DE102013216196A1 - Detecting the 3D structure of a deposited on a component carrier depot of solder paste - Google Patents

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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.Disclosed is an image processing system (100) and a method for detecting the three-dimensional structure of at least one depot (190) made of solder paste, which is applied to a component carrier (180). The image processing system (100) comprises (a) an illumination arrangement (105, 305) with (a1) a first light source (110, 210) for illuminating the depot (190) by means of a first illumination light (110a) which is under a first oblique direction (a2) a second light source (120, 220) for illuminating the depot (190) by means of a second illumination light (120a), which under a second oblique direction on the surface of the device carrier (180) and (a3) a third light source (130, 330) for illuminating the depot (190) by means of a third illumination light (130a) which falls on the surface of the device carrier (180) under a third oblique direction. The image processing system (100) further comprises (b) a camera (150, 350) arranged and arranged for optically detecting the depot (190) of solder paste, (c) a control unit (162) arranged to control the illumination arrangement (105, 305) and the camera (150, 350) such that from the camera (150, 350) sequentially (c1) a first image of the depot (190) in the first illumination light (110a), (c2) a second image of the depot (c1) 190) in the second illumination light (120a) and (c3) a third image of the depot (190) in the third illumination light (130a) is taken, and (d) an evaluation unit (164), which the camera (150, 350) connected downstream and which is arranged to calculate the three-dimensional structure of the depot (190) based on intensity values of individual pixels in the first image, in the second image, and in the third image.

Description

Technisches GebietTechnical area

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. The present invention relates generally to the technical field of electronics manufacturing. More particularly, the present invention relates to an image processing system and method for detecting the three-dimensional structure of at least one solder paste depot deposited on a device carrier.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

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. To increase or to ensure process reliability in the production of electronic assemblies, it is necessary to visually inspect the solder paste applied to a printed circuit board or generally to a component carrier. Solder paste is usually transferred onto a printed circuit board by means of a so-called screen printer using a solder paste printing method. In such a solder paste transfer, a negative stencil is typically placed over the printed circuit board to be printed. This negative template has recesses at all points where the circuit board is to be printed with solder paste. The solder paste is then spread out by means of a so-called doctor blade and thus printed on the circuit board through the recesses in the negative template.

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. In order to detect process defects typical of such a solder paste printing process such as unwanted offset of the negative stencil to the printed circuit board or clogging of individual recesses, the inspection of the solder deposits thus deposited typically involves the following tasks: (a) measuring the position of the solder deposits applied to the printed circuit board; (b) checking the area to which the solder paste has been applied; (c) checking the height of the solder paste from which together with the area the volume of applied solder paste can be determined; and / or (d) detecting solder bridges between different ones Pads (so-called pads) on the circuit board.

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. In order to carry out the inspection tasks described above with sufficient accuracy, it is necessary to measure the depots of solder paste three-dimensionally (3D). Purely two-dimensional (2D) camera images contain too many interfering structures for a robust measurement of the solder paste depots or do not allow to obtain information about the solder paste height.

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.The result of a 3D measurement of the solder paste deposits is a so-called height map, which represents a so-called z-height (height of a surface element above the top of the printed circuit board) as a function of the so-called xy-position (position of the relevant surface element on the printed circuit board). On the basis of such a height map, the above-listed inspection tasks or checks can then be carried out in an evaluation unit.

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. Such a height map is typically determined by projecting a patterned light having a given intensity pattern (e.g., a stripe or wave pattern) onto the circuit board by detecting the light reflections of that pattern from the circuit board with a camera. The projection takes place here from "oblique" angle, i. inclined to the object plane. As a result, depending on the height of the surface element of the solder paste deposit on which surface element a part of the pattern falls, its phase shifts (phase-measuring triangulation method) or a specific interference pattern is generated (moiré projection method). These effects can be measured by repeated projection of mutually shifted patterns by means of a suitable image analysis and converted into corresponding height information. However, since the projection always takes place at an angle, this leads to unwanted asymmetries in the image evaluation, which are compensated by the fact that several projectors are used from different directions. As a result, however, the 3D measurement becomes very complicated both with regard to the execution of the corresponding optical measurements and with regard to the computing power required by an evaluation unit.

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. The invention is based on the object of simplifying detection of the three-dimensional structure of at least one depot made of solder paste, which is applied to a component carrier.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.

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. According to a first aspect of the invention, an image processing system for detecting the three-dimensional structure of at least one depot of solder paste which is applied to a component carrier is described. The described image processing system comprises (a) an illumination arrangement with (a1) a first light source for illuminating the depot by means of a first illumination light which falls on a surface of the component carrier under a first oblique direction (a2) of a second light source for illuminating the depot and (a3) a third light source for illuminating the depot by means of a third illumination light incident on the surface of the device carrier under a third oblique direction, (b) a second illumination light incident on the surface of the device carrier under a second oblique direction; Camera, arranged and arranged for optically detecting the depot of solder paste, (c) a control unit, configured to control the illumination arrangement and the camera such that from the camera sequentially (c1) a first image of the depot at the first illumination light, (c2) a second picture of Dep ots in the second illumination light and (c3) a third image of the depot in the third illumination light is taken, and (d) an evaluation unit, which is connected downstream of the camera and which is arranged, the three-dimensional structure of the at least one depot based on intensity values of individual Calculate pixels in the first image, in the second image, and in the third image.

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. The image processing system described is based on the knowledge that the three-dimensional structure of the solder paste depot can be detected by using a single camera which optically detects at least one area of the component carrier with the solder paste depot to be measured (here also referred to as solder paste depot for short), if at least three different images of the solder paste depot are taken at different lighting. It is not necessary to illuminate the three-dimensional structure of the solder paste depot by means of so-called structured illuminations, which are distorted in a change in the altitude on the three-dimensional object to be measured (here the solder paste depot). Rather, in the method of the invention, only ordinary, i. spatially unstructured lighting is required, which illuminate the solder paste depot to be measured under different oblique illumination directions.

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. Illustratively, the brightness of a surface element of the solder paste deposit in each different image depends on the inclination of the surface element relative to the incident light. The steeper the illumination light concerned strikes the inclined surface element of the solder paste deposit, the brighter the surface element appears in the corresponding image. It is assumed that the camera detects essentially only diffuse light scattering, which occur at the respective surface element. A surface element will appear brightest when the illuminating light of the relevant image strikes the surface element at least approximately perpendicularly. Since each surface element in the different images was thus illuminated with a different illuminating light, a combination of the brightness values of a surface element on its inclination and by combining the inclination values of all surface elements on the 3D structure of the entire solder paste depot can be concluded. With knowledge of all inclinations of the surface elements then the three-dimensional structure of the solder paste depot can be calculated. The three-dimensional structure of the solder paste depot can be represented in particular in the form of a so-called elevation map and further processed as part of an automatic process control.

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. In this document, the term "illuminating light incident on the surface of the device carrier under an oblique direction" may mean, in particular, that the optical axis of the illuminating light is inclined with respect to the object plane. The surface of the component carrier coincides with the object plane. An oblique direction thus defines (a) an inclination angle of the optical axis of the corresponding illuminating light with respect to the surface of the device carrier, and (b) an azimuth angle between the optical axis of the corresponding illuminating light and a certain reference axis within the plane of the surface of the device carrier.

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. The term "component carrier" can be understood in this document to mean any type of substrate capable of mounting, in particular a printed circuit board. A component carrier can be rigid or flexible. A component carrier may also have both rigid and flexible areas. be understood.

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. The term "solder paste depot" in this document means any amount of solder paste that has been transferred to a connection pad of the component carrier as part of a component carrier printing process. After an assembly of the component carrier with electronic components, in which the components typically adhere to the solder paste with their connection elements, For example, the solder paste can be melted in a so-called reflow oven, in which the entire component carrier is placed together with the electronic components placed thereon. After a subsequent solidification of the solder paste, the electronic components are then firmly fixed to the component carrier taking into account a suitable contacting.

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. The term "intensity values" may in particular be values of gray scale, e.g. between 0 and 255, with low values for a low light intensity of the relevant pixel in the captured image, and higher values for a higher light intensity of the relevant pixel in the captured image.

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 kommenA light source usable for the described image processing system may be any type of light emitting element emitting the respective illumination light. The light-emitting surface is preferably as small as possible, so that the surface area from which the respective illumination light is emitted, is as small as possible and thus the computational effort remains manageable, which must be made by the evaluation unit for the calculation of the three-dimensional structure of at least one Lotpastendepots. When using point light sources, the computational effort is minimal. It should be noted, however, that in practice the required calculations are usually always simplified and assume a point source. However, if the light is actually emitted by a spatially extended light source and the light incident on the solder paste deposit therefore covers a certain angular range, then the used calculation model no longer completely corresponds to reality and inaccuracies / deviations in the calculated height map can occur

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. In this connection, it is pointed out that, for example, when accepting a somewhat increased amount of computation, the image processing system described in this document can be realized with a known, already existing illumination arrangement which has an object to be measured (for example, a mark to be measured of a component carrier to be populated in a placement machine). obliquely illuminated at different illumination angles medium flat light sources. In order to avoid a costly conversion of the lighting arrangement, in many applications, the increased computational complexity associated with planar light sources or the inaccuracies / deviations associated with a planar light source can be accepted. As a rule, the inaccuracies / deviations are more likely to be accepted. This applies in particular because investigations have shown that the method carried out with the image processing system described here leads to extremely stable and robust results even with spatially extended light sources.

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. According to an embodiment of the invention, a first optical axis of the first illumination light, a second optical axis of the second illumination light, and a third optical axis of the third illumination light have at least approximately the same inclination angle with respect to the surface of the device carrier and have reference to a reference axis within the first Surface of the component carrier each have a different azimuth angle.

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. To put it clearly, this means that the different illuminations illuminate the solder paste depot to be measured at the same inclination angle, but from different directions (with different azimuth angles).

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.According to a further embodiment of the invention, the same inclination angle is at least approximately 45 °. With such a lighting structure, in practice, a good compromise can be achieved between the accuracy of the calculated height values and the problems which arise from shadowing effects.

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. The use of a uniform inclination angle of 45 ° has the advantage that with the described image processing system, a particularly high accuracy and a particularly high reliability in the three-dimensional measurement of the solder paste depot can be achieved.

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. According to a further embodiment of the invention, the image processing system has a central optical axis which coincides with an optical axis of the camera and an optical axis of the illumination arrangement.

Dies bedeutet, dass ein Sensorchip der Kamera, ggf. unter Berücksichtigung einer Strahlumlenkung, auf der optischen Achse der Beleuchtungsanordnung liegt. This means that a sensor chip of the camera, possibly taking into account a beam deflection, lies on the optical axis of the illumination arrangement.

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. In particular, the optical axis of the illumination arrangement can represent an axis of symmetry of the illumination arrangement around which the various light sources are arranged. The spatial center of the area on the component carrier within which the solder paste deposit or a plurality of solder paste depots is detected three-dimensionally preferably coincides with the optical axis of the illumination arrangement and thus also with the optical axis of the camera as well as with the central optical axis the entire image processing system together.

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. A collapse of the various optical axes, i. the optical axis of the camera and the optical axis of the illumination arrangement to the central optical axis of the entire image processing system has the advantage that the computational effort required in the evaluation unit to calculate the three-dimensional structure of the solder paste deposit and the plurality of solder paste depots are minimized can be tolerated without sacrificing the accuracy of the three-dimensional measurement of Lotpastendepots or the plurality of Lotpastendepots.

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. Preferably, the camera is located, which sequentially under different illuminations to be measured solder paste depot or to be measured Lotpastendepots optically, with respect to the surface of the device carrier above the solder paste deposit to be measured or above the measured Lotpastendepots. In terms of clarity, the camera looks vertically from above onto the area of the component carrier to be measured.

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. According to a further exemplary embodiment of the invention, the light sources are distributed at least approximately uniformly around the central optical axis of the image processing system. This has the advantage that the at least one solder paste depot, which is to be measured three-dimensionally, is uniformly illuminated by different directions (each with a different azimuth angle).

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. Specifically, the light sources may be distributed around the central optical axis of the image processing system such that a difference between the azimuth angles of the optical axes of two light sources adjacent to each other is at least approximately equal.

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. According to a further exemplary embodiment of the invention, the first light source, the second light source and / or the third light source are respectively realized by means of an optical output of an optical waveguide which is optically coupled on the input side to one or more primary light sources.

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. By means of the described optical waveguide, the illumination light emitted by the respective primary light source can be forwarded to the point from which the relevant area of the component carrier is illuminated. Thus, e.g. one, several or preferably all used primary light sources on a common printed circuit board and thus be arranged within a common plane. It is therefore advantageously not necessary to lay electrical lines, via which the light sources are operated, outside the common printed circuit board.

Der Lichtwellenleiter kann ein Kunststoffbauteil sein, in welches an einer optischen Eingangsseite Licht eingekoppelt und von einer optischen Ausgangsseite das jeweilige Beleuchtungslicht emittiert wird. The optical waveguide can be a plastic component into which light is coupled at an optical input side and the respective illumination light is emitted from an optical output side.

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. According to a further exemplary embodiment of the invention, the first light source, the second light source and / or the third light source each have at least one light-emitting diode. This has the advantage that the lighting arrangement can be realized with durable, low power consuming and inexpensive optical components.

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. According to a further exemplary embodiment of the invention, the first illumination light, the second illumination light and the third illumination light have at least approximately the same optical spectral distribution. This has the advantage that the (diffuse) light scattering that occurs at each surface element of the solder paste deposit and that are detected by the camera are basically at least approximately the same for all illuminating light, so that their intensity depends only on the orientation or the inclination of the corresponding Surface pixels depends. A spectral dependence of the light scattering therefore need not be taken into account. This also contributes to the fact that the computational effort, which is necessary for calculating the three-dimensional structure of the at least one solder paste deposit, remains manageable.

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. The illumination spectrum which is at least approximately the same for all light sources is preferably a monochromatic spectrum, which is emitted in particular by a light-emitting diode, for example by a light-emitting diode emitting in the blue spectral range.

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.According to a further exemplary embodiment of the invention, the illumination arrangement furthermore has a fourth light source for illuminating the depot by means of a fourth illumination light which falls onto the surface of the component carrier at a fourth oblique angle. The control unit is further configured to control the illumination arrangement and the camera such that a fourth image of the depot is taken by the camera in the fourth illumination light. Moreover, the evaluation unit is further configured to further calculate the three-dimensional structure of the depot based on intensity values of individual pixels in the fourth image. This has the advantage that the detection of the three-dimensional structure of the solder paste depot can be carried out with a particularly high accuracy. In particular, with the aid of the redundant information resulting from the fourth lighting level, disturbances due to any directly reflecting reflections can be effectively suppressed.

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. It should be noted that the number of different images whose pixel intensity values are used for calculating the three-dimensional structure of the solder paste deposit is not limited. In general, the larger the number of different images used, the higher the accuracy of the three-dimensional texture measurement will be. However, the time required by the described method and, in particular, the computational effort required to calculate the three-dimensional structure of the solder paste deposit becomes higher as the number of images used increases.

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. It is further noted that the fourth light source may be formed in a similar manner as the first, the second and / or the third light source, as described above. This also applies to the angle of inclination, which includes a fourth optical axis of the fourth illumination light with the surface of the device carrier and for the arrangement of the fourth light source relative to the central optical axis.

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. According to a further aspect of the invention, a method is described for detecting the three-dimensional structure of at least one depot made of solder paste, which is applied to a component carrier. The method described comprises (a) illuminating the depot by means of a first illumination light which falls on a surface of the component carrier under a first oblique direction, (b) taking a first image of the depot by means of a camera in the first illumination light (c ) illuminating the depot by means of a second illuminating light incident on the surface of the component carrier under a second oblique direction, (d) taking a second depot image by means of the camera in the second illuminating light, (e) illuminating the depot by means of a third illumination light falling on the surface of the device carrier under a third oblique direction, (f) taking a third image of the depot by the camera in the third illumination light, and (g) calculating the three-dimensional structure of the at least one depot based on intensity values of individual pixels in de m first image, in the second image and in the third image.

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. The described method is also based on the knowledge that the three-dimensional structure of the at least one solder paste deposit can be calculated by a combined image evaluation of at least three different images of the at least one solder paste deposit taken by one and the same camera under different illumination conditions. In this case, based on the intensity values or based on the brightness of individual pixels in the different images, the inclinations of the corresponding surface elements are determined with respect to the respective illumination direction. With a knowledge of the inclinations of all surface elements can then be calculated by a suitable three-dimensional composition of all surface elements, the entire spatial structure of each Lotpastendepots.

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.According to a further aspect of the invention, a computer program for detecting the three-dimensional structure of at least one depot made of solder paste, which is applied to a component carrier, is described. The computer program, when executed by a processor, is configured to perform the method described above.

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.For the purposes of this document, the mention of such a computer program is synonymous with the notion of a program element, a computer program product and / or a computer-readable medium containing instructions for controlling a computer system, the operation of a system or a method suitably coordinated in order to achieve the effects associated with the method according to the invention.

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.The computer program may be implemented as a computer-readable instruction code in any suitable programming language such as JAVA, C ++, etc. The computer program can be stored on a computer-readable storage medium (CD-ROM, DVD, Blue-ray disk, removable drive, volatile or non-volatile memory, built-in memory / processor, etc.). The instruction code may program a computer or other programmable device, such as a slot controller, to perform the desired functions. Further, the computer program may be provided in a network, such as the Internet, from where it may be downloaded by a user as needed.

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. The invention can be implemented both by means of a computer program, i. software, as well as by means of one or more special electronic circuits, i. in hardware or in any hybrid form, i. using software components and hardware components.

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. It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. In particular, some embodiments of the invention are described with apparatus claims and other embodiments of the invention with method claims. However, it will be readily apparent to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to a type of subject matter, any combination of features that may result in different types of features is also possible Subject matters belong.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

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. 1 shows in a schematic representation of the basic structure of an image processing system for detecting the three-dimensional structure of at least one depot of solder paste, which is applied to a component carrier.

2a bis 2c illustrieren den Ablauf der Berechnung einer Höhenkarte von mehreren Lotpastendepots anhand einer Bildauswertung von drei bei verschiedenen Beleuchtungen aufgenommenen Grauwertbildern. 2a to 2c illustrate the process of calculating a height map of a plurality of solder paste depots on the basis of an image analysis of three gray level images taken at different illuminations.

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. 3 shows the structure of a so-called printed circuit board vision system for placement machines, which can be used without a modification of optical or mechanical components for performing the method described in this document for detecting the three-dimensional structure of at least one depot of solder paste.

4a und 4b zeigen eine Ausschnitt einer mit Lotpaste bedruckten Leiterplatte und ein mit dem hier beschriebenen Verfahren berechnete Höhenkarte. 4a and 4b show a section of a solder paste printed circuit board and calculated using the method described here height map.

Detaillierte Beschreibung Detailed description

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. It should be noted that features of different embodiments, which are the same or at least functionally identical to the corresponding features or components of the embodiment, are provided with a reference numeral, which is different from the reference character of the same or at least functionally identical features or Components only in the first digit differs. In order to avoid unnecessary repetitions, features or components already explained on the basis of a previously described embodiment will not be explained in detail later.

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.It should also be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. In particular, it is possible to suitably combine the features of individual embodiments with one another, so that a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed to the person skilled in the art with the embodiment variants explicitly illustrated here.

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. 1 shows a schematic representation of the basic structure of an image processing system 100 with which the three-dimensional structure of at least one depot 190 From solder paste can be detected, which Lotpastendepot 190 on a circuit board 180 has been applied. The image processing system 100 has a lighting arrangement 105 on, which in turn is a first light source 110 , a second light source 120 and a third light source 130 includes. The light sources 110 . 120 . 130 light the solder paste depot 190 from above at different oblique angles. The corresponding light beams of the respective illumination light or their optical axes are denoted by the reference numerals 110a . 120a respectively. 130a characterized.

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. The image processing system 100 also has a camera 150 on which above the solder paste deposit to be measured 190 on a central optical axis 102 is arranged. The central optical axis 102 coincides with the optical axis of the camera 150 , which thus perpendicular to the top of the circuit board 180 looks, and with the optical axis of the lighting arrangement 105 together.

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. In addition, the image processing system has 100 a data processing unit 160 on which a control unit 162 and an evaluation unit 164 includes. The control unit 162 is with the camera 150 and dashed lines shown connecting lines with the light sources 110 . 120 and 130 connected. The control unit 162 controls the camera 150 and the light sources 110 . 120 and 130 so that, sequentially, a first image of the solder paste deposit 190 at the first illumination light 110a , a second picture of the Lotpastendepot 190 in the second illumination light 120a and a third picture of the solder paste depot 190 at the third illumination light 130a is recorded. The evaluation unit 164 is set up, the three-dimensional structure of the solder paste depot 190 based on intensity values of individual pixels in the first image, in the second image, and in the third image.

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. According to the embodiment shown here have a first optical axis 110a of the first illumination light, a second optical axis 120a of the second illumination light and a third optical axis 130a of the third illumination light with respect to a surface normal of the printed circuit board 180 or with respect to the central optical axis 102 the same inclination angle α. With respect to a reference axis within the surface of the circuit board 180 have the optical axis 110a . 120a . 130a each a different azimuth angle, the light sources 110 . 120 . 130 evenly around the central optical axis 102 of the image processing system 100 are arranged distributed around.

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. Clearly disengaged with the image processing system 100 calculates a height map of the solder paste deposits to be measured by that of the printed circuit board 180 or from the relevant section of the circuit board 180 multiple camera images are recorded, each camera image is taken with a made of different directions lighting. For each pixel of the camera images are now dependent on the number of light sources used 110 . 120 . 130 several (here three) intensity or gray values available, one value per light source. From these intensity values, it is now possible to determine the inclination (in both the x and y directions) of that surface element of the solder paste deposit relative to the optical axis 102 the camera, which is shown in the respective pixel. From the two inclinations (in the x and in the y direction), you can calculate the elevation map you are looking for.

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. 2a to 2c illustrate a three-step process of calculating a height map of a plurality of solder paste depots on the basis of an image analysis of three gray scale images recorded under different illuminations. It is therefore a stereo process, but the images are not recorded as in the "classic" stereo of different, positioned at different locations cameras. Rather, the images are taken by a single camera in different lighting.

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). In 2a It is shown how an intensity vector is determined for each pixel based on the respective intensity values in the (here three) images. The three pictures in 2a are shown diagonally one behind the other, each schematically show an intensity distribution, which results in one of the three lights. From these intensity vectors whose dimension is determined by the number (here three) of the different light sources, a tilt map is calculated, in which each surface element, which is determined by its xy position on the printed circuit board, has two inclinations, an inclination p (x, y) along the x-direction and an inclination q (x, y) along the y-direction. 2 B shows above a tilt map in which the slopes p (x, y) are plotted along the x direction. 2 B below shows a slope chart in which the slopes q (x, y) are plotted along the y direction. Also the two in 2 B Tilt maps shown are intensity distributions. The brightness of each pixel is a direct measure of the strength of the slopes p (x, y) and q (x, y), respectively.

Die beiden Neigungskarten p(x, y) bzw. q(x, y) können basierend auf folgenden physikalischen Überlegungen berechnet werden: Die von der Kamera beobachtete Lichtintensität IC ergibt sich aus folgender Gleichung: IC = I0·ρ·cos(σ) The two tilt maps p (x, y) and q (x, y) can be calculated based on the following physical considerations: The light intensity I C observed by the camera is given by the following equation: I C = I 0 · 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:

Figure DE102013216196A1_0002
In this case, I 0 is the illuminance of the light emitted by the relevant light source, ρ is the albedo (the retroreflectivity of the respective optically scattering surface element) and σ is the angle between the illumination direction s and the normal n of the considered surface element (cos (σ) = s · n ). The target for the calculation of the inclination maps is the vector n. In this case, ρ, I 0 and n are first combined into a vector n 'and cos (σ) is written as the scalar product s · n. The result is the following equation:
Figure DE102013216196A1_0002

In Matrixschreibweise ergibt die obige Gleichung folgendes lineares Gleichungssystem:

Figure DE102013216196A1_0003
In matrix notation, the above equation yields the following linear equation system:
Figure DE102013216196A1_0003

Die Lösung dieses linearen Gleichungssystems und eine anschließende Normierung ergibt, wie in den nachstehenden Gleichungen beschrieben, für jedes Oberflächenelement die gesuchte Neigung n.

Figure DE102013216196A1_0004
The solution of this linear system of equations and a subsequent normalization yields, as described in the following equations, the desired inclination n for each surface element.
Figure DE102013216196A1_0004

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.It should be noted that in the event that four different light sources are used, and thus a total of four intensity values are recorded for each pixel, it can be determined separately for each pixel in a preliminary step with which three values the system of equations is set up and solved.

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. Based on the two in 2 B shown tilt maps p (x, y) and q (x, y) is then determined in a third step, a height map, which in 2c is shown in perspective.

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 The height map may be calculated based on a knowledge of the slope maps p (x, y) and q (x, y) by taking into account that p (x, y) and q (x, y) are from the partial derivative the height Z (x, y) to x (dZ / dx) or the partial derivative of the height Z (x, y) to y (dZ / dy). From this consideration the following differential equation for the error function J for the height map Z (x, y) results: J [Z (x, y)] = ∫∫ (∂Z / ∂x - p) 2 + (∂Z / ∂y - q) 2 dxddy

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). The error functional J describes the deviations of the derivatives of the calculated height map Z (x, y) to the observed tilt maps p (x, y) and 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. A minimization of this error function J [Z (x, y)] on the basis of the method of least squares is equivalent to a solution of the so-called Poisson equation ∇ 2 Z (x, y) = div (p, q). That's it searched Z (x, y) the argument of the error function J, which argument minimizes the error function. The Poisson equation can be solved numerically in a known way.

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 SIPLACETM 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. The method described in this document for detecting the three-dimensional structure of at least one solder paste depot can be realized using an already known vision system, which is used, for example, in SIPLACE assembly machines from ASM for measuring printed circuit board markings. Such a vision system 303 is in 3 shown in an exploded view. It may be used without a modification of optical or mechanical components for carrying out the method described in this document for detecting the three-dimensional structure of at least one depot of solder paste. It is only necessary to have an in 1 to use the illustrated control unit, which controls the various light sources and the camera in a suitable manner. Furthermore, an in 3 not shown, so that the three-dimensional structure of the solder paste depots can be calculated based on intensity values of individual pixels in the different recorded images.

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. How out 3 apparent, the vision system points 303 as chassis a mounting plate 304 on, on which a camera 350 with an object lens 352 is appropriate. On the mounting plate 304 is also a lighting arrangement 305 attached, which is a printed circuit board 308 having. On the printed circuit board 308 a plurality of light emitting diodes is mounted, which allow to illuminate an object to be detected at different angles and possibly also with different colored light. For the detection of the three-dimensional structure of solder paste depots described in this document, however, only a few of the light-emitting diodes are required. These required light-emitting diodes, which are referred to in this document as primary light sources are denoted by the reference numerals 312 . 322 and 342 Mistake.

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.According to the embodiment described here, a total of four different light sources 310 . 320 . 330 . 340 provided, each with an optical waveguide 314 . 324 . 334 and 344 are realized. The optical output of the respective optical waveguide 314 . 324 . 334 and 344 , which output is realized in each case by the inwardly directed curved surface, then the light emitting surface of the respective light source 310 . 320 . 330 . 340 One in the direction of the printed circuit board 308 directed optical input of the optical fibers 314 . 324 . 334 and 344 is with the respective primary light sources 312 . 322 , respectively. 342 and another in 3 not shown primary light source optically coupled. In the perspective view of 3 are the the optical fiber 334 associated primary light sources can not be detected.

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. According to the embodiment shown here emit the primary light sources 312 . 322 . 342 and the more in 3 not shown primary light source, each one an optical waveguide 314 . 324 . 334 . 344 or a lighting sector are assigned, blue light. Of course, other spectral colors are possible.

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.
For detecting the three-dimensional structure of at least one solder paste depot, the following measuring sequence can then be used:
  • (A) Positioning a portal system with the vision system 303 so that the camera 350 located above the evaluated area of the circuit board with the Lotpastendepots.
  • (B) Sequentially taking four pictures, turning on a different lighting sector for each picture.
  • (C) Calculate the height map from the intensity values of these four images.
  • (D) performing various inspection tasks based on this calculated altitude map.

Die 4a zeigt einen Ausschnitt einer mit Lotpaste bedruckten Leiterplatte. 4b zeigt die mit dem hier beschriebenen Verfahren berechnete Höhenkarte. The 4a shows a section of a solder paste printed circuit board. 4b shows the altitude map calculated using the method described here.

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. Another possible application of the image processing system described in this document is to perform 2D position measurements based on the height map, e.g. to better recognize position markers located on the PCB. For example, the appearance of a structure in the brightness image may be so disturbed that a robust position measurement in the brightness image is not possible, but in a height map calculated using the method described here, since the structure is e.g. significantly higher than their environment is.

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.
The image processing system described in this document and the corresponding method for detecting the three-dimensional structure of solder paste depots have the following advantages, among others:
Low complexity: All you need is an industrial camera and suitable lighting. In comparison to known moiré methods, no projectors are required (there are typically 2 to 4 projectors for producing the pattern in use, with which the evaluation area is exposed). Thus, no adjustment between projectors and camera is required.

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.Low Development Effort: The development effort to implement a way to three-dimensionally capture solder paste deposits in a placement machine is also substantially less than for the development of a vision system based on the moiré method, since the image processing system described here is much simpler.

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. Cost: Since a standard camera can be used for the image processing system described here, the hardware cost is only a fraction of the estimated cost of a moiré projection image processing system.

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.Space requirements: A standard camera including lighting requires only a fraction of the installation space, which would require a vision system with additional projector (s). Thus, with the method described here, a solder paste inspection can be integrated into existing placement machines, without having to limit other functionalities. There is no need for a separate external inspection machine or separate portal system.

Der Einsatz des hier beschriebenen Verfahrens ist insbesondere für SIPLACETM 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. The use of the method described here is especially suitable for SIPLACE SMT placement machines because the existing hardware (printed circuit board camera) can also be used for this measurement task. Only the control of the different lighting or lighting sectors must be modified. Thus, the hardware development effort is very small and there is no additional space required. Thus, no separate portal system for the solder paste inspection must be used or "sacrificed".

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. The method described here can also be carried out in an advantageous manner in a so-called printed circuit board printer in which solder paste is transferred through a printing stencil to a printed circuit board in a known manner. It can therefore be checked immediately after the application of solder paste on a circuit board, whether the solder paste deposits produced in the printed circuit board printer on pads of the circuit board have a desired volume. If this is not the case, then the relevant printed circuit board can be discarded as scrap and, if necessary, the print parameters for the printed circuit board printer can be changed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Bildverarbeitungssystem  Image processing system
102102
zentrale optische Achse / optische Achse der Kamera / optische Achse der Beleuchtungsanordnung central optical axis / optical axis of the camera / optical axis of the illumination arrangement
105105
Beleuchtungsanordnung  lighting arrangement
110110
erste Lichtquelle  first light source
110a110a
erstes Beleuchtungslicht / erste optische Achse first illumination light / first optical axis
120120
zweite Lichtquelle  second light source
120a120a
zweites Beleuchtungslicht / zweite optische Achse second illumination light / second optical axis
130130
dritte Lichtquelle  third light source
130a130a
drittes Beleuchtungslicht / dritte optische Achse third illumination light / third optical axis
150150
Kamera  camera
160160
Datenverarbeitungseinheit  Data processing unit
162162
Steuereinheit  control unit
164164
Auswerteeinheit  evaluation
180180
Bauelementeträger / Leiterplatte Component carrier / circuit board
190190
Lotpastendepot solder paste
303303
Vision System Vision system
304304
Montageplatte mounting plate
305305
Beleuchtungsanordnung  lighting arrangement
308308
Leiterplatine printed circuit board
310310
erste Lichtquelle  first light source
312312
erste Leuchtdioden / Primärlichtquellen  first light emitting diodes / primary light sources
314314
erster Lichtwellenleiter first optical fiber
320320
zweite Lichtquelle  second light source
322322
zweite Leuchtdioden / Primärlichtquellen  second light emitting diodes / primary light sources
324324
zweiter Lichtwellenleiter second optical fiber
330330
dritte Lichtquelle  third light source
334334
dritter Lichtwellenleiter third optical fiber
340340
vierte Lichtquelle  fourth light source
342342
vierte Leuchtdioden / Primärlichtquellen  fourth light-emitting diodes / primary light sources
344344
vierter Lichtwellenleiter fourth optical fiber
350350
Kamera  camera
352352
Objektivlinse objective lens

Claims (11)

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. Image processing system for detecting the three-dimensional structure of at least one depot ( 190 ) made of solder paste, which on a component carrier ( 180 ), the image processing system ( 100 ) comprising a lighting arrangement ( 105 . 305 ) with - a first light source ( 110 . 310 ) to illuminate the depot ( 190 ) by means of a first illumination light ( 110a ), which under a first oblique direction on a surface of the component carrier ( 180 ), - a second light source ( 120 . 320 ) to illuminate the depot ( 190 ) by means of a second illumination light ( 120a ), which under a second oblique direction on the surface of the component carrier ( 180 ), and - a third light source ( 130 . 330 ) to illuminate the depot ( 190 ) by means of a third illumination light ( 130a ), which under a third oblique direction on the surface of the component carrier ( 180 ), a camera ( 150 . 350 ), and arranged for optically detecting the depot ( 190 ) made of solder paste, a control unit ( 162 ) arranged to control the lighting arrangement ( 105 . 305 ) and the camera ( 150 . 350 ) such that from the camera ( 150 . 350 ) sequential - a first picture of the depot ( 190 ) at the first illumination light ( 110a ), - a second picture of the depot ( 190 ) in the second illumination light ( 120a ) and - a third picture of the depot ( 190 ) at the third illumination light ( 130a ), and an evaluation unit ( 164 ) which of the camera ( 150 . 350 ) and which is set up, the three-dimensional structure of the at least one depot ( 190 ) based on intensity values of individual pixels in the first image, in the second image, and in the third image. 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. An image processing system according to the preceding claim 1, wherein a first optical axis ( 110a ) of the first illumination light, a second optical axis ( 120a ) of the second illumination light and a third optical axis ( 130a ) of the third illumination light with respect to the surface of the device carrier ( 180 ) have at least approximately the same angle of inclination and with respect to a reference axis within the surface of the component carrier ( 180 ) each have a different azimuth angle. Bildverarbeitungssystem gemäß dem vorangehenden Anspruch 2, wobei der gleiche Neigungswinkel zumindest annähernd 45° ist.  An image processing system according to the preceding claim 2, wherein the same inclination angle is at least approximately 45 °. 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. Image processing system according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein the image processing system ( 100 ) a central optical axis ( 102 ), which with an optical axis of the camera ( 150 . 350 ) and an optical axis of the illumination arrangement ( 105 . 305 ) coincides. 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. Image processing system according to the preceding claim 4, wherein the light sources ( 110 . 310 . 120 . 320 . 130 . 330 ) at least approximately uniformly about the central optical axis ( 102 ) of the image processing system ( 100 ) are distributed around. 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. Image processing system according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein the first light source ( 310 ), the second light source ( 320 ) and / or the third light source ( 330 ) each by means of an optical output of an optical waveguide ( 314 . 324 . 334 ) is realized, which input side with one or more primary light sources ( 312 . 322 ) is optically coupled. 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. Image processing system according to one of the preceding claims 1 to 6, wherein the first light source ( 110 . 310 ), the second light source ( 120 . 320 ) and / or the third light source ( 130 . 330 ) each at least one light emitting diode ( 312 . 322 ) exhibit. 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. Image processing system according to one of the preceding claims 1 to 7, wherein the first illumination light ( 110a ), the second illumination light ( 120a ) and the third illumination light ( 130a ) have at least approximately the same optical spectral distribution. 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. Image processing system according to one of the preceding claims 1 to 8, wherein the illumination arrangement ( 305 ) - a fourth light source ( 340 ) to illuminate the depot ( 190 ) by means of a fourth illumination light, which at a fourth oblique angle to the surface of the component carrier ( 180 ), the control unit ( 162 ) is further arranged, the lighting arrangement ( 305 ) and the camera ( 350 ) in such a way that from the camera ( 350 ) - a fourth picture of the depot ( 190 ) is received at the fourth illumination light, and wherein the evaluation unit ( 164 ), the three-dimensional structure of the depot ( 190 ) further based on intensity values of individual pixels in the fourth image. 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. Method for detecting the three-dimensional structure of at least one depot ( 190 ) made of solder paste, which on a component carrier ( 180 ), the method comprising illuminating the depot ( 190 ) by means of a first illumination light ( 110a ), which under a first oblique direction on a surface of the component carrier ( 180 ), taking a first image of the depot ( 190 ) by means of a camera ( 150 . 350 ) at the first illumination light ( 110a ), Lighting the depot ( 190 ) by means of a second illumination light ( 120a ), which under a second oblique direction on the surface of the component carrier ( 190 ), taking a second picture of the depot ( 190 ) by means of the camera ( 150 . 350 ) in the second illumination light ( 120a ), Lighting the depot ( 190 ) by means of a third illumination light ( 130a ), which under a third oblique direction on the surface of the component carrier ( 180 ), taking a third picture of the depot ( 190 ) by means of the camera ( 150 . 350 ) at the third illumination light ( 130a ), and calculating the three-dimensional structure of the at least one depot ( 190 ) based on intensity values of individual pixels in the first image, in the second image, and in the third image. 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. Computer program for capturing the three-dimensional structure of at least one depot ( 190 ) made of solder paste, which on a component carrier ( 180 ), wherein the computer program, when executed by a processor, is adapted to perform the method of claim 10.
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