細かく均一な点群を取得します。これにより、複雑な形状や凹凸も忠実に再現でき、鋳造品や樹脂成型部品、リバースエンジニアリングにも最適です。

FLAREの特徴は、マーカー不要で簡単に測定が開始できる点です。回転テーブルに対象物を置くだけで、誰でも簡単に測定可能で対象物上にターゲットシールが不要なため、コストや手間の削減ができます。これにより、測定効率が向上し、検査工数も大幅に削減可能です。

さらに、FLAREは測定者のスキルに依存せず、高品質・高精度のデータを安定的に提供します。テクスチャーマッピングにも対応し、計測対象物の色情報をフルカラーで管理できます。また、軽量で可搬性に優れ、現場に出向いて直接測定をおこなえるため、作業の効率化と安全性向上にもつながります。

FLAREを活用することで、複雑な形状や細かな凹凸の測定が簡単におこなえ、高精度なデータを迅速に取得できます。特に、3Dスキャナと3Dプリンターの組み合わせにおいてその精度は大きな強みとなります。

詳しくはこちらをご覧ください。

FLAREの製品詳細

まとめ

3Dスキャナは、製品開発や品質管理、文化財の保護などさまざまな分野で役立つ革新的なツールです。3Dスキャナを活用することで、精度の高い測定データを素早く取得でき、作業の生産性を大きく向上させます。

ただし、使用用途や機能を理解していないと、正確な測定データを取得できないため注意が必要です。

東京貿易テクノシステムでは、さまざまなモノづくりの場面で役立つ、高精度な3Dスキャナをご提供しています。この記事を参考に、最適な3Dスキャナを選びましょう。

3Dスキャナに関するご相談は、ぜひ東京貿易テクノシステムまでお寄せください。