Highspeed Imaging

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Unsichtbares sichtbar machen – Faszination jenseits der Sekunde

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Die Entwicklung digitaler Highspeed-Kamerasysteme hat in der Abteilung Bildsensorik lange Tradition: Bereits Mitte der 1980er Jahre wurde die erste Hochgeschwindigkeitskamera vorgestellt, damals noch mit 32x32 Pixeln Auflösung in schwarz-weiß. 1996 wurde die Abteilung für die zu diesem Zeitpunkt aktuelle Kamerageneration, inzwischen mit 512x512 Pixel in Farbe, mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet. Diese wurde im nachfolgenden Jahrzehnt in Zusammenarbeit mit Industriepartnern kontinuierlich verbessert und vom langjährigen Weltmarktführer Weinberger Vision auch erfolgreich weltweit vermarktet.

Dabei zeichnen sich Hochgeschwindigkeits-Kamerasysteme aus unserem Hause besonders durch ihre hohe Bildqualität aus. Obwohl die Kameras ursprünglich speziell für den industriellen Bereich entworfen wurden, werden sie immer wieder auch für Superzeitlupen in Medienproduktionen (Werbung, Film und Fernsehen) eingesetzt, bei denen Bildqualität ein entscheidendes Erfolgskriterium darstellt. Da sich beliebig viele Kameras hochgenau synchronisieren lassen, eignen sie sich auch optimal für 3D- oder Multiview-Anwendungen .

Die Vorteile der Digitaltechnik machen sich gerade in höchst anspruchsvollen Bereichen wie der Highspeed-Videographie bemerkbar: Auch bei bis zu 100.000 Bildern pro Sekunde sind die Bilddaten binnen Sekunden verfügbar, elektronische Triggereinstellungen selbstverständlich. Visualisierung und Analyse sind ohne Wartezeiten sofort möglich. Gesteuert und ausgelesen werden die Kameras über Bediensoftware, die auf gängiger PC-Hardware läuft; spezielle Grabberkarten oder Zusatzgeräte sind nicht notwendig.

Die Abteilung Bildsensorik kann zudem alle Aspekte der Kameraentwicklung abdecken, sodass wir schlüsselfertige Systeme aus seiner Hand anbieten können :

  • Sensor: Herzstück einer jeden Kamera ist der Bildsensor. In Zusammenarbeit mit Nachbarabteilungen und externen Firmen spezifizieren und entwickeln wir hochwertige Hochgeschwindigkeitssensoren in CMOS-Technologie. Auch hier können wir langjährige Erfahrung und eigene IP vorweisen, z.B. unsere patentierte Schachbrettanordnung der Pixel. Die Sensoren können direkt bei uns im Hause gebondet, in Betrieb genommen und qualifiziert werden.
  • Kamerahardware: Dies umfasst die komplette Kameraelektronik (analoge und digitale) von Konzept über Schaltplan und Entflechtung bis hin zur Inbetriebnahme im Labor. Eingebettete Systeme, die der Kamera Eigenintelligenz und Standard-IT-Schnittstellen (SATA, Ethernet, …) verleihen, sind Standard. Wir begleiten die Elektronikproduktion bis zur Überführung in die Serie durch den Kunden.
  • Mechanik: Thermisches Management durch geeignete mechanische Konstruktion ist eines unserer Fachgebiete. Für besondere Anforderungen wie Crashfestigkeit (bis 100g), Kompaktheit und rein passive Kühlung haben wir Lösungen parat.
  • Firmware: Wir entwickeln die komplette Firmware für alle FPGAs, DSPs und Mikrocontroller, die in der Hardware zum Einsatz kommen.
  • Algorithmik: Im Bereich De-Mosaicing, Farboptimierung und Steigerung der Bildqualität durch Korrektur sensorspezifischer Artefakte (z.B. Fixed Pattern Noise) können wir auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen. Bei der Entwicklung dieser Algorithmen wurde besonderes Augenmerk darauf gelegt, sie sehr effizient sowohl in Software als auch in Hardware (FPGAs, DSPs) direkt in der Kamera implementieren zu können.
  • Software: Auch die Applikationssoftware zum Steuern der Kamera und zum Zugriff auf die Bilddaten vom PC aus kann von uns geliefert werden. Hierbei legen wir besonderen Wert auf Plattformunabhängigkeit, um den verschiedensten Anforderungen gerecht werden zu können.

Typische Einsatzgebiete unserer Kameras

  • Industrie: Crash-Tests in der Automobilindustrie, Maschinenüberwachung, Produktoptimierung, Produktionsoptimierung, Machine Vision, Airbag-Aufblasvorgänge
  • Medizin: Bewegungsanalyse, Stimmlippenanalyse
  • Wissenschaft: Strömungsmechanik, Analyse von Einspritz- oder Explosionsvorgängen
  • Medien: Werbefilme, Spezialeffekte, Tierfilme, Sportaufnahmen