DALSA TDI Zeilenkameras überlisten die Dunkelheit

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1 TDI Zeilenkameras überlisten die Dunkelheit Zeilenkameras benötigen wegen der hohen Scan-Frequenzen im Betrieb viel Licht aber auch die beste Beleuchtung hat ihre Grenzen. TDI-Sensoren können mittels Mehrfachbelichtung die effektive Belichtungszeit verlängern. Das Ergebnis sind deutlich empfindlichere Kameras. Obwohl der Großteil aller Anwendungen in der Bildverarbeitung mit Flächenkameras realisiert wird, ist der Einsatz von Zeilenkameras über alle Industriebranchen hinweg häufig sinnvoll. So lässt die Kontrolle von Endlosmaterial (Textil-, Druck oder Folieninspektion) eine Aufteilung des Prüfobjekts in Einzelbilder, wie mit einer Flächenkamera, nicht zu. Außerdem erzielt man durch den Scan-Mechanismus (in der Regel wird das Objekt oder die Kamera selbst während der Aufnahme bewegt) äußerst hohe Auflösungen, die mit Flächenkameras nicht oder nur mit sehr hohem Kostenaufwand erreichbar sind.

2 Zeile oder Fläche was ist empfindlicher? Einer der wichtigsten und oft auch kritischsten Punkte beim Aufbau eines Zeilenkamerasystems ist es, für die ausreichende Beleuchtung des Prüfobjekts zu sorgen. Dies liegt nicht daran, dass Zeilensensoren generell unempfindlicher wären als Flächensensoren: Eine Dalsa-2M30 Flächenkamera (1600 x 1200 Pixel, Pixelgröße 7,4 µm) hat eine Empfindlichkeit von 8 DN/(nJ/cm2). Dabei ist der Helligkeitswert (die so genannte Digital Number, DN) pro eingestrahlter Lichtenergie-Dichte das gebräuchliche Maß für die Empfindlichkeit eines Sensors. Zum Vergleich: die Dalsa P2-08k40 (8192 Pixel je Zeile, Pixelgröße 7 µm) weist eine Empfindlichkeit von 10,7 DN/(nJ/cm2) auf, sie ist also empfindlicher. Mit Zeilenkameras werden allerdings Frequenzen gefahren, die ein Vielfaches über denen bei Flächenkameraanwendungen liegen die Konsequenz: Es steht viel weniger Zeit zur Belichtung des Sensors zur Verfügung. Eine 2M30 erlaubt bei maximal 34 Bildern je Sekunde eine Belichtungszeit von zirka 30 ms. Eine P2-08k40 kann man mit maximal 18 khz betreiben, sodass bei dieser Geschwindigkeit nur noch etwa 1/500 der Belichtungszeit (für jede Zeilenkamera gilt ist die maximale Belichtungszeit gleich der reziproken Zeilenfrequenz) einer 2M30 zur Verfügung steht. Empfindlichkeit wie wichtig ist sie? Die Belichtungszeit kann also nicht ohne Reduzierung der Zeilenfrequenz erhöht werden (was beispielsweise dem Wunsch nach kürzerem Maschinentakt entgegensteht). Das Beleuchtungssystem kann auch nicht immer weiter in der Leistung gesteigert werden. Daher bleibt nur ein Ausweg: Die Empfindlichkeit des Sensors selbst zu erhöhen. Die Entwicklung bei Dalsa Zeilenkameras zeigt, dass immer neue Sensor-Architekturen eine Steigerung ermöglichen. Die 2002 erschienene Piranha2 hat eine Empfindlichkeit von 10,7 und die 2005 entwickelte Piranh bereits 14 DN/(nJ/cm2), beide Kameras mit 7 µm Pixelgröße. Um aber wirklich die Empfindlichkeit signifikant zu steigern, muss auf eine spezielle Technologie zurückgegriffen werden: TDI. TDI steht für Time Delay and Integration und ist ein spezieller Aufnahme und Akkumulationsmechanismus, der zu einer deutlich verbesserten Empfindlichkeit gegenüber klassischen Zeilenkameras führt. Das wesentliche Konzept von TDI besteht darin, das gleiche Objekt mehrfach auf dem TDI-Sensor zu belichten. Damit wird die effektive Belichtungszeit wesentlich verlängert. Das Resultat der Addition aller einzelnen Belichtungsschritte führt dann zu einer deutlich gesteigerten Empfindlichkeit. So besteht ein TDI-Sensor (Bild 1) aus mehreren Zeilen, den so genannten TDI-Stages, auf denen dasselbe Objekt nacheinander mehrfach abgebildet wird, während es sich unter dem Sensor hindurchbewegt. Der Ablauf dieser Mehrfachbelichtung ist wie folgt: Das Objekt wird in TDI-Stage 1 abgebildet und generiert dort das Ladungsbild (also Elektronen in jedem CCD- Element). Dann wird diese Ladung in TDI-Stage 2 transportiert. Hier findet erneut eine Belichtung desselben Objekts statt. Dieser Prozess des Belichtens und des anschließenden Ladungstransports wird solange wiederholt, bis alle TDI-Stages durchlaufen sind und das Ausleseregister erreicht ist. Im Ausleseregister sind dann alle Einzelbelichtungen aufaddiert (Bild 2). Bild 1 Schema eines Dalsa-TDI-Sensors mit 96 schaltbaren TDI-Stages, vier Sensorausgängen und wählbarem Vorwärts-/Rückwärtsbetrieb

3 Bild 2 Das TDI-Prinzip: Dasselbe Objekt wird nacheinander mehrfach abgebildet, während es sich unter dem Sensor hindurchbewegt TDI der Turbo für die Empfindlichkeit Da TDI die effektive Belichtungszeit vervielfacht (je nachdem wie viele TDI-Stages zur Aufnahme beitragen), kann bei einer gegebenen Beleuchtung die Zeilenfrequenz und damit auch die Taktfrequenz deutlich gesteigert werden, ohne die benötigte Lichtmenge erhöhen zu müssen. Zum anderen kann bei kritischen äußeren Bedingungen auf ein aufwändiges und teures Beleuchtungssystem verzichtet werden. Tabelle A fasst die Kenndaten Auflösung, Geschwindigkeit, Pixelgröße und Empfindlichkeit zusammen und vergleicht die Kameras 2M30, Piranha 2, Piranha 3 und Piranha HS mit TDI-Sensor. Kamera 2M30 P2-08k40 P3-08k40 HS-08k40 (TDI) Auflösung 1600x Pixel/Zeile 8192 Pixel/Zeile 8192 Pixel/Zeile Geschwindigkeit 34 Bilder/s 16 khz 33,7 khz 68 khz Pixelgröße 7,4 µm 7,0 µm 7,0 µm 70 µm Empfindlichkeit DN/(nJ/cm 2 ) 8 10, bei 0 db Gain TDI selbst existiert seit über 20 Jahren, und Dalsa ist seither der führende Anbieter dieser Technologie. Dalsa erweitert dieses Jahr die Kameraserie Piranha HS (HS steht für High Sensitivity) um drei neue Modelle mit Auflösungen von 4096 Pixeln je Zeile bei 36 khz und 8192 Pixeln je Zeile bei 36 khz beziehungsweise 68 khz. 96 schaltbare TDI-Stages sorgen für eine Empfindlichkeit von bis zu 1235 DN/(nJ/cm2). Die neuen TDI-Sensoren unterstützen einen Vorwärts-/Rückwärtsbetrieb (die Scan-Richtung ist also umkehrbar) und die Spiegelung einzelner Taps oder der gesamten Zeile. Als Highlight ist der Betrieb im Area-Scan- Modus (Betrieb als Flächenkamera mit 8192 x 96 Pixeln Auflösung) möglich.

4 Wie bei Dalsa üblich, lassen sich die Zeilenkameras umfangreich programmieren. Zu den Einstellmöglichkeiten zählen automatische Flat-Field Correction, Gain, Exposure-Mode und Testmuster. Die neuen HS Kameras mit 7 µm Pixelgröße unterstützen die Datenausgabe in 8 bit und 12 bit in Camera-Link-Medium- (4-k- und 8-k- Versionen) und Camera-Link-Full- (8- k-version) Konfiguration. Über den weit verbreiteten M72-Objektivanschluss kann eine Vielzahl unterschiedlicher Objektive bekannter Hersteller wie Schneider-Kreuznach oder Linos adaptiert werden. Fit für den industriellen Einsatz Die hohen Geschwindigkeiten, Auflösungen und vor allem die Empfindlichkeit der neuen Dalsa Zeilenkameras verkürzen für jede Anwendung die Messzyklen und sparen damit Zeit und Geld. Das Camera-Link-Interface, die kompakten Abmessungen und das Single-Board Design sorgen für einfache Integration und machen Piranha3 und Piranha HS fit für Display-Inspektion, PCB-Inspektion, Bahnwarenkontrolle, Druckbildkontrolle und vieles mehr. Bitte beachten Sie die angehängte Kurzübersicht: Kameras

5 Kameras für Industrie und Wissenschaft Zeilen Kameras Auflösungen bis Pixel/Zeile Zeilenfrequenzen bis zu 72 khz TDI-Technologie für höchste Empfindlichkeit bestens geeignet für Anwendungen wie Display- und PCB-Inspektion, Bahnwarenkontrolle, Druckbildkontrolle u.v.m. Kameras bestechen durch höchste Performance bezüglich Bildqualität, Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Dynamikumfang Flächen Kameras Monochrom und Farbe bis 11 MegaPixel (4008x2672) bis 150 Bilder/s ideal für Machine Vision Applikationen, die hohe Detailgenauigkeit bei hohen Frameraten erfordern Telefon / Fax /

6 Zeilenkameras Piranha3 Durch die neuentwickelten Zeilensensoren sind die neuen Piranha3 die weltweit schnellsten Kameras, die gleichzeitig über höchste Auflöung verfügen. Die Datenausgabe erfolgt in Camera Link Medium oder Camera Link Full Konfiguration. Piranha2 Die Zeilenkameras der Piranha2 Serie bieten ein Höchstmaß an Performance für alle Bildverarbeitungsanwendungen. Die Varianten mit 30 MHz sind die idealen Low-Cost Lösungen für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an Auflösung und Geschwindigkeit. Das kompakte Gehäuse sowie das standardisierte Camera Link Interface ermöglichen die einfache Integration und schnelles Interfacing. Auflösungen 1024 bis 8192 Pixel/Zeile Zeilenfrequenz bis zu 72 khz Flat-Field Correction 8 oder 10 Bit Auflösungen und Pixel/Zeile bis 33 khz Zeilenrate Flat-Field Correction 8 oder 12 Bit Spyder2 Die neuen Spyder2 Zeilenkameras übertreffen die bekannte Spyder Serie an Performance und Funktionalität und bieten ein modernes Camera Link Interface. Auflösungen 512 bis 2048 Pixel/Zeile 14 µm x 14 µm Pixelgröße Zeilenfrequenz bis zu 68 khz Flat-Field Correction 8 oder 10 Bit Spyder GigE Gigabit Ethernet mit 3-facher Empfindlicheit und 2-facher Geschwindigkeit Piranha HS TDI Time Delay and Integration Die Piranha HS sind mit den neuentwickelten Zeilensensoren ausgestattet und zählen zu den weltweit empfindlichsten Kameras ideal für Anwendungen unter kritischen, dunklen Lichtverhältnissen. High Sensitivity 2k, 4k und 8k Auflösung Zeilenfrequenz bis zu 68 khz 96 schaltbare TDI-Stages Vorwärts-/Rückwärts-Betrieb Area Scan Modus 8 oder 12 Bit

7 Flächenkameras CMOS MegaPixel Auf einem CMOS Sensor basierend bieten diese Kameras eine MegaPixel Auflösung bei Frameraten von bis zu 150 Vollbilder/s. Stop-Action SA durch den global non-rolling Shutter ermöglicht die Aufnahme schnell bewegter Objekte. Die LinLog Technologie ermöglicht ein logarithmisches Einstellen der Kennlinie, womit bis zu 120 db Dynamikumfang erreicht werden. Pantera TF Frame-Transfer Die Frame-Transfer Kameras basieren auf einem True-Frame CCD und erreichen damit hohe Auflösungen bei hohen Frameraten. Der 100% Füll-Faktor der Sensoren garantiert herausragende Dynamik, minimales Rauschen und höchste Empfindlichkeit auch bei ungünstigen Lichtbedingungen. Frame-Transfer Sensor mit 100% Füll-Faktor Auflösung 1024 x 1024 Pixel Frameraten bis 60 Vollbilder/s 8, 10 oder 12 Bit CMOS Sensor Auflösung 1024 x 1024 Pixel Global non-rolling Shutter Dynamikumfang bis 120 db Frameraten bis 150 Vollbilder/s Pantera TF Full-Frame Die Full-Frame Sensoren ermöglichen mit dem 100% Füll- Faktor auch bei höchster Auflösung ein Optimum an Bildqualität, Dynamik und Empfindlichkeit. Full-Frame Sensor mit 100% Füll-Faktor Auflösungen bis zu 4008 x 2672 (11 MegaPixel) Frameraten bis 8 Vollbilder/s 8, 10, 12 oder 14 Bit Pantera SA Die Monochrom- und Farbkameras mit Interline-Transfer Sensor verfügen über ein hochkompaktes Gehäuse. Der asynchrone Reset Stop-Action SA ist von Vorteil bei schnell bewegten Objekten, bei gleichzeitig großem Bildfeld. Interline-Transfer Sensor Auflösungen bis zu 2048 x 2048 Pixel Frameraten bis 34 Vollbilder/s 8 oder 10 Bit

8 Zeilenkameras auf einen Blick Auflösung Pixelgröße Zeilenrate Datenrate Camera Link Piranha3 P3-8x-08K x7 µm 33,7 khz 8x40 MHz Medium/Full P3-8x-12K x5 µm 23,5 khz 8x40 MHz Medium/Full Piranha2 P2-2x-01K x10 µm 49,6 khz 2x30 MHz Base P2-2x-02K x10 µm 27 khz 2x30 MHz Base P2-2x-04K x7 µm 14 khz 2x30 MHz Base P2-2x-01K x10 µm 65 khz 2x40 MHz Base P2-2x-02K x10 µm 35 khz 2x40 MHz Base P2-2x-04K x7/10x10 µm 18 khz 2x40 MHz Base P2-2x-06K x7 µm 12 khz 2x40 MHz Base P2-2x-08K x7 µm 9 khz 2x40 MHz Base P2-4x-02K x10 µm 72 khz 4x40 MHz Medium P2-4x-04K x7/10x10 µm 36 khz 4x40 MHz Medium P2-4x-06K x7 µm 24 khz 4x40 MHz Medium P2-4x-08K x7 µm 18 khz 4x40 MHz Medium P2-8x-12K x7 µm 24 khz 8x40 MHz Full Spyder2 S2-1x-05H x14 µm 65 khz 1x40 MHz Base S2-1x-01K x14 µm 35 khz 1x40 MHz Base S2-1x-02K x14 µm 18 khz 1x40 MHz Base Spyder GigE SG-1x-01K x14 µm 68,5 khz 40/80 MHz Gigabit Ethernet SG-1x-02K x14 µm 36 khz 40/80 MHz Gigabit Ethernet Piranha HS TDI-Technologie HS-4x-02K x64 TDI 13x13 µm 52 khz 4x30 MHz Base/Medium HS-4x-04K x96 TDI 7x7 µm 36 khz 4x40 MHz Base/Medium HS-8x-08K x96 TDI 7x7 µm 36 khz 8x40 MHz Medium/Full HS-8x-08K x96 TDI 7x7 µm 68 khz 8x80 MHz Medium/Full Flächenkameras Auflösung Pixelgröße Framerate Datenrate Camera Link CMOS MegaPixel DS-11-01M x ,6x10,6 µm 28 fps 1x28 MHz Base DS-21-01M x ,6x10,6 µm 75 fps 2x40 MHz Base DS M x ,6x10,6 µm 150 fps 2x80 MHz Base Pantera SA monochrom DS-21-02M x1200 7,4x7,4 µm 34 fps 2x40 MHz Base DS-24-02M x1080 7,4x7,4 µm 34 fps 2x40 MHz Base DS-21-04M x2048 7,4x7,4 µm 16 fps 2x40 MHz Base Pantera SA color DS-22-02M x1200 7,4x7,4 µm 34 fps 2x40 MHz Base DS-25-02M x1080 7,4x7,4 µm 34 fps 2x40 MHz Base DS-22-04M x2048 7,4x7,4 µm 16 fps 2x40 MHz Base Pantera TF Frame-Transfer DS-1A-01M x x12 µm 30 fps 1x40 MHz Base DS-21-01M x x12 µm 60 fps 2x40 MHz Base Pantera TF Full-Frame PT-20-06M x x12 µm 7,5 fps 2x36 MHz Base PT-20-11M x2672 9x9 µm 4,4 fps 2x36 MHz Base Kameras der Serien Piranha, Spyder, Spark, Eclipse, Dalstar, Trillium und andere sind weiterhin verfügbar. Informationen hierüber finden Sie unter

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