DE102008009680A1 - Sensor device for three-dimensional measurement of e.g. flip chip, in manufacturing system, has camera unit to record object under observation direction, which together with illumination direction includes angle differ from zero - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der dreidimensionalen optischen Vermessung von Objekten. Die Erfindung betrifft insbesondere eine optische Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Fertigen von elektronischen Baugruppen, welches eine Bestückvorrichtung und eine Inspektionsvorrichtung aufweist, wobei die Inspektionsvorrichtung eine Sensorvorrichtung des oben genannten Typs umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation mittels einer Sensorvorrichtung des oben genannten Typs.The The present invention relates to the technical field of three-dimensional optical measurement of objects. The invention particularly relates an optical sensor device for three-dimensional surveying of objects according to the principle of triangulation. The invention relates Furthermore, a system for manufacturing electronic assemblies, which a placement device and an inspection device, wherein the inspection device a sensor device of the above type. It also concerns the invention a method for the three-dimensional measurement of Objects according to the principle of triangulation by means of a sensor device of the above type.
In Anbetracht der zunehmenden Miniaturisierung von auf Bauelementeträgern aufgebauten elektronischen Baugruppen ist es nicht nur erforderlich, eine hochgenaue Bestückung von Bauelementeträgern mit elektronischen Bauelementen zu gewährleisten, vielmehr ist es in Hinblick auf eine hohe Produktionssicherheit auch wichtig die Qualität der hergestellten Baugruppen regelmäßig zu überprüfen. Dies geschieht in der Regel mittels einer sog. Automatischen Optischen Inspektion (AOI), bei der sowohl die Position der einzelnen Bauelemente auf dem Bauelementeträger als auch der jeweilige Typ von bestücktem Bauelement überprüft wird. Dafür kann neben einer zweidimensionalen Inspektion auch eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Höhenprofils eines bestückten Bauelementeträgers durchgeführt werden.In Considering the increasing miniaturization of device-based electronic devices Assemblies not only require a high-precision assembly of component carriers to ensure with electronic components, rather it is in view of a high production security also important quality to check the manufactured assemblies regularly. This happens in the Usually by means of a so-called. Automatic Optical Inspection (AOI), in both the position of the individual components on the component carrier as also the respective type of stocked Component is checked. For that can in addition to a two-dimensional inspection also a three-dimensional (3D) Measurement of the height profile a stocked Component carrier are performed.
Eine 3D Inspektion erfolgt typischerweise auf der Basis von Triangulationsmessungen. Dabei werden Projektionsmuster und Projektionssequenzen verwendet, um die Koordinate der dritten Dimension zu bestimmen. Das Prinzip der Höhenberechnung mittels strukturierter Beleuchtung beruht dabei auf der lateralen Verschiebung des unter einem schrägen Winkel projizierten Musters aufgrund der jeweiligen Objekthöhe an einem bestimmten Ort.A 3D inspection is typically based on triangulation measurements. It uses projection patterns and projection sequences, to determine the coordinate of the third dimension. The principle the height calculation by means of structured illumination is based on the lateral displacement of an oblique Angle projected pattern due to the respective object height at one certain place.
Die laterale Verschiebung x wird über den Abbilddungsmaßstab β auf den Sensor des Beobachtungssystems eines Triangulationssensors übertragen. Der Zusammenhang zwischen der lateralen Verschiebung Δx, der lateralen Verschiebung Δx' in der Bildebene des Beobachtungssystems und der Objekthöhe h an dem jeweiligen Punkt der Oberfläche des Messobjekts wird durch die folgenden Formeln beschrieben.The lateral displacement x becomes over the mapping scale β on the Transmit sensor of the observation system of a triangulation sensor. The relationship between the lateral displacement Δx, the lateral Displacement Δx 'in the image plane of the observation system and the object height h at the respective point the surface of the DUT is described by the following formulas.
Dabei ist ϑ der sogenannte Triangulationswinkel, d. h. der Winkel, den der Beleuchtungsstrahl und der Beobachtungsstrahl innerhalb der Triangulationsebene einschließen.there θ is the so-called triangulation angle, i. H. the angle, the lighting beam and the observation beam within of the triangulation level.
Bei der sog. Phasentriangulation wird ein sinusförmiges Intensitätsprofil auf das Messobjekt projiziert. Die laterale Verschiebung Δx bewirkt eine Verschiebung der Phasenlage des Sinusgitters. Indem für jedes Pixel für verschiedene projizierte Phasenlagen die Intensität gemessen wird, kann die Phase und somit die Raumkoordinaten präzise ermittelt werden.at the so-called phase triangulation becomes a sinusoidal intensity profile projected onto the test object. The lateral displacement Δx causes a shift in the phase position of the sine grating. By for each Pixels for different projected phase positions measured the intensity the phase and thus the spatial coordinates can be determined precisely.
Mit der Phasenverschiebung Φ lässt sich die Höhe mit folgender Formel berechnen: With the phase shift Φ the height can be calculated with the following formula:
Dabei ist p die Gitterperiode bzw. die Periodenlänge des Sinusgitters.there p is the grating period or the period length of the sine grating.
Um einen bestückten Bauelementeträger vollständig in 3D vermessen zu können, ist es bekannt, einen Triangulationssensor mit einer vergleichsweise hohen Sensorleistung, d. h. insbesondere mit einem großen Gesichtsfeld und einer hochwertigen und daher auch teuren Optik, mittels eines Positioniersystems zu verfahren und an verschiedenen Orten jeweils einen vergleichsweise kleinen Bereich des bestückten Bauelementeträgers in 3D zu vermessen. Die 3D Einzelbilder können dann mittels einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware zu einem Gesamtbild zusammen gesetzt werden.Around a stocked Component carrier completely in To measure 3D, It is known to use a triangulation sensor with a comparatively high sensor performance, d. H. especially with a wide field of vision and a high-quality and therefore also expensive optics, by means of a positioning system to proceed and in different places each a comparatively small area of the populated component support to measure in 3D. The 3D frames can then by means of a suitable Image processing software to an overall picture together.
In Anbetracht des ständig steigenden Kostendrucks in der Elektronikfertigung ist es jedoch erforderlich, auch die Kosten für die AOI zu begrenzen. Das gleiche gilt für die Geschwindigkeit einer AOI Messung, welche innerhalb einer möglichst kurzen Prüfzeit durchführbar sein sollte.In Considering the constant However, increasing cost pressure in electronics production is required, including the cost of to limit the AOI. The same goes for the speed of one AOI measurement, which can be carried out within the shortest possible test time should.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die 3D Inspektion von Messobjekten wie beispielsweise elektronischen Baugruppen insbesondere in Hinblick auf die Kosten eines entsprechenden Sensorsystems und die Geschwindigkeit, mit der die 3D Vermessung durchgeführt werden kann, zu verbessern.Of the The present invention is based on the object, the 3D inspection of measuring objects such as electronic assemblies in particular in terms of the cost of a corresponding sensor system and the speed with which the 3D survey can be performed to improve.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matters of the independent claims. advantage Embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation beschrieben, welche insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen geeignet ist. Die beschriebene Sensorvorrichtung weist auf (a) ein Grundelement, (b) ein an dem Grundelement angebrachtes erstes Sensormodul und (c) ein an dem Grundelement angebrachtes zweites Sensormodul. Das erste Sensormodul und das zweite Sensormodul weisen jeweils eine Beleuchtungseinheit und eine Kameraeinheit auf. Ferner ist die Beleuchtungseinheit eingerichtet zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und die Kameraeinheit ist eingerichtet zum Erfassen des zu vermessenden Objekts unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt.According to one The first aspect of the invention is a sensor device for three-dimensional surveying described by objects according to the principle of triangulation, which in particular for the three-dimensional measuring of on an electronic Circuit substrate applied components is suitable. The described sensor device comprises (a) a base element, (b) a first sensor module attached to the primitive; and (c) a second sensor module attached to the base member. The first Sensor module and the second sensor module each have a lighting unit and a camera unit. Furthermore, the lighting unit is set up for illuminating an object to be measured under an illumination direction and the camera unit is arranged to detect the one to be measured Object under an observation direction, together with the direction of illumination includes a non-zero triangulation angle.
Dem beschriebenen modular aufgebauten Triangulationssensor liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Kombination von mehreren einzelnen Triangulationsmodulen ein großer räumlicher Bereich auch dann vollständig vermessen werden kann, wenn jedes einzelne Triangulationsmodul jeweils nur einen vergleichsweise kleinen Bereich abdecken kann. Dabei kann auf vorteilhafter Weise auf die in den jüngsten Jahren rasanten Entwicklungen in der Kameratechnologie zurückgegriffen werden. Diese Entwicklungen haben dazu geführt, dass beispielweise für preiswerte Digitalkameras Kamerasensoren entwickelt wurden, die bei sehr geringen Kosten bereits eine hervorragende Bildaufnahmequalität aufweisen. Dadurch kann der beschriebene modular aufgebaute Triangulationssensor von den in der Konsumenten Industrie geschaffenen Standards und deren preiswerten Komponenten profitieren. Kostenintensive und aufwendige Neuentwicklungen für Spezialkameras, mit denen ein vergleichsweise großer räumlicher Bereich mit den darin befindlichen dreidimensionalen Objekten vermessen werden kann, sind durch den modularen Aufbau des beschriebenen Triangulationssensors und die Möglichkeit der Verwendung von herkömmlichen Standard-Komponenten nicht erforderlich.the described modular triangulation sensor is the Understanding that by a suitable combination of several individual triangulation modules a large spatial area even then Completely can be measured if each individual triangulation module respectively can cover only a comparatively small area. It can in an advantageous way to the rapid developments in recent years used in camera technology become. These developments have led, for example, to inexpensive Digital cameras camera sensors have been developed at very low cost already have an excellent image-recording quality. This allows the described modular triangulation sensor of the in the Consumers industry created standards and their inexpensive Components benefit. Cost-intensive and expensive new developments for special cameras, with which a comparatively large spatial area with the therein located three-dimensional objects can be measured are by the modular construction of the described triangulation sensor and the possibility the use of conventional Standard components not required.
Hinsichtlich der Anzahl an Sensormodulen, die für den beschriebenen Triangulationssensor in geeigneter Weise mitein ander kombiniert werden können, gibt es keine prinzipielle Obergrenze. So kann für jede Anwendung abhängig von der Größe des zu erfassenden Bereiches eine geeignete Anzahl an Sensormodulen zusammengefasst und in geeigneter Weise an dem Grundelement angebracht werden. Dies bedeutet, dass auch sehr große Bereiche durch die Verwendung einer entsprechend hohen Anzahl an Sensormodulen dreidimensional inspiziert werden können. In Anbetracht der preiswerten Realisierungsmöglichkeit der einzelnen Sensormodule ist dies in der Regel auch kostengünstiger als eine bekannter Messvorrichtung mit lediglich einem Triangulationssensor und einem Positioniersystem, mit dem der Triangulationssensor räumlich verfahren werden kann. Die Vermeidung von bewegten Teilen hat zudem den Vorteil, dass aufwendige Präzisionsachsen sowie hochgenaue Maßstäbe nicht erforderlich sind und trotzdem eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielbar ist. Die Vermeidung von bewegten Teilen hat ferner den Vorteil, dass eine dreidimensionale Inspektion mit dem beschriebenen modularen Triangulationssensor in der Regel deutlich schneller durchgeführt werden kann.Regarding the number of sensor modules required for the described triangulation sensor be suitably mitein other can be combined there is no principal limit. So can for each application depending on the size of the a suitable number of sensor modules summarized and suitably attached to the base member. This means that also very big Areas by using a correspondingly high number of Sensor modules can be inspected three-dimensionally. In Considering the inexpensive realization possibility of the individual sensor modules This is usually cheaper than a well-known Measuring device with only one triangulation sensor and one Positioning system with which the triangulation sensor moves spatially can be. The avoidance of moving parts also has the advantage that elaborate precision axes as well high-precision standards are not are required and still achieve a very high measurement accuracy is. The avoidance of moving parts also has the advantage that a three-dimensional inspection with the described modular Triangulation sensor usually be performed much faster can.
Es wird darauf hingewiesen, dass der beschriebene Triangulationssensor nicht nur zum dreidimensionalen Vermessen von einem in einem vorgegebenen Messfeld befindlichen Objekt (dabei werden durch verschiedenen Sensormodule unterschiedliche Teile des Objekts erfasst) verwendet werden kann. Der beschriebene modular aufgebaute Triangulationssensor eignet sich auch zum Vermessen von Baugruppen, welche eine Mehrzahl von verschiedenen Einzelobjekten aufweisen können. Die Einzelobjekte können beispielsweise elektronische Bauelemente oder auch Lotpaste oder SMD Lötstellen sein, welche sich an einem Schaltungssubstrat oder einem beliebigen Bauelementeträger befinden.It It should be noted that the described triangulation sensor not just for the three-dimensional measurement of one in a given one Object located at the measuring field (thereby being detected by different sensor modules detecting different parts of the object) can be used. The described modular triangulation sensor is suitable also for measuring assemblies, which have a plurality of may have different individual objects. The individual objects can, for example electronic components or solder paste or SMD solder joints which may be on a circuit substrate or any component support are located.
Unter dem Begriff Bauelemente werden in dieser Anmeldung prinzipiell alle bestückfähigen Elemente verstanden, insbesondere elektronische Bauelemente, elektromechanische Bauelemente, optoelektronische Bauelemente, Stecker und Steckver bindungen für elektrische und mechanische Kontakte sowie Abschirmbleche. Der Begriff elektronische Bauelemente umfasst selbst eine Vielzahl von verschiedenen Typen von Bauelementen, beispielsweise SMD-Bauelemente (Surface Mount Device-Bauelemente) und hoch integrierte flächige Bauelemente. Dazu zählen beispielsweise BGA's (Ball Grid Arrays), Bare Dies und Flip Chips.Under The term components are in this application in principle all suitable elements understood, in particular electronic components, electromechanical Components, optoelectronic components, connectors and plug connections for electrical and mechanical contacts and shielding plates. The term electronic components itself includes a variety of different types of components, For example, SMD components (Surface Mount Device components) and highly integrated flat Components. These include for example, BGA's (Ball Grid Arrays), Bare Dies and Flip Chips.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich zumindest ein weiteres Sensormodul auf, welches ebenfalls eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und eine Kameraeinheit zum Erfassen des zu vermessenden Objekts unter einer von der Beleuchtungsrichtung verschiedenen Beobachtungsrichtung umfasst. Das erste Sensorelement, das zweite Sensorelement und das zumindest eine weitere Sensorelement bilden dabei ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Array.According to one embodiment According to the invention, the sensor device additionally has at least one additional one Sensor module, which is also a lighting unit for Illuminating an object to be measured under a lighting direction and a camera unit for detecting the object to be measured under a different observation direction from the direction of illumination includes. The first sensor element, the second sensor element and the at least one further sensor element form a one-dimensional or a two-dimensional array.
Die einzelnen Sensormodule können beispielsweise mittel ihrer jeweiligen Gehäuse zu einem linearen oder zu einem flächigen Array verkettet werden. Dabei können die Sensormodule jeweils einen definierten Gitterplatz des jeweiligen Arrays einnehmen. Dadurch kann die Gesamtabmessung und das gesamte Messfeld des beschriebenen Triangulationssensors problemspezifisch an die jeweiligen technischen Anforderungen angepasst werden. Somit kann sichergestellt werden, dass ein Kunde nicht gezwungen ist, einen ggf. für seine Messanforderung zu großen Triangulationssensor zu kaufen. Somit kann für jede Anforderung stets ein kostengünstiger Triangulationssensor mit voller Messgenauigkeit angeboten werden.The individual sensor modules can For example, means of their respective housing to a linear or to a plane Be concatenated array. It can the sensor modules each have a defined grid location of the respective Occupy arrays. This allows the overall size and the entire Measuring field of the described triangulation sensor problem specific adapted to the respective technical requirements. Thus, can Ensuring that a customer is not forced to possibly for his measurement requirement too big To buy triangulation sensor. Thus, one request can always be made for each request cost-effective Triangulation sensor can be offered with full measurement accuracy.
So kann beispielsweise bei der dreidimensionalen Inspektion von bestücken Bauelementeträgern die Anzahl und die Abmessung des zu verwendenden Triangulationssensors an die Dimensionen der zu prüfenden Leiterplatten bzw. Bauelementeträgern angepasst werden.So can, for example, in the three-dimensional inspection of populate component carriers the Number and dimension of the triangulation sensor to be used to the dimensions of the tested Printed circuit boards or component carriers be adjusted.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Gesichtsfelder der Sensormodule auf einer Objektebene jeweils zumindest so groß wie die lateralen Abmessungen der jeweiligen Sensormodule. Dies bedeutet, dass die Breite des jeweiligen Gesichtsfeldes auf keinen Fall kleiner sein darf als die lateralen Gehäuseabmessungen des jeweiligen Sensormoduls. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Sensormodule jeweils vollständig in einem Sensormodul-Gehäuse untergebracht sind.According to one another embodiment of the Invention are the fields of view of the sensor modules on an object plane each at least as big as the lateral dimensions of the respective sensor modules. This means, that the width of the respective field of vision in no case smaller may be as the lateral housing dimensions of the respective sensor module. It is assumed that the sensor modules in each case completely in a sensor module housing are housed.
Der beschriebene Triangulationssensor weist also für jedes Modul ein Gesichtsfeld auf, welches auf die Objektebene projiziert in Arrayrichtung größer oder gleich den mechanischen Abmessungen des Moduls ist. Dabei werden zu den mechanischen Abmessungen ggf. auch noch Adapterelemente berücksichtigt, die für die oben beschriebene Verkettung der einzelnen Sensormodule erforderlich sein können.Of the The triangulation sensor described thus has a field of view for each module on, which projected on the object plane in the array direction larger or equal to the mechanical dimensions of the module. It will be If necessary, also consider adapter elements for the mechanical dimensions the for the above-described concatenation of the individual sensor modules required could be.
Die Anpassung der Größe der Gesichtsfelder an die lateralen Dimensionen der Sensormodule hat den Vorteil, dass beim Aufbau des beschriebenen modularen Triangulationssensors die räumlichen Lagen der Gesichtfelder der einzelnen Sensormodule derart aufeinander abgestimmt werden können, dass der Triangulationssensor insgesamt in seinem gesamten Gesichtfeld keine Lücken aufweist. Dadurch kann der beschriebene Triangulationssensor für eine lückenlose dreidimensionale Inspektion beispielsweise von einer auf einem Bauelementeträger bestückten elektronischen Baugruppe verwendet werden.The Adjust the size of the visual fields to the lateral dimensions of the sensor modules has the advantage that in building the described modular triangulation sensor the spatial Layers of the fields of view of the individual sensor modules in such a way can be tuned, that the triangulation sensor overall in its entire field of view no gaps having. As a result, the described triangulation sensor for a gapless Three-dimensional inspection, for example, from a mounted on a component carrier electronic Assembly can be used.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich zumindest eine mechanische Justiervorrichtung auf, welche derart eingerichtet ist, dass die relative räumlich Beabstandung zwischen verschiedenen Sensormodulen einstellbar ist. Eine derartige mechanische Justiervorrichtung hat den Vorteil, dass die Gesichtsfelder der einzelnen Sensormodule in der Objektebene idealer weise lückenlos zu einem Gesamtgesichtfeld zusammengesetzt werden können. Die Justiervorrichtung kann dabei mehrere einzelne Justiereinrichtungen aufweisen, wobei jeweils eine einzelne Justiereinrichtung zwischen zwei einander benachbarten Sensormodulen angeordnet ist.According to one another embodiment of the Invention, the sensor device additionally has at least one mechanical Adjusting device, which is set up such that the relative spatial Spacing between different sensor modules is adjustable. Such a mechanical adjusting device has the advantage that the fields of view of the individual sensor modules in the object plane Ideally, without gaps can be put together to a total field of view. The Adjusting device can be several individual adjusting devices each having a single adjusting device between two adjacent sensor modules is arranged.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die einzelnen Sensormodule derart angeordnet, dass die Gesichtsfelder zweier einander direkt benachbarter Sensormodule zumindest einen vorbestimmten Überlapp aufweisen.According to one another embodiment of the Invention, the individual sensor modules are arranged such that the fields of view of two directly adjacent sensor modules at least one predetermined overlap exhibit.
Das Vorsehen einer bewussten Überlappung zwischen einander benachbarten Gesichtsfeldern hat den Vorteil, dass bei der Herstellung und/oder beim Betrieb der beschriebenen Sensorvorrichtung auf eine exakte und ggf. aufwendige Justierung der einzelnen Sensormodule zueinander verzichtet werden kann. Auf die oben beschriebene und ggf. mechanisch recht aufwendige Justiervorrichtung kann dann verzichtet werden.The Provide a conscious overlap between adjacent fields of view has the advantage that at the manufacture and / or operation of the described sensor device an exact and possibly expensive adjustment of the individual sensor modules can be dispensed with each other. On the above described and possibly mechanically quite complicated adjustment can then be dispensed with become.
Es wird darauf hingewiesen, dass durch einen bewussten Überlapp im Überlappungsbereich die Beleuchtungsintensität aufgrund der doppelten Beleuchtung deutlich stärker sein kann. Sofern darauf geachtet wird, dass die doppelte Beleuchtung nicht so stark wird, dass der lichtempfindliche Sensor der verwendeten Kameraeinheit übersteuert wird, kann der Einfluss dieser doppelten Belichtung auch durch bekannte Methoden der Bildverarbeitung kompensiert werden.It it is noted that by a deliberate overlap in the overlap area the illumination intensity due to the double lighting can be significantly stronger. If so is taken care that the double lighting is not so strong, that the photosensitive sensor of the camera unit used overrides The influence of this double exposure can also be detected by known Methods of image processing can be compensated.
Die Beleuchtung kann in bekannter Weise durch ein sog. Sinus-Phasengitter erfolgen. Dabei wird auf das oder auf die zu vermessenden Objekte ein Beleuchtungslicht projiziert, welches in der durch die Beleuchtungsrichtung und die Beobachtungsrichtung definierten Triangulationsebene senkrecht zu der Beleuchtungsrichtung ein sinusförmiges Intensitätsprofil aufweist. Da die Sinusgitterprojektion einer Kodierung der zu messenden Pixel gleichkommt und die von der Kameraeinheit erfasste laterale Verschiebung der Sinus-Gitterphase für jedes Pixel in bekannter Weise von der jeweiligen Objekthöhe bestimmt wird, würden im Überlappungsbereich mit zwei verschiedenen sich überlagernden Sinusgitter-Projektionen falsche Höhen gemessen. Um mögliche Artefakte durch die doppelte Beleuchtung zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, können die Phasenlagen in den sinusförmigen Beleuchtungslichtprofilen von einander benachbarten Sensormodulen um ungefähr 230 Grad verschoben werden. In diesem Fall entsteht im Überlappungsbereich wiederum eine sinusförmige Intensitätsmodulation mit ungefähr gleicher Amplitude wie die beiden ursprünglichen Sinus-Intensitätsprofile. Im Falle eines flachen Messobjekts mit zu vernachlässigender Höhe hätte diese sinusförmige Intensitätsmodulation zu den ursprünglichen Sinus-Intensitätsprofilen eine Phasendifferenz von ungefähr 65 Grad.The lighting can be done in a known manner by a so-called. Sine phase grating. In this case, an illumination light is projected onto the object or objects to be measured, which has a sinusoidal intensity profile perpendicular to the illumination direction in the triangulation plane defined by the illumination direction and the observation direction. Since the sine grid projection equals coding of the pixels to be measured and the lateral displacement of the sine grid phase for each pixel detected by the camera unit is determined in a known manner by the respective object height, false heights would be measured in the overlapping area with two different overlapping sine grid projections. In order to prevent or at least reduce possible artifacts due to the double illumination, the phase positions in the sinusoidal illumination light profiles of mutually adjacent sensor modules can be shifted by approximately 230 degrees. In this case, another si is created in the overlap area Nusiform intensity modulation with approximately the same amplitude as the two original sinusoidal intensity profiles. In the case of a flat measurement object of negligible magnitude, this sinusoidal intensity modulation would have a phase difference of approximately 65 degrees to the original sinusoidal intensity profiles.
Im Höhenbild wird zwar im Überlappungsbereich der beiden einander benachbarten Sinus-Intensitätsgitter eine Nullpunktverschiebung der Höhenmessung entstehen. Diese Nullpunktverschiebung kann jedoch über Bildverarbeitungsmethoden bei der Bildberechnung berücksichtigt und herausgerechnet werden.in the height image is indeed in the overlap area the two adjacent sine intensity grids a zero shift the height measurement arise. However, this zero offset may be via image processing methods taken into account in the image calculation and be eliminated.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Bild gebende Kamera durch die im Überlappungsbereich neu entstandene Sinus-Intensitätsmodulation mit einem erhöhtem Offset und einer erhöhten Beleuchtungsstärke insbesondere bei einer starken Reflektivität der zu vermessenden Objekte leichter übersteuert werden kann. Daher kann es vorteilhaft sein, die Phasenlage der resultierenden Sinus-Intensitätsmodulation innerhalb des üblicherweise nicht so großen Überlappungsbereiches nicht zur Berechnung der Objekthöhe(n) heranzuziehen.It It is noted that the picture-taking camera through the new in the overlap area resulting sine intensity modulation with a heightened Offset and raised illuminance especially with a strong reflectivity of the objects to be measured slightly overdriven can be. Therefore, it may be advantageous, the phase angle of the resulting sine intensity modulation within the usual not so big overlap area not for calculating the object height (s) consulted.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass für die beschriebene Phasentriangulation bevorzugt vier Sinus-Phasenlagen bzw. die höheninduzierte Verschiebung von vier unterschiedlichen Phasengitterbeleuchtungen verwendet werden können. Dies ist vorteilhaft, da der entsprechende Rechenalgorithmus für vier verschiedene Phasenlagen deutlich weniger komplex und rechen aufwendig ist wie beispielsweise für lediglich drei Phasenlagen. Im typischerweise relativ kleinen Überlappungsbereich ist es jedoch in Bezug auf den gesamten Rechenaufwand weitgehend unerheblich, wenn ein aufwendiger Algorithmus zur Höhenberechnung erforderlich ist.It it is further noted that for the described phase triangulation preferably four sine-phase positions or the height-induced displacement be used by four different phase grating lights can. This is advantageous because the corresponding computational algorithm for four different Phasing significantly less complex and rake is expensive as for example only three phases. In the typically relatively small overlap area however, it is largely negligible in terms of overall computational effort, if a complicated algorithm for height calculation required is.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich eine Triggereinrichtung auf, welche mit den Sensormodulen gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass unmittelbar einander benachbarte Sensormodule zeitlich versetzt für jeweils eine Höhenvermessung aktivierbar sind.According to one another embodiment of the Invention, the sensor device additionally comprises a trigger device which is coupled to the sensor modules and set up in this way is that immediately adjacent sensor modules in time offset for one altitude measurement each can be activated.
Die beschriebene Triggereinrichtung kann auf besonders vorteilhafte und elegante Weise die oben beschriebene Problematik der Höhenauswertung innerhalb von Überlappungsbereichen beheben. Dabei können in einem eindimensionalen Array aus Sensormodulen beispielsweise die an ungeraden Positionen des Arrays angeordneten Sensormodule gleichzeitig zu einem ersten Zeitpunkt und die an geraden Positionen des Arrays angeordneten Sensormodule gleichzeitig zu einem unterschiedlichen zweiten Zeitpunkt aktiviert werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Aktivierungssequenzen denkbar, sofern gewährleistet wird, dass die Überlappungsbereiche zwischen zwei benachbarten Sensormodulen nicht zeitgleich durch beide angrenzenden Sensormodule vermessen werden.The described triggering device can be particularly advantageous and elegant way the above described problems of height evaluation within overlapping areas remedy. It can in a one-dimensional array of sensor modules, for example the sensor modules arranged at odd positions of the array at a first time and at even positions of the array arranged sensor modules simultaneously to a different second time to be activated. Of course, any are Other activation sequences conceivable, provided that it is ensured that the overlapping areas between two adjacent sensor modules not at the same time both adjacent sensor modules are measured.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste Sensormodul und/oder das zweite Sensormodul zusätzlich eine weitere Beleuchtungseinheit auf, welche eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer weiteren Beleuchtungsrichtung. Selbstverständlich kann auch das zumindest eine weitere Sensormodul eine weitere Beleuchtungseinheit aufweisen.According to one another embodiment of the Invention has the first sensor module and / or the second sensor module additionally another lighting unit, which is set up to illuminate an object to be measured under a further direction of illumination. Of course The at least one further sensor module can also be a further lighting unit exhibit.
Bevorzugt sind die Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinheit und die weitere Beleuchtungsrichtung der weiteren Be leuchtungseinheit unterschiedlich. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen können auf vorteilhafte Weise Abschattungseffekte eliminiert oder zumindest reduziert und auch Objekte mit einer großen Höhenausdehnung vollständig vermessen werden.Prefers are the illumination direction of the lighting unit and the others Lighting direction of the other lighting unit Be different. By using different lighting directions can advantageously eliminates shadowing effects or at least reduced and also completely surveyed objects with a large height extent become.
Abschattungseffekte können beispielsweise mittels zweier nacheinander bzw. sequentiell durchgeführter Aufnahmen herausgerechnet werden. Durch die beiden getrennten Aufnahmen unter jeweils einer aus einer anderen Richtung einfallenden Beleuchtung des oder der Messobjekte können auf verschiedenen Seiten des oder der Messobjekte entstehende Abschattungen jeweils durch eine Beleuchtung von der anderen Seite ausgeleuchtet werden.shadowing can for example, by means of two consecutively or sequentially performed recordings be calculated out. Through the two separate shots under each one incident from a different direction lighting of the measurement object (s) Shades arising on different sides of the object or objects each illuminated by a lighting from the other side become.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul eine Zeilenkamera auf. Dies bedeutet, dass die Sensormodule des beschriebenen Triangulationssensors jeweils eine typischerweise relativ kurze Lichtzeile erfassen können. Die Zeilenkamera ist dabei senkrecht zu der entsprechenden Triangulationsebene orientiert.According to one another embodiment of the Invention has the first, the second and / or the further sensor module a line camera on. This means that the sensor modules of the each described typically a triangulation sensor can capture relatively short line of light. The line scan camera is thereby oriented perpendicular to the corresponding triangulation plane.
Für eine vollständige dreidimensionale Vermessung der Oberfläche eines oder mehrerer Messobjekte kann dann eine Relativbewegung zwischen dem beschriebenen Triangulationssensor und dem oder den Messobjekten durchgeführt werden. Diese Relativbewegung verläuft zumindest anteilig senkrecht sowohl zu der Triangulationsebene als auch zu der Orientierung der Zeilenkamera bzw. der Zeilenkameras.For a full three-dimensional Surveying the surface One or more measurement objects can then have a relative movement between them described triangulation sensor and the one or more measuring objects carried out become. This relative movement is at least proportionally perpendicular both to the triangulation level and to the orientation of the Line scan camera or line scan cameras.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul eine Flächenkamera auf. Eine solche kann z. B. ein zweidimensionales CCD als Lichtempfänger aufweisen.According to one another embodiment of the Invention has the first, the second and / or the further sensor module a surface camera on. Such a z. B. have a two-dimensional CCD as a light receiver.
Durch die Verwendung von Flächenkameras kann mit den entsprechenden Sensormodulen jeweils ein zweidimensionales Bild von zumindest einem bestimmten Teilbereich eines elektronischen Schaltungssubstrates erfasst werden. Aufgrund der von den Sensormodulen durchgeführten Triangulationsmessungen können die Bilder auch Höheninformationen der einzelnen Bildpunkte umfassen, so dass auf diese Weise dreidimensionale Informationen erfasst werden können (es sich in diesem Fall also z. B. um dreidimensionale Bilder handelt).By the use of area cameras can with the corresponding sensor modules in each case a two-dimensional Image of at least one specific subarea of an electronic circuit substrate be recorded. Due to the triangulation measurements made by the sensor modules can the pictures also height information of the individual pixels, so that in this way three-dimensional Information can be captured (in this case, for example, these are three-dimensional images).
Die einzelnen Bilder können dann durch geeignete Bildauswertungsverfahren zu einem zwei- oder dreidimensionalen Gesamtbild aneinandergefügt werden. Bei dem Aneinanderfügen kann ein sog. "Stitching"-Verfahren verwendet werden, bei dem die einzelnen Bilder bzw. Teilbilder derart räumlich zueinander angeordnet werden, dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen. Zum Erzielen einer möglichst großen Übereinstimmung kann dabei auf zweidimensionale und/oder auf dreidimensionale Bilddaten zurückgegriffen werden.The individual pictures can then by appropriate image evaluation method to a two- or Three-dimensional overall picture are joined together. When joining can a so-called "stitching" method used be, in which the individual images or sub-images so spatially to each other be arranged that the mutually facing edge regions of in the overall picture of adjacent images one possible big match exhibit. To achieve one as possible great agreement can use two-dimensional and / or three-dimensional image data resorted become.
Das "Stitching" kann entlang zweier Raumrichtungen erfolgen. Im Falle einer dreidimensionalen Vermessung eines elektronischen Schaltungssubstrates, welches mittels einer Transportstrecke relativ zu der beschriebenen Sensorvorrichtung entlang einer Transportrichtung bewegt wird, kann das Aneinanderfügen bzw. das Stitching senkrecht und/oder parallel zu der Transportrichtung erfolgen.The "stitching" can be done along two Spatial directions take place. In the case of a three-dimensional survey an electronic circuit substrate, which by means of a Transport path relative to the described sensor device is moved along a transport direction, the joining or the stitching perpendicular and / or parallel to the transport direction respectively.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Fertigen von elektronischen Baugruppen beschrieben. Das beschriebene System weist auf (a) eine Bestückvorrichtung zum Bestücken von Bauelementeträgern mit elektronischen Bauelementen, und (b) eine automatische optische Inspektionsvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen der Bauelementeträ ger. Die optische Inspektionsvorrichtung weist wiederum eine Sensorvorrichtung des oben beschriebenen Typs auf.According to one Another aspect of the invention is a system for manufacturing electronic Modules described. The described system comprises (a) a Mounting device for loading of component carriers with electronic components, and (b) an automatic optical Inspection device for three-dimensional measurement of Bauelementeträ ger. The Optical inspection device in turn has a sensor device of the type described above.
Dem beschriebenen Fertigungssystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben genannte Sensorvorrichtung auf vorteilhafte Weise mit einer Bestückvorrichtung kombiniert und somit die Prozesssicherheit bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen verbessert werden kann. Die Inspektionsvorrichtung kann dabei in Bezug auf die Bestückvorrichtung eingangsseitig oder ausgangsseitig angeordnet sein. Auch der Einsatz von zwei Inspektionsvorrichtungen ist möglich, wobei in Bezug zu der Bestückvorrichtung eine erste Inspektionsvorrichtung eingangsseitig und eine zweite Inspektionsvorrichtung ausgangsseitig angeordnet sein kann.the described manufacturing system is based on the finding that the above-mentioned sensor device in an advantageous manner with a placement device combined and thus the process reliability in the production of electronic assemblies can be improved. The inspection device can with respect to the placement device be arranged on the input side or output side. Also the use of two inspection devices is possible, with respect to the placement device a first inspection device on the input side and a second Inspection device can be arranged on the output side.
Bei einer eingangsseitigen Anordnung können beispielsweise die Volumina von Lotpastenaufträgen vermessen werden, welche in bekannter Weise vor der Bestückung des Bauelementeträgers beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden. Falls ein fehlerhafter Lotpastenauftrag erkannt wird, kann der betreffende Bauelementeträger aus dem Bestückprozess entfernt und somit frühzeitig die Herstellung einer fehlerhaften Baugruppe vermieden werden.at an input-side arrangement, for example, the volumes of solder paste orders be measured, which in a known manner before the placement of the component support be applied for example by means of a screen printing process. If a faulty solder paste application is detected, the relevant component support from the placement process removed and thus early the production of a faulty module can be avoided.
Bei einer ausgangsseitigen Anordnung können auf vorteilhafte Weise die Positionen und auch die Höhen der auf einen Bauelementeträger aufgesetzten elektronischen Bauelemente vermessen werden. Durch eine von der oben beschriebenen Sensorvorrichtung ermittelte Höheninformation eines Bauelements können Informationen über den Typ des jeweiligen Bauelements bestimmt und so in der Regel eine korrekte Bestückung verifiziert werden.at an output-side arrangement can advantageously the positions and also the heights the on a component carrier patched electronic components are measured. By a height information determined by the above-described sensor device a component can information about determines the type of each component and so usually a correct assembly be verified.
Im Falle einer Fehlbestückung kann die betreffende Baugruppe vor einer Fixierung der Baugruppe beispielsweise durch eine Verlötung der Bauelemente mittels eines Reflow-Ofens ggf. durch eine Versetzung eines Bauelements hin zu einer korri gierten Position oder durch eine Neubestückung eines Bauelements repariert werden. Auf alle Fälle können jedoch fehlerhafte Baugruppen zuverlässig aus dem Fertigungsprozess entfernt werden. Die Zuverlässigkeit bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen kann somit erhöht werden.in the Case of a misadjustment The module in question may be prior to fixing the module for example by soldering the components by means of a reflow oven, if necessary by an offset a component towards a corrected position or by a reassembly a component to be repaired. In any case, however, faulty assemblies can reliable be removed from the manufacturing process. The reliability in the production of electronic components can thus be increased.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Lösung der Messaufgabe "Positionsmessung von Bauelementen relativ zu einer Sollposition" die übliche Referenzierung zu auf dem jeweiligen Bauelementeträger angebrachten Passmarken geändert werden kann. Bei einem bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung wird nämlich eine verfahrbare Kamera verwendet, die mittels einer oder mehrerer Bildaufnahmen die bestückten Bauelemente zusammen mit an definierten Stellen angebrachten Passmarken gemeinsam oder nacheinander vermessen kann. Derartige Passmarken werden häufig auch als sog. Fiducials bezeichnet.It It is pointed out that to solve the measuring task "Position measurement of components relative to a desired position "the usual referencing to the respective component carrier changed passport marks changed can be. In a known method for position determination that is a moveable camera used by means of one or more Image taken the stocked Components together with registration marks applied at defined locations can measure together or in succession. Such pass marks become common also referred to as so-called fiducials.
Da es bei der in dieser Anmeldung beschriebenen modular aufgebauten Sensorvorrichtung vorkommen kann, dass nicht in jeder Bildaufnahme eines Sensormoduls eine Fiducial-Marke zur Positionsreferenzierung vorhanden ist, können auch die bekannten CAD-Daten der jeweiligen Baugruppe, welche Daten eine Beschreibung der Bauelemente und deren Positionen relativ zu Passmarken enthalten, mittels bekannten Methoden der Bildverarbeitung über das Sensorbild gelegt und in seiner Position angepasst bzw. gefittet werden. Dabei wird von der Grundannahme ausgegangen, dass die Bauelemente in ihrer Gesamtheit einen nur geringen systematischen Versatz aufweisen. Die im Rahmen der statistischen Abweichungen befindlichen Positionsabweichungen von einzelnen Bauelementen können dadurch sicher bestimmt werden. Falls über eine gesamte Leiterplatte systematische Abweichungen vorhanden sein sollten, können diese über diejenigen Bildaufnahmen ermittelt werden, in denen zusätzlich eine Passmarke vorhanden ist.Since it may happen in the modular sensor device described in this application that not in every image acquisition of a sensor module a fiducial mark for position referencing is available, the known CAD data of each module, which data a description of the components and their positions contained relative to registration marks, placed on the sensor image using known methods of image processing and adapted in his position or fit. The basic assumption is that the components in their entirety have only a small syste have a matic offset. The positional deviations of individual components located within the scope of the statistical deviations can thereby be reliably determined. If systematic deviations should be present over an entire printed circuit board, these can be determined via those image recordings in which additionally a registration mark is present.
Die beschriebene Ersetzung der bekannten Referenzierung auf Passmarken durch eine Anpassung der von der Sensorvorrichtung ermittelten dreidimensionalen Messdaten an vorab bekannte CAD-Daten hat den Vorteil, dass eine präzise Positionierung des zu vermessenden Bauelementeträgers durch das Transportsystem bzw. das Transportband nicht erforderlich ist. Dadurch kann die Positionsvermessung auch ohne die Verwendung von üblicherweise sehr teuren Präzisionsmaßstäben durchgeführt werden.The described replacement of the known referencing to registration marks by an adaptation of the three-dimensional determined by the sensor device Measurement data on previously known CAD data has the advantage that a precise Positioning of the component carrier to be measured by the transport system or the conveyor belt is not required. This allows the Position measurement even without the use of customary very expensive precision standards are performed.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System zusätzlich eine Transportstrecke zum Transportieren der Bauelementeträger zwischen der Bestückvorrichtung und der Inspektionsvorrichtung auf.According to one embodiment According to the invention, the system additionally has a transport path for transporting the component carrier between the placement device and the inspection device.
Die Inspektionsvorrichtung mit der oben beschriebenen Sensorvorrichtung kann dabei stationär über der Transportstrecke angeordnet sein. Die Transportstrecke kann als Transport- bzw. Förderband ausgebildet sein. Die zu bestückenden oder die bereits bestückten Bauelementeträger können dann durch eine geeignete Bewegung des Transportbandes abgetastet und dabei dreidimensional vermessen werden.The Inspection device with the above-described sensor device can be stationary over the Be arranged transport route. The transport route can as Transport or conveyor belt be educated. The to be equipped or the already populated component support can then scanned by a suitable movement of the conveyor belt and be measured three-dimensionally.
Bei der stationären Anordnung der Inspektionsvorrichtung relativ zu einem Transportband bietet es sich an, wie oben beschrieben die einzelnen Sensormodule der modularen Sensorvorrichtung jeweils mit einer Zeilenkamera auszustatten. Sofern die Sensorzeile der Zeilenkamera senkrecht zu der Transportrichtung des Transportbandes orientiert ist, können die durch die einzelnen Sensormodule erzeugten Lichtzeilen durch eine geeignete Signalverarbeitung zu einer Gesamtlichtzeile zusammengesetzt werden, die sich quer über die gesamte Breite des Transportbandes erstreckt. Damit können auf dem Transportband relativ zu der stationären Inspektionsvorrichtung bewegte Objekte vollständig durch eine sukzessive zeilenförmige Erfassung von Höhenlinien dreidimensional erfasst werden.at the stationary one Arrangement of the inspection device relative to a conveyor belt It makes sense, as described above, the individual sensor modules the modular sensor device each equipped with a line scan camera. If the sensor line of the line scan camera is perpendicular to the transport direction The conveyor belt is oriented by the individual Sensor modules generated light lines by a suitable signal processing be assembled into a total line of light that extends across the entire width of the conveyor belt extends. With that you can the conveyor belt relative to the stationary inspection device moving objects completely by a successive line-shaped Detection of contour lines three-dimensional be recorded.
Da ein Transportband in der Fertigung von elektronischen Baugruppen insbesondere im Bereich der sog. Surface Mount Technology (SMT) standardmäßig verwendet wird, kann die oben beschriebene Sensorvorrichtung auf vorteilhafte Weise für die meisten Produktionsverfahren im Bereich der Elektronikfertigung verwendet werden. Durch den modularen Aufbau der Sensorvorrichtung kann die Breite derselben ohne großen Aufwand jeweils an die Breite des Transportbandes bzw. an die Breite der zu prüfenden Leiterplatten angepasst werden.There a conveyor belt in the production of electronic assemblies especially in the area of the so-called Surface Mount Technology (SMT) used by default the sensor device described above can be advantageous Way for most production processes in the field of electronics manufacturing be used. Due to the modular design of the sensor device can the width of the same without any great effort each to the Width of the conveyor belt or to the width of the printed circuit boards to be tested be adjusted.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation angegeben. Das angegebene Verfahren eignet sich insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen. Das Verfahren beinhaltet das Verwenden einer Sensorvorrichtung des oben beschriebenen Typs zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte.According to one Another aspect of the invention is a method for three-dimensional Measuring objects according to the principle of triangulation. The specified method is particularly suitable for the three-dimensional Measuring of applied on an electronic circuit substrate Components. The method includes using a sensor device of the type described above for three-dimensional measuring of Objects.
Dem angegebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Kombination der Ergebnisse von Triangulationsmessungen, die von den einzelnen Sensormodulen der oben beschriebenen Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, ein großer räumlicher Bereich auch dann vollständig vermessen werden kann, wenn jedes einzelne Triangulationsmodul jeweils nur einen vergleichsweise kleinen Bereich abdecken kann. Für die verwendete Sensorvorrichtung kann auf vorteilhafter Weise auf die in den jüngsten Jahren rasante Entwicklung der Kameratechnologie zurückgegriffen werden, welche dazu geführt hat, dass beispielweise für preiswerte Digitalkameras Kamerasensoren entwickelt wurden, die bei sehr geringen Kosten bereits eine hervorragende Bildaufnahmequalität ermöglichen.the The method is based on the finding that by a suitable combination of the results of triangulation measurements, that of the individual sensor modules of the sensor device described above be provided, a big one spatial Area also completely can be measured if each individual triangulation module respectively can cover only a comparatively small area. For the used Sensor device can be advantageously on in the recent years rapid development of camera technology can be resorted to led to has that, for example, for inexpensive digital cameras have been developed camera sensors that Already at a very low cost allow excellent image quality.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird (a) von unterschiedlichen Sensormodulen der Sensorvorrichtung jeweils ein zumindest zweidimensionales Bild, z. B. mit je einer Flächenkamera, aufgenommen und (b) werden die verschiedenen Bilder derart zu einem Gesamtbild aneinandergefügt, dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen.According to one embodiment The invention is (a) of different sensor modules of the sensor device in each case an at least two-dimensional image, for. B. with one each Area camera, and (b) the different images become one Total picture joined together, that the mutually facing edge portions of in the overall picture adjacent images have the greatest possible match.
Das Aneinanderfügen der einzelnen Teilbilder zu einem zwei- oder dreidimensionalen Gesamtbild kann auch als ein sog. "Stitching" bezeichnet werden. Dabei können bekannte Algorithmen zum geeigneten Aneinanderfügen der einzelnen Teilbilder verwendet werden. Unter einem dreidimensionalen "Stitching" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass mit jeweils einem zweidimensionalen Bild auch die Höheninformation von zumindest einigen Bildpunkten des jeweiligen Bildes bei der Beurteilung einer möglichst großen Übereinstimmung berücksichtigt wird.The put together of the individual partial images to a two- or three-dimensional overall picture also referred to as a so-called "stitching". It can known algorithms for the appropriate joining of the individual partial images used become. Under a three-dimensional "stitching" is understood in this context, that each with a two-dimensional image and the height information of at least some pixels of the respective image at the Assessment of a possible great agreement considered becomes.
Zum Aneinanderfügen von Teilbildern, die von unterschiedlichen Sensormodulen bei einer vorgegebenen räumlichen Lage der zu vermessenden Objekte erfasst wurden, kann z. B. auch zu Beginn einer Mess-Serie eine einmalige „Kalibrier-Stitching-Messung" erfolgen. Bei festgelegter räumlicher Anordnung der Sensormodule können dann im weiteren Verlauf dieser Mess-Serie die von diesen Sensormodulen erfassten Teilbilder aufgrund der ermittelten Referenzdaten aneinandergefügt werden, ohne die „Stitching-Prozedur" jedes Mal wieder durchlaufen zu müssen.To join together sub-pictures, the be detected by different sensor modules in a given spatial position of the objects to be measured, z. For example, at the beginning of a measurement series, a one-time "calibration stitching measurement" can be carried out.For a defined spatial arrangement of the sensor modules, the partial images captured by these sensor modules can be joined together on the basis of the determined reference data in the further course of this measurement series "Stitching procedure" each time to go through again.
Im Falle eines entlang einer Transportrichtung relativ zu der Sensorvorrichtung bewegten und zu vermessenden Objektes kann das beschriebene "Stitching" auch verwendet werden, um Teilbilder aneinander zu fügen, die durch ein Sensormodul von entlang der Transportrichtung benachbarten Teilbereichen des Objekts aufgenommen wurden. Insbesondere kann dies vorteilhaft dann verwendet werden, wenn keine oder wenn nur ungenaue Daten bezüglich der Bewegung des Schaltungssubstrates vorliegen. Dies hat den Vorteil, dass ein aussagekräftiges dreidimensionales Gesamtbild auch dann ermittelt werden kann, wenn die entsprechende Transportstrecke keine genaue Bewegungssteuerung aufweist und/oder wenn eine Erfassung der Transportbewegung nicht oder nur sehr ungenau erfolgt. Dies kann bedeuten, dass die Randbereiche der einzelnen Teilbilder auch ohne jegliches Vorwissen in geeigneter Weise aneinander gefügt werden können. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei Verwendung von Flächenkameras zu Bilderfassung zum Tragen, da die hier beschriebenen Verfahren dann keine Verfahrensschritte mehr aufweisen, die eine genaue Ermittlung der Transportbewegung des zu vermessenden Objekts erforderlich machen.in the Trap one along a transport direction relative to the sensor device moved and to be measured object, the described "stitching" can also be used to join partial images together the by a sensor module of adjacent to the transport direction Subareas of the object were recorded. In particular, can this can be used to advantage if no or if only inaccurate data regarding the movement of the circuit substrate are present. This has the advantage that a meaningful Three-dimensional overall picture can be determined even if the corresponding transport route does not have accurate motion control and / or if a detection of the transport movement is not or only very inaccurate he follows. This can mean that the margins of the individual Partial images also without any prior knowledge in a suitable manner to each other together can be. This advantage comes especially when using surface cameras to image capture for carrying, since the methods described here then no longer have procedural steps that require an accurate determination make the transport movement of the object to be measured required.
In diesem Zusammenhang wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei dem Aneinanderfügen selbstverständlich auch ggf. vorliegende Bewegungsdaten der Messobjekte berücksichtigt werden können.In However, in this context, it should be noted that the Of course also joining If applicable, the transaction data of the DUTs are taken into account can be.
An
dieser Stelle wird ferner darauf hingewiesen, dass ein Aneinanderfügen zumindest
entlang der Transportrichtung auch dann erfolgen kann, wenn die
Sensorvorrichtung lediglich ein Sensormodul aufweist. In diesem
Fall handelt es sich dann um ein
Verfahren zum dreidimensionalen
Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere
zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat
aufgebrachten Bauelementen, unter Verwendung eines Sensormoduls
mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit,
wobei
die Beleuchtungseinheit eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu
vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und
wobei
die Kameraeinheit eingerichtet ist zum Erfassen des zu vermessenden
Objekts unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung
einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt, das
Verfahren aufweisend
- – Aufnehmen von zumindest einem ersten und einem zweiten zumindest zweidimensionalen Bild mittels des Sensormoduls, wobei das erste Bild und das zweite Bild unterschiedliche aber einander angrenzende Teilbereiche des zu vermessenden Objekts zeigen,
- – Aneinanderfügen des zumindest ersten und zweiten Bildes zu einem Gesamtbild, so dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen.
Method for three-dimensionally measuring objects according to the principle of triangulation, in particular for three-dimensionally measuring components applied to an electronic circuit substrate, using a sensor module having a lighting unit and a camera unit,
wherein the lighting unit is adapted to illuminate an object to be measured under a lighting direction and
wherein the camera unit is configured to detect the object to be measured under an observation direction including a non-zero triangulation angle together with the illumination direction, comprising the method
- Receiving at least a first and a second at least two-dimensional image by means of the sensor module, wherein the first image and the second image show different but adjacent subareas of the object to be measured,
- - Joining the at least first and second image to a total image, so that the mutually facing edge regions of in the overall image adjacent images have the greatest possible match.
Die beiden Bilder können dabei entlang einer Transportrichtung des Messobjekts räumlich versetzt sein. Insbesondere können die beiden Bilder nur entlang dieser Transportrichtung räumlich versetzt sein.The both pictures can while spatially offset along a transport direction of the measurement object. In particular, you can the two images spatially offset only along this transport direction be.
Dies bedeutet, dass die von den Bildern erfassten Teilbereiche in der Transportrichtung gegeneinander versetzt sind. Im zweitgenannten Fall („nur entlang dieser Transportrichtung versetzt") weisen die Teilbereich dabei keinen Versatz senkrecht zu dieser Transportrichtung auf.This means that the areas covered by the images in the Transport direction are offset from each other. In the second mentioned Case ("only along this transport direction offset "), the sub-area have no Offset perpendicular to this transport direction.
Dies hat den Vorteil, dass zur Bildaufnahme lediglich das zu vermessende Objekt bzw. die zu vermessenden Objekte relativ zu einem stationär an der entsprechenden Transportstrecke angeordneten Sensormodul bewegt werden müssen. Eine zusätzliche Bewegung des Sensormoduls ist nicht erforderlich.This has the advantage that only the image to be measured Object or the objects to be measured relative to a stationary at the corresponding Transport path arranged sensor module must be moved. A additional Movement of the sensor module is not required.
Das vorstehend genannte Verfahren kann dabei weiterhin gemäß der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Patentansprüchen ausgestaltet sein.The The above-mentioned method can continue according to the present Description and the present claims be configured.
Die
vorstehend genannte Aufgabe wird dabei auch gelöst von einer Vorrichtung Sensorvorrichtung
zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten (
- • ein
Grundelement (
233 ), und - • ein
an dem Grundelement (
233 ) angebrachtes erstes Sensormodul (240a ),
wobei die Beleuchtungseinheit (
wobei die Kameraeinheit (
die Vorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die zur Durchführung eines der in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.The above object is also achieved by a device sensor device for the three-dimensional measurement of objects (
- • a basic element (
233 ), and - • one at the basic element (
233 ) mounted first sensor module (240a )
the lighting unit (
the camera unit (
the device comprises a control device which is designed to carry out one of the methods described in the preceding sections.
Dabei kann die Vorrichtung beispielsweise außer dem ersten Sensormodul keine weiteren analog zum ersten Sensormodul ausgestalteten Sensormodule aufweisen.there For example, the device may except the first sensor module no further analogous to the first sensor module configured sensor modules exhibit.
Diese Vorrichtung kann auch gemäß der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Patentansprüchen weiter ausgestaltet sein.These Device can also according to the present Description and the present claims further be configured.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das dreidimensionale Vermessen der Objekte auf der Grundlage einer Phasentriangulation. Bei der Phasentriangulation wird ein Beleuchtungslicht mit einem sinusförmigen Intensitätsprofil auf das Messobjekt projiziert. Die Höhenerstreckung des Messobjekts bewirkt dabei in bekannter Weise bei einer schrägen Beleuchtung und/oder einer schrägen Erfassung des Messobjekts eine laterale Verschiebung Δx der Phasenlage des Sinusgitters. Indem für jedes Pixel für verschiedene projizierte Phasenlagen die Intensität gemessen wird, kann die Phase und somit die Raumkoordinaten präzise ermittelt werden. Mit der Phasenverschiebung Φ lässt sich die Höhe des Messobjekts mit der oben angeführten Formel (3) berechnen.According to one another embodiment of the Invention, the three-dimensional surveying of the objects takes place the basis of a phase triangulation. In the phase triangulation becomes an illumination light with a sinusoidal intensity profile projected onto the test object. The height extension of the test object causes in a known manner with an oblique illumination and / or a bevel Detection of the object to be measured a lateral displacement Δx the phase position of the sine grid. By for every pixel for different projected phase positions measured the intensity , the phase and thus the spatial coordinates can be determined precisely become. With the phase shift Φ can be the height of the DUT with the above formula (3) calculate.
Die Verwendung der beschriebenen Phasentriangulation hat den Vorteil, dass die Höhenwerte der zu erfassenden Objekte besonders genau ermittelt werden können. Außerdem kann zur Auswertung der von der Kameraeinheit erfassten Bilder auf bekannte Algorithmen zur Analyse der entsprechenden Messdaten zurückgegriffen werden.The Using the described phase triangulation has the advantage that the elevation values of to be detected objects can be determined particularly accurately. In addition, can for evaluating the captured by the camera unit images on known Algorithms are used to analyze the corresponding measurement data become.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte zumindest eine Kalibriertabelle verwendet, welche für verschiedene Abstände zwischen einem Objekt und einem Objektiv des jeweiligen Sensormoduls jeweils einen Vergrößerungsmaßstab enthält.According to one another embodiment of the Invention is used for three-dimensional surveying of objects at least used a calibration table, which for different distances between a Object and a lens of the respective sensor module one each Magnification scale contains.
Die Verwendung einer Kalibriertabelle hat den Vorteil, dass die einzelnen Sensormodule mit einer einfachen Optik ausgestattet werden können, welche im Gegensatz zu bekannten und sehr teuren telezentrischen Objektiven einen mit dem Abstand Objekt zu Objektiv veränderlichen Abbildungsmaßstab aufweisen. Dies bedeutet, dass auf vorteilhafte Weise auf teure telezentrische Objektive verzichtet werden kann. Der dadurch verursachte variable Abbildungsmaßstab bzw. die dadurch verursachte optisch verzerrte Abbildung der einfachen Objekte kann durch eine Berücksichtigung der in der Kalibriertabelle enthaltenen Werte kompensiert werden.The Using a calibration table has the advantage that the individual Sensor modules can be equipped with a simple look, which in contrast to known and very expensive telecentric lenses have a with the distance object to lens variable magnification. This means that advantageously on expensive telecentric Lenses can be dispensed with. The variable caused thereby magnification or the resulting visually distorted image of the simple Objects can be considered by a consideration the values contained in the calibration table are compensated.
Die in dieser Anmeldung beschriebene Sensorvorrichtung und das beschriebene Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen, kann, je nach Ausgestaltung, beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen:
- (a) Für die einzelnen Sensormodule können preiswerte optische, elektronische und/oder optoelektronische Komponenten verwendet werden. Insbesondere sind keine telezentrischen Optiken erforderlich.
- (b) Durch die parallele Verwendung von mehreren Sensormodulen mit jeweils preiswerten Standardkomponenten kann die gesamte Sensorvorrichtung auf besonders preiswerte Weise hergestellt werden. Ein aufwendiges Layout mit einem (oder mehreren) großflächigen Kamerasensor ist nicht erforderlich.
- (c) Durch ein geeignetes Aneinanderfügen von verschiedenen Teilbildern kann im Falle von relativ zu der Sensorvorrichtung bewegten und zu vermessenden Messobjekten auch dann ein genaues Höhenprofil bestimmt werden, wenn für die Bewegung des oder der Messobjekte keine oder nur ungenaue Bewegungsdaten vorliegen. Dieser Vorteil kommt beim Verwenden von einer oder mehreren Flächenkameras besonders zum tragen.
- (a) inexpensive optical, electronic and / or optoelectronic components can be used for the individual sensor modules. In particular, no telecentric optics are required.
- (b) Through the parallel use of multiple sensor modules, each with inexpensive standard components, the entire sensor device can be manufactured in a particularly inexpensive manner. An elaborate layout with one (or more) large-area camera sensor is not required.
- (c) By a suitable joining together of different partial images, in the case of measured objects moved and to be measured relative to the sensor device, an exact height profile can be determined even if there is no or only imprecise movement data for the movement of the measurement object or objects. This advantage is particularly useful when using one or more surface cameras.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.Further Advantages and features of the present invention will become apparent the following exemplary description of presently preferred embodiments. The individual figures of the drawing of this application are merely to be regarded as schematic and not to scale.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben unterscheiden.At It should be noted that in the drawing the Reference signs of identical or corresponding components only in its first digit and / or by an appended letter differ.
Das
in
Die
Bestückvorrichtung
Die
Bestückung
eines Bauelementeträgers
Gemäß dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Bauelementeträger
Die
Lichtzeile
Wie
aus
Da
die Haltevorrichtung
Die
Sensormodule
Jeweils
zwei benachbarte Sensormodule
Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei den Objekten um elektronische Bauelemente
Wie
aus
Diese
Effekte können
jedoch bei einer Auswertung der gemessenen und durch die Höhenausdehnung
der Messobjekte
Gemäß dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel
können
diese durch eine doppelte Beleuchtung verursachten Effekte von vornherein
dadurch vermieden werden, dass die Beleuchtungseinheiten von zwei
benachbarten Sensormodulen
Gemäß dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Optiken
Die
Verendung der weiteren Beleuchtungseinheit
Abgesehen von den oben im Verlauf dieser Anmeldung beschriebenen Vorteilen weist die Sensorvorrichtung folgende weitere Vorteile auf:
- • Die Sensorvorrichtung kann auf einfache Weise in bereits bestehende Bestückvorrichtungen integriert bzw. mit bestehenden Bestückvorrichtungen kombiniert werden.
- • Die Sensorvorrichtung erlaubt im Vergleich zu bekannten optischen 3D-Messsystemen eine sehr schnelle Vermessung, so dass durch eine einer Bestückung nachgeschaltete Automatische Optische Inspektion die volle Bestückleistung bekannter Hochgeschwindigkeitsbestückautomaten beibehalten werden kann. Dies gilt auch für eine Online-3D Vermessung von Lotpastenaufträgen, welche vor einer Bestückung durchgeführt wird.
- • Die Sensorvorrichtung kann stationär angebracht werden.
- The sensor device can be easily integrated into existing placement devices or combined with existing placement devices.
- • The sensor device allows in comparison to known optical 3D measuring systems a very fast measurement, so that can be maintained by a placement downstream automatic optical inspection, the full placement of known Hochgeschwindigkeitsbestückautomaten. This also applies to an online 3D measurement of solder paste orders, which is carried out before assembly.
- • The sensor device can be mounted stationary.
Eine 3D Vermessung kann deshalb ohne die Verwendung von bewegten Komponenten durchgeführt werden. Lediglich bei länglichen Objekten wie beispielsweise Bauelementeträgern ist eine eindimensionale Bewegung derselben beispielsweise mittels eines Transportbandes bzw. einer Transportstrecke erforderlich.A Therefore, 3D surveying can be done without the use of moving components carried out become. Only at elongated Objects such as device carriers is a one-dimensional Movement of the same, for example by means of a conveyor belt or a transport route required.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.It It should be noted that the embodiments described herein only a limited Choice of possible variants represent the invention. So it is possible the characteristics of individual embodiments suitably combine with each other, so for the skilled person with the embodiments explicitly shown here a variety of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed.
- 100100
- Fertigungssystemmanufacturing system
- 110110
- Bestückvorrichtung/BestückautomatMounting device / placement machine
- 112112
- Chassischassis
- 114114
- stationärer Trägerarmstationary support arm
- 114a114a
- stationäre Linearführungstationary linear guide
- 116116
- quer stehender Trägerarmcrosswise standing support arm
- 116a116a
- Linearführunglinear guide
- 118118
- Bestückkopfplacement
- 120120
- Transportstrecketransport distance
- 122122
- Bauelementeträger/LeiterplatteComponent carrier / PCB
- 130130
- Inspektionsvorrichtung/SensorvorrichtungInspection device / sensor device
- 131131
- LichtzeileLichtzeile
- 132132
- Haltevorrichtungholder
- 140140
- Sensormodulsensor module
- 230230
- Inspektionsvorrichtung/SensorvorrichtungInspection device / sensor device
- 233233
- Grundelement/GrundplatteBase member / base
- 235235
- Arrayarray
- 240a240a
- Sensormodulsensor module
- 240b240b
- Sensormodulsensor module
- 240c240c
- Sensormodulsensor module
- 240d240d
- Sensormodulsensor module
- 242242
- Gehäusecasing
- 243243
- Justiereinrichtungadjusting
- 244244
- Kameraeinheitcamera unit
- 245245
- Kamerasensor/ZeilensensorCamera Sensor / line sensor
- 246246
- Optikoptics
- 248248
- Triggereinrichtungtrigger device
- 249249
- Triggerleitungtrigger line
- 250250
- Objektebeneobject level
- 252252
- Überlappungsbereichoverlap area
- 255255
- GesichtsfeldFacial field
- 290290
- Messobjekt/elektronisches BauelementMeasurement object / electronic module
- 340340
- Sensormodulsensor module
- 342342
- Gehäusecasing
- 344344
- Kameraeinheitcamera unit
- 345345
- Kamerasensor/ZeilensensorCamera Sensor / line sensor
- 346346
- Optikoptics
- 355355
- GesichtsfeldFacial field
- 360360
- Beleuchtungseinheitlighting unit
- 362362
- Lichtquelle mit optischem Elementlight source with optical element
- 366366
- Optikoptics
- 390390
- Messobjekt/elektronisches BauelementMeasurement object / electronic module
- 440440
- Sensormodulsensor module
- 442442
- Gehäusecasing
- 444444
- Kameraeinheitcamera unit
- 445445
- Kamerasensor/ZeilensensorCamera Sensor / line sensor
- 446446
- Optikoptics
- 460460
- Beleuchtungseinheitlighting unit
- 462462
- Lichtquelle mit optischem Elementlight source with optical element
- 466466
- Optikoptics
- 470470
- weitere BeleuchtungseinheitFurther lighting unit
- 472472
- Lichtquelle mit optischem Elementlight source with optical element
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- Optikoptics
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- Messobjekt/elektronisches BauelementMeasurement object / electronic module
Claims (15)
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Applications Claiming Priority (1)
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-
2008
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