異物検査用　
普及型分光カメラ実現に向けて

用途：製造業

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解決提案
異物検査用普及型分光カメラ実現に向けて

背景

異物検査の自動化の動き

食品製造業において、異物検査は、食品の安全性の確保のために必要不可欠な工程の一つです。食品の製造過程で混入する異物には、たとえば虫、植物の種子、木片、砂利、貝殻、陶器片などがあります。これらを人や機械で発見する工程が異物検査です。この検査をよりスピーディーで精度よく行うためにカメラを用いて自動化する動きがあります。

課題

現状での選択肢

カメラを用いて食品内の異物を検出するには、形と色の両方に着目して、食品と異物の違いを検出するのが効率的なアプローチです。検出が比較的容易な場合は、カラーカメラを使って検査する方法や、それとAIを組み合わせる方法が有効です。

しかし、カラーカメラでは識別できない場合があります。たとえば、食品と異物の色と形が両方とも酷似する場合です。そのようなときに利用されるのが、RGB以外の波長情報を取得して異物と食品を選別するシステムです。現在、以下の方法がよく取られています。

1)　マルチスペクトルカメラを使う方法：

マルチスペクトルカメラとは１台で一度に数百の異なる波長の情報が取得できるカメラのことです。しかし、膨大に得られる波長データの中から、異物の選別に適した画像を選び出すことが困難です。カメラのサイズも非常に大型となります。また、カメラの価格も一般的なカメラに比べて高価になります。
2)　一般的なカメラとバンドパスフィルターを複数セット設置する方法：

これは、1)よりも安価に実現できる方法です。異物の選別に適した波長帯をあらかじめ複数選択しておき、それらの波長のみを通過させるバンドパスフィルターとカメラを用意します。バンドパスフィルターとカメラは、異物の選別に必要な波長の数だけ必要です。マルチスペクトルカメラを導入するより安価ですが、複数のカメラを設置できるスペースが必要になります。また、複数のレンズ、バンドパスフィルターなどの周辺機器も必要なので、必要な波長数があまりに多い場合、費用が膨らみます。加えて、複数の波長を同時に組み合わせて一画像として使いたい場合は、同じ画角でそれらを同期させて被写体を撮影するのは困難です。

このように、高度な異物検査を導入するにあたっては、価格やシステムの大型化、複雑さが課題です。

ソリューション

普及型分光カメラの実現を目指して

ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社（以下、SSS）では、食品製造業界のこの課題に対する解決策として、異物検査に最適化した普及型分光カメラの実現を検証しています。現在、市販のガラスフィルターとSWIRイメージセンサー（IMX990^※）を組み合わせ、各検査に最適な分光カメラシステムを簡易的に構築できるか確認しています。

※IMX990は、SenSWIR™技術を搭載した高性能のSWIRイメージセンサーです。単体で可視光を含む0.4μm～1.7μmの広帯域撮像が可能です。（→SWIRイメージセンサー）

実現手段

現在市販されているマルチスペクトルカメラには様々な分光方式があります。その中の一つが、スリットを通った光をプリズムや回折格子といった分光器を使ってイメージセンサーの像面に波長情報を展開し、それをラインスキャンで読み出す方式です。（下図「マルチスペクトルカメラ」参照）

この方式は、解像度の低下が起こらないことが長所ですが、カメラが大型で高価になりやすいことが短所です。ただし、ラインスキャンで読み出すため、被写体かカメラが一定の速度で動くシーンでしか活用できないという制約があります。しかし、製造業では被写体がベルトコンベアによって一定の速度で流れてくることが多いため、広く使われています。

そこでSSSでは、この方式をベースとし、分光器をプリズムや回折格子以外のものに置き換えることで、小型で安価な普及型分光カメラを作ることができるのではないかと考えました。

具体的には、複数の異なる波長を透過するガラスフィルターで分光する方法です。このガラスフィルターはプリズムや回折格子と比べて安価で、イメージセンサーの直上に設置することで、従来のカメラと同じサイズで、ラインスキャン型の分光カメラを実現できます。（下図「普及型分光カメラ」参照）

評価結果

下の写真は、クルミの殻の選別検査を想定した評価結果の比較です。一般的にクルミは殻割り後、ふるいにかけることで実と殻を分けますが、完全に殻を除去することは難しく、除去しきれなかった殻を人手で検査・除去しています。その人手で行う検査を想定し、一般的なカラーカメラと普及型分光カメラで撮り比べてみました。

左は一般的なカラーカメラで撮影した画像です。クルミと除去しきれなかった殻の色が近く、似た形状の殻は特に見分けることが困難です。

右は普及型分光カメラで撮影した画像です。クルミの実と殻を見分けることに適した4つの波長で撮影し、それらの画像を使って異物に相当する殻を赤色にカラーマッピングする処理を施しています。これにより、カラーカメラでの画像では見分けることが難しかった殻を容易に識別できます。（右写真の赤い色が殻を表す）

クルミの異物検査の例

従来のシステムとの比較

マルチスペクトルカメラはあらゆる異物検出シーンに対応することができますが、用途を限定した場合、4波長あれば精度の高い識別ができると仮定しています。この条件で３種類のシステムを比較すると以下のようになります。普及型分光カメラは、低価格かつ撮影データの処理もシンプルで導入しやすいシステムです。サイズも小型で設置も容易です。

４波長での異物検査を行う場合の比較

	普及型分光カメラ	一般的なカメラ４台	マルチスペクトルカメラ
		（選別に必要な波長に対応したバンドパスフィルター付）
価格	安い	高い	非常に高い
カメラシステムが取得できる波長数	４波長	４波長	数百波長
波長選択	不要	不要	必要
設置に必要なスペース	カメラ1台分	カメラ4台分	カメラ十数台分
同一画角での４波長の同時撮影	できる	できない	できる