Produktionsqualität steigern: High-Speed Digital Imaging erweitert traditionelles Machine Vision

Machine Vision ist ein bewährtes Prozesskontrolltool für eine Vielzahl industrieller Automatisierungsanwendungen. Traditionell integriert diese Technologie Commercial-off-the-shelf (COTS) Imaging-Sensoren, Beleuchtungsmodule und Prozessoren, um Teile zu führen, inspizieren oder identifizieren, während sie sich entlang Produktionslinien bewegen. Im Vergleich zu menschlichen Operatoren sind Machine-Vision-Systeme schnell, präzise und reproduzierbar – verbessern Produktqualität, senken Ausschussraten und steigern Produktivität in schnellgetakteten Fertigungsumgebungen.

Während die operativen Vorteile klar sind, erweitert High-Speed Digital Imaging die Vorteile, Fähigkeiten und Use Cases für Machine Vision noch weiter. Dank ihrer hohen Auflösung, schnellen Bildraten und Streaming-Fähigkeiten ermöglichen High-Speed-Kameras Machine Vision in anspruchsvollen Anwendungen, die Echtzeitanalyse oder lange Aufzeichnungszeiten erfordern, wie Halbleiterfertigung, Space-Shuttle-Starts, Schieneninspektion und mehr. Aus diesen Gründen erfassen High-Speed-Machine-Vision-Systeme, was traditionelle Vision-Systeme nicht können, und werfen Licht auf Prozesse, die zu klein oder zu schnell sind, um mit dem menschlichen Auge gesehen zu werden.

Kernmerkmale von High-Speed-Machine-Vision-Kameras

High-Speed-Machine-Vision-Kameras unterscheiden sich in mehreren Aspekten von traditionellen Machine-Vision-Kameras. Anstelle von COTS- oder CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device) integrieren High-Speed-Kameras custom-designed CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Wenn sie spezifisch für High-Speed-Anwendungen designed sind, liefern CMOS-Sensoren unübertroffene Geschwindigkeit und Sensitivität, was zu detaillierteren Inspektionen und höheren Yields in Machine-Vision-Anwendungen wie Defekterkennung, Teilevermessung und mehr führt. High-Speed-Machine-Vision-Kameras, die CMOS-Sensoren mit mehreren Megapixeln incorporieren, erreichen außergewöhnliche Bildqualität selbst bei herausfordernden Bildraten.

Wünschenswerte Features

High-Speed-Machine-Vision-Kameras gewinnen Boden in Life-Science-Anwendungen, Ballistiktests, 3D-Druck und mehr.

Es reicht nicht, dass Machine-Vision-Kameras einfach schneller gehen; sie müssen designed sein, um damit umzugehen. Zusätzlich zu schnellen Bildraten über 67.000 fps sind folgende Features wichtig, beim Auswählen von High-Speed-Kameras für Machine-Vision-Anwendungen im Blick zu behalten:

Auflösung: Phantom-Machine-Vision-Kameras incorporieren CMOS-Sensoren bis zu 9 Megapixel. Diese Multi-Megapixel-Sensoren – gekoppelt mit den kleinen Pixelgrößen der Kameras – liefern detailliertere Bilder bei schnellen Bildraten.

Lichtempfindlichkeit: Generell gilt: je kleiner die Pixelgröße, desto größer das Bilddetail – was besonders wichtig in Anwendungen mit Mikroskop ist. CMOS-Sensoren feature Pixelgrößen von bis zu 5,6 Mikrometer, resultierend in hohem nativen ISO. Als Resultat erreichen diese Kameras exzellente Bildqualität trotz der niedrigen Belichtungszeiten, die für High-Speed-Machine-Vision-Anwendungen notwendig sind.

Belichtungszeit: Phantom-Kameras haben Belichtungszeiten von bis zu 1 Mikrosekunde. Diese Fähigkeit – zusammen mit hoher Lichtempfindlichkeit und kleinen Pixelgrößen – friert High-Speed-Bewegung ausreichend ein während Motion Blur eliminiert wird.

Dynamikumfang: Dynamikumfang kommt ins Spiel, wenn ein Bild viele Schattierungen hat oder ein Objekt fast die gleiche Farbe wie sein Hintergrund hat. Je höher der Dynamikumfang einer Kamera, desto mehr Schattierungsdefinition kann der Sensor detektieren. Phantom-Machine-Vision-Kameras haben einen Dynamikumfang zwischen 54,8 und 59,7 Dezibel, was sie für dunklere Anwendungen wie Halbleiterinspektion geeignet macht.

Zusätzlich zu hochcustomisierten Sensoren nutzen High-Speed-Machine-Vision-Kameras Kupfer-CoaxPress-(CXP)-Kabeltechnologie, was ihnen ermöglicht, riesige Datenmengen an kompatible, industrie-standard Backend-Frame-Grabbers in Echtzeit zu übertragen. Diese Fähigkeit, Daten instantan zu streamen, vermeidet den zeitaufwändigen Prozess, Daten im begrenzten RAM der Kamera zu speichern, bevor sie auf einen Computer heruntergeladen werden. Gekoppelt mit Off-the-shelf-DVR-Einheiten unterstützen diese Streaming-Kameras auch längere Aufzeichnungsanwendungen in der Luftfahrt, wie Raketendynamik, Flugzeuodynamik und Ballistik, um nur einige zu nennen.

Das CXP6-Protokoll ist aktuell der schnellste Standard-Datentransfer. Jedes Kupferkabel erreicht Datentransferraten von 6,25 Gigabit pro Sekunde von der Kamera zum Backend-Empfänger. Der neuere CXP12-Standard verdoppelt diese Rate, was sowohl CXP6 als auch CXP12 ideal für Kameras mit hohem Durchsatz macht.

Dank ihrer Lichtempfindlichkeit und schnellen Bildraten sind hochwertige Streaming-Kameras ideal für Halbleiterinspektion.

Während die meisten Machine-Vision-Kameras bis zu 2 Gigapixel pro Sekunde Datendurchsatz bieten, erreichen die weltweit schnellsten Streaming-Kameras direkte Datentransfergeschwindigkeiten von bis zu 9 Gigapixel pro Sekunde. Diese Kameras teilen und übertragen Bilder zeilenweise, dann nähen sie jedes Bild mit einem einfachen Algorithmus wieder zusammen – was höhere Bildraten und Auflösungen möglich macht. Durch Vertrauen auf GenICam, eine generische Programmierschnittstelle, erleichtern diese Kameras auch Konfiguration und Integration in existierende Systeme.

Real-Time vs. Long-Record Konfigurationen

Die Backend-Konfiguration in High-Speed-Machine-Vision-Systemen hängt von einer Anzahl Variablen ab, einschließlich erforderlicher Bildrate, Auflösung und Aufzeichnungszeit. Für Echtzeitanalyse können Nutzer bis zu 16 Standard-CXP6-Kanäle auf der Streaming-Kamera nutzen. Während CXP6-Kabel Kommunikation bis 68 Meter ermöglichen, erreichen Glasfaseranschlüsse längere Distanzen bis 200 Kilometer. Nutzer können auch die General-Purpose-Input/Output (GPIO) der Kamera für schnelles, flexibles Signaling und Synchronisation nutzen.

Weitere Hardware- und Softwarekomponenten umfassen:

• Applikationsspezifischer Frame Grabber und CXP6 Frame Grabber Card
• Software, einschließlich Frame Grabber API, Matlab®, LABVIEW oder beliebige Postprocessing-Vision-Tools
• Bildverarbeitungshardware, typischerweise GPU-Mikroprozessor oder FPGA
• Computer mit PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3 Slots

Während die meisten High-Speed-Anwendungen in hunderten Millisekunden stattfinden, können Machine-Vision-Anwendungen längere Aufzeichnungszeiten erfordern – mehrere Minuten bis eine halbe Stunde, zum Beispiel – um Events wie Space-Shuttle-Starts zu akkommodieren. Um die Speicherherausforderungen solcher großen Datenmengen zu überwinden, können High-Speed-Machine-Vision-Kameras Daten direkt an eine DVR-Einheit streamen, die multiple Terabytes Speicherplatz bietet. Dieses Plug-and-Play-Setup lässt Nutzer eingehende Daten für spätere Analyse einfach speichern.

Traditionelle Machine-Vision-Anwendungen erweitern

Dank High-Speed-Machine-Vision-Kameras können Hersteller Imaging mit höherer Auflösung und Aufzeichnungsgenauigkeit erreichen. Diese Features erhöhen Liniengeschwindigkeiten und Produktionsvolumina, verringern Engpässe und reduzieren Kosten pro Einheit. Gleichzeitig können diese Streaming-Kameras Nanometer-skalige Targets erfassen, die sonst schwer zu sehen – geschweige denn zu analysieren – mit traditionellen Machine-Vision-Kameras sind, und transformieren Machine Vision von einem Prozesskontrolltool zu einem Diagnosetool. Als Resultat gewinnt Machine Vision an Traktion in Branchen wie Life Sciences, Halbleiterfertigung, Pharmazeutika und mehr.

Einige der neuesten Anwendungsbereiche für High-Speed-Machine-Vision umfassen:

Halbleiterinspektion: High-Speed-Machine-Vision-Kameras spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Halbleiterfertigung, einer von Durchsatz getriebenen Industrie. Speziell identifizieren und flaggen sie Teilefehler so schnell wie sie auftreten, senken fehlerbedingte Kosten und Downtime, verbessern Durchsatz und halten Inspektionszeiten minimal.

Hochwertige Machine-Vision-Kameras schlagen die notwendige Balance zwischen Lichtempfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und schnellen Bildraten, die von Halbleiteranwendungen gefordert werden, die typischerweise Submikron-Größenskalen involvieren. Bei voller 4.096 × 2.304 Auflösung features die Phantom S990 Streaming-Kamera zum Beispiel 6,75-µm Pixelgrößen, 9,6e- Rauschen und 938-fps Aufzeichnungsgeschwindigkeiten, generierend hochqualitative Bilder, die der Imaging-Software erlauben, subtile Variationen zwischen Hell- und Dunkelbereichen, die einen Defekt anzeigen, zu detektieren.

High-Speed-Spektrometer: Genutzt in vielen Food-&-Beverage-, Pharmazeutika- und Agraranwendungen, diffraktieren High-Speed-Spektrometer weißes Licht in verschiedene Wellenlängen, um ein Absorptionsspektrum zu erstellen, was Detektion bestimmter Materialien möglich macht. Eine aufstrebende Anwendung für diesen Prozess involviert Verifizierung der chemischen Zusammensetzung pharmazeutischer Tabletten mittels High-Speed-Machine-Vision-Kameras. Die Kameras zeichnen Tabletten auf, während sie sich entlang eines Förderbands bewegen. Dann, basierend auf dem diffraktierten, absorbierten und transmittierten Licht, das die Linse erreicht, kann die Kamera defekte Tabletten flaggen, während die Produktionslinien laufen.

Dank ihrer schnellen Aufzeichnungsgeschwindigkeiten und Lichtempfindlichkeit sind High-Speed-Streaming-Kameras ideal für diese aufstrebende Anwendung. Zusätzlich zur Bereitstellung einer berührungslosen Inspektionsmethode können diese Kameras Dutzende Tabletten innerhalb desselben Sichtfelds gleichzeitig inspizieren, was Durchsatz in kritischen Pharma-Operationen verbessert.

Streaming-Kamera-Features

In Machine-Vision-Streaming-Anwendungen fließen Bilddaten direkt an einen Frame Grabber und PC oder Long-Record DVR via CXP-Kabeltechnologie. Nutzer können sofort auf diese Daten zugreifen, entweder für Echtzeitanwendung oder Long Record, und sind nur durch den Speicherplatz im PC oder DVR limitiert.

• Weitere Features von High-Speed-Streaming-Kameras umfassen:
• Konfigurierbare Bit-Tiefe – 8-/12-bit, 8-/10-bit
• Angetrieben durch CXP6-Technologie für einige Streamer, die weniger als 27 Volt verbrauchen
• GenICam-Compliance für einfache Integration
• Kompatibilität mit PCIe3 CXP6 Frame Grabbern
• GPIO bietet Common- und Advanced-Signaling-Features
• Skalierbarer Datentransfer für reduzierte Datenbedürfnisse

Schieneninspektion: High-Speed-Machine-Vision-Kameras haben das Potenzial, zu verändern, wie Schienensysteme inspiziert werden. Im Gegensatz zu traditionellen Machine-Vision-Kameras, die wertvolle Zeit im Jahr durch Regen, Schnee oder Staubstürme verlieren, bieten Streaming-Kameras die hohe Bildrate, Auflösung und Lichtempfindlichkeit, notwendig, um durch schwierige Wetterbedingungen zu sehen. Im Gegensatz zu den meisten Kameras handhaben sie auch Weißlicht ohne zusätzliche Linsenfilter.

Weitere aufstrebende Anwendungsbereiche für Streaming-Kameras umfassen Life Sciences, wie Zelldiagnostik; Fläschchenidentifikation und Hämolyse; Ballistiktests; Laserschweißen; und 3D-Druck.

Dieser Artikel wurde von Uma Gobena, Vision Application Engineer, Vision Research (Wayne, NJ) verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.