Imaging techniques beyond visible wavelength enhances machine vision applications.The Multispectral and hyperspectral cameras expand the scope of industrial imaging.The Multispectral and hyperspectral cameras expanded the scope of the industrial imaging.The Multi-Visible Wave of the visible waveength.

マルチスペクトルおよびハイパースペクトル カメラは多くのアプリケーションや産業で展開されていますが、これらの技術の出現により改善された分野の 1 つが工業検査です。 食品や飲料製品の品質検査、医薬品の検査や選別、色彩検査、プロセス監視など、非可視画像コンポーネントが今日のマシンビジョンシステムに組み込まれているほんの一例にすぎません。

Figure 1: プリズム技術に基づき、Sweep + と Fusion マルチスペクトルカメラは単一の光路で異なる光スペクトルの画像を同時に提供します。

フィルターホイールやその他の可動部品を使用せず、単一の光路で同時に撮影するプリズム技術に基づき、JAI (San Jose, CA, USA, www.jai.com) はいくつかのマルチスペクトルカメラ（図1）を提供しています。 JAI は、エリアスキャンカメラのユーザー向けに、Fusion シリーズとして 3 種類のマルチスペクトラルカ メラを提供しています。 これらの2CCDセンサーのモデルは、解像度とデータインターフェースが異なるだけである。 AD-080CL (0.8 MPixel, Camera Link interface, 30 fps), AD-080GE (0.8 MPixel, GigE Vision interface, 30 fps), AD-130GE (1.3 MPixel, GigE Vision interface, 31 fps)である。各カメラは、ベイヤーCCDが1チャンネルで可視カラー画像（400～700nm）を、モノクロセンサーが2チャンネルで近赤外線データ（750～900nm以上）を捉えるという、同じマルチスペクトルの側面を持っています。

ラインスキャンカメラのユーザー向けに、JAIはSweep+シリーズの3つのマルチスペクトルカメラを提供しています。 これらのプリズムベースのクワッドリニアカメラはR、G、B、NIRデータ用に別々のチャンネルを提供します。 SW-2001Q-CL は 4 x 2048 CCD ピクセルアレイを採用し、ライン周波数 19 kHz のカメラリンクインターフェースを搭載、LQ-401CL は同じくライン周波数 18 kHz の 4 x 4096 CMOS アレイを搭載しています。 10GigEインターフェース搭載のSW-4000Q-10GEは、4 x 4096 CMOSアレイを使用し、ライン周波数は72 kHzです。

関連記事 ディープラーニングとハイパースペクトルイメージング技術が連携し、病害ジャガイモの特定を実現

最後に、同社はWaveシリーズでマルチスペクトルラインスキャンオプションも提供しており、WA-1000D-CLは、2つのプリズムマウントInGaAsラインセンサー（2 x 1024ピクセル、カメラリンクインターフェース、ライン周波数39 kHz）を搭載しています。 1チャンネルはNIRスペクトルの上部とSWIRバンドの下部（900～1400 nm）をカバーし、2チャンネル目はSWIRバンドの上部（1400～1700 nm）に該当します。図3: 冷却したInSb検出器をベースにしたFX50ハイパースペクトルイメージングカメラは、黒いプラスチックの選別や金属表面の汚染検出に使用できます。

「NIRとSWIRの異なる狭帯域光源と画像フュージョン技術により、このカメラは特に食品検査やプラスチックリサイクルなどのアプリケーションで、識別が困難な物質の検出や選別に使用できます」とJAIのマーケティングコミュニケーションマネージャ、Rich Dickersonは述べています。

また、フィルターを製造し、アクティブアライメントシステムによってマイクロパターンフィルターを直接イメージセンサーに取り付けることによってマルチスペクトルカメラを開発しているSalvo Technologies（旧PIXELTEQ、米国フロリダ州セミノール、www.opticalfiltershop.com）は、マルチスペクトルおよび偏光イメージャーを提供しています。 SpectroCamシリーズのカメラは、紫外、可視、近赤外のバージョンがあり、6～8枚の交換可能な光学フィルターで構成された連続回転フィルターホイールをベースにしています。 紫外域は200～900nm、可視域は400～1000nmをカバーし、CCDイメージセンサーを、赤外域はInGaAsセンサーを使用しています。

PixelCamマルチスペクトルカメラは、3～9つのスペクトルバンドを最大30fpsで撮影できるマルチスペクトルイメージング機能を提供します。 3機種とも、CCDセンサ（4または8MPixel）をベースに、ウェハレベルで焦点面アレイに組み込まれたカスタムダイクロイックフィルタアレイにより、特定の可視および赤外波長で高コントラストなスペクトル情報を抽出するとしている。 これらのカメラは400から1000nmの範囲で感度があり、GigEまたはCoaXPressのいずれかのバージョンで、最大15fpsのフレームレートで利用できます。

Spectral Devices (London, ON, Canada; www.spectraldevices.com) は、スナップショットとラインスキャンという2種類のマルチスペクトルカメラを提供している。 同社のラインスキャンカメラは、ams（Premstaetten, Austria; www.ams.com）の2 MPixel CMV2000 グローバルシャッター CMOS イメージセンサをベースに、3種類の標準4バンドカメラと、2～16種類のバンドのカスタムカメラモデルが提供されています。 これらのカメラは、食品の品質保証や検査、ウェハ検査などの用途をターゲットにしています。図4: 400から1000 nmのスペクトル範囲を持つPika Lハイパースペクトルカメラは、わずか3.9 x 4.9 x 2.2 inchのサイズで、マシンビジョンやリモートセンシングの用途をターゲットにしています。

このスナップショットカメラは、同じくamsが開発した4メガピクセルCMV4000 CMOSイメージセンサをベースにしており、複数のバンドでシーンを同時にキャプチャするように設計されています。 標準モデル6機種とカスタムモデルを用意し、2～16バンドを最大94fps（フルフレームレート）の速度で撮影します。 同社によれば、これらのマルチスペクトルカメラは、ロボット工学、食品加工、色彩測定などの用途に適しているとのことです。 航空画像は精密農業を助ける

センサー面では、imec (Leuven, Belgium; www.imec-int.com) が、CCD-in-CMOS技術をベースにしたArgusというマルチスペクトル時間遅延集積（TDI）イメージセンサーを開発した。 このセンサーは、1つのCCDアレイ（またはバンド）あたり4096列256段のフォーマットを使用し、ピクセルサイズは5.4μmです。 さらに、7つのバンドを持つバージョンも用意されており、ユーザーは7つの分光フィルタを追加することができます。

これらのプロトタイプは、CMOSドライバと読み出し回路を統合し、最大300 kHzのラインレートを実現します。 スペクトルフィルタと組み合わせることで、マルチスペクトルTDIイメージングが可能となり、バンド数とTDIステージ数をカスタマイズすることができます。

ハイパースペクトルイメージング

ハイパースペクトルイメージングを可能にするため、imecはamsのCMV2000 CMOSイメージセンサのピクセル（図2）の上に直接ウェハを貼り付けた既製のハイパースペクトルイメージセンサも作成しました。 これらのイメージセンサは、スナップショットモザイク、スナップショットタイル、ラインスキャンウェッジ、ラインスキャンCCD時間遅延積分（TDI）形式で、4、7、16、25、32、100+、150+バンドをオプションとして提供します。

XIMEA (Münster, Germany; www.ximea.com)は、16および25バンドのモザイクタイルセンサ2種、100および150バンドのラインスキャンモデル2種など、imecセンサをベースにした4つのモデルを提供します。 これらのカメラは、170fpsのUSB3インターフェースまたは最大340fpsのPCIeインターフェースを備え、スペクトル範囲はモデルによって、RGB+NIR、470～630nm、600～950nm、600～975nm、470～900nmとなります。

「imecの技術は、半導体薄膜プロセスを用いてピクセルレベルで狭帯域分光フィルターを適用することにより、ハイパースペクトル画像センサーソリューションの小型化、軽量化、および組み込みビジョンシステムへの適合を可能にします」と、XIMEAのキーアカウントマネージャー、Ivan Klimkovicは述べています。 「XIMEAは、imecのハイパースペクトルセンサをxiQカメラプラットフォームと組み合わせ、26.4 x 26.4 x 31mmの寸法とわずか31gの重量という重要なサイズ要因を補完しています」

Photonfocus (Lachen, Switzerland; www.photonfocus.com) も、imecセンサ搭載の3つのハイパースペクトルカメラを提供します。 スナップショット・モザイク形式で、16バンドまたは25バンドのオプションがあります。 GigEインターフェースにより、最大50fpsのスピードと、モデルにより470～630nm、470～900nm、595～860nm、600～975nm、665～975nmのスペクトルレンジを提供。

さらに、imecはAdimec (Eindhoven, The Netherlands; www.adimec.com) と提携して、2メガピクセルCMOSイメージセンサー搭載Adimec Quartzマシンビジョン・カメラをベースに、imec VNIRハイパースペクトルシステムを開発しています。 このシステムは、150以上のバンドとカメラリンクインターフェースを備えたラインスキャンフォーマットで、470～900 nmまたは600～1000 nmのスペクトルレンジを備えています。0 インターフェースを備え、スナップショットおよびライン スキャン形式で、100 以上および 150 以上のバンドと、モデルによって 470 ～ 900 nm、600 ～ 1000 nm、1100 ～ 1700 nm の波長域を提供します。

関連記事。 ハイパースペクトルイメージングシステムは農産物を等級付けする

多数のマシンビジョン企業がimec領域以外でもハイパースペクトルカメラを開発しており、FXシリーズのカメラを提供しているSpecim (Oulu, Finland; www.specim.fi) もその一つである。 これらのハイパースペクトルカメラはラインスキャンモードで動作し、GigE、カメラリンク、またはカスタムイーサネットで利用でき、産業用マシンビジョンアプリケーション向けに特別に設計されています。

FX50カメラ（図3）は、冷却InSb検出器をベースに、640ピクセルの空間解像度、2.7～5.3μmのスペクトル範囲、380fpsの画像取得速度、カメラカバー内の154バンドから自由に選択できる波長域を特徴としています。 同社によると、このカメラは、黒色プラスチックの選別や金属表面の汚染検知に適しているとのことです。

「プラスチック廃棄物は大きな問題です。2050年までに、海には魚よりも多くのプラスチックが存在するようになると推定されています。 リサイクル不可能なプラスチックの大半は、再利用できない混合プラスチックで構成されています。これは、従来のプラスチック選別技術では、信頼性が高く、効率的に分離するための産業要件を十分に満たしていないからです」とスペシムのセールス&マーケティング責任者のハヌ・マッキ・マルツネンは述べています。 「と、スペシムのセールス&マーケティング責任者であるハヌ・マキ・マルトゥネンは述べています。 FX17と新しいFX50により、異なるプラスチック、たとえ黒いプラスチックであっても、99％の精度で識別・選別できるようになりました」

彼は続けます。「これは、スペシムのエンドユーザーが、プラスチック廃棄物をプラスチック産業の原料として再利用できる貴重な資源に変えることができることを意味します。”

FX17モデルは、900～1700 nmのスペクトル範囲、670 fpsの画像取得速度、およびカメラ範囲内の224バンドからの自由な波長選択を備えたInGaAsベースのカメラです。 食品・飼料の品質、廃棄物の分別、リサイクル、水分測定などの用途をターゲットとしています。 FX10は、CMOSイメージセンサーを採用したカメラで、波長帯域は400～1000nm、画像取り込み速度は330fps、波長帯域は224バンドから自由に選択可能です。 このカメラは、食品の品質検査や印刷アプリケーションの色/濃度検出などのマシンビジョン用途をターゲットにしているとのことです。

スペシムは、Fenix、PFD-65-V10E、sCMOS-50-V10Eモデルなどの他の多くのハイパースペクトルカメラと、モバイル材料分析を可能にし400～1000nmのスペクトル範囲を提供するポータブルSpecim IQカメラを提供しています。

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) もハイパースペクトルカメラを作っている。Model 4200 広視野カメラは 2.3 MPixel センサーの空間解像度、400 から 1000 nm の範囲の感度、最大 600 スペクトルバンドにアクセスすることが可能である。 また、ハンドヘルドタイプの4100Hは、可視および近赤外波長（400～1000nm）の最大550スペクトルバンドで2.3MPixelのデータキューブを提供するという。 このデバイスは、組み込みプロセッサと内蔵照明も備えています。

「私たちは、食品安全検査や半導体処理用のカメラに非常に大きな関心を寄せており、その数は増加しています」とエンジニアリング担当副社長のAlexandre Fongは述べています。 「コスト効率のよい分光ソリューションの導入により、この深い新しい情報によって自動検査アプリケーションを変革できる可能性があります」

高度なマシン ビジョン アプリケーションをコア市場の 1 つとする Headwall Photonics（米国マサチューセッツ州ボルトン、www.headwallphotonics.com）も分光カメラを開発している企業の 1 つです。 例えば、同社のMicro-Hyperspecカメラでは、ターゲットアプリケーションとしてマシンビジョンを挙げている。 このカメラには、VNIR、NIR、拡張NIR、SWIRのバージョンがあり、いずれもカメラリンクインターフェースを備えています。 VNIR Aシリーズ（400～1000nm、シリコンCCDセンサー、324の選択可能なスペクトルバンド、90fps）、VNIR Eシリーズ（400～1000nm、sCMOSセンサー、369の選択可能なスペクトルバンド、250fps）、NIR 640（900～1700nm、InGaAs検出器、134の選択可能なスペクトルバンド、120fps）、NIR 320（900～1700nm, InGaAs検出器、67の選択可能なスペクトルバンド、346 fps）。 Extended VNIR 640 (600～1700 nm, InGaAs検出器, 267 スペクトルバンド, 120 fps); SWIR 384 (900～2500 nm, MCT検出器, 166 スペクトルバンド, 450 fps); SWIR 640 (900～2500 nm, MCT検出器, 267スペクトルバンド, >200 fps)があります。

マシンビジョンアプリケーション専用に設計されたHyperspec MVカメラは、波長範囲400～1000 nm、選択可能なスペクトルバンド270、カメラリンクインターフェース、画像取得速度485 fpsを備えています。

ベイスペック（米国カリフォルニア州サンノゼ、www.bayspec.com）は、研究開発、生物医学、光通信などの業界向けに分光装置を開発している会社ですが、工業検査に適したハイパースペクトルカメラも持っています。 そのようなカメラの一つが、USB3.OCI-1000 (プッシュブルーム、最大 120 fps) および OCI-2000 (スナップショット、最大 120 fps) ハイパースペクトルイメージャの光学エンジンとなる 0 ベースの OCI-OEM カメラは、最大 100 (OCI-1000) または 25 (OCI-2000) の分光バンドを選択して 600 ～ 1000 nm 範囲でカバーします。

もう 1 つの選択肢は、同社の GoldenEye Snapshot ハイパースペクトル カメラで、独自の FT-PI 技術を使用して 400 ～ 1700 nm の拡張範囲をカバーし、40 ～ 52 の選択可能なスペクトル バンド、空間ピクセル 648 x 488 で 1 fps のフレームレートを備えています。

同様に Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) はラボ、屋外、リモート センシング用ハイパースペクトル カメラを開発しつつ、マシンビジョン市場も見据えている企業です。 同社によると、産業用画像処理用途に適したカメラは以下の通りです。 Pika L（図4、400～1000nmのスペクトル範囲、281の選択可能なスペクトルバンド、249fps、USB 3.0インターフェース）、Pika XC2（400～1000nmのスペクトル範囲、447の選択可能なスペクトルバンド、165fps、USB 3.0インターフェース）。0インターフェース）、Pika NIR-320（900～1700nmのスペクトル範囲、164の選択可能なスペクトルバンド、520fps、GigEインターフェース）、Pika NIR-640（900～1700nm、328の選択可能なスペクトルバンド、249fps、GigEインターフェース）

最後に、HySpexシリーズで産業イメージング用途のハイパースペクトルカメラ2製品を提供しているNorsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norway; www.hyspex.no) が挙げられます。 HySpex SWIR-384カメラはMCTセンサーをベースに、950～2500nmのスペクトル範囲、288の選択可能なスペクトルバンド、フルスペクトル範囲でのフレームレート400fps（範囲を狭めることで拡張可能）を提供し、HySpex VNIR-1024はCMOSイメージセンサーをベースに、400～1000nmのスペクトル範囲、108の選択可能なスペクトルバンド、フルスペクトル解像度でのフレームレート700 fpsを提供しています。

同社によれば、ハイパースペクトルカメラはいずれも、空間的およびスペクトル的な見当違い（スマイルおよびキーストーン）が10％未満と、スペクトル的にも空間的にも極めてシャープである。