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IRカットフィルターとは何か、なぜ組み込みビジョンアプリケーションに必要なのか?

IRカットフィルターは、IRスペクトルの光を遮断または透過して、天然色の再現を可能にするメカニカルシャッターです。 IRカットフィルターがどのように機能するか、そして組み込みビジョンアプリケーションがそれを必要とする理由について説明します。

近年、昼夜を問わないビデオ監視は、従来の重要基盤設備のみの監視にとどまらず、広がりを見せています。一般的に、CMOSカメラやCCDカメラなどのシステムは、昼間の明るい場所で正確な画像をキャプチャします。また、人間の目には見えない近赤外光を検出することができます。これは暗視記録にとって重要な機能ですが、赤外線の影響で日中の記録画像の色調が乱れてしまいます。

今日のTechnology Thursdayのブログでは、カメラモジュールにIRカットフィルターを使用して、日中と夜間(低照度)の両方で優れた画質を確保する方法についてご紹介します。

IRカットフィルターについて詳しく説明する前に、「赤外線」の意味を簡単に見てみましょう。

赤外線とは?

赤外線(IR)は放射エネルギーとしても知られています。 可視光線よりも長い波長を持つのは電磁放射です。通常、人間の目は、320nm〜760nmの範囲の波長の光を見ることができます。IRは、電磁スペクトラムで700nmから1000nmの範囲です。

この波長範囲の画像をキャプチャできるのはNIRカメラだけなので、人間の目で見ることができる範囲をはるかに超えています。

IRカットフィルターとは?

IRカットフィルターは、IRをブロックするメカニカルシャッター設計であり、昼夜を問わず、天然色の再現性を備えた高品質の画像を提供します。

人間の目とは異なり、カメラセンサーは可視スペクトルの範囲外の近赤外光を検出することができます。そこで、人間の目に近い画像を得るために、ほとんどのOEMカメラには可視光だけを透過させるIRカットフィルターが装備されており、不要なIRを反射させています。

以下は、IRカットフィルターがある場合とない場合のサンプル画像です。

図1 – IRカットフィルターがある場合とない場合の画像の比較

IRカットフィルターはどのように機能しますか?

一般的に、IRカットフィルターは、以下に示すように、イメージセンサーとレンズの間に配置されます。

図2 – カメラへのIRカットフィルターの配置

このフィルターは、モーターまたは電磁石の助けを借りて制御されます。日中にIRフィルターをオンにすると、IRをブロックし、可視光のみを通過させることができます。このプロセスは、日中はカラー画像を、夜間は白黒または暗視画像を配信するため、True Day Night(TDN)として知られています。これにより、画像の色が乱されることなく、人間の目で自然に見られるように、色の忠実な再現が可能になります。

夜間や暗い場所でIRフィルターをオフにすると、IRやその他の形態の光がCCD/CMOSセンサーに到達するのに役立ちます。次に、イメージセンサーは十分な光を吸収し、カメラは白黒モードに変わります。これは、IR光より感度が高いです。

IRカットフィルターは、不要な加熱を防ぐために、明るい白熱電球を備えたデバイスで使用できます。

NIRイメージングについてより詳しくお知りになりたい場合は、NIRイメージングとは何か?NIRカメラはどのように機能するのか?という記事をご覧ください。

ここで、IRカットフィルターを使用する利点について詳しく説明します。

IRカットフィルターを使用する3つの理由

  1. 色の歪みを避ける方法 – 一般的に、IR光は日中の色の歪みにつながります。この問題を解決するために、IRカットフィルターを使用して、日中のイメージセンサーからのIR光の乱れを防ぎます。光が特定のレベルを下回ると、邪魔にならないようにフィルターが自動的に回転して、IR光がイメージセンサーに当たるようになります。また、カメラは白黒モードに切り替わり、IR光を最適に使用します。
  2. リアルな色を実現する方法 – カラーカメラのIRカットフィルターは、白色光でリアルな色を実現できます。一般に、人間の目で見られるカラースペクトルは、CCDカメラで見られるスペクトルと比較してかなり制限されています。特に、感度の違いは、スペクトラムの近赤外領域で顕著です。IRカットフィルターを使用しないと、大量の赤外光が入り込み、不自然な色になります。
  3. レンズの色補正を実現する方法 – 多くの場合、可視スペクトルと近赤外スペクトルの両方をカバーするイメージング光学系を設計することは困難です。したがって、多くのレンズでは、可視スペクトラムとIRスペクトラムの焦点深度が異なります。このような場合、IRカットフィルターは収集された光の大部分をカットし、レンズの色補正を実現します。標準レンズ出力と色補正レンズ出力の違いを理解するには、以下の画像をご覧ください。
図3 – 標準レンズとIR補正レンズの比較

IRカットフィルターに依存する組み込みビジョンアプリケーション

IRカットフィルターが使用される組み込みビジョンアプリケーションのいくつかを以下に説明します。

ビデオ会議

ビデオ会議用カメラでは、レンズは、非常に低い歪みを維持すると同時に、高画質と広い視野(FOV)を保証する必要があります。したがって、IRカットフィルターは、カラーCCDまたはCMOSカメラで正確なカラー画像を生成するのに役立ちます。フィルターは、可視光を通過させている間、IR光の透過をブロックします。 それは、吸収または反射光学技術によって実行することができます。吸収フィルターは、近赤外線を吸収するために特殊な光学ガラスで作られています。対照的に、反射型フィルターは、IR光を高効率で反射するショートパス干渉フィルターです。

自動ナンバープレート認識(ANPR)

ANPRシステムは、ANPRカメラでキャプチャされた画像に基づいて、車両のナンバープレートを正確に認識することが期待されています。これは、実像のキャプチャ、プレート上の個々の文字の特定と識別、光学式文字の認識などの手順を組み合わせて実行できます。夜間は、IRカットフィルター付きのカラーカメラで鮮明な画像を撮影できます。 したがって、プレート上の個々のシンボルイメージ、ライセンスプレート上の文字数、およびテキストの輝度レベル(明るい背景の暗いテキストまたは暗い背景の明るいテキスト)を識別するのに役立ちます。

当社のグローバルシャッターカメラとRaspberryPi4を使用してナンバープレート認識を行う方法については、当社のグローバルシャッターカメラとRaspberryPi4を使用した自動ナンバープレート認識の記事をご覧ください。

スマート監視システム

現在、ほとんどのCCTVカメラにはIR照明が装備されています。IRカットフィルターは、暗視センサーを搭載したカメラの前に設置されます。人間の目はIR照明ライトに気付くことはできませんが、カメラセンサーは確実にとらえることができます。モノクロモードでは、画質が良ければ、IR放射が日中でも画像に大きな影響を与えます。また、暗視機能付きのスマート監視カメラには、IRカットフィルターが搭載されており、光線から保護することで、正確な画像を実現します。

当社のNIRカメラ

当社は、カメラ技術分野で18年以上の経験を持ち、幅広いラインナップのNIRカメラを開発してきました。当社のNIRカメラの総合リストを以下の通りでご覧いただけます。

IRカットフィルターがどのように機能するのか、このコンテンツが少しでもお役に立てれば幸いです。もし、このトピックについてさらにご質問がある場合は、コメントをお寄せください。すぐにお返事いたします。

お客様の製品に組込みカメラを導入することにご興味がある場合は、camerasolutions@e-consystems.com までご連絡ください。また、カメラセレクターで当社のカメラ製品のラインナップをご覧いただくこともできます。

また来週の木曜日会いましょう!

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