カメラモジュールは、光学部品、電子部品、機械部品を一体化し、画像や動画の撮影を行う統合型デバイスです。そのコンパクトな形状、汎用性の高さ、そして大規模システムへの簡便な統合性により、小売業界、医療、精密農業、スマートシティ、自動車産業など、さまざまな分野で利用されています。スタンドアロンカメラとは異なり、カメラモジュールはドローンや産業機器などのデバイスにシームレスに組み込むことができるよう設計されています。
本ブログでは、カメラモジュールの仕組みや一般的な種類、主要なコンポーネントについて、専門家の視点を交えて詳しくご紹介いたします。
カメラモジュールの定義
前述のように、カメラモジュールは、光学データを取得・処理し、デジタル画像や動画を生成するコンパクトで統合的なシステムです。主にイメージセンサー、光学系（レンズおよび赤外線フィルター）、処理ユニット、通信インターフェースといった主要なコンポーネントで構成されています。モジュールは、イメージセンサーを利用して入射する光を電気信号に変換し、その後、用途に応じてJPEG形式、RAW形式、ビデオストリームなど、使用可能な形式へと変換します。
カメラモジュールは、光学部品の性能や電子処理能力だけでなく、サイズ、重量、放熱といった物理的な制約とのバランスを取る必要があります。その性能は、構成されている部品、使用される通信プロトコル、さらにはホストシステムとの統合方法に大きく影響されます。
般的なカメラモジュールの仕組みについて
カメラモジュールが動作する際には、いくつかの工程が段階的に行われており、それぞれの工程が高品質な画像や映像を生成する上で非常に重要な役割を果たしています。
それでは、これらの主要な工程について、順を追って詳しくご説明いたします。
光の捕捉について
入射した光はまずレンズを通過してカメラモジュール内部へと導かれます。レンズはイメージセンサー上に光を適切に集束させる役割を担っており、焦点距離や視野角、被写界深度といった重要なパラメータを決定づけます。
また、絞り機構が備えられている場合には、センサーに届く光の量を適切に調整することが可能です。
光を電気に変換するイメージセンサー
画像センサー（通常は CMOS または CCD）は、レンズによって集められた光を電気信号へと変換する役割を担っています。
センサー上の各ピクセルは、それぞれが受け取った光の強さに応じて電圧を発生させます。この変換の仕組みは、センサー内に配置されたフォトダイオードによって制御されています。
信号調整
信号処理が行われる前に、生の信号はアナログ・デジタル変換（ADC）によってデジタル信号へと変換されます。
このデジタル信号は、撮影されたままの画像データを表していますが、ノイズが含まれていたり、色のバランスや各種補正がまだ適切に適用されていない状態である場合があります。
画像処理
The Digital Signal Processor (DSP) or on-board image processing unit refines the raw image data.
デジタル信号プロセッサ（DSP）やオンボードの画像処理ユニットが、生の画像データを処理・加工します。
データ伝送
処理された出力は、USB、MIPI、GigE、GMSL2などの通信インターフェースを通じてホストデバイスに送信されます。送信されるデータは、アプリケーションの要件に応じて、静止画、動画ストリーム、またはメタデータとして転送されることがあります。
統合とフィードバック
多くのアプリケーションでは、ホストシステムがモジュールにフィードバックを送信し、オートフォーカスの調整、露出補正、複数カメラの同期トリガーなどの作業を実行します。高度なモジュールには、送信前にデータを前処理するためのAIやエッジコンピューティング機能が組み込まれていることもあります。
カメラモジュールのコンポーネント
イメージセンサー
イメージセンサーは、光を電気信号に変換する役割を担っています。センサーは主にCMOS（相補型金属酸化膜半導体）とCCD（電荷結合素子）の2種類に分類されます。CMOSセンサーは、読み出し速度が速く、消費電力が少なく、コスト効率にも優れているため、一般的に多く使用されています。
プリント回路基板（PCB）
PCBは、モジュール内の様々な電子部品の実装と相互接続に役立ちます。イメージセンサー、ISP、その他の部品間の安定した電気接続を確保します。高品質のPCBはノイズと干渉を最小限に抑え、信号の整合性を高めて画像処理を向上させます。
画像信号プロセッサ（ISP）
ISPは、センサーで撮影されたRAW形式の画像データを処理し、使用可能な形式に変換します。これには、ノイズ低減、ホワイトバランス調整、色補正、圧縮などの処理が含まれます。
レンズ
レンズは光をイメージセンサーに集束させ、モジュールの視野と焦点距離を決定します。カメラモジュールは、アプリケーションの要件に応じて、固定焦点や可変焦点など、様々なタイプのレンズを使用します。高品質のレンズは鮮明な画像を提供し、収差を低減し、照明条件を問わず一貫した性能を確保します。
赤外線フィルターは、画質を歪める可能性のある赤外線を遮断することで、正確な色再現を維持します。赤外線フィルターは、自然な色再現が求められるアプリケーションのレンズにおいて重要です。例えば、暗視システムや低照度システムでは、このフィルターを交換または変更することで赤外線波長を捉えることができます。RGB-IR機能は、可視光と赤外線の両方を同時に捉えることができるため、機械的なIRカットフィルターが不要になり、さらに一歩進んでいます。これにより、標準的な色精度と赤外線データが重要となる生体認証、監視、医療診断などのアプリケーションにおいて、画像処理の柔軟性が向上します。
インターフェース
インターフェースはカメラモジュールを外部デバイスに接続し、シームレスなデータ伝送を可能にします。一般的なインターフェースには、MIPI CSI-2、USB、GigE、FPD-Link IIIなどがあり、それぞれ異なる帯域幅と遅延のニーズに対応しています。インターフェースの選択は、画像解像度、フレームレート、アプリケーション要件などの要素によって異なります。信頼性の高いインターフェースは、スムーズなデータフローを保証し、画質を維持しながら遅延を最小限に抑えます。
次に、人気のインターフェースベースのカメラモジュールと、それらがさまざまなユースケースにどのように対応しているかを説明します。
人気のインターフェースベースのカメラモジュール
1) USBカメラモジュール
A USBカメラモジュールは、そのシンプルな設計と、様々なシステムとの高い互換性から広く採用されています。これらのモジュールはプラグアンドプレイ対応のため、ビデオ会議、顔認識、ドキュメントスキャンなど、迅速なセットアップが求められるアプリケーションに最適です。USBモジュールは、VGAからUltra HDまでの多様な解像度に対応し、USB 2.0またはUSB 3.0インターフェースを介して接続することができます。
2) MIPIカメラモジュール
MIPI（Mobile Industry Processor Interface）カメラモジュールは、モバイルデバイス、タブレット、IoTシステムなどに広く使用されています。これらのモジュールは、高速なデータ転送と低い消費電力が特長で、特にスペースとエネルギー効率が重要視される小型デバイスに最適です。MIPI CSI-2インターフェースを通じてホストシステムと接続され、優れた画質を提供します。
3) GigEカメラモジュール
GigEカメラモジュールは、ギガビットイーサネット接続を活用することで、100メートルを超える長距離での高速なデータ伝送を可能にします。複数のカメラから同時に中央システムへデータを送信する必要がある場合に特に適しています。GigEモジュールは、高精度な同期と高解像度を提供し、厳しい環境下でも優れたパフォーマンスを発揮します。
4) GMSL2 カメラモジュール
GMSL2（ギガビット・マルチメディア・シリアル・リンク）カメラモジュールは、リアルタイムでのデータ転送が重要なアプリケーションにおいて非常に効果的です。長いケーブルでも最小限の遅延で接続できるため、ADAS（先進運転支援システム）やロボットシステムに最適です。これらのモジュールは、厳しい環境にも耐えられるよう設計されており、高い耐久性と安定したパフォーマンスを提供します。
カメラモジュールに基づく主な機能
低照度性能
低照度撮影機能を備えたカメラは、 より大きなピクセルのセンサー、裏面照射型（BSI）技術、そしてノイズ低減技術を採用しています。これにより、薄暗い環境でも鮮明な画像を撮影できます。これらのカメラは、追加の照明を必要とせずに視認性を向上させ、ほぼ暗闇の状況でもコントラストを向上させ、細部まで鮮明に映し出します。
オートフォーカス
オートフォーカスカメラは、被写体との距離に関係なく、自動でフォーカスを調整し、鮮明な画像を提供します。位相差検出とコントラスト検出に基づくオートフォーカス機構により、フォーカス調整がより精密に行われ、さまざまなシーンで鮮明な画像を実現します。さらに、AI技術を活用した機能強化により、トラッキング精度が向上し、動く被写体を捉える際にシームレスにフォーカスが切り替わることが可能になります。
グローバルシャッター
ローリングシャッターカメラとは異なり、グローバルシャッターセンサーはフレーム全体を一度に撮影するため、モーションブラーや歪みがなくなります。このため、フレーム全体で均一な露出が保たれ、高速撮影時でも鮮明な画像を得ることができます。また、これらのカメラでは空間精度も保持するため、モーション解析や物体認識の信頼性が向上します。
HDR（ハイダイナミックレンジ）
HDR（ハイダイナミックレンジ）ベースのカメラモジュールは、広範囲な輝度レベルを効果的に捉えることができるため、極端な照明条件下でもディテールの損失を防ぎます。HDRイメージングは、露出オーバーと露出アンダーを最小限に抑え、さまざまな照明レベルにおいて一貫した鮮明な画像を提供します。さらに、ハイライトとシャドウのバランスが取れた露出により、異なる照明条件でも画像の解読しやすさが大幅に向上します。
ハイフレームレート
ハイフレームレートカメラモジュールは、標準的なカメラと比べて1秒あたりのフレーム数（FPS）が多く、これによりモーションブラーを低減することができます。例えば、マシンビジョンにおいては、HFR（ハイフレームレート）カメラが高速で移動する物体を監視する生産ラインで、迅速な欠陥検出を可能にし、重要な詳細を見逃すことなく品質管理を実現します。同様に、スポーツパフォーマンス分析では、ハイフレームレートカメラが人間の目では捉えられない微細な動きを捉えることができ、より正確な分析を提供します。
当社は、世界クラスのカメラモジュールとISPを幅広く提供しています
e-con Systems®は2003年から、OEMカメラソリューションの設計、開発、製造を行っています。当社のカメララインナップには、MIPIカメラモジュール、GMSLカメラ、GigEカメラ、USB 3.2 Gen1/Gen2カメラ、FPD Link-IIIカメラ、ToFカメラ、, ステレオカメラ、, AI搭載スマートカメラなど、様々なカメラをご用意しています。
また、TintE™というFPGAベースのISPも提供しており、これは、完全なイメージングパイプラインを備え、処理ブロックのカスタマイズや様々なFPGAプラットフォームへの柔軟な移植が可能で、高品質な画像処理を実現します。
製品一覧はカメラセレクターよりご覧いただけます。
お客様の組込みビジョンアプリケーションに最適なカメラモジュールの選定や統合について、専門的なサポートが必要な場合は、どうぞお気軽に camerasolutions@e-consystems.com. までご連絡ください。
Prabu Kumarは、e-con Systemsの最高技術責任者兼カメラ製品責任者であり、組み込みビジョン分野で15年以上の豊富な経験があります。彼は、USBカメラ、組み込みビジョンカメラ、ビジョンアルゴリズム、FPGAに関する深い知識をも有しています。医療、工業、農業、小売、生体認証などのさまざまなドメインにまたがる50以上のカメラソリューションを構築してきました。また、デバイスドライバー開発とBSP開発の専門家でもあります。現在は、新時代のAIベースのアプリケーションを強化するスマートカメラソリューションの構築に全力を注いでいます。