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Gegen den Trend?


Geschwindigkeit: Geringere Auflösung und größere Pixel

Bei Anwendungen, die eine hohe Geschwindigkeit, hohen Kontrast oder einen hohen Dynamikbereich erfordern, wird die Lichtempfindlichkeit zu einem begrenzenden Faktor oder sehr kostspielig. Dies sind die Anwendungsfälle, bei denen 20µ große Pixel durch die höhere Empfindlichkeit einen deutlichen Vorteil gegenüber 10µ-Pixeln aufweisen. Zusätzlich erfordert die geringere Auflösung weniger Zeilen, um das Objekt zu scannen. Geht man von einer 4K-Auflösung und 10µ-Pixelgröße auf eine 2K-Auflösung mit 20µ-Pixelgröße, so führt dies zu einer Halbierung der Anzahl der Zeilen um das gesamte Objekt abzubilden und der doppelten Belichtungszeit pro Zeile. Geht man abschließend von 10µ-Pixeln mit 4K Auflösung auf eine Pixelgröße von 20µ mit 4K Auflösung, so verbessert sich das Lichtbudget um den Faktor vier durch die Pixelgröße. Multipliziert man diesen Wert mit der doppelten Belichtungszeit, so erhält man eine um den Faktor acht höhere Empfindlichkeit. Dies ist eine Möglichkeit die Empfindlichkeit wesentlich zu steigern und somit eine Hochgeschwindigkeitsinspektion zu ermöglichen. Der Effekt der geringeren Auflösung ist dabei in der Praxis durch die bessere MTF deutlich weniger relevant.

Optische MTF

Ein guter Kontrast besteht nicht nur aus dem Erkennen des Unterschieds zwischen hell und dunkel, sondern insbesondere darin, die Details zu erkennen. Um dies zu verdeutlichen, stellen Sie sich ein feines Druckmuster auf einer Briefmarke oder einem Geldschein vor. Die Frage ist, wie man einen guten Kontrast sichert? Neben der Beleuchtung ist der zweite bedeutende Parameter in dieser Gleichung die Auflösung des optischen Systems. Die optische ‚Point Spread Function‘ (PSF) für das Objektiv und die verwendete Blende beschreibt die Reaktion des Bildsystems für einen Punkt der Objektfläche und die Fähigkeit, zwei oder mehr Punkte zu unterscheiden. Für ein beugungsbegrenztes Objektiv (ein perfektes Objektiv mit perfekt eingestelltem Fokus), einer Brennweite von 40mm und einem F# von 4 bestimmt das Rayleigh-Kriterium [x’=1,22 (flens/dlens)λ], dass zwei Punkte mit einem Abstand von 5µ im Objektbild für sichtbares Licht deutlich voneinander unterschieden werden können. Für ein perfektes Objektiv ist das in Ordnung, aber mit einem leicht unscharfen Fokus und den unvermeidlichen Abbildungsfehlern am Bildrand oder bei voll geöffneter Blende wächst bei einem nicht perfekten, aber erschwinglichen Objektiv in der Realität der Abstand zweier eindeutig zu unterscheidender Punkte leicht auf 10 bis 20µ an. Bei Verwendung von 10µ-Pixeln oder noch kleineren Pixeln reduziert sich dadurch die Erkennbarkeit oder der Kontrast. Bei Verwendung eines nicht perfekten optischen Systems mit den größeren 20µ-Pixeln würde man jedoch immer noch eine ordentliche Erkennbarkeit und somit einen hohen Kontrast erhalten.

Fazit

Ein Zeilensensor mit 20µ großen Pixeln und Tausenden von Pixeln benötigt eine Optik mit einem großen Bildkreis, um die gesamte Länge des Sensors abzudecken. Aus praktischen Gesichtspunkten reduziert dies die Auflösung auf 2.000 Pixel, zeigt aber gleichzeitig entscheidende Vorteile (wenn eine Zeilenauflösung von 2.000 Pixeln ausreicht):

1) Für zahlreiche Zeilenkameraanwendungen stellt das Lichtbudget entweder aufgrund mangelnden Lichts oder aufgrund erheblicher Kosten oft eine Herausforderung dar. Große Pixel sind aufgrund der höheren Empfindlichkeit hierbei sehr hilfreich, indem man entweder die Kosten für die Beleuchtung reduzieren kann oder eine kleinere Blendenöffnung und kostengünstigere Objektive verwendet.

2) Außerdem nimmt bei gegebener Stärke des Substrates des Sensors die Well-Kapazität mit dem Quadrat der Pixelgröße zu und führt zu einer höheren Well-Kapazität und damit zu einem größeren Dynamikbereich.

3) Zudem erleichtern größere Pixel aufgrund der geringeren Objektivanforderungen das Erzielen kontraststarker Detailfotos, sei es monochrom oder in Farbe, das heißt Objektivauflösung und -fokus werden weniger relevant.

Alles in allem ermöglichen große Pixel Hochleistungskameras auf einem attraktiven Preisniveau. Bei Zeilenkameras sorgt das Design mit großen Pixeln nicht für erhöhte Kosten – der Sensor ist vergleichbar kostenintensiv, die optischen Anforderungen sind weniger anspruchsvoll und die erforderliche Lichtmenge ist reduziert. JAI bietet mit der neuen Sweep und Sweep+ Zeilenkamerafamilie mit 1-CMOS (monochrom), 3-CMOS (Rot Grün Blau) oder 4-CMOS (Rot Grün Blau und NIR) eine interessante Option, wenn es auf hohe Geschwindigkeit und Empfindlichkeit ankommt. Aufgrund des einzigartigen CMOS-Sensors und des Prismen- und Kameradesigns unterscheiden sich diese Modelle preislich nicht von anderen monochromen Zeilenkameras, bzw. nur unwesentlich von herkömmlichen dreizeiligen Farbzeilenkameras.

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