画像センサーとは
画像センサーとは、光の情報を電気信号に変える部品です。
イメージセンサー (英: Image sensor) とも呼ばれています。デジタルカメラや撮影機材などに搭載されている、CCD (Charge Coupled Device、電子結合素子) やCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor、相補型金属酸化膜半導体) が該当します。
画像センサーは、機械にとっての「目」です。カメラで使われる画像センサーの画素数は、画像センサーの総数を指します。それぞれのセンサーは光の強さを検知し、光の強さは数値化されて、電気信号として処理されます。
画像センサーの使用用途
画像センサーは主に、大量生産される製品の生産ラインで使用されています。例えば自動車部品、食品や医療品、電子デバイス、液晶や半導体、樹脂製品の生産ラインにて有用です。
画像センサーの役割は、人の目による目視検査に代わるシステムになることです。例えば、数量のカウントや欠品をチェックする有無検査や、傷や欠陥をチェックする外観検査に応用されています。
また、高度な画像解析技術との組み合わせにより、文字判別 (OCR: Optical Character Recognition) や3次元測定が実現しています。画像センサーは車の自動運転システムにも使われており、今後も必須のデバイスです。
画像センサーの原理
画像センサーの中心となるのが、受光素子 (フォトダイオード) です。この半導体は光の強弱を感じ、電荷として蓄えることが可能です。受光素子に光が当たると、光の強さに比例した量の電子が生じます。
半導体としての性質を利用して電子を蓄積させ、その量を数値化するのが画像センサーの基本原理です。画像センサーでは、受光素子に蓄えられた電子をどのように信号化するかによって、異なる原理の装置が存在します。主な装置はCCDとCMOSです。
CCDでは、電荷をCCD転送路によって電気信号へと変換します。この転送路では、素子から素子へとバケツリレーのように電荷が移動します。CMOSでは受光素子1つ1つに増幅回路 (アンプ) が組まれているため、複数の受光素子を経由することなく電荷を転送することが可能です。
CMOSは装置1つで駆動するので、電力消費が低く、処理速度が速いことがメリットです。また、CCDより製造コストが低いことも注目されています。
画像センサーのその他情報
1. 画像センサーのサイズ
画像センサーには、複数のサイズがあります。通常、センサーサイズが大きくなるにつれて画質は良くなります。理由としては、センサーのサイズが大きいほど、より多く集光することができるためです。
写せる光の範囲、すなわちダイナミックレンジが広がることによって白とびや黒つぶれが少なくなる画像を撮像することができます。また、同じ画素数の画像センサーでもサイズが大きいほど画質が良くなるのは、1画素 (1ピクセル) あたりの受光面積が大きいので、ノイズ低減効果もあるからです。
2. 画像センサーにおける照明の役割
FA用の画像センサーを補間する機器として、照明があります。画像センサーが外乱光の影響を受けずに安定的にワークを検出するために、照明を必要とします。照明の方式として代表的なものは、以下の3つです。
正反射方式
ワークの斜め上から照射し、ワークの表面で反射した像を撮像する方式です。金属板に凹凸があるワークなどで、平面部分と凹凸部分のコントラストをとりやすくなります。
透過方式
ワークの裏から照射し、表面からの像を浮き上がらせて撮像する方式です。複雑な形状のワークの輪郭をより正確に撮像できます。
同軸落射方式
ワークに照射する照明光軸と、カメラの光軸を同軸にする方式です。ワーク全体を均等に照射でき、影の発生を少なく抑えることができます。
3. 画像センサーの価格
画像センサーの価格は、「視野」と「精度」で決まります。
視野
通常画像センサーは画素数が大きいほど、より細かいものを検出することができます。画素数が大きくなると、センサーのサイズも大きくなり価格が上がります。
また、データの転送に時間がかかるため処理時間も大きくなりがちです。運用するシステムのタクトに合わせたセンサーを選定することが重要です。
精度
より高画素な画像センサーのほうが高くなります。また、検出する物体によってモノクロセンサー、カラーセンサーが必要になりますが、カラーカメラのほうが価格が高くなります。
参考文献
https://www.keyence.co.jp/ss/products/vision/visionbasics/
https://global.canon/ja/technology/s_labo/light/003/04.html
https://global.canon/ja/technology/s_labo/light/003/05.html
https://www.photografan.com/basic-knowledge/compare-camera-sensor-sizes/