imported>Cmglee: /* Luftbildkameras */ Funktionsprinzip einer Kamera auf einem Satelliten mit bewegtem Sensor

2025-10-31T02:41:59Z

Luftbildkameras: Funktionsprinzip einer Kamera auf einem Satelliten mit bewegtem Sensor

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Als '''Zeilenkamera''' bezeichnet man einen [[Kamera]]typ, der nur eine lichtempfindliche Zeile ([[Zeilensensor]]) aufweist – im Gegensatz zum zweidimensionalen Sensor, der über eine Vielzahl von Zeilen verfügt. Obwohl Zeilensensoren in etwa die gleichen [[Pixel]]größen aufweisen wie Flächensensoren, kann die Zeilenlänge viel größer sein. Anstelle der maximalen 1.000–4.000 Pixel Breite bei Flächensensoren kann eine Zeilenkamera 17.000 Pixel oder mehr aufweisen. Folglich liefert eine Zeilenkamera bei vorgegebenem Objektfeld eine bessere räumliche Auflösung. Darüber hinaus lässt sich eine Zeile wesentlich schneller als eine Fläche auslesen. Allerdings muss durch die meist wesentlich höheren Taktraten gegenüber einer Flächenkamera auch deutlich mehr Licht vorhanden sein.

== Zeilensensoren ==
Wie bei den Flächenkameras werden überwiegend Sensoren aus [[Silizium]] verwendet. Noch bis vor einigen Jahren wurden hauptsächlich [[CCD-Sensor|CCD-]] und NMOS-Sensoren eingesetzt, die in letzter Zeit durch [[Active Pixel Sensor|CMOS]]-Sensoren ergänzt bzw. teilweise ersetzt wurden.

=== Spektrale Empfindlichkeit ===
Während sich der Empfindlichkeitsbereich der Sensoren auf Siliziumbasis (Si) vom [[Ultraviolettstrahlung|UV]]-Bereich (ab etwa 200 nm) bis ins nahe [[Infrarot]] (bis 1000 nm) erstreckt, sind Sensoren aus [[Germanium]] (Ge) oder Indium-Gallium-Arsenid ([[Indium|InGaAs]]) im infraroten Wellenlängenbereich von 1 µm bis über 2 µm einsetzbar.

Die UV-Sensoren werden mit einem Abdeckglas meist aus [[Quarz]] versehen, weil normales Glas für Strahlung mit einer [[Wellenlänge]] unter etwa 400 nm nicht mehr durchlässig ist.

=== Pixel ===
Die Zahl und Form der [[Pixel]] hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Es gibt Kameras mit [[Schwarz-weiß|monochromen]] und Farbsensoren. Bei diesen Sensoren ist für jede Grundfarbe meist eine eigene Zeile mit dem entsprechenden [[Farbfilter]] vorhanden.

== Funktionsweise ==
[[Datei:Line scanning animation.gif|mini|Funktionsprinzip einer Farb-Zeilenkamera mit bewegtem Sensor]]
Die in den Zeilenkameras eingesetzten CCD-, CMOS-, NMOS- oder InGaAs-Sensoren unterscheiden sich zwar mitunter erheblich, es werden aber immer mindestens zwei Schritte ausgeführt, [[Belichtung (Fotografie)|Belichten]] und Auslesen, die am Beispiel eines CCD-Sensors erläutert werden:
Ein CCD-Zeilensensor besteht aus den lichtempfindlichen Pixeln und einem analogen [[Schieberegister]] ([[Charge-coupled Device]]), das dem Sensor seinen Namen gibt. Während der Belichtungszeit generieren die einfallenden [[Photon]]en in den Pixeln [[Elektron]]en, die am Ende der Belichtungszeit in das Schieberegister umgeladen werden. Dieses wird über ein am Sensor angelegtes [[Taktsignal]] ausgelesen. Während die [[Elektrische Ladung|Ladungen]] aus dem Schieberegister ausgelesen und in eine [[Elektrische Spannung|Spannung]] umgewandelt werden, werden in den Pixeln durch die Belichtung des Sensors neue Elektronen gesammelt. Die ausgelesenen Signale stammen damit nicht aus dem aktuellen Belichtungszyklus, sondern aus dem letzten.

Einfache CCD- und CMOS-Zeilensensoren benötigen nur noch zwei Eingänge: Einen Start-of-Scan-Eingang (SOS) und einen Clock-Eingang. Eine einfache Zeilenkamera kann daher mit wenigen Komponenten realisiert werden. Mit preisgünstigen Treiberbausteinen<ref>{{Webarchiv | url=http://www.khs-instruments.com/ccd/CLS/CLS554.pdf | wayback=20090107093531 | text=Datenblatt CLS Controller}}</ref> reduziert sich der Aufwand auf ein Minimum.

Zeilenkameras enthalten neben den erforderlichen Taktsignalen mitunter einen [[Analog-Digital-Umsetzer|Analog-Digital-Wandler]], der das analoge Signal des Sensors [[Digitalisieren|digitalisiert]]. Die digitalen Daten werden mitunter in einem [[Random Access Memory|RAM]] zwischengespeichert, damit das Bild als Ganzes übertragen werden kann. Die Bildübertragung zum Rechner erfolgt dann meist über [[Universal Serial Bus|USB]], [[Ethernet]] oder [[CameraLink]].

== Einsatzgebiete ==
=== Luftbildkameras ===
[[Datei:push_broom_satellite.svg|mini|Funktionsprinzip einer Kamera auf einem Satelliten mit bewegtem Sensor]]
Flugzeuge und insbesondere Satelliten bewegen sich gleichmäßig mit bekannter Geschwindigkeit. Bildzeilen, die von einer Zeilenkamera nacheinander aufgenommen werden, lassen sich anschließend zu einem zweidimensionalen Bild zusammensetzen. Beispielsweise gewinnt die [[High Resolution Stereo Camera|Mars-Express-Hochauflösungskamera]] ihre Bildinformationen zeilenweise.

Das zeilenweise Abtasten eines Geländes wird im Englischen als '''Push-broom''' bezeichnet, in Anlehnung an einen Besen, der auf dem Boden entlangfegt wie ein Zeilenscanner entlang seines [[Schwad]]s. Ein '''Whisk-broom''' rastert ein Bild punktweise ab. Die Kameras der [[Meteosat#Meteosat (zweite Generation) – Technik und Daten|MTG]]-Wettersatelliten arbeiten nach diesem Prinzip.

=== Zerlegung des Lichts in seine Spektralfarben (Spektroskopie) ===
Bei genügend Licht können im sichtbaren Bereich von 400 bis 800 nm schon mit einfachen und preiswerten Zeilenkameras mit 14 µm × 200 µm großen Pixeln gute Ergebnisse erzielt werden.

Um die Lichtmenge möglichst genau bestimmen zu können, muss die Anzahl der gesammelten Elektronen möglichst groß sein, weil das [[Rauschen (Physik)|Rauschen]] durch die Quadratwurzel der Anzahl der Elektronen bestimmt wird. Preiswerte CCD-Sensoren können in den Pixeln etwa 100.000 Elektronen speichern, hochwertige CCD-Sensoren 600.000 Elektronen. NMOS-Sensoren kommen auf 50.000.000 Elektronen.

Die Wahl des Sensors hängt daher von den Anforderungen ab: Bei geringen Lichtmengen kommen CCD-Sensoren zum Einsatz, Präzisionsmessungen erfordern ein Minimum an Lichtintensität, um die Pixel der NMOS-Sensoren ausreichend mit Elektronen zu füllen.

Um bei langen Belichtungszeiten den [[Dunkelstrom]] gering zu halten, werden bei hochwertigen Zeilenkameras die Sensoren auf etwa −10 °C und manchmal auch weit darunter gekühlt.

Zeilenkameras für die [[Spektroskopie]] benötigen kein [[Objektiv (Optik)|Objektiv]], weil die Abbildung über das [[Spektrometer]] erfolgt.

=== Barcode, Fax und Scanner ===
Weit verbreitet sind Zeilenkameras in [[Barcode]]-Lesern, [[Fax]]geräten und [[Scanner (Datenerfassung)|Scannern]]. Bei letztgenannten Geräten wird das zweidimensionale Bild aus einer Vielzahl von Einzelzeilen zusammengesetzt. Bei mittlerweile üblichen Zeilensensoren mit über 10.000 Pixeln lässt sich eine DIN-A4-Vorlage mit 10.000 × 14.000 Pixeln, also 140 Megapixeln auflösen. Die Pixel der Sensoren sind hier in den meisten Fällen rechteckig.

Zur [[Optische Abbildung|optischen Abbildung]] wird aus Kostengründen meist eine preiswerte Plastiklinse verwendet.

=== Industrielle Bildverarbeitung ===
Auch in der industriellen [[Bildverarbeitung]] werden immer mehr Zeilenkameras eingesetzt. Hier wird, ähnlich wie bei den früheren Faxgeräten, meistens nicht die Sensorzeile, sondern das Objekt bewegt. Damit der vertikale gleich dem horizontalen [[Abbildungsmaßstab]] ist, muss die Abtastrate der Zeilen (100 Hz bis 100 kHz) an die Geschwindigkeit der vorbeifahrenden Objekte angepasst werden.

Die meist hochwertigen [[Objektiv (Optik)|Objektive]] müssen an die speziellen Aufgaben oft angepasst werden. Die Darstellung ist in der Bewegungsachse prinzipbedingt orthogonal. Um diese verzerrungsfreie Darstellung auch in der anderen Bildachse zu erhalten, werden – zumindest bei messtechnischen Anwendungen – [[Telezentrisches_Objektiv|telezentrische Objektive]] eingesetzt.

Bildverarbeitende Systeme, die auf Zeilenkameras basieren, werden sowohl für Qualitätssicherungsaufgaben wie auch Sortierverfahren eingesetzt. Durch die Möglichkeit, hohe Objektgeschwindigkeiten zu nutzen, lassen sich sehr hohe Durchsatzraten erzielen.
Außerdem werden Zeilenkameras oft für Objekte eingesetzt, die eine verzerrungsfreie Darstellung benötigen, bei denen sich aus Platz- oder Beleuchtungsgründen kein telezentrisches Objektiv einsetzen lassen (beispielsweise für große, längliche Objekte).

Dadurch, dass das Bild immer nur an der Sensorzeile ausgeleuchtet werden muss, lässt sich eine Beleuchtung viel gezielter einsetzen als bei einer Flächenkamera, bei der das komplette Objekt ausgeleuchtet sein muss. Man kann auch zwei Beleuchtungssituationen zugleich aufnehmen, indem man die Beleuchtungen bei jeder Zeile abwechselnd umschaltet und anschließend über eine Software wieder in zwei Bilder trennt.

{{siehe auch|Linienleuchte}}

== Weblinks ==
* [http://www.khs-instruments.com/ccd/CLS/CLS554.pdf Beispiel für eine einfache CCD-Zeilenkamera] (PDF-Datei; 86 kB)

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Kameratechnik]]
[[Kategorie:Identifikationstechnik]]

Zeilenkamera - Versionsgeschichte

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