Contact-Image-Sensoren für die industrielle Bildverarbeitung Bildverarbeitung in der Bahninspektion

Redakteur: Silvano Böni

>> Aus Scannern und anderen Geräten sind Contact-Image-Sensoren (CIS) bereits seit längerer Zeit bekannt. Jetzt hat Mitsubishi Electric Europe diese Technologie so weiterentwickelt, dass sie auch für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen tauglich ist und eine echte Alternative darstellt.

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Die Contact-Image-Sensoren der KD-Serie von Mitsubishi erfüllen die Anforderungen zahlreicher industrieller Bildverarbeitungsapplikationen.
Die Contact-Image-Sensoren der KD-Serie von Mitsubishi erfüllen die Anforderungen zahlreicher industrieller Bildverarbeitungsapplikationen.
(Bild: Stemmer)

Contact Image Sensors (CIS) sind Bildverarbeitungskomponenten, die seit vielen Jahren in grossem Umfang in Kopiergeräten, Scannern, Währungsprüfgeräten, Karten- und Ticketlesesystemen eingesetzt werden. Diese Sensoren erzeugen die Bilder zeilenweise, so dass der Vergleich mit Zeilenkameras auf der Hand liegt. In industriellen Bahninspektionsanwendungen werden traditionell Zeilenkameras (Bild 1) eingesetzt – die Frage, ob CIS-Systeme eine gute Alternative dazu sind, ist also naheliegend. Bisher stellten die klassischen Grenzen von Kontakt-Image-Sensoren, wie beispielsweise die sehr kleinen Arbeitsabstände, die geringe Tiefenschärfe, die Trägheit und fehlende Industrieschnittstellenstandards, eine Einschränkung in industriellen Anwendungen dar. Die kürzlich eingeführten Contact Image Sensoren der KD-Serie von Mitsubishi Electric für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen sind die Antwort auf diese Problematik.

CIS-Technologie

Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Contact-Image-Sensors. Diese RGB-Farbsensoren sind in linearen Arrays mit 7296 Pixel (309 mm lang), 14 592 Pixel (617 mm lang) oder 21 888 Pixel (926 mm lang) angeordnet. Mit ihrer Pixelgrösse von 42 µm ermöglichen alle CIS-Modelle eine Auflösung von 600 dpi. Der Sensor verwendet eine Stablinse, die ein Bild in der gleichen Grösse wie das Objekt erzeugt, ohne dass dabei die sonst bei Kamera-/Optik-Systemen häufig entstehenden Verzerrungen auftreten können. CIS-Systeme arbeiten also mit einem 1:1-Abbildungsverhältnis. Der Einsatz eines integrierten trilinearen Sensors mit On-Chip-Filter und weisser LED-Beleuchtung ist für CIS-Produkte unüblich, hat sich jedoch bei Zeilenkameras bereits bestens bewährt. Die Onboard-Vorverarbeitung liefert RGB-Bilder einschliesslich einer Flat-Field-Korrektur zum Ausgleich etwaiger Sensorungenauigkeiten. Die maximale Zeilenfrequenz von 23 kHz erlaubt Scanleistungen von 960 mm/s beziehungsweise 44 µs/Zeile. Die neuen CIS-Systeme verwenden einen Arbeitsabstand von 12 ±0,05 mm von der Stirnseite und verfügen über einen Standard-CameraLink-Datenausgang – beides sind entscheidende Merkmale für den Einsatz in industriellen Bildverarbeitungsanwendungen. Im Vergleich zu den bisherigen Anforderungen an herkömmliche Contact-Image-Sensoren hinsichtlich «Kontakt oder Beinahekontakt» stellt dieser Arbeitsabstand eine deutliche Verbesserung dar und ist somit die Antwort auf einige Probleme bei der Integration in industrielle Bahnanwendungen. Die konfigurierbare CameraLink-Ausgabe ermöglicht die Datenausgabe mit wahlweise 8- oder 10-Bit. CIS-Systeme stehen als OEM-Variante mit 5- und 24-V-Stromversorgung zur Verfügung. Dank der niedrigen Bauhöhe benötigen CIS-Systeme weniger Platz als Zeilenkameras.

Bildergalerie

Bildverarbeitung mit Zeilen- kamerasystemen

Die Bildverarbeitung mit Zeilenkameras ist fester Bestandteil der industriellen Bildverarbeitung. Es stehen eine grosse Bandbreite an Zeilenkameras mit Zeilenauflösungen von bis zu 16k Pixel, drei verschiedene Technologien für Farbzeilenkameras und eine grosse Bandbreite an Zeilenfrequenzen zur Verfügung. Zeilenkameras arbeiten im herkömmlichen Sinne der Bildverarbeitung, das heisst, sie benötigen eine passende Optik und eine externe Lichtquelle. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität, da das Abbildungsverhältnis und der Inspektionsbereich durch das Einstellen des Arbeitsabstands oder der Linse einfach geändert werden kann. Für Zeilenkameras ist zudem eine deutlich grössere Produktpalette an geeigneten Beleuchtungen mit verschiedenen Beleuchtungs- und Bildwinkeln verfügbar, die eine Inspektion unterschiedlichster Oberflächenfehler erlauben. Bei Anwendungen, die eine höhere Empfindlichkeit erfordern, können TDI-Zeilenkameras (TDI steht für Time Delay and Integration) eingesetzt werden. Diese Kameras arbeiten mit mehreren Aufnahmestufen und ermöglichen so längere Belichtungszeiten und eine wesentlich höhere Empflindlichkeit als eine normale Zeilenkamera. Die Abbildung XX vergleicht technische Daten von CIS- und Zeilenkameras.

Richtige Wahl treffen

Zeilenkameras sind für Bildverarbeitungsanwendungen im Bereich der Bahninspektion zweifellos immer noch führend im Bezug auf Leistung und Flexibilität, doch die neue CIS-Generation stellt bereits ein Leistungsniveau zur Verfügung, welches die Anforderungen zahlreicher Applikationen einschliesslich der Inspektion von Leiterplatten, von Druckerzeugnissen oder von LCD-Feldern erfüllt. Wie bei vielen industriellen Bildverarbeitungsanwendungen ist die kompetente und fachmännische Beratung entscheidend bei der Auswahl der optimalen Lösung. <<

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