Die Implementierung von Zeilensensoren mit CMOS-Sensoren hat gegenüber CCDs zu Sensorprodukten geführt, die mit einer Vielzahl von Betriebsarten und sehr hohen Ausleseraten aufwarten. Durch eine geeignete Kombination der Sensormodi kann zwar eine optimale Bilderfassung für die nachfolgende Bildauswertung erreicht werden. Mit solch leistungsstarken Zeilensensoren ist aber die Umsetzung aller Kundenanforderungen in eine Kamera sehr anspruchsvoll und birgt das Risiko, dass das Endprodukt nicht den Marktbedürfnissen entspricht. Daher wurde bei Photonfocus für die Produktentwicklung ein Plattformansatz gewählt, um kostenoptimierte kundenspezifische Lösungen zeitnah realisieren zu können.
Auslesen von 400.000 Linien/s mit 200kHz
Photonfocus hat sich mit dem GL0816 Sensor von GPixel für einen 8K Zeilensensor entschieden, der sich durch eine hohe Dynamik und geringes Bildrauschen auch bei hohen Frameraten auszeichnet. Die Kamera ist sowohl mit der monochromen Version als auch mit dem Farb-Sensor (RGBW 4-Band) erhältlich. Der Sensor basiert auf einem quadratischen 5µm Global Shutter Pixel und besitzt eine Auflösung von 8.322 Pixel und 16 Zeilen. Diese haben einen 5µm Abstand und können im Zweizeilen-, Vierzeilen- oder Achtzeilenmode mit On-Chip TDI (time delayed integration) ausgelesen werden. Eine maximale Zeilenausleserate von 200kHz für zwei Auslesekanäle wird durch die Sensorarchitektur ermöglicht, womit maximal 400.000 Linien pro Sekunde ausgelesen werden können. Diese Bandbreite kann mit Hilfe eines flexiblen Kanal-Multiplexers auf die auszulesenden Sensorbereiche verteilt werden, so dass z.B. vier Zeilen des Farbsensors mit je 100kHz ausgelesen werden können.
Zeilenunabhängige Belichtungssteuerung
Neben der hohen Flexibilität der Auslesestufe besticht der Sensor auch durch eine zeilenunabhängige Belichtungssteuerung. Damit sind auch bei hohen Zeilenraten unterschiedliche Beleuchtungen in schnellen Abfolgen möglich. Farbe, Durch-/Auflicht und Intensität können im sub-µs Bereich verstellt und so auch bei hohen Geschwindigkeiten von Zeile zu Zeile verändert werden. Die von Photonfocus entwickelte Zeilenkameraplattform ermöglicht dies durch die Kombination von CMOS-Bildsensor, leistungsfähigem FPGA und variantenreichen Systemschnittstellen. Kundenspezifische Lösungen können zeitnah auf bestehender Hardware umgesetzt werden. Die modulare Software-Architektur ermöglicht dabei eine effiziente Anpassung an kundenseitige Systemanforderungen. Insbesondere können bereits im FPGA Ressourcen genutzt werden, um ein Vorverarbeitung der Bilddaten durchzuführen. Als Kern der Kamerahardware wurde ein FPGA gewählt, dass zum einen die nötige Bandbreite zum Bildeinzug und eine flexible Ansteuerung des Bildsensors gewährleistet sowie für die Bilddatenvorverarbeitung in Echtzeit genutzt werden kann und zum anderen über schnelle serielle Transceiver verfügt, die die Implementierung einer CoaXPress (CXP) Schnittstelle mit vier Kanälen mit je 12Gbit (4×4-CXP12) gestattet. In Verbindung mit der Bilddatenvorverarbeitung und der damit einhergehenden Datenreduktion kann alternativ auch eine 10GigE Standardschnittstelle verwendet werden.
Kamera-Synchronisation
Die Synchronisation der Kamera mit dem Bahninspektionssystem wird durch eine robuste Drehgeberschnittstelle gewährleistet. Vier Industriestandards für die Drehgeberschnittstelle, u.a. RS422 und dHTL, können via Software durch den Benutzer konfiguriert werden, so dass eine Einbindung der Kamera ohne weitere externe Hardware möglich ist. Andere externe Geräte können via RS485 Schnittstelle angesteuert und ausgelesen werden. So können z.B. Prozessdaten in den Header der Bilddaten eingefügt werden und stehen für die spätere Datenanalyse zur Verfügung. Die in der Kamera integrierte Steuereinheit für Beleuchtungen ermöglicht die zeilensynchrone Steuerung von vier unabhängigen Zeilenbeleuchtungen. Dabei kann nicht nur zwischen verschiedenen Farbkanälen, Auflicht und Durchlicht umgeschaltet werden. Es können auch HDR-Verfahren durch Steuerung der Lichtintensität und der Beleuchtungszeit implementiert werden.