ボードレベルカメラの組み込みガイド

はじめに

コンパクトでパワフルなシングルボードコンピュータは、革新的な製品デザインを可能にします。これは、小型化によってコストや効率が向上するアプリケーションでは特に有用です。また、ビジョンシステムでは、フル機能を備えたボードレベルのマシンビジョンカメラを活用して、製品全体のサイズをさらに小型化することが可能になりました。運用に柔軟性が生まれると同時に、カスタムメイドや規格外の光学機器もサポートできるようになります。その代表例として、医療診断機器、計測機器、ロボティクス、組み込みビジョン、包装・印刷検査、ハンドヘルド型スキャナー、ベンチトップ型実験装置、その他にもスペースに制約のあるシステムなどが挙げられます。

今回、組み込みビジョンカメラを選択する際に考慮すべき、重要な要素をいくつか取り上げてみましょう。利用可能な機能、フォームファクターと物理的フットプリント、インターフェイスオプション、レンズマウント、ソフトウェアサポート、熱対策、電磁両立性 (EMC) などについて解説します。

フォームファクターと利用可能な機能

ケースモデルからボードレベルモデルのカメラに移行する際、システム設計者は、その撮像およびカメラの性能要件を慎重に検討する必要があります。小型のボードレベルカメラの多くは、低解像度のセンサーのみをサポートし、GPIO (汎用入出力) ラインが少なくカメラ上の機能が限られています。反対に、フル機能を備えたマシンビジョンカメラのボードレベルは、標準的なカメラから単にケースを取り除いただけのものがほとんどです。そうしたカメラは、必要とされる撮像性能を得ることはできても、標準的なケースモデルと比べてさほど小型化されていない場合があります。また、標準的な GPIO やインターフェイスコネクターを使用していることが多く、それ自体が場所を取るため組み込みアプリケーションには適していません。たとえば、一般的な産業用ロッキングコネクターだけでも、Blackfly S ボードレベルカメラと同じくらいの大きさがあります。

フリアーのBlackfly S ボードレベルカメラ は、初めから組み込みシステムへの使用を念頭に置いて設計されており、29mm x 29mm x 10mm と非常にコンパクトなフォームファクターでありながらケースモデルと変わらない撮像性能と豊富な機能を持ち合わせています。小型の GPIO とインターフェイスコネクターを採用することで、さらなる省スペース化も実現しています。フリアーシステムズの組み込みビジョンカメラシリーズを採用するもう 1 つの大きなメリットは、1/3 インチから 1.1 インチまで、どのサイズのセンサーを搭載したカメラも、フォームファクターがすべて同じである点です。異なるモデルのカメラでもフォームファクターが一貫していれば、システムおよび後続製品の開発やアップグレードがかなり楽になります。

レンズマウント

規格外の光学機器を統合したり、イメージセンサーをできる限りターゲットの近くに配置したいと考えているお客様にとって、ボードレベルカメラは魅力的なオプションとなるでしょう。ボードレベルカメラには固定のレンズマウントがないため、設計者はマシンビジョン業界で一般的に使用されている C、CS、S マウントといった標準レンズ以外の光学系も自由に選択できるからです。また、レンズを必要としない場合が多い、バイオテクノロジーやレーザービーム診断などのアプリケーションにも最適なデザインとなっています。ボードレベルカメラは、レンズマウントを別の製品に組み込む目的でも活用されています。これが「組み込みビジョンカメラ」と呼ばれる理由です。さらに、レンズマウントを製品の筐体に直接成形することができるため、製造と組み立てが簡素化され、より一層のコスト削減に繋がります。レンズマウントが付属していないボードレベルカメラの場合は、マウントアクセサリーもご購入ください。ボードレベルモデルと同一のセンサーや機能を持つケースモデルが入手可能な場合は、それらを開発プラットフォームとして利用することができます。

ボードレベルカメラに適したレンズマウントオプションの選択に際して考慮すべき最も重要な要素の 1 つは、使用するセンサーのサイズです。一般的に S マウントレンズは、1/3 インチ以下、通常 2 メガピクセル未満の低解像度センサー用に設計されています。一方で CS マウントレンズは、1/3 インチから 1/2 インチのセンサーに対応しています。センサーサイズが 1/2 インチ以上の場合は、C マウントレンズを使用するのがベストです。

熱対策

ケースモデルのマシンビジョンカメラは、センサー、FPGA、その他のコンポーネントによって生じる熱をケースの表面を使って放熱しています。それに対して、ケースを持たない高性能ボードレベルカメラでは、適正温度範囲内で動作させるために追加の設計要件が必要になることがあります。そのような場合に鍵となるのが、ヒートシンクの適切な取り付けです。通常メーカーは、ボードレベルカメラのような非常に高温になりやすいコンポーネントに対して、最大接合部温度 (最大ジャンクション温度) を設けています。フリアー Blackfly S カメラの場合、FPGA の最大接合部温度は 105℃ です。

システム設計者は、熱対策がこのガイドラインに適合していることを確認する必要があります。ヒートシンクのサイズ、カメラが設置される土台の表面積、必要とするアクティブクーラーのタイプは、センサーやフレームレート、動作環境、およびカメラ上で実行される画像処理量によって異なります。カメラにヒートシンクを取り付ける際には、カメラの基盤への負荷を最小限に抑えるために、サーマルパッドの上に放熱グリスを使用することをお勧めします。

ケースデザインとラピッドプロトタイピング

多くの場合、ボードレベルカメラは組み込みビジョンシステムや製品に直接組み込まれており、ケースを必要としません。しかし、カメラが製品に組み込まれず、そのためカメラ内部が露出したままのアプリケーションでは、破損を防ぐためケースが必要になる場合があります。ラピッドプロトタイピングを行う際は、組み込みシステムの設計者は 3D プリンターでカメラのケースを簡単にデザインしプリントしたり、一般に販売されているプラスチックケースにカメラを収納し、スペーサーや取付ブラケットで所定の位置にマウントしたりすることも可能です。

インターフェイスとコネクター

USB 3.1 Gen 1 は、組み込みシステムに最適なインターフェイスです。USB 3.1 インターフェイスは一般に広く普及しており、デスクトップ PC から ARM ベースのシングルボードコンピューター (SBC) まで、幅広いハードウェアでのサポートが保証されています。ダイレクトメモリーアクセス（DMA）は、フィルタードライバーを必要とせずに遅延を最小限に抑えます。また USB 3.1 Gen 1は、ケーブル 1 本で電力と最大 480 メガバイト/秒のデータスループットの供給が可能なため、機械設計と電気設計の両方が簡素化されます。

組み込みシステム設計者は多くの場合、既存の設計を小型化することを主な目標としています。その場合、ケーブルの長さは、ケーブルやコネクターの容量に比べればそれほど重要ではありません。フレキシブルプリント回路（FPC）ケーブルは、ケーブル長 30m までの USB 3.1 Gen 1 に対応しています。FPC ケーブルは、その名の通り柔軟性が高く、蜜に組まれたシステムの中にでも折り曲げたりねじったりして収めることができるのです。さらに、高品質のロッキングコネクターとロックタブ付きシールド FPC ケーブルを使用すれば、安全で信頼性の高い接続が確保できます。

しかしながら、USB 3.1 インターフェイスは高周波信号であるため、5GHz 以下のワイヤレスデバイス (GPS 信号など) に干渉を引き起こすという潜在的な欠点があります。フリアーシステムズでは、このような無線周波数を利用するアプリケーション向けに GigE インターフェイスを搭載したボードレベルカメラも提供しています。

多くの組み込みボードで広く使われているもう 1 つのインターフェイスに、MIPI CSI があります。ですが、MIPI プロトコルやドライバーが複雑なため、USB と比べて開発にかかる時間が長くなりがちです。低電圧差動信号 (LVDS) ベースのインターフェイスも一般に利用可能で、ホスト側の FPGA と直接接続するように設計されていますが、信号伝送の各チャネルにはワイヤーが 2 本必要です。些細なことのようですが、特定のアプリケーションでは重大な欠点ともなり得ます。

ソフトウェアサポート

組み込みシステムで使用するカメラを選択する際、ソフトウェアのサポートは見落としてはならない重要な検討事項です。デスクトップと組み込みシステムの両方をサポートする SDK は、設計者が使い慣れたツールでビジョンアプリケーションを開発し、好きな組み込みプラットフォームに容易にデプロイすることを可能にします。弊社の Spinnaker SDK は、x86、x64 および ARM ベースのシステム上のデスクトップ Windows と Linux をサポートしています。

電磁両立性 (EMC)

ケースによる遮蔽がないボードレベルカメラの電磁両立性 (EMC) は、ケースモデルのカメラの EMC とは異なっています。フリアーシステムズのケースモデルのマシンビジョンカメラは、すべて EMC 認証を取得していますが、ボードレベルカメラはこれに当たりません。ボードレベルカメラは通常、他の製品やシステムに組み込まれているため、最終製品は別途 EMC 認証を受ける必要があります。他のどの電気コンポーネントとも同様、アプリケーションの種類に関わらず、電磁妨害 (EMI) 対策は最善と思われる方法に沿って行うことを常にお勧めします。

結論

ボードレベルカメラは、コンパクトで用途の広い革新的な製品を設計するための自由と柔軟性を与えてくれる組み込みビジョンシステムに、革命をもたらしています。ここで取り上げた要素に加え、高品質なセンサーや光学系や、信頼性の高いコンポーネントを使用するなどして、将来性を考慮した組み込みシステムを構築することも大切です。フリアーシステムズのボードレベルカメラの全ラインアップは、基礎からすべて上記の要素を踏まえて構築されており、業界をリードする 3 年間の保証付きです。弊社のマシンビジョンエキスパートが、お客様の組み込みシステムに最大限活用できる、適切なレベルの撮像性能とフォームファクターの選択をお手伝いします。詳細はこちら。