Hochgeschwindigkeitskamera mit sehr hoher Lichtempfindlichkeit

Beleuchtung wird zur Nebensache

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Für immer schnellere und komplexere Anforderungen muss die industrielle Bildverarbeitung attraktive Lösungsansätze liefern. Die vorgestellte kompakte Hochgeschwindigkeitskamera erschließt mit 16-facher Lichtempfindlichkeit eine ganze Palette neuer Anwendungsmöglichkeiten.

Von der industriellen Qualitätskontrolle über die optische Überwachung bis hin zur Prozessanalyse per Video müssen regelmäßig schnelle Bewegungen und Ereignisse erfasst werden. Hier braucht es Kameras mit sehr hohen Bildfrequenzen. Diese bedingen kurze Belichtungszeiten und daraus folgend einen meist umfangreichen und kostenintensiven Beleuchtungsaufwand. Unter sehr beengten Umgebungsbedingungen oder bei allgemein schlechten Lichtverhältnissen scheiterten viele Projekte an den mangelnden Möglichkeiten und entstehenden Kosten. Die Lösung dieses Problems präsentierte Mikrotron im Herbst 2007 auf der „Vision“ in Stuttgart.

Kein Gegensatz mehr: Hochgeschwindigkeit und Licht
Hochgeschwindigkeit und Licht – diesen „alten“ Gegensatz hebt die neue Kameraserie „Eosens“ auf, da eine CMOS-Hochge- schwindigkeits-Kamera mit sehr hoher Lichtempfindlichkeit entwickelt werden konnte: 2500 ISO/ASA bei 500 Vollbildern/s bedeuten eine 16mal höhere Lichtempfindlichkeit gegenüber bisher üblichen Standards. Beleuchtungstechnik wird so fast zur Nebensache.
Damit erweitert die Highspeed-Kamera das Feld möglicher Anwendungen beträchtlich. Andreas Ertl, verantwortlich für die Entwicklung der Eosens bei Mikrotron: „Mit dieser lichtempfindlichen Hochgeschwindigkeitskamera ist es uns gelungen, ein sehr breit gefächertes, teilweise noch ungenutztes Anwendungsspektrum für die anspruchsvolle industrielle Bildverarbeitung zu erschließen. Auch in der Ereignisanalyse, wichtig etwa in der Prozessoptimierung oder in der Forschung und Entwicklung, bietet die Kamera völlig neue Einsatzmöglichkeiten.“
Hohe Lichtempfindlichkeit bedeutet weniger Licht, was wiederum den Komponentenaufwand minimiert, den Energiebedarf verringert und die Verkabelung reduziert. In sensiblen Bereichen wie beispielsweise der Mikroskopie kann Beleuchtung nur beschränkt eingesetzt werden. Eine lichtempfindliche Kamera ermöglicht es, auch hier kaum sichtbare Details in Highspeed zu erfassen.
Hohe Lichtempfindlichkeit ermöglicht hohe Tiefenschärfe
Die hohe Lichtempfindlichkeit ermöglicht durch größere Blendenwerte eine höhere Tiefenschärfe des Bildes, trotz schwacher Lichtbedingungen. Basis der Lichtempfindlichkeit sind die gegenüber Standardbildsensoren größeren 14 x 14 µm Pixel in Kombination mit einem sehr guten Füllfaktor der Pixel, das heißt ein deutlich höherer Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche des Pixels mit seinen integrierten Transistoren. Das sehr gute Signal-/Rauschverhalten ist ein weiterer Beitrag zur Bildqualität.
Besonders in der Bildverarbeitungs-Programmierung ist hohe Lichtempfindlichkeit noch nicht alles, denn auch bei extremen Hell-Dunkel-Unterschieden sollte ein Programm eindeutig interpretierbare Details erkennen können. Dafür sorgt die zuschaltbare mehrstufige Dynamik- anpassung der Eosens, die eine lineare Charakteristik der Bilddynamik auf eine nichtlineare zweistufige Dynamik anpasst. Das erzielt auch bei extremen Hell-Dunkel-Unterschieden klare Details in allen Bereichen. So lassen sich beispielsweise Kanten und Konturen innerhalb sehr starker Kontraste wesenlich sicherer detektieren.
Bilder bei sehr schnellen Vorgängen einfach „einfrieren“
Weiteres Feature ist der „Pipelined Global Shutter“. Er gewährleistet, dass die Integration des einfallenden Lichts bei allen Pixeln gleichzeitig beginnt und endet. Dieser, auch „Freeze Frame“ genannte Vollbild-Shutter „friert“ nach Belichtungsende das Vollbild komplett ein und speichert es ab, während bereits die Belichtung des nächsten Bildes erfolgt. Dadurch können sowohl im synchronen als auch asynchronen Betrieb auch sehr schnelle Vorgänge verzerrungsfrei aufgenommen werden.
Von großem Nutzen bei unklaren Lichtverhältnissen, etwa bei Erkennungs- und Tracking-Aufgaben im Außenbereich, ist die zuschaltbare Mehrfachbelichtung. Bis zu sieben mal kann die Ladung eines Pixels aufsummiert werden. Aus den unterschiedlich belichteten Alternativen kann das in jedem Fall optimal belichtete Bild zur Weiterverarbeitung gelangen, wichtig etwa bei Langzeitaufzeichnungen.
Zu den weiteren Eigenschaften der Kamera zählt die „Multiple RoI“-Funktion: Bis zu drei frei definierbare Teilbereiche innerhalb des Gesamt-Bildfeldes können gleichzeitig selektiert werden. Damit lassen sich in der Bildverarbeitung mehrere Objekte gleichzeitig und völlig unabhängig voneinander erfassen und analysieren. Hinzu kommt die Möglichkeit der wahlweisen vertikal und horizontal spiegelbaren Ausleserichtung der Pixeldaten.
Geschwindigkeit ist keine Hexerei
Mit bis zu 500 Vollbildern/s bei 1280 x 1024 Pixel Bildauflösung, und bis zu 120 000 Bildern/s in beliebig skalierbarem Bildausschnitt (Region of Interest, RoI), erschließt die Eosens-Kameraserie völlig neue Möglichkeiten für die optische Überwachung und Kontrolle in Hochgeschwindigkeit – etwa bei Anwendungen, bei denen mangels Licht der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras bisher überhaupt nicht möglich war.
Die Geräte werden als Monochrom- oder Farbversion (Bayer-Filter) angeboten, wahlweise in folgenden Interface-Varianten:
  • Full Camera-Link (bis 500 fps bei Vollauflösung)
  • Base Camera-Link (bis 130 fps bei Vollauflösung) und
  • Gige Vision (bis 80 fps bei Vollauflösung).
Highspeed-Kamera Eosens KEM 504
Mikrotron-Portfolio allg. KEM 505
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