完璧な画素: Sony Pregius Sの画素技術

JAIは、高解像度・高画質な小型エリアスキャンカメラの市場ニーズに応えるため、ソニーの最新CMOSイメージセンサ「Pregius S」シリーズを採用しています。

マシンビジョンアプリケーションの画素技術の最先端を行く第4世代CMOSセンサです。

もっと詳しく見ていきましょう...

裏面照射

Pregius Sの「S」は「stacked（積層型）」の略ですが、「sensitivity & speed（感度＆スピード）」を表す言葉でもあり、Pregius Sの画素を積層型デザインにはそのような意味合いが込められています。

従来のイメージセンサはフォトダイオードの上の層に配線や回路があり、入射光がフォトダイオードに当たって画素の隙間を埋める入射角がやや狭くなっていました。

Pregius Sは、フォトダイオードの下に配線・回路層が積み重なった構造になっています。センサを裏返してフォトダイオードの裏側から光を取り込むことから、裏面照射（BSI）と呼ばれています。配線の妨げにならないよう、フォトダイオードをマイクロレンズに近づけることで、より広い角度から入射光を取り込めるようになりました。そのため、BSI画素は従来の前面照射型画素よりも高感度です。

ソニーは、このBSI設計をさまざまな形で活用しています。画素サイズが一辺2.74μmと小さくても、BSIでより大きな画素に匹敵する感度を実現しています。さらに、読み取りノイズを歴代のPregiusの中で最も低いレベル（2.1e-）まで低減し、S/N比、飽和能力、画質を飛躍的に向上させました。画素に光を到達させるための配線スペースを確保する代わりに、そのスペースをさらに高速なセンサインターフェース（SLVS-EC）の設計に利用し、高フレームレートと信号処理能力の向上を果たしました。

その結果、さまざまなビジョンシステムで使用される新世代のJAIマシンビジョンカメラを駆動できる画素設計が可能となりました。

グローバルシャッター

ソニーのBSI技術は、かつてはローリングシャッターを搭載したセンサのみに搭載されていました。安価なローリングシャッターセンサはカメラのコストを下げることができますが、その反面、動く物体の画像が歪んでしまうため、マシンビジョン用途にはあまり適していません。Pregius Sシリーズは、BSI技術とグローバルシャッターの組み合わせにより、大きな動きを伴う用途をはじめとするあらゆる用途で、歪みのない鮮明な画像を撮影できるカメラです。

高解像度、小さな光学サークル

2.74μmの画素サイズは、Pregius Sセンサを搭載するカメラが、より小さなセンササイズに高解像度を格納でき、1平方ミリメートルあたりの画素数が増えることを意味します。そのため、センサのメガピクセル単価が下がり、その分をカメラのコストに回すことができるのです。

これにより、システム設計者は以下の2つのことが可能となります。

• 1システムあたりのカメラ台数を減らせます。例えば、12メガピクセルのカメラを2台必要とする検査システムでも、24メガピクセルのカメラ1台で対応できるようになります。
• あるいは、カメラの台数を変えずにシステムの解像度を2倍にすることで、微細な欠陥の特定や広い視野の検査を可能にし、システムの利用価値を向上させることもできます。

画素が小さいため、FマウントやM42マウントのような大きく重く高価なレンズフォーマットに変更することなく、高解像度化を実現できます。JAIのPregius Sベースのカメラは、解像度5～24メガピクセル、光学フォーマット1/1.8"～1.2インチを特徴としています。これにより、高画質モデルでもCマウントレンズが利用できるようになるため、小型・軽量化、コスト削減に繋がります。

選べるアスペクト比

Pregius Sのセンサは、数種類のアスペクト比で設計されており、さまざまな用途に応じた解像度を適用できるようになっています。

オンセンサ機能の追加

前述のように、Pregius Sの「積層型」アーキテクチャにより回路面積が増加し、オンセンサ信号処理機能を追加してJAIカメラに活用することが可能となりました。その例を2つ挙げます。

グラデーション圧縮 - 明るい領域が少ない場合に、12ビットの濃淡のバリエーションをフルに取り込み、8ビットに圧縮して出力することで、フレームレートを上げるとともにファイルサイズを小さくします。圧縮する量や、12ビットスケール上の圧縮開始位置はユーザーが定義できます。

浮遊拡散ビニング– JAIのモノクロPregius Sは、カメラのFPGA上で行う1x2、2x1、2x2ビニングに加え、センサ上で直接行う2x2ビニングを搭載しています。このFD2x2ビニングモードは、1つの浮遊拡散ノードを介して4つの画素を組み合わせて読み出します。これにより、読み出しノイズを低減してダイナミックレンジと画質を改善するとともに、FPGAを用いたビニングモードよりも大幅にフレームレートを向上させることに成功しました。

また、Pregius Sセンサのオンセンサ機能は、カラーモデル用のデシメーション機能、マルチROI機能などを可能にしています。

Pregius Sの技術を活用

Sony Pregius Sセンサの技術は、JAIの小型で手頃な価格のマシンビジョンカメラ「Go-Xシリーズ」の一部モデルに採用されています。現在、CoaXPressインターフェースの12機種、GigE Vision（1000BASE-T）インターフェースの12機種の計24機種にPregius Sが搭載されています。今後、GigE Vision 5GBASE-Tインターフェースを搭載した12機種を順次発売予定です。

詳しくは、Go-Xシリーズのウェブページをご覧いただくか、JAIカメラ選定ガイドをダウンロードし、Go-Xシリーズの製品表で「Pregius S」をお探し下さい www.jai.com/jp/go-x-series