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高速撮影 リアルタイムハイパースペクトルカメラ

製品名

ULTRIS-H5

最大75Hzの高速撮影対応モデル VNIR 450-850nm / 51バンド

リレーレンズオプション リレーレンズオプション

  • リレーレンズオプション
  • リレーレンズオプション
point
  • 最大75Hzの高速撮影に対応
  • スナップショット・ビデオ撮影(連続)に対応
  • VNIR 450-850nm / 51バンドに対応
  • 解像度290×275ピクセル
  • 10GigEインターフェース
  • TIFF/ENVI形式でのファイル出力に対応
  • MatLab、Python、C++対応の開発用SDK
  • 固定視野15°
  • ラジオメトリックキャリブレーション標準付属
  • リレーレンズで顕微鏡・レンズに対応(オプション)

Cubert社の ULTRIS-H5 は、ライトフィールド技術をハイパースペクトルイメージングに応用した画期的な製品です。リニアに波長が変化するバンドパスフィルタとマイクロレンズアレー(MLA)の組合せで、1波長当たり290×275の解像度で、低ノイズにリアルタイム分光イメージングを実現しました。

波長は、可視から近赤外域(450-850nm)に対応しており、51バンドの波長を撮影可能です。10GigEインターフェースの採用によって、最大75Hzの高速撮影に対応しています。この超高速ハイパースペクトルカメラは、特に産業およびバイオメディカルのアプリケーションにおいて時間的な変化の速いプロセスのモニタリング用に設計されています。

リレーレンズオプションを使用することでCマウントへの変換が可能です。マクロレンズ、フィッシュアイレンズ、顕微鏡、内視鏡、検眼鏡や工業用検査装置など、あらゆる光学系と組み合わせることができます。

マシンビジョン/バイオメディカル/研究開発
商品コード(型番) AR-ULTRIS-H5
波長域 450 ~ 850nm
バンド数 51バンド
波長分解能(FWHM) 26nm @ 532 nm
波長サンプリング間隔 8nm
解像度(分光) 290×275
最大フレームレート 75Hz
出力階調 12ビット
検出器 Sony IMX264
積分時間 0.1 ~ 1000ms
インターフェース GigE
FOV 15°(オプションで変更可能)
サイズ 60×60×100mm
重量 495g
PC環境

通常のギガビットイーサネットポートで使用できますが、高速撮影にはより広い帯域幅が必要となります。
参考スペックとして、10Gbit/s PCIeネットワークカードを搭載したデスクトップPCでは約76fps、5Gbit/s USB-Cネットワークドングルを搭載したノートパソコンでは約60fpsで、ハイパースペクトルキューブを保存することができました。
解像度290×275、単波長のライブ処理は、デスクトップコンピュータでは約33fps、ノートPCでは約32fpsで実行できました。

  デスクトップPC
カスタム
ノートPC
例:Lenovo Legion 5 151TH6H
プロセッサ AMD Ryzen 5 5600X / 3.7-4.6 GHz
(6コア)
Intel Core i7-11800H / 2.3-4.6 GHz
(8コア)
RAM 32GB DDR4-3200 32GB DDR4-3200
SSD Crucial P5 Plus SSD
PCIe 4.0, NVMe
Micron 3400 SSD
PCIe 4.0, NVMe
ネットワークアダプタ Intel X550-T2 10bBit/s PCIe 3.0 x4 US5GC30 5Gbit/s USB-C
フレームレート 録画時 76fps(Hz) 60fps(Hz)
フレームレート ライブ処理時 33fps(Hz) 32fps(Hz)
ラジオメトリックキャリブレーション

すべてのCubert社ハイパースペクトルカメラは、ラジオメトリック校正が実施されます。今まで対応していたRAWデータと反射率(reflectance)に加えて、放射輝度(Radiance)のデータも取得できるようになりました。放射輝度は、放射面上の一点から放出される光線 の強度を表す物理量で、フィールド・ラボ測定や光の特性評価などあらゆる校正プロセスにとって重要な情報となります。反射率は入射に対する反射の比率で、放射輝度は物理単位(W/m² sr nm)で表される表面から出るエネルギー束です。


晴れた屋外にてマクベスカラーチェッカーを、95%白色反射ターゲットで補正したULTRIS X50で撮影(RGBトゥルーカラー画像)。

カラーチェッカーを反射率(REFLECTANCE)データで取得。
スペクトルの色は、カラーチェッカーの色に対応。400nm未満の波長はオゾン吸収、960nm付近の波長は大気中の水蒸気による吸収でノイズが発生。

カラーチェッカーを放射輝度(RADIANCE)データで取得。
スペクトルの色は、カラーチェッカーの色に対応。400nm未満の波長はオゾン吸収、960nm付近の波長は大気中の水蒸気による吸収で信号がゼロ付近まで落ちている。

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CubertのCUVISソフトウェアは、グラフィカルインターフェースを採用し、複雑な操作なしでご利用いただけます。直感的なインターフェースは、処理アルゴリズムや分類のカスタマイズに対応し、分析を容易にしました。

スナップショット撮影、動画撮影、トリガー撮影、積分時間設定、ダーク・ホワイトリファレンス取得、フレームレート設定などの標準的な撮影はもちろん、リアルタイムでの波長表示や設定した指標でのリアルタイムフィルタ表示にも対応しています。撮影後は、データのスペクトル表示や反射率変換、放射輝度変換、分光画像とパンクロマチック画像をパンシャープン処理も可能です。出力は、TIFFやENVIなどのフォーマットから選択が可能です。

ソフトウェア開発用のSDKも提供されており、機器への組み込み、無人航空機やヘリに搭載してWiFiなど無線通信にて測定を行うことが可能です。

GUI機能 カメラ設定:積分時間、フレームレート、平均化
録画:ハードウェアトリガーモード、GPSモジュール(オプション)
リファレンス:ダークリファレンス、ホワイトリファレンス
ライブ処理:ラジオメトリック補正、分光放射輝度、カスタムアルゴリズム
ライブスペクトルプロット:エリア、複数選択
ライブ分類:perClass MIRA/ perClass Toolbox パイプライン
OS Windows 10,11 64bit
Ubuntu 20.04 LTS ※UbuntuはGUIには対応しておりません
PC環境 Intel i5以上、RAM 8GB(16GB以上推奨)
SDK
C、C++、C#、Python(3.9)、Matlab
GitHub:Cuvis.hub
出力フォーマット TIFF(Single/Multichannel , EXIF , GPS IFD , XMP), ENVI
外部ソフトウェア例 perClass MIRA , Agisoft Metashape , Matalb

簡単・多機能GUI

CUVIS TOUCHは分かりやすいユーザーインターフェイスで構成されており、カメラを接続してすぐに使い始めることができます。
ローカル接続とリモート接続の両方に対応しています。様々な表示機能を持っており、独自のアルゴリズムや分類で処理結果を作成することもできます。
SDKも提供されており、システムへの組込みにも対応しています。


<表示モード例>
RGB:RGBカラー
CIR:赤外カラー
CAI:クロロフィル吸収積分
hNDVI:ハイパースペクトル正規化植生指標
Rededge:レッドエッジ

データエクスポート

ハイパースペクトルデータは、EVNIファイルまたはTIFFファイルに保存することができます。
TIFF形式は、簡易的なビューアソフトや専用ソフトウェア(qGIS、AgisoftMetashape)に対応するように調整することが可能です。
独自のアルゴリズムや分類をデータに適用して、表示や計算処理することもできます。
また、エクスポートにより、異なるリファレンスや異なるプロセスでデータの再処理を行うこともできます。

ソフトウェア開発キット(SDK)

Cubert SDKは、カメラをユーザの確立されたプロセスに円滑に統合するために活用いただけます。
トリガーによる画像取得、ライブ表示、キャリブレーション、異なるモードでのデータ処理、取得画像の再処理、およびエクスポートの機能を備えています。
C++、Matlabなど、一般的に使用されているプログラミング言語でも利用可能です。産業分野だけでなく科学分野のユーザー要件にも対応しています。

perClass Mira分類処理ソフトウェア ※オプション

ハイパースペクトルデータを最大限に活用するため、オプションで分類ソフトウェアを提供しています。
取得データをperClass Miraでデータにラベルを付け、分類モデルを自動生成し、カメラでライブ表示することが可能です。
機械学習やプログラミングなどの専門的な知識を必要とせずに分類を行うことができます。

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ライトフィールド・ハイパースペクトルカメラ

ULTRISシリーズは、ライトフィールド技術をハイパースペクトルカメラに応用した革新的な製品です。
リニアに波長が変化するバンドパスフィルタとマイクロレンズアレイの組合せで、リアルタイムに高解像度の分光画像が取得できるようになりました。
一般的なライトフィールドカメラは、イメージセンサの前にマイクロレンズアレイを配置しており、少しずつ角度の異なる画像を生成し、その角度の違いから光の方向を計算することができます。一方、ライトフィールド・ハイパースペクトルカメラでは、更にフィルタを加えることによってカメラに波長という別次元の情報を付与した。
これにより、画像毎に異なる波長が記録され、解像度を犠牲にせずに分光情報として利用することができます。

一般的なのライトフィールドカメラの動作原理。
カメラアレイが様々な角度からシーンを捉えることで、光の強さや位置、光の方向が記録されます。

ハイパースペクトル・ライトフィールドカメラの動作原理。
カメラアレイは、光の波長と放射強度、位置と方向が記録されます。


ULTRIS X20のフィルター仕様
優れたフィルタ性能

高品質で再現性の高いデータ取得のためには、可能な限り高い品質を持つ製品の選択が重要となります。分光システムの品質は波長選択性によって大部分が決まります。
ULTRISシリーズでは、90%以上の透過率、不要波長をOD4(透過率換算0.01%)でブロック、クロストークの低減に対応した高品質のフィルタを使用しており、どの波長においても等間隔のスペクトルを取得することができる高い波長選択性を可能にしています。


100システムからなるテストセットの波長精度
中心波長誤差は-0.8~+0.8nm
再現性の高いデータ

計測の再現性においても、可動部分がなく構造的に安定しており、採用しているフィルタセットは薄く物性による熱の影響を受けにくいことから、高い再現性を有しています。
100個のシステムで再現性テストを行い、波長の誤差は+/-0.8nmの範囲に収まります。このように優れたフィルタ品質により高いスループットを実現、安定した構造で高い再現性を達成しています。

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ULTRIS X20 vs ULTRIS S5 vs FireflEYE V185

FireflEYE V185 は、2012年の発売当時、ワンショットの撮影でハイパースペクトルデータキューブ(x、y、λ)を取得できる世界で初めてのハイパースペクトルカメラでした。プリズムを用いたセンサー技術により、最大70%の光効率を実現しており、125バンド(450-950nm)を分光画像解像度50×50ピクセルで記録することが可能です。50×50ピクセルの解像度では、撮影対象物の細部を確認するためには十分でなく、1バンド(パンクロマチック)のみの2つ目のイメージセンサーを組み込み、1000×1000ピクセルの同軸画像を取得することで、分光画像のパンシャープン処理に対応しました。最終的には最大1000×1000ピクセル×125バンドのサイズに解像度を向上させることができます。

新たに開発されたCubert社のULTRISシリーズは、他にはないライトフィールド技術に基づくHIS(ハイパースペクトルイメージング)カメラです。ULTRIS X20 は、20MP(2000万画素)のUltra HD CMOSセンサーを搭載し、2021年の発売当時、世界最大の解像度を持つイメージングスペクトロメーターとなりました。撮影の際、対象物は中心波長の異なる複数の画像として記録されます。

ULTRISシリーズはモデルによって、レンズレットアレイとモザイクバンドパスフィルター(ULTRIS X20)または連続可変バンドパスフィルター(ULTRIS S5)を組み合わせによって構成されています。ULTRIS X20 は解像度410×410ピクセル、164バンド、350nmから1000nmの波長域を連続的にカバーしており、従来にない168,000スペクトル/枚の同時取得を実現しています。ULTRIS S5 は、解像度290×275ピクセル、51バンドで450nmから850nmの波長域をカバーしています。12ビットセンサーを使用しているため、ノイズレベルを非常に低く抑えながら、波長の微小な差も検出することができます。GigEインターフェースによって、それぞれ最大8Hzと15Hzのフレームレートで撮影可能です。

3モデルの画像比較
3モデルの画像比較
それぞれのRGB画像(トゥルーカラー)、
CIR画像(カラー赤外)、植生指標hNDVI

3つのモデル(FireflEYE V185 , ULTRIS X20 , ULTRIS S5)を同じセットアップに設置し、画像比較を行いました。露光時間は、ホワイトリファレンスを使用して、レンジを最大限利用できるように最適化しました。照明にはタングステン光源(100W)を使用しており、露光時間はそれぞれ12ms(FireflEYE V185)、3ms(ULTRIS X20)、47ms(ULTRIS S5)となりました。サンプルの反射率は、取得画像から暗電流画像を差し引き、 反射率95 %の校正済み白色基準(Zenith Lite)の画像で割ることによって算出しました。暗電流測定と白色リファレンスは、ノイズの少ないデータとなるよう20枚を平均化処理しています。

測定画像は、データを直接比較するため、平均化や後処理を行わずに取得しています。また、各モデルのスペクトル品質を比較するため、シャープニングや平滑化などの後処理は行わずにそのままのデータを表示しています。

右の比較表は、各モデルのハイパースペクトルデータキューブから得られた画像です。最初と2番目は、典型的なRGB(トゥルーカラー)とCIR(カラー赤外)を示しており、下段は植生解析に使用される代表的な指標を示しています。各画像のピクセル毎に、スペクトルカーブの情報を持っています。

FireflEYE V185 では、空間分解能の低さが明らかです。一方、色表現は非常に明瞭で、これは植生指標のノイズがない画像でも確認することができます。ULTRIS S5は空間分解能が比較的低く、バンド数も少ないですが、同等の分光品質と小型・軽量化を実現しています。ULTRIS X20は、高い空間解像度と色のばらつきの少なさ(低い標準偏差)を併せ持っています。画質と分光特性の両方が優れており、画像ノイズについては、FireflEYE V185と比較しても引けを取りません。

3モデルのスペクトル品質比較

ハイパースペクトルイメージングカメラ3つのモデル(FireflEYE V185 , ULTRIS X20 , ULTRIS S5)のスペクトル品質の比較データです。各カメラで取得した、赤、緑、黄のサンプルのスペクトルと、エラーバーによってバラつき(ノイズ)が示されています。

ULTRIS X20では紫外線域にも対応しており、特定のアプリケーションで活用することができます。今回の比較ではハロゲン光源のみを使用したため、ULTRIS X20のプロットでは紫外域をグレーアウトしています。

グラフは、3色の紙をサンプルとして各カメラで取得したスペクトルの特徴を示しています。均一な色を持つ設定エリアにおいて、全画素のスペクトルを平均化しています。標準偏差はセンサーのノイズ量を表しており、波長バンド毎にエラーバーとして表示しています。この結果から、ULTRIS X20は空間分解能が圧倒的に高いにもかかわらず、FireflEYE V185と同等のスペクトル品質を持っていることが明らかになりました。

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ULTRIS 5シリーズはリレーレンズに対応しました。リレーレンズを使用することで、あらゆるCマウントレンズを装着し、ハイパースペクトルデータの取得が可能です。今まで固定視野での撮影のみでしたが、視野や分解能を調整することができるようになりました。レンズは、顕微鏡、内視鏡、工業用レンズや望遠鏡など様々なレンズがご利用いただけます。


こちらの画像は幾何学ターゲットを撮影したサンプルデータです。リレーレンズは、2/3インチセンサー対応のレンズと組み合わせて使用するように設計されていますが、それ以上のセンサーサイズに対応するレンズでも問題なく使用することができます。2/3インチ以下のセンサーサイズに対応するレンズも使用できますがケラレが発生します。


接続可能な光学レンズの種類が豊富で、非常に高いシャープネスと優れたスループットを特徴としています(光透過性の例:16mm F1.8 レンズ使用時、レンズなしカメラと比べて50%のスループット)。


リレーレンズのシャープさはULTRIS 5の解像度を損なうことはありませんが、ライトフィールドマトリクスの端に位置する波長に10%以下の歪みが生じ局所的なチャンネルずれを引き起こす可能性があります。


リレーレンズの登場によりULTRIS 5シリーズの柔軟性は高まり、様々な医療機器への搭載が可能となりました。すでに、手術用ロボット、内視鏡、顕微鏡、眼科鏡などへ搭載した事例があります。他にも、以下のようなアプリケーションへの応用が可能です。


・マイクロスコープ・顕微鏡
・眼底検査、検眼鏡検査
・内視鏡検査
・マクロレンズ
・フィッシュアイ魚眼レンズ
・望遠鏡

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商品コード(型番) 構成/内容 価格
ハイパースペクトルカメラ
AR-ULTRIS-H5 リアルタイム・高速ハイパースペクトルカメラ ULTRIS H5 お問い合わせ
AR-ULTRIS-HR5 レンズ対応・リアルタイム・高速ハイパースペクトルカメラ ULTRIS HR5 お問い合わせ
アクセサリーパッケージ
Lab-Lite 標準パッケージ
(ソフトウェア、SDK、ラジオメトリックキャリブレーション、電源、ケーブル、
リファレンスターゲット、収納ケース)
お問い合わせ
オプション
Lens ご相談ください お問い合わせ
Cal30 校正済み白色反射ターゲット(反射率95%、30cm四方) お問い合わせ
Cal50 校正済み白色反射ターゲット(反射率95%、50cm四方) お問い合わせ
Cal100 校正済み白色反射ターゲット(反射率95%、100cm四方) お問い合わせ
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