Das müssen Bildsensoren in der Industrie 4.0 leisten

Autor / Redakteur: Edwin Ringoot * / Michael Eckstein

Das zuverlässige Erkennen von Details in kurzer Zeit ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg zur modernen, vernetzten Fertigung. Bildsensoren dürfen dabei nicht selbst zum Engpass werden.

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Alternative zu CCD: 
Auf CMOS-Technologie basierende Bildsensoren ermöglichen den Aufbau kostengünstiger Bildverarbeitungssysteme.
Alternative zu CCD: 
Auf CMOS-Technologie basierende Bildsensoren ermöglichen den Aufbau kostengünstiger Bildverarbeitungssysteme.
(Bild: ON Semiconductor)

Neueste Trends und eine immer stärkere Vernetzung in der Fertigungsautomatisierung führen zu immer „intelligenteren Fabriken“ (Smart Factories) und ins Zeitalter der Industrie 4.0. Diese Entwicklungen erfordern auch kontinuierliche Verbesserungen bei den Bildverarbeitungssystemen. Um die zunehmende Automatisierung und Steuerung voranzutreiben, müssen jedoch auch die Komponenten für den Betrieb dieser Systeme – einschließlich der Bildsensoren für industrielle Bildverarbeitungskameras – weiterentwickelt werden, damit diese vernetzte Zukunft Wirklichkeit wird. Wie groß der Fortschritt in diesem Bereich mittlerweile ist, zeigen die Datenblätter der Bildsensoren. Die Entwicklungen lassen sich in wenige Hauptbereiche einteilen.

Höhere Auflösungen ermöglichen mehr Detailtiefe

In fast jeder Bildverarbeitungsanwendung gehen verbesserte Bilderfassungsfunktionen mit der Forderung nach einer höheren Auflösung einher. Mehr Pixel zum Erfassen eines Objekts sorgen dafür, dass dessen Eigenschaften besser dargestellt werden können. Bei Bildsensoren lässt sich diese Anforderung entweder durch kleinere Pixel (höhere Auflösung in einem vorgegebenen optischen Format) oder durch größere Bildsensoren bedienen. In der industriellen Bildverarbeitung ist es trotz der Forderung nach höheren Auflösungen jedoch weiterhin erforderlich, die vom Sensor verfügbare Bildrate beizubehalten oder sogar noch zu verbessern.

Mit der Auflösung wächst die Datenmenge, die vom Chip pro Sekunde erzeugt wird. Diese Datenmenge muss der Bildsensor auch verarbeiten und weiterleiten können, ohne selbst zum Flaschenhals zu werden. Daher ist eine möglichst hohe Auflösung nur eine Seite derselben Medaille. Ebenso wichtig ist eine ausreichende Bandbreite.

Rechnerschnittstellen wie USB 3.1 oder 10-Gigabit-Ethernet (10GigE) können Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen, daher kommt es darauf an, dass sich die über den Bildsensor verfügbare Bandbreite nicht als Datenengpass bei der Verarbeitung im Gesamtsystem herausstellt. Nur dann lässt sich die höhere Auflösung nutzen, ohne die Fertigungslinie zu verlangsamen.

Auch Kameras werden immer intelligenter

Ein wichtiger Faktor bei der Umsetzung von Industrie 4.0 ist eine zunehmende Embedded-Bildverarbeitung durch den Einsatz intelligenter Kameras in der Fertigung. Dazu müssen die Kameras jedoch kompakt sein, mit minimaler Leistungsaufnahme arbeiten und zu geringen Kosten erhältlich sein. Durch die Wahl eines zum Kameradesign passenden Bildsensors lassen sich diese Anforderungen erfüllen.

Eine Voraussetzung für den Aufbau kompakter Kameras sind Bildsensoren mit kleinen Pixeln. Darüber hinaus darf auch die für das Implementieren des Kameradesigns notwendige Elektronik nur wenig Platz beanspruchen. Durch Low-Voltage-Ausgänge am Bildsensor lässt sich der Stromverbrauch verringern, was den Einsatz stromsparender Bauelemente im gesamten Kameradesign ermöglicht. Durch die intelligente Gestaltung des Bildsensordesigns lassen sich also die Kosten nicht nur für den Bildsensor selbst, sondern auch für die gesamte Stückliste der Kamera besser kontrollieren.

CCD- oder CMOS-Sensoren? Die Anwendung entscheidet

Während einige industrielle Anwendungen die unverzichtbare Bildqualität und Bildgleichmäßigkeit erfordern, die nur CCD-Bildsensoren liefern, bauen heute viele industrielle Bildverarbeitungsanwendungen routinemäßig auf CMOS-Bildsensoren auf. Diese bieten umfangreiche Funktionen einschließlich der erforderlichen hohen Datenbandbreite. Für viele Anwendungen ist die Bildqualität der CMOS-Bildsensoren mehr als ausreichend. Es besteht aber immer noch die Möglichkeit zu weiteren Verbesserungen dieser Technik, um die gesamte Bildqualität zu erhöhen – insbesondere wenn es um die Einheitlichkeit des Bildes und verringerte Fehlpixel (FPN; Fixed Pattern Noise) geht.

Um diese Fortschritte zu realisieren, müssen Anbieter von Bildsensoren nicht nur auf Technologien setzen, die speziell für den industriellen Markt entwickelt wurden, sondern auch für angrenzende Märkte. Designs mit einem hohen Dynamikbereich (HDR), die zuerst für die Bildverarbeitung im Automotive- und Sicherheitsbereich entwickelt wurden, lassen sich an die industrielle Bildverarbeitung anpassen. Damit verbessert sich die Bildgebung in Situationen, in denen die Beleuchtung nicht gut gesteuert werden kann.

Global-Shutter-Architekturen (nicht nur) für Industrie 4.0

Architekturen mit kleineren Pixeln, die ursprünglich für Automotive- oder Consumer-Märkte entworfen wurden, können entweder direkt übernommen oder auf größere Formate skaliert werden, um eine höhere Pixel-„Full-Well“-Kapazität bereitzustellen. Diese Technologie kann in beide Richtungen arbeiten: Global-Shutter-Pixelarchitekturen, die für die industrielle Bildverarbeitung entwickelt wurden, können auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus finden sich auch neue Technologien wie 3D-TOF (Time of Flight), multispektrale und hyperspektrale Bildverarbeitung, da deren Bildverarbeitungsmöglichkeiten mit der erforderlichen höheren Datenverarbeitungsleistung einhergehen.

Alle diese Bildsensortrends – höhere Bandbreite, Unterstützung für Embedded-Bildverarbeitungssysteme, verbesserte Bildqualität/-homogenität sowie technologischer Durchbruch – lassen sich insgesamt mit „mehr Leistungsfähigkeit“ zusammenfassen. Dabei hat jeder Trend seinen eigenen, aber entscheidenden Einfluss auf die Integration in industrielle Bildverarbeitungssysteme und deren Anwendung in den Smart Factories. Mit zunehmender Automatisierung werden Bildsensoren eine wichtige Rolle spielen.

* Edwin Ringoot ist Strategic Marketing & Business Development Manager bei ON Semiconductor

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