Bildergalerie
Mittlerweile sind CIS-Systeme wie die der neuen KD-Serie von Mitsubishi Electric für manche vormals klassische Zeilenkamera-Anwendung eine Alternative.
Zeilenkameras sind im Vergleich zur CIS-Technologie seit Jahren fester Bestandteil der industriellen Bildverarbeitung.

Kontakt-Bildsensoren (Contact Image Sensors, CIS) sind Bildverarbeitungskomponenten, die seit Jahren in großem Umfang in Kopiergeräten, Scannern, Währungsprüfgeräten, Karten- und Ticket-Lesesystemen eingesetzt werden. Diese Sensoren erzeugen die Bilder zeilenweise – wie herkömmliche, mit CCD- oder CMOS-Sensoren arbeitende Zeilenkameras. Die bisherigen Nachteile von CIS-Systemen, wie sehr kleine Arbeitsabstände, geringe Tiefenschärfe, Trägheit und fehlende Schnittstellen, gehören nach mehreren Entwicklungsschritten der Vergangenheit an. Mittlerweile sind CIS-Systeme wie die der neuen KD-Serie von Mitsubishi Electric für manche vormals klassische Zeilen­kamera-Anwendung eine Alternative – wie zur Inspektion von Leiterplatten, Druckerzeugnissen oder LCD-Feldern.

Bei den Contact-Image-Sensoren besteht das abbildende Element nicht aus einem einzelnen Objektiv, sondern aus einem Array von gestaffelten Stablinsen.

Bei den Contact-Image-Sensoren besteht das abbildende Element nicht aus einem einzelnen Objektiv, sondern aus einem Array von gestaffelten Stablinsen.Stemmer Imaging

Weites Sichtfeld

Die CMOS-Farbsensoren der KD-Serie verfügen über eine Auflösung von 7.296 Pixeln bei einer Länge 309 mm, 14.592 Pixeln bei einer Länge von 617 mm oder 21.888 Pixeln auf 926 mm. Anders ausgedrückt ermöglichen alle CIS-Modelle mit ihrer Pixelgröße von 42 µm eine Auflösung von 600 dpi. Die Onboard-Vorverarbeitung liefert RGB-Bilder einschließlich einer Flat-Field-Korrektur zum Ausgleich etwaiger Sensor-Un­genauigkeiten. Eine maximale Zeilen­frequenz von 23 kHz ermöglicht Scanleistungen von 960 mm/s beziehungsweise 44 µs/Zeile. Einen wesent­lichen Fortschritt haben diese CIS-Systeme beim Arbeitsabstand erreicht: 12 ±0,5 mm von der Stirnseite. Damit ist der Arbeitsabstand im Vergleich zu herkömmlichen CIS deutlich gestiegen. Sie mussten das zu scannende Medium fast berühren, um ein zufriedenstellendes Abbild zu erreichen – daher der Name dieser Technologie: Contact Image Sensor. Die konfigurierbare Cameralink-Schnittstelle ermöglicht die Datenausgabe mit 8 oder 10 Bit. Außerdem stehen die Kameras als OEM-Varianten mit 5-V- und 24-V-Stromversorgung zur Auswahl.

Durch den geringen Arbeitsabstand von 12 mm (bei der KD-Serie) benötigen CIS-Systeme weniger Platz als Zeilenkameras, die aufgrund des optischen Abbildungsverfahrens mit größerem Abstand zum Prüfobjekt montiert werden müssen: Je nach Anwendung kann dieser von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Kilometern betragen. Ein Extrembeispiel ist hier die Aufnahme von Bildern der Erdoberfläche aus einem Flugzeug heraus, um beispielsweise das Abschmelzen der Polkappen zu kontrollieren.

Die CIS-Technologie eignet sich besonders für das Überprüfen flacher Materialien, bei denen der Einbauraum den Einsatz anderer Technologien nicht zulässt.

Die CIS-Technologie eignet sich besonders für das Überprüfen flacher Materialien, bei denen der Einbauraum den Einsatz anderer Technologien nicht zulässt.Stemmer Imaging

Multitalent

Zeilenkameras sind im Vergleich zur CIS-Technologie seit Jahren fester Bestandteil der industriellen Bildverarbeitung. Dem Anwender stehen eine große Bandbreite an Geräten mit Auflösungen bis 16.000 Pixeln zur Verfügung; ebenso verschiedene Technologien wie Prisma-, Dual-Line- oder Tri-Lineare Kameras sowie eine große Bandbreite an Zeilenfrequenzen.

Zeilenkameras arbeiten im herkömmlichen Sinne der Bildverarbeitung, das heißt, sie benötigen eine passende Optik und eine externe Lichtquelle. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität, da sich das Abbildungsverhältnis und der Inspek­tionsbereich durch das Einstellen des Arbeitsabstands oder der Linse an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt. Für Zeilenkameras ist zudem eine deutlich größere Produktpalette an geeigneten Beleuchtungen mit verschiedenen Beleuchtungs- und Bildwinkeln verfügbar, die eine Inspektion einer breiten Palette an Oberflächenfehlern ermöglichen.

Aufgrund des optischen Abbildungsverfahrens vergrößert sich bei Zeilenkameras die Scanbreite mit dem Arbeitsabstand. Bei CIS-Kameras ist beides immer gleich.

Aufgrund des optischen Abbildungsverfahrens vergrößert sich bei Zeilenkameras die Scanbreite mit dem Arbeitsabstand. Bei CIS-Kameras ist beides immer gleich.Stemmer Imaging

Zusammenfassend liegen die Vorteile der CIS-Technologie in ihrem einfachen Aufbau, der kein aufwendiges Einrichten und Abstimmen zwischen Kamera und Optik erfordert, sowie im fest definierten Arbeitsabstand und der geringen Einbauhöhe. Dem steht der Nachteil gegenüber, dass CIS-Systeme ausschließlich zur Überprüfung flacher Objekte eingesetzt werden können. Im Gegensatz dazu liegen die Vorteile von Zeilenkameras in ihrer höheren Flexibilität und der Möglichkeit, auch Objekte mit Höhenabweichungen überprüfen zu können. Zeilenkamera­systeme sind zudem die gebräuchlichere Technik, mit der Anwender in der Vergangenheit schon mehr praktische Erfahrungen sammeln konnten.

Stemmer Imaging auf der SPS IPC Drives 2013: Halle 7A, Stand 148

Bildverarbeitung im Detail

Kontaktbild-Sensoren

Als abbildendes Element dient bei der CIS-Technologie im Gegensatz zu Zeilenkamera-Systemen kein einzelnes Objektiv, sondern ein Array von gestaffelten Stablinsen. Da diese Linsen abgestuft sind, treten keine Änderungen im Brechungsindex auf. Jede einzelne Linse nimmt also einen sehr kleinen Bereich des Objekts auf. Durch die minimale Überlappung der einzelnen Bilder entsteht ein scharfes Bild, das entlang einer schmalen Linie auf dem Sensorkopf abgebildet wird. Dieser Aufbau erzeugt ein Bild in der gleichen Größe wie das Objekt, ohne dass die sonst bei Kamera/­Optik-Systemen aufgrund des größeren Abstands zwischen Sensor und Objekt entstehenden Verzerrungen auftreten. CIS-Systeme arbeiten also mit einem 1:1-Abbildungsverhältnis. Als Detektor bei CIS-Produkten eignen sich CCD- und CMOS-Sensoren. Sie lassen sich versetzt oder direkt anreihen und entsprechen in den wesentlichen Merkmalen wie Dunkelrauschen und Dynamikbereich Standardzeilenkameras – ohne die üblichen Abstriche bei Ortsauflösung und Lichtausbeute.