【3Dスキャンに必須なLiDAR】LiDARの定義・仕組み・活用事例・関連技術をご紹介

昨今現実空間を3Dデータ化するために、3Dスキャンが注目を浴びています。

3Dスキャンの精度を高めるための技術としてLiDARがあります。

今回はLiDARについて詳細を説明していきます。

LiDARとは？基本概念と仕組み

LiDAR（Light Detection and Ranging）は、レーザー光を利用して対象物との距離を高精度に測定する技術です。

この技法はレーダー（Radar電波探知測距）に類似しており、レーダーの電波を光に置き換えたものがLiDARです。

この技術は、光の速度と時間を計測することで、物体までの距離を算出します。

レーザーパルスを発射し、その反射光をセンサーで検出することで、点群データとして3Dマップを作成することが可能です。

現在では学術で行くと地質学・地震学・大気物理学であったり、自動運転技術・AR/VR・測量・ロボティクス・建築業界など、多岐にわたる分野で活用されています。

LiDARの技術は1960年代に航空測量の分野で初めて活用されました。

当初は軍事用途や宇宙開発において重要な技術でしたが、その後、技術の発展とコストの低下により、自動車、スマートフォン、建築などの一般用途にも広がりました。

特に近年では、AppleがiPhoneやiPadにLiDARを搭載したことで、個人でも高精度な3Dスキャンが可能になり、さらに活用の幅が広がると注目を集めています。

LiDARの多くはTime of Flight（ToF）方式を採用しています。

この方式では、レーザー光が対象物に当たり、反射して戻ってくるまでの時間を測定することで距離を算出します。

光の速度（約299,792,458 m/s）を基に、非常に短時間で精度の高い測定が可能です。

この原理を利用して、数百万もの測定点を取得し、3Dマップとして構築することができます。

LiDARは他の測定技術と比較して、特有のメリットとデメリットがあります。

ToF方式は最も一般的なLiDAR技術で、レーザーパルスを発射し、その往復時間を計測して距離を算出します。この方式はシンプルで広く利用されていますが、高解像度のデータを取得するためには、高速で正確なセンサーが必要となります。特に、自動運転や測量などの分野で多く採用されています。

フェーズシフト方式では、光の波長の位相の変化を利用して距離を測定します。この方式はToF方式に比べて精度が高いのが特徴です。特に、建築業界や精密測定を要する分野で活用されています。

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）方式は、ドップラー効果を利用して距離と速度を同時に測定する方式です。これにより、対象物が移動している場合でも正確な位置情報を取得できます。この技術は次世代の自動運転システムでの活用が期待されています。

LiDARには、固定型とスキャン型の2種類が存在します。

固定型LiDARは特定の方向にレーザーを照射し、固定された位置から対象物の距離や形状を測定するタイプです。

このタイプは、高精度な測定が求められる場面で使用されます。

たとえば、工場の生産ラインでの部品検査、建築現場での精密測定、交通監視システムなどで活用されます。

固定型の利点は、動作が安定し、消費電力が少ないことですが、測定範囲が限定されるため、広範囲のマッピングには適しません。

レーザーを回転させながら360度のスキャンを行うことで、周囲の環境をリアルタイムで測定するタイプです。

特に自動運転技術やロボット工学で多く採用されています。スキャン型は、広範囲の3Dデータを取得できるため、動的な環境下での測定に優れています。

たとえば、自動運転車はスキャン型LiDARを用いて周囲の歩行者や障害物をリアルタイムで検出し、安全なルートを判断します。

固定型とスキャン型LiDARの使い分けは、用途に応じて決まります。

固定型が適している場面
- 工場の生産ライン（一定の位置にある物体の測定）
- 交通監視（特定の範囲に限定した計測）
- 建築測定（正確な位置情報の取得）
スキャン型が適している場面
- 自動運転（リアルタイムで周囲環境を把握）
- ロボティクス（移動しながらの環境認識）
- ドローン測量（広範囲の地形データ取得）