Die Zeiten, in denen Zeilenkameras in der Welt der Bildverarbeitung als Exoten angesehen wurden, sind lange vorbei: Als Standardwerkzeug wird diese Technologie heute fast immer in Anwendungen eingesetzt, bei denen sehr lange oder praktisch endlose, meist flache Objekte inspiziert werden. Beispiele für solche Aufgabenstellungen finden sich u.a. in der Druckindustrie zur Kontrolle bedruckter Papierbahnen, bei der Überprüfung von Stahl-Coils, Stoffen oder Kunststofffolien. Auch für die Prüfung von zylindrischen Objekten können Zeilenkameras eine hervorragende Wahl darstellen. In solchen Applikationen werden die Objekte meist vor der Kamera rotiert, um eine Abwicklung der zylindrischen Oberfläche zu erzeugen, die anschließend als 2D-Bild ausgewertet wird. Das Grundprinzip von Zeilenkameras ist, dass sie Objekte im Gegensatz zu Flächenkameras zeilenweise aufnehmen. Die so entstandenen Linien werden dann im Framegrabber oder direkt in der Kamera zu 2D-Bildern aneinandergehängt und anschließend ausgewertet.
Der technologische Fortschritt bei Zeilenkameras war in den vergangenen Jahren atemberaubend, und ist noch lange nicht zu Ende, so Thomas Miller, einer der beiden Geschäftsführer der Rauscher GmbH Bildverarbeitung: „Wie in allen Bereichen der Bildverarbeitung arbeiten die Hersteller ständig an weiteren Verbesserungen ihrer Produkte, und das gilt selbstverständlich auch für Basler und Vieworks, deren Zeilenkameras wir vertreiben. Wichtige Parameter, die dabei optimiert werden, sind die immer höheren Geschwindigkeiten der Bildaufnahme sowie die Auflösungen der Sensoren, doch auch weitere technische Eigenschaften von Zeilenkameras werden immer ausgereifter.“
Von Single- bis Quad-Line und TDI
Grundlage für diese Weiterentwicklungen sind u.a. die eingesetzten Zeilensensoren, die anfangs nur als Single-Line-Sensoren existierten. Dieser Sensortyp arbeitet mit nur einer Reihe an lichtempfindlichen Pixeln, die durch den Einsatz von RGB-Filtern und einer von Flächenkameras bekannten Bayer-Interpolation auch Farbinformationen erfassen können. Zeilenkameras mit Single-Line-Sensoren haben insbesondere in den Farbvarianten Schwächen bezüglich der Auflösung, daher verwenden modernere Modelle Dual-Line-, Trilinear- oder gar Quad-Line-Sensoren. Hierbei werden zwei, drei oder vier parallel liegende Sensorzeilen verwendet, um die Monochrom- oder Farbinformationen der Objekte aufzunehmen. Die Idee dahinter ist, dass das eingefangene Licht der einzelnen Sensorzeilen auf diese Weise addiert werden kann, um eine höhere Signalstärke zu erzielen. Aufgrund des räumlichen Abstands zwischen den einzelnen Zeilen ist eine hochgenaue Abstimmung der Aufnahmezeitpunkte jeder Zeile unter Berücksichtigung der Objektgeschwindigkeiten erforderlich, um qualitativ hochwertige Bilder zu generieren.
Zeilenkameras werden häufig in sehr schnellen Prozessen eingesetzt, die der Kamera nur sehr kurze Zeit zur Erfassung der zeilenförmigen Bilder lassen. In der Druckindustrie arbeiten beispielsweise Maschinen mit Papiergeschwindigkeiten von 10m/s und mehr – für die Inspektion der Drucke bleiben in solchen Fällen nur wenige µs Zeit, um Zeilen in ausreichender Qualität aufzunehmen.
Zur weiteren Verbesserung der Bildaufnahmequalität haben sich darüber hinaus TDI-Sensoren etabliert. Das Konzept der Time Delay Integration besteht darin, das gleiche Objekt im Gegensatz zu Kameras mit Single-Line-Sensoren nicht nur einmal, sondern mehrfach zu belichten und die Ergebnisse der einzelnen Belichtungsschritte anschließend zu addieren. Daraus resultiert eine Verlängerung der effektiven Belichtungszeit und somit eine deutlich höhere Empfindlichkeit. Wie bei Multi-Line-Zeilenkameras erfordern auch TDI-Zeilenkameras eine sehr exakte Abstimmung der Geschwindigkeiten von Prüfobjekt und Bildaufnahme, um Unschärfen in den Bildern zu vermeiden und qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.
BSI für verbesserte Lichtausbeute
Die Hersteller von Zeilensensoren versuchen, die Qualität der Bildaufnahme nicht nur durch die Optimierung von deren Gesamtstruktur zu verbessern, sondern auch durch die Optimierung der einzelnen Sensorelemente. Ein erfolgreiches Beispiel dafür stellen die Back Side Illuminated-Sensoren (BSI) wie z.B. von GPixel dar. BSI ermöglicht eine Verbesserung der Lichtempfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Front Side Illuminated Sensoren (FSI). Bei diesen konventionellen Bildsensoren sind die Fotodioden auf einem Siliziumsubstrat integriert und die metallischen Verdrahtungen sind zwischen den Fotodioden und den darüber liegenden Mikrolinsen angeordnet. Einfallendes Licht wird daher teilweise von den metallischen Anteilen reflektiert, was die ankommende Lichtmenge an der lichtempfindlichen Schicht verringert. Im Gegensatz dazu sind die Verdrahtungen bei BSI-Sensoren unterhalb der Fotodioden angeordnet, so dass das Licht ohne Reflektionen direkt über die Mikrolinsen auf die Fotodiodenschicht gelangt. BSI-Sensoren sind daher besonders gut für Anwendungen geeignet, bei denen selbst bei schwachem Licht noch eine gute Leistung erforderlich ist. Neben der Verwendung in industriellen Sensoren sind BSI-Sensoren daher auch in den Bereichen Sicherheitskameras, Mikroskopkameras oder bei Astronomiesystemen zu finden. Darüber hinaus bieten die Sensoren eine optimale Lösung für die Erkennung nicht sichtbarer Energie wie UV-Licht bis hin zu weicher Röntgenstrahlung.
Keine leichte Aufgabe
Bei der Auswahl einer Zeilenkamera für eine spezifische Aufgabenstellung müssen viele Aspekte beachtet werden, um am Ende alle Anforderungen zu erfüllen. So gilt es u.a. auch, Kameras mit ausreichenden Schnittstellen zu finden, unterstreicht Thomas Miller: „Die Datenmengen, die bei solchen Systemen anfallen, sind enorm. So generiert z.B. eine typische TDI-Zeilenkamera mit 8k-Auflösung und einer Zeilenfrequenz von 120kHz fast ein GB/s an Bilddaten, die zum einen übertragen und zum anderen später auch ausgewertet werden müssen. Bei anspruchsvolleren Systemen kann dieser Wert noch deutlich höher liegen. Eine sichere Datenübertragung ist nur dann ohne Verluste möglich, wenn die ausgewählte Kamera über das geeignete Interface verfügt.“ Aufgrund dieser hohen Anforderungen sind Zeilenkameras meist mit Schnittstellen wie CameraLink, 5 oder 10GigE bzw. CoaXPress ausgestattet.
