Hoher Dynamikbereich (HDR)

Ist ein Bild zu dunkel oder zu hell, lassen sich Details und feine Nuancen nur schwer erkennen. Kameras mit einem hohen Dynamikbereich (HDR) können hier Abhilfe schaffen. Sie sind in der Lage, selbst bei erschwerten Lichtverhältnissen Objekte detailgenau zu erfassen. Geeignet sind solche Kameras insbesondere für Anwendungen mit extremen Beleuchtungsschwankungen oder sehr starken Punktlichtquellen in deren Umgebung Objekte erkannt werden sollen. Extreme Helligkeitsschwankungen sind beispielsweise von Fahrerassistenzsystemen oder von der Prozesskontrolle beim Laserschweissen bekannt.

Der Dynamikbereich einer Kamera wird durch das Verhältnis der maximalen und minimalen Intensität beschrieben, die eine Kamera erfassen kann. Die maximal detektierbare Intensität wird von der Full-Well Kapazität (FWC) bestimmt, die durch die vom Pixel vor der Sättigung maximal aufnehmbare Ladung definiert ist. Die mit einer Kamera minimal detektierbare Intensität wird durch verschiedene Rauschbeiträge begrenzt. Dabei muss zwischen elektronischem Rauschen und dem Rauschen des Lichtes unterschieden werden. Bei sehr geringen Intensitäten kann das Ausleserauschen und bei langen Integrationszeiten das Dunkelstromrauchen des verwendeten Bildsensors die Performance begrenzen. Neben dem Dynamikbereich ist das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) eine weitere wichtige Grösse für die Auslegung von Bildverarbeitungssystemen. Vor allem in der optischen Messtechnik ist ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis essenziell. Dies kann aufgrund der Natur des Lichtes nur mit Messungen bei hohen Intensitäten und mit Sensoren mit einer dementsprechend sehr hohen Full-Well Kapazität erreicht werden. Das SNR ist gleich der Wurzel aus der Full-Well Kapazität, wobei andere Rauschquellen vernachlässigt werden können. Die Performance von Kameras und Bildsensoren werden mit den in der EMVA1288 Norm definierten Messverfahren gemessen. In dieser Norm sind auch die wesentlichen Parameter definiert.

Um den Dynamikbereich einer Kamera zu erweitern und um detailgenaue Aufnahmen auch bei schwer kontrollierbaren Lichtverhältnissen zu erzielen, kommen verschiedene Verfahren zu Einsatz.

LinLog®-Technologie

Ein hardwareseitiger Ansatz zur Erweiterung des Dynamikbereichs ist die Photonfocus entwickelte LinLog-Technologie. Dabei ist die Dynamikerweiterung im Pixel realisiert. Der Entwicklung vorausgegangen war die Implementierung von CMOS Bildsensoren mit logarithmischer Kennlinie. Diese Sensoren haben in Bildverarbeitungssystemen drei wesentliche Nachteile: das Fehlen eines Global Shutters, das massive Nachleuchten und die Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangssignals. Mit der von Photonfocus entwickelten LinLog®-Technologie werden diese Nachteile durch eine kombinierte linear-logarithmische Sensorkennlinie (LinLog®-Kennlinie) überwunden, indem das integrierende Global Shutter Pixel mit dem logarithmischen Pixel über die Pixelsteuerung verknüpft wurde.

Im unteren Bereich der Kennlinie (schwache Beleuchtung) verhält sich der LinLog CMOS-Bildsensor linear. Hierdurch ergibt sich in diesem Bereich eine sehr gute Graustufenauflösung. Bei hohen Beleuchtungsstärken findet aufgrund der logarithmischen Charakteristik der Pixel eine Kompression statt, die eine Sättigung des Sensors verhindert. Der Beginn der logarithmischen Kompression sowie der Grad der Kompression kann mit Hilfe der LinLog®-Parameter eingestellt werden, wie die Abbildung einer typischen Kennlinienschar zeigt. Die Einstellungen der Arbeitspunkte des Pixels und des Sensors kann der Benutzer über Parameter in der Software vornehmen, so dass eine optimale Abstimmung der Kennlinie auf die jeweilige Anwendung möglich ist. Die Sensoren können mit vollständig linearer Kennlinie oder der LinLog Kennlinie betrieben werden. Neben der Kennliniensteuerung sind die Photonfocus Bildsensoren auch mit einer sehr hohen Full-Well Kapazität ausgestattet, was sie für Anwendungen in der optischen Messtechnik prädestiniert.


LinLog®-Kennlinie der CMOS-Kamera MV-D1024E bei unterschiedlichen LinLog®-Einstellungen

Die Photonfocus CMOS-Kameras bieten nicht nur den Vorteil eines grossen Dynamikbereichs, sondern es ist durch die geeignete Wahl des Auslesefensters (ROI, Region of Interest) möglich, die Auflösung und die Geschwindigkeit der Kamera optimal an die Prozesssteuerung anzupassen.

Die LinLog®-Kennlinie kann z.B. vorteilhaft bei kombinierten 2D-/3D-Inspektionsverfahren eingesetzt werden. Dabei wird die 2D-Inspektion, z.B. eine Oberflächeninspektion, im linearen Kennlinienbereich durchgeführt, während für die 3D-Inspektion mittels Lasertriangulation der logarithmische Teil der Sensorkennlinie genutzt wird. Durch die Ausnutzung der logarithmischen Kennlinie für die Triangulation kann man ein sehr stabiles 3D Verfahren etablieren, da grosse Unterschiede in der Reflektivität des zu untersuchenden Materials die Qualität des Triangulationsergebnisses nicht beeinflussen.
 

Standard CMOS-Kamera mit linearer Kennlinie (<60dB)	Photonfocus CMOS-Kamera mit LinLog® Kennlinie (120dB)

In der Abbildung (oben) ist ein Beispiel für eine kombinierte 2D-/3D-Inspektion bei der Qualitätskontrolle von Laserschweissnähten dargestellt. Die Struktur der Schweissnaht und des umgebenden Materials wird im linearen Bereich der Detektorkennlinie überprüft, während die Laserlinie für die Triangulation im logarithmischen Bereich erfasst wird. Hierdurch ist die Sichtbarkeit der Laserlinie sowohl stark reflektierender wie auch in schwächer reflektierenden Bereichen der Schweissnaht möglich.

Photonfocus bietet eine grosse Auswahl verschiedener Kamera mit LinLog-Technologie an. Finden Sie hier die passende Kamera für Ihre Anwendung.

Multislope Verfahren

Ein artverwandtes Verfahren zur Erzeugung einer nichtlinearen Kennlinie ist das Multislope Verfahren. Bei diesem Verfahren wird durch mehrere unvollständige Resets während des Belichtens eines Bildes eine Sättigung verhindert. Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass sich das Reset-Rauschen aufaddiert, was im Vergleich zur LinLog-Technologie zu einer höheren Bildverschlechterung führt.

Photonfocus bietet eine grosse Vielfalt an CMOSIS und On Semicunductor Kameras an, welche das Multislope Verfahren unterstützen.

Mehrfachbelichtungen

Ein weiteres weitverbreitetes Verfahren ist die Vergrösserung des Dynamikbereiches durch Zusammenführen von Bildinformation unterschiedlich belichteter Bilder. In Smartphones werden zur Bildsynthese mehrere Bilder einer Belichtungsreihe ausgenutzt. In der industriellen Bildverarbeitung ist dieses Verfahren meist auf 2 Bilder beschränkt, da oft hohe Bildraten in dem Bildverarbeitungssystemen benötigt werden.

Zum einen können mit Hilfe von Sequenzern wechselweise Bilder mit kurzer und langer Belichtungszeit aufgenommen und verrechnet werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil einer hohen Ortsauflösung, bei schnellen Prozessen aber das Problem der Bewegungsunschärfe. Zum anderen können Bildsensoren mit verkämmten Belichtungszeitsteuerungen für Zeilen oder Spalten konstruiert werden, die die gleichzeitige Aufnahme von Bildern mit kurzer und langer Belichtungszeit zugunsten einer reduzierten Ortsauflösung erlauben. Der Anwender hat bei der Auslegung des Bildverarbeitungssystems damit die Wahl zwischen niedriger Bewegungsunschärfe oder hoher Ortsauflösung.

Photonfocus Bildsensoren können in beiden Betriebsmodi betrieben werden. Ein Beispiel einer Bildrekonstruktion aus Bildern mit verkämmten Zeilen unterschiedlicher Belichtungszeiten zeigen die folgenden Abbildungen.
 

Kurze Belichtung	Lange Belichtung

	Prozessiertes HDR Bild

Erfahren Sie mehr über die Photonfocus Kameras mit welchen Mehrfachbelichtungen möglich sind.

2 Ausleseknoten im Pixel

In den Pixeln und der Sensorarchitektur von ultra-low light Sensoren (sCMOS Sensoren) sind Baugruppen implementiert, die das Auslesen der Pixelinformationen bei unterschiedlichen internen Verstärkungsfaktoren gestatten. Aus diesen Informationen können ebenfalls Bilder hoher Dynamik gewonnen werden.

Finden Sie hier weitere Informationen zu unseren ultra-low light Kameras.

Non-Destructive Readout

Von wissenschaftlichen Applikationen ist die Steigerung des Dynamikbereichs mittels Mehrfachauslesens des Bildes (Non-Destructive Readout (NDRO)) während der Belichtungszeit bekannt. Standard CMOS Bildsensoren unterstützen in der Regel diese Betriebsart nicht, da die Ansteuerungen der Pixelmatrix nach einem Auslesevorgang automatisch einen Reset der Pixel durchführt. Durch die äusserst flexible Ansteuerung in den Photonfocus Bildsensoren kann diese Betriebsart implementiert werden. Weitere Information können auf Anfrage zur Verfügung gestellt. Kontaktieren Sie uns über info(at)photonfocus.com.