Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SPring-8 ブースターリング及びビームトランスポートラインにおけるカメラリンク CCD カメラを用いたビームプロファイル画像解析
BEAM PROFILE ANALYSIS USING THE CCD CAMERA WITH CAMERALINKIN THE SPRING-8 BOOSTER RING AND BEAM TRANSPORT LINE鍛治本 和幸 A)、満田 史織 B)、青木 毅 B)、植田 倉六 B)、佐々木 茂樹 B)、深見 健司 B)
本井傳 晃央 A) 、松本 崇博 A)、矢幡 洋 A)
Kazuyuki Kajimoto A), Chikaori Mitsuda B), Tsuyoshi Aoki B), Souroku Ueda B), Shigeki Sasaki B), Kenji Fukami B)
Teruo Honiden A), Takahiro Matsumoto B), Hirosi Yahata A)
A)
SPring-8 Service Co., Ltd. B)Japan Synchrotron Radiation Research institute (JASRI)

Abstract
We had measured a beam position and beam size by the analog video camera system with the fluorescence plate in the
SPring-8 booster ring and beam transport line.
It was difficult to estimate the seasonal change of the beam position and size quantitatively. We started building up thedigital beam profile acquisition system which used a digital CCD camera with the external trigger synchronous
capturing function in 2007. In the accelerator parameter tuning between operation cycles, it is necessary to understandthe change of a beam orbit and shape from latest cycle quickly in limited tuning time. Thus, we need both informationof real-time picture images for visual confirmation and computing real-time analysis results of beam position and size.
In this case, the LED light for reading the scale on the fluorescence plate becomes a background noise for a calculationof the beam profile analysis. We improved the analysis program of beam position and size in order to separates the LED
light and beam light from a captured image.
By this improvement, the reproducibility and adjustment accuracy of orbital steering have been improved. We willreport the program flow and the details from an image capture to a beam profile analysis.

1. はじめに

2. プロファイルモニターの機器構成

SPring-8 入射系のブースターリング及び蓄積リンブースターリングのビーム周回部、ブースターリ
グへのビームトランスポートラインでのビーム軌道 ングのビームダンプライン部、蓄積リングへのビーとビーム形状のデータ取得には、SPring-8 建設当時 ムトランスポートライン部の３つのエリアに分け、からデマルケスト社製(アルミナ)蛍光板にアナログ 計 50 組のビームプロファイルスクリーンと CCD デビデオカメラを組み合わせたスクリーンモニターシ ジタルカメラが設置されている。スクリーンは蛍光ステムを使用し、計測していた。運転用加速器パラ 板が 32 台とアルミ製 OTR 板が 16 台配置されていメータ調整においては取得したアナログビデオ画像 る。その他にビームスリット部に OTR モニターが 2を目視にて確認し、蛍光板上のスケールを参考に 台ある。ビーム画像を収集するために、エリア毎にビーム中心位置、ビーム形状、サイズを割り出して カメラリンクシステムの中継局、カメラセレクタ、いた。しかしながら、この方法によるビームプロ カメラ制御用サーバーコンピュータを設置し、中央ファイルの獲得は、調整者の主観に頼らざるを得ず、 Linux ホストサーバーからの GUI 制御により OTR定量性、再現性に欠けており問題であった。また、 板及び蛍光板ビームプロファイルモニターの画像取年間を通じて定量的なデータを蓄積することができ 得と、VME 経由でのビームプロファイルモニターないため、蓄積リングへの入射効率を左右するビー の駆動などを可能にしている。カメラと機器は各エム軌道及びビームプロファイルの再現性のある調整 リア内にてカメラリンクケーブルまたは、光ファイを確保すること、長期間の変動を調査することが困 バーケーブルで接続され、エリア毎のサーバーコン難であった。ビームプロファイルデータを定量化し ピュータにはエリア内で統一された遅延時間を持つ精密測定を可能にするために、2007 年よりビームの ガントリガーモジュールを擁し、ビームと同期したスクリーンモニター通過時のタイミングと同期した 画像取得が出来る。機器構成の詳細は参考文献[1]にデジタル CCD カメラ画像取得システムの導入の検 ゆずる。
討に着手した。検討から試験運用をへて 2010 年よりカメラリンク規格によるデジタル CCD カメラによるモニターシステムの構築をすすめてきている。 3. ビームプロファイル画像解析
本件発表では、この画像取得から画像解析までの流れとその詳細について機器構成の概要とともに報告 3.1 画像解析の目標と分解能
画像解析の分解能はカメラ位置とレンズ、カメラする。
分解能に左右されるが、季節変動による電源出力変___________________________________________# kajimoto@spring8.or.jp- 1069 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

動、ビームエネルギー変動を踏まえておおよそ水平方向ビームサイズの 1%レベル、5µm 以下を目標とした。
3.2 ビームプロファイル画像解析の課題
運転用加速器パラメータ調整には、調整の迅速性を確保するためここで取得された画像の目視によるビーム位置・形状の判断（蛍光板に刻印された目盛を参考にしながら行う）と画像解析による定量的なビーム位置の算出を同時にリアルタイムで行う必要があるが、蛍光板の目盛を読むためにリング状 LED照明の点灯が必要なため、ビーム位置を算出する画像処理の過程では目視用照明の光が解析上の大きなバックグランドとなり、妨げになる。
3.3

Figure 2: Actual image data captured by the desmarquest
screen monitor with a light.

ビームプロファイル画像解析のフロー

Figure 3: The intensity distribution of the light-on image
data.
そこで、照明部分を除去するために、照明だけでビームが無い画像データとの差分をとることとする。
差分をとった画像を図 4 に示す。これによって、照明が消去され図 5 に示すように輝度分布にはビームの形状が現れるが、照明跡のリング状の境界面にビームの輝度に比べて無視できない輝度分布の高い部分が残っている。このため、ガウス関数でフィッティングする場合に精度が落ちてしまう。また、照明の散乱光の影響は差分後も画像全面に残っている。

Figure 1: Data flowchart from an image capturing toimage data analysis.
画像データの保存をする場合には、通常の蓄積リン
グへの 1Hz 入射時に対しては、0.5Hz 動作になる。
データ保存をせず画像取得だけであれば 1Hz 動作を確認している。
3.4 ビームプロファイル画像
図 2 に示すようにビームプロファイル画像には目視測定用の照明光が含まれている。図 3 はその X 方向の輝度分布で、照明光の輝度が高く、また照明画像が全面に広がっているためビーム画像部分を輝度分布から検出することは困難である。

Figure 4: The differential image data between light-on
and light-off image data.

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Figure 7: The third orders differential results to the upperfigure.

Figure 5: The intensity distribution of the differential
image data on x axis.

図 6 に示す実線から破線に変化している箇所が、照明光消去跡の端部なのでその変化点の特徴を抽出
3.5 ビームプロファイル画像からのビーム検出する方法を検討した。図 6 の曲線を 3 階微分した図
ガウス関数でさらに精度よくフィッティングさせ 7 のグラフで変化点の特徴を見つけることができた。
るために、ビーム部分の画像を最適な範囲で全体か その条件を満たすバランス点の変化箇所を画像解析ら抜き出すことで、照明跡周辺の輝度が高い部分を 範囲の端とした。
除去し、背景の散乱光の影響を最小にする方法を検ここまで表示している図それぞれは LabVIEW ソ討した。適正な画像解析の計算範囲を決める方法と フトウェアによりプロットさせたもので、ビーム画して、照明を消去した画像から仮のビーム中心を求 像に応じて最適な抜き取り範囲を決定するためのパめ、そのビーム中心から上下左右対称に範囲を広げ ラメータの最適化を、LabVIEW ソフトウェアの画て、照明に妨げられないスクリーンの有効範囲の端 像表示機能とグラフ表示機能を利用することで実現までを適正な画像解析範囲とする事を考えた。(以後、 した。
ビーム検出法と呼ぶ) (1)式による輝度分布のバランス点（重心）に着目して、ビーム中心付近から徐々 3.6 ビーム位置及びサイズの計算に範囲を広げて輝度分布からバランス点の計算を繰
XY 両方向の画像解析範囲を決定し、その輝度分り返し、図 6 に示すバランス点の計算範囲とバラン 布をガウス関数でフィッティングすることで、ビース点の関係から照明の境界面により生ずる変化を抽 ム位置とビームサイズを精度よく求めることができ出する条件を探した。
た。
輝度分布のバランス点(重心)の計算式を式(1)に示す。
X 方向の輝度分布で Xn 点での輝度合計を Yn とする。また、仮のビーム中心を Xp とする。バランス点の計算範囲を、Xp-m から Xp+m とする。
pm

バランス点 Xb

 XnYnXb  n ppmm

 Xn(1)n p m

Figure 8: The image data after optimum analysis area
extracting.

Figure 6: The data of intensity displacement point on xaxis.

Figure 9: The intensity distribution on x axis after
optimum area extracting.

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3.7

2．ガウスフィッティング計算の比較
ガウスフィッティングに利用した関数は、LabVIEW ソフトウェア上では、LabVIEW 数学関数をそのまま利用したが、Ｃ言語制御用プログラム内
では GNU Scientific Library (GSL)を組み入れた。

LabVIEW を用いた計算プロセス開発の利点

LabVIEW では配列データの可視化（画像表示およびグラフ表示）がパーツの接続だけででき、また配列計算機能が充実しているため、配列データ（画像データ）の計算が主になる画像処理シーケンスの検討ツールとして最適である。画像処理シーケンス Table 2: Comparison of Gaussian functionの検討を LabVIEW で繰り返し行い、その最終結果
LabVIEW
GSL（C）を C 言語に置換えて加速器制御プログラムに組込む手法を採ることによってソフト開発の大幅な時間短
Beam position X
659.7 pixel
656.8 pixel
縮ができた。特に LabVIEW の利点を発揮できた点
Beam position Y
529.6 pixel
529.7 pixelが２点ある。１点は、１つの操作でビームがある画像とビームが無い画像との差分計算を行い、結果のBeam size X
223.8 pixel
243.6 pixel
画像と輝度分布のグラフを検討できることである。
Beam size Y
33.0 pixel
34.0 pixel
２点目は、画像解析範囲をビーム中心付近から徐々Conversion factor
x=22.4 pixel/mm y=21.8 pixel/mmに広げながら輝度分布のバランス点の変化を観察する際に、対象となる範囲の画像表示と輝度分布表示、輝度分布のバランス点の位置表示とその微分係数の 両者を比較すると、Ｘ方向でビーム中心 2.9pixel変化を可視化して同時に比較しながら観察ことがで (0.12mm)、ビームサイズで 19.8pixel(0.88mm)ずれた。
きるので、画像解析範囲を決定するルーチンの最適 一方、Y 方向ではビーム中心位置、ビームサイズと化条件を探索する処理の検討が容易になることであ も１pixel の範囲で一致した。目標としたビームサイズの 1%の精度に対して、計算方法により X 方向でる。
はビーム中心位置がビームサイズの 1.2%差があり、3.8 ビーム検出法によるフィッティングの精度サイズでは 8.1%の差が生じた。一方 Y 方向では、1. 取得画像から照明を除いた図 4 の画像とビーム １pixel の範囲で一致したので精度が確保できたと考画像を切り出した図 8 の画像でガウスフィッティン える。X 方向のビームサイズの差が大きいため、目グの計算結果を比較する。
標の精度 1%には達していないが、両者の関数の計算パラメータや計算手法の違いを追求することで精Table 1: The comparison of the beam parameter
度の向上をめざす予定である。
calculation results in the case of using optimum area
extraction scheme and it in the case of not using thescheme.
Full area

Selected area

Image data

Figure 4

Figure 8

Intensity distribution

Figure 5

Figure 9

Beam position X

693.6 pixel

659.7 pixel

Beam position Y

551.4 pixel

529.6 pixel

Beam size X

275.7 pixel

223.8 pixel

Beam size Y

47.4

33.0

Conversion factor

x=22.4 pixel/mm

pixel

4. まとめpixel

y=21.8 pixel/mm

取得画像全面の輝度分布では、照明跡周辺の輝度の高い部分がビームの輝度に比べて無視できないた
めガウスフィッティング計算に影響し、ビーム検出法による解析とそれを用いない場合では、X 方向でのビーム中心位置に 33.9pixel(1.51mm)ずれが生じ、σ値の 2 倍をビームサイズ値として比較すると、ビームサイズは 51.9pixel(2.32mm)の差が生じた 。
ビーム検出法により解析精度が 20%以上改善された。

LabVIEW ソフトウェアの機能を利用することで、最適な画像解析範囲を求めるシーケンスの試行を早く多く繰返すことができ、シーケンスの確立が効率的に進めることができた。
さらに、その確立されたシーケンスとガウス関数フィッティングを C 言語の加速器制御ソフトの中に組込みビーム軌道とビーム形状を測定するシステムを構築できた。これによりまだ目標の精度には達していないが、軌道調整の再現性と調整精度が改善できた。
今後は、図 10 に示す蛍光板とカメラとの位置関係により発生する画像の台形ゆがみを補正し測定精度の向上を図るとともに、ビームトランスポートでのビームの回転状態を求めることを予定している。
また、アスキーデータ保存をバイナリデータ保存に変更して時間短縮を行い、１Hz 入射に対応するシステムの構築を目指すとともに、ガウスフィッティング関数の最適化を含めた画像解析の精度向上を目指す。

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screenThe beam form

d1

d2
d1>d2

The image data
Figure 10: The image distortion by the set-up angle of thedesmarquest plate.

参考文献[1] T. Honiden. et al., Construction of the beam profile monitor
system with CameraLink in the SPring-8 booster ring andbeam transport line. Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagoya.
Aug. 2013- 1073 -