2007年8月25日ラインスキャンカメラは、移動体や連続体の高解像度画像を撮影するために設計された特殊な撮像デバイスです。従来のエリアスキャンカメラは1回の露光で2D画像を撮影しますが、ラインスキャンカメラはラインごとに画像を構築します。そのため、ウェブ検査、半導体分析、パッケージ検証などの用途に最適です。
これらのカメラは通常、1列（または複数列）のピクセルを備えており、動く被写体やスキャンシステムと組み合わせることで、事実上あらゆる長さの物体の高品質な2D画像を生成することができます。センサーの種類に応じて、ラインスキャンカメラは通常、CCDまたはCMOSセンサー技術を使用します。これは、多くのカメラに搭載されているものと同様です。CMOSカメラCMOS は、その速度とエネルギー効率の点で好ましい選択肢になりつつあります。
ラインスキャンカメラとは何ですか?
ラインスキャンカメラは、通常、科学研究用途よりも産業用途向けに最適化されており、低照度または超高精度アプリケーションでは限界がある場合があります。読み出しノイズが高く、ピクセルが小さく、一般的に量子効率が低いため、これらのカメラは実用的なSNRを実現するために高い光量を必要とする場合があります。
ラインスキャンカメラは主に次の 2 つの方法で使用できます。
1次元キャプチャ
分光アプリケーションなどでは、1次元の情報を取得できます。カメラソフトウェアでは、結果がグラフ形式で表示されることが多く、y軸に強度、x軸にカメラピクセルが配置されます。
2次元キャプチャ
カメラまたは撮像対象を移動させることにより、カメラを撮像対象全体に「スキャン」することができ、連続した 1 次元スライスをキャプチャすることで 2 次元画像を形成できます。
この撮像方式では、スキャン方向において任意の大きさの画像を撮影できます。モーションブラー（またはローリングシャッターアーティファクト）を発生させることなく、移動する被写体を撮影できるため、ラインスキャンカメラは産業用途、組立ライン、大型撮像対象物の検査など、幅広い用途で広く使用されています。
ラインスキャンカメラはどのように動作するのでしょうか?
ラインスキャンカメラは、移動する物体またはスキャン機構と連携して動作します。物体がカメラの下を通過すると、画像の各ラインが時間的に連続的に撮影されます。これらのラインは、リアルタイムまたはソフトウェアを介して合成され、完全な2D画像を生成します。
主なコンポーネントは次のとおりです。
● 1次元センサー: 通常は 1 行のピクセルです。
● モーションコントロールコンベアまたは回転機構により、均一な動きが保証されます。
● 照明: 一貫した照明のために、多くの場合、線照明または同軸照明が使用されます。
画像はラインごとに構築されるため、同期が非常に重要です。被写体の動きが一定でなかったり、タイミングがずれたりすると、画像に歪みが生じる可能性があります。
ラインスキャンカメラとエリアスキャンカメラ
| 特徴 | ラインスキャンカメラ | エリアスキャンカメラ |
| 画像キャプチャ | 一度に1行ずつ | フル2Dフレームを一度に |
| 理想的な用途 | 移動または連続した物体 | 静止画またはスナップショットのシーン |
| 画像サイズ | 長さは事実上無制限 | センサーサイズによる制限 |
| 統合 | 動きとタイミングの制御が必要 | より簡単なセットアップ |
| 代表的な用途 | ウェブ検査、印刷、繊維 | バーコードスキャン、ロボット工学、一般画像処理 |
つまり、ラインスキャンカメラは高速で移動する物体や非常に大きな物体の撮影に優れています。エリアスキャンカメラは、静止した物体や小さな物体の撮影に適しています。
ラインスキャンカメラの主な機能
ラインスキャンカメラを選択するときは、次の仕様を考慮してください。
● 解像度: 1 行あたりのピクセル数。詳細レベルに影響します。
● ラインレート（Hz）: 1 秒あたりにキャプチャされるラインの数。高速検査に不可欠です。
● センサータイプCMOS (高速、低消費電力) vs. CCD (場合によっては高画質)。
● インターフェース: GigE、Camera Link、CoaXPress などのデータ転送オプション。
● ダイナミックレンジと感度: 明るさや反射率が変化する物体を検査するのに重要です。
● カラー vs. モノクロカラーカメラは RGB フィルターの複数の列を使用しますが、モノクロでは感度が高くなる場合があります。
ラインスキャンカメラの長所と短所
長所
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1次元情報を非常に高速（通常は数百kHzのラインレート）で取得できます。撮像対象をスキャンすることで、任意のサイズの2次元画像を高速で取得できます。
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個別の赤、緑、青のフィルター列を使用することで解像度を犠牲にすることなく色情報をキャプチャできます。また、カスタム カメラで特定の波長のフィルター処理を提供することもできます。
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照明は 1 次元のみでよく、イメージングの設定によっては、2 次元目（スキャンされた次元）でのフラット フィールドやその他の補正は不要になります。
短所
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2 次元データを取得するには、専門的なハードウェアとソフトウェアのセットアップが必要です。
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通常、QE が低く、ノイズが多く、ピクセル サイズが小さいため、特に高速スキャンに特有の短い露出時間と組み合わせると、低光量イメージングにはあまり適していません。
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通常、科学的な画像撮影には適していないため、直線性や画質が低下する可能性があります。
科学分野におけるラインスキャンカメラの一般的な用途
ラインスキャンカメラは、高解像度、高精度、そして継続的なデータ取得が求められる科学研究や高度な画像処理アプリケーションで広く利用されています。代表的な用途は以下のとおりです。
● 顕微鏡画像: 高解像度のラインスキャンをキャプチャして、表面や細胞の詳細な分析を行います。
● 分光法: 正確な空間分解能でサンプル全体のスペクトルデータを記録します。
● 天文学: 歪みを最小限に抑えて天体を撮影したり、高速で移動するターゲットを追跡したりします。
● 材料科学: 金属、ポリマー、複合材料の表面検査および欠陥検出。
● バイオメディカルイメージング組織学や病理学を含む診断または研究の目的で生物組織をスキャンします。
これらのアプリケーションでは、広範囲にわたって、または動的な実験セットアップで、非常に詳細で歪みのない画像を生成できるラインスキャンカメラの能力を活用します。
ラインスキャンカメラの限界
概略図: Tucsen 高感度ラインスキャン/TDI 科学カメラ
左: 非冷却エリアスキャンカメラ
真ん中: TDI 科学カメラ
右: 冷却エリアスキャンカメラ
ラインスキャンカメラは優れた解像度を提供し、連続撮影に適していますが、特に感度と信号の安定性が重要となる高度な科学環境では限界があります。
大きな制約の一つは、低照度条件における性能です。従来のラインスキャンカメラはシングルパス露光に依存しており、蛍光顕微鏡や特定の生物医学アッセイなど、弱い光や光に敏感なサンプルを撮影する際に十分な信号対雑音比（SNR）が得られない場合があります。さらに、物体の動きと画像取得の正確な同期を実現することは、特に速度や振動が変化する環境では技術的に困難です。
もう 1 つの制約は、非常にゆっくりと移動する標本や照明が不均一な標本の高品質の画像をキャプチャする能力が限られていることです。これにより、露出の一貫性がなくなったり、動きによるアーティファクトが発生する可能性があります。
これらの課題を克服するために、TDI（時間遅延積分）カメラが強力な代替手段として登場しました。TDIカメラは、被写体の移動に合わせて複数回の露光で信号を蓄積することで、感度と画質を大幅に向上させます。そのため、超低照度撮影、高ダイナミックレンジ、あるいは高精度な時間分解能が求められる科学分野で特に有用です。
結論
ラインスキャンカメラは、移動面や連続面の高速・高解像度画像撮影が求められる産業において欠かせないツールです。独自のスキャン方式は、特にウェブ検査、半導体イメージング、自動包装といった用途において、エリアスキャンカメラに比べて優れた利点を提供します。
ラインスキャンカメラは主に産業現場で使用されていますが、高感度や低照度性能を必要とするユーザーは、科学カメラ高精度画像処理アプリケーション向けに設計されています。
ラインスキャンカメラの仕組みと、選択時に注意すべき点を理解することで、よりスマートで信頼性の高い検査システムを設計できるようになります。
よくある質問
ラインスキャンカメラはどのようにしてカラー画像をキャプチャするのでしょうか?
カラーラインスキャンカメラは通常、3本の平行なピクセルラインを持つトライリニアセンサーを採用しています。各ラインには赤、緑、青のフィルターが配置されています。対象物がセンサーを通過すると、各カラーラインが対応するチャンネルを順番に捉えます。そして、これらが合成され、フルカラー画像が形成されます。特に高速走行時には、色のずれを防ぐために正確な同期が不可欠です。
適切なラインスキャンカメラの選び方
適切なカメラの選択は、アプリケーションの要件によって異なります。考慮すべき重要な要素をいくつかご紹介します。
● 速度要件: オブジェクトの速度に基づいて、必要なライン レートを決定します。
● 解決ニーズ: 解像度を検査許容範囲に合わせてください。
● 照明と環境: 反射する表面や暗い表面の場合は、特別な照明を検討してください。
● センサータイプCMOS は速度と効率の点で主流になりましたが、CCD はレガシー システムや精度が重要なシステムで引き続き使用されています。
● 接続性: システムがカメラのインターフェース (高データ レート用の CoaXPress など) をサポートしていることを確認します。
● 予算: 照明、光学系、フレーム グラバーなどのシステム コストとパフォーマンスのバランスをとります。
疑問がある場合は、マシン ビジョンの専門家またはベンダーに相談して、システム設計とアプリケーションの目標との互換性を確認してください。
モノクロラインスキャンカメラには何本のラインがありますか?
標準的なモノクロラインスキャンカメラは通常、1本のピクセルラインで構成されていますが、2本以上の平行ラインを備えたモデルもあります。これらのマルチラインセンサーは、複数の露出画像を平均化したり、感度を高めたり、異なる照明角度を捉えたりすることで、画質を向上させることができます。
ほとんどの高速検査にはシングルラインカメラで十分ですが、特に低ノイズや高ダイナミック レンジが求められる厳しい環境では、デュアルラインおよびクアッドライン バージョンの方が優れたパフォーマンスを発揮します。
光制限イメージングアプリケーションにおけるラインスキャンテクノロジーの詳細については、次の記事を参照してください。
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