Häufig gestellte Fragen

Bei jeder Kamera, besonders bei Industriekameras, stellt sich die Frage nach dem passenden Objektiv für Einsatzort und Aufgabe. Die Wahl des richtigen Objektivs, um einen bestimmten Bildausschnitt heranzuzoomen und scharfzustellen, ist von großer Bedeutung. Angenommen, Sie verwenden eine hochprofessionelle Kamera mit sehr hoher Auflösung: Selbst dann kann der CCD kein gutes Bild erzeugen, wenn das Objektiv ihm kein geeignetes Licht liefert. Denn alles Licht, das den CCD erreicht, durchläuft das Objektiv. Ist das Objektiv ungeeignet, verändert es Eigenschaften, Brechung und Verhalten des hindurchtretenden Lichts – und der CCD erzeugt aus schlechtem Eingangssignal ein schlechtes Bild. Nach der Wahl eines qualitativ guten Objektivs folgt die Wahl des passenden Bildwinkels und der Schärfentiefe. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die richtige Brennweite. Die Brennweite eines Objektivs bestimmt den Bildwinkel: Je größer dieser Wert (in Millimetern), desto enger der Bildwinkel und desto größer erscheinen entfernte Objekte. Je kleiner er ist, desto weiter der Bildwinkel. Die Schärfentiefe wird vor allem durch Blendenzahl und Abbildungsmaßstab bestimmt; bei gleichem Abstand hat ein Teleobjektiv eine geringere Schärfentiefe als ein Weitwinkelobjektiv. Ein Weitwinkelobjektiv wählt man wegen seines großen Bildwinkels, ein TELE-Objektiv (lange Brennweite), um entfernte Objekte mit engem Sichtfeld zu betrachten. Jedes Objektiv besitzt eine Blende (Iris), die das durchtretende Licht regelt (in unterschiedlichen Umgebungen und zu unterschiedlichen Tageszeiten). Bei manchen Objektiven regelt sich die Blende automatisch (Auto-Iris). Kameras mit solchen Objektiven liefern zu jeder Tageszeit ein einwandfrei klares Bild. Bei anderen Objektiven müssen Sie die Blende von Hand einstellen (manuelle Iris). Kameras mit solchen Objektiven liefern nur bei der Lichtstärke, für die die Blende eingestellt wurde, ein scharfes, klares Bild. Ändert sich das Licht, weicht das Bild in gleichem Maße vom Normalzustand ab. Ein wichtiger Punkt bei der Kamerawahl ist das Sichtfeld. Es wird von zwei Faktoren bestimmt: der Brennweite (Focal length) und der Größe des Bildsensors (Image sensor). Die Brennweite ist der Abstand vom Brennpunkt des Objektivs zu dem Punkt, an dem das Licht in das Objektiv eintritt. Der Brennpunkt ist der Punkt, an dem sich alles in das Objektiv eintretende Licht bündelt. Je länger die Brennweite, desto enger das Sichtfeld. Am besten und schnellsten wählen Sie Brennpunkt und Brennweite mit einem der dafür verfügbaren Rechner (als Rechenschieber oder Computerprogramm).

Der Dynamikbereich ist eine der wichtigsten Kenngrößen für die Signalempfindlichkeit. Er ist definiert als das Verhältnis der maximalen Pixelkapazität in Elektronen zum RMS-Rauschen in Elektronen. Dieser Wert lässt sich auch in Dezibel (Basis 10) angeben. In der Praxis beschreibt dieses Verhältnis den Helligkeitsunterschied zwischen den dunkelsten und den hellsten Bildbereichen, die noch unterscheidbare Details zeigen. In manchen Bildern weisen einige dunkle oder helle Bereiche Details auf, andere dagegen keine erkennbaren Details oder Strukturen. Der Dynamikbereich eines Bildes gibt an, welchen Helligkeitsumfang das Bild umfasst – von den dunkelsten Bereichen mit Details bis zu den hellsten. Je größer dieser Umfang, desto größer der Dynamikbereich des Bildes. In einem solchen Bild zeigen mehr dunkle und helle Bereiche unterscheidbare Details. Der Dynamikbereich eines CCD (in dB, Dezibel) ergibt sich aus folgender Formel:

Dynamikbereich (dB) = 20·log(Signalspannung bei Sättigung ÷ RMS-Dunkelrauschspannung)

Für ein besseres Bild sollte der Dynamikbereich möglichst groß sein. Die Untergrenze des Dynamikbereichs eines Bildgebungssystems wird durch das Rauschen bestimmt. Die folgende Abbildung zeigt, wie sich der Dynamikbereich auf die Bildqualität auswirkt.

Beim Entwurf von CCD-Treiberschaltungen unterscheidet man zwei Arten von Rauschen: das Rauschen des CCD selbst und das Rauschen der CCD-Ausleseschaltung.

CCD-Rauschen

Dieses Rauschen entsteht im CCD-Sensor selbst und erscheint in dessen Ausgangssignal. Dazu gehören:

• Reset-Rauschen: eine Form des thermischen Rauschens, die mit dem Widerstand des Messknotens zusammenhängt (des Transistor-Gates, das die im CCD gesammelte Ladung in eine Spannung umwandelt).
• Schrotrauschen: Dieses Rauschen entsteht durch die zufällige Bewegung der Elektronen beim Eintreffen am Messknoten. Da das Schrotrauschen auf die inhärente, natürliche Bewegung der‌Elektronen zurückgeht, lässt es sich nicht beseitigen.
• Dunkelrauschen: Dieses Rauschen stammt von Elektronen, die durch Wärme im CCD erzeugt werden, und ist stets eine der größten Rauschquellen eines CCD. Dunkelstromquellen hängen stark von der Temperatur ab; am wirksamsten lässt sich dieses Rauschen daher durch Kühlung des CCD verringern. Wie stark der CCD gekühlt werden muss, hängt vor allem von der längsten gewünschten Integrationszeit und dem niedrigsten akzeptablen Signal-Rausch-Verhältnis ab.
• Rauschen durch Pixel-Ungleichförmigkeit: In der Praxis lässt sich kein CCD bauen, dessen Pixel alle exakt identisch sind. Quanteneffizienz, Verunreinigungen und Ladungsfallen sind nicht in jedem Pixel gleich. Daher erzeugen die Pixel selbst bei gleicher Lichtintensität und Belichtungszeit unterschiedliche Spannungen. Um diesen Unterschied zu korrigieren, nimmt man ein Bild einer perfekt kollimierten Lichtquelle mit gleichmäßiger Intensität auf und erstellt daraus eine Matrix der Pixelunterschiede. Zunächst wird von jedem Bild das Dunkelbild abgezogen, anschließend wird es durch diese Verstärkungsmatrix geteilt. Dieses Verfahren heißt Flat-Field-Korrektur (Flat Field).
• Rauschen durch Ungleichförmigkeit des Dunkelstroms: Alle Pixel erzeugen durch Wärme Elektronen des Dunkelrauschens. Da die Pixel jedoch nicht identisch sind, unterscheidet sich die Anzahl dieser Elektronen von Pixel zu Pixel. Zur Korrektur nimmt man mit dem CCD ein Bild in völliger Dunkelheit auf und zieht dieses Bild als Matrix von den aufgenommenen Bildern ab. Dieses Softwareverfahren heißt Dunkelbildabzug.

Rauschen der CCD-Ausleseschaltung

Neben dem CCD-Rauschen erzeugen naturgemäß auch die elektronischen und Treiberschaltungen außerhalb des CCD Rauschen, darunter:

• Weißes Rauschen: eine Form des thermischen Rauschens, verursacht durch die Widerstände am Ausgangsknoten des CCD. Am wirksamsten lässt es sich durch Senken der Temperatur verringern. Auch eine Erhöhung der Kapazität des CCD-Ausgangsknotens kann es reduzieren.
• Funkelrauschen (Flicker-Rauschen): Dieses Rauschen entsteht in digitalen Schaltungen, in denen Bauteile ständig ein- und ausschalten.
• Rauschen der Analog-Digital-Wandlung: In jedem digitalen System gehen bei der Quantisierung analoger Spannungen Informationen verloren. In der CCD-Ausleseschaltung ist diese Information die Ausgangsspannung des CCD, die Farbe bzw. Lichtintensität jedes CCD-Pixels wiedergibt. Der Verlust dieser Information führt zu Bildfehlern; man spricht vom ADC-Rauschen.

Integration Time: die Zeit, die zum Abtasten einer Zeile (Line) benötigt wird. Exposure Time: die tatsächliche Zeit, in der der CCD während der Abtastung einer Zeile belichtet wird. Exposure Control: Manche Zeilenkameras verfügen über einen Mechanismus, mit dem sich Belichtungszeiten erreichen lassen, die kürzer sind als die Abtastzeit einer Zeile. Dieser Mechanismus heißt elektronischer Verschluss.

Auf der Website finden Sie oberhalb der Modelltabelle die Pixeldaten des CCD, die maximale Zeilenrate und die effektive Länge. Diese Werte sind für alle Modelle dieser Kamera gleich, da alle denselben CCD verwenden. Die übrigen Parameter hängen von der Hardware des jeweiligen Modells ab und variieren von Modell zu Modell. So beträgt die Pixelgröße dieser Kamera bei allen Modellen 200X14 Mikrometer, die Auflösung jedes Pixels hängt jedoch von der Kamerahardware ab.

Die Brennweite hängt vom verwendeten Objektiv ab, und die Wahl des Objektivs wiederum vom Abstand zwischen Kamera und Objekt sowie von der Länge des Objekts. Da Sie das Objektiv selbst beistellen, besitzen unsere Kameras einen einstellbaren Mechanismus für den Abstand zwischen Objektiv und CCD, damit Sie die richtige Schärfe erreichen. Zur Berechnung des Objektivs klicken Sie auf den nebenstehenden Link. Objektivrechner

Bei Monochromkameras mit Analogausgang können Sie die Kamera anweisen, die Lichtintensität eines bestimmten Pixels an ihren Analogausgang zu geben. So können Sie über die Software beispielsweise die Lichtintensität von Pixel Nummer 1350 fortlaufend auf einem Oszilloskop beobachten. Die maximale Lichtintensität an diesem Pixel entspricht 4 Volt, die minimale null Volt. Bei Farbkameras mit Analogausgang können Sie die Kamera anweisen, die Rot-, Grün- oder Blauintensität eines bestimmten Pixels an den Analogausgang zu geben. So lässt sich etwa die Rotintensität von Pixel Nummer 1350 fortlaufend auf einem Oszilloskop beobachten. Die maximale Rotintensität an diesem Pixel entspricht 4 Volt, die minimale null Volt.

Das FOV, also das Sichtfeld (Field of View), hat nichts mit der Geschwindigkeit des Objekts zu tun. Die Auflösung in Bewegungsrichtung hängt von der Zeilenrate der Kamera ab. Angenommen, das Objekt verzerrt sich in X- und Y-Richtung nicht und hält seine Bewegungsrichtung exakt ein. Dann bestimmen zwei Größen die minimale Zeilenrate: die maximale Geschwindigkeit des Objekts und die minimal benötigte Abbildungsauflösung auf dem Objekt.

Beispiel 1: Berechnung der Auflösung über die Bandbreite (senkrecht zur Bewegungsrichtung)

Breite des Förderbands: 550 mm

Auflösung in Bewegungsrichtung: 0.3 mm pro Pixel

Benötigte Pixelzahl: Teilen Sie einfach die Bandbreite durch die Auflösung. Für die Aufnahme werden also mindestens 1833 Pixel benötigt. Übliche Auflösungen von Zeilenkameras sind 512, 1024, 2048, 2700, 3648, 4096, 8192, 10680 und 12288 Pixel. Die Mindestauflösung für diese Anwendung beträgt somit 2048 Pixel oder mehr. Mit einer 2048-Pixel-Kamera beträgt die Abbildungsauflösung 0.27 mm pro Pixel.

Beispiel 2: Berechnung der Zeilenfrequenz

Bei einer maximalen Objektgeschwindigkeit V, einem Sichtfeld FOV, einer Pixelbreite W und einer effektiven Sensorlänge S beträgt die minimale Zeilenauslesefrequenz FL:

FL= (V * S) / (W * FOV)

Mit anderen Worten: Welche Kundenanforderungen lassen sich bei den Kameras individuell umsetzen?

Das Hardwareprogramm (Firmware) unserer P-Modelle lässt sich an Kundenanforderungen anpassen. Wird beispielsweise ein bestimmter Filter zur Glättung der Pixeldaten benötigt o. Ä., ermöglicht das P-Modell dies für den Kunden. Fehlt der vorhandenen Hardware die nötige Fähigkeit, entwickeln wir neue Hardware, um die Anforderungen unserer Kunden zu erfüllen.

Dieser Quellcode ist im Wesentlichen ein Demoprogramm, mit dem Ihr Computer mit der Kamera kommuniziert. Ausländische Kamerahersteller stellen DLL-Dateien, eine API und den für die Kommunikation nötigen Befehlssatz bereit. Der Quellcode auf unserer Website bietet Kunden all dies an einem Ort. In der Demo-Software sendet der Anwender der Kamera den Befehl zum Starten des Datenstroms sowie Gain, Offset, Belichtungszeit und weitere Einstellungen. Die Kamera sendet der Software die Lichtintensität jedes Pixels von Pixel 1 bis Pixel N sowie Bildrate und Zeilenleserate in einem Frame.

Sie können die anderen Schnittstellen Ihres Computers nutzen, um Befehle an weitere Steuerungssysteme zu senden. Beispielsweise erhalten Sie die Kameradaten über USB. Nach der Verarbeitung dieser Daten können Sie den benötigten Befehl über Ethernet an andere Systeme senden. Soll ein bestimmter Befehl jedoch über denselben USB-Anschluss, an dem die Kamera hängt, an einen externen Aktor gehen, muss die Kamerahardware für Sie angepasst werden.

Lassen Sie uns das Konzept der Belichtungszeit an einem Beispiel erklären.

Angenommen, die CCD-Oberfläche ist bis auf einen einzigen 0.5 mm breiten Spalt vollständig abgedeckt, der in geringem Abstand senkrecht zum CCD angeordnet ist. Stellen Sie die Belichtungszeit auf 100 Mikrosekunden, erhalten Sie Bild Nummer 1. Bei 1 Millisekunde erhalten Sie Bild Nummer 2.

Belichtungszeit: 100 Mikrosekunden

Belichtungszeit: 1 Millisekunde

Wie die Abbildungen zeigen, werden umso mehr Pixel durch Licht benachbarter Pixel belichtet, je länger die Belichtungszeit ist. In beiden Bildern sind die CCD-Pixel in der Mitte des Spalts gesättigt (Blooming). Verkürzt man die Belichtungszeit, kommen diese Pixel aus der Sättigung heraus.

Die Belichtungszeit steht in umgekehrtem Verhältnis zur Zeilenrate: Je länger die Belichtungszeit, desto geringer die Rate, mit der Zeilen aus dem CCD gelesen werden. Bei wenig Licht sollten Sie die Belichtungszeit erhöhen, bei viel Licht verringern, damit der CCD nicht sättigt. Man kann also sagen, dass die elektronische Belichtungszeit dieser Kamera dieselbe Aufgabe erfüllt wie Blende oder mechanischer Verschluss bei anderen Kameras.

Der Unterschied zu Flächenkameras besteht darin, dass diese Kameras in einer gegebenen Belichtungszeit nur eine Zeile lesen, nicht eine 2D-Fläche. Bei Anwendungen, in denen sowohl Lichtquelle als auch Objekt feststehen, hängt die Belichtungszeit dieser Kameras daher davon ab, wie schnell sich die Lichtintensität ändert.

Dafür gibt es zwei Wege. Der erste besteht darin, mit einem Maßband zu messen und ein Motiv in zwei verschiedenen Abständen zum Objektiv zu fotografieren. Das klingt einfach, für ein brauchbares Ergebnis benötigen Sie jedoch sehr präzise Werkzeuge und einen sauberen Aufbau.
Kurz gesagt: Sie machen zwei Fotos eines Motivs. Anschließend berechnen Sie aus den Bildern den Abbildungsmaßstab; Sie können die Fotos beispielsweise in Photoshop ausmessen und das Verhältnis bestimmen. Dieses Verhältnis nennen wir m. Dann ermitteln Sie, wie weit das Motiv bewegt werden musste, um diesen Maßstab zu erzeugen, d. h. Sie messen den Abstand zwischen Motiv und Sensor zweimal. Diesen Wert nennen wir Δd. Die Brennweite ergibt sich schließlich einfach aus folgender Beziehung:

Diese Messung erfordert allerdings präzise Messwerkzeuge, denn ein Fehler von einem Zentimeter am Maßband kann Ihr Δd um bis zu 20 Millimeter verändern!

Der zweite Weg ist besser und sinnvoller. Fotografieren Sie ein Motiv mit zwei klar definierten Punkten im Unendlichen, mit Fokus auf unendlich. Kennen Sie den Winkelabstand dieser beiden Punkte (wir nennen ihn θ), gilt:

Den Abstand zwischen zwei Punkten in Photoshop zu messen, ist einfach. Der Wert muss lediglich dem exakten Abstand auf Ihrem Sensor entsprechen. Am einfachsten zählen Sie in Photoshop die Pixel zwischen den beiden Punkten (kennen Sie die Koordinaten der beiden Punkte, liefert die analytische Geometrie den Abstand ebenso leicht). Rechnen Sie diese Pixel dann anhand der Sensordaten in eine reale Länge um – etwa indem Sie die Sensorlänge durch die Pixelzahl entlang dieser Länge teilen, den Wert aus der Sensorfläche ableiten oder die vom Hersteller angegebene Pixelgröße verwenden; liegt diese in Mikrometern vor, rechnen Sie sie in Millimeter um usw.

Die Zahl 57.2957795 ist einfach 180 geteilt durch Pi und rechnet zwischen Grad und Bogenmaß um; übrig bleibt θ selbst. θ lässt sich einfach berechnen: Nehmen Sie das Bild mit Fokus auf unendlich auf (also aus 3 bis 5 Metern Entfernung), ist tan θ nahezu gleich θ. Es entspricht der halben Objektlänge geteilt durch den Abstand zwischen Objekt und Kamera.