DE102006057182A1 - Multi-sensorial line image sensor for use in multi-sensorial camera, has image lines attached on semiconductor component and covered with material in linear line arrangement, where signal of sensor is emitted as two-channel image signal - Google Patents

Multi-sensorial line image sensor for use in multi-sensorial camera, has image lines attached on semiconductor component and covered with material in linear line arrangement, where signal of sensor is emitted as two-channel image signal Download PDF

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Abstract

The sensor has image lines attached on a semiconductor component and covered with a semiconductor material in an N-linear line arrangement. The image lines are held at a range of spectral sensitivity of the semiconductor material of the sensor for realizing the spectral sensitivity. An optical radiation of a wavelength range is converted into a wavelength range, where the optical radiation is not sensitive to the semiconductor material. The optical radiation lies in a sensitivity range of the semiconductor material. A signal of the sensor is emitted as 2-channel image signal. Independent claims are also included for the following: (1) a method for providing a multi-sensorial line image sensor (2) an arrangement for executing the method for providing a multi-sensorial line image sensor.

Description

Die industrielle Bildverarbeitung benötigt z.B. zur automatischen visuellen Oberflächeninspektion oft Bildsensoren, welche auf unterschiedliche physikalische Eigenschaften der zu prüfenden Oberfläche reagieren. So prüft die Firma MASSEN machine vision systems Gmb, Konstanz ( www.massen.com ) Laminatdielen und -Platten mit einem multisensoriellen System ColourBrain®-Laminate, welches insgesamt drei verschiedene Bildsensoren einsetzt:

  • 1. Farbbildsensoren zur Prüfung des ästhetischen Gesamteindrucks und zur Detektion von fremdfarbigen Kontaminationen
  • 2. s/w Sensoren, welche die Oberfläche in spiegelnder Reflexion beobachten zur Detektion von Oberflächenfehler wie Risse, Beulen, Glanzfehler usw.
  • 3. Ultraviolett-empfindliche Sensoren um Beschädigungen der transparente Melaminhaltigen Schutzschicht zu erkennen
For example, industrial image processing often requires image sensors for automatic visual surface inspection, which react to different physical properties of the surface to be tested. For example, MASSEN examines machine vision systems GmbH, Konstanz ( www.massen.com ) Laminate boards and boards with a multisensorial ColourBrain ® laminate system, which uses a total of three different image sensors:
  • 1. Color image sensors for the examination of the overall aesthetic impression and for the detection of foreign colored contamination
  • 2. s / w sensors, which observe the surface in specular reflection for the detection of surface defects such as cracks, dents, gloss defects, etc.
  • 3. Ultraviolet-sensitive sensors to detect damage to the transparent melamine protective layer

Der Einsatz von unterschiedlichen Kameras mit diesen Bildsensoren bedeutet einen erheblichen Aufwand. Die Kalibrierung und Ausrichtung der unterschiedlichen Kameras mit jeweils einem eigenen optischen System ist kompliziert und aufwendig.Of the Use of different cameras with these image sensors means a considerable effort. The calibration and alignment of the different cameras, each with its own optical system is complicated and expensive.

Es besteht daher ein grosses technisches und wirtschaftliches Interesse daran, möglichst alle unterschiedlichen Sensoren in einem einzigen Bildsensor zu vereinigen, um mit lediglich einer sog. „multisensoriellen" Kamera solche Oberflächen prüfen zu können.It There is therefore a great deal of technical and economic interest as much as possible all different sensors in a single image sensor too unite in order to check such surfaces with just a so-called "multi-sensorial" camera.

Es ist bekannt, Zeilenkamera-Bildsensoren mit mehreren spektral unterschiedlichen, auf einem Chip integrierten Bildtzeilen herzustellen. So haben die sog. trilinearen Zeilensensoren der Fa. Dalsa ( www.dalsa.com ) drei Bildpunktzeilen, wobei die erste mit einem ROT-Farbfilter, die zweite mit einem GRÜN-Farbfilter und die dritte mit einem BLAU-Farbfilter abgedeckt sind. Dieser tri-lineare Bildsensor erzeugt daher drei Bildkanäle mit jeweils unterschiedlichem Wellenlängenbereich, welche zusammengefasst ein RGB-Bildsignal bilden.It is known to produce line scan image sensors with a plurality of spectrally different image lines integrated on a chip. For example, the so-called trilinear line sensors from Dalsa ( www.dalsa.com ) three pixel lines, the first being covered with a ROT color filter, the second with a GREEN color filter and the third with a BLUE color filter. This tri-linear image sensor therefore generates three image channels, each with a different wavelength range, which together form an RGB image signal.

Die Fa. Kodak stellt einen vier-linearen Bildsensor her, welcher neben drei Farbzeilen noch eine s/w Zeile auf einem chip integriert.The Fa Kodak manufactures a four-linear image sensor, which beside three color lines still a s / w line integrated on a chip.

Die spektrale Empfindlichkeit dieser im folgenden „N-linear" genannten Zeilenbildsensoren ist durch die aufgebrachte Farbfilter sowie durch die natürliche Empfindlichkeitskennlinie des Halbleitermaterials, in der Regel Silizium, und der SI-Prozessverfahren festgelegt. Insbesondere bei preiswerten CMOS-Bildsensoren bedeutet dies, dass solche N-linearen Zeilen wenig empfindlich im ultravioletten Bereich mit Wellenlängen kleiner als ca. 390 nm und überhaupt nicht mehr empfindlich bei Wellenlängen grösser als ca. 1100 nm sind.The Spectral sensitivity of these in the following "N-linear" called line image sensors is through the applied color filters as well as the natural sensitivity characteristic of the semiconductor material, typically silicon, and the SI process method established. Especially for low-cost CMOS image sensors means this, that such N-linear lines are less sensitive in the ultraviolet Range with wavelengths less than about 390 nm and ever no longer sensitive at wavelengths greater than about 1100 nm.

Gerade in der Oberflächeninspektion sind diese Bereiche aber technisch interessant, da zahlreiche Fehler sich durch eine unterschiedliche Reflexion im Vergleich zum fehlerfreien Oberfläche in genau diesen Wellenlängen-Bereichen ausdrücken.Just in the surface inspection However, these areas are technically interesting, as numerous errors through a different reflection compared to the error-free surface in just those wavelength ranges express.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, einen kostengünstigen multisensoriellen N-linearen Zeilenbildsensor zu realisieren dadurch erreicht, dass zur Erzielung einer spektralen Empfindlichkeit, welche über den Bereich der spektralen Empfindlichkeit des verarbeiteten Halbleitermaterials des Bildsensors hinausreicht, zumindestens eine Bildzeile aus der N-linearen Zeilenanordnung mit einem Material abgedeckt ist, welches die optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches, für den das Bildsensor-Halbleitermaterial nicht empfindlich ist, umwandelt in einen Wellenlängenbereich, welcher im Empfindlichkeitsbereich des Bildsensor-Halbleitermaterials liegt und dass die Signale des N-linearen Zeilenbildsensors als ein N-kanaliges Bildsignal ausgegeben werden.According to the invention Task, a cost-effective realize multi-sensorial N-linear line image sensor thereby achieved that to achieve a spectral sensitivity, which over the Range of spectral sensitivity of the processed semiconductor material the image sensor extends, at least one image line from the N-linear line arrangement covered with a material containing the optical radiation a wavelength range, for the the image sensor semiconductor material is not sensitive, converts in a wavelength range, which in the sensitivity range of the image sensor semiconductor material and that the signals of the N-linear line image sensor as an N-channel image signal is output.

Solche Materialien zur Umwandlung von Wellenlängenbereichen sind dem Fachmann der Optik unter den Begriffen „fluoreszierende" oder „szintillierende" Materialien bekannt.Such Materials for the conversion of wavelength ranges are those skilled in the art optics known under the terms "fluorescent" or "scintillating" materials.

Wir verdeutlichen den Erfindungsgedanken beispielhaft, aber nicht einschränkend, anhand eines 6-linearen Zeilensensors für die Oberflächeninspektion von Fussbodenlaminaten. Die sechs Bildzeilen des 6-linearen Zeilensensor decken folgende Wellenlängenbereiche ab:

  • 1. den ultravioletten Bereich anhand eines fluoreszierenden Materials, welcher die erste Bildzeile abdeckt und somit die UV-Wellenlängenbereiche, für die das Silizium Halbleitermaterial nicht mehr empfindlich ist umwandelt in Licht, welches innerhalb des Wellenlängenbereiches liegt, für welches Silizium noch empfindlich ist. Solche Fluoreszenzmaterialien sind dem Physiker bekannt und werden z.B. als Aufheller bei der Papierherstellung eingesetzt. Diese Bildzeile werde mit „A" bezeichnet.
  • 2. drei Bildzeilen, welche mit Farbfilter ROT, GRÜN und BLAU abgedeckt sind und damit ein dreikanaliges RGB-Bildbildsignal erzeugen. Diese Bildzeilen werden mit „B", "C" und „D" bezeichnet.
  • 3. eine Bildzeile, welche ohne Abdeckung für den Bereich von ca. 400 nm bis 1000 nm entsprechend der natürlichen Empfindlichkeit des Silizium, empfindlich ist wobei durch ein Bandpassfilter nur der Wellenlängenbereich von 750 bis 900 nm durchgelassen wird. Diese Bildzeile werde mit „E" bezeichnet
  • 4. einer Bildzeile, welche mit einem Material abgedeckt ist, welches IR-Strahlung in sichtbares Licht umwandelt. Solche Materialien sind dem Physiker bekannt. Sie werden beispielsweise eingesetzt, um das unsichtbare IR-Licht von Laser für das menschliche Auge sichtbar zu machen. Aus www.redshift.com sind ausserdem optische Resonanzfilter bekannt, welche unsichtbare IR-Wellenlängen in den sichtbaren Bereich transformieren und damit als Umwandler für den Erfindungsgedanken geeignet sind. Diese Bildzeile werde mit „F" bezeichnet.
We illustrate the idea of the invention by way of example, but not limitation, using a 6-linear line sensor for the surface inspection of floor laminates. The six picture lines of the 6-linear line sensor cover the following wavelength ranges:
  • 1. The ultraviolet range based on a fluorescent material covering the first image line and thus converting the UV wavelength ranges for which the silicon semiconductor material is no longer sensitive to light which is within the wavelength range for which silicon is still sensitive. Such fluorescent materials are known to the physicist and are used, for example, as a brightener in papermaking. This image line will be labeled "A".
  • 2. three image lines, which are covered with color filter RED, GREEN and BLUE and thus generate a three-channel RGB image signal. These image lines are labeled "B", "C" and "D".
  • 3. an image line, which is sensitive without coverage for the range of about 400 nm to 1000 nm corresponding to the natural sensitivity of the silicon, wherein only a wavelength range of 750 to 900 nm is transmitted through a bandpass filter. This picture line will be labeled "E"
  • 4. a picture line, which abge with a material is covered, which converts IR radiation into visible light. Such materials are known to the physicist. They are used, for example, to make the invisible IR light of lasers visible to the human eye. Out www.redshift.com In addition, optical resonance filters are known which transform invisible IR wavelengths into the visible range and are therefore suitable as converters for the inventive concept. This image line will be labeled "F".

Damit kann dieser 6-lineare Zeilensensor in der beispielhaften Anordnung einer Oberflächeninspektion von Melamin-laminierten Spanplatten folgende Defekte im Sinne einer multisensoriellen Sensorik gleichzeitig erfassen:

  • 1. Trübungen innerhalb der transparenten Schutzschicht anhand der zu kurzen Wellenlängen im UV-Bereich stark ansteigenden Rückstreuung mit der Bildzeile „A"
  • 2. den visuellen Farbeindruck sowie das Vorhandensein von fremdfarbigen Kontaminationen anhand das Farbbildes der Bildzeilen „B", "C" und „D", welche jeweils eine Farbkomponente des RGB-Zeilenbildes darstellen
  • 3. Oberflächendefekte werden dadurch mit der Bildzeile „E" erkannt, dass die Oberfläche unter einem Einfallswinkel mit Licht im Wellenlängenbereich von 750 nm bis 900 nm so belichtet wird, dass es in direkter Reflexion von dem 6-linearen Bildsensor erfasst wird.
  • 4. Delaminationen werden durch Wärmeflussthermographie erkannt, indem die zu prüfende Oberfläche kurz bevor sie in das Bildfeld des 6-linearen Bildsensors eintritt, mit einem IR Strahler aufgeheizt wird und die erhöhte IR Remission aufgrund der geringeren Wärmeableitung an einer Stelle der Oberfläche, welche über einer Delamination liegt, erkannt wird. Diese Erscheinung kann bereits bei Wellenlängen von ca. 1700 nm beobachtet werden, d.h. bei Wellenlängen, bei denen übliche preiswerte Glasoptiken noch arbeiten
Thus, in the exemplary arrangement of a surface inspection of melamine-laminated chipboard, this 6-linear line sensor can simultaneously record the following defects in the sense of a multisensorial sensor system:
  • 1. turbidity within the transparent protective layer on the basis of the too short wavelengths in the UV range strongly increasing backscatter with the image line "A"
  • 2. the visual color impression as well as the presence of foreign-colored contaminations on the basis of the color image of the image lines "B", "C" and "D", which each represent a color component of the RGB line image
  • 3. Surface defects are thereby identified with the image line "E" that the surface is exposed at an angle of incidence with light in the wavelength range of 750 nm to 900 nm so that it is detected in direct reflection from the 6-linear image sensor.
  • 4. Delamination is detected by heat flow thermography by heating the surface to be tested with an IR emitter shortly before it enters the field of view of the 6-linear image sensor and the increased IR remission due to the lower heat dissipation at a location of the surface which exceeds one Delamination is detected. This phenomenon can already be observed at wavelengths of about 1700 nm, ie at wavelengths at which conventional inexpensive glass optics are still working

Der Einsatz des beispielhaften N-kanaligen Zeilenbildsensor ist technisch einfach, weil dieser 6-lineare Zeilensensors mit einer einzigen Optik auskommt. Wird der 6-lineare Zeilensensor, wie dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt, über einen Drehgeber extern synchron zur Geschwindigkeit der zu prüfenden Oberfläche getaktet, so können die 6 Bildsignale durch entsprechende Verzögerungen zu einem 6-kanaligen vektoriellen Bildsignal zusammengefasst werden, bei welchem jeder Bildpunkt der Laminat-Oberfläche durch 6 optische Merkmale beschrieben wird.Of the Use of the exemplary N-channel line image sensor is technical simply because of this 6-linear line sensor with a single Optics comes off. Will the 6-linear line sensor, as the expert the image processing known a shaft encoder externally clocked in sync with the speed of the surface to be tested, so can the 6 image signals by corresponding delays to a 6-channel vector image signal are summarized, in which each Pixel of the laminate surface is described by 6 optical features.

Damit können durch Mustererkennungsverfahren, welche diesen 6-dimensionalen Messwertsvektor auswerten, auch schwierigste Fehler anhand dieses multisensoriellen Bildsignals bei geringen Kosten und geringem technischen Aufwand detektiert werden.In order to can by pattern recognition methods which use this 6-dimensional measured value vector evaluate, even the most difficult errors based on this multi-sensorial Image signal at low cost and low technical effort be detected.

Claims (6)

Multisensorieller Zeilenbildsensor mit N auf einem Halbleiterbaustein angebrachten benachbarten Bildzeilen, dadurch gekennzeichnet dass zur Erzielung einer spektralen Empfindlichkeit, welche über den Bereich der spektralen Empfindlichkeit des verarbeiteten Halbleitermaterials des Bildsensors hinausreicht, zumindestens eine Bildzeile aus der N-linearen Zeilenanordnung mit einem Material abgedeckt ist, welches die optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches, für den das Bildsensor-Halbleitermaterial nicht empfindlich ist, umwandelt in einen Wellenlängenbereich, welcher im Empfindlichkeitsbereich des Bildsensor-Halbleitermaterials liegt und dass die Signale des N-linearen Zeilenbildsensors als ein N-kanaliges Bildsignal ausgegeben werdenA multi-sensor line scan sensor having N adjacent image lines mounted on a semiconductor device, characterized in that to achieve a spectral sensitivity which extends beyond the spectral sensitivity range of the processed semiconductor material of the image sensor, at least one image line from the N-line array is covered with a material which the optical radiation of a wavelength range for which the image sensor semiconductor material is not sensitive converts to a wavelength range which lies in the sensitivity range of the image sensor semiconductor material and that the signals of the N-linear line image sensor are output as an N-channel image signal Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das mindestens eine Bildzeile abdeckende Material den Wellenlängenbereich, für welchen das verarbeitete Halbleitermaterial nicht empfindlich ist, durch Fluoreszenz in einen Wellenlängenbereich umwandelt, für welchen das verarbeitete Halbleitermaterial empfindlich istMethod according to claim 1, characterized the material covering at least one image line covers the wavelength range, for which the processed semiconductor material is not sensitive by Fluorescence in a wavelength range converts, for which the processed semiconductor material is sensitive Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das mindestens eine Bildzeile abdeckenden Material den Wellenlängenbereich, für welchen das verarbeitete Halbleitermaterial nicht empfindlich ist, durch Szintillation in einen Wellenlängenbereich umwandelt, für welchen das verarbeitete Halbleitermaterial empfindlich istMethod according to claim 1, characterized the material covering at least one image line covers the wavelength range, for which the processed semiconductor material is not sensitive by Scintillation into a wavelength range converts, for which the processed semiconductor material is sensitive Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass mindestens drei Zeilen der N Zeilen des Bildsensors mit Farbfilter abgedeckt sind und diese Bildsignale die Farbkomponenten eines Farbbildsignals erzeugen.A method according to claim 1 to 3 characterized that at least three lines of the N lines of the image sensor with color filters are covered and these image signals are the color components of a color image signal produce. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass ein Zeilenbildsensor aus einem Halbleiterbaustein besteht, auf welchem N benachbarte Bildzeilen integriert sind, dass mindestens eine Bildzeile mit einem fluoreszierenden Material bedeckt ist, welches einfallende Strahlung mit einer Wellenlänge, für welche der Bildsensor aufgrund des eingesetzten Halbleitermaterials nicht empfindlich ist, in einen Wellenlängenbereich umwandelt, für welchen der Bildsensor empfindlich ist und dass dieses Signal als Bildsignal zusammen mit den übrigen Bildsignalen als elektronisches N-Komponenten Bildsignal ausgegeben wird.Arrangement for carrying out the methods 1 to 4 characterized in that a line image sensor of a semiconductor device on which N adjacent picture lines are integrated is that at least one image line covered with a fluorescent material is which incident radiation with a wavelength for which the image sensor due to the semiconductor material used not is sensitive, converted into a wavelength range for which the image sensor is sensitive and that this signal is a picture signal along with the rest Image signals output as electronic N-component image signal becomes. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass ein Zeilenbildsensor aus einem Halbleiterbaustein besteht, auf welchem N benachbarte Bildzeilen integriert sind, dass mindestens eine Bildzeile mit einem szintillierenden Material bedeckt ist, welches einfallende Strahlung mit einer Wellenlänge, für welche der Bildsensor aufgrund des eingesetzten Halbleitermaterials nicht empfindlich ist, in einen Wellenlängenbereich umwandelt, für welchen der Bildsensor empfindlich ist und dass dieses Signal als Bildsignal zusammen mit den übrigen Bildsignalen als elektronisches N-Komponenten Bildsignal ausgegeben wird.Arrangement for carrying out the methods 1 to 4 characterized in that a rows Image sensor consists of a semiconductor device on which N adjacent image lines are integrated, that at least one image line is covered with a scintillating material, which converts incident radiation having a wavelength for which the image sensor is not sensitive due to the semiconductor material used, in a wavelength range for which the image sensor is sensitive and that this signal is output as an image signal together with the remaining image signals as an electronic N-component image signal.
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