DE102013216196A1

DE102013216196A1 - Erfassen der 3D Struktur eines auf einen Bauelementeträger aufgebrachten Depots aus Lotpaste

Info

Publication number: DE102013216196A1
Application number: DE201310216196
Authority: DE
Inventors: Marco Treiber
Original assignee: ASM Assembly Systems GmbH and Co KG
Current assignee: ASMPT GmbH and Co KG
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Beschrieben wird ein Bildverarbeitungssystem (100) sowie ein Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot (190) aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger (180) aufgebracht ist. Das Bildverarbeitungssystem (100) weist auf (a) eine Beleuchtungsanordnung (105, 305) mit (a1) einer ersten Lichtquelle (110, 210) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines ersten Beleuchtungslichts (110a), welches unter einer ersten schrägen Richtung auf eine Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, (a2) einer zweiten Lichtquelle (120, 220) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines zweiten Beleuchtungslichts (120a), welches unter einer zweiten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, und (a3) einer dritten Lichtquelle (130, 330) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines dritten Beleuchtungslichts (130a), welches unter einer dritten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt. Das Bildverarbeitungssystem (100) weist ferner auf (b) eine Kamera (150, 350), eingerichtet und angeordnet zum optischen Erfassen des Depots (190) aus Lotpaste, (c) eine Steuereinheit (162), eingerichtet zum Steuern der Beleuchtungsanordnung (105, 305) und der Kamera (150, 350) derart, dass von der Kamera (150, 350) sequentiell (c1) ein erstes Bild des Depots (190) bei dem ersten Beleuchtungslicht (110a), (c2) ein zweites Bild des Depots (190) bei dem zweiten Beleuchtungslicht (120a) und (c3) ein drittes Bild des Depots (190) bei dem dritten Beleuchtungslicht (130a) aufgenommen wird, und (d) eine Auswerteeinheit (164), welche der Kamera (150, 350) nachgeschaltet ist und welche eingerichtet ist, die dreidimensionale Struktur des Depots (190) basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild zu berechnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Elektronikfertigung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Bildverarbeitungssystem und ein Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht worden ist.
Hintergrund der Erfindung
Zur Erhöhung bzw. zur Sicherstellung der Prozess-Sicherheit bei der Fertigung von elektronischen Baugruppen ist es erforderlich, die auf eine Leiterplatte bzw. allgemein auf einen Bauelementeträger aufgebrachte Lotpaste optisch zu inspizieren. Lotpaste wird üblicherweise mittels eines sog. Screen Printers unter Verwendung eines Lotpastendruckverfahrens auf eine Leiterplatte transferiert. Bei einem solchen Lotpastentransfer wird typischerweise eine Negativ-Schablone über der zu bedruckenden Leiterplatte platziert. Diese Negativ-Schablone hat Aussparungen an allen Stellen, an denen die Leiterplatte mit Lotpaste bedruckt werden soll. Die Lotpaste wird dann mittels eines sog. Rakels ausgestrichen und so durch die Aussparungen in der Negativ-Schablone auf die Leiterplatte gedruckt.
Um bei einem derartigen Lotpastendruckverfahren typische Prozessfehler wie einen ungewollten Versatz der Negativ-Schablone zu der Leiterplatte oder das Verstopfen einzelnen Aussparungen zu erkennen, umfasst die Inspektion der so aufgebrachten Lotdepots typischerweise folgende Aufgaben: (a) Vermessen der Position der auf die Leiterplatte aufgebrachten Lotdepots, (b) Überprüfen der Fläche, auf die die Lotpaste aufgebracht wurde, (c) Überprüfen der Höhe der Lotpaste, aus der zusammen mit der Fläche dann das Volumen der aufgebrachten Lotpaste bestimmt werden kann, und/oder (d) Detektieren von Lotbrücken zwischen verschiedenen Anschlussflächen (sog. Pads) auf der Leiterplatte.
Um die vorstehend aufgeführten Inspektionsaufgaben mit ausreichender Genauigkeit durchführen zu können, ist es erforderlich, die Depots aus Lotpaste dreidimensional (3D) zu vermessen. Rein zweidimensionale (2D) Kamerabilder enthalten für ein robustes Vermessen der Lotpastendepots zu viele Störstrukturen bzw. erlauben es nicht, Information über die Lotpastenhöhe zu erhalten.
Ergebnis einer 3D Vermessung der Lotpastendepots ist eine sog. Höhenkarte, welche eine sog. z-Höhe (Höhe eines Oberflächenelements über der Oberseite der Leiterplatte) in Abhängigkeit von der sog. xy-Position (Position des betreffenden Oberflächenelements auf der Leiterplatte) darstellt. Auf Basis einer solchen Höhenkarte können dann die vorstehend aufgeführten Inspektionsaufgaben bzw. Überprüfungen in einer Auswerteeinheit durchgeführt werden.
Eine solche Höhenkarte wird in der Regel über die Projektion eines räumlich strukturierten Lichts mit einem vorgegebenen Intensitätsmusters (z.B. einem Streifen- oder Wellenmuster) auf die Leiterplatte ermittelt, indem die Lichtreflektionen dieses Musters von der Leiterplatte mit einer Kamera erfasst werden. Die Projektion erfolgt hierbei aus "schrägem" Winkel, d.h. zur Objektebene geneigt. Dadurch verschiebt sich je nach Höhe des Oberflächenelements des Lotpastendepots, auf welches Oberflächenelement ein Teil des Musters fällt, dessen Phase (phasenmessendes Triangulationsverfahren) oder es wird ein bestimmtes Interferenzmuster erzeugt (Moiré-Projektionsverfahren). Diese Effekte können durch wiederholte Projektion zueinander verschobener Muster mittels einer geeigneten Bildauswertung gemessen und in entsprechende Höheninformationen umgerechnet werden. Da die Projektion jedoch stets schräg erfolgt, führt dies in der Bildauswertung zu ungewollten Asymmetrien, welche dadurch ausgeglichen werden, dass mehrere Projektoren aus unterschiedlichen Richtungen eingesetzt werden. Dadurch wird die 3D Vermessung jedoch sowohl hinsichtlich der Durchführung der entsprechenden optischen Messungen als auch hinsichtlich der von einer Auswerteeinheit geforderten Rechenleistung sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht ist, zu vereinfachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Bildverarbeitungssystem zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht ist, beschrieben. Das beschriebene Bildverarbeitungssystem weist auf (a) eine Beleuchtungsanordnung mit (a1) einer ersten Lichtquelle zum Beleuchten des Depots mittels eines ersten Beleuchtungslichts, welches unter einer ersten schrägen Richtung auf eine Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, (a2) einer zweiten Lichtquelle zum Beleuchten des Depots mittels eines zweiten Beleuchtungslichts, welches unter einer zweiten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, und (a3) einer dritten Lichtquelle zum Beleuchten des Depots mittels eines dritten Beleuchtungslichts, welches unter einer dritten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, (b) eine Kamera, eingerichtet und angeordnet zum optischen Erfassen des Depots aus Lotpaste, (c) eine Steuereinheit, eingerichtet zum Steuern der Beleuchtungsanordnung und der Kamera derart, dass von der Kamera sequentiell (c1) ein erstes Bild des Depots bei dem ersten Beleuchtungslicht, (c2) ein zweites Bild des Depots bei dem zweiten Beleuchtungslicht und (c3) ein drittes Bild des Depots bei dem dritten Beleuchtungslicht aufgenommen wird, und (d) eine Auswerteeinheit, welche der Kamera nachgeschaltet ist und welche eingerichtet ist, die dreidimensionale Struktur des zumindest einen Depots basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild zu berechnen.
Dem beschriebenen Bildverarbeitungssystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unter Verwendung einer einzigen Kamera, welche zumindest einen Bereich des Bauelementeträgers mit dem zu vermessenden Depot aus Lotpaste (hier auch kurz Lotpastendepot bezeichnet) optisch erfasst, die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots erfasst werden kann, wenn zumindest drei verschiedene Bilder des Lotpastendepots bei jeweils unterschiedlichen Beleuchtungen aufgenommen werden. Dabei ist es nicht erforderlich, die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots mittels sog. strukturierten Beleuchtungen zu beleuchten, welche bei einer Änderung der Höhenlage auf dem dreidimensional zu vermessenden Objekt (hier das Lotpastendepot) verzerrt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind vielmehr lediglich gewöhnliche, d.h. räumlich unstrukturierte Beleuchtungen erforderlich, welche das zu vermessende Lotpastendepot unter unterschiedlichen schrägen Beleuchtungsrichtungen beleuchten.
Anschaulich ausgedrückt hängt die Helligkeit eines Oberflächenelements des Lotpastendepots in jedem unterschiedlichen Bild von der Neigung des Oberflächenelements relativ zu dem einfallenden Licht ab. Je steiler das betreffende Beleuchtungslicht auf das geneigte Oberflächenelement des Lotpastendepots trifft, desto heller erscheint das Oberflächenelement in dem entsprechenden Bild. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Kamera im Wesentlichen lediglich diffuse Lichtstreuungen erfasst, die an dem jeweiligen Oberflächenelement auftreten. Am hellsten wird ein Oberflächenelement dann erscheinen, wenn das Beleuchtungslicht des betreffenden Bildes zumindest annähernd senkrecht auf das Oberflächenelement trifft. Da jedes Oberflächenelement in den unterschiedlichen Bildern somit mit einem unterschiedlichen Beleuchtungslicht beleuchtet wurde, kann durch eine Kombination der Helligkeitswerte eines Oberflächenelements auf dessen Neigung sowie durch Kombination der Neigungswerte sämtlicher Oberflächenelemente auf die 3D-Struktur des gesamten Lotpastendepots geschlossen werden. Bei Kenntnis aller Neigungen der Oberflächenelemente kann dann die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots errechnet werden. Die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots kann insbesondere in Form einer sog. Höhenkarte dargestellt und im Rahmen einer automatischen Prozessführung weiterverarbeitet werden.
In diesem Dokument kann der Ausdruck "Beleuchtungslicht, welches unter einer schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers trifft" insbesondere bedeuten, dass die optische Achse des Beleuchtungslichts in Bezug zu der Objektebene geneigt ist. Dabei fällt die Oberfläche des Bauelementeträgers mit der Objektebene zusammen. Eine schräge Richtung definiert somit (a) einen Neigungswinkel der optischen Achse des entsprechenden Beleuchtungslichts in Bezug zu der Oberfläche des Bauelementeträgers und (b) einen Azimutwinkel zwischen der optischen Achse des entsprechenden Beleuchtungslichts und einer bestimmten Referenzachse innerhalb der Ebene der Oberfläche des Bauelementeträgers.
Unter dem Begriff "Bauelementeträger" kann in diesem Dokument jede Art von bestückungsfähigem Substrat, insbesondere eine Leiterplatte, verstanden werden. Ein Bauelementeträger kann starr oder auch flexibel sein. Ein Bauelementeträger kann auch sowohl starre als auch flexibel Bereiche aufweisen. verstanden werden.
Unter dem Begriff "Lotpastendepot" kann in diesem Dokument jede Menge an Lotpaste verstanden werden, welche im Rahmen eines Bauelementeträger-Druckprozesses an ein Anschlusspad des Bauelementeträgers transferiert worden ist. Nach einer Bestückung des Bauelementeträgers mit elektronischen Bauelementen, bei der die Bauelemente typischerweise mit ihren Anschlusselementen an der Lotpaste anhaften, kann die Lotpaste beispielsweise in einem sog. Reflow Ofen, in welchen der gesamte Bauelementeträger zusammen mit den darauf platzierten elektronischen Bauelementen eingebracht wird, aufgeschmolzen werden. Nach einer nachfolgenden Verfestigung der Lotpaste sind die elektronischen Bauelemente dann unter Berücksichtigung einer geeigneten Kontaktierung fest an dem Bauelementeträger fixiert.
Unter dem Begriff "Intensitätswerte" können insbesondere Werte eine Grauskala, z.B. zwischen 0 und 255 verstanden werden, wobei geringe Werte für eine geringe Lichtintensität des betreffenden Pixels in dem aufgenommen Bild stehen und wobei höhere Werte für eine höhere Lichtintensität des betreffenden Pixels in dem aufgenommen bzw. erfassten Bild stehen.
Eine für das beschriebene Bildverarbeitungssystem verwendbare Lichtquelle kann jede Art von lichtemittierendem Element sein, welches das jeweilige Beleuchtungslicht aussendet. Die lichtemittierende Fläche ist dabei bevorzugt möglichst klein, damit der Flächenbereich, aus dem das jeweilige Beleuchtungslicht ausgesandt wird, möglichst klein ist und damit der Rechenaufwand überschaubar bleibt, welcher von der Auswerteeinheit für die Berechnung der dreidimensionalen Struktur des zumindest einen Lotpastendepots geleistet werden muss. Bei der Verwendung von Punktlichtquellen wird der Rechenaufwand minimal. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in der Praxis bei den erforderlichen Berechnungen in der Regel immer vereinfacht eine Punktquelle angenommen wird. Wenn das Licht jedoch tatsächlich von einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle ausgestrahlt wird und das auf das Lotpastendepot einfallende Licht demzufolge einen gewissen Winkelbereich abdeckt, dann entspricht das verwendete Rechenmodell nicht mehr vollständig der Wirklichkeit und es kann zu Ungenauigkeiten/Abweichungen in der berechneten Höhenkarte kommen
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass bespielsweise bei Inkaufnahme eines etwas erhöhten Rechenaufwandes das in diesem Dokument beschriebenen Bildverarbeitungssystem mit einer bekannten bereits vorhandenen Beleuchtungsanordnung realisiert werden kann, welche ein zu vermessenden Objekt (beispielsweise eine zu vermessende Markierung einer in einem Bestückungsautomaten zu bestückenden Bauelementeträger) schräg unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln mittel flächigen Lichtquellen beleuchtet. Um einen aufwändigen Umbau der Beleuchtungsanordnung zu vermeiden, kann in vielen Anwendungen der mit flächigen Lichtquellen verbundene erhöhte Rechenaufwand oder die mit einer flächigen Lichtquelle verbundenen vorstehen beschriebenen Ungenauigkeiten/Abweichungen in Kauf genommen werden. In der Regel werden eher die Ungenauigkeiten/Abweichungen in Kauf genommen. Die gilt insbesondere, weil Untersuchungen gezeigt haben, dass das mit dem hier beschriebenen Bildverarbeitungssystem durchgeführte Verfahren auch bei räumlich ausgedehnten Lichtquellen zu außerordentlich stabilen und robusten Ergebnissen führt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben eine erste optische Achse des ersten Beleuchtungslichts, eine zweite optische Achse des zweiten Beleuchtungslichts und eine dritte optische Achse des dritten Beleuchtungslichts in Bezug zu der Oberfläche des Bauelementeträgers zumindest annähernd den gleichen Neigungswinkel und haben in Bezug zu einer Referenzachse innerhalb der Oberfläche des Bauelementeträgers jeweils einen unterschiedlichen Azimutwinkel.
Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, dass die verschiedenen Beleuchtungen das zu vermessende Lotpastendepot jeweils unter dem gleichen Neigungswinkel aber aus unterschiedlichen Richtungen (mit unterschiedlichen Azimutwinkeln) beleuchten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der gleiche Neigungswinkel zumindest annähernd 45°. Mit einer derartigen Beleuchtungsstruktur lässt sich in der Praxis ein guter Kompromiss zwischen der Genauigkeit der berechneten Höhenwerte sowie den Problemen, welche durch Abschattungseffekte entstehen, erzielen.
Die Verwendung eines einheitlichen Neigungswinkels von 45° hat den Vorteil, dass mit dem beschriebenen Bildverarbeitungssystem eine besonders hohe Genauigkeit und eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der dreidimensionalen Vermessung des Lotpastendepots erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bildverarbeitungssystem eine zentrale optische Achse auf, welche mit einer optischen Achse der Kamera und einer optischen Achse der Beleuchtungsanordnung zusammenfällt.
Dies bedeutet, dass ein Sensorchip der Kamera, ggf. unter Berücksichtigung einer Strahlumlenkung, auf der optischen Achse der Beleuchtungsanordnung liegt.
Die optische Achse der Beleuchtungsanordnung kann insbesondere eine Symmetrieachse der Beleuchtungsanordnung darstellen, um welche die verschiedenen Lichtquellen herum angeordnet sind. Bevorzugt fällt die räumliche Mitte desjenigen Bereichs auf dem Bauelementeträger, innerhalb welchen Bereichs das Lotpastendepot oder eine Mehrzahl von Lotpastendepots dreidimensional erfasst wird/werden, mit der optischen Achse des Beleuchtungsanordnung und damit auch sowohl mit der optischen Achse der Kamera als auch mit der zentralen optischen Achse des gesamten Bildverarbeitungssystems zusammen.
Ein Zusammenfallen der verschiedenen optischen Achsen, d.h. der optischen Achse der Kamera und der optischen Achse der Beleuchtungsanordnung zu der zentralen optischen Achse des gesamten Bildverarbeitungssystems hat den Vorteil, dass der Rechenaufwand, welcher in der Auswerteeinheit erforderlich ist, um die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots und der Mehrzahl von Lotpastendepots zu berechnen, minimiert werden kann, ohne dass eine Einbuße hinsichtlich der Genauigkeit der dreidimensionalen Vermessung des Lotpastendepots oder der Mehrzahl an Lotpastendepots hingenommen werden muss.
Bevorzugt befindet sich die Kamera, welche sequentiell unter verschiedenen Beleuchtungen das zu vermessende Lotpastendepot oder die zu vermessenden Lotpastendepots optisch erfasst, in Bezug auf die Oberfläche des Bauelementeträgers oberhalb des zu vermessenden Lotpastendepots oder oberhalb der zu vermessenden Lotpastendepots. Anschaulich ausgedrückt schaut die Kamera senkrecht von oben auf den zu vermessenden Bereich des Bauelementeträgers.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Lichtquellen zumindest annähernd gleichmäßig um die zentrale optische Achse des Bildverarbeitungssystems herum verteilt angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das zumindest eine Lotpastendepot, welches dreidimensional vermessen werden soll, von verschiedenen Richtungen (mit jeweils einem unterschiedlichen Azimutwinkel) gleichmäßig beleuchtet wird.
Die Lichtquellen können insbesondere derart um die zentrale optische Achse des Bildverarbeitungssystems herum verteilt angeordnet sein, dass ein Unterschied zwischen den Azimutwinkeln der optischen Achsen von zwei Lichtquellen, die einander benachbart sind, zumindest annähernd gleich ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist/sind die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle und/oder die dritte Lichtquelle jeweils mittels eines optischen Ausgangs eines Lichtwellenleiters realisiert, welcher eingangsseitig mit einer oder mit mehreren Primärlichtquellen optisch gekoppelt ist.
Mittels des beschriebenen Lichtwellenleiters kann das von der jeweiligen Primärlichtquelle ausgesandte Beleuchtungslicht an die Stelle weitergeleitet werden, von welcher aus der betreffende Bereich des Bauelementeträgers beleuchtet wird. Damit können z.B. eine, mehrere oder bevorzugt alle verwendeten Primärlichtquellen auf einer gemeinsamen Leiterplatine und damit innerhalb einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Es ist also auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich, elektrische Leitungen, über welche die Lichtquellen betrieben werden, außerhalb der gemeinsamen Leiterplatine zu verlegen.
Der Lichtwellenleiter kann ein Kunststoffbauteil sein, in welches an einer optischen Eingangsseite Licht eingekoppelt und von einer optischen Ausgangsseite das jeweilige Beleuchtungslicht emittiert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle und/oder die dritte Lichtquelle jeweils zumindest eine Leuchtdiode auf. Dies hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsanordnung mit langlebigen, wenig Strom verbrauchenden und preiswerten optischen Komponenten realisiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben das erste Beleuchtungslicht, dass zweite Beleuchtungslicht und das dritte Beleuchtungslicht zumindest annähernd die gleiche optische Spektralverteilung. Dies hat den Vorteil, dass die (diffusen) Lichtstreuungen, die an jedem Oberflächenelement des Lotpastendepots auftreten und die von der Kamera erfasst werden, für sämtliches Beleuchtungslicht grundsätzlich zumindest annähernd gleich sind so dass deren Intensität lediglich von der Orientierung bzw. von der Neigung des entsprechenden Oberflächenpixels abhängt. Eine spektrale Abhängigkeit der Lichtstreuungen braucht demzufolge nicht zu berücksichtigt werden. Auch dies trägt dazu bei, dass der Rechenaufwand, welcher zum Berechnen der dreidimensionalen Struktur des zumindest einen Lotpastendepots notwendig ist, überschaubar bleibt.
Bevorzugt ist das für alle Lichtquellen zumindest annähernd gleiche Beleuchtungsspektrum ein monochromatisches Spektrum, welches insbesondere von einer Leuchtdiode, beispielsweise von einer im blauen Spektralbereich emittierenden Leuchtdiode, emittiert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Beleuchtungsanordnung ferner eine vierte Lichtquelle zum Beleuchten des Depots mittels eines vierten Beleuchtungslichts auf, welches unter einem vierten schrägen Winkel auf die Oberfläche des Bauelementeträgers fällt. Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, die Beleuchtungsanordnung und die Kamera derart anzusteuern, dass von der Kamera ein viertes Bild des Depots bei dem vierten Beleuchtungslicht aufgenommen wird. Außerdem ist die Auswerteeinheit ferner eingerichtet, die dreidimensionale Struktur des Depots ferner basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem vierten Bild zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass die Erfassung der dreidimensionalen Struktur des Lotpastendepots mit einer besonders hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann. Insbesondere können mit Hilfe der aus der vierten Beleuchtungsebene resultierenden redundanten Information auf vorteilhafte Weise Störungen durch ggf. auftretende direkt spiegelnde Reflexionen effektiv unterdrückt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der unterschiedlichen Bilder, deren Pixel-Intensitätswerte für Berechnung der dreidimensionalen Struktur des Lotpastendepots verwendet werden, nicht beschränkt ist. Im Allgemeinen gilt, je größer die Anzahl der verwendeten unterschiedlichen Bilder ist, desto höher wird die Genauigkeit der dreidimensionalen Strukturvermessung sein. Allerdings wird die von dem beschriebenen Verfahren benötigte Zeit und insbesondere der Rechenaufwand, welcher zum Berechnen der dreidimensionalen Struktur des Lotpastendepots notwendig ist, mit zunehmender Anzahl der verwendeten Bilder höher.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die vierte Lichtquelle in entsprechender Weise wie die erste, die zweite und/oder die dritte Lichtquelle, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet sein kann. Dies gilt auch für den Neigungswinkel, den eine vierte optische Achse des vierten Beleuchtungslichts mit der Oberfläche des Bauelementeträgers einschließt und für die Anordnung der vierten Lichtquelle relativ zu der zentralen optischen Achse.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht ist, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Beleuchten des Depots mittels eines ersten Beleuchtungslichts, welches unter einer ersten schrägen Richtung auf eine Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, (b) ein Aufnehmen eines ersten Bildes des Depots mittels einer Kamera bei dem ersten Beleuchtungslicht, (c) ein Beleuchten des Depots mittels eines zweiten Beleuchtungslichts, welches unter einer zweiten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, (d) ein Aufnehmen eines zweiten Bildes des Depots mittels der Kamera bei dem zweiten Beleuchtungslicht, (e) ein Beleuchten des Depots mittels eines dritten Beleuchtungslichts, welches unter einer dritten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers fällt, (f) ein Aufnehmen eines dritten Bildes des Depots mittels der Kamera bei dem dritten Beleuchtungslicht, und (g) ein Berechnen der dreidimensionalen Struktur des zumindest einen Depots basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine kombinierte Bildauswertung von zumindest drei verschiedenen Bildern des zumindest einen Lotpastendepots, welche von ein und derselben Kamera bei jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen aufgenommen wurden, die dreidimensionale Struktur des zumindest einen Lotpastendepots berechnet werden kann. Dabei werden basierend auf den Intensitätswerten bzw. basierend auf der Helligkeit von einzelnen Pixeln in den verschiedenen Bildern die Neigungen der entsprechenden Oberflächenelemente in Bezug auf die jeweilige Beleuchtungsrichtung ermittelt. Bei einer Kenntnis der Neigungen aller Oberflächenelemente kann dann durch eine geeignete dreidimensionale Zusammensetzung aller Oberflächenelemente die gesamte räumliche Struktur des jeweiligen Lotpastendepots errechnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht ist, beschrieben. Das Computerprogram ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blue-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie beispielsweise eine Steuereinheit für einen Bestückungsautomaten derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Bildverarbeitungssystems zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger aufgebracht ist.
2a bis 2c illustrieren den Ablauf der Berechnung einer Höhenkarte von mehreren Lotpastendepots anhand einer Bildauswertung von drei bei verschiedenen Beleuchtungen aufgenommenen Grauwertbildern.
3 zeigt den Aufbau eines sog. Leiterplatten Vision Systems für Bestückungsautomaten, welches ohne einen Umbau von optischen oder mechanischen Komponenten zur Durchführung des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste verwendet werden kann.
4a und 4b zeigen eine Ausschnitt einer mit Lotpaste bedruckten Leiterplatte und ein mit dem hier beschriebenen Verfahren berechnete Höhenkarte.
Detaillierte Beschreibung
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit einem Bezugszeichen versehen sind, welches sich von dem Bezugszeichen der gleichen oder zumindest funktionsgleichen Merkmale bzw. Komponenten lediglich in der ersten Ziffer unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere 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.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Bildverarbeitungssystems 100, mit dem die dreidimensionale Struktur von zumindest einem Depot 190 aus Lotpaste erfasst werden kann, welches Lotpastendepot 190 auf einer Leiterplatte 180 aufgebracht worden ist. Das Bildverarbeitungssystem 100 weist eine Beleuchtungsanordnung 105 auf, die wiederum eine erste Lichtquelle 110, eine zweite Lichtquelle 120 und eine dritte Lichtquelle 130 umfasst. Die Lichtquellen 110, 120, 130 beleuchten das Lotpastendepot 190 von oben unter unterschiedlichen schrägen Winkeln. Die entsprechenden Lichtstrahlen des jeweiligen Beleuchtungslichts bzw. deren optische Achsen sind mit den Bezugszeichen 110a, 120a bzw. 130a gekennzeichnet.
Das Bildverarbeitungssystem 100 weist ferner eine Kamera 150 auf, welche oberhalb des zu vermessenden Lotpastendepots 190 auf einer zentralen optischen Achse 102 angeordnet ist. Die zentrale optische Achse 102 fällt mit der optischen Achse der Kamera 150, welche somit senkrecht von oben auf die Leiterplatte 180 blickt, und mit der optischen Achse der Beleuchtungsanordnung 105 zusammen.
Außerdem weist das Bildverarbeitungssystem 100 eine Datenverarbeitungseinheit 160 auf, welche eine Steuereinheit 162 und eine Auswerteeinheit 164 umfasst. Die Steuereinheit 162 ist mit der Kamera 150 und über gestrichelt dargestellte Verbindungsleitungen mit den Lichtquellen 110, 120 und 130 verbunden. Die Steuereinheit 162 steuert die Kamera 150 und die Lichtquellen 110, 120 und 130 so an, dass sequentiell ein erstes Bild des Lotpastendepots 190 bei dem ersten Beleuchtungslicht 110a, ein zweites Bild des Lotpastendepots 190 bei dem zweiten Beleuchtungslicht 120a und ein drittes Bild des Lotpastendepots 190 bei dem dritten Beleuchtungslicht 130a aufgenommen wird. Die Auswerteeinheit 164 ist eingerichtet, die dreidimensionale Struktur des Lotpastendepots 190 basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild zu berechnen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel haben eine erste optische Achse 110a des ersten Beleuchtungslichts, eine zweite optische Achse 120a des zweiten Beleuchtungslichts und eine dritte optische Achse 130a des dritten Beleuchtungslichts in Bezug zu einer Oberflächennormalen der Leiterplatte 180 bzw. in Bezug zu der zentralen optischen Achse 102 den gleichen Neigungswinkel α. In Bezug zu einer Referenzachse innerhalb der Oberfläche der Leiterplatte 180 haben die optischen Achse 110a, 120a, 130a jeweils einen unterschiedlichen Azimutwinkel, wobei die Lichtquellen 110, 120, 130 gleichmäßig um die zentrale optische Achse 102 des Bildverarbeitungssystems 100 herum verteilt angeordnet sind.
Anschaulich ausgerückt wird mit dem Bildverarbeitungssystem 100 eine Höhenkarte der zu vermessenden Lotpastendepots dadurch berechnet, dass von der Leiterplatte 180 bzw. von dem betreffenden Ausschnitt der Leiterplatte 180 mehrere Kamerabilder aufgenommen werden, wobei jedes Kamerabild mit einer aus unterschiedlicher Richtung erfolgter Beleuchtung aufgenommen wird. Für jedes Pixel der Kamerabilder stehen nun in Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten Lichtquellen 110, 120, 130 mehrere (hier drei) Intensitäts- bzw. Grauwerte zur Verfügung, ein Wert pro Lichtquelle. Aus diesen Intensitätswerten kann nun die Neigung (sowohl in x- als auch in y-Richtung) desjenigen Oberflächenelements des Lotpastendepots relativ zur optischen Achse 102 der Kamera berechnet werden, welches im jeweiligen Pixel abgebildet ist. Aus den beiden Neigungen (in x- und in y-Richtung) lässt sich die gesuchte Höhenkarte berechnen.
2a bis 2c illustrieren einen dreistufigen Ablauf der Berechnung einer Höhenkarte von mehreren Lotpastendepots anhand einer Bildauswertung von drei unter verschiedenen Beleuchtungen aufgenommenen Grauwertbildern. Es handelt sich somit um ein Stereo-Verfahren, wobei die Bilder jedoch nicht wie beim "klassischen" Stereo von verschiedenen, an unterschiedlichen Orten positionierten Kameras aufgenommen werden. Vielmehr werden die Bilder von lediglich einer einzigen Kamera bei verschiedenen Beleuchtungen aufgenommen.
In 2a ist dargestellt, wie für jedes Pixel basierend auf den jeweiligen Intensitätswerten in den (hier drei) Bildern ein Intensitätsvektor bestimmt wird. Die drei Bilder, die in 2a schräg hintereinander dargestellt sind, zeigen schematisch jeweils eine Intensitätsverteilung, die sich bei einer der drei Beleuchtungen ergibt. Aus diesen Intensitätsvektoren, deren Dimension durch die Anzahl (hier drei) der verschiedenen Lichtquellen bestimmt ist, wird dann eine Neigungskarte berechnet, bei der jedem Oberflächenelement, welches durch seine xy Position auf der Leiterplatte bestimmt ist, zwei Neigungen, eine Neigung p(x, y) entlang der x-Richtung und eine Neigung q(x, y) entlang der y-Richtung zugeordnet werden. 2b zeigt oben eine Neigungskarte, bei der die Neigungen p(x, y) entlang der x-Richtung aufgetragen sind. 2b zeigt unten eine Neigungskarte, bei der die Neigungen q(x, y) entlang der y-Richtung aufgetragen sind. Auch die beiden in 2b dargestellten Neigungskarten sind Intensitätsverteilungen. Die Helligkeit eines jeden Pixels ist ein direktes Maß für die Stärke der Neigungen p(x, y) bzw. q(x, y).
Die beiden Neigungskarten p(x, y) bzw. q(x, y) können basierend auf folgenden physikalischen Überlegungen berechnet werden: Die von der Kamera beobachtete Lichtintensität I_C ergibt sich aus folgender Gleichung: I_C = I₀·ρ·cos(σ)
Dabei ist I₀ die Beleuchtungsstärke des von der betreffenden Lichtquelle ausgesandten Lichts, ρ der Albedo (das Rückstrahlungsvermögen des betreffenden optisch streuenden Oberflächenelements) und σ der Winkel zwischen der Beleuchtungsrichtung s und der Normalen n des betrachteten Oberflächenelements (cos(σ) = s·n). Ziel für die Berechnung der Neigungskarten ist der Vektor n. Hierbei werden ρ, I₀ und n zunächst zu einem Vektor n‘ zusammengefasst und cos(σ) als Skalarprodukt s·n geschrieben. Dabei ergibt sich folgende Gleichung:
In Matrixschreibweise ergibt die obige Gleichung folgendes lineares Gleichungssystem:
Die Lösung dieses linearen Gleichungssystems und eine anschließende Normierung ergibt, wie in den nachstehenden Gleichungen beschrieben, für jedes Oberflächenelement die gesuchte Neigung n.
Es wird darauf hingewiesen, dass für den Fall, dass vier unterschiedliche Lichtquellen verwendet und damit für jedes Pixel insgesamt vier Intensitätswerte aufgenommen werden, für jedes Pixel getrennt in einem Vorschritt bestimmt werden kann, mit welchen drei Werten das Gleichungssystem aufgestellt und gelöst wird.
Basierend auf den beiden in 2b dargestellten Neigungskarten p(x, y) und q(x, y) wird dann in einem dritten Schritt eine Höhenkarte ermittelt, welche in 2c perspektivisch dargestellt ist.
Die Berechnung der Höhenkarte kann basierend auf einer Kenntnis der Neigungskarten p(x, y) und q(x, y) dadurch erfolgen, dass berücksichtigt wird, dass sich p(x, y) und q(x, y) aus der partiellen Ableitung der Höhe Z(x, y) nach x (dZ/dx) bzw. der partiellen Ableitung der Höhe Z(x, y) nach y (dZ/dy) ergibt. Aus dieser Überlegung heraus ergibt sich folgende Differentialgleichung für das Fehlerfunktional J für die Höhenkarte Z(x, y): J[Z(x, y)] = ∫∫(∂Z/∂x – p)² + (∂Z/∂y – q)²dxddy
Das Fehlerfunktional J beschreibt die Abweichungen der Ableitungen der berechneten Höhenkarte Z(x, y) zu den beobachteten Neigungskarten p(x, y) und q(x, y).
Eine Minimierung dieses Fehlerfunktionals J[Z(x, y)] auf der Basis der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ist äquivalent zu einer Lösung der sog. Poisson Gleichung ∇²Z(x, y) = div (p, q). Dabei ist das gesuchte Z(x, y) dasjenige Argument des Fehlerfunktionals J, welches Argument das Fehlerfunktional minimiert. Die Poisson Gleichung kann auf bekannte Weise numerisch gelöst werden.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Lotpastendepot kann unter Verwendung eines bereits bekannt Vision Systems realisiert werden, welches beispielsweise in SIPLACE^TM Bestückungsautomaten der Firma ASM zur Vermessung von Leiterplattenmarkierungen verwendet wird. Ein derartiges Vision System 303 ist in 3 in einer Explosionsansicht dargestellt. Es kann ohne einen Umbau von optischen oder mechanischen Komponenten zur Durchführung des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot aus Lotpaste verwendet werden. Es ist lediglich erforderlich, eine in 1 dargestellte Steuereinheit zu verwenden, welche die verschiedenen Lichtquellen und die Kamera in geeigneter Weise ansteuert. Ferner muss eine in 3 nicht dargestellte Auswerteeinheit in geeigneter Weise programmiert werden, so dass die dreidimensionale Struktur der Lotpastendepots basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in den verschiedenen aufgenommenen Bildern berechnet werden kann.
Wie aus 3 ersichtlich, weist das Vision System 303 als Chassis eine Montageplatte 304 auf, an welcher eine Kamera 350 mit einer Objektlinse 352 angebracht ist. An der Montageplatte 304 ist ferner eine Beleuchtungsanordnung 305 angebracht, welche eine Leiterplatine 308 aufweist. An der Leiterplatine 308 ist eine Vielzahl von Leuchtdioden angebracht, welche es erlauben, ein zu erfassenden Objekt unter verschiedenen Winkeln und ggf. auch mit verschiedenfarbigem Licht zu beleuchten. Für das in diesem Dokument beschriebene Erfassen der dreidimensionalen Struktur von Lotpastendepots sind jedoch lediglich einige wenige der Leuchtdioden erforderlich. Diese erforderlichen Leuchtdioden, welche in diesem Dokument als Primärlichtquellen bezeichnet werden, sind mit den Bezugszeichen 312, 322 und 342 versehen.
Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier verschiedenen Lichtquellen 310, 320, 330, 340 vorgesehen, welche jeweils mit einem Lichtwellenleiter 314, 324, 334 und 344 realisiert sind. Der optische Ausgang des jeweiligen Lichtwellenleiters 314, 324, 334 und 344, welcher Ausgang jeweils durch die nach innen gerichtete gekrümmte Fläche realisiert ist, stellt dann die lichtemittierende Fläche der jeweiligen Lichtquelle 310, 320, 330, 340 dar. Ein in Richtung der Leiterplatine 308 gerichteter optischer Eingang der Lichtwellenleiter 314, 324, 334 und 344 ist mit den jeweiligen Primärlichtquellen 312, 322, bzw. 342 und einer weiteren in 3 nicht dargestellten Primärlichtquelle optisch gekoppelt. In der perspektivischen Darstellung von 3 sind die dem Lichtwellenleiter 334 zugeordneten Primärlichtquellen nicht zu erkennen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel emittieren die Primärlichtquellen 312, 322, 342 und die weitere in 3 nicht dargestellten Primärlichtquelle, die jeweils einem Lichtwellenleiter 314, 324, 334, 344 bzw. einem Beleuchtungssektor zugeordnet sind, blaues Licht. Selbstverständlich sind auch andere Spektralfarben möglich.
Zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Lotpastendepot kann dann folgender Messablauf verwendet werden:

(A) Positionieren eines Portalsystems mit dem Vision System 303 so, dass sich die Kamera 350 über dem auszuwertenden Bereich der Leiterplatte mit den Lotpastendepots befindet.
(B) Sequentielles Aufnehmen von vier Bildern, wobei für jedes Bild ein anderer Beleuchtungssektor eingeschaltet wird.
(C) Berechnen der Höhenkarte aus den Intensitätswerten von diesen vier Bildern.
(D) Durchführen diverser Inspektionsaufgaben auf Basis dieser berechneten Höhenkarte.

Die 4a zeigt einen Ausschnitt einer mit Lotpaste bedruckten Leiterplatte. 4b zeigt die mit dem hier beschriebenen Verfahren berechnete Höhenkarte.
Eine weitere prinzipiell denkbare Einsatzmöglichkeit des in diesem Dokument beschriebenen Bildverarbeitungssystems besteht darin, 2D-Positionsmessungen basierend auf der Höhenkarte durchzuführen, um z.B. auf der Leiterplatte befindliche Positionsmarken besser zu erkennen. Beispielsweise mag das Erscheinungsbild einer Struktur im Helligkeitsbild derart gestört sein, dass eine robuste Positionsmessung im Helligkeitsbild nicht möglich ist, jedoch in einer mit dem hier beschriebenen Verfahren berechneten Höhenkarte, da die Struktur z.B. deutlich höher als ihre Umgebung ist.
Das in diesem Dokument beschriebene Bildverarbeitungssystem und das entsprechende Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von Lotpastendepots haben u.a. die folgenden Vorteile:
Geringe Komplexität: Benötigt werden lediglich eine Industriekamera sowie eine geeignete Beleuchtung. Im Vergleich zu bekannten Moiré-Verfahren sind keine Projektoren erforderlich (dort sind typischerweise 2 bis 4 Projektoren zur Erzeugung des Musters im Einsatz, mit dem der Auswertebereich belichtet wird). Damit ist auch kein Abgleich zwischen Projektoren und Kamera erforderlich.
Geringer Entwicklungsaufwand: Der Entwicklungsaufwand zum Implementieren einer Möglichkeit zum dreidimensionalen Erfassen von Lotpastendepots in einen Bestückungsautomaten ist ebenfalls wesentlich geringer als für die Entwicklung eines Vision Systems basierend auf der Moiré-Methode, da das hier beschriebene Bildverarbeitungssystem wesentlich einfacher aufgebaut ist.
Kosten: Da für das hier beschriebene Bildverarbeitungssystem eine Standard-Kamera eingesetzt werden kann, betragen die Hardware-Kosten lediglich einen Bruchteil der geschätzten Kosten für einen Bildverarbeitungssystem mit Moiré-Projektion.
Platzbedarf: Eine Standard-Kamera incl. Beleuchtung benötigt nur einen Bruchteil des Bauraums, welchen ein Vision System mit zusätzlichen Projektor(en) benötigen würde. Somit kann mit dem hier beschriebenen Verfahren eine Lotpasteninspektion in bestehende Bestückungsmaschinen integriert werden, ohne andere Funktionalitäten einschränken zu müssen. Es wird keine separate externe Inspektionsmaschine bzw. kein separates Portalsystem benötigt.
Der Einsatz des hier beschriebenen Verfahrens ist insbesondere für SIPLACE^TM SMT-Bestückautomaten besonders geeignet, weil die bereits vorhandene Hardware (Leiterplatten-Kamera) für diese Messaufgabe ebenfalls verwendet werden kann. Lediglich die Ansteuerung der verschiedenen Beleuchtungen bzw. Beleuchtungssektoren muss modifiziert werden. Somit ist der Hardware-Entwicklungsaufwand sehr klein und es entsteht kein zusätzlicher Platzbedarf. Damit muss kein eigenes Portalsystem für die Lotpasteninspektion verwendet bzw. "geopfert" werden.
Das hier beschriebene Verfahren kann auch auf vorteilhafte Weise auch in einem sog. Leiterplattendrucker durchgeführt werden, in welchem in bekannter Weise Lotpaste durch eine Druckschablone hindurch auf eine Leiterplatte transferiert wird. Es kann also unmittelbar nach dem Auftrag von Lotpaste auf eine Leiterplatte überprüft werden, ob die in dem Leiterplattendrucker auf Anschlussflächen der Leiterplatte erzeugten Lotpastendepots ein gewünschtes Volumen haben. Sollte dies nicht der Fall sein, dann kann die betreffende Leiterplatte als Ausschuss verworfen und ggf. die Druckparameter für den Leiterplattendrucker geändert werden.
Bezugszeichenliste

100: Bildverarbeitungssystem
102: zentrale optische Achse / optische Achse der Kamera / optische Achse der Beleuchtungsanordnung
105: Beleuchtungsanordnung
110: erste Lichtquelle
110a: erstes Beleuchtungslicht / erste optische Achse
120: zweite Lichtquelle
120a: zweites Beleuchtungslicht / zweite optische Achse
130: dritte Lichtquelle
130a: drittes Beleuchtungslicht / dritte optische Achse
150: Kamera
160: Datenverarbeitungseinheit
162: Steuereinheit
164: Auswerteeinheit
180: Bauelementeträger / Leiterplatte
190: Lotpastendepot
303: Vision System
304: Montageplatte
305: Beleuchtungsanordnung
308: Leiterplatine
310: erste Lichtquelle
312: erste Leuchtdioden / Primärlichtquellen
314: erster Lichtwellenleiter
320: zweite Lichtquelle
322: zweite Leuchtdioden / Primärlichtquellen
324: zweiter Lichtwellenleiter
330: dritte Lichtquelle
334: dritter Lichtwellenleiter
340: vierte Lichtquelle
342: vierte Leuchtdioden / Primärlichtquellen
344: vierter Lichtwellenleiter
350: Kamera
352: Objektivlinse

Claims

Bildverarbeitungssystem zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot (190) aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger (180) aufgebracht ist, das Bildverarbeitungssystem (100) aufweisend eine Beleuchtungsanordnung (105, 305) mit – einer ersten Lichtquelle (110, 310) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines ersten Beleuchtungslichts (110a), welches unter einer ersten schrägen Richtung auf eine Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, – einer zweiten Lichtquelle (120, 320) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines zweiten Beleuchtungslichts (120a), welches unter einer zweiten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, und – einer dritten Lichtquelle (130, 330) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines dritten Beleuchtungslichts (130a), welches unter einer dritten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, eine Kamera (150, 350), eingerichtet und angeordnet zum optischen Erfassen des Depots (190) aus Lotpaste, eine Steuereinheit (162), eingerichtet zum Steuern der Beleuchtungsanordnung (105, 305) und der Kamera (150, 350) derart, dass von der Kamera (150, 350) sequentiell – ein erstes Bild des Depots (190) bei dem ersten Beleuchtungslicht (110a), – ein zweites Bild des Depots (190) bei dem zweiten Beleuchtungslicht (120a) und – ein drittes Bild des Depots (190) bei dem dritten Beleuchtungslicht (130a) aufgenommen wird, und eine Auswerteeinheit (164), welche der Kamera (150, 350) nachgeschaltet ist und welche eingerichtet ist, die dreidimensionale Struktur des zumindest einen Depots (190) basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild zu berechnen.
Bildverarbeitungssystem gemäß dem vorangehenden Anspruch 1, wobei eine erste optische Achse (110a) des ersten Beleuchtungslichts, eine zweite optische Achse (120a) des zweiten Beleuchtungslichts und eine dritte optische Achse (130a) des dritten Beleuchtungslichts in Bezug zu der Oberfläche des Bauelementeträgers (180) zumindest annähernd den gleichen Neigungswinkel haben und in Bezug zu einer Referenzachse innerhalb der Oberfläche des Bauelementeträgers (180) jeweils einen unterschiedlichen Azimutwinkel haben.
Bildverarbeitungssystem gemäß dem vorangehenden Anspruch 2, wobei der gleiche Neigungswinkel zumindest annähernd 45° ist.
Bildverarbeitungssystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bildverarbeitungssystem (100) eine zentrale optische Achse (102) aufweist, welche mit einer optischen Achse der Kamera (150, 350) und einer optischen Achse der Beleuchtungsanordnung (105, 305) zusammenfällt.
Bildverarbeitungssystem gemäß dem vorangehenden Anspruch 4, wobei die Lichtquellen (110, 310, 120, 320, 130, 330) zumindest annähernd gleichmäßig um die zentrale optische Achse (102) des Bildverarbeitungssystems (100) herum verteilt angeordnet sind.
Bildverarbeitungssystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Lichtquelle (310), die zweite Lichtquelle (320) und/oder die dritte Lichtquelle (330) jeweils mittels eines optischen Ausgangs eines Lichtwellenleiters (314, 324, 334) realisiert ist, welcher eingangsseitig mit einer oder mit mehreren Primärlichtquellen (312, 322) optisch gekoppelt ist.
Bildverarbeitungssystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Lichtquelle (110, 310), die zweite Lichtquelle (120, 320) und/oder die dritte Lichtquelle (130, 330) jeweils zumindest eine Leuchtdiode (312, 322) aufweisen.
Bildverarbeitungssystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Beleuchtungslicht (110a), das zweite Beleuchtungslicht (120a) und das dritte Beleuchtungslicht (130a) zumindest annähernd die gleiche optische Spektralverteilung haben.
Bildverarbeitungssystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beleuchtungsanordnung (305) ferner aufweist – eine vierte Lichtquelle (340) zum Beleuchten des Depots (190) mittels eines vierten Beleuchtungslichts, welches unter einem vierten schrägen Winkel auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, wobei die Steuereinheit (162) ferner eingerichtet ist, die Beleuchtungsanordnung (305) und die Kamera (350) derart anzusteuern, dass von der Kamera (350) – ein viertes Bild des Depots (190) bei dem vierten Beleuchtungslicht aufgenommen wird, und wobei die Auswerteeinheit (164) ferner eingerichtet ist, die dreidimensionale Struktur des Depots (190) ferner basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem vierten Bild zu berechnen.
Verfahren zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot (190) aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger (180) aufgebracht ist, das Verfahren aufweisend Beleuchten des Depots (190) mittels eines ersten Beleuchtungslichts (110a), welches unter einer ersten schrägen Richtung auf eine Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, Aufnehmen eines ersten Bildes des Depots (190) mittels einer Kamera (150, 350) bei dem ersten Beleuchtungslicht (110a), Beleuchten des Depots (190) mittels eines zweiten Beleuchtungslichts (120a), welches unter einer zweiten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (190) fällt, Aufnehmen eines zweiten Bildes des Depots (190) mittels der Kamera (150, 350) bei dem zweiten Beleuchtungslicht (120a), Beleuchten des Depots (190) mittels eines dritten Beleuchtungslichts (130a), welches unter einer dritten schrägen Richtung auf die Oberfläche des Bauelementeträgers (180) fällt, Aufnehmen eines dritten Bildes des Depots (190) mittels der Kamera (150, 350) bei dem dritten Beleuchtungslicht (130a), und Berechnen der dreidimensionalen Struktur des zumindest einen Depots (190) basierend auf Intensitätswerten von einzelnen Pixeln in dem ersten Bild, in dem zweiten Bild und in dem dritten Bild.
Computerprogramm zum Erfassen der dreidimensionalen Struktur von zumindest einem Depot (190) aus Lotpaste, welches auf einem Bauelementeträger (180) aufgebracht ist, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 10 eingerichtet ist.