Funktionsweise und Einsatz von Rolling Shutter CMOS-Kameras

Neuste CMOS Rolling Shutter Kameras, wie aus der Baumer CX-Serie mit Sony STARVIS Sensoren, zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit sowie geringes Rauschen aus und eignen sich ideal für Applikationen im industriellen Umfeld. Kombiniert mit hoher Sensorgeschwindigkeit, sind die Kameras in immer mehr Applikationen im Einsatz, die bisher Modellen mit Global Shutter Sensoren vorbehalten waren.

Vorteile gegenüber Global Shutter Kameras:

• Kompakte, einfache und kostengünstige Pixelarchitektur durch eingesparte Zwischenspeicher und reduzierte Auslese-Elektronik.
• Reduzierte Wärmeleistung und geringes Elektronikrauschen, da weniger Transistoren zum Einsatz kommen.
• Geringes zeitliches Rauschen durch das sofortige Auslesen der Ladungsinformationen.
• Verringerter Pixel Pitch ermöglicht hohe Auflösung pro Sensorfläche, so das bis 20 Megapixel im kompakten 29 × 29 mm Format mit sehr guten Preis-Leistungsverhältnis verfügbar sind.

Anwendungsbeispiele:

• Elektronik: Leiterplattenausrichtung und -inspektion, Identifikation (Code- und Textlesen)
• Robotik: Pick & Place Anwendungen
• Pharma: Codelesen und Multi-Code-Lesen von Produktkennzeichnungen
• Mikroskopie: Bildanalyse und -dokumentation

Rolling Shutter Effekt

Bewegt sich ein Objekt schneller als die Belichtungs- und Auslesezeit vom Sensor, kann die Aufnahme aufgrund der rollierenden Belichtung verzerrt sein – der so genannte Rolling Shutter Effekt entsteht.

Mit hohen Bildraten bis 100 Bilder/s minimieren aktuelle schnelle CMOS-Kameras mit Sony Starvis Rolling Shutter Sensoren diesen Effekt sichtbar und eröffnen damit eine Vielzahl von Anwendungen.

Rolling-Shutter-Effekt vermeiden

Einige Rolling Shutter Sensoren verfügen über eine spezielle Betriebsart: den sogenannten Global Reset Shutter. Dabei werden wie beim Global Shutter alle Pixel gleichzeitig belichtet, während der Auslesevorgang zeilenweise mit zeitlichem Versatz erfolgt. Dadurch wird jede Zeile des Sensors unterschiedlich lang belichtet und im aufgenommenen Bild ein Helligkeitsverlauf erzeugt. Auch mögliche Verzerrungen durch den Rolling Shutter Effekt sind weiterhin sichtbar. Eine stabile Bildauswertung kann so erschwert werden.
Kombiniert man jedoch die Betriebsart Global Reset Shutter mit Blitzbeleuchtung und Fremdlichtabschattung, kann der Rolling-Shutter-Effekt vermieden werden. Dominiert das Blitzlicht die Belichtung und ist sonstiges Fremdlicht unterdrückt, erhalten alle Pixel die gleiche Lichtmenge. Das folgende zeilenweise Auslesen und die resultierende unterschiedliche lange Belichtung der Zeilen, spielt dann keine Rolle mehr, da kein Fremdlicht einwirkt. Wird die Kamera zudem so ausgerichtet, dass die Laufrichtung des Shutters mit der des Objektes übereinstimmt, kann eine weitere Reduzierung geometrischer Verzeichnungen durch den Rolling-Shutter-Effekt erreicht werden.

Stehen Inspektionsobjekte, bewegen sich nur langsam oder werden zur Bildaufnahme angehalten, sind Kameras mit einem Rolling Shutter CMOS-Sensor hervorragend geeignet und bieten ein breites Einsatzspektrum.