非冷却型SWIRカメラによる高画質撮影

非冷却型SWIRカメラのメリット

• 冷却素子が内蔵されていないため、カメラ筐体の小型化が可能

• 大幅なコスト削減が可能

• 冷却ファンによる気流変化がなく、クリーンルームでの運用に最適

• 冷却ファンによる振動がなく、高精度な測定が求められる用途に最適

• 熱電冷却や空冷を行わないため、消費電力が低い

• ケーブル1本で運用可能＆USB対応

センサー温度とSN比

画質に影響するパラメーターには、実にさまざまな種類があります。しかも、ノイズを最小限に抑えなければならない用途、可能な限り広いダイナミックレンジが必要になる用途、微細な構造物の検出が求められる用途など、用途によって重視されるパラメーターも異なります。今回のようにセンサー温度と暗電流が重視される場合は、画質の評価指標としてSN比を参考にするとよいでしょう。ただし、SN比は、対象物の質感を考慮していないため、微小な構造物やエッジを検出する場合は注意が必要です。

SWIRカメラの種類別のセンサー温度

4種類のSWIRカメラの画質を比較するため、最大フレームレート時のセンサー温度を測定したところ、以下のような結果になりました。

• 非冷却型SWIRカメラ（冷却素子なし）：センサー温度約60°C

• 自然冷却機構（ヒートシンク）＋非冷却型SWIRカメラ（冷却素子なし）：センサー温度約45°C

• 強制冷却機構（エアクーラー）＋非冷却型SWIRカメラ（冷却素子なし）：センサー温度約33°C

• 冷却型SWIRカメラ（冷却素子あり）：センサー温度約15°C

露光時間10ミリ秒以下の場合

フレームレート100fpsによる連続撮影試験を行ったところ、露光時間10ミリ秒以下の場合、冷却素子の有無は画質に影響しませんでした。これは、SenSWIR技術搭載センサーが従来のInGaAsセンサー特有のノイズを最小限に抑えているためです。

また、センサー温度15°Cとセンサー温度60°Cの試験結果を比較しても、露光時間10ミリ秒以下の場合、SN比の値や微小な構造物とエッジの検出精度に大きな違いはなく、冷却素子の有無によって画質は変化しませんでした。

つまり、このような短時間露光であれば、センサー冷却による暗電流の低減効果はあまりないといえます。しかも、SWIR撮影の約80%が短時間露光で行われています。

露光時間10ミリ秒以上の場合

長時間露光の場合、センサー温度の影響は大きくなります。センサー温度が上がり、暗電流が増えると、SN比は低下します。具体的には、画素欠陥によって固定パターンノイズ（FPN）の一種であるホットスポット（画像内に白点が表示される現象）が見られるようになります。しかも、露光時間の延長とセンサー温度の上昇に伴い、ホットスポットの数は増えていきます。また、暗電流の増大は、ランダムノイズ（RN）の一種であるダークショットノイズの発生にもつながります。

露光時間10ミリ秒以上の場合、冷却素子ありのSenSWIR技術搭載センサーを採用すれば、画質は向上します。しかし、用途や要件によっては、冷却素子の代わりに 外部冷却機構 と カメラ機能 を活用することでも、十分にノイズを低減できます。そのため、実際に画質を確認したうえで、SenSWIR技術搭載センサーの冷却素子の有無を決定するとよいでしょう。

ピクセル補正ビヨンドによる画素欠陥補正

Basler独自の「ピクセル補正ビヨンド」は、産業用SWIRカメラ特有の画素欠陥を補正するために開発された機能として、補正強度を細かく調整しながら、画像データを補間することで、SWIR画像の画質を大幅に向上できます。

ブルーミングの低減

露光時間100ミリ秒以上、センサー温度60°Cの過酷な環境下で撮影を行うと、ブルーミング（画像内に光のにじみが表示される現象）が発生します。SenSWIR技術搭載センサーであれば、撮影条件にかかわらず、ブルーミングを約50%抑えられますが、用途によってはそれ以上のブルーミング対策が必要になる場合もあるため、慎重な検討が必要です。

PGI機能のノイズ除去とシャープネス

Baslerが独自に開発したPGI機能は、エッジを保持したままランダムノイズを低減するノイズ除去、エッジ強調により画像のボケを改善するシャープネスをはじめ、複数の画像補正機能で構成されており、用途や要件によって柔軟に使い分けられます。

ピクセル補正ビヨンドとPGI機能のノイズ除去の組み合わせ

PGI機能のノイズ除去は、単純なノイズ除去アルゴリズムと異なり、明部と暗部の輝度勾配に影響しません。そのため、この機能とピクセル補正ビヨンドを組み合わせれば、微細の構造物を保持したまま、エッジを平滑化することができます。ただし、ノイズ除去の強度が高すぎると、画像がボケるおそれがあるため、パラメーターを調整しながら、ノイズとシャープネスのバランスを取ることが重要です。

非冷却型カメラのメリット

冷却素子ありのSenSWIR技術搭載センサーを採用しても、SWIRカメラの画質が必ずしも向上するわけではありません。実際の画質は、撮影条件によって大きく異なります。例えば、露光時間10ミリ秒以下の場合、冷却素子の有無にかかわらず、センサーの画質はほとんど変わりません。しかも、冷却素子を内蔵することで、かえってデメリットが発生するおそれさえあります。露光時間が長い場合は、Basler独自のカメラ機能と外部冷却機構を組み合わせるとよいでしょう。撮影用途にもよりますが、高価な冷却素子内蔵センサーと同等の性能を低コストで実現できます。個別の要件に応じて最適なソリューションをご提案いたしますので、ぜひお気軽にご相談ください。