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 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 Photonがもっているエネルギーと波長の関係は 〜2,500nmの帯域を指す。可視域は、400〜750nm 図 2 である。 であり、NIR （近赤外：Near Infra-Red） 域は、750 波長（nm）＝ 1,240 / Photon のエネルギー（eV） 〜1,000nm である （図1） 。 ・・・ （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 eizojoho industrial 株式会社ブルービジョン 2.1 参考 ジウム）、Gallium（ガリウム）、Arsenide（ひそ）の 光子（こうし、photon） は、光を粒子として扱う 化合物を使用している。可視光用のセンサはシリ 場合の呼び名である。電磁相互作用を媒介する コンフォトダイオードが使用され、1 種類の元素 ゲージ粒子であり、素粒子物理学においては記号 である。本センサのバンドギャップエネルギーは、 γ（ガンマ線に由来する） 、光科学においては記号 常温で 0.73eVである。したがってカットオフ波長 hν（後述する光子のもつエネルギーを表す式から 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） 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。 ＝ 1,240/0.73 E＝hν＝hc/λ ・・・ （2） ＝ 1,700nm h：プランクの定数 図 4 は、シリコンフォトダイオードを使用した ν：振動数で、単位は （1/s） ＝ （Hz） 一般的な分光特性であり、可視光帯域に分光感度 8 c：光速 3 × 10（m/s） をもっている。シリコンのバンドギャップエネル λ：光の波長 （m） ギーは、1.2eV である。したがってカットオフ波 素粒子を扱う物理学では、エネルギーを表すと 長は、 （ 1）式より、以下のとおりである。 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）≒ 1.602 × 10-19 （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 ≒ 6.626 × 10-34（Js） ≒ 4.136 × 10-15（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。 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 eizojoho industrial 図 4 可視光センサの分光特性例 （BV-C3350） October 2014︱11 Pick-upプロダクツ 波長 （nm）＝ 1,240/Photon のエネルギー （eV） ＝ 1,240/1.2 ＝ 1,033nm 4. 先行研究 このように光電変換の材料によって、分光特性 図 6 は、針葉樹（Conifers）、広葉樹（Broadleaf）、 に違いがある。 芝生（Grass）等の SWIR 波長帯における反射率を 当社では、2,500nm まで帯域を伸ばした SWIR 示している。多くの物体が 1,450nm 付近にて反射 センサ G9208 を使用したラインスキャンカメラも 率が落ちている。これは物体のもっている水分の 計画中である。図 5 は、G9208 センサの分光特性 影響である。水（Water）は、SWIR 帯域を吸収す である。本センサは、InGaAsの混合比を変えるこ る特性をもっている。図 7 は、被写体の水分を撮 とによりバンドギャップエネルギーを変え、カッ 像したときの特徴的な画像である。水は可視光に トオフ波長を伸ばしている。 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 eizojoho industrial 株式会社ブルービジョン 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 eizojoho industrial October 2014︱13 Pick-upプロダクツ 査の幅広いニーズに対応するつもりである。その 5. 製品仕様 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 概要は表 2 のとおりである。 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 μm、512 画素のSWIR光用ラインセンサに結像し、 当社では、プリズムを使用したラインセンサカ 電気信号に変換される。それぞれの信号は A/D 変 メラに適合したレンズを供給している。広範囲な 換され、DSNU 補正、PRNU 補正、シェーディン 被写体の大きさに対応するため可視光用として焦 グ補正、Gain 制御、露光制御、黒レベル制御等が 点距離 20mm から 105mm までの 6 機種を製品化し されたのちカメラリンク信号として出力する。 ている（図10）。また、SWIR光に対応したレンズ 当社では SWIR ラインスキャンカメラのライン として焦点距離 28mm から 50mm の M52 マウント ナップ強化に加え、さらにエリアセンサを使用し レンズを準備している。M52 マウントはスクリュー たカメラも企画検討中で SWIR 領域での非破壊検 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 表 2 VGA SWIR エリアセンサカメラ製品仕様 項 目 ラインセンサ 光学系 ピクセルサイズ 波長帯域 仕 様 0.5K ラインセンサ ビームスプリッタ （F 2.8 ） 25μm×25μm, 512 pixels 900nm～1,600nm SWIR 光：量子効率 75%、 感度 1,500nm 時 S/N 52dB 以上 入力 外部トリガ （ランダムトリガ） CameraLink 8/10bit 出力 Base configuration 1 系統 同期 内部同期、外部トリガ DC12V 入力電圧 VV サイズ（W×D×H）95mm×95mm×95mm レンズマウント M52 mount 項 目 仕 様 有効画素数：640 H×512 V 撮像素子 画素サイズ：20μm×20μm 露光時間 1クロック時：62 fps フレームレート 露光時間 16 msec 時：31 fps シャッタ グローバルシャッタ方式 波長帯域 900 nm～1 , 680 nm SWIR 光：量子効率 80 %、 感度 1 , 600 nm 時 S/N 52 dB 以上 補正 PRNU 補正、DSNU 補正、欠陥補正 CameraLink 8 / 10 bit 出力 Base configuration 1 系統 同期 内部同期 冷却 センサにペルチェ内臓 DC 12 V 入力電圧 VV サイズ（W×D×H）58 mm×58 mm×105 mm レンズマウント C-mount 写真 1 BV-C3100 外観 14 ︱October 2014 eizojoho industrial 株式会社ブルービジョン ラ間にスペーサを使用することにより最短撮影距 場合は、事前に性能確認が必要である）。 離を短くすることができる （注意：ただし、ディス 図 11 は、SWIR 光用に特殊コーティングを施 トーション、色収差が変化するので実際に使用の したレンズの分光特性である。 Model Name BV-L1020 BV-L1024 BV-L1028 Image Sensor Length 30mm 30mm 30mm f = 20mm f = 24mm f = 28mm BV-L1035 BV-L1050 BV-L1105 30mm 30mm 30mm f = 35mm f = 50mm f = 105mm 対応イメージセンサ長 Focal length （焦点距離） Model Name Image Sensor Length 対応イメージセンサ長 Focal length （焦点距離） 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 eizojoho industrial October 2014︱15 Pick-upプロダクツ 図 12 ペットボトルの各種画像 図 13 USB メモリ画像 ■ 参考資料および文献 7. SWIR 光の画像事例 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 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。 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, 2005-01-05 3）安 藤慎冶: ポリイミドの光学特性. 東京工業大学, 図 13 は、USB メモリの可視光画像と SWIR 光 pp.113, http://www.op.titech.ac.jp/polymer/lab/ 反射画像である。SWIR 光の特長として長波長で sando/Book_10/Ando_LatestPIs_Optical.pdf あるために、内部構造が見える場合がある。 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, 8. 今後のロードマップ 印刷物検査、食品検査、分光検査のように広帯 pp.41, 2011 ☆株式会社ブルービジョン 域の波長分析が必要な市場はこれから拡大してい E-mail：[email protected] くと考える。当社ではプリズム分光技術を用いた http://www.bluevision.jp/ 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。 ■販売・お問い合わせ先 また、プリズムカメラ用レンズを準備し、かつ ダイトエレクトロン株式会社 SWIR領域にも拡大した製品の開発も行っている。 画像機器グループ TEL03-3264-0326 FAX.03-3261-3984 http://www.daitron.co.jp/ 16 ︱October 2014 eizojoho industrial
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