Schnell und scharf

Michael Pisch – Account & Marketing Manager, Image Sensing Solutions Division, Sony Business Europe

In den Anwendungsbereichen Industrie, Transport und Wissenschaft steigt die Nachfrage nach Kameras zur Erfassung von sich immer schneller bewegenden Objekten. Ende der 80er Jahre kamen Kameras mit CCD-Sensoren (CCD: Charge Coupled Devices) auf den Markt, aber die Effektivität bei der Aufzeichnung von sich bewegenden Objekten war durch die technischen Grenzen des CCDs beschränkt. Seit zu Beginn der 90er Jahre die Progressive-Scan-Technologie in vielen Anwendungsbereichen Einzug hielt, ist man der Lösung dieses Problems ein gutes Stück näher gekommen und die Entwicklung bei den Herstellern geht ständig weiter.

Ein CCD-Sensor wandelt ein ankommendes Photon (ein Licht-Quantum) in ein Elektron um. Diese Elektronen werden so lange im Sensor aufbewahrt bis diese als gebündelte Ladung ausgelesen und als Dateninformationen transportiert und in Bilddaten umgewandelt werden können. Um ein Bild zu erzeugen muss ein CCD-Sensor die vier folgenden Basis-Aufgaben erledigen: das Erzeugen einer Ladung, Sammeln der Ladung, Weitertransport und Ladungs-Erkennung. Die Erzeugung der Ladung erfolgt mit Hilfe des fotoelektrischen Effekts, bei dem immer dann Elektronen erzeugt werden, wenn Photonen oder andere Teilchen auf bestimmte Materialien auftreffen. Die Ansammlung der Ladung erfolgt an diskreten Sammelstellen, die Pixel genannt werden. Physikalisch werden die Pixel durch ein Elektroden-Feld (Array oder Gatter) auf dem CCD-Sensor definiert. Durch Verändern der Spannung an den Gattern kann das Elektron veranlasst werden, von einem Pixel auf das nächste innerhalb der vertikalen Register-Spalte zu wechseln – ein Vorgang, den man mit einem Förderband vergleichen kann. Am Ende einer jeden Spalte gibt es ein Horizontal-Register, das jeweils eine Zeile einsammelt und die Ladungspakete seriell an einen auf dem Chip integrierten Verstärker weiterleitet. Die Ladungspakete werden dann in eine Ausgangsspannung umgewandelt, die zur angesammelten Ladung proportional ist. Das Bild auf Seite 21 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines CCD-Sensors.

Rasch verdrängten CCDs die thermionischen Röhren als Bilderfassungsbausteine. Sie sind kleiner, benötigen viel weniger Energie, sind unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen und immun gegen externe Magnetfelder. Außerdem leiden CCDs nicht unter dem Nachzieheffektbei hell strahlenden Objekten – ein Problem, das in thermionischen Röhren durch einen Ladungs-Übergang von überbelichteten Punkten in angrenzende Bildzonen auftritt. Das wichtigste technische Merkmal von CCDs für die industriellen Anwender ist jedoch ihre Fähigkeit, ein Bild aufzubauen, bei dem sämtliche Bildpunkt-Daten im selben Augenblick und in einem feststehenden geometrischen Feld erfasst werden. Bei den alten Aufnahme-Röhren, die nach dem Prinzip der Elektronenstrahl-Abtastung eines Fotomosaik-Feldes arbeiteten, waren einzelne Teile des Bildes nicht synchron und die geometrische Genauigkeit des Auslese-Ergebnisses war geringer sowie weniger vorhersagbar, so dass häufig Neu-Justierungen und Nachbearbeitung nötig wurden.

Zu den technischen Fortschritten der letzten zehn Jahre gehören auch die Synchronisation zwischen Akquisition und dem Auslesen externer Ereignisse sowie eine Restart-Reset-Funktion, die dafür sorgt, dass die Sensoren das Licht auch dann weiter erfassen und speichern wenn die Auslese- und Ausgangs-Vorgänge gestoppt oder neu gestartet werden. Auch Trigger-Modi, die flexible Auslöse- und Bild-Integrationsoptionen bieten, kamen mit der Zeit hinzu.

Konventionelle CCD-Kamera-Sensoren wurden für das etablierte Zeilensprung-Verfahren von Video und Fernsehen entwickelt. Diese Systeme arbeiten mit zwei Halbbildern, von denen jedes 312,5 (CCIR-Standard) beziehungsweise 262,5 (EIA-Standard) Abtast-Zeilen aufweist. Diese Zeilen werden so zusammen gefügt, dass ein einziges Bild mit 625 bzw. 525 Zeilen bei 25 Hz bzw. 30 Hz Bildwiederhol-Frequenz entsteht. Um das Bild anzuzeigen nutzten Video-Bildkameras entweder Feld- oder Frame-Integrations-Modi. Ersterer basiert auf der doppelten Integration zweier benachbarter Linien, was eine geringe Vertikal-Auflösung, aber eine hohe dynamische Auflösung zur Folge hat. Es handelt sich hierbei um das Verfahren, das normalerweise für Live-Video-Anwendungen bevorzugt wird. Der zweite Modus, Frame-Integration genannt, integriert jede ungrade Linie nach jeder geraden Linie. Auf diese Art und Weise erhält man zwar eine hohe Vertikal-Auflösung, aber nur eine geringe dynamische Auflösung: ein Kompromiss, der zur Aufnahme ruhender Objekte bevorzugt wird.

Bei Anwendungen, bei denen es auf Geschwindigkeit ankommt, können konventionelle CCD-Refresh-Raten, in Kombination mit der Zeitverzögerung zwischen der Akquisition ungerader und gerader Felder, keine klaren Bilder von sich schnell bewegenden Objekten liefern. Dabei ist irrelevant, ob es sich bei diesen schnellen Objekten um Fahrzeuge auf einer Autobahn oder um das Abfüllen von Bohnen in einer Lebensmittelfabrik handelt. Das Problem lässt sich lösen, indem man nur ein Feld nutzt, wobei allerdings die Vertikalauflösung leidet. Bei anderen Lösungen kommen mechanische Shutter oder externe Blitzlichter zum Einsatz, aber beide Lösungen verursachen jeweils zusätzliche Kosten, erhöhen die Komplexität und reduzieren möglicherweise die System-Zuverlässigkeit. Die beste Lösung ist die Verwendung eines Progressive-Scan-CCD-Sensors. Das große Bild zeigt zum Vergleich die Ergebnisse von Kameras, die verschiedene Techniken anwenden.

Die Nachfrage nach Kameras mit exakten Abbildungseigenschaften für die Bereiche Verkehrs-Steuerung, Fabrik-Automation, maschinelles Sehen sowie andere industrielle und wissenschaftliche Anwendungen steigt ständig. Hier bieten Progressive-Scan-Kameras mit quadratischen Pixeln eine optimale Lösung. Progressive-Scan-Kameras eignen sich auch für die Arbeit mit Standbildern – und zwar besonders, wenn Bild-Messungen vorgenommen werden oder wenn eine hohe Auflösung benötigt wird.

Wie bereits beschrieben mischt der Feld-Integrations-Modus die Ladungen von zwei benachbarten Pixeln und transferiert sie zu den Vertikal-Registern, während die Ladungen von Pixeln ungerader bzw. gerader Zeilen im Frame-Integrations-Modus jeweils abwechselnd transferiert werden. In CCD-Sensoren, die nach dem Progressive-Scan-Verfahren (manchmal auch „Direktschreibe- bzw. Direktabtast-Verfahren“ genannt) arbeiten, werden die Ladungen von sämtlichen Pixeln zunächst an optimierte Vertikal-Register transferiert und anschließend an ein oder zwei Horizontal-Register weitergeleitet. Durch Anwendung dieses Verfahrens können Progressive-Scan-Kameras mit dualen Ausgängen bis zu 100 Frames (Bilder) pro Sekunde und darüber erfassen.

Heutzutage sind Kameras, in denen die Progressive-Scan-Technologie zum Einsatz kommt, sowohl in Schwarz/Weiß- als auch in Farb-Versionen erhältlich – und zwar wahlweise mit analogen oder digitalen Ausgängen. Die einfachsten Progressive-Scan-Kameras arbeiten mit VGA-Auflösung während die optimierteren Modelle XGA- oder SXGA-Auflösung bieten.

Ein typisches Kompakt-Modell ist die im unteren Bild gezeigte XC-HR70 von Sony. Es handelt sich hierbei um eine mit doppelter Geschwindigkeit arbeitenden Kamera mit XGA-Auflösung, die 1024 x 768 Pixel bei annähernd 30 Frames (Bildern) pro Sekunde liefert.

Die Kamera mit den Abmessungen 29 mm x 29 mm x 30 mm enthält einen 1/3 Zoll Progressive-Scan-CCD-Sensor . Wenn man Teil-Scan- und Binning-Funktionen nutzt kann die Kamera mit bis zu 120 Frames/s für besonders schnelle Anwendungen zum Einsatz kommen und dabei immer noch eine Video-Auflösung von rund 150 Zeilen liefern.

Auf der VISION 2003 stellte Sony zwei neue, optimierte monochrome Progressive-Scan-Kameras in der digitalen IEEE-1394 Version für maschinelle Bildverarbeitung vor. Die XCD-X710 und XCD-SX910 genannten Modelle liefern im Vergleich zu ihren Vorgängern die doppelte Frame-Rate (Bildrate) und verfügen über einen eingebauten Frame-Memory. Das bedeutet für den Anwender, dass bei Bedarf jeweils unmittelbar auf gespeicherte Bilder zugegriffen werden kann. Dank zusätzlicher Synchronisationsmöglichkeiten lassen sich die Kameras beispielsweise noch besser in Multi-/3D-Kamera-Systemen einbinden oder ermöglichen verschiedene Arten der Steuerung des gesamten Vision-Systems. Die neuen XCD-Kameras werden von zwei äquivalenten Farb-Kameras ergänzt, die ebenfalls auf der Vision 2003 ausgestellt wurden.

Damit fertigt Sony jetzt 14 verschiedene Progressive-Scan-Kameras und bietet ein umfangreiches Zubehörprogramm, das von Stativ-Adaptern und Kabeln bis zu Objektiven mit C-Mount-Anschluss und Erweiterungs-Ringen reicht.

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