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Einführung

CCD-Zeilenkameras sind Halbleiterkameras mit nur einer lichtempfindlichen Zeile. Sie finden Ihre Verwendung vor allem im industriellen Umfeld. Eingesetzt werden Zeilenkameras entweder direkt zur Ermittlung eindimensionaler Messgrößen, wie z.B. der Breite eines Spaltes, oder in Verbindung mit einer scannenden Bewegung, wie bei Faxgerät oder Kopierer, zur Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes.

Die Vorzüge der CCD-Zeilenkameras wie hohe optische Auflösung, hohe Geschwindigkeit und freie Synchronisierbarkeit jeder einzelnen Zeile, eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Optosensorik und Messtechnik.

Optische Auflösung

Die optische Auflösung einer CCD-Zeilenkamera wird bestimmt durch die Anzahl der Pixel, also lichtempfindlicher Elemente in der Zeile. Verfügbar sind Zeilenkameras mit bis zu 12.000 Pixeln.

Beim Scannen folgt die Auflösung senkrecht zur Zeile aus der Transportgeschwindigkeit und der Zeilenfrequenz, d.h. der Anzahl der Zeilenaufnahmen pro Sekunde.

Mit Zeilenkameras lassen sich wesentlich höhere Auflösungen erzielen als mit den Flächensensoren gewöhnlicher CCIR-Videokameras. Bei Bahnmaterialien, Förderbändern oder ähnlichem, bieten Zeilenkameras zudem die Möglichkeit kontinuierlicher Endlosaufnahmen.

Belichtung und Integrationszeit

Belichtung ist das Einwirken von Licht auf einen Zeilensensor über eine bestimmte Zeit. Dabei wandeln die lichtempfindlichen Elemente des Sensors das einfallende Licht in elektrische Ladungen. Die Dauer der Ladungsträgerakkumulation in einer Belichtungsperiode wird als Integrationszeit bezeichnet. Die aufsummierten Ladungen werden pixelweise über ein Schieberegister aus dem Sensor herausgeschoben. Im kontinuierlichen Kamerabetrieb beginnt mit der nächsten Belichtungsperiode das Auslesen der zuvor belichteten, zur Lichtmenge proportionalen Spannungswerte, die gewandelt und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden.

Pixel- und Zeilenfrequenz

Die Pixelfrequenz ist die Geschwindigkeit, mit der die Ladungen aus dem Schieberegister des Sensors herausgeschoben werden. Die Höhe der Pixelfrequenz hat eine sensorabhängige Grenze. Ihr Maximum bestimmt zusammen mit der Pixelanzahl (zuzüglich einer sensorabhängigen Anzahl passiver Pixel) die für den Abtransport der Ladungen benötigte Mindestzeit – die minimale Belichtungsperiode. Schneller kann die jeweilige Zeilenkamera nicht arbeiten. Aus dem Reziprokwert der minimalen Belichtungsperiode folgt die maximale Zeilenfrequenz.

Kameras mit Integration-Control-Funktion können die Integrationszeit innerhalb einer Belichtungsperiode verkürzen (Shutter). Die maximalen Pixel- und Zeilenfrequenzen der verfügbaren Zeilenkameras sind in der Übersichtstabelle aufgeführt.

Interfaces für Digitalkameras

Schäfter+Kirchhoff bietet heute fast ausschließlich Digitalkameras an, bei denen das Zeilensignal bereits in der Kamera mit 8- oder 12-bit Auflösung digitalisiert wird. Einige analoge CCD-Zeilenkameras sorgen für Abwärtskompatibilität. Digitale CCD-Zeilenkameras werden mit GigE Vision™-, LVDS-, CameraLink®-, oder USB 2.0-Interface geliefert. Den jüngsten Standard für industrielle Bildverarbeitung, die Gige Vision™-Interface, bedient Schäfter+Kirchhoff mit einer breiten Palette von CCD-Zeilenkameratypen. So gibt es Monochrom- und Farb-Zeilenkameras, TDI-Kameras sowie Spezialkameras mit integrierter Hellfeldbeleuchtung mit GigE-Interface. Signalvorverarbeitungen wie Shading Correction und Thresholding erfolgen innerhalb der Kamera und belasten nicht die CPU. Die GigEZeilenkameras arbeiten mit Standard-Netzwerkkomponenten und benötigen keinen zusätzlichen Grabber. Kabellängen bis zu 100 m sind möglich.

Die Kameras mit LVDS-Interface werden mit dem speziell für Zeilenkameras entwickelten Line scan Grabber SK9192D mit PCI-Bus betrieben. Signalvorverarbeitungen wie Shading Correction, Thresholding und Windowing (ROI) erfolgen on-board und benötigen keine Rechenzeit. In Kombination mit der Mergerbox von Schäfter+ Kirchhoff werden mehrere zeilensynchron laufende CCD-Zeilenkameras an einem Linescan Grabber angeschlossen.

Kameras mit Cameralink®-Interface fügen sich nahtlos in Projekte ein, bei denen CameraLink®-Grabber bereits vorhanden sind. Die Kameras mit USB 2.0-Interface sind für mobile Anwendungen oder Anwendungen mit wechselndem Messrechner prädestiniert, z.B. mobile Messgeräte oder Versuchsaufbauten im Hochschulpraktikum, die von einem Notebook aus bedient werden.

Schäfter + Kirchhoff GmbH - die Hamburger Spezialisten für Optosensorik und Messtechnik
Kieler Str. 212, D-22525 Hamburg, Deutschland, Tel. +49(0)40 85 39 97-0, Fax +49(0)40 85 39 97-79
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