Google+ Facebook Twitter XING LinkedIn GoogleCurrents YouTube

Kameras mit CMOS-Sensoren verändern die Bildverarbeitung

29.09.2006 | Redakteur: MM

Rasante Fortschritte in der CMOS-Technik ergeben für viele Bildverarbeitungs-Anwendungen bessere Möglichkeiten und haben eine heftige Diskussion ausgelöst. Bei CMOS-Sensoren wird die Ladung direkt...

Rasante Fortschritte in der CMOS-Technik ergeben für viele Bildverarbeitungs-Anwendungen bessere Möglichkeiten und haben eine heftige Diskussion ausgelöst. Bei CMOS-Sensoren wird die Ladung direkt von den einzelnen Pixeln abgeholt. Hinzu kommt ein weiterer Vorteil des CMOS-Sensors im Umgang mit hohen Lichtschwankungen. Der Dynamikbereich ist wesentlich breiter als der eines herkömmlichen CCD-Sensors. Löst die CMOS-Technik die Allgegenwart der CCD-Kameras ab? Vorherrschend in der industriellen Bildverarbeitung sind noch immer die CCD Kameras. Durch ihren großen Dynamikumfang, die höhere Lichtempfindlichkeit und geringeres Rauschen hat sich die Sensorik der CCD-Technik vor 30 Jahren durchgesetzt. Dabei wird ganz vergessen, dass die CMOS-Sensoren schon seit 1967 und damit drei Jahre früher als die CCD-Sensoren existierten. Beide Techniken basieren auf der photovoltaischen Reaktion, der Freisetzung von Elektronen im Silizium durch einfallende Photonen. In jüngster Zeit wurden aber große Qualitätsfortschritte bei den CMOS-Bildsensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) erzielt. Dadurch zeigt sich die CMOS-Technik in einigen Punkten gegenüber CCD überlegen und in anderen nicht. Die Vorteile sind aber teils so markant, dass dies erheblichen Einfluss auf die zukünftigen Entwicklungen und Einsatzfelder der industriellen Bildverarbeitung haben wird. Um die CMOS-Technik besser zu verstehen anbei die wichtigsten Unterschiede. Hohe Lichtkonzentrationen können bei den CCD-Pixeln zu dem nachteiligen Effekt des so genannten Blooming führen. Dauert der Lichteinfall zu lange oder ist er zu intensiv, dann werden die betroffenen Pixel gesättigt und sie können ihre elektrische Ladung nicht mehr vollständig halten. Die elektrische Ladung wandert auf die umliegenden korrekt belichteten Pixel. Sind die Nachbarpixel ebenfalls gesättigt, setzt sich der Vorgang fort. Unregelmäßig geformte weiße Pixelregionen breiten sich in der Leserichtung des CCD-Sensors aus. Nach dem Eimerkettenprinzip geben die CCD-Pixel ihre Ladung über die Nachbarpixel bis an die Ränder des Sensors weiter. Alle Informationen in diesem weißen Bildbereich gehen unwiderruflich verloren. Zwar gibt es CCD mit Antiblooming-Effekt, durch so genannte integrierte Pixel-Ladungsablaufrinnen, aber das geht zu Lasten der Erfassungsempfindlichkeit. Dagegen wird bei den CMOS-Sensoren die Ladung direkt von den einzelnen Pixeln abgeholt. Das Ausbreiten einer Überbelichtung aber auch der Smear-Effekt kann nicht auftreten. Das konturscharfe Bild ist in der industriellen Bildverarbeitung für die Messtechnik außerordendlich wichtig. Während dem Auslesen und Löschen der Transferregister ist jeder CCD-Chip weiter aktiv. In dieser Zeit kann man in extremen Aufnahmesituationen das Schmiersignal generieren, das zu einer beachtenswerten Störgröße führen kann. Bei den moderen CMOS-Sensoren kann dies nicht auftreten.Hinzu kommt ein weiterer Vorteil des CMOS-Sensors im Umgang mit hohen Lichtschwankungen. Der Dynamikbereich ist wesentlich breiter als der eines herkömmlichen CCD-Sensors. CMOS bietet eine logarithmische Spektralempfindlichkeit und der Dynamikbereich wird in der Fachliteratur mit bis zu 100 000 : 1 angegeben, gegenüber der linearen Empfindlichkeit mit der Dynamik von etwa 1000 : 1 bei CCD. Für die Praxis bedeutet dies, dass der CMOS-Sensor in einem Umfeld extremer Lichtschwankungen klare Konturen erkennen kann, wo der CCD bereits erblindet. CMOS-Technik benötigt deutlich weniger Energie CCD-Chips werden auf hochspezialisierten Produktionsstraßen und auf der Basis besonderer Rohstoffe gefertigt. Hinzu kommt die Problematik der Ausschussrate. Dagegen können die CMOS-Chips auf den weltweit verbreiteten Halbleiter-Fertigungslinien mit billigeren Rohstoffen produktionssicherer hergestellt werden. Die in der gegenwärtigen Diskussion lesbaren Prognosen über die zukünftig kostengünstigere CMOS-Sensoren berücksichtigen vor allem den kommerziellen Massenmarkt. In der industriellen Bildverarbeitung ist das nicht der Fall. Weil die CMOS-Technik nur etwa 1/3 bis 1/10 der Energie eines entsprechenden CCD-Modells benötigt, hat dies positive Auswirkungen auf die Gestaltung der Kameraelektronik. Aufgrund der höheren Betriebstemperatur des CMOS-Sensors (bevor eine deutliche Abnahme des Bildkontrastes eintritt) können ohne zusätzliche Abschirmmaßnamen neue Einsatzfelder erschlossen werden. Bei den CMOS-Sensoren können einzelne Bildpunkte oder Teilregionen wahlfrei digital direkt angesprochen werden. Dieser wahlfreie Zugriff vereinfacht ein sehr schnelles Auslesen und die effizientere Weiterverarbeitung der Bildinformation. Bei CCD muss immer ein komplettes oder fest eingestelltes partielles Bild ausgelesen und zwischengespeichert werden. Hauptunterschied ist aber, dass direkt auf dem CMOS-Chip zusätzliche Elektronik untergebracht werden kann. Damit kann mehr Intelligenz direkt im Sensor integriert werden. Dadurch kann etwa die Belichtungskontrolle, die Kontrastkorrektur oder eine Analog-Digital-Wandlung bereits direkt auf dem Chip erfolgen. Gegenüber einer CCD-Kamera kann dadurch der Anteil von zusätzlich erforderlicher Elektronik verringert werden. Das erspart Kosten, steigert die Funktions- und Leistungsfähigkeit und ermöglicht eine kompaktere Bauweise der Kamera. Außer den allgemein aufgeführten Vorteilen der CMOS-Technik wurde bei der neuen MC 1020 Kamera größter Wert auf die Multifunktionalität gelegt. Der programmierbare wahlfreie Zugriff auf die beliebig variierbaren interessanten Bildteile hat weitreichende Konsequenzen und Vorteile in der industriellen Bildverarbeitung. So kann der Benutzer auch die horizontale und vertikale Bildlage bei kleineren Bildsegmenten frei festlegen. Maximale Bilddatenrate beträgt 133 MByte/s Im Umfeld schneller Qualitätskontrolle mit hoher Detailauflösung und im gesamten mit Bildauswertung gesteuerten Automatisierungsprozess ergeben sich damit bislang ungenützte Möglichkeiten. Der 2/30-CMOS-Sensor hoher Empfindlichkeit liefert bei einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixel (quadratische Pixel von je 10 µm x 10 µm) die Leistung von 120 Vollbilder/s. Die Graustufenauflösung ist 8 Bit, entsprechend 256 Graustufen. Bei maximalem Pixeltakt von 66 MHz erzielt man bei einem Bildfeld von 250 x 250 Pixel eine Bildrate von 946 Bilder/s und bei 128 x 128 Pixel sogar die Zahl von 3300 Bilder/s. Die maximale Bilddatenrate am 16 Bit RS-644 LVDS Digitalausgang und bei 66 MHz Pixel Clock beträgt 133 MByte/s. Die Pixelsättigung beträgt 80 000 Electrons und die interne Dynamik 64 dB.Die nahezu freie Programmierbarkeit der Kamera beinhaltet sowohl die Standardeinstellungen für Auflösung, Kontrast und Helligkeit, die freie Wahl eines Bildausschnittes sowie die Auslesegeschwindigkeit. Die Programmierung erfolgt über die RS-232 Schnittstelle, wobei dem Anwender sechs Profile zur Verfügung stehen. Neben dem werksseitig festgelegten nicht veränderbaren Default-Profil kann er die Einstellungen in einem Arbeitsprofil, oder in vier Benutzerprofilen ablegen. Dies erschließt die flexible und bestmögliche Einstellung an die Anforderungen der Anwendung. Die Bildaufnahme kann sowohl synchron als auch asynchron erfolgen. Im synchronen Betrieb erfolgt die Belichtungszeit entsprechend der Bilddauer und für sehr kurze Intervalle mittels elektronischer Schlitzblende. Der elektronische Verschluss arbeitet wie eine mit hoher Geschwindigkeit von oben nach unten bewegten Schlitzblende. Die Höhe des Schlitzes entspricht der Verschlusszeit. Sie ist in Einheiten von Zeilen veränderbar. Bei asynchronem Betrieb erfolgt die Belichtungszeit über die Pulsbreite des externen Triggers oder durch den internen 10-stufigen Timer. Bei Verwendung des Inspecta-4D Frame-Grabbers erfolgt der Anschluss über nur ein Kabel mit integrierter Spannungsversorgung. Minimierte Energieaufnahme und Verlustleistung erzielen im Betrieb eine nur geringe Temperaturerhöhung. Eine Besonderheit ist der in die Kamera integrierte automatisch arbeitende Image-Blitz Bildtrigger. Ohne eines Bildverarbeitungsrechners versieht er die Funktion einer Lichtschranke oder eines Signalgebers. Das erübrigt bislang aufwändige Sensorik. Messobjekte können dadurch mit gleichbleibend hoher Präzision automatisch im Bild positioniert werden. Mit extrem hoher Geschwindigkeit wird die Helligkeit als frei programmierbarer Schwellwert eines frei wählbaren Teilstücks einer Bildzeile kontrolliert. Beim Über- oder Unterschreiten dieses Schwellwertes wird das Bild belichtet und ausgegeben.Die kompakten Abmessungen von 62 mm x 62 mm x 50 mm und 300 g Gewicht prädestinieren diese Kamera auch für den Einsatz in sehr beengten Umgebungsbedingungen sowie für das Handling und Roboting

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 0 / Messtechnik / Prüftechnik)

Themen-Newsletter Produktion abonnieren.
* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

Marktübersicht

Die Top-100 Automobilzulieferer des Jahres 2018

Das Jahr 2018 überraschte mit hohen Wachstumsraten und neuen Rekordumsätzen. Allerdings zeigten sich auch kräftige Bremsspuren: Viele Unternehmen wurden mit rückläufigen Margen konfrontiert. lesen

Dossier Maschinensicherheit 2019

Funktionale Sicherheit in allen Facetten

Ohne geht's nicht: Maschinensicherheit steht bei Konstrukteuren und Entwicklern ganz oben auf der Prioritätenliste – Hier die spannendsten Artikel der letzten Monate rund um die Funktionale Sicherheit in einem Dossier zusammengefasst. lesen