Die seit Beginn der industriellen Bildverarbeitung eingesetzten Bildsensoren besitzen eine lineare Kennlinie. Dies bedeutet, dass die Intensität des einfallenden Lichts in eine proportionale Ausgangsspannung des Photodetektors umgewandelt wird.
Konventionelle CCD- und CMOS-Bildsensoren können die Lichtintensität nur in einem sehr begrenzten Bereich in ein proportionales Ausgangssignal umwandeln, der durch die Sättigungsladung (Full Well Kapazität), das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sowie andere Grössen des Photodetektors beeinflusst wird.
Andererseits sind Visionsysteme bekannt, die einen deutlich grösseren Bereich von Lichtintensitäten verarbeiten können. Dazu gehören beispielsweise das menschliche Auge und Filmmaterialien für die Photographie. Menschen empfinden Reize auf einer logarithmischen Skala, so dass auch das menschliche Sehsystem, das Auge, eine logarithmische Kennlinie besitzt. Wir können Licht über einen Intensitätsbereich von 180 dB entsprechend einem Intensitätsverhältnis von etwa 1‘000‘000‘000:1 wahrnehmen.
Bei Filmmaterialien für die Photographie sind die Phänomene der Belichtungskurve und der Schwarzschildeffekt gut bekannt. Diese Effekte verhindern eine Sättigung in hellen Bildbereichen, wobei andererseits auch eine gewisse Mindestlichtstärke (Schwellwert) notwendig ist, um die Entwicklung eines Silberkorns auszulösen.
Entwicklungsingenieure in der industriellen Bildverarbeitung halten daher schon seit Begin der elektronischen Bildverarbeitung Ausschau nach Bildsensoren mit logarithmischen Kennlinien, um z.B. eine automatische Qualitätskontrolle auch bei sehr schwierigen Beleuchtungsverhältnissen (Schweissen, Gegenlichtaufnahmen uvm.) zu realisieren.
Daher verwundert es nicht, dass die Entwickler von der Realisierung der ersten CMOS Bildsensoren mit logarithmischer Kennlinie begeistert waren. Bei den Anwendungsversuchen dieser Sensoren in Visionsystemen stellten sich jedoch sehr schnell wesentliche Nachteile heraus. Die drei wichtigsten sind: das Fehlen eines Global Schutters (elektronischen Verschlusses), das massive Image Lag (Nachleuchten) und die Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangssignals.
Da die Intensität des einfallenden Lichts im logarithmischen Bildsensor kontinuierlich in ein entsprechendes Ausgangssignal umgewandelt wird, ist die Aufnahme schneller Bildsequenzen vollkommen unmöglich. Das Nachleuchten, das durch einen Tiefpass in der Pixelarchitektur verursacht wird, schränkt die Nutzung derartiger Detektoren in Situationen ein, in denen auf helle Szenen lichtschwache Aufnahmebedingungen folgen.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals dieser Sensoren sind aufwendige Kalibrierungen oder eine sehr gute thermische Stabilisierung der Sensoren enorm wichtig. Dies führt zu einer Erhöhung des Aufwandes in der Systementwicklung. Die aufgeführten Nachteile logarithmischer Sensoren haben dazu geführt, dass diese nicht wie gehofft eine breite Verwendung in Vision-Systemen finden konnten.
Bild 1: LinLog-Kennlinie der CMOS-Kamera MV-D1024E bei unterschiedlichen LinLog-Einstellungen
Mit der von Photonfocus entwickelten LinLog®-Technologie werden diese Nachteile durch eine kombinierte linear-logarithmische Sensorkennlinie (LinLog®-Kennlinie) überwunden.
Die von Photonfocus eingesetzte Pixelarchitektur besitzt einen „Global Shutter“ und ermöglicht damit die verzerrungsfreie Bilderfassung auch bei sehr hohen Objektgeschwindigkeiten. Bewegungsartefakte, Geisterbilder und Überstrahlungseffekte (Blooming) gehören dank dieser CMOS Bildsensortechnologie der Vergangenheit an.
Im unteren Bereich der Kennlinie (schwache Beleuchtung) verhält sich der CMOS-Sensor linear. Hierdurch ergibt sich in diesem Bereich eine sehr gute Graustufenauflösung. Bei hohen Beleuchtungsstärken findet aufgrund der logarithmischen Charakteristik der Pixel eine Kompression statt, die eine Sättigung des Sensors verhindert. Der Beginn der logarithmischen Kompression sowie der Grad der Kompression kann mit Hilfe der LinLog®-Parameter eingestellt werden, wie die Abbildung einer typischen Kennlinienschar zeigt.
Die Einstellungen für diese Parameter kann der Benutzer in der Software vornehmen, so dass eine optimale Abstimmung der Kennlinie auf die jeweilige Anwendung möglich ist. Die Photonfocus Bildsensoren können neben dem LinLog® Mode auch mit einer rein linearen Kennlinie betrieben werden.
Bild 2: Bildbeispiele für das Laserschweissen: Bild eines Keyholes aufgenommen von einer CCD-Kamera (links) und einer CMOS-Kamera mit LinLog-Technologie (rechts).
CMOS-Sensoren und Kameras mit der LinLog®-Kennlinie werden nicht allein in Standardanwendungen eingesetzt, sondern haben sich auch in der Schweisstechnik und bei der Lasertriangulation bewährt. In diesen Einsatzgebieten kann der Anwender die linear-logarithmische Kennlinie anpassen, um zusätzliche Informationen über den Fertigungsprozess oder für Zwecke der Qualitätskontrolle zu erhalten.
Die oben gezeigten Bilder vom Laserschweissen ermöglichen einen unmittelbaren Vergleich zwischen einer CCD-Kamera und einer CMOS-Kamera von Photonfocus. Die Schmelze hinter dem Keyhole kann mit einer CCD-Kamera nicht mehr aufgelöst werden. Die Photonfocus CMOS-Kamera mit LinLog®-Technologie macht dagegen auch die Struktur der Schmelze sichtbar.
Die Photonfocus CMOS-Kameras bieten nicht nur den Vorteil eines grossen Dynamikbereichs, sondern es ist durch die geeignete Wahl des Auslesefensters (ROI, Region of Interest) möglich, die Auflösung und die Geschwindigkeit der Kamera optimal an die Prozesssteuerung anzupassen. Hier bieten Photonfocus CMOS-Kameras durch die optimierten Auslesestrukturen der eigenen CMOS Sensoren einen enormen Vorteil gegenüber Mitbewerbern, da sich die Bildrate bei Verkleinerung des Auslesefensters in x- und in y-Richtung linear erhöht. Damit lassen sich u.a. Prozesskontrollen beim Laserschweissen mit Bildraten von über 1 kHz realisieren.
Bild 3: Kombinierte 2D- und 3D- inspektion einer Schweissnaht
Die LinLog®-Kennlinie kann vorteilhaft bei kombinierten 2D-/3D-Inspektionsverfahren eingesetzt werden. Dabei wird die 2D-Inspektion, z.B. eine Oberflächeninspektion, im linearen Kennlinienbereich durchgeführt, während für die 3D-Inspektion mittels Lasertriangulation der logarithmische Teil der Sensorkennlinie genutzt wird. Durch die Ausnutzung der logarithmischen Kennlinie für die Triangulation kann man ein sehr stabiles 3D Verfahren etablieren, da grosse Unterschiede in der Reflektivität des zu untersuchenden Materials die Qualität des Triangulationsergebnisses nicht beeinflussen.
In der Abbildung (oben) ist ein Beispiel für eine kombinierte 2D-/3D-Inspektion bei der Qualitätskontrolle von Laserschweissnähten bei Tailored Blanks dargestellt. Die Struktur der Schweissnaht und des umgebenden Materials wird im linearen Bereich der Detektorkennlinie überprüft, während die Laserlinie für die Triangulation im logarithmischen Bereich erfasst wird. Hierdurch ist die Sichtbarkeit der Laserlinie im Gegensatz zu CCD Kameras sowohl in hellen Zonen gewährleistet, in denen das Metall mit anhaftendem Ölfilm stark reflektiert, als auch in schwächer reflektierenden Bereichen der Schweissnaht.
Erleben Sie die Photonfocus CMOS Kameras in voller Aktion -
und besuchen Sie uns auf der Automatica -
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RAUSCHER
Johann-G.Gutenberg-Str. 20
D-82140 Olching
Telefon 0 81 42 / 4 48 41-0
Fax 0 81 42 / 4 48 41-90
E-Mail: info@rauscher.de
www.rauscher.de
Messehinweis:
Automatica
Halle B2 – Stand 302
München, 10. bis 13. Juni 2008
Konventionelle CCD- und CMOS-Bildsensoren können die Lichtintensität nur in einem sehr begrenzten Bereich in ein proportionales Ausgangssignal umwandeln, der durch die Sättigungsladung (Full Well Kapazität), das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sowie andere Grössen des Photodetektors beeinflusst wird.
Andererseits sind Visionsysteme bekannt, die einen deutlich grösseren Bereich von Lichtintensitäten verarbeiten können. Dazu gehören beispielsweise das menschliche Auge und Filmmaterialien für die Photographie. Menschen empfinden Reize auf einer logarithmischen Skala, so dass auch das menschliche Sehsystem, das Auge, eine logarithmische Kennlinie besitzt. Wir können Licht über einen Intensitätsbereich von 180 dB entsprechend einem Intensitätsverhältnis von etwa 1‘000‘000‘000:1 wahrnehmen.
Bei Filmmaterialien für die Photographie sind die Phänomene der Belichtungskurve und der Schwarzschildeffekt gut bekannt. Diese Effekte verhindern eine Sättigung in hellen Bildbereichen, wobei andererseits auch eine gewisse Mindestlichtstärke (Schwellwert) notwendig ist, um die Entwicklung eines Silberkorns auszulösen.
Entwicklungsingenieure in der industriellen Bildverarbeitung halten daher schon seit Begin der elektronischen Bildverarbeitung Ausschau nach Bildsensoren mit logarithmischen Kennlinien, um z.B. eine automatische Qualitätskontrolle auch bei sehr schwierigen Beleuchtungsverhältnissen (Schweissen, Gegenlichtaufnahmen uvm.) zu realisieren.
Daher verwundert es nicht, dass die Entwickler von der Realisierung der ersten CMOS Bildsensoren mit logarithmischer Kennlinie begeistert waren. Bei den Anwendungsversuchen dieser Sensoren in Visionsystemen stellten sich jedoch sehr schnell wesentliche Nachteile heraus. Die drei wichtigsten sind: das Fehlen eines Global Schutters (elektronischen Verschlusses), das massive Image Lag (Nachleuchten) und die Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangssignals.
Da die Intensität des einfallenden Lichts im logarithmischen Bildsensor kontinuierlich in ein entsprechendes Ausgangssignal umgewandelt wird, ist die Aufnahme schneller Bildsequenzen vollkommen unmöglich. Das Nachleuchten, das durch einen Tiefpass in der Pixelarchitektur verursacht wird, schränkt die Nutzung derartiger Detektoren in Situationen ein, in denen auf helle Szenen lichtschwache Aufnahmebedingungen folgen.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals dieser Sensoren sind aufwendige Kalibrierungen oder eine sehr gute thermische Stabilisierung der Sensoren enorm wichtig. Dies führt zu einer Erhöhung des Aufwandes in der Systementwicklung. Die aufgeführten Nachteile logarithmischer Sensoren haben dazu geführt, dass diese nicht wie gehofft eine breite Verwendung in Vision-Systemen finden konnten.
Bild 1: LinLog-Kennlinie der CMOS-Kamera MV-D1024E bei unterschiedlichen LinLog-Einstellungen
Mit der von Photonfocus entwickelten LinLog®-Technologie werden diese Nachteile durch eine kombinierte linear-logarithmische Sensorkennlinie (LinLog®-Kennlinie) überwunden.
Die von Photonfocus eingesetzte Pixelarchitektur besitzt einen „Global Shutter“ und ermöglicht damit die verzerrungsfreie Bilderfassung auch bei sehr hohen Objektgeschwindigkeiten. Bewegungsartefakte, Geisterbilder und Überstrahlungseffekte (Blooming) gehören dank dieser CMOS Bildsensortechnologie der Vergangenheit an.
Im unteren Bereich der Kennlinie (schwache Beleuchtung) verhält sich der CMOS-Sensor linear. Hierdurch ergibt sich in diesem Bereich eine sehr gute Graustufenauflösung. Bei hohen Beleuchtungsstärken findet aufgrund der logarithmischen Charakteristik der Pixel eine Kompression statt, die eine Sättigung des Sensors verhindert. Der Beginn der logarithmischen Kompression sowie der Grad der Kompression kann mit Hilfe der LinLog®-Parameter eingestellt werden, wie die Abbildung einer typischen Kennlinienschar zeigt.
Die Einstellungen für diese Parameter kann der Benutzer in der Software vornehmen, so dass eine optimale Abstimmung der Kennlinie auf die jeweilige Anwendung möglich ist. Die Photonfocus Bildsensoren können neben dem LinLog® Mode auch mit einer rein linearen Kennlinie betrieben werden.
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CMOS-Sensoren und Kameras mit der LinLog®-Kennlinie werden nicht allein in Standardanwendungen eingesetzt, sondern haben sich auch in der Schweisstechnik und bei der Lasertriangulation bewährt. In diesen Einsatzgebieten kann der Anwender die linear-logarithmische Kennlinie anpassen, um zusätzliche Informationen über den Fertigungsprozess oder für Zwecke der Qualitätskontrolle zu erhalten.
Die oben gezeigten Bilder vom Laserschweissen ermöglichen einen unmittelbaren Vergleich zwischen einer CCD-Kamera und einer CMOS-Kamera von Photonfocus. Die Schmelze hinter dem Keyhole kann mit einer CCD-Kamera nicht mehr aufgelöst werden. Die Photonfocus CMOS-Kamera mit LinLog®-Technologie macht dagegen auch die Struktur der Schmelze sichtbar.
Die Photonfocus CMOS-Kameras bieten nicht nur den Vorteil eines grossen Dynamikbereichs, sondern es ist durch die geeignete Wahl des Auslesefensters (ROI, Region of Interest) möglich, die Auflösung und die Geschwindigkeit der Kamera optimal an die Prozesssteuerung anzupassen. Hier bieten Photonfocus CMOS-Kameras durch die optimierten Auslesestrukturen der eigenen CMOS Sensoren einen enormen Vorteil gegenüber Mitbewerbern, da sich die Bildrate bei Verkleinerung des Auslesefensters in x- und in y-Richtung linear erhöht. Damit lassen sich u.a. Prozesskontrollen beim Laserschweissen mit Bildraten von über 1 kHz realisieren.
Bild 3: Kombinierte 2D- und 3D- inspektion einer Schweissnaht
Die LinLog®-Kennlinie kann vorteilhaft bei kombinierten 2D-/3D-Inspektionsverfahren eingesetzt werden. Dabei wird die 2D-Inspektion, z.B. eine Oberflächeninspektion, im linearen Kennlinienbereich durchgeführt, während für die 3D-Inspektion mittels Lasertriangulation der logarithmische Teil der Sensorkennlinie genutzt wird. Durch die Ausnutzung der logarithmischen Kennlinie für die Triangulation kann man ein sehr stabiles 3D Verfahren etablieren, da grosse Unterschiede in der Reflektivität des zu untersuchenden Materials die Qualität des Triangulationsergebnisses nicht beeinflussen.
In der Abbildung (oben) ist ein Beispiel für eine kombinierte 2D-/3D-Inspektion bei der Qualitätskontrolle von Laserschweissnähten bei Tailored Blanks dargestellt. Die Struktur der Schweissnaht und des umgebenden Materials wird im linearen Bereich der Detektorkennlinie überprüft, während die Laserlinie für die Triangulation im logarithmischen Bereich erfasst wird. Hierdurch ist die Sichtbarkeit der Laserlinie im Gegensatz zu CCD Kameras sowohl in hellen Zonen gewährleistet, in denen das Metall mit anhaftendem Ölfilm stark reflektiert, als auch in schwächer reflektierenden Bereichen der Schweissnaht.
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