Nah am Objekt

Die automatische optische Inline-Inspektion (AOI) ist ein wichtiger Bestandteil in modernen Produktionslinien, um Qualitätskontrollen in Echtzeit und mit hohem Durchsatz zu ermöglichen. Bei der Prüfung von länglichen oder quasi endlosen Materialien kommen dabei häufig zeilenkamerabasierte Prüfsysteme zum Einsatz, die in der Regel 250 bis 500 mm Abstand zum Prüfobjekt erfordern. Diese räumlichen Vorgaben lassen sich jedoch nicht immer realisieren.

Hier spielen CIS-Geräte einen ihrer Hauptvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Zeilenkameras aus: Ihr kleiner Formfaktor ermöglicht Arbeitsabstände zum Prüfobjekt im Bereich von typischerweise nur 10 bis 15 mm. Die CIS-Technologie bietet zudem einen höheren Integrationsgrad, der Kamera-, Objektiv- und Beleuchtungskomponenten kombiniert und die Systementwicklung beschleunigt und vereinfacht.

Geschwindigkeit und Auflösung

Contact Image Sensoren eignen sich aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit, ihrer Auflösung und ihrem Dynamikbereich unter anderem für Anwendungen in der Batteriefertigung, beispielsweise für die Überprüfung von Beschichtungen. © Teledyne Dalsa

Generell zählen Geschwindigkeiten und Auflösungen zu den wichtigsten technischen Spezifikationen für Bildverarbeitungssysteme und geben derzeit auch die Grenzen vieler CIS-Produkte vor. So muss beispielsweise der Durchsatz bei der Produktion von Batterien, die eine Schlüsselrolle in der Strategie für saubere Energie beim Übergang zu Elektrofahrzeugen spielen, sehr hoch sein. Die Kombination kleinerer Pixelgrößen mit höheren Zeilenraten stellt in diesem Bereich sicher, dass die geforderten Erkennungsraten ohne Einschränkung des Systemdurchsatzes erreicht werden. Eine hohe Auflösung verbessert nicht nur die Erkennungsraten, sondern erhöht auch die Messgenauigkeit.

Erkennung dunkler und reflektierender Materialien

Im Monochrom-Modus verwenden innovative CIS-Module einen Dual-line-Sensor mit unabhängiger Belichtungssteuerung. Diese Sensorarchitektur ermöglicht die Aufnahme von Bildern mit hohem Dynamikbereich mit unterschiedlichen Belichtungen für jede Zeile, um helle beziehungsweise dunkle Szenen in einem einzigen Scanvorgang zu erfassen. Die beiden von jeder Zeile erfassten Bilder können separat ausgegeben und verarbeitet oder vor der Verarbeitung zu einem Bild mit hohem Dynamikbereich zusammengefügt werden. Diese Technologie hat sich beispielsweise bei der Abbildung relativ dunkler Elektroden, die auf stark reflektierenden Metallrollen beschichtet sind, als sehr effektiv erwiesen. Die Erkennbarkeit von Merkmalen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen konnte dadurch deutlich verbessert werden.

Ein weiteres Argument für den Einsatz der CIS-Technologie sind die telezentrischen Eigenschaften des integrierten selbstfokussierenden Objektivs, das neben der Erkennung von Defekten auch unverzerrte Bilder mit einer optischen Vergrößerung von 1:1 für messtechnische Aufgabenstellungen liefert. Derzeit werden bei den meisten CIS-Modulen auf dem Markt die Siliziumchips in einem CIS allerdings mit einem so genannten Butting-Verfahren zusammengefügt, das zu unkontrollierbaren Lücken zwischen den einzelnen Chips und dadurch zu fehlenden Pixeln führt. Da bei diesem Verfahren an den Übergangsstellen echte Bilddaten fehlen, ist für diese Stellen eine Dateninterpolation erforderlich. Schlechte Herstellungsprozesse können zudem eine unkontrollierbare Sensorbreite zur Folge haben, die sich ebenfalls negativ auf die Qualität der Bildauswertung auswirkt.

Hohe Genauigkeit ohne fehlende Pixel

HDR-Aufnahmen mit einem Dual-line-Sensor und unterschiedlichen Belichtungszeiten verbessern die Aufnahmequalität von Bildern mit hohem Dynamikbereich erheblich. © Teledyne Dalsa

Teledyne hat bereits zur Vision 2022 ‚AxCIS‘ vorgestellt, eine Familie voll integrierter Hochgeschwindigkeits- und hochauflösender Module zur Zeilenbilderfassung auf Basis der CIS-Technologie. Um die beschriebenen Lücken zwischen den Siliziumchips von CIS-Modulen zu vermeiden, verwendet das Unternehmen bei diesen Komponenten ein gestaffeltes Design der CMOS-Sensorarchitektur: Alle Chips sind versetzt angeordnet, um das gesamte Sichtfeld ohne fehlende Pixel abzudecken. Die Bildverarbeitung des Moduls richtet die Bilder jedes einzelnen Chips aus und entfernt die überlappenden Pixel. Dieses Design ermöglicht genaue Messungen in horizontaler Richtung. Nach der Kalibrierung kann eine Genauigkeit von 50 µm bei 20 °C Umgebungstemperatur über ein Sichtfeld von 800 mm erreicht werden.

Die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung von einem AxCIS-Modul zum Framegrabber wird durch die Camera Link HS (CLHS)-Schnittstelle mit Glasfaserkabeln unterstützt. Jedes Glasfaserkabel kann ein Datenvolumen von 2,4 Gigapixel pro Sekunde bei einer Kabellänge von 300 m übertragen.

Xing-Fei He ist Senior Product Manager bei Teledyne Dalsa. © Teledyne Dalsa

Je nach Geschwindigkeitsanforderung können auch mehrere CIS-Module an eine Bilderfassungskarte angeschlossen werden, um die Kosten auf Systemebene zu senken. Darüber hinaus sind Glasfaserkabel völlig unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung, was die Datenintegrität bei Hochgeschwindigkeitsübertragungen in rauen Industrie- umgebungen erheblich verbessert.

Contact Image Sensoren werden im Gegensatz zu herkömmlichen Zeilenkameras sehr nah an den zu prüfenden Proben montiert und müssen daher vor Staub geschützt werden. Die CIS-Module von Teledyne sind durch IP60 vor Verunreinigungen in staubigen Umgebungen gesichert.