Heute erhöht die Bildverarbeitung die Produktivität in industriellen Anwendungen, die von der Verkehrsüberwachung und Kennzeichenerkennung bis hin zu Barcode-Scanning, Roboterführung oder industrieller Bildverarbeitung (Machine Vision) reichen. Jede Anwendung hat dabei einzigartige Anforderungen. Etwa erfordern einige eine hohe Bildwiederholrate, andere hingegen einen großen Dynamikbereich, eine geringe Lichtempfindlichkeit oder andere kritische Parameter. Bei manchen Anwendungen ist in erster Linie höchste Detailgenauigkeit gefragt, was Bildsensoren mit sehr hoher Auflösung erfordert.

Bild 1: Inspektion eines Flachbildschirms mit einer Kamera

Bild 1: Inspektion eines Flachbildschirms mit einer Kamera On Semiconductor

ECKDaten

CCD-Bildsensoren kommen in einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in der End-of-Line-Inspektion oder der Highend-Überwachung. Daneben spielen sie aber auch in der Verkehrsüberwachung oder Roboterführung eine Rolle. Je nach Einsatzgebiet gilt es abzuwägen, welche Anforderungen die Anwendung stellt. Faktoren wie etwa Bildwiederholrate, Dynamikbereich, Lichtempflichkeit oder auch Größe sind hier entscheidend.

End-of-Line-Inspektion

Ein Beispiel ist die End-of-Line-Inspektion von Flachbildschirmen. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der die ordnungsgemäße Funktion der roten, grünen und blauen Farbelemente bestätigt, die in jedem dargestellten Pixel vorhanden sind. Da der Einsatz von Displays in Mobilgeräten, Tablets, Fernsehern, Fahrzeugen oder Monitoren immer weiter zunimmt, steigt auch die Auflösung dieser Displays von 1080p auf 4K und Ultra-HD oder gar darüber hinaus. Dies stellt hohe Anforderungen an die Kameras, die diese Displays während der Herstellung inspizieren. Sie müssen die erforderlichen Details durch Auflösen der zusätzlichen Pixel und Unterstrukturen in den Displays bereitstellen, ohne die für diese Anwendung erforderliche Bildqualität und Gleichförmigkeit zu beeinträchtigen. Dies erfolgt aufgrund der Auflösung und Bildgleichmäßigkeit weitgehend durch CCD-Kameras. Eine solche Kombination aus Leistungsmerkmalen ist derzeit mit CMOS-Bildsensoren noch nicht möglich.

Diese Art von Inspektion wird heute mit Kameras durchgeführt, die auf Bildsensoren mit 29 Megapixel (MP) im optischen Format 35 mm basieren, wie dem KAI-29050 von On Semiconductor. Die zunehmende Auflösung von Flachbildschirmen erfordert jedoch eine entsprechend höhere Auflösung der überprüfenden Kameras. Um diese Anforderung zu erfüllen und gleichzeitig das optische Standardformat 35 mm beizubehalten, sind neue Pixeldesigns nötig. Diese müssen die Pixelgröße verringern, aber gleichzeitig die in diesen Anwendungen erforderliche Leistungsfähigkeit und Bildgleichmäßigkeit beibehalten.

Bild 2: Im Laufe der Zeit nahm die Auflösung von ITCCD-Bildsensoren im 35-mm-Format stetig zu.

Bild 2: Im Laufe der Zeit nahm die Auflösung von ITCCD-Bildsensoren im 35-mm-Format stetig zu. On Semiconductor

Andere Beispiele für hochauflösende Bildverarbeitung ist die Highend-Überwachung wie etwa bei der Erfassung eines großen Sichtfelds bei Auflösungen, die ausreichen, um an einen bestimmten Ort heranzuzoomen. Aber auch in Luftaufnahmen ist eine hochauflösende Bildverarbeitung nötig, da sie zusätzliche Bilddetails ermöglicht. Damit können beispielsweise Flugzeuge höher fliegen und ihre Flugzeiten verkürzen. In all diesen Fällen ist nicht nur eine sehr hohe Auflösung erforderlich, sondern auch eine sehr hohe Bildqualität, gemessen an der Bildgleichmäßigkeit, dem Rauschen oder dem Dynamikumfang.

Aufgrund dieser verschiedenen Anforderungen kommen in diesem Bereich bis heute Bildsensoren auf Basis der Interline-Transfer-CCD-Technologie (ITCCD) zum Einsatz. Damit lassen sich wichtige Leistungsparameter beibehalten, selbst wenn Unternehmen in der Produktion auf große optische Formate skalieren. Diese Technologie ermöglicht eine Bilderfassung mit hoher Bildeinheitlichkeit, und ein echtes Global-Shutter-Design ermöglicht das Erfassen bewegter Szenen ohne Einschluss von Bildartefakten. Darüber hinaus ermöglichen der breite Belichtungsbereich und der niedrige Dunkelstrom der CCD-Bildsensoren Belichtungszeiten, die von wenigen Mikrosekunden bis zu einer Sekunde oder mehr reichen können.

Die Interline-Transfer-CCD-Technologie kommt seit über 15 Jahren bei der Entwicklung hochauflösender, großformatiger Bildsensoren zum Einsatz. Die Anforderungen des Marktes sorgen seitdem für eine immer höhere Auflösungen. Im Jahr 2003 lieferte der Bildsensor KAI-11000 beispielsweise eine Auflösung von 11 MP im 35-mm-Format. Im Jahr 2011 unterstützte das gleiche optische Format bereits die dreifache Auflösung.

Diese höhere Auflösung bei gleichzeitiger Beibehaltung des optischen Formats ist entscheidend für ein vereinfachtes Aufrüsten im Feld befindlicher Kameras. Die Auflösung der Kamera wird erhöht, wobei die Platzierung der Kamera und die verwendeten Objektive keine Rolle spielen.

Welche Herausforderung das Design der CCD-Sensoren mit sich bringt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Seite 1 von 212