CMOS-Kameras für Industrieanwendungen

Im rasant wachsenden Markt der industriellen Bildverarbeitung haben sich CMOS-Kameras mit ihrer hohen Dynamik und der patent-geschützten LinLog-Technologie wiederholt in einem hochstilisierten Vergleich den CCD-Sensoren stellen müssen. Die differenzierte Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen der CMOS- und der CCD-Technologie zeigt mehrfach, dass es den idealen Sensor nicht gibt. Vielmehr wird die Wahl des geeigneten Detektors maßgeblich durch die Anwendung (Applikation) bestimmt. Im Folgenden werden einige Applikationen aus der Lasertechnik vorgestellt, in denen CMOS-Kameras von Photonfocus mit Erfolg eingesetzt werden. Die vielfältigen Verwendungsgebiete dieser Technologie erfassen beispielsweise die Laserstrahldiagnostik, die industrielle Bildverarbeitung bei der Laserschweißnahtkontrolle in der Automobilindustrie oder die Geometriekontrolle mit Hilfe von Laserlichtschnitt-Verfahren in der 3D-Lasermesstechnik. In der Vergangenheit wurde der Vergleich beider Sensortechnologien wiederholt aufgegriffen. Dabei führen sehr grobe und vereinfachende Annahmen in der Debatte über CCD- und CMOS-Bildsensoren oft zu Fehlurteilen. Jede dieser Technologien besitzt Vor- und Nachteile. Jedoch legt allein die Applikation die Wahl des Detektors fest, wobei immer Kompromisse eingegangen werden müssen. Denn den idealen Bildsensor gibt es nicht. Nicht der subjektive Bildeindruck ist für die Auswahl eines Sensors entscheidend, sondern die Fragestellung: Kann die Messaufgabe bzw. die Problemstellung aus der Qualitätskontrolle mit dem Sensor gelöst werden? Die Genauigkeit und Robustheit der Bildverarbeitungsalgorithmen bzw. der Messprinzipien definieren, was als Kompromiss hingenommen werden kann. Vergleich der Sensoren Beim direkten Vergleich beider Sensortechnologien in Bezug auf die Verwendung in der Messtechnik und Qualitätskontrolle muss von gleichwertigen Sensorfunktionalitäten (Kamerafunktionen) ausgegangen werden. Interline-Transfer-Sensoren haben im Pixel einen abgedeckten Bereich, wodurch die Bildinformationen für alle Pixel gleichzeitig eingefroren (globaler elektronischer Shutter) und danach ausgelesen werden können. Diese Auslesestruktur in CCD-Sensoren ist mit CMOS-Sensoren mit Global Shutter direkt vergleichbar, sodass die nachfolgenden Erläuterungen auf dem Vergleich dieser beiden Sensorarten beruhen. Bei der Gegenüberstellung der Empfindlichkeit der Sensoren betrachtet man den Flächenanteil im Pixel, der von der Photodiode eingenommen wird (Füllfaktor). Zwar besitzen CCD-Sensoren mit Full-Frame- bzw. Frame-Transfer-Auslese­technik einen Füllfaktor von nahezu 100%, jedoch können sie in ihrer Funktionalität nicht zum Vergleich mit CMOS-Sensoren mit Global Shutter herangezogen werden. Der Füllfaktor liegt bei Interline-Transfer-Sensoren mit 55-65% gleich hoch wie der von CMOS-Sensoren und kann durch den Einsatz von Mikrolinsen erhöht werden. Dynamik der Sensoren Häufig sieht man in der Kontroverse zwischen CCD- und CMOS-Sensoren die Dynamik mit dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verwechselt. Ausschlaggebend für die maximale Dynamik in einem Bild ist die Quantennatur des Lichts und die Poisson-verteilte Statistik der Photonen. Demzufolge berechnet sich die Dynamik eines Sensors in guter Näherung über die Wurzel aus der Full-Well-Kapazität (Sättigungsladung), also aus der maximalen Anzahl von Photoelektronen, die im Potenzialtopf der Photodiode eines Pixels gesammelt werden können. Während Interline-Transfer-CCD-Sensoren über Full-Well-Kapazitäten von 20 bis 65ke- (Grauwertauflösung 8Bit) verfügen, können mit der CMOS-Technologie ohne weiteres hochdynamische Sensoren mit bis zu 250ke- (Grauwertauflösung 9Bit) realisiert werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis beschreibt die Relation zwischen maximalem Ausgangssignal und Rauschen des Gesamtsystems, bestehend aus dem Sensor und der Kameraelektronik. Bildqualität und Bildartefakte Bei hohen Bilddatenraten und den damit verbundenen hohen Auslesegeschwindigkeiten sind CMOS-Bildsensoren den CCD-Sensoren weit überlegen. Bei hohen Auslesegeschwindigkeiten kann ein Übersprechen der Phasentakte zum Auslesen der CCDs in das Videosignal nicht vermieden werden. Dieser Vorteil in der CMOS-Technologie verschiebt sich bei sehr niedrigen Auslesegeschwindigkeiten (kHz) zu Gunsten der CCD-Technologie, weil dann Störungen aus der Digitalelektronik auf den CMOS-Sensoren, die über das Substrat in den lichtempfindlichen Bereich und analogen Signalpfad einkoppeln, ein höheres Rauschen als bei CCDs hervorrufen. Die Bildqualität wird wesentlich über die Gleichförmigkeit der Photoempfindlichkeit der Sensoren bestimmt. Bedingt durch ihre Auslesestrukturen zeigen sich bei CMOS-Bildsensoren verschiedene Arten von Fixed Pattern Noise (FPN). Diese Abweichungen in der Gleichförmigkeit müssen durch zusätzlichen Schaltungsaufwand, wie z.B. ein Double-Sampling-Ver­fahren oder durch eine pixelweise Gain-Offset-Korrektur, ausgeglichen werden. Weitere Bildartefakte, wie Blooming (Bildstörungen aufgrund lokaler Überbelichtung) und Smear, können in vielen Bildauswertungsverfahren stören. Diese Effekte können mit hohem Aufwand bei der Entwicklung von CCD-Sensoren unterdrückt werden. CMOS-Bildsensoren haben diese Erscheinungen aufgrund des Detektorprinzips nicht, sodass sie vorteilhaft in sehr kontrastreichen, zur Überbelichtung neigenden Szenen eingesetzt werden. Dem Anwender im Bereich Lasertechnik bieten CMOS-Kameras bzw. CMOS-Bildsensoren vor allem Vorteile durch ihre Blendfestigkeit, den hohen Dynamikbereich und die hohe Auslesegeschwindigkeit. So werden CMOS-Sensoren zur Strahldiag­nostik von Laserstrahlen eingesetzt. Bild 3 zeigt die Leistungsdichte eines Lasers bei lambda=1.064nm. Dabei ist nicht nur die Blendfestigkeit von Vorteil, sondern auch die bei dieser Wellenlänge höhere Quanteneffizienz des CMOS-Sensors gegenüber einem CCD-Sensor. In der für die Messung verwendeten CMOS-Kamera MV-D1024 wird standardmäßig der Photonfocus-Sensor A1024 ohne Deckglas eingesetzt. Die nichtlineare Kennlinie lässt sich bei Messverfahren mit Laserlichtbeleuchtungen, wie etwa der Lasertriangulation, vorteilhaft einsetzen. Bild 2 zeigt eine kombinierte 2D/3D-Inspektion von Laserschweissnähten. Dabei wird die CMOS-Kamera im LinLog-Mode (Bild 6) betrieben. Die Graubildauswertung der Nahtstruktur wird im unteren linearen Kennlinienbereich durchgeführt. Die Laserlinie zur Triangulation wird im logarithmischen Bereich der Kennlinie ausgewertet. Dadurch sättigt die von glänzenden Oberflächen zurückreflektierte Laserlinie den Sensor nicht, die Linie geht aber auch bei der wesentlich schwächeren Reflexion an der verrußten Schweissnaht nicht verloren. Bild 6 zeigt ein Beispiel für die Konfigurierbarkeit der Kennlinie eines hochdynamischen CMOS-Megapixelsensors. Einsatz der 2D/3D-Inspektion Das Prinzip der 2D/3D-Inspektion ist in den Produktionsanlagen der Automobilindustrie (z.B. BMW, Audi) seit Jahren als fester Bestandteil der Online-Prozesskontrolle integriert. Die Kombination aus Graubildanalyse (2D) und Lasertriangulation (3D) ermöglicht die Echtzeit-Kontrolle von Laserschweiß- und Laserlötnähten, die strengen Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit und Festigkeit genügen müssen. Die Kontrolle von Schweißnähten und Lötverbindungen erfolgt anhand einer Absolutmessung des Nahtprofils, sowie anhand der Homogenität der Nahtoberfläche. Letztere verlangt beispielsweise die Erfassung von lokalen Fehlern, wie offene Poren, kleinere Nahtunterbrechungen oder Auswürfe aus dem Schweißbad (Bild 5). Solche Nahtfehler müssen nach ISO-Norm festgelegten Richtlinien erfasst werden, weil sie nicht nur die Dichtheit der Schweiß- oder Lötnaht beeinträchtigen, sondern auch die lokale Stabilität und den visuellen Eindruck mindern. Das robust ausgelegte Inspektionssystem besteht aus den Beleuchtungskomponenten (Diodenlaser, Blitzlicht) und einer Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera (Bild 4) mit 1.024×1.024 Pixeln (10,6×10,6µm2 Pixelgröße) bei einer 1:1-Abbildung. Damit erreicht man bei einem Messfeld von 10x10mm eine geometrische Auflösung von 0,02mm. Der Sensor der CMOS-Kamera ist mit LinLog-Technologie ausgestattet, wodurch eine Kontrastauflösung bis 120dB erzielt wird. Die LinLog-Funktion ermöglicht die Adaption der Sensorkennlinie als Antwort auf die Überstrahlungsproblematik, die konventionelle CCD-Bildsensoren sehr schnell in die Sättigung führen würde. Darüber hinaus verfügt die CMOS-Kamera über eine integrierte Look-Up-Tabelle (LUT), die das gezielte Herausfiltern ausgewählter Grauwertbereiche für die simultanen Bildauswertungsverfahren ermöglicht. Zusätzlich kann eine Gammakorrektur für die Linearisierung der Bilddarstellung hinzugezogen werden, mit der sich Über- oder Unterbetonungen in den helleren bzw. dunkleren Bildbereichen gezielt absenken oder anheben lassen. Dieses Prinzip macht man sich z.B. bei der Qualitätskontrolle von Eisenbahnschienen zunutze, um das Schienenprofil, die Schienenposition, den Spurweitenabstand, den Materialverschleiß und die Gleisbettabsenkungen zu überwachen. Laser-Triangulation