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Tap Balancing bei CCD Sensoren

Die Komplexität und die Gefahren von Tap Balancing wird mit know-how über die Arbeitsweise des CCD Sensors verständlich. Dieses Dokument erklärt die Vor- und Nachteile von Taps und liefert Grundlagenwissen über CCD Sensoren.

Tap Balancing als Qualitätsmerkmal

In der automatisierten Bildverarbeitung werden CCD Sensoren immer größer und erreichen mittlerweile Größen von über 40 Megapixel. Große Sensoren werden dabei in sogenannte "Taps" unterteilt um das Auslesen des Bildes auf dem Sensor zu beschleunigen. Tap Balancing stellt sicher daß Sensor und Bildcharakterisika in allen Taps über das gesamte Bild hinweg gleich bleiben, eine Grundvoraussetzung für machine vision. Das fertige Bild sollte in Farbe, Schwarzpunkt, Helligkeit und Gamma homogen bleiben. Tap Balancing ist die Prozedur um dies zu erreichen. Je mehr Taps der Sensor einer Industriekamera bereitstellt, desto schwieriger ist der Abgleich der Taps.

Technik der Taps

Grundlagen des Tap Verfahrens

Einfaches Pixel

In einem CCD Sensor besteht jedes Pixel aus einem MOS Kondensator der die Anzahl der einfallenden Photonen in eine entsprechende Spannung umwandelt. Beim Auftreffen von Licht sammelt der Kondensator die erzeugten Elektronen bis der Leseprozess den Kondensator wieder leert. Die Anzahl der Elektronen korreliert linear mit der Beleuchtungsstärke der Zelle über die Zeit.

Auf dieser Grundlage läßt sich der Prozess so zusammenfassen:

  • Licht (einfallende Photonen) erzeugt einen Ladungspool in der CCD Zelle. Das Signal ist sehr schwach.
  • Deshalb wird der beim Lesen entstehende Strom beim Lesen verstärkt
  • Danach wird das verstärkte, immer noch analoge Signal in einem Analog-Digital-Converter (ADC) digitalisiert

Wir benötigen also zum Auslesen der CCD Zelle einen Verstärker und einen ADC. Sobald das Signal digital ist, kann es verlustfrei weiterverarbeitet werden.

Viele Pixel

Ein CCD Flächensensor besteht aus vielen Pixeln. Um eine Abbildung auf einem Flächensensor auszulesen, müssen all diese Pixel gelesen werden - alle einzelnen Pixel, Zeile nach Zeile. Jedes Pixel wird erst verstärkt und dann mit dem ADC digitalisiert. Dieser Vorgang ist sequentiell: Das nächste Pixel kan erst gelesen werden wenn das vorhergehende Pixel bereits ausgelesen ist. Bei Sensoren mit 5, 10 oder sogar 50 Megapixel bedeutet das ein Menge Arbeit für Verstärker und ADC und wird dementsprechend  lange dauern. Je größer der Sensor, desto länger dauert der Leseprozeß.

Taps

Das Problem wird lösbar indem die Fläche des Sensor in Regionen ("Taps") aufgeteilt wird und diese Taps dann parallel ausgelesen werden. Ein 4-Tap Sensor benötigt somit nur noch ein Viertel der Zeit zum Auslesen verglichen mit dem non-Tap Sensor. Der einzige Nachteil dieser Lösung: Wir benötigen für jeden Kanal einen Verstärker und einen ADC. Das kann man jedoch bauen. Werden wir jetzt endlos schnell mit jeder Menge Taps?

 

Die dunkle Seite

In einer idealen Welt sind alle Zellen gleich, alle Verstärker sind gleich und alle ADCs verhalten sich auch gleich. Unglücklicherweise weisen jedoch bei genauer Betrachtung alle Verstärker und alle ADCs kleine Unterscheide zueinander auf. Dies führt zu unterschiedlichen Helligkeitswerten bei den Pixeln, unterschiedlich von Tap zu Tap. Diese Unterschiede sind sichtbar und können bei schwankenden Temperaturen unterschiedlich stark in Erscheinung treten.

Linearitätsprobleme

Unterschiedliche Parameter von Verstärker oder ADC resultieren in unterschiedlichen Pixelwerten bei gleicher Beleuchtungsstärke. Helligkeitwerte weisen dann Unterschiede auf, der Schwarzpunkt ändert sich.

Mehr dunkle Probleme

Ein weiterer Punkt verdient besondere Aufmerksamkeit: Um (überflüssiges) Rauschen im Schwarz zu verhindern, haben ADC oder Verstärker einen Schwarzpunkt unterhalb dessen das Signal nicht gezeigt wird. Unter Bedingungen mit wenig Licht kann es passieren, daß ein CCD Tap (Verstärker + ADC) den Schwarzpunkt zum anderen Tap unterschiedlich setzt. Das Ergebnis einer derartig fehlerhaften Apassung des Verstärkers ist sichtbar und umso deutlicher je höher das Gain eingestellt ist - was allerdings Standard bei wenig Licht ist.

Je mehr Taps es zum Angleichen gibt, desto komplexer ist die Aufgabe dies ohne Verlust von Dynamikumfang zu erreichen.

Die Kennlinien von 2 Taps (Amplifier+ADC): Sichtbar sind unterschiedliche Schwarzpunkte (1), kreuzende Kennlinien (2) und unterschiedliche Maximalwerte (3)

Tap Balancing als Lösungsansatz

Es gibt keinen Weg in die ideale Welt, aber es gibt 3 prinzipielle Lösungsansätze:

  • Auf der Bauteilebene, Selektion hoch präziser Komponenten mit minimalen Toleranzen für ADC und Verstärker (teuer)
  • Optimierungsverfahren für den Kunden bereitstellen, um Taps für einen bestimmten Temperaturbereich zu optimieren (Dazu muß der gewünschte Temperaturbereich bekannt sein. Das kann Einschränkungen außerhalb des spezifizierten Bereiches zur Folge haben)
  • Automatische Justage der Parameter von Verstärker und ADC während des Betriebes, Nachführung von Verstärkerlinearität und Schwarzpunkt

Die automatische Nachführung von Linearität und Schwarzpunkt während des Betriebes ist nicht einfach. Bei sich ändernden Parametern muß nachjustiert werden - schnell genug um die Änderung zu kompensieren, langsam genug um die Änderung der Parameter über die Zeitachse nicht sichtbar werden zu lassen.

Unsichtbare Taps bei Industriekameras von SVS-Vistek

SVS-Vistek stellt seinen Kunden all diese Möglichkeiten zur Verfügung (siehe Kamera Features). Mit Bildqualität als zentralem Kriterium wurde großer Aufwand im Tap Balancing betrieben. Durch die Verwendung selektierter Bauteile wird die Drift der Arbeitspunkte von ADC und Verstärker bereits minimiert. Alle Industriekameras erhalten einen ausgemessenen Tap Balancing Factory Setup. Abhängig vom verwendeten CCD Sensor optimiert ein hoch wirksamer Algorithmus während des Betriebes permanent ADC und Verstärker. Hier zeigt SVS-Vistek seine Kompetenz als Kamerahersteller mit einem sehr präzisen und im Look angenehmen Tap Balancing.
Dieses know how ist die Basis für heutige Großformat CCD Sensoren mit über 25 Megapixel und bis zu 16 Taps.

CCD Industriekameras für machine vision von SVS-Vistek stellen folgende Tap Balancing Methoden bereit:

  • Manuelles Tap Balancing
    Unterstützt manuelles Tap Balancing
  • Auto Modus
    Im automatischen modus vergleicht eine eingebaute Logik permanent alle Taps und justiert Parameter für Verstärker und ADC im laufenden Betrieb nach
  • One Push Mode
    Justiert das Tap Balancing auf eine spezifische Grauebene. Dies ist nützlich um ein Feintuning auf einen bestimmten Helligkeitsbereich und/oder Temperaturbereich durchzuführen. Macht meist nur im 10-bit oder 12-bit Modus Sinn.
  • Single Tap Readout
    Der CCD Sensor wird nur über einen einzigen ADC und Verstärker ausgelesen und vermeidet somit die Problematik von unterschiedlichen Taps.

(Tap Balancing Features abhängig von Kamera und verwendetem Sensor, siehe Datenblatt)