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Gegen den Trend?

Zeilenkameras mit großen Pixeln

Pixelgrößen von sieben, zehn und 14 Mikron sind bereits Bestandteil des JAI-Zeilenkamera-Produktprogramms. Warum dann gegen den Trend hin zu kleineren Pixeln gehen und eine Kamera mit 20µ-Pixelgröße vorstellen?
Große Pixel weisen in der Praxis bedeutende Vorteile auf, wenn es um Empfindlichkeit, Dynamikbereich und Geschwindigkeit geht. Des Weiteren scheinen die drei Faktoren in gegenseitiger Beziehung zu stehen, werden aber zur Vereinfachung zunächst einzeln betrachtet.

Empfindlichkeit als Funktion der Pixelgröße

Anwendungen für Zeilenkameras, nicht zuletzt mit hoher Geschwindigkeit, haben oft mit dem Lichtbudget Schwierigkeiten. In diesem Abschnitt liegt der Schwerpunkt auf der Beziehung zwischen Pixelgröße und Empfindlichkeit. Bei der Kamera geht es bei der Empfindlichkeit für verschiedene Pixelgrößen um die Zahl der Photonen, die das optoelektrische System, das heißt die Optik und den Sensor erfassen und in Elektronen umwandeln kann. Für die Einrichtung einer typischen Zeilenkameraanwendung muss ein kleiner Bereich der Objektfläche auf einen Pixel abgebildet werden. Unter der Voraussetzung einer gegebenen Distanz der Kamera zum Objekt und eines verlustlosen und optisch korrigierten Objektives, wird die auf das tatsächliche Pixel abgebildete Lichtmenge allein durch die Blende begrenzt. Wie aber wird die Empfindlichkeit der Kamera beeinflusst, wenn man von einem Sensor mit 10µ-Pixelgröße zu einem Sensor mit 20µ-Pixelgröße wechselt (Bild 2)? Bei Verwendung der Objektivvergrößerungsformel [M=(di/do)=(hi/ho)=f/(do-f)=(di-f)/f] und der Objektivformel für die F-Zahl [F#=f/dlens], wobei…

di: Distanz zwischen Objektiv und Bild,

do=1m: Distanz zwischen Objektiv und Objekt,

hi=0,01mm und 0,02mm: Bildhöhe (Pixelgröße),

ho=0,5mm: Objekthöhe, f: Brennweite und dlens: Blende sind,

…stellt sich heraus, dass die 10µ-Pixel eine Brennweite des Objektivs von rund 20mm und die 20µ-Pixel eine Brennweite von rund 40mm benötigen, um dasselbe Objekt von 0,5mm Größe auf einen Pixel abzubilden. Damit die beiden Pixelgrößen von 10µ und 20µ dieselbe Lichtmenge erfassen, müssen die beiden Objektive mit derselben Blende betrieben werden, was zu F#(20µ)/F#(10µ)=40mm/20mm=2 führt; das heißt, dass die 20µ-Pixel viermal weniger Licht benötigen als die 10µ-Pixel.

Dynamikbereich und Pixelgröße

Bei Zeilenkameraanwendungen (bei denen kleinere Defekte, Druckmuster oder leichte Farbveränderungen erkannt werden müssen) oder für die Filmdigitalisierung ist ein hoher Dynamikbereich ein Muss. Der Dynamikbereich wird als Pixel-Full-Well-Kapazität über das RMS-Rauschen der dunklen Bildbereiche definiert [DRimager=(full well capacity)/(rms noisedark)] und wird in der Regel in dB angegeben [DRimager=20*log(full well capacity/rms noisedark)]. Für eine fest vorgegebene Stärke des Substrates des Sensors nimmt die Well-Kapazität mit dem Quadrat der Pixelgröße zu und führt bei einer größeren Pixelgröße zu einer höheren Well-Kapazität und damit zu einem größeren Dynamikbereich, sofern ausreichend Licht zur Verfügung steht. Die höhere Well-Kapazität und damit der größere Dynamikbereich resultiert in einer besseren Photonen-Statistik, welche zumindest in den dunkleren Bildfeldern zu einer höheren Erkennungsgenauigkeit führt, sei es nun bei der Farbe oder den Grauwerten.

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