カメラ用赤外線照明の性能はルーメンではなくワットで表す

これまでオペレーターの目が担ってきた機械上の役割を、カメラが引き継ぎつつあります。油圧ショベルの接近検知、フォークリフトの歩行者検知、遠隔操作ローダーのマルチカメラ映像などです。夜間にはそのすべてが光を必要としますが、その光は目に見える必要はありません。

当社はこうした機械向けに密閉型の作業灯を製造しており、今月、車両用照明の販売店から850 nmのヘッドランプの問い合わせを受けました。この依頼を検討する過程で、白色光の仕様書すべてに共通する欠落が明らかになりました。業界全体が灯具の比較に使っている数値が、赤外線灯には存在しないのです。

本稿では、その理由、灯具に費用をかける前にカメラで確認すべきこと、850 nmと940 nmの選び方、そしてルーメンの代わりにサプライヤーへ求めるべき数値を説明します。

結論を先に述べると、ルーメンは人間の目の応答に対して定義されており、赤外線光はその曲線の外側にあるため、赤外線灯はルーメンではなく放射パワーと所定距離での放射照度で規定されます。灯具を比較する前に、カメラが夜間にIRカットフィルターを外すか、あるいは最初からフィルターを持たないことを確認してください。固定フィルターのカメラは赤外線光を見ることができません。到達距離を優先するなら850 nmを選び、光源のかすかな赤い光そのものが問題になる場合に限って940 nmを選びます。

オペレーターには見えない光をカメラが必要とする理由

カメラベースの検知システムが暗闇で機能しなくなる理由はオペレーターの場合と同じで、センサーに光が届かないからです。違いは、カメラには他の何も照らさない光を与えられることです。

土工機械の衝突警報は現在、標準化された機能です。ISO 21815-1:2022は、物体を検知してオペレーターに警告するための一般要求事項を定めています。この規格は特定のセンサーではなく機能を中心に書かれており、カメラベースのシステムもそれに適合するよう設計されるものの一つです。フォークリフトの歩行者検知カメラ、運搬トラックの後方カメラ、遠隔操作機械のカメラアレイには共通のニーズがあります。機械が稼働するすべての時間帯において、使える画像を形成するのに十分な光を現場に当てることです。

白色作業灯はこのニーズを満たしますが、代償があります。現場全体を照らし、機械に向かい合う人にグレアを与え、カメラではなくオペレーターの視野に合わせて照射されます。赤外線エミッターは、センサーが利用でき人がほとんど気づかない波長で、カメラが見ている場所に正確に光を当てます。固定設置の防犯カメラで赤外線照明が標準になっているのはそのためであり、いま同じ流れが機械上のカメラにも及び始めています。

本稿のきっかけとなった問い合わせには、完全な仕様図面が添付されていました。電圧、寸法、取付方法、コネクターが記載されていました。記載できなかったのは、その数値が存在しないため、ルーメンでした。

ルーメン値では表せない灯具

すべてのルーメン値の背後にある量である光束は、灯具の放射パワーを人間の目の分光感度で重み付けして定義されます。この重み付け関数はV(λ)として知られ、CIE物理測光システムであるISO/CIE 23539に規定されており、CIEは360 nmから830 nmまでの値を公表しています。830 nmを超えると公表された表はそこで終わっており、その先の放射はルーメン値に何も寄与しません。

一般的な赤外線照明の波長は2種類とも、この境界の外側にあります。850 nmや940 nmのエミッターは数ワットの光パワーを放射しながら、光束はゼロのままです。ルーメンの定義の基準である目が、これらの波長に応答しないからです。この数値は定義上ゼロなのです。

これは仕様書に書くべき内容を変えます。当社の用語集ルーメン・ルクス・カンデラの違いで扱っている白色光比較の語彙一式には、目を介さずに同じ幾何学的関係を表す放射量の対応語があります。

カメラが使える画像を得られるかどうかを決める数値は作業距離での放射照度であり、これは人にとって作業面の照度が決め手になるのとまったく同じです。当社の記事作業灯に3,000ルーメンは足りるのかでは、白色光についてこの議論を展開しています。赤外線の場合、ルーメン値は役に立たないどころか、存在しないのです。

赤外線灯をルーメンで見積もるサプライヤーは、光出力とは無関係な電気的ワット数から換算しているか、850 nmエミッターのかすかな可視域の裾を数値化しているかのどちらかです。どちらの数値も、カメラに届く光を表していません。

850 nmか940 nmか：到達距離と発光の見え方

2つの標準波長の選択は、カメラがどこまで見えるかと、灯具が人に見えるかどうかのトレードオフです。

自社のカメラに赤外線照明を組み込んでいるAxis Communicationsは、監視用途の赤外線に関する公開ホワイトペーパーで、このトレードオフを明快に述べています。850 nmエミッターは光源にかすかな赤い光が見えるのに対し、940 nmエミッターは見えません。しかしイメージセンサーは940 nmでの感度が低いため、同じ出力なら850 nm灯具のほうが遠くまで届きます。Axisはこの理由から自社製品に850 nmを採用しました。

機械上では、850 nmの赤い光はたいてい問題ではなく、むしろ利点です。機械の周りを歩くオペレーターがエミッターに通電していることを確かめる唯一の手段であり、到達距離を犠牲にすることもありません。940 nmを選ぶのは、光源から一切の光が見えてはならないことを用途が本当に要求する場合に限り、その際はより大きなエミッター出力か、より短い検知距離を見込んでください。

灯具を買う前にIRカットフィルターを確認する

この分野で最も高くつく失敗は、赤外線光を見ることができないカメラのために赤外線灯を購入することです。よくある失敗であり、仕様書からは見えません。

カラーイメージセンサーは近赤外域までかなりの感度を持ちます。この感度は昼間の色再現を損なうため、ほぼすべてのカラーカメラはセンサーの前にIRカットフィルターを備えています。固定フィルターのカメラではフィルターが常に定位置にあり、850 nmの光はセンサーに届く前に遮断されます。デイナイト型カメラでは、光量がしきい値を下回るとフィルターが機械的に外され、センサーは赤外線光を利用するようになります。Axisはこの切り替え動作を同じホワイトペーパーで説明しています。マシンビジョンに使われるモノクロカメラには、フィルターがまったくないものも少なくありません。

つまり、赤外線照明が機能するかどうかを決めるのは灯具ではなくカメラです。次の3つの質問で決着がつきます。

そのカメラは、IRカットフィルターを外せるデイナイト型ですか、それとも固定フィルターのカラーカメラですか。ベンダーのデータシートに記載があります。なければ問い合わせてください。

どの光量で切り替わり、それを手動で強制できますか。ナイトモードを手動で設定できるシステムもあり、明るい場所と暗い場所を行き来する機械では重要です。

検知ソフトウェアは同じ画像ストリームで動作していますか。オペレーター用の視認カメラとは別のセンサーを使う検知システムには、専用の照明が必要になる場合があります。

データシートのいらない5秒間の確認方法もあります。赤外線リモコンの多くは近赤外エミッターを使っています。暗闇でリモコンをカメラに向けてボタンを押してください。カメラの画像にエミッターの点滅が映れば、センサーは前面にあるフィルターを通して近赤外光を受け取っています。何も映らなければ、赤外線灯も同様に何も映りません。

見えない光でもフリッカーは起きる

パルス幅変調で駆動される赤外線LEDは毎秒何度も点灯と消灯を繰り返し、シーンをサンプリングするカメラにはその切り替えが横縞や、隣接フレームより暗いフレームとして映ります。誰にもフリッカーは見えません。光そのものが見えないからです。だからこそ診断されないまま放置されます。

車載カメラシステムはすでにこれを標準化せざるを得ませんでした。車載システム画質に関するIEEE規格であるIEEE 2020-2024は、測定方法を規定する画質属性の中にLEDフリッカーを挙げています。フリッカーのある画像ストリームで動作する検知アルゴリズムは、フレームによって使える情報量が少なくなり、失われるフレームは人が気づくものとは限りません。

機械上の赤外線灯について実務上問うべきは、ドライバ回路がパルス式ではなく定電流式かどうか、調光のためにパルス式であればその周波数はいくつか、という点です。ドライバ回路の方式は書面で確認してください。同じドライバ電子回路はカメラの配線のすぐ隣にも位置し、ドライバがノイズを出せば最も被害を受けやすいのがその配線です。これはCISPR 25（車載電子機器のEMC規格）の問題であり、当社は無線機側の視点からE-Mark取得の灯具でもラジオとGPSに干渉するのはなぜかで取り上げました。カメラはそのリストの次の受信機です。

見えない光には独自の安全基準が必要

まぶしい灯具に対する目の通常の防御は、目をそらし、まばたきし、瞳孔を閉じることです。これらの反応はすべて光が見えることを前提としています。赤外線光はそのどれも引き起こしません。

ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性規格であるIEC 62471は、200 nmから3,000 nmまでの光放射を対象としており、両方の赤外線照明波長を含みます。また、角膜、水晶体、網膜に対する赤外線の危険性を可視光の危険性とは別に評価します。製品は、免除のRG0から高リスクのRG3までのリスクグループに分類されます。赤外線灯は見えないからといってこの分類を免除されるわけではありません。むしろ、見ている人に何の警告も与えないことこそが、この分類が存在する理由です。

サプライヤーにIEC 62471のリスクグループと、評価に用いた距離を求めてください。ここで曝露限界値を転載しないのは、文脈から切り離して写された限界値が、安全性の表をそれ自体の危険源に変えてしまうからです。試験距離を伴うデータシート上のリスクグループこそ、比較すべき数値です。

見えないことから、実務上の注意点が2つ導かれます。第一に、赤外線エミッターはカメラ自身の画像を使って取り付けと照準を行うべきです。ビームがどこに向かっているか誰にも見えないからです。第二に、動作の目に見える兆候を示さない灯具には、通電を示す別の手段が必要です。850 nmの赤い光、ステータスLED、機械のコントローラーへの故障信号など、いずれかで対応します。

問い合わせに記載すべき内容

サプライヤーは、赤外線灯を、それが仕える対象のカメラに対してしか規定できません。有用な回答が得られる問い合わせには、カメラの詳細が最初に、灯具の詳細がその次に書かれています。

同じ機械に載る白色灯も密閉性と耐振動性について同じ言葉で規定されており、頑丈な LED 作業灯のシリーズを見ると、それらの数値がデータシート上でどう表されるかがわかります。フォークリフト安全灯のシリーズは、カメラベースの歩行者検知が照明の問題に最初に出会うことが最も多い場所です。

よくある質問

カメラは850 nmの赤外線光を見ることができますか？

何にも遮られなければ見えます。イメージセンサーは850 nmに感度がありますが、固定式IRカットフィルターを備えたカラーカメラは、その光がセンサーに届く前に遮断します。デイナイト型カメラは低照度でフィルターを外し、850 nmをよく捉えます。赤外線灯を買う前にカメラの種類を確認してください。

機械用カメラには850 nmと940 nmのどちらが適していますか？

ほとんどの場合は850 nmです。イメージセンサーの感度が高いため同じエミッター出力でより長い到達距離が得られ、光源のかすかな赤い光によって灯具の点灯を人が確認できます。940 nmを選ぶのは光源から可視光がまったく見えてはならない場合に限り、その代償はエミッター出力か到達距離で支払うことになります。

赤外線灯にルーメンの定格はありますか？

ありません。ルーメンは人間の目の応答曲線に対して定義されており、赤外線波長はその外側にあるため、赤外線灯の光束は定義上ゼロです。代わりに、ワット単位の放射束と作業距離での放射照度で赤外線灯を比較してください。

赤外線LED灯を直視しても安全ですか？

自動的に安全とは言えません。赤外線灯はIEC 62471に基づき可視光の灯具と同じリスクグループに分類されますが、まぶしい光源に対する目の通常の反応、すなわち目をそらし瞳孔を閉じる反応は、見えない光には起こりません。サプライヤーにリスクグループと評価に用いた距離を求めてください。

まずはカメラから

本稿が決着をつけるのは、何を求めるべきかという点です。カメラが夜間に赤外線を捉えることを確認し、到達距離と発光の見え方から850 nmか940 nmかを決め、ルーメンではなく作業距離での放射照度、ドライバ回路の方式、IEC 62471のリスクグループで灯具を規定してください。

機械カメラ用の赤外線エミッターは、当社が現在取り扱っている製品ではなく、製品化を検討中の製品ラインです。夜間に機械上でカメラを運用されている場合は、カメラの機種とカバーすべき距離をお知らせください。その機械向けの密閉型エミッターに何が必要かをお伝えします。それまでの間、同じ機械に載る白色灯は頑丈な LED 作業灯のシリーズで規定されており、本稿の出発点となった議論は白色光について作業灯に3,000ルーメンは足りるのかで展開しています。

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