Bildverarbeitung: Zeilenkameras überlisten die Dunkelheit

Zeilenkameras benötigen wegen der hohen Scan-Frequenzen im Betrieb viel Licht – aber auch die beste Beleuchtung hat ihre Grenzen. TDI-Sensoren können mittels Mehrfachbelichtung die effektive Belichtungszeit verlängern. Das Ergebnis sind deutlich empf

München, (PresseBox) - Obwohl der Großteil aller Anwendungen in der Bildverarbeitung mit Flächenkameras realisiert wird, ist der Einsatz von Zeilenkameras über alle Industriebranchen hinweg häufig sinnvoll. So lässt die Kontrolle von Endlosmaterial (Textil-, Druck oder Folieninspektion) eine Aufteilung des Prüfobjekts in Einzelbilder, wie mit einer Flächenkamera, nicht zu. Außerdem erzielt man durch den Scan-Mechanismus (in der Regel wird das Objekt oder die Kamera selbst während der Aufnahme bewegt) äußerst hohe Auflösungen, die mit Flächenkameras nicht oder nur mit sehr hohem Kostenaufwand erreichbar sind.


Zeile oder Fläche – was ist empfindlicher?
Einer der wichtigsten und oft auch kritischsten Punkte beim Aufbau eines Zeilenkamerasystems ist es, für die ausreichende Beleuchtung des Prüfobjekts zu sorgen. Dies liegt nicht daran, dass Zeilensensoren generell unempfindlicher wären als Flächensensoren: Eine Dalsa-2M30 Flächenkamera (1600 x 1200 Pixel, Pixelgröße 7,4 µm) hat eine Empfindlichkeit von 8 DN/(nJ/cm2). Dabei ist der Helligkeitswert (die so genannte Digital Number, DN) pro eingestrahlter Lichtenergie-Dichte das gebräuchliche Maß für die Empfindlichkeit eines Sensors. Zum Vergleich: die Dalsa P2-08k40 (8192 Pixel je Zeile, Pixelgröße 7 µm) weist eine Empfindlichkeit von 10,7 DN/(nJ/cm2) auf, sie ist also empfindlicher. Mit Zeilenkameras werden allerdings Frequenzen gefahren, die ein Vielfaches über denen bei Flächenkameraanwendungen liegen – die Konsequenz: Es steht viel weniger Zeit zur Belichtung des Sensors zur Verfügung. Eine 2M30 erlaubt bei maximal 34 Bildern je Sekunde eine Belichtungszeit von zirka 30 ms. Eine P2-08k40 kann man mit maximal 18 kHz betreiben, sodass bei dieser Geschwindigkeit nur noch etwa 1/500 der Belichtungszeit (für jede Zeilenkamera gilt ist die maximale Belichtungszeit gleich der reziproken Zeilenfrequenz) einer 2M30 zur Verfügung steht.


Empfindlichkeit – wie wichtig ist sie?
Die Belichtungszeit kann also nicht ohne Reduzierung der Zeilenfrequenz erhöht werden (was beispielsweise dem Wunsch nach kürzerem Maschinentakt entgegensteht). Das Beleuchtungssystem kann auch nicht immer weiter in der Leistung gesteigert werden. Daher bleibt nur ein Ausweg: Die Empfindlichkeit des Sensors selbst zu erhöhen. Die Entwicklung bei Dalsa Zeilenkameras zeigt, dass immer neue Sensor-Architekturen eine Steigerung ermöglichen. Die 2002 erschienene Piranha2 hat eine Empfindlichkeit von 10,7 und die 2005 entwickelte Piranh bereits 14 DN/(nJ/cm2), beide Kameras mit 7 µm Pixelgröße. Um aber wirklich die Empfindlichkeit signifikant zu steigern, muss auf eine spezielle Technologie zurückgegriffen werden: TDI.

TDI steht für Time Delay and Integration und ist ein spezieller Aufnahme und Akkumulationsmechanismus, der zu einer deutlich verbesserten Empfindlichkeit gegenüber klassischen Zeilenkameras führt. Das wesentliche Konzept von TDI besteht darin, das gleiche Objekt mehrfach auf dem TDI-Sensor zu belichten. Damit wird die effektive Belichtungszeit wesentlich verlängert. Das Resultat der Addition aller einzelnen Belichtungsschritte führt dann zu einer deutlich gesteigerten Empfindlichkeit. So besteht ein TDI-Sensor (Bild 1) aus mehreren Zeilen, den so genannten TDI-Stages, auf denen dasselbe Objekt nacheinander mehrfach abgebildet wird, während es sich unter dem Sensor hindurchbewegt. Der Ablauf dieser Mehrfachbelichtung ist wie folgt: Das Objekt wird in TDI-Stage 1 abgebildet und generiert dort das Ladungsbild (also Elektronen in jedem CCD-Element). Dann wird diese Ladung in TDI-Stage 2 transportiert. Hier findet erneut eine Belichtung desselben Objekts statt. Dieser Prozess des Belichtens und des anschließenden Ladungstransports wird solange wiederholt, bis alle TDI-Stages durchlaufen sind und das Ausleseregister erreicht ist. Im Ausleseregister sind dann alle Einzelbelichtungen aufaddiert (Bild 2).


TDI – der Turbo für die Empfindlichkeit
Da TDI die effektive Belichtungszeit vervielfacht (je nachdem wie viele TDI-Stages zur Aufnahme beitragen), kann bei einer gegebenen Beleuchtung die Zeilenfrequenz und damit auch die Taktfrequenz deutlich gesteigert werden, ohne die benötigte Lichtmenge erhöhen zu müssen. Zum anderen kann bei kritischen äußeren Bedingungen auf ein aufwändiges und teures Beleuchtungssystem verzichtet werden.

Tabelle A fasst die Kenndaten Auflösung, Geschwindigkeit, Pixelgröße und Empfindlichkeit zusammen und vergleicht die Kameras 2M30, Piranha 2, Piranha 3 und Piranha HS mit TDI-Sensor.

TDI selbst existiert seit über 20 Jahren, und Dalsa ist seither der führende Anbieter dieser Technologie. Dalsa erweitert dieses Jahr die Kameraserie Piranha HS (HS steht für High Sensitivity) um drei neue Modelle mit Auflösungen von 4096 Pixeln je Zeile bei 36 kHz und 8192 Pixeln je Zeile bei 36 kHz beziehungsweise 68 kHz. 96 schaltbare TDI-Stages sorgen für eine Empfindlichkeit von bis zu 1235 DN/(nJ/cm2).

Die neuen TDI-Sensoren unterstützen einen Vorwärts-/Rückwärtsbetrieb (die Scan-Richtung ist also umkehrbar) und die Spiegelung einzelner Taps oder der gesamten Zeile. Als Highlight ist der Betrieb im Area-Scan-Modus (Betrieb als Flächenkamera mit 8192 x 96 Pixeln Auflösung) möglich.

Wie bei Dalsa üblich, lassen sich die Zeilenkameras umfangreich programmieren. Zu den Einstellmöglichkeiten zählen automatische Flat-Field Correction, Gain, Exposure-Mode und Testmuster. Die neuen HS Kameras mit 7 µm Pixelgröße unterstützen die Datenausgabe in 8 bit und 12 bit in Camera-Link-Medium- (4-k- und 8-k-Versionen) und Camera-Link-Full- (8- k-Version) Konfiguration.

Über den weit verbreiteten M72-Objektivanschluss kann eine Vielzahl unterschiedlicher Objektive bekannter Hersteller wie Schneider-Kreuznach oder Linos adaptiert werden.


Fit für den industriellen Einsatz
Die hohen Geschwindigkeiten, Auflösungen und vor allem die Empfindlichkeit der neuen Dalsa Zeilenkameras verkürzen für jede Anwendung die Messzyklen und sparen damit Zeit und Geld. Das Camera-Link-Interface, die kompakten Abmessungen und das Single-Board Design sorgen für einfache Integration und machen Piranha3 und Piranha HS fit für Display-Inspektion, PCB-Inspektion, Bahnwarenkontrolle, Druckbildkontrolle und vieles mehr.


Abbildungen
1 Schema eines Dalsa-TDI-Sensors mit 96 schaltbaren TDI-Stages, vier Sensorausgängen und wählbarem Vorwärts-/Rückwärtsbetrieb

2 Das TDI-Prinzip: Dasselbe Objekt wird nacheinander mehrfach abgebildet, während es sich unter dem Sensor hindurchbewegt

A Kenndaten der Kameras 2M30, Piranha2, Piranha3 und Piranha HS im Vergleich




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