IRカットフィルターは昼と夜のカメラの画像にどのような影響を与えますか

はじめに: なぜカメラは赤外線を異なる方法で処理する必要があるのでしょうか?

監視カメラは、日中は自然な画像を生成し、日が落ちても引き続き役立つことが期待されています。これら 2 つの動作条件により、見落とされがちな課題が生じます。それは、イメージ センサーが人間の視覚範囲を超えた光に反応する可能性があるということです。

多くのイメージ センサーは近赤外線に敏感です。これは、カメラが赤外線照明用に設計されている場合に便利ですが、日光の下での色の再現にも影響を与える可能性があります。人間の目に似ている素材でも、赤外線エネルギーの反射の仕方が異なる場合があるため、近赤外線がセンサーに到達すると、木の葉、布地、肌の色、その他の物体が異常な色で表示されることがあります。

アンIRカットフィルターこの不要な赤外線エネルギーを制御するために一般的に使用されます。昼夜兼用カメラでは、照明条件に応じてフィルターが光路に出入りすることがあります。フィルターは小さなコンポーネントですが、その動作はイメージング システム全体に影響を与えます。

カメラメーカーと光学機器購入者にとって重要な点は、フィルター、レンズ、センサー、スイッチング機構を一緒に検討する必要があるということです。各コンポーネントを個別に選択すると、色の変化、焦点の変化、または画質の不安定が生じる可能性があります。

IRカットフィルターとは

IRカットフィルターは可視光を透過させ、特定の赤外領域の透過を低減するように設計された光学フィルターです。正確なカットオフ特性は、フィルターの設計と意図したセンサーの応答によって異なります。

従来のカラー カメラでは、近赤外線エネルギーを制御することで、センサーが人間が見ているものとより一貫した色を再現できるようになります。適切な IR カット フィルターがないと、赤外線感度が赤、緑、青のチャンネルに影響を及ぼし、画像処理では完全には補正できない色の誤差が生じる可能性があります。

1 つの定義された照明モードで動作するカメラでは、多くの場合、固定フィルターで十分です。ただし、昼夜カメラではスイッチング構成が使用される場合があります。日中は、IRカットフィルターより正確なカラーイメージングをサポートするためにセンサーの前に配置されます。夜間には、センサーが多くの場合 IR LED からの近赤外線エネルギーを受け取ることができるように遠ざけます。

このスイッチング設計は、一般に ICR メカニズムとして説明されます。機械的な動きは小さいかもしれませんが、フィルター位置の再現性と光学アセンブリの安定性が最終結果にとって重要です。

昼間の色が赤外線制御に依存する理由

カメラのセンサーは人間の目と同じように世界を捉えているわけではありません。そのスペクトル応答は、センサーの構造とモジュール内のフィルターに応じて、近赤外線の波長にまで拡張できます。

赤外線エネルギーがカラー センサーに到達すると、測定されたチャネル値に影響を与える可能性があります。太陽光の下にある白い物体は、色の付いた物体とは異なる割合で可視エネルギーと赤外線エネルギーを反射する可能性があります。したがって、露出やホワイトバランスが適切に見えても、カメラは不自然に見える色を記録する可能性があります。

正しく指定された IR カット フィルターは、この影響を制限するのに役立ちます。より安定した色再現をサポートし、さまざまなシーンにわたってカメラの出力を一貫して処理することが容易になります。

ただし、IR カット フィルターは万能の色補正ソリューションではありません。レンズ透過率、センサーのスペクトル応答、光源の種類、カバー ガラス、画像信号処理はすべて、最終的な色に影響します。プロジェクトに厳しい色要件がある場合は、フィルターの公称カットオフ値のみに依存するのではなく、モジュール全体を代表的な昼光源の下で評価する必要があります。

夜間撮影に別の光路が必要な理由

夜間、カメラは近赤外線 LED を利用してシーンを照明する場合があります。もしIRカットフィルター所定の位置に留まると、照明の大部分がセンサーに到達する前に拒否される可能性があります。フィルターを取り外すと、より多くのエネルギーがレンズを通過してセンサーに到達できるようになります。

これは、フィルターを外せばすべてのカメラが夜間でも同様に効果的になるという意味ではありません。レンズは関連する近赤外線波長を透過し、センサーは適切な感度を備え、照明は必要なシーンをカバーする必要があります。

可視光のみに最適化されたレンズは、近赤外線操作では同じ焦点や画質を実現できない可能性があります。一部の光学システムは、可視波長と近赤外波長の間で焦点の違いを示します。このため、両方のモードで有用な画像を必要とするカメラでは、IR 補正レンズが重要になる可能性があります。

デイナイトカメラのレンズを指定する場合は、プロジェクトにとって重要な波長範囲を確認してください。 「IR をサポートする」という表現が十分な技術的な詳細を提供するとは考えないでください。使用予定の動作帯域や、フォーカスや画質を評価する条件についてお問い合わせください。

フォーカスシフトの問題: 可視光線と近赤外線は同一ではない

光学材料はスペクトル全体で光の屈折が異なるため、異なる波長は異なる位置に焦点を合わせることができます。この現象は色収差として知られています。可視光イメージングから赤外線支援夜間イメージングに切り替わるカメラでは、日中は正しく見える焦点位置が、夜間には理想的な状態を維持できない場合があります。

影響の大きさは、光学処​​方、材料の選択、絞り、波長範囲、センサー構成によって異なります。細かいディテールが必要なアプリケーションや、比較的大きな開口を使用するアプリケーションでは、より顕著になる可能性があります。

光学設計者は、適切な材料を選択し、目的のスペクトル範囲全体で光学設計のバランスをとることによって、この動作を管理できます。実際の評価には、実際の画像を使用した可視画像と近赤外画像の両方を含める必要があります。IRカットフィルター配置とセンサー。

これは、調達チームにとって、最終的なカメラが赤外線動作に切り替わることが予想される場合、昼間の画像サンプルのみからレンズを承認すべきではないことを意味します。両方のモードの証拠を要求し、フォーカス機構またはレンズ設計が全動作範囲をサポートすることを目的としているかどうかを確認してください。

ICR メカニズムの機械的信頼性

フィルター切り替え機構には、光学的要件に加えて機械的要件も導入されます。フィルターは正しい位置に移動し、そこで安定した状態を保つ必要があります。メカニズムの調整が不十分であったり、速度が遅かったり、ノイズが多かったり、一貫性がなかったりすると、カメラに目に見えるアーティファクトが表示されたり、確実に切り替えられなかったりすることがあります。

このメカニズムは、コンパクトなカメラ ハウジング内でも動作しますが、使用可能なスペース、温度、振動、および長期サイクルが信頼性に影響を与える可能性があります。屋外で使用されるカメラでは、昼夜の変化が繰り返され、さまざまな環境条件が発生する可能性があります。

製品開発中、チームはスイッチング寿命、位置再現性、動作温度、振動への曝露、フィルター ホルダーとカメラ モジュール間の機械的インターフェイスを考慮する必要があります。テスト計画には、少数の手動スイッチングのデモンストレーションだけではなく、予想されるデューティ サイクルを反映する必要があります。

光学チームと機械チームは、フィルターの開口部と位置も調整する必要があります。技術的には適切でも光路を部分的にクリップするフィルターは、照度を低下させたり、不均一な画像動作を引き起こしたりする可能性があります。

デイナイトレンズを選択する前に購入者が確認すべきことは何ですか?

有用な見積依頼では、カメラ システムとその動作条件を説明する必要があります。次の情報は、レンズ サプライヤーが要件を評価するのに役立ちます。

センサーのモデル、フォーマット、ピクセル サイズ、スペクトル応答 (利用可能な場合)。

カメラが固定 IR カット フィルターを使用しているか、可動 ICR 機構を使用しているか。

必須の可視および近赤外線の波長範囲。

レンズの焦点距離、視野、絞り、および機械的エンベロープ。

カメラが内蔵 IR LED を使用するかどうか、およびおおよその照明波長。

昼夜モードで必要なフォーカス動作。

動作温度と予想されるスイッチング周波数。

中央と端のパフォーマンスを含む画質目標。

サンプル画像の提供や対象シーンの説明にも役立ちます。住宅入口用のカメラには、交通カメラや産業用監視システムとは異なる優先順位が設定されている場合があります。

焦点距離と絞りだけでレンズを比較することは避けてください。同様のヘッドライン仕様を持つ 2 つのレンズを、特定のセンサーおよび IR カット フィルター スタックと組み合わせると、異なる動作をする可能性があります。

完全なカメラを検証する方法

実際の検証計画には、昼間のカラー シーン、低照度のシーン、赤外線を利用した夜間シーンを含める必要があります。画像の中心と端にあるターゲットを捕捉し、シャープネスと色の動作の両方を検査します。

日中モードの場合、ニュートラルなオブジェクトが適度にニュートラルに見​​えるかどうか、また、意図した照明の下で色の一貫性が保たれているかどうかを確認します。夜間モードの場合は、フォーカス、コントラスト、照明の均一性、有用な詳細の量を検査します。カメラが自動的に切り替わる場合は、遷移を数回繰り返し、画像が一貫して同じ状態に戻るかどうかを観察します。

テストでは最終レンズを使用する必要があります。IRカットフィルター、センサー、カバーウィンドウ、およびハウジングを可能な限り保護します。検証後にこれらのコンポーネントのいずれかを変更すると、結果が変わる可能性があります。これは、カメラの機械的パッケージが厳密である場合や、環境仕様が厳しい場合に特に重要です。

ボシ光学 の使用

ボシ光学は、セキュリティ監視、自動車エレクトロニクス、医療画像、その他のカメラ用途向けの光学製品を開発および製造しています。デイナイトカメラプロジェクトの場合、光学的な議論は、センサー、IR カットフィルターの配置、動作波長、視野、機械的寸法から始める必要があります。

お客様は Boshi Optics の M12 レンズ製品群を確認したり、カスタマイズされた光学製品を通じてアプリケーション固有の要件について話し合ったりすることができます。完全なカメラ構成を共有することは、Boshi Optics チームが標準レンズが適切かどうか、またはカスタマイズされた光学ソリューションを検討する必要があるかを評価するのに役立ちます。

結論: IR カットフィルターとレンズを 1 つのイメージングシステムとして扱う

IR カット フィルターは、カメラのカラー画像とモノクロ画像を切り替えるために追加される単なるアクセサリではありません。センサーに到達するスペクトルエネルギーが変化するため、色、感度、および潜在的なフォーカス動作に影響を与えます。

信頼性の高い昼夜イメージングを行うには、可視光と赤外線の動作範囲を指定し、レンズのスペクトル動作を確認し、選択した IR カット フィルターを使用して両方のモードで最終的なカメラを検証します。最良の結果は、レンズ、フィルター、センサー、照明、スイッチング機構を 1 つの調整されたシステムとして扱うことによって得られます。