Hochgeschwindigkeitskameras und Zubehör für die Bildverarbeitung

Hochgeschwindigkeitskameras und das zugehörige Bildverarbeitungszubehör (LED-Beleuchtungen, spezielle Objektive, Trigger- und Synchronisationssysteme) sind grundlegende Bestandteile industrieller Bildverarbeitungssysteme, insbesondere für die Qualitätsprüfung an schnellen Linien, die Analyse schneller Bewegungen, die Prüfung bewegter Produkte und F&E an dynamischen Prozessen. Die Bildraten können in Spezialausführungen für wissenschaftliche Anwendungen mehrere zehntausend Bilder pro Sekunde (fps) überschreiten, während typische Industriekameras im Bereich 30-2000 fps mit Auflösungen von VGA bis zu mehreren Megapixeln arbeiten.

Sensoren und Architekturen

Eingesetzt werden überwiegend CMOS-Sensoren mit Global Shutter (gleichzeitige Erfassung aller Pixel, an bewegten Teilen unverzichtbar), mit Interline- oder Stacked-BSI-Architekturen zur Verbesserung von Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Die Datenschnittstellen reichen von GigE Vision (1, 5, 10 Gbit/s) über USB3 Vision und CoaXPress (bis 12,5 Gbit/s pro Kanal) bis CameraLink. Die Synchronisation zwischen Kamera, Beleuchtung und Prozess erfolgt über Hardware-Trigger mit hoher zeitlicher Präzision (μs).

Beleuchtung

Die Beleuchtung ist bei Hochgeschwindigkeitssystemen eine kritische Komponente: kurze Belichtungszeiten (einige zehn μs) erfordern hohe Lichtstärken. LED-Beleuchtungen sind am weitesten verbreitet, dank ihrer Energieeffizienz, ihrer langen Lebensdauer und der Möglichkeit, gepulst und synchron zur Aufnahme zu arbeiten (Blitzbetrieb). Die gebräuchlichsten Bauformen sind Ringlicht, Dom, Durchlicht, kollimiertes Bündel für Silhouetten, Streifenlicht für 3D und koaxiales Licht für spiegelnde Oberflächen. Die Wahl der Farbe (Rot, Blau, IR, Weiß) optimiert den Kontrast des Fehlers auf dem Werkstoff.

Anwendungen

Hochgeschwindigkeitskameras werden bei der Prüfung schneller Druck- und Verpackungslinien, bei der Kontrolle von SMD-Bauteilen, bei der Prüfung von Verschlüssen und Kapseln, bei der Maßmessung bewegter Teile (Extrusion, Ziehen), bei der Analyse schneller Bewegungen (Airbagprüfungen, Crashtests, Ballistik, Strömungsmechanik), bei der Untersuchung mechanischer Schwingungen und rotierender Bewegungen sowie in der wissenschaftlichen und medizinischen Forschung eingesetzt. Typische industrielle Anwendungen erreichen Produktgeschwindigkeiten von mehreren m/s bei erkennbaren Fehlergrößen in der Größenordnung von Zehntelmillimetern.

Zubehör und Objektive

Die Objektive werden auf Sensor und Anwendung abgestimmt: telezentrische Objektive für hochgenaue Maßmessungen (keine perspektivische Verzeichnung), Makroobjektive für feine Details, Standardobjektive mit fester Brennweite und motorisierte Zoomobjektive. Zum Zubehör gehören optische Filter (Bandpass, Polarisatoren), präzise mechanische Halterungen, geschirmte Industriekabel und dedizierte Framegrabber. Für raue Umgebungen sind Schutzgehäuse in IP65/IP67 mit Fenstern aus gehärtetem Glas verfügbar.

Auswahlkriterien

Die Auswahl einer Hochgeschwindigkeitskamera erfordert die Analyse der Prozessgeschwindigkeit (zur Festlegung der Mindestbildrate), der Größe des zu erkennenden Fehlers (zur Festlegung der Mindestauflösung des Sensors), der verfügbaren Beleuchtung (Empfindlichkeit), des Arbeitsabstands (Brennweite des Objektivs), der Erfassungsschnittstelle und der Verfügbarkeit einer Bildverarbeitungssoftware. Kamera, Objektiv und Beleuchtung sollten gemeinsam ausgelegt werden, damit die tatsächlich erreichten Leistungen gesichert sind.

Für Anwendungen der Bewegungsanalyse werden Hochgeschwindigkeitskameras häufig mit Motion-Analysis-Software und automatischer Markerverfolgung gekoppelt. Damit sind quantitative Messungen von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Bahn mechanischer Bauteile im dynamischen Betrieb möglich, die in der Forschungs- und Entwicklungsphase neuer Produkte unverzichtbar sind.