Zeilenkamera Hochgeschwindigkeits-Zeilenkameras im Produktionsprozess

Eine höhere Wettbewerbsfähigkeit verspricht Basler Vision Technologies mit seinen Hochgeschwindigkeits-Zeilenkameras. So lassen sich Geschwindigkeit und Durchsatz deutlich steigern – oder mehr Teile in einer bestimmten Zeit inspizieren. Zudem erleichtern zahlreiche Kamerafunktionen, Einstellungsmöglichkeiten und Zubehör die individuelle Anpassung an die jeweilige Applikation.

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In industriellen Produktionsprozessen werden zunehmend visuelle Inspektionssysteme eingesetzt. Das Ziel dabei besteht beispielsweise darin, Objekte zu identifizieren oder zu vermessen, Qualität zu überprüfen oder Ausschuss zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Zudem sollen die Produkte in vielen Applikationen auch entsprechend verschiedener Qualitätskriterien klassifiziert oder aussortiert werden.

Beispiele hierfür sind die Sortierung und Graduierung von Dichtungsringen oder die Sortierung von Lebensmitteln. Dichtungsringe werden meist auf Veränderungen der Oberfläche oder Mikro-Risse geprüft. Würde ein schadhafter Dichtungsring etwa in einem Antiblockiersystem ausfallen, könnte das fatale Folgen haben. Lebensmittel wie Reis oder Erbsen werden hingegen meist auf Fremdkörper oder schlechte Anteile inspiziert um diese aussortieren zu können.

Anwender wollen Geschwindigkeit und Sensitivität

Abhängig von den zu untersuchenden Produkten kommen verschiedene visuelle Inspektionssysteme zum Einsatz. Ein klassisches System besteht aus einer oder mehrerer Kameras inklusive Optik, der Beleuchtung und dem bildverarbeitenden System (z.B. PC mit entsprechender Software).

Besonderes Augenmerk sollte hier auf die Auswahl der passenden Industrie-Kamera und der Beleuchtung gelegt werden, damit diese nicht zum limitierenden Faktor bezüglich des Durchsatzes in der Produktionsanlage werden. Da die Effizienz solcher Inspektionsanlagen kontinuierlich erhöht wird — was in der Regel mit einer Steigerung der Inspektionsgeschwindigkeit einher geht — muss auch die Zeilenrate bzw. die Bildwiederhol-Frequenz in den Kameras kontinuierlich erhöht werden.

Industrielle Hochgeschwindigkeits-Kameras sind mittlerweile bei beeindruckenden Geschwindigkeiten angelangt. Zeilenkameras liegen bei bis zu 140 000 Zeilenbelichtungen pro Sekunde (bei voller Auflösung von 4000 Pixel). Bei Flächenkameras werden über 200 Belichtungen pro Sekunde bei Auflösungen von bis zu 4 Megapixel erreicht. Das geht an die Grenzen des physikalisch machbaren. Denn je höher die Zeilenrate bzw. Bildrate, desto kürzer ist die maximale Belichtungszeit.

Und obwohl immer stärkere Lichtquellen zum Einsatz kommen, ist es eine physikalische Gradwanderung immer mehr Licht zu verwenden: Dies bedeutet im selben Maße Wärmeenergie zu erzeugen, was zur thermischen Überhitzung der Anlage führen oder das zu inspizierende Gut schädigen kann, falls es thermisch sensibel ist. Des Weiteren bedeuten stärkere Lichtsysteme einen erhöhten Kostenfaktor, was zu Lasten der Marge geht. Moderne Hochgeschwindigkeitskameras haben daher das Ziel, nicht nur schnell, sondern auch extrem lichtempfindlich zu sein um das Problem der immer stärkeren Beleuchtung zu umgehen.

Eine Innovation in diesem Segment ist beispielsweise die Zeilenkamerafamilie sprint von Basler Vision Technologies, die Zeilenraten und Lichtempfindlichkeitswerte erreicht, die bisher undenkbar schienen.

Zeile oder Fläche?

Ob eine Zeilen- oder Flächenkamera im System zum Einsatz kommt, hängt von dem Objekt und der Art der Inspektion ab. Flächenkameras finden sich vorwiegend in Anlagen, die Stückgut inspizieren oder in denen es einen definierten Inspektionsbereich gibt, eine sogenannte „Area of Interest“.

Zahlreiche Anwender, z.B. die Produzenten von Bahnwaren oder Lebensmitteln oder auch Postsortieranlagen, benötigen hingegen eine Endlosinspektion und setzen daher bevorzugt Zeilenkameras ein, die die zu inspizierenden Produkte fortlaufend scannen. In der Lebensmittelinspektion müssen z.B. Reis, Erbsen, Kaffeebohnen oder Kartoffeln auf Form oder Farbe geprüft und anschließend sortiert werden. Hierzu werden die Nahrungsmittel auf Förderbändern unter den Zeilenkameras hindurch geführt, auf Rütteltischen voran bewegt oder während des freien Falls inspiziert. Wenn ein Fremdkörper oder ein fehlerhaftes Objekt von der Kamera und der nachgeschalteten Auswerteeinheit erkannt wurde, wird dieses per Klappe oder Pressluft von den guten Teilen getrennt. Dieser visuelle Inspektionsvorgang geschieht oftmals in mehreren Schritten.

Sollen nur Form oder Größe geprüft werden, kann man kostengünstigere monochrome Zeilenkameras verwenden. Zur Sortierung nach Farben, um etwa unreife Körner oder Körner mit Flecken zu erkennen, lassen sich Farbzeilenkameras einsetzen.

Drei technische Prinzipen

Es haben sich mittlerweile drei technische Verfahren bzw. Typen von Zeilenkameras für industrielle Anwendungen durchgesetzt: 3CCD Prismenkameras, trilineare Kameras und Dualzeilen-Kameras mit Bayer Pattern:

• Bei der 3CCD Prismenkamera wird der in die Kamera eintretende Lichtstrahl über ein Prisma in seinen roten, blauen und grünen Anteil aufgeteilt und auf drei separate CCD-Sensoren geleitet. Der Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass die jeweiligen Farbanteile zum identischen Zeitpunkt aufgenommen werden und es zu keinen Farbverschiebungen z.B. an einer Objektkante kommt, einem sogenannter Spatial Effect, auch wenn das Objekt rotiert — etwa bei der Kartoffelinspektion. Nachteile sind die Baugröße der Kamera und die Kosten für die aufwändige Kameratechnologie mit drei Sensoren plus Steuerelektronik sowie die speziellen Objektive.

• Bei dem Trilinear-Prinzip wird ein Sensor verwendet, der jeweils eine Zeile für rot, blau und grün hat. Die drei Zeilen haben zueinander einen Abstand, der ein Vielfaches der Pixelbreite beträgt. Dieser wird für die Ausleseelektronik benötigt. Durch den Spalt lassen sich die drei Farbanteile eines Objektes jedoch nicht zum identischen Zeitpunkt aufnehmen. Bei der Kartoffelinspektion würde es nun zum Spatial Effect kommen. Dieser Effekt ist bei nicht rotierenden Objekten — etwa bei der Oberflächeninspektion von Holz oder Bahnwahren — relativ einfach korrigierbar. Daher werden Kameras mit diesem Prinzip oftmals für solche linearen Applikationen eingesetzt – die sich kompakt und kostengünstig produzieren lassen. Zudem hat man den Vorteil, Standardobjektive einsetzen zu können.

• Bei dem Dualzeilenprinzip enthalten zwei Zeilen jeweils rote, grüne und blaue Pixel in Form eines Bayer Pattern. Eine vergleichbare Technik kommt auch bei handelsüblichen Digitalkameras für Endanwender zum Einsatz. Dabei enthält die erste Zeile grüne und blaue, die zweite Zeile rote und grüne Pixel. Dieses Prinzip erlaubt, die Zeilen direkt nebeneinander ohne einen Spalt zu platzieren, so dass Spatial Effect hier nicht auftritt. Die Ausleselektronik lässt sich — wie es z.B. bei der Basler sprint Zeilenkamera der Fall ist — ober- und unterhalb der jeweiligen Zeile platzieren. Hiermit ist ein besonders schnelles Auslesen möglich, so dass die Geschwindigkeitsanforderungen vieler moderner Anwendungen erfüllbar sind. Dieses Verfahren ist beim Kameradesign zwar auch vergleichsweise kompliziert, liefert aber deutliche Vorteile bei Geschwindigkeit, Lichtempfindlichkeit und Rauscharmut und damit hervorragende Inspektionsergebnisse in Applikationen, bei denen es auf diese Faktoren ankommt.

Lars Hansen, Produktmanager, Basler Vision Technologies

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