概要

Polarsens(ポラセンス)は、複数の異なる角度(4軸)の偏光子を画素サイズに合わせて高精度に形成したCMOSイメージセンサー画素技術です。4軸の偏光情報を活用するPolarsens技術搭載の偏光イメージセンサーは、可視光での撮影では得られえない情報を視覚化できます。これによってさまざまな産業分野の課題を解決します。

*) Polarsensおよびロゴは、ソニーグループ(株)またはその関連会社の登録商標または商標です。

偏光子の参考画像

偏光子の参考画像
Source: Sony, IEDM2016, Lecture number 8.7

Polarsens 基礎編(音声あり)

Polarsens アプリケーション編(音声あり)

技術解説

4方向の偏光子をイメージセンサーに搭載

ソニーの偏光イメージセンサーには4方向の偏光子が搭載されており、ワンショットで4方向の偏光画像を取得することができます(図1)。各方向の偏光子の輝度値からは偏光方向(光の振動方向)と、偏光度(偏光の度合い)を算出することができます。これらを後段の信号処理と組み合わせることでリアルタイム*1に偏光情報*2を得ることが可能になります。

*1) 後段のシステムの信号処理能力に依存
*2) 偏光方向と偏光度

図1 基本構造

図1 基本構造の図

偏光子をOn-Chip Lensの下層に配置

一般的な偏光カメラは偏光子をイメージセンサーの表面に貼り合わせた構造になっていますが(図2)、ソニーの偏光イメージセンサーは、On-Chip Lensの下に偏光子を配置しています(図3)。偏光子とフォトダイオードの距離が近い方が隣接画素に漏れ出す光が少なくなるため、消光比特性*3や斜入射特性が良くなります。

ソニーの偏光イメージセンサーは偏光子を半導体プロセス上で形成しているため、従来の貼り合わせ構造の偏光イメージセンサーと比較して偏光子の形成・配置の精度や、均質性、量産性、耐久性などが優れています。さらに偏光子の上に反射防止層を設けることでフレアやゴーストの影響も大幅に軽減しています。

*3) 消光比とは、偏光特性を表す指標の一つです。イメージセンサーにおける消光比は、透過軸感度と吸収軸感度の比(透過軸感度/吸収軸感度)で表され、数字が大きいほど特性が良いことを表します。

基本構造

図2 従来構造(他社)と図3(右) ソニーセミコンダクタソリューションズの偏光センサーの構図

図2 他社の場合

図3 ソニーの場合

構造比較

図2 従来構造(他社)と図3(右) ソニーセミコンダクタソリューションズの偏光センサーの構図

図2 他社の場合

図3 ソニーの場合

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偏光とは

光には、明るさ(振幅)、色(波長)、偏光(振動方向)の物理的な要素があります。 一般的な自然光や蛍光灯などの光はいろいろな方向に振動しており、その状態は無偏光あるいは非偏光と呼ばれますが、偏光板を介することで特定の方向に偏った光(偏光)を取り出すことができます。

ソニーの偏光イメージセンサーが採用するワイヤーグリッド方式では、偏光子に対して垂直な方向(透過軸)に振動する光を透過し、水平な方向(吸収軸)に振動する光を遮断します。

図4 偏光のメカニズム

図4 偏光のメカニズムの図
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図4 偏光のメカニズム

図4 偏光のメカニズムの図

偏光度と偏光方向

偏光の情報は「どの振動方向に」「どの程度偏光しているか」の2つの要素で示すことができます。前者は「偏光方向」、後者は「偏光度」と呼ばれます。これらの情報を活用することで、従来は可視化や認識が困難であった物体表面の傷・異物・歪みなどの検査への応用や、物体の形状の認識などが可能になると期待されます。

偏光度の例

通常、物体を見る際、私たちはその物体の表面で反射および散乱された光を見ています。反射された光は、物体の材質・色・凹凸などの表面状態や反射の角度などによって、偏光度が変わります。

図5 通常画像

図5 通常画像

図6 偏光度画像

図6 偏光度画像

図6の画像は、偏光度が分かるように表示させた画像です。偏光度が高いほど白く、低い所ほど黒く表示されています。赤枠の中に注目してみると、革と、革を縫い付けている糸の偏光度の差が大きいことから、図5の通常画像と比べて縫い目がよく見えます。

偏光方向の例

反射光の偏光方向の情報から、物体の反射面の向きがわかります。

図7 通常画像

図7 通常画像

図8 偏光度画像

図8 偏光度画像

図8の画像は偏光方向が色でわかるように表示させた画像です。偏光方向の角度をHSVカラーマッピングに図9の通りに配置して表示させています。図8の水色で表示されている立方体の上面は、以下のカラーマッピングに照らし合わせると偏光方向(立方体の上の面の方向)が90度であることがわかります。

図9 HSVカラーマッピングの図

図9 HSVカラーマッピング

活用事例

平面の傷検査

製造現場において、ガラスのような完全に均質な平面に傷の検知をする場合、汚れとの区別も必要になります。傷は汚れとは異なり、特定の向きを持っています。偏光イメージセンサーは、凸凹の偏光度の差を確かにとらえることができるので、特定方向の傷を確かにとらえ、凹凸がランダムな汚れとは区別して検知します。

ガラスの傷・汚れの検出

図10 通常表示の画像

図10 通常表示

図11 偏光度表示の画像

図11 偏光度表示

同質の平面(ガラス板)上に凹凸や異物がある場合の例です(左・右)。 傷や汚れ(指紋、ゴミ)部分の偏光度が周りと差があるので見やすくなります(右)。

関連する分野

電子機器製造

充填検査

製造現場において、偏光度の差を利用して、充填状況の検知が可能です。たとえば、LSIチップのピッキング作業において、チップが正しい位置に収まっているかを確認できます。医薬品製造においては、錠剤とアルミシートの偏光度の差を利用して、錠剤充填の確認に応用が可能です。

アルミシートと錠剤の偏光差を可視化した例

充填検査における通常表示の画像

通常表示

充填検査における偏光度表示の画像

偏光度表示

錠剤とアルミシートの偏光度の差が大きいことを利用すると、 錠剤の充填の有無が見やすくなります(右)。

関連する分野

食品・医薬品・化粧品製造

歪み検査

偏光イメージセンサーは、さまざまな製造業における歪み検査に活用が可能です。色やテカリに紛らわされることなく、正確に歪みの有無を判断できます。また歪みの方向まで検出できます。

眼鏡のフレームのゆがみ

歪み検査における通常表示の画像

通常表示

歪み検査における偏光度表示の画像

偏光度表示

偏光方向が分かると、歪みの有無だけでなく、どの方向に歪んでいるかも分かります(右)。

関連する分野

研究・調査

車内の人数確認(反射除去)

交通の取り締まりにおいて、定点カメラでの観測では、時間帯や角度によってフロントガラスに光が反射し、車内の人の姿を認識できないことがあります。偏光イメージセンサーを適切に設定することにより、反射光の軽減や除去をおこない、車内の人数の検知が可能です。

偏光フィルタなしの画像

偏光フィルタなし

射光が邪魔して車内がよく見えません。

偏光フィルタありの画像

偏光フィルタあり

偏光フィルタで反射光を取り除くことができます。しかし、車種 (窓の角度) によっては反射光が残ります。

偏光イメージセンサー(Polarsens)の画像

偏光イメージセンサー(Polarsens)

偏光イメージセンサーを使うと車種によらず反射光を取り除き、顔認識の精度が向上します。

関連する分野

交通(ITS)

資料ダウンロード

偏光イメージセンサー搭載カメラリスト

ソニーの偏光センサーが搭載されたカメラの一覧はこちらからダウンロードいただけます

偏光を利用した反射除去の原理と偏光イメージセンサーの特長

偏光イメージセンサー技術Polarsensの詳細をご紹介します。

偏光イメージセンサー 概要

偏光イメージセンサーについてまとめた2ページの情報です。

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