生産品質の向上:高速デジタル イメージングが従来のマシン ビジョンを強化

マシン ビジョンは、さまざまな産業オートメーション アプリケーション向けの実績のあるプロセス制御ツールです。従来、この技術は商用既製 (COTS) 画像センサー、照明モジュール、プロセッサーを統合し、生産ラインに沿って移動する部品をガイド、検査、または識別します。人間のオペレーターと比較して、マシン ビジョン システムは高速、正確、再現性が高く、ペースの速い製造環境において製品の品質を向上させ、スクラップ率を低下させ、生産性を向上させます。

運用上の利点は明らかですが、高速デジタル イメージングにより、マシン ビジョンの利点、機能、使用例がさらに広がります。高速カメラは、その高解像度、高速フレーム レート、ストリーミング機能のおかげで、半導体製造、スペースシャトルの打ち上げ、鉄道検査など、リアルタイム分析や長時間の記録を必要とする困難なアプリケーションでマシン ビジョンを実現します。こうした理由により、高速マシン ビジョン システムは従来のビジョン システムでは捉えられないものを捕捉し、人間の目では見ることができないほど小さすぎるプロセスや速すぎるプロセスに光を当てます。

高速マシン ビジョン カメラの主な機能

高速マシン ビジョン カメラは、いくつかの点で従来のマシン ビジョン カメラとは異なります。高速カメラには、COTS または電荷結合素子 (CCD) センサーの代わりに、カスタム設計の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) センサーが組み込まれています。高速アプリケーション向けに特別に設計された CMOS センサーは、比類のない速度と感度を実現し、欠陥検出や部品測定などのマシン ビジョン アプリケーションでのより詳細な検査と歩留まりの向上につながります。複数のメガピクセルの CMOS センサーを組み込んだ高速マシン ビジョン カメラは、困難なフレーム レートでも優れた画質を実現します。

望ましい機能

高速マシン ビジョン カメラは、ライフ サイエンス アプリケーション、弾道試験、3D プリンティングなどの分野で普及しつつあります。

マシンビジョンカメラは単に高速化するだけでは十分ではありません。それに対処できるように設計されている必要があります。 67,000 fps を超える高速フレーム レートに加えて、マシン ビジョン アプリケーション用の高速カメラを選択する際には、次の機能に留意することが重要です。

解決策: ファントム マシン ビジョン カメラには、最大 9 メガピクセルの CMOS センサーが組み込まれています。これらのマルチメガピクセル センサーは、カメラの小さなピクセル サイズと組み合わせることで、高速フレーム レートでより詳細な画像を生成します。

光感度: 一般に、ピクセル サイズが小さいほど、画像の詳細が向上します。これは、顕微鏡を必要とするアプリケーションでは特に重要です。 CMOS センサーのピクセル サイズは 5.6 マイクロメートルと小さいため、高いネイティブ ISO が得られます。その結果、これらのカメラは、高速マシン ビジョン アプリケーションに必要な短い露光時間にもかかわらず、優れた画質を実現します。

露出時間: ファントム カメラの露出時間はわずか 1 マイクロ秒です。この機能は、高い光感度と小さなピクセル サイズとともに、モーション ブラーを排除しながら高速モーションを十分にフリーズします。

ダイナミック レンジ: ダイナミック レンジは、画像に多くの陰影がある場合、または被写体が背景とほぼ同じ色である場合に機能します。カメラのダイナミック レンジが高いほど、センサーが検出できるシェーディングの鮮明度が高くなります。ファントム マシン ビジョン カメラのダイナミック レンジは 54.8 ～ 59.7 デシベルであり、半導体検査などの暗い用途に適しています。

高度にカスタマイズされたセンサーに加えて、高速マシン ビジョン カメラは銅線 CoaXPress (CXP) ケーブル テクノロジーを利用しており、互換性のある業界標準のバックエンド フレーム グラバーに大量のデータをリアルタイムで転送できます。データを瞬時にストリーミングできるこの機能により、データをコンピュータにダウンロードする前にカメラの限られた RAM にデータを保存するという時間のかかるプロセスが回避されます。これらのストリーミング カメラは、既製の DVR ユニットと組み合わせると、ロケット力学、飛行機力学、弾道など、航空宇宙分野での長時間録画アプリケーションもサポートします。

CXP6 プロトコルは、現在最も高速な標準データ転送方式です。各銅線ケーブルは、カメラからバックエンド受信機まで 6.25 ギガビット/秒のデータ転送速度を実現します。最新の CXP12 標準ではこの速度が 2 倍になり、CXP6 と CXP12 の両方が高スループットを必要とするカメラに最適になります。

高品質ストリーミング カメラは、光感度と高速フレーム レートのおかげで、半導体検査に最適です。

ほとんどのマシン ビジョン カメラは 1 秒あたり最大 2 ギガピクセルのデータ スループットを提供しますが、世界最速のストリーミング カメラは、1 秒あたり最大 9 ギガピクセルの直接データ転送速度を実現します。これらのカメラは画像を行ごとに分割して送信し、シンプルなアルゴリズムを使用して各画像を再びつなぎ合わせて、より高いフレーム レートと解像度を可能にします。これらのカメラは、汎用プログラミング インターフェイスである GenICam を利用することで、構成と既存システムへの統合も容易にします。

リアルタイム構成と長時間記録構成

高速マシン ビジョン システムのバックエンド構成は、必要なフレーム レート、解像度、記録時間などの多くの変数によって決まります。リアルタイム分析の場合、ユーザーはストリーミング カメラで最大 16 個の標準 CXP6 チャネルを利用できます。 CXP6 ケーブルは最大 68 メートルの通信を可能にしますが、光ファイバー コネクタは最大 200 キロメートルの長距離通信を実現します。ユーザーは、カメラの汎用入出力 (GPIO) を利用して、高速かつ柔軟な信号送信と同期を行うこともできます。

その他のハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントは次のとおりです。

• アプリ固有のフレーム グラバーおよび CXP6 フレーム グラバー カード;

• フレーム グラバー API、Matlab®、LABVIEW、または後処理ビジョン ツールを含むソフトウェア。

• 画像処理ハードウェア、通常は GPU マイクロプロセッサまたは FPGA;

• PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3 スロットを備えたコンピューター。

ほとんどの高速アプリケーションは数百ミリ秒で実行されますが、マシン ビジョン アプリケーションでは、スペースシャトルの打ち上げなどのイベントに対応するために、より長い記録時間 (たとえば、数分から 30 分) が必要になる場合があります。このような大量のデータに伴うストレージの課題を克服するために、高速マシン ビジョン カメラは、数テラバイトのスペースを備えた DVR ユニットにデータを直接ストリーミングできます。このプラグアンドプレイのセットアップにより、ユーザーは受信データを後で分析するために簡単に保存できます。

従来のマシン ビジョン アプリケーションの拡大

高速マシンビジョンカメラのおかげで、メーカーはより高い解像度と記録精度のイメージングを実現できます。これらの機能により、ライン速度と生産量が向上し、ボトルネックが減少し、ユニットあたりのコストが削減されます。同時に、これらのストリーミング カメラは、従来のマシン ビジョン カメラを使用して分析することはおろか、見ることも困難なナノメートルスケールのターゲットをキャプチャできるため、マシン ビジョンをプロセス制御ツールから診断ツールに変えることができます。その結果、マシン ビジョンは、ライフ サイエンス、半導体製造、製薬などの業界で注目を集めています。

高速マシン ビジョンの最新の応用分野には次のようなものがあります。

半導体検査: 高速マシンビジョンカメラは、スループットが重要な産業である半導体製造においてますます重要な役割を果たしています。具体的には、部品の欠陥が発生するとすぐに特定してフラグを立てることで、欠陥関連のコストとダウンタイムを削減し、スループットを向上させ、検査時間を最小限に抑えます。

高品質のマシンビジョンカメラは、通常サブミクロンサイズのスケールを必要とする半導体アプリケーションに必要な、光感度、信号対雑音比、および高速フレームレートの間で必要なバランスをとります。たとえば、Phantom S990 ストリーミング カメラは、4,096 × 2,304 のフル解像度で、6.75 μm のピクセル サイズ、9.6e ノイズ、938 fps の記録速度を備えており、画像ソフトウェアが欠陥を示す明るい領域と暗い領域の間の微妙な変化を検出できる高品質の画像を生成します。

高速分光計: 多くの食品、飲料、製薬、農業用途で使用される高速分光計は、白色光をさまざまな波長に回折して吸収スペクトルを作成し、特定の物質の存在を検出できるようにします。このプロセスの新たな用途の 1 つは、高速マシン ビジョン カメラを使用して医薬品錠剤の化学組成を検証することです。カメラは、コンベアに沿って移動する錠剤を記録します。次に、レンズに到達する回折光、吸収光、透過光に基づいて、カメラは生産ラインを動かし続けながら、欠陥のある錠剤にフラグを立てることができます。

高速ストリーミング カメラは、高速記録速度と光感度のおかげで、この新たなアプリケーションに最適です。これらのカメラは、非接触検査方法を提供することに加えて、同じ視野内で数十の錠剤を同時に簡単に検査できるため、重要な製薬業務のスループットが向上します。

ストリーミング カメラの機能

マシン ビジョン ストリーミング アプリケーションでは、画像データは CXP ケーブル テクノロジを介してフレーム グラバーと PC または長時間録画 DVR に直接流れます。ユーザーは、リアルタイム アプリケーションまたは長時間の記録のためにこのデータにすぐにアクセスでき、PC または DVR のストレージ容量によってのみ制限されます。

• 高速ストリーミング カメラのその他の機能は次のとおりです。

• 構成可能なビット深度 - 8/12 ビット、8/10 ビット

• 消費電力が 27 ボルト未満の一部のストリーマ向けに CXP6 テクノロジーを搭載

• GenICam 準拠による統合の容易化

• PCIe3 CXP6 フレーム グラバーとの互換性

• GPIO は、共通の高度な信号機能を提供します

• データ需要を削減するためのスケーラブルなデータ転送

鉄道検査: 高速マシンビジョンカメラは、鉄道システムの検査方法を変える可能性を秘めています。雨、雪、砂嵐によって年間の貴重な時間が失われる従来のマシン ビジョン カメラとは異なり、ストリーミング カメラは、困難な気象条件を透視するために必要な高いフレーム レート、解像度、光感度を備えています。ほとんどのカメラとは異なり、追加のレンズ フィルターを使用せずに白色光も処理します。

ストリーミング カメラのその他の新たな応用分野には、細胞診断などのライフ サイエンスが含まれます。バイアルの識別と溶血。弾道試験;レーザー溶接;

この記事は、Vision Research (ニュージャージー州ウェイン) のビジョン アプリケーション エンジニアである Uma Gobena によって書かれました。詳細については、 ここをご覧ください。