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Industrielle Automation 3/2017

Industrielle Automation 3/2017

01 CMOS-Sensor

01 CMOS-Sensor Integrationskompetenz Neue CMOS-Sensoren – worauf Kamerahersteller bei der Integration des Sensors achten sollten Die neuen CMOS-Sensoren sind im Vergleich zu ihren Vorgängern deutlich besser in Hinblick auf Geschwindigkeit, Bildqualität und Preis-Leistungs-Verhältnis. Doch um wirklich eine insgesamt verbesserte Performance zu profitieren, müssen Kamerahersteller auf einige Besonderheiten achten. Der Beitrag beschreibt, was eine gute CMOS-Sensorintegration ausmacht. René von Fintel, Head of Product Market Management, Basler AG, Ahrensburg Seit 2014 gibt es immer mehr CMOS-Sensoren und die Typenvielfalt und Qualität dieses Sensortyps wurde stetig weiterentwickelt. Dieser Trend hat auch im Bereich der Industriekameras eine Entwicklung in Gang gesetzt: Die neuen CMOS-Sensoren sind besser als viele ihrer Vorgänger, was Geschwindigkeit, Bildqualität und das Preis- Leistungs-Verhältnis betrifft und ermöglichen einen Performance-Schub. Für den Anwender einer Kamera sind jedoch die Eigenschaften des Sensors nicht allein entscheidend. Die Hersteller einer Kamera müssen jeden neuen Sensor nämlich zunächst in eine neue Kamera integrieren. Diese Integration eines Sensors birgt dabei Schwierigkeiten, die nicht unterschätzt werden sollten. Entsprechend unterschiedlich kann das Ergebnis ausfallen. In vielen Fällen werden komplett neue Kameradesigns um die Sensoren herum entwickelt. Für den Anwender gibt es gravierende Unterschiede, die beim Testen von Kameras schnell sichtbar werden. Es zeigt sich dabei, dass es „gute“ und „schlechte“ Sensorintegrationen gibt. Auch wenn es bei neuen CMOS-Sensoren vermeintlich einfachere Ansteuerungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten gibt als bei CCD-Sensoren, so gilt es für eine wirklich „gute“ Integration doch einiges für den Kamerahersteller zu beachten. Optimierung der Bildqualität Das Fix Pattern Noise, das sich im Bild als Schachbrett oder in Form von Streifen darstellt, soll nicht sichtbar sein, ebenso wenig wie Defektpixel, Defektpixelcluster oder blinkende Pixel. Um solch lästige Störungen 02 Links im Bild: Pin out älterer 2-MP-CCD- Sensor (20 Pins), rechts im Bild: Pin out neuer 2-MP-CMOS-Sensor 76 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2017

in den Bilddaten für den Anwender zu vermeiden, sind Maßnahmen erforderlich, die im Allgemeinen eine gewisse Rechenleistung in der Kamerahardware voraussetzen. Korrekturmechanismen, wie zum Beispiel Shading-Algorithmen müssen in der Firmware hinterlegt und mit hoher Geschwindigkeit ausführbar sein. Ein Ziel ist dabei, dass die Echtzeitfähigkeit des Bildeinzugs erhalten bleibt. Um die nötige Rechenleistung bereitzustellen, eignen sich beispielsweise RAM- und FPGA-Kombinationen, damit der Anwender keine unnötige Rechenlast für Bildkorrektur auf seinem PC oder seinen Embedded Komponenten vorsehen muss. In den meisten Fällen wird nämlich deren Rechenlast nahezu kom ­ plett für die eigentliche Bildverarbeitung (das Analysieren) benötigt. Den Aufwand für die Vorverarbeitung möchten die Kunden, wenn irgend möglich, natürlich nicht in Form von zusätzlicher Software und Rechenpower bezahlen. Sensor: robust & sicher eingebaut Über die Lebenszeit der Kamera sollen stabil Bilder geliefert werden. Für die oft recht groß spezifizierten Betriebsbereiche ist das häufig keine trivial zu erfüllende Eigenschaft. Schon bei der Auswahl der Komponenten in der Entwicklungsphase der Kamera und schließlich auch beim Fertigungsprozess der Kamerahardware müssen dazu Maßnahmen ergriffen werden, die die Robustheit verbessern. Schließlich soll die Kamera mehrere Jahre „leben“ und muss dazu Stress wie Temperaturzyklen oder mechanischen Belastungen wie Vibration standhalten. Neue CMOS-Sensoren erfordern hierbei eine deutlich sorgfältigere Vorgehensweise. Grund dafür sind gestiegene Sensorgrößen (> 2/3") sowie höhere Auflösungen und Geschwindigkeiten. Die neuen Sensoren haben in der Regel auch eine größere Anzahl von zu kontaktierenden Pins mit kleineren Abständen und erfordern dadurch einen noch anspruchsvolleren Produktionsprozess für die Verlötung/Verklebung des Sensors auf der Platine als ältere Sensoren. Ansteuerung harmonisieren Jeder Sensorhersteller und teilweise jeder Sensortyp verwendet unterschiedliche Steuerregister-Sätze, die angesteuert werden müssen, um zum Beispiel Belichtungszeiten einzustellen oder AOIs (Areas of Interest) zu setzen. Die Anzahl der dazu nötigen Register-Settings kann in die Hunderte oder sogar Tausende gehen. Der Endanwender einer Kamera möchte hingegen ein standardisiertes Vorgehen zur Kamerakonfiguration, das über Kameramodelle hinweg gleich und so einfach wie möglich sein soll. Dies erfordert für den Kamerahersteller viel Integrationsarbeit, damit die Firmware auf Qualitätsaspekt sichtbare tote Pixel Gut abgegrenzte dunkle Flecken mit Bild* Unschärfe zu den Ecken* Schmierige dunkle Flecken im Bild* Aufgrund welches Sensorproblems? Defekte Pixel oder Deftepixelcluster Glasdefekte oder Schmutz unter Deckglas Tilt (Sensor-Chip relativ zum Sensorgehäuse) Festsitzender Schmutz auf dem Sensor Lösung durch Kamerahersteller Defekt-Pixelkorrektur (Interpolation) Aussortierung Tilt-Korrektur Sensorreinigen Kostenauswirkung höhere Fertigungszeit höherer Ausschuss höhere Fertigungszeit und/oder Hardwarekosten höhere Fertigungszeit und/oder Ausschuss *) Solche Erscheinungen können in der Endanwendung auch durch das Objektiv hervorgerufen werden 03 Tabelle: Qualitätsprobleme, die auftreten können und wie sie zu lösen sind die jeweiligen Sensoren zugeschnitten werden kann. Sehr wichtig ist dabei auch die folgende Philosophie: „You get is what you set“. Das heißt zum Beispiel, dass, wenn der Endanwender in seiner Applikation eine Belichtungszeit an der Kamera einstellt, auch genau diese Belichtungszeit beim Sensor wirksam werden soll und mit dieser Zeit ein Bild aufgenommen werden soll. Alles andere führt zu verfälschten Ergebnissen. Lässt sich z. B. eine Zeit von 100 µs in der Kamera API einstellen, dann sollte in der Realität keine Belichtungszeit von 100 µs + X auf den Sensor angewendet werden. Bei einigen „falschen“ Integrationen im Markt ist aber genau das der Fall. Der Endanwender bekommt dieses Verhalten unter Umständen nur durch sehr viel Testaufwand mit. Ein zweiter Punkt ist auch wichtig: Wenn die Einstellung in der Applikation wirksam wird, soll sie sich auch auf das nächste zu erzeugende Bild beziehen und nicht erst nach mehreren Bildern wirksam werden. Gerade günstige Rolling-Shutter-Sensoren haben hier ein Verhalten, dass nur mit einigem Aufwand in der Firmware der Kamera verbessert werden kann. Sicherstellung der Qualität 04 Basler Kamera und CMOS-Sensor Eine weitere Integrationsaufgabe für den Kamerahersteller ist es, aus der gelieferten „Roh-Sensorqualität“ eine stabile Qualität der Kamera sicherzustellen. Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Qualitätsprobleme, die auftreten können und wie sie gelöst werden können. Da sich diese Qualitätsprobleme zum Teil nur in geringen Grauwertabweichungen oder im kleinsten µm-Bereich auswirken, stellt die Feststellung und Fehlervermeidung zum Teil sehr hohe Anforderungen an die Testtools des Kameraherstellers. Natürlich ist der Endanwender nicht immer bereit Geld für bessere Qualität zu zahlen. Eine Separierung der Fertigung in verschie ­ dene Produkt-Linien mit unterschiedlichen Qualitätsstandards ist deshalb eine Lösung, die größere Kamerahersteller anbieten können. Zusammenfassung Zum perfekten Konzert gehören erstklassige Instrumente und ein erstklassiger Interpret. Ähnlich verhält es sich mit einer guten Kamera: nicht allein der Sensor in der Kamera bestimmt, wie gut die Bildqualität für den Anwender ist, sondern auch die Erfahrung und das Know-how, das der Hersteller der Kamera bei der Integration des Sensors in die Waagschale werfen konnte. Moderne CMOS-Sensoren bieten viele Vorzüge, aber auch einige Tücken, die nur durch sorgfältiges Design der Steuer- und Übertragungselektronik, durch eine überlegte und sorgfältige Verarbeitung in der Fertigung und durch ausgefeilte Fehlerkorrektur- und Ansteuerungsalgorithmen schon in der Kamerahardware gemeistert werden können. Nicht zuletzt ist auch die einfache Konfigurierbarkeit der Kamera wichtig, wie auch das Prüfequipment des Kameraherstellers, mit dem durch ständige Kontrolle der Produkt- und Prozessqualität stabile Qualität auch des Endproduktes sichergestellt werden kann. Fotos: Basler AG www.baslerweb.com info@falcon-illumination.de +49 7132 99169-0 IR UV INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2017 77 Falcon-6.indd 1 15.02.2017 10:43:59