Alles, was Sie über Zeilenkameras wissen müssen |

Zeilenkameras sind spezielle Bildgebungsgeräte zur Aufnahme hochauflösender Bilder von bewegten oder unbeweglichen Objekten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flächenkameras, die ein 2D-Bild in einer einzigen Belichtung erfassen, erstellen Zeilenkameras Bilder zeilenweise – ideal für Anwendungen wie Bahninspektion, Halbleiteranalyse und Verpackungsprüfung.

Diese Kameras verfügen typischerweise über eine einzelne Pixelreihe (manchmal auch mehrere) und können in Kombination mit einem bewegten Objekt oder einem Scansystem hochwertige 2D-Bilder von Objekten nahezu beliebiger Länge erzeugen. Je nach Sensortyp verwenden Zeilenkameras typischerweise entweder CCD- oder CMOS-Sensortechnologie – ähnlich wie in vielenCMOS-Kameras– wobei CMOS aufgrund seiner Geschwindigkeit und Energieeffizienz die bevorzugte Wahl wird.

Was ist eine Zeilenkamera?

Zeilenkameras sind in der Regel eher für den industriellen als für den wissenschaftlichen Einsatz optimiert und können bei schwachen Lichtverhältnissen oder hochpräzisen Anwendungen Einschränkungen aufweisen. Hohes Ausleserauschen, kleine Pixel und eine allgemein niedrige Quanteneffizienz können dazu führen, dass diese Kameras hohe Lichtstärken benötigen, um ein brauchbares Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu liefern.

Zeilenkameras können hauptsächlich auf zwei Arten eingesetzt werden:

1-dimensionale Erfassung

Es können eindimensionale Informationen erfasst werden, beispielsweise in Spektroskopieanwendungen. Die Ergebnisse werden in der Kamerasoftware häufig in grafischer Form dargestellt, wobei die Intensität auf der Y-Achse und die Kamerapixel auf der X-Achse dargestellt werden.

2-dimensionale Erfassung

Durch Bewegen der Kamera oder des abzubildenden Objekts kann ein Bildobjekt „abgetastet“ werden. Durch die Aufnahme aufeinanderfolgender eindimensionaler Schnitte kann ein zweidimensionales Bild erstellt werden.

Diese Form der Bildgebung ermöglicht die Erfassung beliebig großer Bilder in der Scan-Dimension. Die Fähigkeit, bewegte Objekte ohne Bewegungsunschärfe (oder Rolling-Shutter-Artefakte) zu erfassen, führt dazu, dass Zeilenkameras sehr häufig in industriellen Anwendungen, an Fließbändern, bei der Inspektion großer Bildobjekte und mehr eingesetzt werden.

Wie funktioniert eine Zeilenkamera?

Eine Zeilenkamera arbeitet mit einem bewegten Objekt oder einem Scanmechanismus zusammen. Während das Objekt unter der Kamera hindurchläuft, wird jede Zeile des Bildes nacheinander erfasst. Diese Zeilen werden dann in Echtzeit oder per Software zu einem vollständigen 2D-Bild kombiniert.

Zu den wichtigsten Komponenten gehören:

● 1-dimensionaler Sensor: Normalerweise eine einzelne Pixelreihe.
● Bewegungssteuerung: Ein Förder- oder Drehmechanismus sorgt für eine gleichmäßige Bewegung.
● Beleuchtung: Oft Linien- oder Koaxialbeleuchtung für gleichmäßige Ausleuchtung.

Da das Bild Zeile für Zeile aufgebaut wird, ist die Synchronisierung von entscheidender Bedeutung. Wenn sich das Objekt unregelmäßig bewegt oder das Timing nicht stimmt, kann es zu Bildverzerrungen kommen.

Zeilenkameras vs. Flächenkameras

Besonderheit	Zeilenkamera	Flächenkamera
Bilderfassung	Eine Zeile nach der anderen	Vollständiger 2D-Rahmen auf einmal
Ideale Verwendung	Bewegte oder kontinuierliche Objekte	Stationäre oder Schnappschussszenen
Bildgröße	Nahezu unbegrenzte Länge	Begrenzt durch Sensorgröße
Integration	Erfordert Bewegungs- und Zeitsteuerung	Einfachere Einrichtung
Typische Anwendungen	Bahninspektion, Druck, Textilien	Barcode-Scannen, Robotik, allgemeine Bildgebung

Kurz gesagt: Zeilenkameras eignen sich hervorragend für die Abbildung sich schnell bewegender oder sehr großer Objekte. Flächenkameras eignen sich besser für Anwendungen mit statischen oder kleinen Zielen.

Hauptmerkmale von Zeilenkameras

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Zeilenkamera die folgenden Spezifikationen:

● Auflösung: Anzahl der Pixel pro Zeile, die sich auf den Detailgrad auswirkt.
● Zeilenfrequenz (Hz): Anzahl der pro Sekunde erfassten Zeilen – entscheidend für Hochgeschwindigkeitsprüfungen.
● Sensortyp: CMOS (schnell, geringer Stromverbrauch) vs. CCD (in manchen Fällen höhere Bildqualität).
● Schnittstelle: Datenübertragungsoptionen wie GigE, Camera Link oder CoaXPress.
● Dynamikbereich und Empfindlichkeit: Wichtig für die Prüfung von Objekten mit variabler Helligkeit oder Reflektivität.
● Farbe vs. Monochrom: Farbkameras verwenden mehrere Reihen mit RGB-Filtern; Monochromkameras bieten möglicherweise eine höhere Empfindlichkeit.

Vor- und Nachteile von Zeilenkameras

Vorteile

Kann eindimensionale Informationen mit sehr hoher Geschwindigkeit erfassen (normalerweise gemessen in Zeilenfrequenzen von 100 kHz). Kann beim Scannen über ein Bildobjekt zweidimensionale Bilder beliebiger Größe mit hoher Geschwindigkeit erfassen.

Kann Farbinformationen erfassen, ohne die Auflösung durch die Verwendung separater rot-, grün- und blaugefilterter Reihen zu beeinträchtigen, oder benutzerdefinierte Kameras können eine spezifische Wellenlängenfilterung bieten.

Die Beleuchtung muss nur eindimensional sein und erfordert je nach Bildaufbau möglicherweise keine Flatfield- oder anderen Korrekturen in der zweiten (gescannten) Dimension.

Nachteile

Erfordert spezielle Hardware- und Software-Setups, um zweidimensionale Daten zu erfassen.

Aufgrund der geringen Quanteneffizienz, des hohen Rauschens und der kleinen Pixelgröße ist es normalerweise nicht gut für die Bildgebung bei schwachem Licht geeignet, insbesondere in Kombination mit den für Hochgeschwindigkeitsscans typischen kurzen Belichtungszeiten.

Normalerweise nicht für die wissenschaftliche Bildgebung vorgesehen, daher können Linearität und Bildqualität mangelhaft sein.

Gängige Anwendungen von Zeilenkameras im wissenschaftlichen Bereich

Zeilenkameras werden häufig in der wissenschaftlichen Forschung und in anspruchsvollen Bildgebungsanwendungen eingesetzt, die hohe Auflösung, Präzision und kontinuierliche Datenerfassung erfordern. Typische Anwendungen sind:

● Mikroskopische Bildgebung: Erfassung hochauflösender Zeilenscans für detaillierte Oberflächen- oder Zellanalysen.
● Spektroskopie: Aufzeichnen von Spektraldaten über Proben hinweg mit präziser räumlicher Auflösung.
● Astronomie: Abbildung von Himmelsobjekten oder Verfolgung sich schnell bewegender Ziele mit minimaler Verzerrung.
● Materialwissenschaft: Oberflächeninspektion und Defekterkennung in Metallen, Polymeren oder Verbundwerkstoffen.
● Biomedizinische Bildgebung: Scannen biologischen Gewebes für Diagnose- oder Forschungszwecke, einschließlich Histologie und Pathologie.

Diese Anwendungen profitieren von der Fähigkeit der Zeilenkamera, hochdetaillierte, verzerrungsfreie Bilder über ausgedehnte Bereiche oder in dynamischen Versuchsaufbauten zu erzeugen.

Einschränkungen von Zeilenkameras

Tucsen Hochempfindliche Zeilenkamera und TDI Scientific Kamera

Schematische Darstellung: Tucsen Hochempfindliche Zeilenkamera/TDI Scientific Kamera

Links: Ungekühlte Flächenkamera

Mitte: TDI Wissenschaftliche Kamera

Rechts: Gekühlte Flächenkamera

Obwohl Zeilenkameras eine hervorragende Auflösung bieten und sich gut für die kontinuierliche Bildgebung eignen, unterliegen sie gewissen Einschränkungen, insbesondere in anspruchsvollen wissenschaftlichen Umgebungen, in denen Empfindlichkeit und Signalstabilität von entscheidender Bedeutung sind.

Eine wesentliche Einschränkung ist ihre Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Herkömmliche Zeilenkameras basieren auf einer Einzeldurchgangsbelichtung, die bei der Abbildung schwach beleuchteter oder lichtempfindlicher Proben, wie beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie oder bestimmten biomedizinischen Tests, möglicherweise kein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bietet. Darüber hinaus kann die genaue Synchronisierung zwischen Objektbewegung und Bildaufnahme technisch anspruchsvoll sein, insbesondere bei Aufbauten mit variabler Geschwindigkeit oder Vibration.

Eine weitere Einschränkung besteht in ihrer begrenzten Fähigkeit, qualitativ hochwertige Bilder von sich sehr langsam bewegenden oder ungleichmäßig beleuchteten Proben aufzunehmen, was zu inkonsistenter Belichtung oder Bewegungsartefakten führen kann.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben sich TDI-Kameras (Time Delay Integration) als leistungsstarke Alternative etabliert. Durch die Signalakkumulation über mehrere Belichtungen hinweg, während sich das Objekt bewegt, verbessern TDI-Kameras die Empfindlichkeit und Bildqualität erheblich. Dies macht sie besonders wertvoll in wissenschaftlichen Bereichen, in denen Aufnahmen bei extrem schwachem Licht, ein hoher Dynamikbereich oder eine präzise zeitliche Auflösung erforderlich sind.

Abschluss

Zeilenkameras sind unverzichtbare Werkzeuge in Branchen, in denen eine schnelle und hochauflösende Abbildung bewegter oder kontinuierlicher Oberflächen erforderlich ist. Ihre einzigartige Scanmethode bietet in bestimmten Szenarien deutliche Vorteile gegenüber Flächenkameras, insbesondere bei Anwendungen wie Bahninspektion, Halbleiterbildgebung und automatisierter Verpackung.

Während Zeilenkameras vorwiegend in industriellen Umgebungen eingesetzt werden, können Benutzer, die eine hohe Empfindlichkeit oder Leistung bei schwachem Licht benötigen, von der Erkundung profitierenwissenschaftliche KamerasEntwickelt für Präzisionsbildgebungsanwendungen.

Wenn Sie verstehen, wie Zeilenkameras funktionieren und worauf Sie bei der Auswahl achten müssen, können Sie intelligentere und zuverlässigere Inspektionssysteme entwickeln.

FAQs

Wie nimmt eine Zeilenkamera Farbbilder auf?

Farbzeilenkameras verwenden typischerweise trilineare Sensoren mit drei parallelen Pixelzeilen, die jeweils mit einem Rot-, Grün- oder Blaufilter ausgestattet sind. Während sich das Objekt am Sensor vorbeibewegt, erfasst jede Farbzeile nacheinander ihren jeweiligen Kanal. Diese werden dann zu einem Vollfarbbild kombiniert. Präzise Synchronisierung ist unerlässlich, um Farbfehlstellungen zu vermeiden, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten.

So wählen Sie die richtige Zeilenkamera aus

Die Auswahl der richtigen Kamera hängt von den Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Hier sind einige wichtige Faktoren, die Sie berücksichtigen sollten:

● Geschwindigkeitsanforderungen: Bestimmen Sie Ihren Leitungsratenbedarf basierend auf der Objektgeschwindigkeit.
● Lösungsbedarf: Passen Sie die Auflösung an Ihre Prüftoleranzen an.
● Beleuchtung und Umgebung: Erwägen Sie eine spezielle Beleuchtung für reflektierende oder dunkle Oberflächen.
● Sensortyp: CMOS hat sich aufgrund seiner Geschwindigkeit und Effizienz durchgesetzt, während CCDs weiterhin für ältere und präzisionskritische Systeme verwendet werden.
● Konnektivität: Stellen Sie sicher, dass Ihr System die Schnittstelle der Kamera unterstützt (z. B. CoaXPress für hohe Datenraten).
● Budget: Gleichen Sie Leistung und Systemkosten ab, einschließlich Beleuchtung, Optik und Framegrabber.

Wenden Sie sich im Zweifelsfall an einen Experten oder Anbieter für maschinelles Sehen, um die Kompatibilität mit Ihrem Systemdesign und Ihren Anwendungszielen sicherzustellen.

Wie viele Zeilen hat eine monochrome Zeilenkamera?

Eine Standard-Schwarzweiß-Zeilenkamera verfügt in der Regel über eine Pixelzeile, manche Modelle verfügen jedoch über zwei oder mehr parallele Zeilen. Diese Mehrzeilensensoren können die Bildqualität verbessern, indem sie mehrere Belichtungen mitteln, die Empfindlichkeit erhöhen oder verschiedene Beleuchtungswinkel erfassen.

Während Einzeilenkameras für die meisten Hochgeschwindigkeitsprüfungen ausreichen, bieten Zwei- und Vierzeilenversionen eine bessere Leistung in anspruchsvollen Umgebungen, insbesondere wenn geringes Rauschen oder ein hoher Dynamikbereich erforderlich sind.

Weitere Informationen zur Zeilenscan-Technologie in lichtbegrenzten Bildgebungsanwendungen finden Sie in unserem Artikel:

Beschleunigung der lichtbegrenzten Erfassung mit Line Scan TDI Imaging

Warum die TDI-Technologie in der industriellen Bildgebung auf dem Vormarsch ist