Zeilenkameras versus CIS-Technologie
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Feldebene Zeilenkameras versus CIS-Technologie In Kopiergeräten, Scannern, Währungsprüfgeräten, Karten- und Ticketlesesystemen werden Kontakt-Image-Sensoren (Contact Image Sensors, CIS) schon seit vielen Jahren in großem Umfang eingesetzt. Jetzt ziehen sie auch in industrielle Prozesse ein. CIS-Sensoren erzeugen die Bilder zeilenweise, sodass sich der Vergleich mit den in der Bildverarbeitung bekannteren Zeilenkameras aufdrängt. Die beiden Technologien unterscheiden sich jedoch in wesentlichen Punkten. Peter Stiefenhöfer CIS der KD-Serie von Mitsubishi Electric Europe erfüllen die Anforderungen zahlreicher industrieller Bildverarbeitungsapplikationen Zeilenkameras haben sich in industriellen Bahninspektionsanwendungen schon lange etabliert. Klassische Anwendungsgebiete für Zeilenkameras sind Applikationen, in denen „Bahnware“ analysiert werden soll. Der Grund, warum sich Zeilenkameras für diese meist im Endlosverfahren ablaufenden Prozesse besser eignen als Matrixkameras, ist im prinzipiell unterschiedlichen Aufbau dieser beiden Technologien zu sehen: Flächenkameras liefern je nach Kameratyp eine feste (synchrone) oder variable (asynchrone) Bildfolge eines bewegten Objekts. Für eine lückenlose Erfassung von Endlosobjekten erfolgt die Bildaufnahme in der Praxis mit einer Überlappung der Bilder. Anschließend müssen die Einzelbilder per Software zugeschnit- 58 ten, von Verzerrungen befreit und aneinandergereiht werden. Zeilenkameras verfügen hingegen lediglich über eine einzige Reihe lichtempfindlicher Bildpunkte, die bewegte Objekte kontinuierlich mit hoher Zeilenfrequenz abtasten. Nach heutigem Stand der Technik bewegen sich die Auflösungen von Zeilenkameras dabei typischerweise zwischen 512 Pixeln und 12 888 Pixeln. Marktüblich sind Sensoren mit Pixel-Kantenlängen von 7 µm, 10 µm und 14 µm. Bei sehr hohen Auflösungen wird mit Rücksicht auf das später zu verwendende Objektiv beim Design des Sensors mit kleineren Pixeln gearbeitet, da beispielsweise ein Sensor mit 8 000 Pixeln und 10 µm Kantenlänge nur noch von einem Objektiv mit mindestens 8 cm Bildkreis- durchmesser verzeichnungsfrei „ausgeleuchtet“ werden könnte. Ein 2D-Abbild eines flächigen Objekts entsteht bei der Aufnahme mit einer Zeilenkamera, indem sich dieses mit einer geeigneten Geschwindigkeit unter der Kamera hinweg bewegt oder die Kamera über das Objekt geführt wird, was in manchen Applikationen durchaus sinnvoll ist. Die so entstehenden Zeilenbilder werden aneinandergereiht und führen so Peter Stiefenhöfer ist Leiter Marketing & Öffentlichkeits­ arbeit bei der Stemmer Ima­ ging GmbH in Puchheim. E­Mail: p.stiefenhoefer@ stemmer­imaging.de 4/13 Feldebene Beste Chancen für Ihren Erfolg Die Zeilenkamera Piranha4 von Teledyne Dalsa ist mit bis zu 8 192 Bildpunkten in Monochrom und Farbe erhältlich zu einem „Endlosbild“, das für die Auswertung verwendet werden kann. Der Ausgleich von Geschwindigkeitsunterschieden des Prüfobjekts, die zum Beispiel durch die Schwankung im Antrieb des Transportbands entstehen können, werden in der Praxis meist durch den Einsatz eines Inkrementalgebers ausgeglichen, der mit der Antriebseinheit gekoppelt ist. CIS-Technologie als Alternative Kontakt-Image-Sensoren (CIS) erzeugen die Bilder ebenfalls zeilenweise. Für den Einsatz in industriellen Anwendungen waren sie bisher jedoch kaum geeignet. Zu den klassischen Nachteilen dieser Technologie zählte beispielsweise der sehr kleine Arbeitsabstand, die geringe Tiefenschärfe, die Trägheit und das Fehlen eines in der Industrie verbreiteten Schnittstellenstandards. Mit der Entwicklung einer neuen Generation von KontaktImage-Sensoren für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen hat Mitsubishi Electric Europe nun jedoch eine praktikable und kosteneffektive Alternative zu Zeilenkameras geschaffen. Die neuen Sensoren der sogenannten KD-Serie arbeiten mit einem proprietären trilinearen CMOS-Sensor und verfügen über eine integrierte weiße LED-Beleuchtung, die eine Farbinspektion von Bahnware mit einer Auflösung von 600 dpi erlaubt. Die Bildaufnahme erfolgt bei den CIS-Modellen von Mitsubishi Electric über eine doppelte Reihe von Stablinsen, die auf den trilinearen CMOS-Farbsensor ausgerichtet sind. Über jede einzelne Stablinse wird ein sehr kleiner Bereich des Prüfobjekts aufgenommen. Aufgrund einer leichten Überlappung der einzelnen Bilder entsteht über die gesamte Länge des Sensors ein klares, scharfes, zeilenförmiges Bild mit einer Auflösung von 600 dpi. Die selektierten Stablinsen sind dabei auf einen optimierten Arbeitsabstand von 12 mm ausgelegt und lassen nur eine geringe Tiefenschärfe von ±0,5 mm zu. Diese Technologie eignet sich damit ausschließlich für Objekte, die eine Höhenabweichung von weniger als 0,5 mm aufweisen. CIS kombinieren Merkmale, wie hohe Datenraten, große Empfindlichkeit, gute Farbwiedergabe und hohe Auflösung, mit der Tatsache, dass diese Systeme ohne zusätzlichen Aufwand in Bezug auf das Set-up, die Einrichtung oder die Kamerakalibrierung eingesetzt werden können. Die Datenausgabe erfolgt über eine industrielle Standard-Cameralink-Schnittstelle. Die integrierten www.openautomation.de Voith setzt Maßstäbe in den Märkten Energie, Öl & Gas, Papier, Rohstoffe und Transport & Automotive. Gegründet 1867 ist Voith heute mit mehr als 42.000 Mitarbeitern, 5,7 Milliarden Euro Umsatz und Standorten in über 50 Ländern der Welt eines der großen Familienunternehmen Europas. Voith Industrial Services, ein Konzernbereich von Voith, unterstützt seit mehr als 40 Jahren Unternehmen aus der Automotive-Industrie mit einem umfassenden Portfolio von Dienstleistungen. Die individuell auf die Belange der Kunden zugeschnittenen Services entlasten Produktionsprozesse und tragen zu deren Optimierung bei. Weltweit ist Voith Industrial Services heute in 70 Montage- und 21 Powertrainwerken bei Kunden im Automobilbereich zu Hause. Standortleitung (m/w) Standort Neckarsulm Pflege und Weiterentwicklung von Kunden Erstellung von Angeboten Projektcontrolling Projektleiter (m/w) Standort München, Leipzig Elektrotechnik/Automation Kostenkalkulation und -verantwortung Betreuung der Baustellen vor Ort SPS-Programmierer (m/w) Standort Wolfsburg, Neckarsulm, Leipzig Softwareerstellung Inbetriebnahme bei Kunden Störungsbeseitigung Kundenbetreuer (m/w) Standort Chemnitz Gebiet Südwestdeutschland Vertrieb von technischen Dienstleistungen Beratung und Projektierung Techniker (m/w) Standort Kassel, Leipzig, Regensburg Projektabwicklung Angebotserstellung Kundenbetreuung Roboterprogrammierer (m/w) Standort Neckarsulm, Wolfsburg Softwareerstellung Inbetriebnahme bei Kunden Störungsbeseitigung Voith Industrial Services GmbH, Career Center Schockenriedstraße 17, 70565 Stuttgart [email protected] www.voith.com/karriere 59 Feldebene Lichtquelle Kamera Lichtleiter y x Schematische Darstellung der Bahninspektion mit Zeilenkameras Scanzeile Beleuchtung Sensor-IC Objektiv Asic/FPGA Prinzipieller Aufbau eines Kontakt-Image-Sensors Timing-Möglichkeiten umfassen EncoderEingänge und Anschlussmöglichkeiten für Beleuchtungssteuerungen, die via Cameralink über eine RS-232-Schnittstelle konfiguriert werden. Die Bilder eines CIS sind frei von Verzerrungen, da die Prüfobjekte aufgrund der langen Sensorlinie im Verhältnis 1:1 abgebildet werden. Die CIS-Produkte von Mitsubishi Electric sind in drei verschiedenen Längen von 309 mm, 617 mm und 926 mm verfügbar. Zwei Gruppen weißer LED-Beleuchtungen in den Sensoren lassen sich in ihrer Intensität unabhängig voneinander steuern, was in vielen Einsatzbereichen hilfreich ist. Die Beleuchtung ist dabei über die gesamte Sensorlänge hinweg homogen und Shading-frei, wodurch auch Defekte an den Rändern der 60 Abbildung noch gut erkannt werden können. Das Beste aus zwei Welten CIS und traditionelle Zeilenkameras verfügen über eine Reihe von Vor- und Nachteilen, daher ist es wichtig, die Anforderungen der Applikation genau zu verstehen, bevor man die Auswahl des optimalen Systems trifft. Zu den Vorteilen der CIS-Module zählt ihre flache Bauform, die ihren Einsatz auch in engen Einbauräumen zulässt. Sie sind als Komplettsystem mit Optik, Beleuchtung und Encoder-Logik ausgelegt und lassen sich je nach Breite der zu untersuchenden Bahnware einfach erweitern, ohne dass sich die Zeilenfrequenz ändert, sofern andere Parameter konstant bleiben. Auch sehr gute Zeilenkameras müssen hingegen immer mit geeigneten Optiken und Beleuchtungen kombiniert werden, um das bestmögliche System zu erhalten. Die optimale Zusammenstellung aller Komponenten von der Beleuchtung über die Optik und Kamera bis hin zur Bilderfassungshardware ist dabei entscheidend für die Qualität des Gesamtsystems. Dies kann einerseits zu höheren Kosten für Zeilenkameras mit höchster Auflösung führen, da Zeilenkameras mit 2 kPixel oder mehr immer auch großformatige Optiken erfordern. Andererseits erhält der Anwender mit dieser Technologie auch mehr Flexibilität. So können zum Beispiel die Vergrößerung und der Inspektionsbereich einfach angepasst werden, indem der Arbeitsabstand oder einfach nur die Optik verändert wird. Für Zeilenkameras ist zudem eine deutlich größere Produktpalette an geeigneten Beleuchtungen mit verschiedenen Beleuchtungs- und Bildwinkeln verfügbar, die eine Inspektion unterschiedlicher Oberflächenfehler erlauben. Bei Anwendungen, die eine höhere Empfindlichkeit erfordern, können TDI-Zeilenkameras (Time Delay and Integration) eingesetzt werden. Diese Kameras arbeiten mit mehreren Aufnahmestufen und ermöglichen so längere Belichtungszeiten und eine höhere Empfindlichkeit als normale Zeilenkameras. Die richtige Auswahl treffen Sowohl bei den CIS als auch bei Zeilenkameras existieren Monochromund Farbversionen mit verschiedenen Leistungsniveaus. Zeilenkameras sind für Bildverarbeitungsanwendungen im Bereich der Bahninspektion zweifellos immer noch führend im Bezug auf Leistung und Flexibilität, doch die neue CISGeneration spielt in diesem Segment inzwischen bereits eine wichtige Rolle. Wie bei vielen industriellen Bildverarbeitungsanwendungen ist hier die kompetente Beratung wichtig bei der Auswahl der optimalen Lösung. Stemmer Imaging als Anbieter von industrieller Bildverarbeitungstechnologie und zugehörigen Dienstleistungen führt neben den neuen Kontakt-Image-Sensoren von Mitsubishi Electric Europe auch eine breite Palette an Zeilenkameras unterschiedlicher Hersteller im Programm. Kunden des Unternehmens profitieren somit von der unabhängigen Unterstützung und Beratung bei der Auswahl der optimalen Lösung für die jeweilige Bahninspektionsanwendung. www.stemmer-imaging.de 4/13
