Spektrale Empfindlichkeiten von Zeilenkamera-Sensoren
Wie bei den Flächenkameras gibt es auch bei den Zeilenkameras vergleichbare Kameratechnologien zur Erfassung verschiedener Spektralbereiche.
Monochrome Zeilenkameras sind spezialisierte Kameras, die nur Grauwertbilder erfassen und in der Regel zwischen 400-1000 nm empfindlich sind.
Farbzeilenkameras erzeugen Informationen im sichtbaren Bereich zwischen 400-700nm. Wie die Monochromsensoren handelt es sich bei Farbzeilenkameras heute ausschließlich um CMOS-basierte Sensortechnik. Flat Panel Inspection (Displaykontrolle), und hochwertige Druckbildprüfungen benötigen hohe Auflösungen bei gleichzeitig hoher Zeilenfrequenz der Kamera.
InGaAs-basierte Zeilensensoren sind spezialisierte Sensoren, die für die Erfassung von Bildern im nahen Infrarotbereich (NIR) zwischen 900 und 1700 nm entwickelt wurden. Anwendungsgebiete sind z.B. spezielle biomedizinsche Anwendungen, Wafer- und Solarinspektionen oder die Inspektion und Erkennung von Anomalien im Hochtemperaturbereich.
Physikalische Eigenschaften von Zeilenkamera-Sensoren und Anschluss-Mounts
Typische Sensorauflösungen für die Bildaufnahme sind 1K, 2K, 4K, 8K, 12K und 16K. Die Pixelgrößen auf dem Sensor reichen von 5 x 5µm, 7 x 7µm, 10µm x 10µm bis 14 x 14µm. Wenn möglich, sollte die Kamera möglichst große Pixel haben. So hat ein 5 µm großes Pixel eine lichtaktive Fläche von 25 µm2, ein 14 mm großes Pixel aber 196 mm2, also etwa die 8-fache Fläche und damit die 8-fache Lichtempfindlichkeit. Da die Bildaufnahmezeit der einzelnen Zeilen oft nur wenige µs beträgt, ist die Lichtempfindlichkeit für Zeilenkameras besonders wichtig.
Ab einer Auflösung von 2048 Bildpunkten hat der Sensor mit 14 µm großen Pixeln eine Zeilenlänge von ca. 29 mm: Der bei industriellen Flächenkameras häufig verwendete C-Mount-Anschluss kann nicht mehr verwendet werden. Ab einer Zeilenlänge von mehr als 20 mm haben die Kameras einen M42-Anschluss oder ein Nikon-Bajonett, auch F-Mount-Anschluss genannt.
Bei Zeilenlängen von 8K oder 12K Auflösung werden zunehmend wieder kleinere Pixelgrößen von z.B. 7µm verwendet, da sonst der Sensor mit einer Optik mit M42 oder F-Mount-Anschluss nicht mehr belichtet werden könnte. Der nächste Standard wären Optiken für Mittelformatkameras, die extrem teuer wären. Um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen, werden auch Sensoren mit zwei oder mehr Zeilen statt einer Zeile eingesetzt, die dann das Signal mehrerer Zeilen vertikal zusammenfassen können, ohne dass die physikalische Auflösung wie beim horizontalen Binning verloren geht. In den neuesten Generationen von Zeilenkameras werden auch vier Sensorzeilen miteinander verrechnet.
Monochrome Zeilensensoren
Die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit ist die Verwendung einer einzelnen Sensorzeile (Single Line), die zur Bilderzeugung völlig ausreicht.
Zeilenkameraanwendungen werden jedoch häufig bei hohen Bahngeschwindigkeiten eingesetzt, bei denen nicht genügend Licht zur Belichtung der Pixel zur Verfügung steht. Dual-Line- oder Quad-Line-Zeilensensoren nehmen jeweils vier Sensorzeilen gleichzeitig auf, die Helligkeitsinformationen werden jedoch entsprechend gepuffert und zeitversetzt zur richtigen "virtuellen Einzelzeile" aufsummiert. Das Ergebnis ist ein doppelt oder vierfach helleres Bild.
Bei TDI-Zeilenkameras (Time delay integration) werden die Zeilen nicht mehr einzeln belichtet, sondern in größeren Blöcken (Stages), die das Objekt während der Belichtung durchläuft. Die Stages werden jedoch nicht als einzelne Zeilen getriggert, sondern als gesamter Bildblock aufgenommen. Daher ist es unbedingt erforderlich, dass die Objektbewegung und die Integration der Stages auf dem Sensor absolut synchron erfolgen. Dies funktioniert zwar nur bei flachen Objekten, nimmt das Objekt dann aber auch aus verschiedenen optischen Perspektiven auf, so dass Reflexionen auf dem Objekt ausgemittelt werden. TDI-Sensoren sind um ein Vielfaches lichtempfindlicher als Single- oder Dual-Line-Sensoren.
Single Line, Dual Line,
Quad Line und TDI-Sensoren
Doppelzeile / Dual Line Farbsensor
Aus Gründen der Auflösung von Single-Line RGB-Sensoren wurde das Single-Line Prinzip für diesen Sensortyp modifiziert. Dazu wird ein Dual-Line-Sensor verwendet, der über eine rein grünempfindliche Zeile verfügt, die andere Zeile ist alternierend 1-Chip-Farbkamera mit einem Farbfiltermosaik mit Rot und Blau versehen.
Dadurch kann vor allem die Lichtempfindlichkeit der Kamera weiter erhöht werden, während der Aufbau des Sensors einfach bleibt. Die Nachteile dieser Technik sind vergleichbar mit denen der Einzelzeile bei insgesamt besserer Auflösung und Empfindlichkeit.
Dual Line Farbe
Trilineare Zeile / quadlinearer Zeilensensor
Auf einem einzigen Sensor sind drei Zeilen untereinander angeordnet, die jeweils für Rot, Grün und Blau empfindlich sind. Die Farbzeilenkamera hat nun die maximale Empfindlichkeit bei voller Auflösung und liefert sehr schöne Farbbilder.
Ein kleiner Nachteil dieser Technik ist der Abstand zwischen den einzelnen Zeilen. Dieser beträgt bei hochwertigen Kameras die ein- bis dreifache Pixelgröße. Dies kann sich bei der Bildaufnahme störend auswirken, wenn die Bewegung des Bandes nicht linear ist, da die Zeilen zeitversetzt aufgenommen werden, um den Zeilenabstand zu kompensieren. Kantenartefakte sind möglich.
Quadratlineare Sensoren sind ebenfalls üblich. Neben den drei Linien für Rot, Grün und Blau gibt es eine weitere Linie, die im Infrarotbereich empfindlich ist.
Tripple Line & Quad Line
3CMOS- oder 4CMOS Zeilen mit Prisma
Ein integrierter Strahlteiler mit Dreifachprisma verteilt das einfallende Licht auf drei räumlich getrennte Einzelsensoren, die entweder rotes, grünes oder blaues Licht empfangen.
Die Vorteile dieser Technik sind qualitativ hochwertige Farbbilder bei voller physikalischer Auflösung, da die Sensoren unterschiedlich lang belichtet und korrigiert werden können. Wichtig sind dabei geringe Fertigungstoleranzen und eine exakte Ausrichtung der Prismen und Sensoren zueinander, um das Bild auf drei Sensoren subpixelgenau abzubilden. Auch nichtlineare Bewegungen können mit dieser Technik erfasst werden, da die Erfassung der Sensoren simultan erfolgt.
Nachteilig sind das große Bauvolumen der Kamera und die höheren Herstellungskosten.
Prismenbasierte Zeilenkameras
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