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rauscherIn der Kameratechnik für die industrielle Bildverarbeitung werden aufgrund immer kleinerer Strukturgrößen immer höhere Auflösungen und Geschwindigkeiten gefordert. Feinste Details müssen bei gleichzeitig steigenden Taktzahlen kontrolliert werden. Zeilenkameras müssen damit Schritt halten können. Mit der "Eliixa+" Zeilenkamera von e2v lassen sich nicht nur Geschwindigkeitsprobleme lösen.

Die Abbildungsverhältnisse in Zeilenkamera-Applikationen werden meist so gewählt, dass die Pixelauflösung sowohl entlang der Zeile als auch in Transportrichtung gleich ist. Erhöht man die horizontale Auflösung, ist auch die Auflösung in Transportrichtung sprich die Zeilenrate zu erhöhen. Dieser Zusammenhang verhindert in einigen Anwendungen den Einsatz höchstauflösender Zeilenkameras. So werden in manchen schnellen Applikationen beispielsweise drei 4k-Zeilenkameras mit bis zu 72 kHz verbaut, da eine 12k-Zeilenkamera nur mit maximal 25 kHz läuft. Die Multi-Kamera-Lösung ist also um rund Faktor 3 schneller als die Lösung mit nur einer Zeilenkamera. Für hohe Auflösungen von 8k, 12k und mehr Pixel/Zeile ist somit eine deutliche Steigerung der Zeilenrate erforderlich, um derartige Anwendungen mit nur einer Kamera umzusetzen.
Mit den steigenden Geschwindigkeiten steht zwangsläufig immer weniger Zeit für die Belichtung zur Verfügung. Das heißt die Lichtempfindlichkeit des Sensors muss ebenfalls gesteigert werden. Eine Lösung für die beschriebene Problematik stellt die neue "Eliixa+" Zeilenkamera-Generation von e2v mit Multi-Line-CMOS-Architektur dar.

Der neu entwickelte CMOS-Sensor verfügt über 16.384 Pixel, die mit einer maximalen Zeilenrate von bis zu 100 kHz ausgelesen werden. Mit 5 μm Pixelgröße ist der Sensor auch hinsichtlich Optik gut handhabbar. Die MTF (Modulationsübertragungsfunktion) ist mit heute existierenden Optiken hoch und wird nicht durch eine zu kleine Pixelgröße eingeschränkt. Der Hersteller erreicht im eigenen Produktionsprozess eine gute Planarität des Sensors, sodass eine scharfe Abbildung über die gesamte Sensorlänge von 82 mm sichergestellt ist.

Der Aufbau des Multi-Line CMOS-Sensors gewährleistet einen großen Dynamikumfang von bis zu 73 dB: Vor der Analog-Digital-Wandlung wird durch das Design der Photodiode ein hoher Charge-Conversion-Faktor erreicht. Die Verstärker sind direkt neben den aktiven Pixeln angeordnet. Das führt zu einer hohen Quanteneffizenz (QE) von bis zu 72 % bei 550 nm. Das Correlated Double Sampling (CDS) sorgt für homogene, rauscharme Bilder.

Die spezielle Multi-Line-Architektur des Sensors besteht aus vier aktiven Zeilen mit je 16k Pixel, die ohne Abstand nebeneinander liegen. Jeweils zwei nebeneinanderliegende Zeilen bilden ein Zeilenpaar, das rauschfrei die analogen Spannungen addiert. Die beiden Intensitätswerte, die nach der A-D-Wandlung jedes Zeilenpaares vorliegen, werden dann digital im FPGA summiert. Dieses kombinierte Verfahren der Addition von analogen Spannungs- und digitalen Helligkeitswerten erhöht die Empfindlichkeit des Sensors um Faktor 4. Dieser Sensor ist mit seinen 450 LSB/(nJ/cm2) empfindlich genug, auch im Praxiseinsatz ohne kostenintensive Spezialbeleuchtung die höchste Geschwindigkeit zu fahren.

Da die vier Sensorzeilen direkt nebeneinander liegen, bleibt die Bildschärfe – im Gegensatz zu Zeilenkameras mit mehr Zeilen oder mit Abständen zwischen den Zeilen – auch beim schrägen Blick von bis zu 45° auf das Objekt voll erhalten. Aufgrund der hohen Verbreitung von Camera Link gibt es die Zeilenkamera mit "Camera Link Full Interface". Die volle Geschwindigkeit wird mit "Coax" Presserreicht.


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