Der Siegeszug der CMOS-Sensoren in Kameras für Industrieanwendungen ist ungebrochen und zeigt sich in zahlreichen Modellen bei allen wichtigen Herstellern: CMOS-Sensoren von Aptina, CMOSIS, e2v, ON Semi und inzwischen auch von Sony finden sich in allen Portfolios.

A ufgrund ihrer herausragenden Balance aus Empfindlichkeit, Bildqualität, Auslese­geschwindigkeit, Leistungsaufnahme, Einfachheit der Integration und Preis basieren mittlerweile fast alle Sensor-Neuentwicklungen für Industriekameras auf CMOS-Technologie. Dieser Trend ist seit einigen Jahren auch bei Zeilenkameras sichtbar, neue Kameras mit CCD-Sensoren kommen kaum noch auf den Markt.
Ein großer Schritt für e2v, eine Firma mit jahrelanger Erfahrung in CCD- und CMOS-Sensordesign und -Fertigung, war das iCMOS-Projekt, das 2010 startete. An dessen Ende stand ein überdurchschnittlich leistungsstarker CMOS-Multi-Line-Sensor in monochrom und Farbe. Dieser Sensor, dessen Design weiter optimiert wird, ist heute in den ELiiXA+ Zeilenkameras in 8 k und 16 k Auflösung mit bis zu 100 kHz Zeilenrate zu finden. Mit diesen Leistungsdaten haben diese Zeilenkameras weltweit großen Erfolg in komplexen Applikationen, z. B. bei der Inspektion technischer Folien oder Gläser, in der Halbleiterproduktion, der LCD-Inspektion und anderen High-End-Anwendungen.
Zeilenkamera-Anwendungen, die in höheren Stückzahlen umgesetzt werden, kommen meist aus Bereichen wie Lebensmittel, Paket- und Postsortierung, Druck- und Label-Inspektion, Papierproduktion und Ähnliches. Dort herrschen zwar meist geringere Anforderungen an die physikalische Pixelauflösung, die Zeilengeschwindigkeiten müssen hier aber auch kontinuierlich gesteigert werden, um mit den verbesserten Produktionsprozessen mithalten zu können. Gleichzeitig stehen diese Anwendungen häufig unter großem Kostendruck. Um in diesen hochvolumigen, preissensitiven Bereichen heutige Inspektionslösungen einen großen Schritt weiterzubringen, stellt e2v auf der Vision 2014 in Stuttgart nun eine vollständig neu entwickelte Kameraserie auf Basis der iCMOS Sensoren vor: UNiiQA+, Zeilenkameras in monochrom und Farbe. Sie wurden mit speziellem Fokus auf Kosteneinsparungen und Geschwindigkeitsvorteile im mittleren Auflösungsbereich entwickelt.

Ein breites Spektrum
Die UNiiQA+ Zeilenkameraserie gibt es in monochrom und Farbe. Das Sensordesign entspricht demjenigen der ELiiXA+ Kameras, ist allerdings anstelle von vier gleichzeitig aktiven Zeilen auf ein einzeiliges (monochrom) bzw. zweizeiliges (color) Design reduziert worden (Abb. 1). Die UNiiQA+ Essential und UNiiQA+ High-Speed decken die Auflösungen 512, 1.024 und 2.048 mit 10 µm Pixelgröße sowie 4.096 mit 5 µm Pixelgröße ab. Für die Auflösungen bis 2.048 Pixel entsprechen die 10 µm Pixel der Größe, die bei der CCD Vorgängertechnologie häufig im Einsatz war. So kann in diesen Anwendungen das optische Setup ganz oder weitgehend unverändert (sofern man von 14 µm Pixelgröße kommt) gelassen werden. Bei den 4 k Sensoren mit 5 µm Pixelgröße kann sogar noch eine kompakte C-Mount Optik mit großem Bildkreis eingesetzt werden, was zu geringen Gesamtsystemkosten beiträgt. Die bis zu 40 kHz (Essential) bzw. 100 kHz (High-Speed) Zeilenraten der Kameras verdoppeln bzw. verdreifachen in etwa die Maximalgeschwindigkeit heutiger CCD-Zeilenkameras. Das bedeutet Zukunftssicherheit auch für künftige Produktgenerationen.
Der CMOS Sensor spielt seine Vorteile bei den Geschwindigkeiten bis 100 kHz voll aus: mit 100 % Fill-Faktor, einer hohen Empfindlichkeit bis hinein in den Nah-Infrarot Bereich, einem Signal/Noise Verhältnis von 68 dB und herausragender Linearität liefert er klare, kontrastreiche und rauscharme Bilder (Abb. 2 u. Abb. 3).
Aufgrund des hochintegrierten CMOS-Designs geben sich alle UNiiQA+ Kameras äußerst genügsam. Mit nur 150 g Gewicht und Abmessungen von 60 x 60 mm sind sie sehr kompakt, die Leistungsaufnahme beträgt gerade einmal 3,5 W. Aufgrund der geringen Verlustleistung kann die Kamera bei Umgebungstemperaturen von bis zu 55°C betrieben und mit Power-over-Camera-Link (PoCL) versorgt werden.
Camera Link (Base oder Medium/Full) ist aufgrund der Stabilität, Transferleistung und Kontrollierbarkeit nach wie vor das weitverbreitetste Interface für Zeilenkameranwendungen. Die Datenraten von bis zu 400 MB/Sekunde der UNiiQA+ Serie übersteigen die Transferleistung von GigE Vision deutlich. Daher werden bereits in 2015 Modelle mit dem Framegrabber-losem Interface USB3 Vision folgen.

Keep it simple - Eine für alles
Auch die Modellpolitik für die ­UNiiQA+ zielt auf eine einfache, simple und damit ­kostengünstige Logistik ab: Lager­haltung, Forecasting und die Ersatzteilthematik werden stark vereinfacht, da es für ­diese ­Kamera in jeder Familie (Farbe/Monchrom, Essential oder High-Speed) neben den Modellen für die einzelnen Auflösungen eine All-In-One-Variante gibt: die UNiiQA+ Versatile Kamera kann per Software in 4.096, 2.048, 1.024 und 512 Pixel Auflösung konfiguriert werden, ohne dass Einschränkungen bezüglich der Auslesegeschwindigkeit gemacht werden müssen und ohne dass mehr Daten als benötigt von der Kamera transferiert werden. Damit deckt erstmals eine einzige Kamera ein so vielfältiges Spektrum an Anwendungen ab. Das ist ein großer Vorteil für die gesamte Logistik!

Investitionen sichern, ­Leistung steigern
Ein wichtiges Kriterium für alle industriellen Inspektionslösungen ist neben der reinen Kameratechnologie auch die Langzeitverfügbarkeit. Hier beweist e2v seit Jahrzehnten eine große Stärke: da e2v auch über den gesamten Sensor-Prozess (Design, Fertigung, Packaging) verfügt, ist ein vollständiges Lifecycle-Management garantiert. So werden heute noch M2-Kameramodelle geliefert, die im Jahr 2001 auf den Markt gebracht wurden. Diese Langzeitverfügbarkeit sichert die Investition in den Entwicklungsaufwand auf Kundenseite.
Mit der neuen Zeilenkameraserie bietet e2v eine innovative Technologie für ein großes Anwendungsspektrum in allen Branchen. Neben der Vielfalt an Auflösungen, der hohen Geschwindigkeit, der Wahlfreiheit für monochrome und farbige Sensoren, der robusten und kompakten Bauart bieten die Kameras ein attraktives Preis-/Leistungsverhältnis. Damit werden sie allen Anforderungen gerecht und tragen dazu bei, heutige Inspektionslösungen technologisch weiterzuentwickeln und erfolgreich zu vermarkten.