Bildverarbeitung

Industriekameras mit abgesetztem Sensorkopf für gleichbleibend hohe Übertragungsraten

Buchstäblich coole Sensoren für coole Projekte

03.03.2022 - Die vollen Spezifikationen von schnellen Vision-Sensoren auf engstem Raum zu nutzen und dabei die Bildqualität noch zu steigern, dies ermöglichen die neuen Modelle der XIX-PCIe-Kameraserie von ­Ximea. Das System­konzept trennt die Hochleistungselektronik zur Datenübertragung räumlich von den bildgebenden Kameraelementen (Optik und ­Sensor). Die Elektronik kann sowohl mit Glasfaser­kabeln an normale Computer gekoppelt werden als auch mit Hochleistungs-Embedded-Systemen mit Flachbandkabeln kompakte abgesetzte Einheiten bilden.

Ximea setzt bereits seit vielen Jahren PCIe als Datenschnittstelle zwischen Computern und Kameras ein. PCIe bietet Vorteile in Bandbreite, Skalierbarkeit, Handhabung und Systemkompatibilität. Zum Überbrücken hoher Kabellängen können Glasfaser-Kabel genutzt werden, um Einbußen bei der Datenübertragung zu vermeiden.

Darüber hinaus ist PCIe gegenwärtig die modernste universelle Schnittstelle. Jeder aktuelle PC oder Mac und auch schnelle Embedded-Systeme wie die Nvidia-Xavier-Familie basieren auf dieser Technologie – unabhängig vom eingesetzten Betriebssystem. Der größte Vorteil der PCIe-Schnittstelle ist, dass Kameras Daten ohne den Umweg über Framegrabber mit geringsten Latenzen ­direkt in den Systemspeicher liefern.

Neben einer direkten Datenübertragung können mehrere Geräte durch PCIe Switches aggregiert und über eine Leitung übertragen werden. Das kann den Aufbau von Multi-Sensorsystemen erheblich vereinfachen.

PCIe: Aus 7 GByte pro Sekunde werden bald 14

Ximeas Hochgeschwindigkeitskameras unterstützen derzeit mit acht PCIe Lanes Gen3 Übertragungsraten von 64 Gbit/s oder effektiv 7 GByte/s. PCIe 4.0 ist bereits bei Home-PCs angekommen, PCIe 5.0 steht kurz vor der Markteinführung. Beide Schnittstellengenerationen verdoppeln jeweils die Bandbreite.

Einfach ausgedrückt, PCIe hat die höchste Bandbreite, die geringste Latenz und verfügt über eine einfach skalierbare Architektur für die anspruchsvollsten Imaging-Anwendungen.
Neben den genannten Vorteilen lassen sich mit PCIe auch hochkompakte und gleichzeitig schnelle Kameras realisieren. Die kleinen XIX-Kameras sind 26,4 x 26,5x 31,9 mm groß und erreichen eine Datenrate von 10 Gbit/s. Diese winzigen Kameras sind bereits in der Lage, die volle Übertragungsrate der Sensoren Sony Pregius 2 oder CMOSIS/Osram CMV2000 und CMV4000 bereitzustellen.
Weitere Gehäusegrößen mit den Maßen von 60 x 60 x 38 mm genügen, um Vollformat- oder APS-C Sensoren mit 20 Gbit/s anzuschließen.

Aufbauend auf der vorhandenen Erfahrung hat Ximea auf Wunsch aus mehreren kundenspezifischen Anforderungen und Entwicklungsprojekten eine Erweiterung der XIX-Kameraserie vorgenommen.

Tabelle Ximea

Hochauflösender Sensor bleibt auch ohne aktive Kühlung der Kamera cool

Das neuartige Gehäusekonzept mit abgesetztem Sensorkopf wurde für ein Projekt mit den folgenden Anforderungen entwickelt: ein Multisensor-System mit Sonys hochauflösenden IMX 530 Sensoren bei vollen 100 fps, maximal kompakter Sensorkopf, Verzicht auf aktive Kühlung des Sensors bei dennoch möglichst geringem Rauschen (Temperatur) sowie eine aggregierte Datenübertragung zum Computer.
Entstanden sind daraus Ximeas Detachable-Sensorhead-Kameras, die bei Ximea ­intern gerne „Cobra“ genannt werden, oder Kameras mit abgesetztem Sensorkopf.

Der Sensor befindet sich in einem eigenen kleinen Gehäuse, in Entwicklungsprojekten können auch Board-Level-Sensorköpfe eingesetzt werden. Der einzige temperatur­erzeugende Baustein in diesem Sensorkopf ist der Sensor selbst. Die 'heißen' Komponenten wie FPGA und die Schnittstellenbausteine haben keinen Einfluss auf den optisch aktiven Teil, der damit im wahrsten Sinne des Wortes immer 'cool' bleibt. Die Implementierung erlaubt mehrere Meter Abstand zwischen Sensor und Elektronik, sodass eine effiziente Trennung je nach Projektanforderung durch den Einsatz von entsprechend langen Verbindungskabeln erreicht wird.

Zum abgesetzten Sensorkopf genügt ein Kabel

Dadurch, dass nur der Sensor mit Strom versorgt werden muss, wird neben dem Flachbandkabel keine weitere Verkabelung zum Sensor benötigt. Die Leistungsdaten dieser Kameras sind beeindruckend:

  • Integriert sind derzeit zum Beispiel die Sony-Pregius-S-Sensoren IMX530 (24.5 MPixel), IMX531 (20.3 MPixel) und IMX532 (16.1 MPixel).
  • Der Sensorkopf inklusive des C-Mount hat Ausmaße von lediglich 26,4 x 26,4 x 33mm.
  • Trotzdem kann die volle Daten-Bandbreite der Sensoren bereitgestellt werden: IMX530 mit 105 Bilder pro Sekunde (fps), IMX531 mit 109 fps und IMX532 mit 159 fps.

Erreicht wird die hohe Bandbreite durch die oben schon erwähnte einfache Skalierbarkeit der verwendeten Schnittstelle. Gewählt wurden vier PCIe lanes Gen 3 mit insgesamt 32 Gbit/s, passend zum SLVS-EC Output der Sensoren.Die verwendeten Sensoren der Pregius S Serie von Sony und damit die neuen Kameras bieten neben der maximalen Bildrate auch interessante Funktionen, die für Standardsensoren nicht verfügbar sind:

  • Leistungsstarke Sensorfunktionen, wie Multiple ROI mit bis zu 8x8 ROIs, reduzieren die Datenmenge und sorgen so für schnellere Bildraten; 
  • rauscharme CCD-Leistung mit der Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsleistung eines Global Shutters;
  • ultrakurzes Intervall zwischen zwei Verschlüssen, Überwachung der Belichtungszeit und verbessertes On-Sensor-Thermometer;
  • dualer ADC mit niedrigem und hohem Verstärkungsgrad, dessen Fusion zu einem HDR-Bild führt.

Die Dual-ADC Fusion kann entweder ­direkt im Sensor erfolgen oder im FPGA der Kamera, mittels Ximeas eigener Implementierung, die zu einer linearen Sensorkennlinie führt.

Embedded Vision: Kameraanschluss via Flachbandkabel

Für Integrationsprojekte, insbesondere beim Einsatz sehr leistungsfähiger Systeme, wie Nvidias Xavier, kann der Anschluss an den Computer über ein Flachbandkabel (Samtec Firefly) erfolgen. Für diese Einsatzzwecke wurden die ersten Projektentwicklungen erarbeitet.
Über das dann sehr kurze und biegsame Anschlusskabel zwischen Computer und Kameras kann die Kamera auch mit Strom und Trigger-Impulsen versorgt werden. Auch die Komponente mit der Elektronik hat dann minimale Ausmaße:

  • Für Integrationsprojekte hat Ximea ein kompaktes Carrier-Board entwickelt, das direkt die SODIMM-Variante von Nvidias Xavier-NX-, Nano- und TX2-NX-Systeme integrieren kann. Damit sind die sicher kompaktesten Hochleistungs-Embedded-Bildverarbeitungssysteme zu realisieren.
  • Mit dem identischen Systemkonzept bietet Ximea auch Kameras mit den hochauflösenden SONY Sensoren IMX411 (151 MPixel), IMX461 (101 MPixel) und IMX455 (61 MPixel) an. Damit können zum Beispiel ultrakompakte Inspek­tionssysteme oder Luftbildkamerasysteme mit bisher nicht möglicher Systemgeometrie realisiert werden.
  • Auch diese Kameras verwenden das 32 Gbit/s PCIe Interface.

Darauf aufbauend wurden, ebenfalls ursprünglich für kundenspezifische Integrationsprojekte, Kameras mit schnelleren Sensorschnittstellen entwickelt: Der Sensor Gpixel GMAX0505 kann 150 fps bei 25.5 ­Mpixel liefern, der Sensor Gpixel GMAX3265  mit 65.4 Mpixel bei 71 fps. Dafür werden 8 PCIe Lanes Gen3 genutzt, wie auch in anderen Kameras mit Hochgeschwindigkeits-Interface von Ximea. 

Kameras auch mit herkömmlichen Schnittstellen und Bauformen erhältlich

Um nicht nur Embedded- beziehungsweise hochintegrierte Projekte zu unterstützen, werden alle genannten Kameras auch als Kameras mit herkömmlichen Schnittstellen, auf Wunsch mit abgesetztem Sensorkopf oder als integrierte Kamera angeboten: Diese Kameras verfügen dann über eine aktive Kühlung. Die Datenschnittstelle ist ein Glasfaser-MTP-Port, für die Stromversorgung und das IO-Interface wird ein gängiger Industriestecker genutzt. Auf Wunsch kann der Anwender den Sensorkopf von der Kameraelektronik abkoppeln, um den Sensor kühl zu halten, aber auch, um ansonsten kaum realisier­bare Systemgeometrien zu erreichen, zum Beispiel von der optischen Einheit unabhängige Kabelführungen. 

Röntgenkameraserie ergänzt Hochgeschwindigkeitsportfolio

Mit dem neuen Systemansatz konnte ­Ximea auch bei anderen Projekten erfolgreich weiterhelfen. So wird eine umfangreiche Serie an Röntgenkameras der Xiray-Serie in verschiedenen Größen und Leistungen angeboten. Die Sensoren inklusive der direkt verbunden Fiber-Channel-Plates beziehungsweise Fiber-Taper mussten bislang für maximale Bildqualität aktiv gekühlt werden.

Aus den Erfahrungen mit den Detached Sensor Boards hat Ximea auch eine Röntgenkamera mit dem gleichen Konzept abgeleitet. Der große und mit 151 MPixel hochauflösende Sensor, Fiberplate und Szintillator sind im abgesetzten Kopf verbaut und ­benötigen keine aktive Kühlung mehr. Das hat nicht nur zu einem sehr flexiblen Konzept geführt, sondern macht die Kamera auch einfacher wartbar und führt zu deutlichen Kostensenkungen gegenüber vergleichbaren Kameras mit ähnlich großen Sensoren.

Embedded-Vision- und Hochleistungskameras profitieren von abgesetztem Bildsensor

Die neuen Kameras mit abgesetztem Sensorkopf (detached sensor heads) ermöglichen zahlreiche Sytemvorteile  – vor allem für kompakte Integrationsprojekte und hochintegrierte Hochleistungs-Vision-Systeme. 

Durch die Abtrennung des Sensors haben die temperaturerzeugenden Bausteine der Kamera, wie FPGA und die Schnittstellenbausteine keinen Einfluss auf die optisch aktive Komponente. Die Implementierung ermöglicht dabei Abstände zwischen Sensor und Elektronik von mehreren Metern. 

Durch die PCIe-Schnittstelle lassen sich hohe Bandbreiten, geringe Latenzen und einfache Skalierbarkeit erreichen. Auch sehr kleine Kameras sind durch PCIe in der Lage, die volle Übertragungsrate der ­Sensoren Sony Pregius 2 oder CMOSIS/Osram CMV2000 und CMV4000 bereitzustellen.

Autor:
Jürgen Hillmann, Managing Director bei Ximea

Kontakt

Ximea GmbH

Am Mittelhafen 16
48155 Münster
Deutschland

+49 251 202 408 0
+49 251 202 408 99

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