DE102022128294A1

DE102022128294A1 - Beleuchtungseinrichtung und Inspektionssystem

Info

Publication number: DE102022128294A1
Application number: DE102022128294.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Hemsendorf; Andreas Krahn; Wolfgang Prestel
Original assignee: Isra Vision GmbH
Current assignee: Isra Vision GmbH
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2024088874A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Inspektionssystem für die Inspektion eines Objekts mit einer Beleuchtungseinrichtung, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle und eine Konzentratoreinheit aufweist. Die Konzentratoreinheit ermöglicht eine optimale Nutzung der von der Lichtquelle abgestrahlten Leistung, so dass ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Die nichtabbildende Konzentratoreinheit (10) umfasst einen ersten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator (21) mit einer ersten Eingangsöffnung (21E) und einer ersten Ausgangsöffnung (21A) und einen zweiten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator (22) mit einer zweiten Eingangsöffnung (22E), deren Querschnitt einen ersten Abschnitt und einen benachbarten zweiten Abschnitt aufweist, und einer zweiten Ausgangsöffnung (22A), wobei der erste Konzentrator (21) in einer das einfallende Licht streuenden Konfiguration und der zweite Konzentrator (22) in einer das einfallende Licht sammelnden Konfiguration entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts hintereinander angeordnet sind, wobei der zweite Konzentrator (22) derart hinter dem ersten Konzentrator (21) angeordnet ist, dass das aus der ersten Ausgangsöffnung (21A) austretende Licht im Bereich des ersten Abschnitts in die zweite Eingangsöffnung (22E) fällt, wobei durch den zweiten Abschnitt (25) der zweiten Eingangsöffnung (22E) und die zweite Ausgangsöffnung (22A) ein optischer Beobachtungsweg, beispielsweise für eine Kamera (16), verläuft. Die Erfindung betrifft außerdem die Konzentratoreinheit sowie eine entsprechende Beleuchtungseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Inspektionssystem, welches mit einer Zeilenkamera arbeitet, sowie eine Beleuchtungseinrichtung hierfür.
Eine zeilenförmige Inspektion von Objekten wird in der Qualitätssicherung häufig durchgeführt, um die Objekte in kurzer Zeit über eine große Breite zu analysieren. Hierbei kommen Zeilenkameras zum Einsatz, welche auf das zu untersuchende Objekt ausgerichtet werden und Zeile für Zeile Bildaufnahmen von dem Objekt, das sich beispielsweise unter der Zeilenkamera hindurchbewegt, erzeugen.
Die Beleuchtung von Objekten, die mittels einer Zeilenkamera inspiziert werden, erfolgt bislang unter Nutzung abbildender Optik, da ein Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Objekt erforderlich ist. Die abbildende Optik projiziert dabei eine Lichtzeile auf das Objekt und die Zeilenkamera beobachtet den Bereich des Objekts, auf den die Lichtzeile projiziert wird. Mit einer abbildenden Optik kann auf dem Objekt eine hohe Strahlungsdichte auf einer kleinen Fläche erreicht werden. Nachteilig ist im Hinblick auf eine abbildende Optik jedoch, dass die von der Lichtquelle abgestrahlte Leistung nur zu einem geringen Teil für die Inspektionsaufgabe verwendet werden kann. Dieser Nachteil besteht insbesondere für Lichtquellen, die einem Lambertschen Strahler entsprechen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Inspektionssystem zu schaffen, bei dem die abgestrahlte Leistung einer Lichtquelle besser genutzt wird, d.h. ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird, wobei die Inspektion des Objekts weiter mit einer Kamera erfolgen soll.
Die obige Aufgabenstellung wird durch eine Konzentratoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch ein Inspektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Insbesondere wird die obige Aufgabe durch eine nichtabbildende Konzentratoreinheit gelöst, welche einen ersten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator mit einer ersten Eingangsöffnung und einer ersten Ausgangsöffnung und einen zweiten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator mit einer zweiten Eingangsöffnung, deren Querschnitt einen ersten Abschnitt und einen benachbarten zweiten Abschnitt aufweist, und einer zweiten Ausgangsöffnung umfasst, wobei der erste Konzentrator in einer das einfallende Licht streuenden Konfiguration und der zweite Konzentrator in einer das einfallende Licht sammelnden Konfiguration entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts hintereinander angeordnet sind, wobei der zweite Konzentrator derart hinter dem ersten Konzentrator angeordnet ist, dass das aus der ersten Ausgangsöffnung austretende Licht im Bereich des ersten Abschnitts in die zweite Eingangsöffnung fällt, wobei durch den zweiten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung und die zweite Ausgangsöffnung ein optischer Beobachtungsweg, beispielsweise für eine Kamera, verläuft.
Die obige Konzentratoreinheit setzt sich aus zwei nichtabbildenden Konzentratoren zusammen. Ein nichtabbildender Konzentrator ist ein Element der nichtabbildenden Optik (auch als Beleuchtungsoptik bezeichnet), welche sich mit der Ausleuchtung eines Objekts beschäftigt. Der Konzentrator weist eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung für das Licht auf. Das aus einem bestimmten Winkelbereich in die Eingangsöffnung fallende Licht wird durch innere, das Licht ablenkende Einrichtungen des Konzentrators (spiegelnde Flächen oder für das Licht transparente Körper) abgelenkt und entlang einer optischen Achse zur Ausgangsöffnung weitergeleitet. Das Licht tritt dann an der Ausgangsöffnung aus dem Konzentrator aus. Prinzipiell kann der Konzentrator in zwei Konfigurationen angeordnet werden. In einer das Licht sammelnden Konfiguration wird in das die Eingangsöffnung eintretende Licht derart abgelenkt, dass sich an der Ausgangsöffnung insgesamt eine Lichtsammlung ergibt, d.h. das Licht wird in Richtung der optischen Achse bzw. die Mitte des Lichtbündels abgelenkt. In einer das Licht streuenden Konfiguration wird das in die Eingangsöffnung des Konzentrators einfallende Licht derart abgelenkt, dass sich an der Ausgangsöffnung insgesamt eine Lichtstreuung ergibt, d.h. das Licht wird von der optischen Achse bzw. von der Mitte des Lichtbündels nach außen weggelenkt.
Die beiden nichtabbildenden Konzentratoren können in Ausbreitungsrichtung des Lichts direkt hintereinander angeordnet sein. Das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht fällt in die erste Eingangsöffnung des ersten Konzentrators ein und gelangt durch den ersten Konzentrator und durch die erste Ausgangsöffnung direkt in die zweite Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators (d.h. die erste Ausgangsöffnung bildet einen Teil der zweiten Eingangsöffnung). In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konzentrator in Ausbreitungsrichtung des Lichts beispielsweise derart direkt hinter dem ersten Konzentrator angeordnet, dass der erste Konzentrator in dem ersten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung mit der zweiten Eingangsöffnung überlappt. Alternativ kann das aus der ersten Ausgangsöffnung austretende Licht über einen zwischen dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator angeordneten Lichtleiter in die zweite Eingangsöffnung geführt werden. In beiden Fällen wird das Licht dann von dem zweiten Konzentrator zur zweiten Ausgangsöffnung weitergeleitet, wo das Licht aus der Konzentratoreinheit austritt. Das austretende Licht beleuchtet einen vorgegebenen Inspektionsbereich eines Objekts, dass sich in Richtung des ausbreitenden Lichts hinter der zweiten Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators befindet.
In beiden, oben geschilderten Fällen der Anordnung des zweiten Konzentrators hinter dem ersten Konzentrator ist der erste Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators nach außen abgeschlossen, so dass kein aus der ersten Ausgangsöffnung des ersten Konzentrators austretendes Licht aus der Konzentratoreinheit entweichen kann und somit dieses Licht in der Konzentratoreinheit verbleibt. Der zweite Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung ist demgegenüber nach außen offen, so dass ein Beobachter (z.B. eine Kamera) über den unten genauer beschriebenen optischen Beobachtungsweg den Inspektionsbereich des Objekts beobachten kann.
In der Konzentratoreinheit sind der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator im optischen Sinne hinsichtlich ihrer Lichtbündelung gegenläufig angeordnet. Ferner beziehen sich die beschriebenen Eigenschaften der Lichtbündelung auf jede Querschnittsfläche, die senkrecht zu der Querrichtung (die Querrichtung entspricht der Richtung der größten Ausdehnung der zeilenförmigen Beleuchtung) verläuft. Der erste Konzentrator ist in einer das einfallende Licht streuenden Konfiguration angeordnet, während der zweite Konzentrator in einer das einfallende Licht sammelnden Konfiguration eingesetzt ist. Durch die Hintereinanderanordnung der beiden Konzentratoren entlang des Lichtwegs (gegebenenfalls, wie oben beschrieben, mit einem dazwischenliegenden Lichtleiter) streut demnach der erste Konzentrator das aus der Lichtquelle einfallende Licht und der zweite Konzentrator sammelt das aus dem ersten Konzentrator einfallende/zu dem zweiten Konzentrator gelangende Licht. Da durch den zweiten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators weiteres Licht in den zweiten Konzentrator einfallen kann, wird dieses durch den zweiten Konzentrator ebenfalls gesammelt.
Weiter ist im Hinblick auf die erfindungsgemäße Konzentratoreinheit bemerkenswert, dass in Bezug auf einen Querschnitt durch die Konzentratoreinheit die zweite Eingangsöffnung, d.h. die Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators größer ist als die erste Ausgangsöffnung, d.h. die Ausgangsöffnung des ersten Konzentrators bzw. eines entsprechenden Lichtleiters. Anders ausgedrückt ist der Durchmesser der zweiten Eingangsöffnung in Richtung des Querschnitts größer als die Summe aus dem Durchmesser der ersten Ausgangsöffnung und der Wanddicke des ersten Konzentrators bzw. als die entsprechende Abmessung des Lichtleiters. Der durch diese Differenz frei bleibende Bereich der zweiten Eingangsöffnung (d.h. der zweite Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung) bildet eine Öffnung für den unten genauer beschriebenen optischen Beobachtungsweg. Der erste Konzentrator bzw. der Lichtleiter überlappt lediglich in dem ersten Abschnitt mit der zweiten Eingangsöffnung und das aus dem ersten Konzentrator in diesem Abschnitt austretende Licht gelangt direkt oder über einen Lichtleiter in den zweiten Konzentrator. Der zweite Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung, der zu dem ersten Abschnitt benachbart ist, bildet eine von außerhalb der Konzentratoreinheit zugängliche, durchgehende Öffnung, die sich lateral zu dem Weg des aus dem ersten Konzentrator kommenden Lichts und in das Innere des zweiten Konzentrators erstreckt. Diese Öffnung in dem zweiten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung schafft einen optischen Beobachtungsweg oder -pfad, der durch den zweiten Konzentrator zu der zweiten Ausgangsöffnung, d.h. der Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators, verläuft. Entlang dieses Beobachtungswegs kann ein Beobachter, beispielsweise eine Kamera, das Objekt beobachten, das (in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts) hinter der zweiten Ausgangsöffnung (d.h. hinter dem zweiten Konzentrator) angeordnet ist. Dort kann der Beobachter insbesondere den vorgegebenen beleuchteten Inspektionsbereich beobachten, der mittels der Lichtquelle und der Konzentratoreinheit beleuchtet wird. Der zweite Abschnitt bzw. die Öffnung für den optischen Beobachtungsweg kann in Richtung des Querschnitts beispielsweise einen Durchmesser zwischen 3 mm und 30 mm, z.B. zwischen 5 mm und 20 mm aufweisen. Beispiele für die Ausdehnung des zweiten Abschnitts der zweiten Eingangsöffnung in Querrichtung (d.h. senkrecht zum Querschnitt) werden unten beschrieben. Der zweite Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung kann daher beispielsweise rechteckig bzw. spaltförmig ausgebildet sein.
In vorteilhafter Weise bewirkt daher die erfindungsgemäße Konzentratoreinheit zum einen, dass die Leistung der Lichtquelle mit einem sehr hohen Wirkungsgrad auf eine gewünschte Fläche, nämlich auf den Inspektionsbereich eines hinter der Konzentratoreinheit angeordneten Objekts transportiert wird. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Konzentratoreinheit auf einfache und für die räumliche Anordnung einer Kamera günstigen Weise die Beobachtung dieses Inspektionsbereichs. Die Konzentratoreinheit ist somit geeignet für den Einsatz bei einer Vielzahl von Inspektionsaufgaben, beispielsweise für die Inspektion von Platinenoberflächen, Wafer und Solarzellen, Glasoberflächen, Spiegelflächen, Folien, Druckerzeugnisse, Metalle o.ä.
In einem Ausführungsbeispiel ist die nichtabbildende Konzentratoreinheit derart zeilenförmig ausgebildet, dass die erste Eingangsöffnung, die erste Ausgangsöffnung, die zweite Eingangsöffnung und die zweite Ausgangsöffnung jeweils eine entsprechende, sich in eine Querrichtung erstreckende Spaltform aufweisen. Die jeweilige Spaltform der jeweiligen Öffnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in die Querrichtung die größte Ausdehnung aufweist, während die Öffnung eine deutlich kleinere Ausdehnung in eine Richtung senkrecht zur Querrichtung (d.h. den Querschnitt) besitzt. Der Aufbau der Konzentratoreinheit ist dabei in Querrichtung identisch, d.h. alle Querschnitte durch die Konzentratoreinheit, die senkrecht zu der Querrichtung verlaufen, sind identisch. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Öffnungen in Querrichtung mehrere Zentimeter bis wenige Meter betragen, während die Öffnungen senkrecht zu dieser Querrichtung lediglich einige Millimeter breit sind. Beispielsweise hat die erste Eingangsöffnung, der zweite Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung und die zweite Ausgangsöffnung eine Länge in Querrichtung von 200 mm bis 500 mm. Die erste Eingangsöffnung hat eine Abmessung senkrecht zur Querrichtung z.B. von 1 mm bis 12 mm, beispielsweise von 5 mm. Die zweite Ausgangsöffnung hat eine Abmessung senkrecht zur Querrichtung z.B. von 3 mm bis 20 mm, beispielsweise von 13 mm.
In einem Ausführungsbeispiel weisen der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator als das Licht ablenkende Einrichtungen reflektierende Flächen (Spiegelflächen) und/oder transparente Körper auf. Die reflektierende Fläche kann beispielsweise eine auf einem entsprechenden Träger aufgedampfte Aluminiumschicht darstellen. Alternativ kann die lichtablenkende Einrichtung auch als transparenter Körper (beispielsweise Glas oder Plexiglas) ausgeführt sein, welcher derart gestaltet ist, dass eine entsprechende Lichtablenkung in dem Konzentrator mittels Totalreflexion an mindestens einer Außenkante erzeugt wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Konzentrator des ersten Konzentrators und des zweiten Konzentrators als Compound Elliptical Concentrator (CEC) oder als Compound Parabolic Concentrator (CPC) ausgebildet. Ein CEC setzt sich zusammen aus gegenüberliegenden elliptisch geformten reflektierenden Flächen und ein CPC aus gegenüberliegenden parabolisch geformten reflektierenden Flächen. Insbesondere bei der Verwendung von mindestens einem Konzentrator in Form eines CPC, z.B. bei dem Einsatz eines ersten Konzentrators als CPC und eines zweiten Konzentrators als CPC ist gewährleistet, dass ein besonders großer Wirkungsgrad in Bezug auf die Beleuchtungsleistung erreicht wird. Zudem kann der Wirkungsgrad weiter erhöht werden, wenn als Beleuchtungseinrichtung für eine solche Konzentratoreinheit mit zwei CPC ein Lambertscher Strahler (z.B. eine Reihe von in Querrichtung nebeneinander angeordneten LEDs ohne Vorsatzoptik) verwendet und die Lichtquelle im Bereich der ersten Eingangsöffnung des ersten Konzentrators angeordnet wird. Alternativ kann bei einer Anordnung der Lichtquelle in einem Abstand von der Eingangsöffnung zusätzlich eine Vorsatzoptik zur Fokussierung des Lichts auf die erste Eingangsöffnung verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der erste Konzentrator an dem zweiten Konzentrator derart benachbart angeordnet, dass eine erste Tangente in einem ersten Anstoßpunkt an einer inneren Konzentratorspiegelfläche des ersten Konzentrators und eine zweite Tangente in einem zweiten Anstoßpunkt an einer inneren Konzentratorspielgelfläche des zweiten Konzentrators übereinander liegen. Bei einer derartigen Anordnung liegen die Konzentratorspiegelflächen gerade aneinander an und bilden einen kontinuierlichen Übergang, so dass keine zusätzlichen Ablenkungseffekte durch den Übergang von dem ersten Konzentrator zum zweiten Konzentrator eingebracht werden. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf den Wirkungsgrad aus.
In einem Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere Fokuspunkte des ersten Konzentrators im Bereich der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators angeordnet. Auch durch diese Maßnahme kann ein hoher Wirkungsgrad im Hinblick auf die Leistung der Beleuchtung erreicht werden. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Fokuspunkte der reflektierenden parabolischen Flächen für den ersten Konzentrator als CPC an den beiden Seiten des Querschnitts der ersten Eingangsöffnung und die Fokuspunkte der reflektierenden parabolischen Flächen für den zweiten Konzentrator als CPC an den beiden Seiten des Querschnitts der zweiten Ausgangsöffnung angeordnet sind.
Die nachfolgenden Parameter für eine Konzentratoreinheit, bei der der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator jeweils als CPC ausgebildet sind, können aus der Erhaltung des Etendue abgeleitet werden. Weiter wird vereinfachend angenommen, dass der Akzeptanzwinkel θ für den ersten Konzentrator und den zweiten Konzentrator etwa gleich groß ist und dass der Brechungsindex n = 1 beträgt. Wenn der Akzeptanzwinkel beider Konzentratoren bekannt ist, kann der Akzeptanzwinkel θ für die Berechnung beispielsweise als arithmetisches Mittel des Akzeptanzwinkels des ersten Konzentrators und des Akzeptanzwinkels des zweiten Konzentrators bestimmt werden. Weiter ist der CPC in vorteilhafter Weise so gestaltet, dass der Radius der ersten Eingangsöffnung kleiner ist als der Radius der zweiten Ausgangsöffnung. Alle unten angegebenen Abmessungen sind in der Ebene des Querschnitts gemeint.
In einem Ausführungsbeispiel ergibt sich in dem Fall, dass der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator jeweils als CPC ausgebildet sind, die Länge L_v der Konzentratoreinheit aus der Gleichung $L_{v} = (a_{c} + b_{c} + a_{d} + b_{d}) cot (θ)$
wobei a_c der Radius der Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators, b_c der Radius der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators, a_d der Radius der Eingangsöffnung des ersten Konzentrators, b_d der Radius der Ausgangsöffnung des ersten Konzentrators und Oder Akzeptanzwinkel ist.
In einem Ausführungsbeispiel ergibt sich in dem Fall, dass der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator jeweils als CPC ausgebildet sind, der Radius a_c der Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators aus a_c = a_d + h_v sin (θ), wobei a_d der Radius der Eingangsöffnung des ersten Konzentrators, b_v die Länge des zweiten Abschnitts der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators und θ der Akzeptanzwinkel ist.
Die Flächenhelligkeit, welche man am Ort der Probe misst, nimmt mit dem Abstand zur zweiten Ausgangsöffnung ab. Das Ausmaß dieser Divergenz lässt sich wie folgt aus den Parametern des Beleuchtungskörpers bestimmen: $\frac{a_{d}}{a_{c}} = sin (θ)$
Der Austrittswinkel Φ relativ zur Austrittsebene ergibt sich daher aus $ϕ = \frac{π}{2} - θ$
Die obige Aufgabenstellung wird zudem durch eine Beleuchtungseinrichtung für die Inspektion eines Objekts gelöst, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle und eine oben beschriebene Konzentratoreinheit aufweist, wobei die Lichtquelle und die Konzentratoreinheit derart eingerichtet sind und die Lichtquelle in der Eingangsöffnung des ersten Konzentrators derart angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht in den ersten Konzentrator einfällt und von der Konzentratoreinheit zur Beleuchtung eines vorgegebenen Inspektionsbereichs des Objekts zu dem Objekt weitergeleitet wird. Insbesondere wenn die Lichtquelle als Lambertscher Strahler ausgebildet ist, wird durch die obige Beleuchtungseinrichtung ein hoher Wirkungsgrad erreicht. In einem Ausführungsbeispiel wird die Lichtquelle derart in der ersten Eingangsöffnung angeordnet, dass der Abstrahlwinkel der Lichtquelle auf den Akzeptanzwinkel des ersten Konzentrators abgestimmt ist und ein sehr großer Teil der von der Lichtquelle emittierten Strahlung (z.B. mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 % der emittierten Strahlung) innerhalb des ersten Konzentrators in Richtung des zweiten Konzentrators weitergeleitet wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinrichtung sind die Lichtquelle und die Konzentratoreinheit jeweils zeilenförmig ausgebildet und die Konzentratoreinheit ist derart eingerichtet, dass sie eine zeilenförmige Beleuchtung des vorgegebenen Inspektionsbereichs erzeugt, wobei die Lichtquelle beispielsweise eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander angeordnete LEDs oder andere lambertsche / kollimierte Lichtquellen aufweist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Lichtquelle mindestens zwei nebeneinander angeordnete Reihen von LEDs auf. Die Reihen sind in eine Richtung senkrecht zur Querrichtung nebeneinander und beispielsweise parallel zueinander angeordnet. Hierdurch kann beispielsweise ein breiterer Inspektionsbereich beleuchtet werden.
Die obige Aufgabenstellung wird zudem durch ein Inspektionssystem für die Inspektion eines Objekts gelöst, wobei das Inspektionssystem eine oben beschriebene Beleuchtungseinrichtung und eine Kamera aufweist, wobei die Beleuchtungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese einen vorgegebenen Inspektionsbereich des Objekts beleuchtet, wobei die Kamera derart eingerichtet ist, dass sie entlang des Beobachtungswegs Bilder des vorgegebenen Inspektionsbereichs des Objekts aufzeichnet, wobei das Objekt in Ausbreitungsrichtung des Lichts hinter der zweiten Ausgangsöffnung der Konzentratoreinheit angeordnet ist. Das Inspektionssystem ist mit allen seinen Elementen (Beleuchtungseinrichtung und Kamera auf der gleichen ersten Seite des Objekts angeordnet, z.B. oberhalb des Objekts. Zusätzlich kann gegebenenfalls eine zusätzliche Kamera verwendet werden, welche, z.B. bei einem transparenten Objekt, den beleuchteten Inspektionsbereich von der zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt, beobachtet. Das Inspektionssystem besitzt die gleichen Vorteile, die oben bereits für die Konzentratoreinheit und die Beleuchtungseinrichtung dargestellt wurden. Es wird daher auf diese verwiesen. In einem Ausführungsbeispiel des Inspektionssystems, bei dem die Konzentratoreinheit zeilenförmig und die Lichtquelle zeilenförmig gestalten sind, ist die Kamera als Zeilenkamera, beispielsweise als TDI-Zeilenkamera, ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel ist eine geringfügige Neigung der Konzentratoreinheit um den Neigungswinkel δ in eine Richtung, so dass der Beobachtungsweg der Kamera senkrecht zur Oberfläche des Objekts verläuft, ist vorteilhaft. Hierdurch können eventuell vorhandene optische Fehler der Kamera leichter vermieden oder herausgerechnet werden. Die Neigung ist deshalb von Vorteil, weil der Beobachtungsweg seitlich, schräg zu den Achsen der beiden Konzentratoren verläuft. In dem Ausführungsbeispiel ist der Neigungswinkel δ der Konzentratoreinheit zur Senkrechten auf der Oberfläche des Objekts aus der Länge L_v der Konzentratoreinheit, dem Radius b_c der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators und der Länge b_v des zweiten Abschnitts der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators bestimmbar.
Nachfolgend werden weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren beschrieben. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale bilden dabei den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen und deren Rückbezügen.
Es zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Inspektionssystems in einer perspektivischen Ansicht von der Seite,
2 das Ausführungsbeispiel des Inspektionssystems gemäß 1 in einem Querschnitt,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Konzentratoreinheit mit Lichtquelle und Objekt in einem Querschnitt,
4 den Querschnitt der Konzentratoreinheit gemäß 3 mit einer Vielzahl von in der Konzentratoreinheit verlaufenden Lichtstrahlen.

1 und 2 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Inspektionseinrichtung, welche oberhalb eines Objekts 5 angeordnet ist. Dieses ist beispielsweise eine Platine, die in sich in die mit dem Pfeil 6 angedeutete Richtung unter der Inspektionseinrichtung hindurchbewegt und hierbei entlang eines linienförmigen Inspektionsbereichs 7 beleuchtet wird, der sich in eine Querrichtung (siehe Pfeil 8) erstreckt, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung (Pfeil 6) verläuft.
Die Inspektionseinrichtung setzt sich zusammen aus einer zeilenförmigen Lichtquelle 12, die beispielsweise eine Reihe in Querrichtung nebeneinander angeordnete LEDs aufweist. Weiter ist eine Konzentratoreinheit 10 vorgesehen, welche das von der Lichtquelle 12 ausgesendete Licht zu dem Objekt 5 weiterleitet und das Objekt im Inspektionsbereich 7 beleuchtet. Die Konzentratoreinheit 10 lenkt das von der Lichtquelle 12 zur Verfügung gestellte Licht derart ab, dass die Lichtleistung der Lichtquelle 12 mit einem hohen Wirkungsgrad zu dem Inspektionsbereich 7 transportiert wird. Der Lichtweg wird in den 1 und 2 mittels des Pfeils 14 veranschaulicht. Weiter ist eine sich entlang der Querrichtung (Pfeil 8) erstreckenden Zeilenkamera 16, beispielsweise eine TDI-Kamera, vorgesehen, die auf der dem Objekt 5 gegenüber liegenden Seite der Konzentratoreinheit 10 angeordnet ist und das Objekt 5, insbesondere den beleuchteten Inspektionsbereich 7, beobachtet und Bilder aufnimmt. Anhand der Bilder des Inspektionsbereichs 7 entlang des sich bewegenden Objekts 5 kann beispielsweise eine Analyse der Qualität des Objekts 5 durchgeführt werden. Insbesondere in 2 ist erkennbar, dass die Konzentratoreinheit 10 geneigt gegenüber der Senkrechten auf der Oberfläche des Objekts 5 angeordnet ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Kamera 16 senkrecht auf die Oberfläche des Objekts 5 schaut.
Der Aufbau der Konzentratoreinheit 10 des Ausführungsbeispiels wird im Folgenden anhand von 3 und 4 detaillierter erläutert, wobei diese Figuren den Querschnitt parallel zur Transportrichtung (Pfeil 6) bzw. senkrecht zur Querrichtung (Pfeil 8) darstellen. Die Abmessungen werden im Folgenden bezogen auf diesen Querschnitt angegeben. Die Konzentratoreinheit setzt sich zusammen aus einem ersten Konzentrator 21 in Form eines CPC und einem zweiten Konzentrator 22, der ebenfalls als CPC gestaltet ist. Beide Konzentratoren 21, 22 weisen demnach zwei parabolische Reflektoren auf, die gegenüber liegend angeordnet sind, wie dies in 3 und 4 gezeigt ist. Der erste Konzentrator weist eine erste Eingangsöffnung 21E mit einem Radius a_d und eine erste Ausgangsöffnung 21A mit einem Radius b_d auf. Der zweite Konzentrator 22 besitzt eine zweite Eingangsöffnung 22E mit einem ersten Abschnitt, der eine Länge/einen Durchmesser 2 × b_d aufweist, und einem zweiten Abschnitt b_v. Im Folgenden wird für die Länge der zweiten Eingangsöffnung 22E auch das Symbol b_c verwendet, wobei 2 × b_c = 2 × b_d + b_v. Eine zweite Ausgangsöffnung 22A, welche auch die Ausgangsöffnung der gesamten Konzentratoreinheit 10 darstellt, hat den Radius a_c. Zu beachten ist, dass die Angabe „x“ in dem obigen Absatz und in 3 die Multiplikation mit dem davor angegebenen Faktor (Faktor 2) symbolisieren soll.
Der erste Konzentrator 21 ist in einer streuenden Konfiguration und der zweite Konzentrator 22 ist in einer das Licht sammelnden Konfiguration angeordnet. Der Akzeptanzwinkel, der in 3 eingezeichnet ist, wird für den ersten Konzentrator 21 mit θ_d und für den zweiten Konzentrator 22 mit θ_c bezeichnet.
Der zweite Konzentrator 22 ist in Ausbreitungsrichtung des Lichts (Pfeil 14) direkt hinter dem ersten Konzentrator 21 angeordnet, und zwar derart, dass die Tangente an der inneren reflektierenden Fläche im Punkt 27 der ersten Ausgangsöffnung 21A des ersten Konzentrators 21 und der zweiten Eingangsöffnung 22E des zweiten Konzentrators 22 übereinander liegt. Der erste Konzentrator 21 und der zweite Konzentrator 22 gehen daher so ineinander über, dass keine zusätzlichen Reflexionen des in der Konzentratoreinheit geführten Lichts an dem Übergang erfolgen.
Weiter überlappt der erste Konzentrator 21 entlang des Querschnitts in dem ersten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung 22E des zweiten Konzentrators 22. Der entlang des Querschnitts benachbarte zweite Abschnitt bildet eine Öffnung 25, durch die die Kamera 16 entlang des Beobachtungswegs 18 den beleuchteten Inspektionsbereich 7 beobachtet. Hierdurch ist eine sehr einfache Aufnahme von Bildern von dem Inspektionsbereich 7 möglich. Hierbei ist der Beobachtungsweg 18 zu den mit strichpunktierten Linien eingezeichneten Achsen der Konzentratoren 21, 22 um einen Winkel δ geneigt angeordnet. Das Objekt 5 weist eine Senkrechte mit der gleichen Neigung auf, so dass die Kamera 16 senkrecht auf das Objekt 8 blickt.
Das von der in der ersten Eingangsöffnung 21E angeordneten Lichtquelle 12 innerhalb des Akzeptanzwinkels (2 × θ_d) abgegebene Licht wird an den parabolischen Innenflächen des ersten Konzentrators 21 derart reflektiert, dass dieses über die Ausgangsöffnung 21A des ersten Konzentrators 21 in die zweite Eingangsöffnung 22E des zweiten Konzentrators 22 gelangt, dort weiter in Richtung zweiter Ausgangsöffnung 22A des zweiten Konzentrators 22 geleitet wird, wo das Licht aus der Konzentratoreinheit 10 austritt und das darunter angeordnete Objekt 5 in dem Inspektionsbereich 7 beleuchtet. Die zweite Ausgangsöffnung 22A hat von der Oberfläche des Objekts 5 den Abstand d (wird anders als in 3 angedeutet beispielsweise in der Mitte der Ausgangsöffnung 22A gemessen).
Mit den oben angegebenen Gleichungen kann die Konzentratoreinheit an die Anforderungen der jeweiligen Inspektionsaufgabe angepasst werden. Hierbei ist die Gestaltung des Konzentrators, der in den 3 und 4 im Querschnitt gezeigt ist, entlang der gesamten Querrichtung (Pfeil 8 in 1) identisch.
Beispielsweise kann die Konzentratoreinheit 10 so dimensioniert werden, dass der Radius a_d des ersten Eingangsöffnung 21E des ersten Konzentrators 2,5 mm beträgt. Der Radius a_c der zweiten Ausgangsöffnung 22A des zweiten Konzentrators kann beispielsweise 3 mm betragen. Der Akzeptanzwinkel θ_d des ersten Konzentrators 21 kann z.B. 15 ° betragen, während der Akzeptanzwinkel θ_c des zweiten Konzentrators 22 mit 20 ° gewählt werden kann. Hieraus ergibt sich für die Kombination zweier CPCs wie oben beschrieben eine Länge der Konzentratoreinheit L_v von etwa 110 mm und eine Breite b_v der Öffnung 25 für den Beobachtungsweg (Pfeil 18) der Kamera 16 von 16 mm realisiert werden. Die Konzentratoreinheit kann eine Ausdehnung in Querrichtung (Pfeil 18) von 200 mm bis 500 mm aufweisen. Der Abstand d des Objekts 5 von der zweiten Ausgangsöffnung beträgt bei diesem Beispiel 3 mm.
In 4 wird der Verlauf einiger Lichtstrahlen in der Reflektoreinheit 10 veranschaulicht.
Die erfindungsgemäße Konzentratoreinheit 10, die Beleuchtungseinrichtung, die sich aus der Konzentratoreinheit 10 und der Lichtquelle 12 zusammensetzt, sowie die Inspektionseinrichtung, die die Beleuchtungseinrichtung und die Kamera 16 umfasst, können eine einfache Möglichkeit für die Inspektion eines Objekts bieten, mit der die Leistung der Lichtquelle 12 mit einem sehr hohen Wirkungsgrad auf das Objekt transportiert werden kann.

Claims

Nichtabbildende Konzentratoreinheit (10) umfassend einen ersten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator (21) mit einer ersten Eingangsöffnung (21E) und einer ersten Ausgangsöffnung (21A) und einen zweiten zweidimensionalen nichtabbildenden Konzentrator (22) mit einer zweiten Eingangsöffnung (22E), deren Querschnitt einen ersten Abschnitt und einen benachbarten zweiten Abschnitt aufweist, und einer zweiten Ausgangsöffnung (22A), wobei der erste Konzentrator (21) in einer das einfallende Licht streuenden Konfiguration und der zweite Konzentrator (22) in einer das einfallende Licht sammelnden Konfiguration entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts hintereinander angeordnet sind, wobei der zweite Konzentrator (22) derart hinter dem ersten Konzentrator (21) angeordnet ist, dass das aus der ersten Ausgangsöffnung (21A) austretende Licht im Bereich des ersten Abschnitts in die zweite Eingangsöffnung (22E) fällt, wobei durch den zweiten Abschnitt (25) der zweiten Eingangsöffnung (22E) und die zweite Ausgangsöffnung (22A) ein optischer Beobachtungsweg, beispielsweise für eine Kamera (16), verläuft.
Konzentratoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtabbildende Konzentratoreinheit derart zeilenförmig ausgebildet ist, dass die erste Eingangsöffnung (21E), die erste Ausgangsöffnung (21A), die zweite Eingangsöffnung (22E) und die zweite Ausgangsöffnung (22A) jeweils eine entsprechende, sich in eine Querrichtung erstreckende Spaltform aufweisen.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Konzentrator (22) in Ausbreitungsrichtung des Lichts derart direkt hinter dem ersten Konzentrator (21) angeordnet ist, dass der erste Konzentrator (21) in dem ersten Abschnitt der zweiten Eingangsöffnung (22E) mit der zweiten Eingangsöffnung (22E) überlappt.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Konzentrator (21) und der zweite Konzentrator (22) als das Licht ablenkende Einrichtungen reflektierende Flächen und/oder transparente Körper aufweisen.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Konzentrator des ersten Konzentrators (21) und des zweiten Konzentrators (22) als CPC ausgebildet ist.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Konzentrator (21) an dem zweiten Konzentrator (22) derart benachbart angeordnet ist, dass eine erste Tangente in einem ersten Anstoßpunkt (27) an einer inneren Konzentratorspiegelfläche des ersten Konzentrators und eine zweite Tangente in einem zweiten Anstoßpunkt an einer inneren Konzentratorspielgelfläche des zweiten Konzentrators übereinander liegen.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Fokuspunkte des ersten Konzentrators (21) im Bereich der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators (22) angeordnet sind.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Fall, dass der erste Konzentrator (21) und der zweite Konzentrator (22) jeweils als CPC ausgebildet sind, die Länge L_v der Konzentratoreinheit aus der Gleichung $L_{v} = (a_{c} + b_{c} + a_{d} + b_{d}) cot (θ)$
ergibt, wobei a_c der Radius der Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators, b_c der Radius der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators, a_d der Radius der Eingangsöffnung des ersten Konzentrators, b_d der Radius der Ausgangsöffnung des ersten Konzentrators und θ der Akzeptanzwinkel ist.
Konzentratoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Fall, dass der erste Konzentrator (21) und der zweite Konzentrator (22) jeweils als CPC ausgebildet sind, der Radius a_c der Ausgangsöffnung des zweiten Konzentrators aus a_c = a_d + b_v sin (θ) ergibt, wobei a_d der Radius der Eingangsöffnung des ersten Konzentrators, b_v die Länge des zweiten Abschnitts der Eingangsöffnung des zweiten Konzentrators und θ der Akzeptanzwinkel ist.
Beleuchtungseinrichtung für die Inspektion eines Objekts, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle (12) und eine Konzentratoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Lichtquelle (12) und die Konzentratoreinheit (10) derart eingerichtet sind und die Lichtquelle (12) in der Eingangsöffnung (21E) des ersten Konzentrators (21) derart angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht in den ersten Konzentrator (21) einfällt und von der Konzentratoreinheit (10) zur Beleuchtung eines vorgegebenen Inspektionsbereichs (7) des Objekts zu dem Objekt (5) weitergeleitet wird.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) und die Konzentratoreinheit (10) jeweils zeilenförmig ausgebildet sind und die Konzentratoreinheit (10) derart eingerichtet ist, dass sie eine zeilenförmige Beleuchtung des vorgegebenen Inspektionsbereichs (7) erzeugt, wobei die Lichtquelle (12) beispielsweise eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander angeordnete LEDs aufweist.
Inspektionssystem für die Inspektion eines Objekts mit einer Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Kamera (16), wobei die Beleuchtungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese einen vorgegebenen Inspektionsbereich (7) des Objekts (5) beleuchtet, wobei die Kamera (16) derart eingerichtet ist, dass sie entlang des Beobachtungswegs Bilder des vorgegebenen Inspektionsbereichs (7) des Objekts (5) aufzeichnet, wobei das Objekt (5) in Ausbreitungsrichtung des Lichts hinter der zweiten Ausgangsöffnung (22A) der Konzentratoreinheit (10) angeordnet ist.
Inspektionssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (16) als Zeilenkamera, beispielsweise als TDI-Zeilenkamera, ausgebildet ist.
Inspektionssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel δ der Konzentratoreinheit (10) zur Senkrechten auf der Oberfläche des Objekts (5) aus der Länge L_v der Konzentratoreinheit (10), dem Radius b_c der Eingangsöffnung (22E) des zweiten Konzentrators (22) und der Länge b_v des zweiten Abschnitts der Eingangsöffnung (22E) des zweiten Konzentrators (22) bestimmbar ist.