onSWIR Imaging

多彩なマシンビジョンアプリケーションを可能にする SWIR イメージング
リンダ・ウィルソン
SWIR イメージングを使用してエンジニアらは、食品検査、水分検出、メタンガス検知などのアプリケーションを開発している。
短波赤外（shortwave infrared：SWIR）
イメージングによってマシンビジョンの専門家は、可視光では簡単に実現できないアプリケーションを開発することができる。
SWIR は、人間の目には見えない電磁スペクトルの光波長帯である。SWIRは一般的に 0.9~1.7μm の波長範囲の光として定義されるが、米エドモンド・オプティクス社（ Edmund Optics ）によると、0.7 〜 2.5μm とする分類もあるという。
SWIR 光はほとんどの場合、「可視光について皆さんが既にご存じのとおりに動作する」と、米マシンビジョン
ソース社（ Machine Vision Source ）創業 者 の デ ビ ッ ド・ デ ホ ー 氏（ DavidDechow ）は、SWIR イメージングに関

図１SWIR イメージングは、水分含有量の高い食品の検査に有効である

する 2023 年の Vision Systems Design
ウェビナー（ bit.ly/45b0Q2k ）で説明しラスチックを透過するため、それらのズ社（ Allied Vision Technologies ）のていた。

プラスチックは SWIR カメラで撮影しSWIR イメージング事業開発マネージても画像に現れない。

ャーを務めるイェンス・ハシャゲン氏

概して可視光と同じように動作するが、SWIR 光 は、 水、 プラスチック、

この性質を利用してエンジニアは、（ Jens Hashagen ）は、次のように付けガラスなど、いくつかの一般的な物質SWIR イメージングを使用して「完全加えた。「 SWIR イメージングは、多に対して、可視光とは異なる反応を示に不透明なプラスチック容器の中の水くの用途で利用が広がっている。多くす。この性質によって SWIR は、それ性物質（白一色の牛乳瓶の中の牛乳なの物質が SWIR 範囲において独自のスらの物質が関係するマシンビジョン用ど）」を検出するアプリケーションを開ペクトル反応を示すことを、ますます途に対して、可視光よりも有効である。

発することができるとデホー氏は述べ多くのユーザーが理解しているからで例えば、一部の SWIR 波長は水に吸た。それらのカメラは、果物などの水ある」。

収される。これは、SWIR カメラで撮分含有量が高い食品の品質検査にも有影した画像において、水分を含有する効で、傷や痛みなどが確認できるため部分が暗く現れることを意味する。そだと、同氏は言う。の一方で、SWIR 光は一部の種類のプ

12

独アライド・ビジョン・テクノロジー

April 2024 V I S I O N S Y S T E M S D E S I G N J A P A N

水分の検出容器の中の液体レベルの測定に加えて、衣類の水分の検出も、SWIR 光の生じる光子散乱を大幅に低減する。可視域における透明や半透明の画像ではなく、SWIR は、前臨床または臨床分野への応用を促進する、特徴的な高コントラストの画像を提供する」。

メタンガスの検知
SWIR は、汚染のモニタリングにも利用されている。例えば、プリンスト
図２ SWIR カメラシリーズ「 Goldeye 」には、ソニーの SenSWIR InGaAs センサが搭載されている（提供：アライド・ビジョン社）

ン・インフレアド・テクノロジーズ社のエッテンバーグ氏は次のように語った。
「 SWIR 技術は、メタン検出に対する

図４ プリンストン・インフレアド・テクノロジーズ社の「1280BPCam 」は、レーザビームプロファイリングを特に対象として開発されている。
（提供：プリンストン・インフレアド・テクノロジーズ社）

数多くの利点を備える。SWIR はメタ水に対する反応を利用するアプリケー

ンガスに感度があり、複数の光波長をいが、進歩し続けている SWIR の応用ションである。
「 SWIR イメージングを使用してこの温室効果ガスを微量でも分野だ。EV は需要と普及が拡大する使用した衣類の水分の検出は、反射率検出することができる。この感度は、ことが期待されるため、電力需要も世パターンのわずかな変化を捉えること発生源と蔓延範囲の検出に不可欠であ界規模で拡大するだろう」と、加テレによって行われる。水分は、1400nmる。SWIR は、室温動作時の量子効率

ダインダルサ社（ Teledyne DALSA ）で 光 の 反 射 率 が 変 化 す る た め だ。

（ Quantum Efficiency：QE ）が高くての CMOS センサ開発責任者のマシア

SWIR は、布地のどこにどれだけ水分読み取りノイズが低いため、この用途

ス・モーザー氏（ Matthias Moser ）は説が含まれているかを検出できるため、に最適な選択肢である。また、将来的明した。
「電力需要の増加に対応する紡織業の品質管理において非常に貴重には衛星にも配置できるほど、システために電気料金が引き上げられるにつである」と、米プリンストン・インフレムの小型化と軽量化が可能である」。

れて、太陽光パネルや、さらに大規模アド・ テクノロジーズ社（ Princeton
Infrared Technologies ）の社長兼最高太陽光パネルの検査

経営責任者（ CEO ）のマーティン・H・エ「太陽電池の検査は新しいものではななソーラーファームという形態での太陽光エネルギーが、高騰する価格と、充電用電力の生成に対する国内需要にッ テ ン バ ー グ 氏（ Martin H. Etten

対応するための代替手段になるだろberg ）は説明している。

う」（モーザー氏）。

医療イメージング

鉱物の採掘

アライド・ビジョン社のハシャゲン氏「 SWIR 技術の最も重要な応用分野は、別の重要な用途における SWIR イの 1 つはやはり、鉱業と鉱物の識別でメージングの役割について、次のようある。多くの基本的な鉱物に OH 結合に説明してくれた。
「医療イメージング（酸素原子と水素原子の結合）が含まれの分野では、SWIR の導入が特に有望ていて、その一部は SWIR 範囲でしかである。水分、脂肪、コラーゲンとい識別できないためだ」と、フィンランドった重要な人体成分が、この波長範囲のスペシム・スペクトラル・イメージングに明らかな吸収ピークを持つためだ。

社（ Specim Spectral Imaging ）のリー医療イメージングにおいて NIR-II ウィンドウ（第 2 近赤外光学窓）と呼ばれることの多い SWIR は、イメージング深度を高め、自家蛍光と 400 〜 950nm でドアプリケーションスペシャリストであ図３ テレダインダルサ社の SWIR カメラシリ ー ズ「 Linea 」 は、 分 解 能 が 1k ま た は512 のモデルで提供されている。（提供：テレダインダルサ社）

るマシュー・マーミオン博士（ MathieuMarmion, PhD ）は述べた。
SWIR イメージングは、広い範囲のV I S I O N S Y S T E M S D E S I G N J A P A N April 202413

ントが、通信業界においてファイバ通殊な製品を使用する。SWIR 光は、シ信で既に使用されているために、簡単リコンを直接透過するため、SWIR セに入手できるということが、その理由

ンサには可視光センサとは異なる材料である」。

が使用される。最も一般的な材料は、SWIR ベースのレーザは、SWIR カ

InGaAs（ヒ化インジウムガリウム）でメラに搭載されており、SWIR カメラある。SWIR センサに使われるその他はこの用途において受信器として使用の材料としては、コロイド状量子ドッされる。

ト（ Colloidal Quantum Dot：CQD ）と「 SWIR カメラは FSOC システムにCu-Cu 結合がある。

おいて、信号検出能力のさらなる強化

プリンストン・インフレアド・テクノロとシステムの性能と信頼性の最適化をジーズ社によると、InGaAsは、「 950 〜

目 的 とした、 補 償 光 学 系（ Adaptive

1650nm で 80% を超える量子効率を持

Optics：AO ）の調整に使われている。

つ の に 対 し、CQD は、 ほ と ん ど の主な性能特性は、1550nm における感SWIR 波長で 10% に届かないという。

岩石を調査するために上空から使用さ度が高く、ノイズが低く、高いフレー

しかし、米 SWIR ビジョンシステム

れる。また、掘削コアや地質サンプルムレートに対応することである。また、ズ社（ SWIR Vision Systems ）のグローの分析にも使用されると、スペシム社

センサガラスを持たないカメラは、信バルセールスマネージャーを務めるサのウェブサイトには記載されている。

号電力を高めて、ガラス内の反射とセム・ ワ イ マ ン 氏（ Sam Wyman ）は、ンサガラスの反射防止膜の汚れに起因「 CQD SWIR センサの現在の量子効率する画像アーチファクトを防ぐためには、 商 用 提 供 さ れ て い る InGaAs効果的である」と、ハシャゲン氏は述SWIR センサよりも低いかもしれないべた。

が、次世代の CQD SWIR センサの量

図５ SWIR カメラ「 Specim 」は1000 〜2500nmの波長範囲で動作する（提供：スペシム社）

自由空間光通信アライド・ビジョン社は、未来的な応用分野に言及した。自由空間光通信（ Free Space Optical Communi­
cation：FSOC ）は、レーザを使用して大気中や宇宙空間でデータを無線で伝送する通信方法である。
しかし、この分野で一般的に使用さSWIR イメージングのコンポーネント子効率の改善で大きな進歩が得られていることに注目することが重要である 」 と述 べている。 同 氏 はさらに、SWIR イメージングに対し、エンジCQD センサは一般的に InGaAs センサ

ニアや技術専門家は、センサを含む特よりもスペクトル範囲が広いため、1

れ る レ ー ザ は、 地 上 通 信 に 対 す る

つのセンサで複数のスペクトル範囲にFSOC の欠点に対応しない。FSOC 伝対応できることも指摘した。

送は、雨、霧、雪、汚染に起因する大センサの材料が何であろうと、技術気吸収や散乱などの大気干渉によっての継続的な進歩に伴って、SWIR の応妨害される可能性がある。また、日光用分野は拡大すると、専門家らは予想などのバックグラウンド光源の干渉もしている。スペシム社のマーミオン氏

受けやすい。

が 述 べ て い る よ うに、「こ こ 数 年 のSWIR ベースのレーザを使用すればSWIR カメラの進化は、より多くのピクこの問題が解決されるとして、ハシャセルを搭載する、より高速でより手頃

ゲ ン 氏 は 次 の よ う に 説 明 し た。

な価格のカメラを製造するという、一「 1550nm で動作するレーザは、FSOC般的なトレンドに従って進行している。に非常に適している。大気干渉の影響それによって、産業ラインシステムにを受けにくいために長距離データ伝送より適したものとなり、顧客は SWIRが可能で、目に安全であることの他、高品質の送信器と検出器のコンポーネ14

図 ６ JAI 社 の SWIR カ メ ラ は、RGB とSWIR の画像データを同時に取得する（提供：JAI社）

April 2024 V I S I O N S Y S T E M S D E S I G N J A P A N技術を、さまざまな分野におけるさらに正確な物質検査と品質管理に、さらピクセルの分解能でフレームレートに幅広く適用できるようになる」。
エリアスキャンセンサは、SWIR イは 234fps で、「 IMX990 」センサをメージングに使われる最も一般的な種

搭 載 す る「 Goldeye G-130 」 は、類だが、一部のメーカーはラインスキ

1280 × 1024 ピクセルの分解能でャン方式を採用していると、デホー氏

最大フレームレートは94fpsである。
・SWIR ビ ジ ョ ン シ ス テ ム ズ 社 のは付け加えている。
SWIR イメージングを利用するマシ

SWIR カメラ「 Acuros 」は、CQD-

ンビジョン製品には、光源、フィルタ、on-CMOS センサを搭載し、可視域、レンズなど、その他の一般的なコンポ

近赤外域（ NIR ）、SWIR 域のイメーーネントも使用されている。

ジングを行う。USB 3.0またはGigE
Visionのいずれかのインタフェースを

以下では、商用提供されている製品

備え、2.1MP で 1920×1080フォーの例をいくつか紹介する。
・テレダインダルサ社の InGaAs セン
サ搭 載 SWIR CMOS GigE カメラ「 Linea 」は、分解能 1k、ピクセルサイズ 12.5μm のモデルと、分解

図７ SWIRビジョンシステムズ社の SWIRカ
メラ「 Acuros 」は、CQD-on-CMOS センサを搭載し、可視域、近赤外域（NIR ）、SWIR域のイメージングを行う（提供：SWIRビジョンシステムズ社）

マット、1.2MPで1280×1024フォー
マット、VGAで640×512フォーマッ
トの各センサによる 3 つの分解能のカメラが提供されている。
・仏ニュー・イメージング・テクノロ

能 512、 ピクセルサイズ 25μm のモデルで提供されている。どちら

し、ファンレス設計が採用されて

ジ ー ズ 社（ New Imaging Tech

も最 大ラインレートは 40kHz で、い る。400 〜 1700nm の 波 長 範 囲nologies ） の HD SWIR カ メ ラ

950 〜 1700nm の波 長 範 囲 で動 作の画像取得が可能で、複数の画像-Smart Version「 SenS 1280 」 は、する。

補 正 機 能 を 搭 載 す る。Camera

1280 × 1024 ピ ク セ ル の 分 解 能、・RGB と SWIR の画像データを同時Link または GigE Vision のいずれ

60Hz フルフレームレート、80% をに撮 像 する米 JAI 社 の SWIR ライ

かのインタフェ ースに対 応 する。

超える QE を備える。最適な輝度

ンスキャンカメラは、4 センサライ「 IMX991 」 セ ン サ を 搭 載 す るとコントラストを実現する自動利ンスキャン技術を搭載し、3 つの個「 Goldeye G-030 」は、656 × 520

得制御（ Automatic Gain Control：

別の CMOS センサで赤、緑、青のAGC ）など、手動調整を不要にす画像データ、InGaAs 技術に基づくる画像処理機能を搭載している。

4 番目のセンサで SWIR 波長領域か・SWIRカメラ「 Specim 」は、1000 〜らの画像データを、同時に収集す2500nm の波長範囲で動作し、384る。
「 SW-4010Q-MCL 」カメラのの空 間ピクセルを持 ち、Camera

InGaAs SWIR センサの分 解 能 はLink 接続を使用して最大 400fps の1024 ピ ク セ ル、 セ ン サ 幅 はフレームレートを達成する。また、25.6mm、最大分解能でのスキャンIP54 の耐候性を備えた頑丈な筐体

レートは 39kHz である。このカメに収められている。
・プリンストン・インフレアド・テク

ラは JAI 社の「 Sweep+ 」シリーズ

ノロジーズ社の「1280BPCam」は、の 1 つである。
・アライド・ビジョン社の SWIR カメ

レーザビームプロファイリングを特ラシリーズ「 Goldeye 」には、ソニに対象として開発されている。画ーの SenSWIR InGaAs センサが搭載されている。このカメラは、ピクセルサイズが 5 × 5μm、シングルステージセンサ冷却機能を搭載

図８ ニュー・イメージング・テクノロジーズ社の HD SWIR カメラ -Smart Version「 SenS
1280 」は、1280 × 1024ピクセルの分解能を備える（提供：ニュー・イメージング・テクノロジーズ社）

素数は 1280 × 1024 ピクセル、ピクセルサイズは 12μm で、フル分解能で 90fps のフレームレートを備える。

V I S I O N S Y S T E M S D E S I G N J A P A N April 2024

VSDJ15