Pick-up プロダクツ 短波近赤外 (SWIR) 波長帯域における画像応用 株式会社ブルービジョン 当社は プリズムによる分光を用いた 400nm から 1,600nm の特殊波長カメラならびに専用レンズの製造販売を行っている 本稿では 900 2,500nm である SWIR 波長帯域 ( 短

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1 短波近赤外 (SWIR) 波長帯域における画像応用 当社は プリズムによる分光を用いた 400nm から 1,600nm の特殊波長カメラならびに専用レンズの製造販売を行っている 本稿では 900 2,500nm である SWIR 波長帯域 ( 短波赤外線 ) を用いた画像検査を紹介する 1. SWIR とは 2. 波長とエネルギーの関係 SWIR(Short Wave Infra-Red) 帯域とは 1,000 2,500nmの帯域を指す 可視域は nm であり NIR( 近赤外 :Near Infra-Red) 域は 750 1,000nmである ( 図 1) Photonがもっているエネルギーと波長の関係は図 2 である 波長 (nm)= 1,240 / Photonのエネルギー (ev) (1) 図 1 可視域と SWIR 帯域 図 2 Photon のエネルギーと波長の関係 10 October 2014

2 2.1 参考光子 ( こうし photon) は 光を粒子として扱う場合の呼び名である 電磁相互作用を媒介するゲージ粒子であり 素粒子物理学においては記号 γ( ガンマ線に由来する ) 光科学においては記号 hν( 後述する光子のもつエネルギーを表す式から来ている ) で表されることが多い Photon1 個がもつエネルギー Eは 以下の式で示すことができる E=hν=hc/λ (2) h : プランクの定数 ν: 振動数で 単位は (1/s)=(Hz) c : 光速 3 10(m/s) 8 λ: 光の波長 (m) 素粒子を扱う物理学では エネルギーを表すとき 電子ボルト の単位を使用し (ev) を使用する 1Vの電位差がある自由空間内で電子 1 個が得るエネルギーが 1 (ev) である ジュールに換算すると 以下の式で示すことができる 1(eV) (J) この単位系でプランク定数を表すと 以下のとおりである h (Js) (evs) これを (2) に代入すると 波長 1,240nm の光がもつエネルギーは 1(eV) になる ジウム ) Gallium( ガリウム ) Arsenide( ひそ ) の化合物を使用している 可視光用のセンサはシリコンフォトダイオードが使用され 1 種類の元素である 本センサのバンドギャップエネルギーは 常温で0.73eVである したがってカットオフ波長は (1) 式より 以下のとおりである 波長 (nm)= 1,240/Photonのエネルギー (ev) = 1,240/0.73 = 1,700nm 図 4 は シリコンフォトダイオードを使用した一般的な分光特性であり 可視光帯域に分光感度をもっている シリコンのバンドギャップエネルギーは 1.2eV である したがってカットオフ波長は (1) 式より 以下のとおりである 図 3 SWIR センサの分光特性 (BV-C3100) 3. SWIR センサと分光特性 900 2,500nm の広帯域をカバーする SWIRセンサの製造は困難である そのような広帯域の光電変換ができる光電変換材料がないからである 図 3 は 弊社のBV-C3100 に使用されている SWIRセンサの分光特性である 本 SWIR センサは 浜松ホトニクス製 G11135 センサを使用している 光電変換材料はInGaAsでありIndium( イン 図 4 可視光センサの分光特性例 (BV-C3350) October

3 波長 (nm)= 1,240/Photon のエネルギー (ev) = 1,240/1.2 = 1,033nm このように光電変換の材料によって 分光特性に違いがある 当社では 2,500nm まで帯域を伸ばした SWIR センサ G9208を使用したラインスキャンカメラも計画中である 図 5 は G9208 センサの分光特性である 本センサは InGaAsの混合比を変えることによりバンドギャップエネルギーを変え カットオフ波長を伸ばしている 4. 先行研究図 6 は 針葉樹 (Conifers) 広葉樹(Broadleaf) 芝生 (Grass) 等のSWIR 波長帯における反射率を示している 多くの物体が1,450nm 付近にて反射率が落ちている これは物体のもっている水分の影響である 水 (Water) は SWIR 帯域を吸収する特性をもっている 図 7 は 被写体の水分を撮像したときの特徴的な画像である 水は可視光においては透過率が高いのでコップの底面を撮像しているが SWIR 光は吸収するので SWIRカメ 図 5 G9208 の分光特性 図 6 物体と水分 ( 文献 2 より引用 ) 12 October 2014

4 ラで撮像すると暗い画面になる 図 8 は 全フッ素化ポリイミドと部分フッ素化ポリイミドの分光特性である 部分フッ素化ポリイミドが 1,120nm と 1,400nmにおいて大きな光吸収特性をもっていることが測定できる 図 9 は 緑葉の太陽光に対する反射の度合いを示している 1,450nmのSWIR 帯域において大きな吸収がある 図 7 水の入ったコップと空のコップ 図 8 ポリイミドの分光特性 ( 文献 3 より引用 ) 図 9 緑葉の反射スペクトル ( 文献 4 より引用 ) 大気の水吸収 :970nm 1,190nm 1,450nm 1,940nm October

5 5. 製品仕様 査の幅広いニーズに対応するつもりである その概要は表 2 のとおりである 表 1は 512 画素 SWIRラインスキャンセンサカメラ BV-C3100 の仕様であり 写真 1は その外観である 被写体からの入射光は 画素サイズ 25 μm 512 画素のSWIR 光用ラインセンサに結像し 電気信号に変換される それぞれの信号は A/D 変換され DSNU 補正 PRNU 補正 シェーディング補正 Gain 制御 露光制御 黒レベル制御等がされたのちカメラリンク信号として出力する 当社ではSWIRラインスキャンカメラのラインナップ強化に加え さらにエリアセンサを使用したカメラも企画検討中で SWIR 領域での非破壊検 6. プリズム使用カメラに特化した SWIR 用レンズのラインナップ当社では プリズムを使用したラインセンサカメラに適合したレンズを供給している 広範囲な被写体の大きさに対応するため可視光用として焦点距離 20mmから105mmまでの6 機種を製品化している ( 図 10) また SWIR 光に対応したレンズとして焦点距離 28mm から 50mm の M52 マウントレンズを準備している M52マウントはスクリューマウント方式を採用しているので レンズとカメ 表 1 SWIR ラインスキャンカメラ BV-C3100 製品仕様 項目 仕 様 ラインセンサ 0.5Kラインセンサ 光学系 ビームスプリッタ (F 2.8) ピクセルサイズ 25μm 25μm, 512 pixels 波長帯域 900nm~1,600nm 感度 SWIR 光 : 量子効率 75% 1,500nm 時 S/N 52dB 以上 入力 外部トリガ ( ランダムトリガ ) 出力 CameraLink 8/10bit Base configuration 1 系統 同期 内部同期 外部トリガ 入力電圧 DC12V VV サイズ (W D H)95mm 95mm 95mm レンズマウント M52 mount 表 2 VGA SWIR エリアセンサカメラ製品仕様 項目 仕 様 撮像素子 有効画素数 :640H 512V 画素サイズ :20μm 20μm フレームレート 露光時間 1クロック時 :62fps 露光時間 16msec 時 :31fps シャッタ グローバルシャッタ方式 波長帯域 900nm~1,680nm 感度 SWIR 光 : 量子効率 80% 1,600nm 時 S/N 52dB 以上 補正 PRNU 補正 DSNU 補正 欠陥補正 出力 CameraLink 8/10bit Base configuration 1 系統 同期 内部同期 冷却 センサにペルチェ内臓 入力電圧 DC12V VV サイズ (W D H)58mm 58mm 105mm レンズマウント C-mount 写真 1 BV-C3100 外観 14 October 2014

6 ラ間にスペーサを使用することにより最短撮影距離を短くすることができる ( 注意 : ただし ディストーション 色収差が変化するので実際に使用の 場合は 事前に性能確認が必要である ) 図 11 は SWIR 光用に特殊コーティングを施したレンズの分光特性である Model Name BV-L1020 BV-L1024 BV-L1028 Image Sensor Length 対応イメージセンサ長 Focal length ( 焦点距離 ) 30mm 30mm 30mm f = 20mm f = 24mm f = 28mm Model Name BV-L1035 BV-L1050 BV-L1105 Image Sensor Length 対応イメージセンサ長 Focal length ( 焦点距離 ) 30mm 30mm 30mm f = 35mm f = 50mm f = 105mm 図 10 製品群 図 11 SWIR 帯域に対応した焦点距離 35mm レンズの分光特性 October

7 図 12 ペットボトルの各種画像図 13 USB メモリ画像 7. SWIR 光の画像事例図 12 は ペットボトルの撮像例である 反射 SWIR 光画像では印刷の特殊性が検出でき SWIR 透過画像では 残量の検出ができる 図 13は USBメモリの可視光画像とSWIR 光反射画像である SWIR 光の特長として長波長であるために 内部構造が見える場合がある 8. 今後のロードマップ 参考資料および文献 1) 浜松ホトニクス社データシート 2) 竹内渉 安岡善文 : 衛星リモートセンシングデータを用いた正規化植生 土壌 水指数の開発. 写真測量とリモートセンシング, pp.7-19, ) 安藤慎冶 : ポリイミドの光学特性. 東京工業大学, pp.113, sando/book_10/ando_latestpis_optical.pdf 4) 小出肇 : 温暖湿潤気候高稙被率地域を対象とした土壌水理特性の推定と地質工学的応用に関する地植物学的リモートセンシング研究. 熊本大学, pp.41, 2011 印刷物検査 食品検査 分光検査のように広帯域の波長分析が必要な市場はこれから拡大していくと考える 当社ではプリズム分光技術を用いた特殊カメラに特化した製品の提供企業として 今後も製品のラインナップを拡大してく所存である また プリズムカメラ用レンズを準備し かつ SWIR 領域にも拡大した製品の開発も行っている sales@bluevision.jp 販売 お問い合わせ先ダイトエレクトロン株式会社画像機器グループ TEL FAX October 2014

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