ビジュアル・システムに最適な産業用カメラの選択

1.産業用カメラの紹介

産業用カメラは、スマートフォンやデジタル一眼レフカメラのカメラとは異なる。高温、高圧、埃っぽい環境など、過酷な環境でも動作する。産業用カメラは主にアレイカメラとラインスキャンカメラで構成されています。

ラインスキャンカメラは主に高精度と高速移動が要求されるシーンで使用され、アレイカメラはより幅広い用途で使用される。

ラインスキャンカメラ

これらのカメラは直線的な構成で、通常2つのシナリオで使用される。第一に、細長いベルト状の視野を持つ回転ドラムの検査に使用されます。第二に、高精度で広い視野を必要とする用途に選ばれる。ラインスキャンカメラの2次元画像は、複数のラインスキャンによって形成されます。

ラインスキャンカメラの利点には、一次元の画素数が多いこと、アレイカメラに比べて総画素数が少ないこと、画素サイズがフレキシブルであること、フレームレートが高いことなどがある。そのため、特に一次元の動的ターゲットの測定に適している。

アレイカメラ

マシンビジョンアプリケーションでは、アレイカメラがより広く使用されている。アレイCCDカメラの利点は、2次元の画像情報を直接取り込むことができるため、直感的な測定画像が得られることです。

アレイカメラは短い露光時間で撮影できるため、ダイナミックなシーンを撮影するのに適しており、静的な被写体にも適している。私は主にアレイカメラを使用するので、このセクションではアレイカメラの選択に焦点を当てる。

2.産業用カメラの選択

(1) CCD/CMOS

静止した被写体に対しては、CMOSカメラが費用対効果の高い選択肢となる。しかし、動く被写体にはCCDカメラが望ましい。高速度撮影が必要な場合（移動速度ではなく、収集速度を指す）には、収集速度に優れたCMOSカメラを検討すべきである。サイズ測定のような高画質撮影には、小型センサーでは一般的にCMOSを凌駕するCCDを推奨する。

CCD産業用カメラは、主に動く物体の画像をキャプチャするために使用され、自動視覚検査ソリューションに広く採用されています。CMOS技術の進歩に伴い、CMOS産業用カメラは、その低コストと消費電力により、ますます普及しています。

(2) インターフェース：

産業用カメラの前面はレンズを取り付けるためのもので、通常、標準化された業務用インターフェースを備えている。背面には通常、電源インターフェースとデータインターフェースの2つのインターフェースがあります。

産業用カメラのインターフェースには、USB2.0/3.0、CameraLink、Gige、1394a/1394b、CoaXPressなどがある。ここでは、一般的な数種類のみを紹介する。

USBインターフェース：

ホットプラグ対応、使いやすさ、標準化・統一化、複数機器の接続、USBケーブルによる給電が可能。

しかし、標準化されたプロトコルがなく、マスター・スレーブ構造であるため、CPU使用率が高く、帯域幅も保証されていない。USB 3.0インターフェースはセルフパワー駆動が可能だが、USB電源が不安定な場合は外部電源を使用することもできる。

ギガビット・イーサネット・インターフェイス：

ギガビット・イーサネット通信プロトコルをベースに開発され、非圧縮ビデオ信号をネットワーク経由で伝送する産業用画像処理アプリケーションに適している。

拡張性に優れ、データ伝送長は最大100m（リピータで無制限に延長可能）、帯域幅は1Gbitで瞬時にデータ伝送が可能で、標準的なNICカード（またはPCにプリインストールされているもの）を使用し、経済的で、標準的なコネクタを備えた安価なケーブル（標準的なイーサネットケーブルCAT-6）を利用できる。統合が容易で、費用対効果が高く、広く応用できる。

カメラリンクインターフェース：

LVDSインターフェース規格を用いたシリアル通信プロトコルで、高速、強力な干渉防止機能、低消費電力で知られる。チャネルリンク技術から発展し、いくつかの伝送制御信号が追加され、関連規格が定義されている。MDR-26ピンコネクタを使用し、最大6400Mbpsの帯域幅を持つ高速性、強力な干渉防止機能、低消費電力を提供する。

Gigeインターフェースは、100mケーブル出力をサポートし、複数のカメラのセットアップを簡素化します。カメラリンクインターフェースは、高速画像データのニーズに合わせて特別に設計されています。USB 3.0インターフェースは、そのシンプルさとリアルタイム性で知られています。

現在、マシンビジョンで最も広く使用されているインターフェイスは、Gige（イーサネット）インターフェイスであり、伝送速度、距離、コストの面で他のインターフェイスよりも大きな利点がある。

(3) 決議

解像度はカメラ選びの重要な要素です。解像度、ピクセル、精度、ピクセルサイズ、センサーサイズの関係を理解することが重要で、これらの用語はしばしば混同される。

カメラの解像度とは、各画像に写り込んでいる画素数のことで、一般的には数百万個単位でマトリックス状に配置された感光チップの総数を示す。

例えば、100万画素のカメラは、WxH=1000×1000のピクセル行列を持つかもしれない。ピクセルのサイズはデバイスによって異なり、各ピクセルは特定の位置と割り当てられた色値を持つ。これらのピクセルの配置と色が画像の外観を決定する。

(4) センサーサイズ

センサー（CCD/CMOS）のサイズは、1/1.8インチや2/3インチといった用語がセンサーの特定の寸法や対角線サイズを指していないため、実際のサイズを概念化するのが難しく、混乱する可能性がある。

センサーサイズは視野とワーキングディスタンスに影響する。同じ画素密度でセンサーサイズが大きくなると、画素サイズが大きくなり、各画素の受光面積が広がり、画質が向上します。同じワーキングディスタンスとレンズの下では、より大きなセンサーはより広い視野を捉えることができる。

(5) ピクセルサイズ

カメラの解像度とセンサーサイズで、ピクセルサイズを計算することができる：

画素サイズ＝センサーサイズ／解像度（画素数）

これにより、幅と高さの両方のピクセル・サイズが得られる。

ピクセルサイズとは、3.75um x 3.75umのような、チップのピクセルアレイ上の各ピクセルの実際の物理的なサイズを指す。ピクセルサイズは、チップの光に対する反応性をある程度反映する。より大きな画素はより多くの光子を受け取ることができ、同じ照明条件と露光時間下でより多くの電荷を生成することができる。

これは特に低照度イメージングに関連し、ピクセルサイズはチップの感度の指標となる。解像度の値が小さいほど解像度が高く、ピクセルサイズが大きいほど感度が高いことを意味します。これらは2つの異なる概念です。

(6）精度

精度とは、1ピクセルで表現される実際の物体の大きさのことで、(um*um)/ピクセルで表されます。ピクセルサイズは精度と同じではないことに注意することが重要です。

画素サイズはカメラの機械的構造の固定特性であるのに対し、精度はカメラの視野に関係し、可変である。精度の値が小さいほど、精度は高くなります。

1ピクセルで表されるサイズ = 視野の幅 / 幅の解像度 = 視野の高さ / 高さの解像度

追記：カメラの視野端での歪みとシステムの安定性要件を考慮し、一般的に1ピクセル単位を1つの測定精度値と同一視しない。

光源によっては計算値が大きくなることもある。バックライトでは1～3ピクセル、直接光源では3～5ピクセルの精度です。例えば、解像度2500の500Wピクセルカメラを使用した場合2000、視野100mm80mm：

• シングル・ピクセル・サイズ = 0.04mm
• バックライト精度 = 0.04mm~0.12mm
• 直接光の精度 = 0.12mm~0.20mm

既知の精度に基づいて解像度を計算する場合、要件を満たすためには計算値よりも高い解像度を持つカメラが必要になることが多いことを理解することが重要です。

(7) 画像解像度

画像の解像度を理解するのは比較的簡単だ。単位距離あたりに画像を表示するのに使われる画素数のことで、精度とコンセプトは似ているが、表現は異なる。

選考の基本原則

視野、すなわちターゲットサイズが固定されている場合（一般的にカメラを選択する際にはターゲットサイズを視野として考える）、カメラの解像度が高ければ高いほど精度と画像の解像度が高くなる。

視野が固定されていない場合、異なる解像度のカメラでも同じ精度を達成することができます。このような場合、画素数の大きいカメラを選択することで、視野を広げ、必要なショット数を減らし、検査速度を上げることができます。

例えば、1台のカメラが100万画素、もう1台が300万画素で、どちらも同じ鮮明度（20um/pixelの精度）だとすると、1台目のカメラのFOVは20mm×20mm＝400平方mm、2台目のカメラのFOVは1200平方mmとなる。生産ラインで同じ数のターゲットを撮影する場合、1台目のカメラは30枚の画像を撮影する必要があるが、2台目のカメラは10枚で済む。