マシンビジョンカメラの概要

  カメラの主な機能は、画像を撮影することです。 それまでのカメラはアナログカメラと呼ばれ、アナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換してコンピューターに送るイメージキャプチャーカードと組み合わせて使う必要がありました。 IEEE1394、GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPressなどのデジタルインターフェース技術の開発と普及により、アナログカメラは徐々にデジタルカメラに置き換わってきています。 デジタルカメラは、一定の通信プロトコルに準拠し、撮影した画像を直接デジタルの電気信号に変換することができるため、マシンビジョンシステムのカメラとして主流となっています。

CCDカメラの構成と動作原理

  CCD（Charge Coupled Device）は、光を感知してその光信号を電気信号に変換する半導体撮像素子で、高感度、耐光性、小型、長寿命、耐振動性に優れています。 一般的なCCDカメラは、CCDチップ、ドライバー回路、信号処理回路、映像出力モジュール、電子インターフェース回路、光学機械インターフェースなどで構成されている。CCDチップの画素数が多いほど、画像の解像度が高くなる。

CCDカメラの動作原理

  被写体側からの光は光学レンズを介してCCDチップに集光され、CCDは駆動回路から供給される駆動パルスのもとで光電荷の変換・蓄積・転送・読み出しを完了し、光信号を電気信号出力に変換することができる。 信号処理回路は、CCDからの電気信号を受けて、サンプルホールド、相関二重サンプリング、自動ゲインコントロールなどの前処理を行った後、映像信号合成、すなわちCCDから出力される電気信号を必要な映像フォーマットに変換して出力する。

CMOSカメラの構成と動作原理

CMOSセンサー

  CMOSとはComplementary Metal-Oxide-Semiconductorの略で、イメージセンサーアレイ、駆動・制御回路、信号処理回路、アナログ・デジタル変換器、フルデジタルインターフェース回路などを完全に統合した技術であり、CMOSカメラの集積度と設計の自由度を高めている。 CMOSカメラは一般的に、CMOSイメージセンサー、周辺制御回路、FPGAやDSP処理モジュール、インターフェース回路などで構成されています。 センサーチップは、入射した光信号を電気信号に変換し、電荷信号を一定の形で収集・蓄積してFPGAチップに出力し、FPGAチップは信号を前処理してメモリにキャッシュし、その後の画像送信に役立てます。 画像は、対応する通信インターフェースを介して、画像受信機に送信されます。

CMOSカメラの仕組み

  光電変換の過程では、CMOSカメラはCCDカメラと同じようにフォトダイオードを使って光電変換を行います。 両者の大きな違いは、画像データの転送方法です。 CCDセンサーでは、各列の各画素からの電荷データが次の列の画素に順次伝送され、下部で出力された後、センサーの端にあるアンプで増幅されるため、信号出力が安定しています。一方、CMOSセンサーでは、各画素セルにアンプとアナログ/デジタル変換回路が集積されており、CMOSチップから直接デジタル信号を出力することができ、ほとんどが CMOSカメラのデザインは、FPGAやDSPの処理モジュールと直接結合されており、画像データのフィルタリングや補正などの前処理を行うことができます。