On SemiconductorのCMOSセンサを活用したマシンビジョンアプリケーションの探究

機械の進歩は止まることを知らず、数々の成長しつつある革新的なアプリケーションにおいて、視覚機能の必要性が高まっています。現実世界から視覚情報を認識し解釈する機能を機械に組み込むためには、画像センサ、システムコンポーネント、および画像の取り込み、分析、リアルタイムでの処理を行うアルゴリズムが必要です。

マシンビジョンアプリケーションの開発には重要なトレードオフが存在するため、設計者は多くのユースケースと性能レベルに対応可能な堅牢な製品セットにアクセスする必要があります。On Semiconductor（onsemi）は、高性能なグローバルシャッターCMOSイメージセンサからコスト効率の高いローリングシャッターセンサまで、幅広いビジョン製品ポートフォリオを提供しています。さらに、統合型オンボード画像システム処理ソリューションもラインナップしています（図1）。

図1：On Semiconductorは、多様なアプリケーションのニーズに対応するため、幅広い種類のCMOSセンサを提供しています。（画像提供：On Semiconductor）

グローバルシャッターセンサは、すべてのピクセルを同時に取り込み、その瞬間の画像を止まったかのように記録します。高フレームレートのグローバルシャッターセンサは、高速、予測不能、または高精度な環境において、マシンビジョンシステムが高精度かつ信頼性高く動作できるようにします。しかし、高いフレームレートは、電力消費、帯域幅、および発熱量の増加を伴います。

ローリングシャッターセンサは、細かく画像を読み込み、電力効率が高く、コストパフォーマンスに優れています。ただし、これらのセンサは、速度や精度よりもサイズ、電力消費、予算が重要なドキュメントスキャンや低コストスマートデバイスなどの静止または低速なアプリケーション向けに設計されています。

ビジョンアプリケーションの需要の拡大

マシンビジョンアプリケーションの需要の急拡大は、自動化の推進、人工知能（AI）の統合、および多様な産業における品質管理の必要性の高まりに後押しされています。年間成長予測は、8%から13%の範囲で、2025年の市場規模は$160億から$230億と推定されています。

製品設計者にとって重要なことは、マシンビジョンが産業分野の伝統から脱却し、民生用電子機器、医療、農業や物流を含む幅広いビジネス分野において、中心的な機能として台頭している点です。

設計者は、マシンビジョンを消費者向けスマートホーム製品、ロボティクス、自動車、医療機器などに組み込む機会を得ています。これらの製品は、現実世界で起こっていることを認識し、解釈し、それに対応できる能力を備えています。

このようなアプリケーションの成功は、光学、電力、処理、およびコネクティビティにおけるトレードオフのバランスを適切に取る能力に大きく左右されます。onsemiの豊富なビジョン製品のラインナップは、設計者が速度、画像品質、統合性、コスト効率のバランスを最適化するための選択肢を提供します。

グローバルシャッターオプション

高速移動するシーンのクリアでブレのない画像撮影には、設計者はARX383CSSM00SMKA0-CRが使用可能です。これは、VGA解像度を備えた0.3メガピクセルのグローバルシャッターセンサシリーズの1つで、フル解像度で最大120フレーム/秒（fps）の撮影が可能です。このセンサは、薄暗い環境から明るいシーンまで、クリアで低ノイズな画像を生成し、連続動画と単一フレームの撮影の両方が可能です。これにより、多様なアプリケーションに対応する汎用性の高いソリューションとなります。

AR0235CSSM00SMKA0-CRは、高速ビジョンシステム向けに設計された2メガピクセルのグローバルシャッターセンサです。AR0235シリーズを含むこのセンサは 、120fpsでフル解像度での高精度かつ高速な動体の取り込みに最適化されており、高速な移動環境下でもモーションブラーを完全に除去できます。これにより、スキャンや産業用検査アプリケーションに最適です。

低コストのグローバルシャッターオプションとして、AR0145CSSM28SMKA0-CRがあります。これは、60fpsのフレームレートを備えた1メガピクセルCMOSセンサシリーズの1製品です。MIPI専用インターフェースを採用し、組み込みビジョンモジュール、コンパクトスキャナ、ロボティクスなど、高解像度が不要なアプリケーション向けにコスト効率の高いコンポーネントを提供します。

ローリングシャッターセンサ

ローリングシャッターカテゴリにおいて、onsemiは2メガピクセルのAR0246NPSC10SMKA1-CRを含むシリーズを提供しています。このセンサは、1920 × 1080ピクセルのアクティブピクセルアレイを採用し、信頼性の高い中解像度画像を提供します。低消費電力かつコスト効率に優れたビジョンシステム向けに設計されたこの製品は、組み込み型カメラやスマート監視システムなど、連続動画と単一フレーム撮影の両方をサポートするアプリケーションにおいて、画像品質とコストパフォーマンスのバランスを実現しています。

低消費電力で高速かつ高精度な移動シーンの撮影が求められるアプリケーションでは、5メガピクセルのAR0544CSSC11SMKA1-CP2ローリングシャッターセンサが設計者の選択肢となります。この小型で高性能なセンサは、最大60fpsの高解像度画像を提供し、ラインインターリーブHDR（LI-HDR）モードでは30fpsの撮影に対応しています。

さらに、NOIP1SE2000A-LTIは、オンボード画像信号プロセッサ（ISP）を搭載した2メガピクセルのセンサです。これにより、センサは自動露出、色補正、さらには基本的な圧縮処理など、重要な機能を直接処理可能です。これは、遅延と電力効率が重要な要因であり、性能を妥協できないアプリケーション（ドローン、ウェアラブルAR/VRシステム、またはスマートカメラなど）において、大きな利点となります。

これらの製品は、数百種類に及ぶCMOSセンサ製品ラインアップのほんの一部に過ぎません。さらに、onsemiは、シリアライザ/デシリアライザチップセット、電源管理 IC、評価キットおよび開発ボード、組み込みアルゴリズム、チューニングツールなどのサポート製品を提供し、設計者がエンドツーエンドのビジョンシステムを構築するための包括的なエコシステムを提供しています。

まとめ

onsemiのCMOSセンサ、サポートコンポーネント、ツールからなる包括的なエコシステムにより、設計者は光学、電力、処理、コネクティビティに関する技術的な課題を克服できます。onsemiの製品ラインアップの広さと柔軟性は、設計者が独自のニーズに合ったソリューションを選択できるようにし、スマートホーム、ロボティクス、医療、自動車技術など、多様な市場における技術革新を可能にします。