Fraunhofer IMS / AIT Zeilensensor »xposure« für die optische Inspektion

Dieser 60-Zeilen-Sensor ist etwa doppelt so schnell wie bisher verfügbare Systeme.
Dieser 60-Zeilen-Sensor ist etwa doppelt so schnell wie bisher verfügbare Systeme.

Das Fraunhofer IMS hat gemeinsam mit dem AIT Austrian Institute of Technology den nach Institutsangaben schnellsten Zeilensensor für optische Inspektionsaufgaben entwickelt. Zu dessen Merkmalen gehören aber nicht nur Geschwindigkeit, sondern auch hohe Auflösung und Lichtempfindlichkeit.

Um den heutigen Herausforderungen einer modernen Fertigung gerecht zu werden, sind Technologien und Lösungen erforderlich, die eine visuelle Kontrolle der Qualität eines jeden einzelnen Produkts ermöglichen. In vielen optischen Messsystemen sind dafür sehr schnelle Bildaufnahmen erforderlich. Neben hoher Geschwindigkeit sind zudem eine hohe Empfindlichkeit und räumliche Auflösung nötig.

»Genau diesen Anforderungen wird ‚xposure‘, der Hochgeschwindigkeitssensor für Line-scan-Kameras, gerecht«, erläutert Werner Brockherde, Abteilungsleiter Optische Sensorsysteme am Fraunhofer IMS. Der Sensor wurde gemeinsam vom Fraunhofer IMS (Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme) in Duisburg und dem AIT Austrian Institute of Technology in Wien entwickelt. »Er ist etwa doppelt so schnell wie heute verfügbare Lösungen und liefert zugleich qualitativ hochwertige Bilder in sehr hoher Auflösung«, berichtet Werner Brockherde. »Nicht nur die Weltrekord-Geschwindigkeit, sondern auch die äußerst hohe Lichtempfindlichkeit und die große Komplexität mit beispielsweise 2000 Analog-Digital-Wandlern mussten zur Realisierung von »xposure« gleichzeitig erreicht werden. Besonders die Gefahr von Überkopplungen bei der hohen Taktrate wurde mit aufwändigen Simulationen untersucht und minimiert.« Der Sensor kann in der monochromen Variante Objekte mit 600.000 Zeilenbildern pro Sekunde scannen. In der Farbvariante erfasst der Sensor 200.000 Zeilenbilder pro Sekunde in RGB. »Das ist der Weltrekord für Line-scan-Sensoren«, betont Werner Brockherde. Bei Belichtungszeiten von wenigen Mikrosekunden erzielt der Sensor mit handelsüblichen Beleuchtungen und Objektiven noch die volle Bildqualität.

Eine weitere wichtige Eigenschaft des Sensors ist, dass er nicht nur eine rot-, eine grün- und eine blauempfindliche Zeile von Pixeln aufweist, sondern insgesamt 60 lichtempfindliche Zeilen integriert. Je nach Anforderungen der Anwendung lässt sich konfigurieren, welche Zeilen auszulesen sind. Dank der hohen Aufnahmegeschwindigkeit erzielt »xposure« bei einer Transportgeschwindigkeit von 300 km/h eine Auflösung von 0,4 mm. »So könnte der Sensor beispielsweise an einem ICE-Zug montiert bei voller Fahrt noch winzigste Haarrisse in den Gleisen erkennen und damit enorm zur Sicherheit beitragen«, hebt Werner Brockherde hervor. Bei einer Geschwindigkeit von 10 m/s, wie sie etwa bei Fertigungsstraßen vorliegt, beträgt die Auflösung sogar 0,05 mm. Eine Software vergleicht dabei ständig die Aufnahmen mit einem Sollbild. Farbfilter, die auf dem Sensor aufgebracht sind und die Pixel-Zeilen durchgehend bedecken, unterdrücken störende Moiré-Effekte und Farbartefakte an Hell-Dunkel-Kanten im Bild. »Das ist ein großer Vorteil im Vergleich zu Sensoren mit einem Bayerpattern«, merkt Werner Brockherde an.