オンセンサー偏光で時間と労力を省く
オンセンサー偏光を使用する理由?
多くのビジョンシステムは、ガラス、プラスチック、金属などの光沢ある表面からの動的な、または過剰な反射、かすみ、グレアによる影響を克服するために、取り組まれています。Spinnaker SDKに内蔵されたソニー’のオンセンサー偏光およびアンチグレア機能を搭載したBlackfly Sマシンビジョンカメラは、このような困難な状況に対処するために、実装が簡単で軽量かつ信頼性の高いソリューションを提供します。露出、ゲイン、ホワイトバランス、カラー補正を正確かつダイナミックに制御する Blackfly S カメラは、シングルフレームで 4 つの角度からオンセンサー偏波キャプチャ光をキャプチャし、システムの複雑さとアプリケーション設計を大幅に削減します。
システムは、ビームスプリットプリズムの背後にある複数のカメラとフィルターに依拠していますが、それ以外で回転フィルターあるいはフィルターホイールを備えた単一のカメラは大きく、複雑で低速です。Blackfly S カメラは、センサーを横切るすべての偏光の角度と強度を同時に感知することで、既存のソリューションに比べ高速になり、サイズ、複雑さ、消費電力が大幅に低減しています。
対応カメラモデル：
Blackfly S GigE カメラ、オンセンサー偏光機能付き
BFS-PGE-123S6P-C: 12.3 MP、10 FPS、Sony IMX253MZR、偏光レンズ
BFS-PGE-51S5P-C: 5.0 MP、24 FPS、Sony IMX250MZR、モノ偏光レンズ
BFS-PGE-51S5PC-C: 5.0 MP、24 FPS、Sony IMX250MYR、RGB偏光レンズ
オンセンサー偏光を特徴とする Blackfly S USB3 カメラ
BFS-U3-51S5PC-C: 5.0 MP、75 FPS、Sony IMX250MYR、RGB偏光レンズ
BFS-U3-51S5P-C: 5.0 MP、75 FPS、Sony IMX250MZR、モノ偏光レンズ
搭載型偏光が適する状況:
無人航空機システム（UAS）
UASやドローンなどのアプリケーションは、通常、無制御の照明条件下での屋外で動作します。Blackfly S は、90°、45°、135° および 0の偏光角度によって４セットの偏光画像を提供し°、変化する照明条件とUASの相対的な動きや方向に対応して補正します。Blackfly Sは、アプリケーションエンジニアにフレームごとに４セットの偏光画像を提供することにより、システムの複雑さ、ペイロードの重量、障害点を削減し、困難な照明条件下でも画質と判定時間を改善します。
インテリジェント交通システム(ITS)
偏光フィルターのセットアップを使用することは、屋外の照明条件は1日を通して変化するため、シートベルトやモバイルデバイス機器のITSアプリケーションでは、反射型フロントガラスを介した画像処理では困難です。いくつかのシステムは、マルチカメラやフィルターのセットアップによってこれを克服し、ハードウェアとメンテナンスのコストを増加させる一方で、システムの信頼性を大幅に低下させます。カメラ搭載型の偏光は、フレームあたり４セットの画像を同時に撮像することができ、これらの画像の少なくとも１つは、不要な反射を除去することで、有効性を確実にします。アプリケーション開発者は、事後プロセスの間に１つまたは複数の偏光画像を柔軟に選択できるため、開発、統合、メンテナンスにかかる時間とコスト–を節約できます。
屋外の照明条件下でのフロントガラスの反射。偏光あり/なし。
検出および特定
偏光計測は、それ以外では従来の可視画像または熱画像を用いて識別するのが困難な物体の検出には理想的です。カモフラージュされた車両、または微細なセル構造は、表面に平行に向けられた偏光を反射し続けるため、これらの反射は以下に図示するように、AoLPモード（直線偏光の角度）では明らかに際立っています。
搭載型センサー偏光を利用する前後の精巧なカモフラージュ車両
AUV および USV’の深層学習 (DL) の最適化
望ましくないまぶしい光や反射を除去して画像を整理すると、ディープラーニング（深層学習）システムの仕込みを単純化できるようになります。これは、自律型車両や船舶の潜水艇（無人航空機-USV）が遭遇する高いグレア環境下において特に役立ちます。
その他の用途
Blackfly Sカメラの高解像度と低い読み取りノイズにより、標準的な顕微鏡装置で広い視野を解析できます(例えば、生物学的化合物の偏光特性と光学活性により、健康な組織と病変組織を区別できます)。半導体および電子機器製造、フラットパネルディスプレイ(FPD)製造および検査、食品包装、化粧品、医薬品包装、物流、顕微鏡、および検査など、反射表面を有するその他のいくつかの用途において、カメラ搭載型の偏光は特に有益です。
ソニー’の偏光センサーを搭載したBlackfly Sカメラが生み出す違いとは?
ソニー’のオンセンサー偏光
Sony’のIMX253MZRセンサーおよびIMX250MZRセンサーは、人気の12メガピクセル、および5メガピクセルのIMX253、IMX250 PregiusグローバルシャッターCMOSセンサーを基本としています。各ピクセルには独自の偏光フィルターがあります。これらのフィルターは 0°、45°、90 および 135° に方向付けられ°、２ピクセルのブロックを繰り返し配置します。これらのセンサーには、偏光フィルターをピクセルに追加することで生じる量子効率（QE）低減の影響を最小限に抑える機能が備わっています。例を挙げると、IMX250MXRの偏光フィルターの消光比は4:1で、交差偏光を遮断することなく正確な偏光データを提供できるほど十分高くなっています。これにより、フィルターの整列により最小量の光しか通過しない場合でも、十分な光が感光性フォトダイオードに到達し有用な画像を取り込めるよう保証されています。これにより、QEの低減を補償するため利得を必要とする厳しい条件であっても、低ノイズの画像を取り込むことができます。
グレア防止および反射除去機能を備えたSpinnaker SDK
Spinnaker SDKは、API呼び出しをサポートし、各偏光の四分割から最も暗いピクセルを選択することで、ソースイメージからグレアが低減されたイメージを作成します。偏光測定を使用すると、非金属表面からの反射を動的に低減し、システムの複雑さを軽減し、アプリケーション開発時間を短縮できます。次の例を参照してください。
L - 未加工の偏光画像 | M - 関心対象を赤色で強調表示した偏光画像 | R - アンチグレア低減を有効にした処理済み画像
高いフレーム率(ロスレス圧縮)
Sony’の偏光CMOSイメージセンサーを搭載したBlackfly S GigEカメラは、カメラの’ファームウェアに組み込まれたロスレス圧縮を利用することで画像データを失うことなく、高解像度(例えば、12MPで最大14FPS)で高いフレーム率を実現します。このようなより迅速化して処理速度と高解像度は、非常に要求の厳しい産業および研究指向のアプリケーションにおいて特に有益です。
偏光データの解釈
光の偏光パラメータの特性を解明するには、４つのすべての偏光角からの測定が必要となります。センサー上の各ピクセルについてこれを達成するには、隣接ピクセルからのデータが組み合わされる補間プロセスが必要となります。これは、隣接する赤、緑、青色のピクセルからのデータがカラーセンサーで組み合わされ、各ピクセル用のRGB値を生成する方法と類似しています。このプロセスはSpinnaker SDKによってネイティブにサポートされています。
偏光と色を組み合わせる
IMX250MYRセンサーはカラーフィルターアレイを偏光フィルターの下のセンサーに追加しています。このセンサーは、色情報の空間分解能よりも偏光領域の空間分解能を優先するユニークなQuad-Bayer配列を用いています。
RGBピクセルが、2x2の“スーパーピクセル”に再編成されています。それぞれのスーパーピクセルには、方向ごとに１つの偏光フィルターがあり、その位置でストークスパラメータを計算するために必要なすべての情報が含まれています。
2x2‘スーパーピクセルを強調するSpinnaker SDK GUIのスクリーンショット’
グローバルシャッター機能
ローリングシャッター CMOS イメージセンサーは、焦点面の歪みにより、高速に動く物体を正確に識別できません。ソニー’の新しいオンセンサーの偏光センサーを搭載したBlackfly Sカメラは、各ピクセル内にアナログメモリを提供することで、この問題に対処し、グローバルシャッター機能によって、焦点面に歪みのない高品質の画像を実現します。
追加測定値:
光は、横波電磁波です。伝搬するにつれて、光は伝搬方向に対して垂直に振動します。ほとんどの光原からは非偏光が放射され、すべての光波はランダムな角度で振動します。大半の光波が共通の角度で振動するように光が整列すると、偏光していると呼ばれます。円偏光も発生可能ですが、このガイドの範囲を超えています。
ランダムな角度で振動する非偏光に対するある角度で整列した偏光
偏光フィルター
偏光フィルターが、大半の偏光技術の基礎を形成しています。一連の狭いスリットを整列させることにより、偏光フィルターは、スリットに平行に振動する光を通過させ、スリットに対し垂直に振動する光を遮断します。
偏光フィルターは、偏光子軸に平行(またはスリットの角度に垂直)な黄色のビームを通過し、青色ビームが偏光軸に垂直(またはスリットの角度に平行)に整列するのを阻止します。
産業用途では、多くの場合、偏光源を生成するものと特定の向きに整列した偏光のみを透過させるものという一対の偏光フィルタに依存しています。こうしたシステムでは、通常、精密に位置合わせされたフィルタと高度に制御された照明が必要となります。そうしたシステムは、ある角度の偏光に対してのみ高い感受性を有します。
偏光フィルタが回転するにつれて、偏光フィルタが通過する光の強度は整列するようになるにつれて増加し、整列角度を超えて移動すると減少します。
青色波の角度に整列した偏光フィルターが回転すると、青色を遮断し、オレンジ色波を透過させ始めます。
プロットすると、偏光子の向きの対する強度の変化は正弦関数のようになります。最高強度と最低強度の比を、消光比と言います。
光が持つ横向きの性質のため、偏光角は180°を超えることができません。偏光フィルターのスリットはすべて平行であるため、フィルタを180°回転させると元の方向に戻ります。これは、フィルターが360°回転したときに強度が２倍上下する理由を説明しています。
光はどのように偏光するのか？
光は、コヒーレント（可干渉）光源から直接放射する場合、偏光フィルタを通過する場合、または非金属表面から反射する場合に偏光する可能性があります。水または研磨表面から反射した偏光の角度は、表面の角度に平行です。
偏光の角度は、生体分子や薬剤等の特定の光学活性材料を通過する際に変更可能です。
ストークスパラメータ
4つのストークスパラメータは、光ビームの偏光状態を記述するのに便利な方法です。ストロークパラメータは、多くの偏光解析計算およびアルゴリズムの基礎となっています。既存の技術を適合させるか独自の技術を生み出したいと考えているユーザーは、IMX250MZRでのストークスパラメータ決定方法に習熟している必要があります。
S0は、光ビームの強度です。IMX250MZRでは、縦と横に変更したピクセルの強度を加算してこれを算出します。
S1は、水平成分と垂直成分の差です。正値は水平直線偏で、負の値は垂直直線偏です。
S2は、45°成分です。正の値は、45°方向の直線偏光です。負の値は -45° または (必要に応じて 135°) 直線偏光です。
S3は、円偏光成分です。このパラメータはIMX250MZRでは測定されませんが、多くの場合正確に推定できます。屋外環境や受動的照明環境では太陽光は偏光せず、太陽光の反射または散乱は直線偏光にしかならないため、S3は0と仮定されます。
能動的照明が制御されている環境では、偏光のない光源を排除することができ、円形成分の特性を把握できるようになります。
S1、S2、S3ストロークパラメータは、多くの場合、ポアンカレé 球に配置された球座標の集合として表されます。この表記法は、光ビームの各偏光成分のその全体的な偏光状態への相対寄与度を理解するのに便利な方法です。
ポアンカレé 球。屋外では、S3成分は確実に0であると仮定できます。強度Ipは1に等しい。
ストークスパラメータを使用して偏光パラメータを計算し、可視スペクトル画像を大幅に改良することができます。
直線偏光度
直線偏光度（DoLP）は、偏光データを解釈する最も基本的な方法です。DoLPは、所定のピクセルで偏光する光の割合です。完全に偏光された光源はDoLPが100%となりますが、非偏光の光のDoLPは0%となります。
DoLP 100%とDoLP 0%の差
直線偏光角 (AoLP)
直線偏光角（AoLP）は、所定のピクセルでの光の平均偏光角です。DoLPが低ければ、ごくわずかの光しか偏光しません。この場合には、その結果得られるAoLP値が明確な時間的・空間的ノイズを表します。これは、高い利得で増幅される低強度信号に類似しています。DoLPが増加するにつれて、AoLP値のノイズは減少します。
