Pixel Shift
Ultrahohe Auflösung für die industrielle Bildverarbeitung
Viele industrielle Prüfanwendungen, wie die Inspektion von Flachbildschirmen und Leiterplatten sowie das Einscannen von Dokumenten, erfordern den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen mit ultrahoher Auflösung, um das Objekt mit der erforderlichen Detailgenauigkeit abbilden zu können. Mit jeder neuen Flachbildschirmgeneration steigen die Pixeldichte und die Anforderungen an eine noch höhere Auflösung und Empfindlichkeit für Qualitätsprüfungen. Gleichzeitig muss jedoch eine Verlängerung der Prüfzeiten vermieden werden.
An Bildverarbeitungssysteme in modernen Fertigungsstraßen werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf die Geschwindigkeit und Auflösung gestellt. Dank neuester Fortschritte in der CMOS- und CCD-Technik sind dabei heute Bildsensoren mit immer mehr Pixeln erhältlich. Diese bieten eine immer bessere räumliche Auflösung bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Bildrate. Die Anzahl der verfügbaren Pixel ist jedoch nicht der einzige Gesichtspunkt, den es zu bedenken gilt. Bildsensoren, wie sie vor allem für Smartphones in Massenproduktion hergestellt werden, weisen üblicherweise eine Auflösung im Bereich von 12 bis 16MP auf. Die Sensoren selbst sind jedoch sehr klein und der Bereich ist stark kostengetrieben. Dies bedeutet auch, dass diese Sensoren sehr kleine Pixel haben und somit weniger Licht erfassen sowie über ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis verfügen. Alleine schon aus diesem Grund eignen sie sich nicht für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung. Darüber hinaus ist die Möglichkeit, die Belichtungskontrolle im Chip zu integrieren, bei diesen Sensoren begrenzt. Deshalb sind sie mit einem Rolling-Shutter-System ausgestattet, bei dem nicht alle Pixel gleichzeitig belichtet werden.
Regelmäßig werden neue Kameras für die industrielle Bildverarbeitung auf den Markt gebracht. Einige der zuletzt angekündigten hochauflösenden Flächenkameras sind die AVT Prosilica GT6600 mit 29MP Auflösung und die mit einer thermoelektrischen Peltier-Kühlung ausgestattete Vieworks VP-29MC-M/C 5. Beide Kameras verfügen über Sensoren mit 6.576×4.384 Pixeln. JAI führt das 20-MPixel-Modell Spark SP-20000C-PMCL mit einer Auflösung von ebenfalls stattlichen 5.120×3.840 Pixel im Programm.
Was aber, wenn eine Anwendung eine noch höhere Pixelzahl benötigt? Eine Lösung könnte sein, mehrere Kameras zu verwenden, um eine Reihe von Bildern zu produzieren, die dann zu einem Bild zusammengefügt werden. Bei Verwendung einer einzelnen Kamera kann als zweite Option entweder das Objekt oder die Kamera bewegt werden, um eine Anzahl von Bildern aufzunehmen, die dann ebenfalls ein zusammengesetztes Bild ergeben. Eine dritte Möglichkeit ist die Anwendung der sogenannten Pixel Shift-Technik.
Verschobene Pixel
Mit Hilfe der Pixel Shift-Technik kann das Auflösungsvermögen von Flächensensoren deutlich gesteigert werden. Die Industriekameras VNP-29MC von Vieworks mit CameraLink-Schnittstelle verfügen in der Standardausführung über einen CCD-Sensor mit 29MP (6.576×4.384Pixel). Durch den Einsatz der Pixel Shift-Technologie kann die erzielbare Auflösung jedoch auf 260 Millionen Pixel (19.728×13.152) gesteigert werden. Dadurch kann die Kamera für Anwendungen eingesetzt werden, die ultrahohe Auflösungen erfordern.
Der Sensor ist dabei auf einer präzisen piezoelektrischen Kristallunterlage montiert, die eine Pixelverschiebung im Nanobereich von einem halben oder einem Drittel Pixel ermöglicht. Auf diese Weise kann die Standardauflösung um das Vierfache auf 115 Millionen Pixel oder sogar um das Neunfache auf 260 Millionen Pixel erweitert werden.
Die Funktionsweise der Pixel Shift-Technologie wird in Bild 1 dargestellt. In diesem Beispiel wird der Sensor präzise um ein halbes Pixel in X- und Y-Richtung verschoben. Das resultierende Bild ist somit eine Kombination aus vier Einzelbildern mit verbesserter Auflösung (Ergebnisbild aus vier Aufnahmen) im Vergleich zum Standardbild (Ergebnisbild aus einer Aufnahme). Das Zusammenfügen der Bilder erfolgt per Software im Bildverarbeitungs-PC. Bei einer Verschiebung des Sensors um ein Drittel Pixel werden entsprechend neun Bilder erzeugt.
Die Vieworks-Kamera VNP-29MC, in der Vieworks die Pixel-Shift-Technologie einsetzt, ist als Monochrom- oder Farbversion erhältlich, wobei die Möglichkeit der Pixelverschiebung im Bereich der Farbabbildung noch zusätzliche Vorteile bietet: Die CCD-Farbkamera erzeugt ihre Farbbilder mit Hilfe der Bayer-Interpolation. Dabei können ungewollte Artefakte wie Farbmoiré oder falsche Farbpixel entstehen. Durch eine Pixelverschiebung werden Farbartefakte und Alias-Effekte jedoch vermieden und die Farbauflösung optimiert (Bild 2).
Die Sensoren der Kamera können zur Verbesserung der Empfindlichkeit durch thermoelektrische Peltierelemente (TEC) auf fünfzehn Grad unter der Umgebungstemperatur heruntergekühlt werden. Dies sorgt für stabile Betriebsbedingungen, reduziert das Sensorrauschen und ermöglicht lange Belichtungszeiten oder ein höheres Verstärkungsniveau zur Steigerung der Kameraempfindlichkeit. Dadurch eignen sich die Kameras hervorragend bei schlechten Lichtverhältnissen, kontrastarmen Objekten oder wechselnden Helligkeitsverhältnissen in Industrieanwendungen. Zusätzlich zu den offensichtlichen Vorteilen einer verbesserten Auflösung sorgt die Pixelverschiebung auch für ein größeres Bildfeld, sofern das passende Objektiv verwendet wird. Dadurch lässt sich das Zusammensetzen mehrerer Bilder und die Verwendung mehrerer Kameras vermeiden – was Zeit und Geld spart.
