Bildverarbeitung

Tempo trifft Präzision

Hochgeschwindigkeitskameras sind essenziell für die Analyse schneller Prozesse – von ballistischen Bewegungen bis zu Strömungen. Die MEMRECAM ACS-1 von nac Image Technology setzt mit innovativer Sensor- und Bildverarbeitung neue Maßstäbe in der Hochgeschwindigkeitsmesstechnik.

Im Gegensatz zu älteren CCD-Sensoren, die eine serielle Auslesung über das gesamte Sensorfeld hinweg vornehmen, arbeitet der CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) mit einer parallelen Architektur. Jedes Pixel verfügt über einen eigenen Verstärker und einen A/D-Wandler. Dies ermöglicht eine deutlich höhere Auslesegeschwindigkeit und reduziert den Energieverbrauch. Die MEMRECAM ACS-1 Serie nutzt diese Technologie, um bei einer aktiven Pixelauflösung von 1280 x 896 im Boost-Modus und Boost4-Modus eine Bildrate von bis zu 150.000 fps (M60), 120.000 fps (M40) und 50.000 fps (M30) zu erreichen.

Ein entscheidender Aspekt für die präzise Messtechnik ist der Global Shutter-Auslesemechanismus. Im Gegensatz zum Rolling Shutter, der das Bild zeilenweise belichtet und ausliest, erfasst der Global Shutter das gesamte Sensorfeld gleichzeitig. Dies ist unerlässlich für die Aufnahme von schnell bewegten Objekten, da es geometrische Verzerrungen (den sogenannten "Jello-Effekt") eliminiert und somit die Genauigkeit der Messung sicherstellt. Die hohe Bildrate wird durch eine spezielle Auslesearchitektur erreicht, die eine selektive Reduktion der Sensorfläche (im sogenannten „Region of Interest“ oder „Windowing“-Verfahren) erlaubt. Dabei werden nur die für die Messung relevanten Pixel ausgelesen, um eine höhere Framerate zu erzielen. So kann je nach Anforderung die perfekte Balance zwischen räumlicher und zeitlicher Auflösung gefunden werden. Die ACS-1 M60 erreicht mit 60 Gigapixeln pro Sekunde eine einzigartige Kombination aus Bildrate und Auflösung.

Physikalische Grenzen der Lichtempfindlichkeit

Ein wesentlicher Unterschied zwischen herkömmlichen Kameras und Hochgeschwindigkeitskameras liegt in der extrem kurzen Belichtungszeit. Während die Belichtungszeit bei einer normalen Kamera in Millisekunden gemessen wird, liegt sie bei Hochgeschwindigkeitskameras im Bereich von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. Diese kurze Belichtungszeit reduziert die Menge an Licht, die auf den Sensor fällt, erheblich.

Hier kommt die ultrahohe Lichtempfindlichkeit der MEMRECAM ACS-1 ins Spiel. Mit einem ISO-Wert von bis zu 100.000 in Schwarz-Weiß kann die Kamera auch bei geringer Beleuchtung klare Bilder liefern. Dies wird durch eine Kombination aus großflächigen Pixeln und einer optimierten Mikroarchitektur erreicht. Jedes Pixel ist so konzipiert, dass es das einfallende Licht effizienter in ein elektrisches Signal umwandelt und dabei das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert. Der ISO-Wert ist ein standardisiertes Maß für diese Lichtempfindlichkeit. Eine Verdopplung des ISO-Wertes bedeutet, dass der Sensor doppelt so empfindlich ist. Die hohen Werte der MEMRECAM ACS-1 ermöglichen es, selbst bei spärlicher Beleuchtung klare Aufnahmen zu machen, was den Bedarf an teuren und komplexen Beleuchtungssystemen minimiert.

Größte Herausforderung der Hochgeschwindigkeitskameras

Die enorme Menge an Daten, die eine Hochgeschwindigkeitskamera erzeugt, stellt hohe Anforderungen an die Datenverarbeitung. Die MEMRECAM ACS-1 Serie meistert dies durch einen USB 3.0B-Anschluss, der eine Datenübertragung ermöglicht, die bis zu 400 % schneller ist als eine herkömmliche LAN-Verbindung.

Die Speichersegmentierung ist eine weitere innovative Funktion, die den Workflow optimiert. Der interne Speicher von bis zu 256 GB DRAM kann in bis zu 64 Segmente unterteilt werden, wodurch der Nutzer mehrere Aufnahmen nacheinander machen kann, ohne die Daten jedes Mal sofort auf einen externen Rechner herunterladen zu müssen. Dies ist besonders nützlich für die Erfassung von sich schnell wiederholenden Ereignissen. Die Option eines integrierten 1 TB SSD-Speicherlaufwerks beschleunigt den Download-Prozess zusätzlich.

Die Anwendungsbereiche

Die Kombination aus hoher Auflösung, extrem schneller Bildrate und hoher Empfindlichkeit macht die MEMRECAM ACS-1 zu einem vielseitigen Werkzeug für zahlreiche Anwendungen in der Messtechnik:

Aerodynamik und Ballistik: Visualisierung von Strömungen und Projektilbewegungen im Windkanal oder auf dem Schießstand zur Analyse des Flugverhaltens.
Materialprüfung: Untersuchung von Bruch- und Verformungsprozessen, um die Materialermüdung zu analysieren und die Produktzuverlässigkeit zu verbessern.
Industrielle Fertigung: Analyse und Optimierung von industriellen Prozessen wie Abfüll- und Verpackungsanlagen, um Fehlfunktionen aufzudecken und die Produktionslinie effizienter zu gestalten.

Mit ihrer robusten Bauweise, den kompakten Abmessungen (175×175×206 mm) und dem geringen Gewicht (ca. 7,3 kg) ist die Kamera für den Einsatz in Laboren und in der Praxis geeignet. Die Steuerung über einen PC oder das V-PAD bietet eine hohe Flexibilität in der Bedienung.

Die MEMRECAM ACS-1 ist ein herausragendes Beispiel dafür, wie fortschrittliche Sensortechnologie und effiziente Datenverarbeitung zusammenkommen, um die Grenzen der Hochgeschwindigkeitsmesstechnik zu erweitern. Sie ist ein unverzichtbares Werkzeug für alle, die komplexe und schnelle Prozesse präzise dokumentieren und verstehen wollen.