Productiekwaliteit Boosten: High-Speed Digital Imaging Verbetert Traditionele Machine Vision

Machine vision is een bewezen procescontrole tool voor een verscheidenheid aan industriële automatisatie toepassingen. Traditioneel integreert deze technologie commercial off-the-shelf (COTS) imaging sensoren, verlichtingsmodules en processors om delen te leiden, inspecteren of identificeren terwijl ze langs productielijnen bewegen. Vergeleken met menselijke operators, zijn machine vision systemen snel, nauwkeurig en herhaalbaar - verbeterend productkwaliteit, lager schrotpercentages en hogere productiviteit in snelgetakte productieomgevingen.

Hoewel de operationele voordelen duidelijk zijn, breidt high-speed digital imaging de voordelen, mogelijkheden en use cases voor machine vision nog verder uit. Dankzij hun hoge resolutie, snelle frame rates en streaming mogelijkheden, stellen high-speed camera's machine vision in uitdagende toepassingen in die real-time analyse of lange opnametijden vereisen, zoals halfgeleiderfabricatie, ruimteshuttle lanceringen, spoorweginspectie en meer. Om deze redenen vangen high-speed machine vision systemen wat traditionele vision systemen niet kunnen, wat licht werpt op processen te klein of te snel om met het menselijk oog te zien.

Kernkenmerken van High-Speed Machine Vision Camera's

High-speed machine vision camera's verschillen van traditionele machine vision camera's in verschillende opzichten. In plaats van COTS of charge-coupled device (CCD) sensoren, integreren high-speed camera's custom-designed complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) sensoren. Wanneer specifiek ontworpen voor high-speed toepassingen, leveren CMOS sensoren ongekende snelheid en gevoeligheid, wat leidt tot meer gedetailleerde inspecties en hogere opbrengsten in machine vision toepassingen zoals defectdetectie, deelmeting, en meer. High-speed machine vision camera's die CMOS sensoren met meerdere megapixels incorporeren, bereiken uitzonderlijke beeldkwaliteit zelfs bij uitdagende frame rates.

Gewenste Kenmerken

High-speed machine vision camera's winnen terrain in life science toepassingen, ballistiek testen, 3D printen, en meer.

Het is niet genoeg voor machine vision camera's om simpelweg sneller te gaan; ze moeten ontworpen zijn om het aan te kunnen. Naast snelle frame rates die 67.000 fps overschrijden, zijn de volgende kenmerken belangrijk om in gedachten te houden bij het selecteren van high-speed camera's voor machine vision toepassingen:

Resolutie: Phantom machine vision camera's incorporeren CMOS sensoren tot 9 megapixels. Deze multi-megapixel sensoren - gecombineerd met de camera's kleine pixelformaten - leveren meer gedetailleerde afbeeldingen bij snelle frame rates.

Lichtgevoeligheid: Over het algemeen, hoe kleiner de pixelgrootte, hoe groter de imaging detail - wat vooral belangrijk is in toepassingen die een microscoop vereisen. CMOS sensoren hebben pixelformaten zo klein als 5.6 micrometer, wat resulteert in hoge native ISO. Als resultaat bereiken deze camera's uitstekende beeldkwaliteit ondanks de lage belichtingstijden nodig voor high-speed machine vision toepassingen.

Belichtingstijd: Phantom camera's hebben belichtingstijden zo laag als 1 microseconde. Deze capaciteit - samen met hoge lichtgevoeligheid en kleine pixelformaten - vriest high-speed beweging voldoende in terwijl motion blur geëlimineerd wordt.

Dynamisch bereik: Dynamisch bereik speelt een rol wanneer een afbeelding veel schaduwen heeft, of wanneer een onderwerp bijna dezelfde kleur heeft als de achtergrond. Hoe hoger de dynamische bereik van een camera, hoe meer schaduwdefinitie de sensor kan detecteren. Phantom machine vision camera's hebben een dynamisch bereik tussen 54,8 en 59,7 decibel, wat ze geschikt maakt voor donkere toepassingen zoals halfgeleiderinspectie.

Naast hoog aangepaste sensoren, benutten high-speed machine vision camera's koperen CoaXPress (CXP) kabeltechnologie, wat hen in staat stelt om enorme hoeveelheden data over te dragen naar compatibele, industrie-standaard backend frame grabbers in real-time. Deze mogelijkheid om data instant te streamen vermijdt het tijdrovende proces van data opslaan in de beperkte RAM van de camera voordat het naar een computer gedownload wordt. Wanneer gekoppeld met off-the-shelf DVR units, ondersteunen deze streaming camera's ook langere opname toepassingen in aerospace, zoals raketdynamica, vliegtuigdynamica en ballistiek, om er maar een paar te noemen.

Het CXP6 protocol is momenteel de snelste standaard dataoverdrachtsmethode. Elke koperen kabel bereikt dataoverdrachtsnelheden van 6,25 gigabits per seconde van de camera naar de backend ontvanger machine. De meer recente CXP12 standaard verdubbelt deze snelheid, wat zowel CXP6 als CXP12 ideaal maakt voor camera's die hoge doorvoer vereisen.

Dankzij hun lichtgevoeligheid en snelle frame rates, zijn high-quality streaming camera's ideaal voor halfgeleiderinspectie.

Terwijl de meeste machine vision camera's tot 2-gigapixels per seconde data doorvoer bieden, bereiken de werelds snelste streaming camera's directe dataoverdrachtsnelheden tot 9-gigapixels per seconde. Deze camera's verdelen en transmitteer afbeeldingen per rij, en steken elke afbeelding terug samen met een simpel algoritme - wat hogere frame rates en resoluties mogelijk maakt. Door te vertrouwen op GenICam, een generieke programmeerinterface, faciliteren deze camera's ook configuratie en integratie in bestaande systemen.

Real-Time vs Lange-Opname Configuraties

De backend configuratie in high-speed machine vision systemen hangt af van een aantal variabelen, inclusief de vereiste frame rate, resolutie en opnametijd. Voor real-time analyse kunnen gebruikers tot 16 standaard CXP6 kanalen op de streaming camera benutten. Terwijl CXP6 kabels communicatie tot 68 meter mogelijk maken, bereiken vezeloptische connectors lengtes tot 200 kilometer. Gebruikers kunnen ook de camera's general-purpose input/output (GPIO) benutten voor snelle, flexibele signalering en synchronisatie.

Overige hardware en software componenten omvatten:

• App-specifieke frame grabber en CXP6 frame grabber kaart;
• Software, inclusief frame grabber API, Matlab®, LABVIEW of elk post-processing vision tool;
• Beeldverwerkingshardware, typisch een GPU microprocessor of FPGA;
• Een computer met PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3 slots.

Terwijl de meeste high-speed toepassingen plaatsvinden in honderden milliseconden, kunnen machine vision toepassingen langere opnametijden vereisen - enkele minuten tot half uur, bijvoorbeeld - om gebeurtenissen zoals ruimteshuttle lanceringen te accommoderen. Om de opslaguitdagingen geassocieerd met zo'n grote hoeveelheid data te overwinnen, kunnen high-speed machine vision camera's data direct streamen naar een DVR unit, wat meerdere terabytes aan ruimte heeft. Deze plug-and-play setup laat gebruikers de binnenkomende data gemakkelijk opslaan voor analyse op een later tijdstip.

Traditionele Machine Vision Toepassingen Uitbreiden

Dankzij high-speed machine vision camera's kunnen fabrikanten imaging bereiken met hogere resolutie en opnamenauwkeurigheid. Deze kenmerken verhogen lijnsnelheden en productievolumes, verminderen knelpunten en verlagen kosten per eenheid. Tegelijkertijd kunnen deze streaming camera's nanometer-schaal doelen vastleggen die anders moeilijk te zien zijn - laat staan te analyseren - met traditionele machine vision camera's, wat machine vision transformeert van een procescontrole tool naar een diagnostische tool. Als resultaat wint machine vision tractie in industrieën als life sciences, halfgeleiderfabricatie, farmaceutica en meer.

Enkele van de nieuwste toepassingsgebieden voor high-speed machine vision omvatten:

Halfgeleiderinspectie: High-speed machine vision camera's spelen een toenemend belangrijke rol in halfgeleiderfabricatie, een industrie gedreven door doorvoer. Specifiek, identificeren en vlaggen ze snel deelfouten zodra ze ontstaan, wat defect-gerelateerde kosten en downtime verlaagt, doorvoer verbetert, en inspectietijden tot een minimum houdt.

High-quality machine vision camera's slaan het noodzakelijke evenwicht tussen lichtgevoeligheid, signal-to-noise ratio en snelle frame rates vereist door halfgeleidertoepassingen, die typisch submicron schaal omvatten. Bij volle 4.096 × 2.304 resolutie, heeft de Phantom S990 streaming camera bijvoorbeeld 6,75-μm pixelformaten, 9,6e- ruis en 938-fps opnamesnelheden, wat high-quality afbeeldingen genereert die de imaging software in staat stelt subtiele variaties tussen lichte en donkere gebieden die op een defect wijzen te detecteren.

High-speed spectrometers: Gebruikt in veel voedsel- en drank, farmaceutische, en landbouwtoepassingen, diffracteren high-speed spectrometers wit licht in diverse golflengtes om een absorptiespectrum te creëren, wat het mogelijk maakt de aanwezigheid van bepaalde materialen te detecteren. Een opkomende toepassing voor dit proces betreft het verifiëren van de chemische samenstelling van farmaceutische tabletten met behulp van high-speed machine vision camera's. De camera's nemen tabletten op terwijl ze langs een band lopen. Dan, op basis van het gediffracteerde, geabsorbeerde en doorgelaten licht dat de lens bereikt, kan de camera defecte tabletten vlaggen, terwijl de productielijnen draaiende blijven.

Dankzij hun snelle opnamesnelheden en lichtgevoeligheid, zijn high-speed streaming camera's ideaal voor deze opkomende toepassing. Naast het bieden van een non-contact inspectiemethode, kunnen deze camera's gemakkelijk dozijns tabletten binnen hetzelfde zichtveld gelijktijdig inspecteren, wat de doorvoer in cruciale farmaceutische operaties verbetert.

Streaming Camera Kenmerken

In machine vision streaming toepassingen vloeit beelddata direct naar een frame grabber en PC of lange-opname DVR via CXP kabeltechnologie. Gebruikers kunnen direct toegang tot deze data hebben ofwel voor een real-time toepassing of lange opname en zijn beperkt alleen door de hoeveelheid opslag in de PC of DVR.

• Overige kenmerken van high-speed streaming camera's omvatten:
• Configureerbare bit diepte - 8-/12-bit, 8-/10-bit
• Aangedreven door CXP6 technologie voor sommige streamers die minder dan 27 volt verbruiken
• GenICam compliant voor eenvoudige integratie
• Compatibel met PCIe3 CXP6 frame grabbers
• GPIO biedt gemeenschappelijke en geavanceerde signaleringsfuncties
• Schaalbare dataoverdracht voor verminderde data behoeften

Spoorweginspectie: High-speed machine vision camera's hebben het potentieel om te veranderen hoe spoorwegsystemen geïnspecteerd worden. In tegenstelling tot traditionele machine vision camera's, die waardevolle tijd verliezen door regen, sneeuw of stofstormen, bieden streaming camera's de hoge frame rate, resolutie en lichtgevoeligheid nodig om door moeilijke weersomstandigheden heen te zien. In tegenstelling tot de meeste camera's, hanteren ze ook wit licht zonder het gebruik van additionele lensfilters.

Overige opkomende toepassingsgebieden voor streaming camera's omvatten de life sciences, zoals cel diagnostiek; flesje identificatie en hemolyse; ballistiek testen; laser lassen; en 3D printen.

Dit artikel is geschreven door Uma Gobena, Vision Application Engineer, Vision Research (Wayne, NJ). Voor meer informatie, bezoek hier.