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Hintergrund
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Fortschritte bei der automatisierten Fotovoltaiksolarzellenfertigung ermöglichen einen höheren Durchsatz, eine höhere Ausbeute und höhere Zellenumwandlungswirkungsgrade. Zum Beispiel drucken im Handel erhältliche automatisierte Anlagen zum Auftragen von leitfähigen Schichten auf kristalline Siliciumsolarzellen routinemäßig die Metallisierung durch Siebdruck mit einer Geschwindigkeit von einer Zelle pro Sekunde auf. Es werden gerade neuere Technologien zum Verbessern der Zellenumwandlungswirkungsgrade wie etwa der selektive Emitter-Prozess, die teilweise Durchkontaktierung der Vorderseitenkontakte auf die Rückseite der Solarzelle (Metal-Wrap-Through) und das Verfahren Druck-auf-Druck (Print-on-Print) übernommen, die eine präzise Lagegenauigkeit der Metallisierungsschichten erforderlich machen. Die Zellenwirkungsgrade werden auch durch das Verhältnis Höhe zu Breite der metallisierten Sammelfinger beeinflusst, die den durch die Solarzelle erzeugten Strom sammeln. Diese Finger müssen in der Breite schmal gedruckt werden, um eine unnötige Abschattung des aktiven Zellbereichs zu vermeiden, müssen aber in der Höhe groß gedruckt werden, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Auch stellt die Zerbrechlichkeit der dünnen Siliciumsolarzellen und ihre Tendenz, sich während der Fertigung zu biegen, Herausforderungen an die automatisierten Handhabungsanlagen, um Abplatzungen und Risse zu vermeiden. Durchgebogene Wafer können brechen, zum Beispiel, wenn sie während eines der vielen Herstellungsprozessschritte vakuumfixiert werden oder wenn während des Siebdruckprozesses Druck an den Wafer angelegt wird. Im Hinblick auf diese Erfordernisse der Industrie ergab sich eine Notwendigkeit nach automatisierten optischen Prüfsystemen, die über den gesamten Solarzellenherstellungsprozess verteilt sind, um eine hohe Prozessausbeute sicherzustellen. Angesichts der gesteigerten Erfordernisse nach einer Präzisionslagegenauigkeit, schmäleren und größeren Merkmalen und der Erfassung einer Waferdurchbiegung, wäre es segensreich, ein automatisiertes optisches Prüfsystem bereitzustellen, das nicht nur schneller als der Stand der Technik wäre, sondern auch besser in der Lage, eine höher auflösende, zwei- oder dreidimensionale Prüfung der Solarzellen zu bieten.
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Zusammenfassung
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Es wird ein optisches Prüfsystem und -verfahren bereitgestellt. Ein Werkstücktransportmittel ist so aufgebaut, dass ein Werkstück durchlaufend transportiert wird. Eine Beleuchtungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine erste stroboskopisch getaktete Beleuchtungsfeldart und eine zweite stroboskopisch getaktete Beleuchtungsfeldart bereitzustellen. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst einen Lichtleiter mit einem ersten Ende nahe dem Werkstück und einem zweiten Ende, das dem ersten Ende entgegengesetzt und vom ersten Ende beabstandet ist. Der Lichtleiter besitzt auch mindestens eine reflektierende Seitenwand. Das erste Ende besitzt eine Austrittsöffnung, und das zweite Ende besitzt mindestens eine zweite Endöffnung, um durch diese hindurch eine Ansicht des Werkstücks bereitzustellen. Eine erste Anordnung von Kameras ist dazu ausgelegt, das Werkstück digital abzubilden. Die erste Anordnung von Kameras ist dazu ausgelegt, eine erste Vielzahl von Bildern des Werkstücks mit dem ersten Beleuchtungsfeld und eine zweite Vielzahl von Bildern des Merkmals mit dem zweiten Beleuchtungsfeld zu erzeugen. Eine zweite Anordnung von Kameras ist dazu ausgelegt, das Werkstück digital abzubilden. Die zweite Anordnung von Kameras ist dazu ausgelegt, eine dritte Vielzahl von Bildern des Werkstücks mit dem ersten Beleuchtungsfeld und eine vierte Vielzahl von Bildern des Merkmals mit dem zweiten Beleuchtungsfeld zu erzeugen. Die erste und zweite Anordnung von Kameras sind dazu ausgelegt, stereoskopische Abbildungen des Werkstücks bereitzustellen. Eine Verarbeitungsvorrichtung ist in Wirkverbindung an die Beleuchtungseinrichtung und die erste und zweite Anordnung von Kameras angeschlossen. Die Verarbeitungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, zumindest einen Teil der ersten, zweiten, dritten und vierten Vielzahl von Bildern zu speichern, und die erste, zweite, dritte und vierte Vielzahl von Bildern einer anderen Vorrichtung bereitzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsaufrissansicht eines automatisierten, hochschnellen, optischen Prüfsystems mit einer Kameraanordnung und einer kompakten integrierten Beleuchtungseinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine schematische Aufrissansicht von mehreren Kameras nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die überlappende Sichtfelder besitzen.
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3 ist ein Systemblockschema eines Prüfsystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine Draufsicht auf ein Transportförderband, eine Solarzelle und ein Kameraanordnungssichtfeld, das mit einer ersten Beleuchtungsfeldart erfasst wird.
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5 ist eine Draufsicht auf ein Transportförderband, eine Solarzelle und ein Kameraanordnungssichtfeld, das mit einer zweiten Beleuchtungsfeldart erfasst wird.
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6A bis 6D stellen ein Werkstück und Kameraanordnungssichtfelder nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die an verschiedenen Stellen und unter abwechselnden ersten und zweiten Beleuchtungsfeldarten erfasst werden.
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7 ist ein Koordinatensystem zur Definition einer Beleuchtungsrichtung.
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8 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten linearen Lichtquelle, die ein Kameraanordnungssichtfeld ausleuchtet.
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9 ist eine grafische Polardarstellung der Beleuchtungsrichtungen der in 8 gezeigten Beleuchtungseinrichtung.
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10 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Hohllichtleiterbeleuchtungseinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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11 ist eine grafische Polardarstellung der Eingangsbeleuchtungsrichtung der in 10 gezeigten Beleuchtungseinrichtung.
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12 ist eine grafische Polardarstellung der Ausgangsbeleuchtungsrichtungen der in 10 gezeigten Beleuchtungseinrichtung.
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13 ist eine perspektivische Ansicht einer reflektierenden Fläche einer Lichtleiterwand nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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14A bis 14B sind Schnittansichten der in 13 gezeigten reflektierenden Fläche.
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15A ist eine perspektivische Ansicht einer Lichtleiterbeleuchtungseinrichtung und Kameraanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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15B ist eine perspektivische Schnittansicht einer Lichtleiterbeleuchtungseinrichtung und Kameraanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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16 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Kameraanordnung und Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Quellen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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17A ist eine perspektivische Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung und Kameraanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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17B ist eine Querschnittsansicht eines zickzackförmigen Spiegels, der nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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18 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung und Kameraanordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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19 ist eine zweite perspektivische Schnittansicht der in 18 gezeigten Beleuchtungseinrichtung und Kameraanordnung.
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20 ist eine grafische Polardarstellung der Beleuchtungsrichtungen der in 18 und 19 gezeigten Beleuchtungseinrichtung.
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21 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Prüfsensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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22 ist eine grafische Polardarstellung der Beleuchtungsrichtungen der in 21 gezeigten Beleuchtungseinrichtung.
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23 ist eine perspektivische Ansicht von zwei in einer Stereoauslegung angeordneten Kameraanordnungen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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24 ist eine perspektivische Schnittansicht von zwei in einer Stereoauslegung angeordneten Kameraanordnungen mit einer integrierten Beleuchtungseinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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25 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Kameraanordnungen und einem Streifenlichtprojektor, die nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
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26 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Kameraanordnungen und einem Streifenlichtprojektor, die nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
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27 ist eine perspektivische Ansicht einer Kameraanordnungen und eines Strukturlichtprojektors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen allgemein ein kompaktes Prüfsystem und -verfahren mit hochschnell bei mehrfacher Ausleuchtung erfassten zwei- und dreidimensionalen Bildern ohne die Notwendigkeit kostspieliger und ausgefeilter Bewegungssteuerungssoftware bereit. Eine Verarbeitung der mit unterschiedlichen Beleuchtungsarten erfassten Bilder kann die Prüfmöglichkeiten und -ergebnisse deutlich steigern.
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1 zeigt eine Querschnittsaufrissansicht eines Systems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um mit hoher Geschwindigkeit kontraststarke digitale Bilder eines Werkstücks zu erzeugen, die sich für eine automatisierte Prüfung eignen. Eine Kameraanordnung 4 besteht aus Kameras 2A bis 2H, die vorzugsweise in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Jede Kamera 2A bis 2H bildet gleichzeitig einen rechteckigen Bereich auf einem Werkstück oder Substrat wie etwa einer Siliciumfotovoltaiksolarzelle 12 ab und digitalisiert ihn, während das Werkstück im Hinblick auf die Kameras 2A bis 2H eine relative Bewegung erfährt. Eine Beleuchtungseinrichtung 45 stellt eine Reihe gepulster, kurz dauernder Beleuchtungsfelder bereit, die als Blitzausleuchtung bezeichnet werden. Die kurze Dauer jedes Beleuchtungsfelds „friert” das Bild der Solarzelle 12 effektiv ein, um eine Bewegungsunschärfe zu unterbinden. Zwei oder mehr Sätze von Bildern werden durch die Kameraanordnung 4 mit unterschiedlichen Beleuchtungsfeldarten für jede Belichtung für jede Stelle auf der Solarzelle 12 erzeugt. Je nach den besonderen Merkmalen auf der Solarzelle 12, die geprüft werden müssen, können die Prüfergebnisse durch ein gemeinsames Verarbeiten der mit unterschiedlichen Beleuchtungsfeldarten erzeugten Reflexionsbilder deutlich gesteigert werden. Weitere Einzelheiten der Beleuchtungseinrichtung 45 werden in der Erörterung von 21 und 22 bereitgestellt.
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Ein Werkstücktransportförderband 26 verschiebt die Solarzelle 12 auf durchlaufende Weise in der X-Richtung, um für eine Hochgeschwindigkeitsabbildung der Solarzelle 12 durch die Kameraanordnung 4 zu sorgen. Das Förderband 26 umfasst Bänder 14, die durch einen Motor 18 angetrieben werden. Ein optionaler Messwertgeber 20 misst die Position der Welle des Motors 18, wodurch die ungefähre Strecke berechnet werden kann, die die Solarzelle 12 zurückgelegt hat. Andere Verfahren zum Messen und Codieren der von der Solarzelle 12 zurückgelegten Strecke umfassen zeitbasierte, akustische oder sichtbasierte Codierverfahren. Indem Blitzausleuchtung verwendet und die Solarzelle 12 nicht angehalten wird, sind die zeitaufwändigen Transportschritte des Beschleunigens, Abbremsens und Beruhigens vor einer Bildaufnahme durch die Kameraanordnung 4 entfallen. Es wird davon ausgegangen, dass die Zeit, die benötigt wird, um zwei vollständige 80 Megapixel-Bilder einer Solarzelle 12 mit den Maßen 156 mm × 156 mm mit zwei Beleuchtungsfeldarten aufzunehmen, in ungefähr einer Sekunde oder weniger erledigt sein kann.
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2 zeigt die örtliche Y-Dimensionslage jedes Sichtfelds 30A bis 30H auf der Solarzelle 12, das jeweils durch die Kameras 2A bis 2H abgebildet wird. Es gibt eine geringfügige Überlappung zwischen benachbarten Sichtfeldern, um alle Stellen auf der Solarzelle 12 vollständig abzubilden. Während des Prüfprozesses werden die Bilder einzelner Sichtfelder 30A bis 30H in den Überlappungsbereichen digital zu einem durchgehenden Bild verschmolzen oder zusammengefügt. Eine beispielhafte Kameraanordnung 4 ist in 1 und 2 gezeigt, die als eindimensionale Anordnung einzelner Kameras angeordnet ist. Wie gezeigt ist, sind die Kameras 2A–2H dazu ausgelegt, auf eine nicht telezentrische Weise abzubilden. Dies hat den Vorteil, dass die Sichtfelder 30A bis 30H überlappt werden können. Allerdings verändert sich die Vergrößerung oder effektive Auflösung eines nicht telezentrischen Abbildungssystems, wenn die Dicke sowie der Durchbiegungsbetrag einer Solarzelle 12 variiert. Auswirkungen eines Verziehens einer Solarzelle 12, Dickenschwankungen und andere Kameraausrichtungsfehler können durch Bildzusammenfügen ausgeglichen werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Kameraanordnung in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sein. Zum Beispiel können die einzelnen Kameras zu einer Kameraanordnung aus zwei Reihen von vier Kameras angeordnet sein, in denen sich benachbarte Sichtfelder überlappen. Andere Anordnungen der Kameraanordnung, einschließlich Anordnungen, in denen sich die Sichtfelder nicht überlappen, können je nach Kosten, Geschwindigkeit und Leistungszielen des Prüfsystems vorteilhaft sein. Zum Beispiel kann eine versetzte Anordnung von Kameras mit telezentrischen Abbildungssystemen verwendet werden.
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3 ist ein Blockschema eines Prüfsystems 92. Ein Prüfanwendungsprogramm 71 läuft vorzugsweise auf einem Systemrechner 76 ab. Eingaben in das Prüfprogramm 71 umfassen zum Beispiel die Geometrie einer Solarzelle 12, die Metallisierungsdruckgeometrie und Prüftoleranzgrenzen für Druckfehler, Farbfehler, Kantenausbrüche, Mikrorissgröße und Schnittspuren. Es können auch Beleuchtungs- und Kamerakalibrierungsdaten in das Prüfprogramm 71 eingegeben werden.
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Das Prüfprogramm 71 konfiguriert eine programmierbare Logiksteuerung 22 über eine Förderbandschnittstelle 72 mit der Transportrichtung und -geschwindigkeit der Solarzelle 12. Das Prüfprogramm 71 konfiguriert auch eine Hauptelektronikplatine 80 über eine PCI-Express-Schnittstelle mit der Anzahl der Zählwerte eines Messwertgebers 20 zwischen jeder aufeinander folgenden Bildaufnahme der Kameraanordnung 4. Alternativ kann eine zeitbasierte Bildaufnahmesequenz auf Grundlage der bekannten Geschwindigkeit der Solarzelle 12 erfolgen. Das Prüfprogramm 71 programmiert vor einer Prüfung auch oder stellt ansonsten geeignete Konfigurationsparameter in den Kameras 2A–2H sowie einer Stroboskop-Platine 84 mit den individuellen Blitzlampenausgangspegeln ein.
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Ein Plattensensor 24 tastet den Rand der Solarzelle 12 ab, wenn das Prüfsystem 92 mit ihr beschickt wird, und dieses Signal wird an die Hauptplatine 80 übertragen, um mit einer Bildaufnahmesequenz zu beginnen. Die Hauptplatine 80 erzeugt die geeigneten Signale, um mit jeder Bildbelichtung durch die Kameraanordnung 4 zu beginnen, und steuert die Stroboskop-Platine 84, um geeignete Blitzlampen 87 und 88 zur richtigen Zeit einzuschalten. Eine Stroboskop-Überwachungseinrichtung 86 fühlt einen Teil des durch die Blitzlampen 87 und 88 abgegebenen Lichts ab, und diese Daten können durch die Hauptelektronikplatine 80 verwendet werden, um in Bilddaten leichte Blitzlampenausgangsschwankungen auszugleichen. Ein Bildspeicher 82 ist vorgesehen und enthält vorzugsweise ausreichend Kapazität, um alle für mindestens eine Solarzelle 12 erzeugten Bilder zu speichern. Zum Beispiel hat in einer Ausführungsform jede Kamera in der Anordnung von Kameras eine Auflösung von ca. 5 Megapixel, und der Speicher 82 hat eine Kapazität von ca. 2,0 Gigabyte. Bilddaten aus den Kameras 2A–2H können mit hoher Geschwindigkeit in den Bildzwischenspeicher 82 übertragen werden, um zu ermöglichen, dass jede Kamera schnell für anschließende Belichtungen bereit steht. Dies ermöglicht es, dass die Solarzelle 12 durchlaufend durch das Prüfsystem 92 transportiert werden kann und Bilder jeder Stelle auf der Solarzelle 12 mit mindestens zwei verschiedenen Beleuchtungsfeldarten gemacht werden können. Es kann damit begonnen werden, die Bilddaten aus dem Bildspeicher 82 aus- und über eine elektrische Hochgeschwindigkeitsschnittstelle wie etwa einen PCI Express (PCIe) in einen PC-Speicher einzulesen, sobald die erste Bilder an den Speicher 82 übertragen werden. Entsprechend kann das Prüfprogramm 71 beginnen, Prüfergebnisse zu berechnen, sobald die Bilddaten im PC-Speicher zur Verfügung stehen.
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Der Bilderfassungsprozess wird nun im Hinblick auf 4 bis 6 ausführlicher beschrieben.
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4 zeigt eine Draufsicht auf das Transportförderband 26 und die Solarzelle 12. Kameras 2A–2H bilden jeweils überlappende Sichtfelder 30A–30H ab, um ein effektives Sichtfeld 32 der Kameraanordnung 4 zu erzeugen. Das Sichtfeld 32 wird mit einer ersten stroboskopisch getakteten Beleuchtungsfeldart erfasst. Die Solarzelle 12 wird durch das Förderband 26 durchlaufend in der X-Richtung transportiert. Während des Bilderfassungsprozesses bewegt sich die Solarzelle 12 vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit, die weniger als 5 Prozent schwankt, obwohl man sich auch auf größere Geschwindigkeitsschwankungen und -beschleunigungen einstellen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist jedes Sichtfeld 30A–30H ungefähr 5 Millionen Pixel mit einer Pixelauflösung von 17 Mikron und einem Ausmaß von 34 mm in der X-Richtung und 45 mm in der Y-Richtung auf. Jedes Sichtfeld 30A–30H überlappt benachbarte Sichtfelder um ungefähr 3 mm in der Y-Richtung, so dass ein Mitten-Mitten-Abstand für jede Kamera 2A–2H 42 mm in der Y-Richtung beträgt. In einer anderen Ausführungsform besteht die Kameraanordnung 4 aus nur 4 Kameras 2A–2D. In dieser Ausführungsform hat das Kameraanordnungssichtfeld 32 in der Y-Richtung im Vergleich zur X-Richtung ein großes Seitenverhältnis von ca. 5:1.
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5 zeigt die Solarzelle 12 an einer Stelle, die von ihrer örtlichen Lage in 4 in der positiven X-Richtung verlagert ist. Zum Beispiel kann die Solarzelle 12 ungefähr 15 mm von ihrer örtlichen Lage in 4 vorgerückt sein. Ein effektives Sichtfeld 33 setzt sich aus überlappenden Sichtfeldern 30A–30D zusammen und wird mit einer zweiten Beleuchtungsfeldart erfasst.
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6A–6D zeigen eine Zeitabfolge von Kameraanordnungssichtfeldern 31, 33, 34 und 35, die mit abwechselnden ersten und zweiten Beleuchtungsfeldarten erfasst werden. Es ist klar, dass sich die Solarzelle 12 durchlaufend in der X-Richtung bewegt. 6A zeigt die Solarzelle 12 an einer X-Stelle während der Bilderfassung für die gesamte Solarzelle 12. Das Sichtfeld 31 wird mit einer ersten stroboskopisch getakteten Beleuchtungsfeldart erfasst, wie im Hinblick auf 4 erörtert wurde. 6B zeigt die Solarzelle 12 weiter in der X-Richtung verlagert, und das Sichtfeld 33, das mit einer zweiten stroboskopisch getakteten Beleuchtungsfeldart erfasst wird, wie im Hinblick auf 5 erörtert wurde. 6C zeigt die Solarzelle 12 weiter in der X-Richtung verlagert, und das Sichtfeld 34, das mit der ersten Beleuchtungsfeldart erfasst wird, und 6D zeigt die Solarzelle 12 weiter in der X-Richtung verlagert, und das Sichtfeld 35, das mit der zweiten Beleuchtungsfeldart erfasst wird.
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Es besteht eine kleine Überlappung in der X-Dimension zwischen den Sichtfeldern 31 und 34, um über ausreichend Überlappungsbildinformation zu verfügen, um die Bilder, die mit der ersten Beleuchtungsfeldart erfasst wurden, lagegenau auszurichten und digital zu verschmelzen oder zusammenzufügen. Es besteht auch eine kleine Überlappung in der X-Dimension zwischen den Sichtfeldern 33 und 35, um über ausreichend Überlappungsbildinformation zu verfügen, um die Bilder, die mit der zweiten Beleuchtungsfeldart erfasst wurden, lagegenau auszurichten und digital zu verschmelzen. In der Ausführungsform mit den Sichtfeldern 30A–30H, die Ausmaße von 33 mm in der X-Richtung hatten, stellte sich heraus, dass eine Überlappung von ungefähr 5 mm in der X-Richtung zwischen Sichtfeldern, die mit derselben Beleuchtungsfeldart erfasst wurden, wirkungsvoll ist. Ferner ist eine Verlagerung von ungefähr 15 mm in der X-Richtung zwischen Sichtfeldern bevorzugt, die mit unterschiedlichen Beleuchtungsarten erfasst werden.
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Bilder jedes Merkmals auf der Solarzelle 12 können mit mehr als zwei Beleuchtungsfeldarten erfasst werden, indem die Anzahl von aufgenommenen Sichtfeldern erhöht und eine ausreichende Bildüberlappung sichergestellt wird, um Bilder, die mit gleichen Beleuchtungsfeldarten erzeugt wurden, lagegenau auszurichten und digital zu verschmelzen oder zusammenzufügen. Schließlich können die für jede Beleuchtungsfeldart erzeugten, zusammengefügten Bilder im Hinblick aufeinander lagegenau ausgerichtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Werkstücktransportförderband 26 eine geringere Positionsgenauigkeit als die Prüfanforderungen, um Systemkosten zu senken. Zum Beispiel kann der Messwertgeber 20 eine Auflösung von 100 Mikron und das Förderband 26 eine Positionsgenauigkeit von 0,5 mm oder höher haben. Das Bildzusammenfügen von Sichtfeldern in der X-Richtung gleicht Positionsfehler der Solarzelle 12 aus.
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Es ist wünschenswert, dass jedes Beleuchtungsfeld räumlich einheitlich ist und aus gleich bleibenden Winkeln beleuchtet. Es ist auch wünschenswert, dass das Beleuchtungssystem kompakt ist und einen hohen Wirkungsgrad hat. Einschränkungen von zwei Beleuchtungssystemen, lineare Lichtquellen und Ringleuchten aus dem Stand der Technik werden mit Bezug auf 7 bis 9 erörtert. Lineare Lichtquellen haben einen hohen Wirkungsgrad, aber eine schlechte Gleichmäßigkeit im Azimutwinkel des projizierten Lichts. Ringlichtquellen haben eine gute Gleichmäßigkeit im Azimutwinkel des projizierten Lichts, sind aber nicht kompakt und haben einen schlechten Wirkungsgrad, wenn sie in Kameraanordnungen mit großem Seitenverhältnis verwendet werden.
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7 definiert ein Koordinatensystem für die Beleuchtung. Die Richtung Z ist senkrecht zur Solarzelle 12, und die Richtungen X und Y definieren horizontale Positionen auf der Solarzelle 12 oder einem anderen Werkstück. Der Winkel β definiert den Elevationswinkel der Beleuchtung. Der Winkel γ definiert redundant den Beleuchtungsstrahlwinkel im Hinblick auf die Senkrechte. Beim Winkel α handelt es sich um den Azimutwinkel des Strahls. Eine Beleuchtung aus fast allen Azimut- und Elevationswinkeln wird als Wolkentagbeleuchtung (Cloudy Day Illumination) bezeichnet. Eine Beleuchtung vorwiegend aus niedrigen Elevationswinkeln β nahe der Horizontalen wird als Dunkelfeldbeleuchtung (Dark Field Illumination) bezeichnet. Eine Beleuchtung vorwiegend aus hohen Elevationswinkeln β nahe der Vertikalen wird als Hellfeldbeleuchtung (Bright Field Illumination) bezeichnet. Ein gutes Allzweckbeleuchtungssystem erzeugt ein Lichtfeld mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsstärke über das gesamte Sichtfeld (räumliche Gleichmäßigkeit) und beleuchtet aus gleich bleibenden Winkeln über das gesamte Sichtfeld (Winkelgleichmäßigkeit).
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8 zeigt bekannte lineare Lichtquellen 48, die ein Kameraanordnungssichtfeld 32 ausleuchten. Die lineare Lichtquelle 48 kann sich einer Anordnung von LEDs 46 bedienen, um Licht wirksam auf einen schmales rechteckiges Sichtfeld 32 zu bündeln. Ein Nachteil, lineare Lichtquellen 48 zu verwenden, liegt darin, dass, obwohl das Ziel eine symmetrische Beleuchtung aus den beiden, den Quellen zugewandten Richtungen erhält, kein Licht von den der langen Achse des Sichtfelds zugewandten Richtungen her eingeht.
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9 ist eine grafische Zweiachsen-Polardarstellung, die die Beleuchtungsrichtungen für die beiden linearen Lichtquellen 48 zeigt. Die grafische Polardarstellung zeigt, dass durch das Kameraanordnungssichtfeld 32 aus der den Lichtquellen 48 nächsten Richtung her eine starke Beleuchtung (mit Azimutwinkeln von 0 und 180 Grad) und keine Beleuchtung aus den Azimutwinkeln von 90 und 270 Grad her eingeht. Wenn der Azimutwinkel zwischen 0 und 90 Grad schwankt, sinkt der Quellenelevationswinkel, und die Quelle bildet einen kleineren Winkel, so dass weniger Licht empfangen wird. Das Kameraanordnungssichtfeld 32 empfängt Licht, das sowohl in der Intensität als auch mit dem Azimutwinkel Im Elevationswinkel schwankt. Die linearen Lichtquellen 48 leuchten das Sichtfeld 32 effizient aber mit einer dürftigen Gleichmäßigkeit im Azimutwinkel aus. Bekannte Ringleuchten hingegen verfügen über eine gute Gleichmäßigkeit im Azimut, müssen aber groß ausgelegt sein, um eine akzeptable räumliche Gleichmäßigkeit für ein Kamerasichtfeld 32 mit großem Seitenverhältnis zu bieten.
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Obwohl eine Ringleuchte verwendet werden könnte, um die akzeptable Gleichmäßigkeit im Azimut bereitzustellen, müsste die Ringleuchte sehr groß sein, um eine akzeptable räumliche Gleichmäßigkeit für das Kamerasichtfeld 32 von ca. 170 mm in der Y-Richtung zu bieten. Für typische Prüfanwendungen geht man davon aus, dass die Ringleuchte über 500 mm im Durchmesser groß sein müsste, um eine ausreichende räumliche Gleichmäßigkeit bereitzustellen. Dieser enorme Ring erfüllt Marktbedürfnisse in mehreren Hinsichten nicht: das Großformat verbraucht wertvollen Platz auf der Montagestraße, der Bau der großen Lichtquelle ist teuer, die Beleuchtungswinkel sind über das Arbeitsfeld nicht gleich bleibend, und sie ist sehr ineffizient – das abgegebene Licht wird über einen signifikanten Teilbereich des 500 mm großen Kreises gestreut, während nur ein schmales Rechteck der Solarzelle tatsächlich abgebildet wird.
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Eine optische Vorrichtung, die als Lichtleiter bezeichnet wird, kann dazu verwendet werden, ein sehr gleichmäßiges Lichtfeld zur Beleuchtung zu erzeugen. Zum Beispiel beschreibt das
US-Patent 1,577,388 einen Lichtleiter, der zum Hinterleuchten eines Bildfensters verwendet wird. Herkömmliche Lichtleiter müssen jedoch physikalisch lang sein, um eine gleichmäßige Beleuchtung bereitzustellen.
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Eine kurze Beschreibung von Lichtleiterprinzipien wird im Hinblick auf 10 bis 12 bereitgestellt. Danach werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf 13 bis 17 beschrieben, die die Länge eines zur gleichmäßigen Beleuchtung erforderlichen Lichtleiters signifikant reduzieren. In einer Ausführungsform sind die Innenwände des Lichtleiters mit reflektierenden Werkstoffen aufgebaut, die Licht in nur eine Richtung streuen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Lichtleiter mit Eingangs- und Ausgangsöffnungen ausgelegt, die eine einfache Integration einer Kameraanordnung zulassen, um Bilder eines gleichmäßig und effizient ausgeleuchteten Werkstücks zu erfassen.
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10 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung 65, die aus einer Lichtquelle 60 und einem Lichtleiter 64 besteht. Der Hohlkastenlichtleiter 64 erzeugt, wenn er wie beschrieben verwendet wird, ein gleichmäßiges Dunkelfeldbeleuchtungsmuster. Eine Kamera 2 blickt entlang der Länge des Lichtleiters 64 durch Öffnungen 67 und 69 an den Enden des Lichtleiters nach unten auf das Werkstück 11. Eine Lichtquelle 60, zum Beispiel eine Bogenlampe in einem Parabolreflektor, ist so angeordnet, dass sie Licht in die Eintrittsöffnung 67 des Lichtleiters 64 mit intern reflektierenden Flächen projiziert, so dass Licht mit dem gewünschten Elevationswinkel nach unten fällt. Alternativ kann eine mit Linse versehene LED oder eine andere Quelle verwendet werden, solange nur der Bereich von Quellenelevationswinkeln mit dem am Werkstück 11 gewünschten Bereich an Elevationswinkeln übereinstimmt. Die Lichtquelle kann entweder stroboskopisch getaktet oder kontinuierlich sein. Der Strahlenfächer aus der Lichtquelle 60 breitet sich über den Leiter und nach unten aus, bis er auf eine der Seitenwände trifft. Der Strahlenfächer wird aufgeteilt und im Azimut an den Ecken des Leiters verbreitet, der Elevationswinkel wird aber beibehalten. Dieser ausgeweitete Strahlenfächer breitet sich aus, trifft auf viele verschiedene Seitenwandabschnitte, wo er weiter verbreitet und im Azimutwinkel randomisiert wird und im Elevationswinkel größtenteils unverändert bleibt. Nach mehreren Reflexionen sind alle Azimutwinkel an der Austrittsöffnung 68 und dem Werkstück 11 vorhanden. Deshalb werden alle Punkte des Ziels durch Licht aus allen Azimutwinkeln aber nur denjenigen Elevationswinkeln beleuchtet, die in der ursprünglichen Quelle vorkommen. Außerdem ist das Beleuchtungsfeld am Werkstück 11 räumlich ungleichmäßig. Anzumerken ist, dass die seitliche Erstreckung des Lichtleiters 64 nur etwas größer ist als das Sichtfeld, im Gegensatz zu der erforderlichen Größe einer Ringleuchte als Voraussetzung für eine räumlich gleichmäßige Beleuchtung.
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11 zeigt die grafische Polardarstellung der Beleuchtungsrichtung an der Quelle, ein nahezu parallel gerichtetes Strahlenbündel aus einem kleinen Bereich von Elevations- und Azimutwinkeln.
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12 ist eine grafische Polardarstellung der Strahlen am Werkstück 11, und die Winkelausbreitung an der Quelle ist zum Vergleich mit aufgenommen. Alle Azimutwinkel sind am Werkstück 11 vorhanden, und die Elevationswinkel der Quelle sind beibehalten.
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Wenn der Elevationswinkel von Licht, das aus der Beleuchtungseinrichtung 65 austritt, derselbe ist wie diejenigen Elevationswinkel, die in der Quelle 60 vorkommen, ist es relativ einfach, diese Winkel auf bestimmte Anwendungen abzustimmen. Falls ein niedrigerer Elevationsbeleuchtungswinkel gewünscht wird, dann kann die Quelle näher am Horizont ausgerichtet werden. Die untere Grenze zum Beleuchtungswinkel ist durch den Abstand der Lichtleiterunterkante gesetzt, weil Licht aus Winkeln unter der Unterkante des Lichtleiters das Ziel nicht erreichen kann. Die obere Grenze zum Beleuchtungselevationswinkel ist durch die Länge des Lichtleiters 66 gesetzt, da mehrere Reflexionen erforderlich sind, um den Beleuchtungsazimutwinkel zu randomisieren oder zu homogenisieren. Wenn der Elevationswinkel vergrößert wird, wird es bei einem Lichtleiter 64 mit einer bestimmten Länge vor dem Erreichen des Werkstücks 11 weniger Rückspiegelungen geben.
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Die polygonale Lichtleiterhomogenisiervorrichtung bildet neue Azimutwinkel nur an ihren Ecken, deshalb sind viele Reflexionen nötig, um einen gleichmäßigen Ausgang zu bekommen. Wenn alle Abschnitte der Lichtleiterseitenwände das Lichtmuster in der Azimutrichtung verbreiten oder randomisieren könnten, wären weniger Reflexionen erforderlich, und die Länge des Lichtleiters könnte in der Z-Richtung verkleinert werden, was die Beleuchtungseinrichtung in der Y-Richtung kürzer und/oder breiter machen würde.
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13 und 14 stellen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Lichtleiterseitenwänden dar, die Licht in nur einer Achse streuen oder verteilen. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Azimutwinkel des Lichtbündels bei jeder Reflexion gestreut werden, dabei aber die Elevationswinkel aufrechterhalten bleiben. Dies wird dadurch erzielt, dass der Innenfläche der Lichtleiterseitenwand 66 eine gekrümmte oder facettierte reflektierende Fläche 70 hinzugefügt wird, wie in 13 gezeigt ist. Querschnittsansichten der Seitenwand 66 sind in 14A und 14B gezeigt. 14A macht sichtbar, wie ein parallel gerichtetes Lichtstahlbündel 62 senkrecht zur Achse der zylindrischen Krümmung auf der reflektierenden Fläche 70 gestreut wird. In 14B bleibt der Reflexionswinkel beim Lichtstrahlbündel 62 entlang der Achse der zylindrischen Krümmung auf der reflektierenden Fläche 70 aufrechterhalten. Hier bleibt der Elevationswinkel der Quelle aufrechterhalten, weil die Flächennormale an jedem Punkt des Reflektors 70 keine Z-Komponente besitzt. Die gekrümmte oder facettierte Oberfläche der reflektierenden Fläche 70 schafft einen Bereich an neuen Azimutwinkeln bei jeder Reflexion über die gesamte Fläche der Lichtleiterwand 66, und deshalb wird der Azimutwinkel der Quelle schnell randomisiert. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung jeder beliebigen Kombination von brechenden, beugenden und reflektierenden Flächen für die Innenfläche der Lichtleiterseitenwand 66 in die Praxis umgesetzt werden.
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In einem Aspekt ist die reflektierende Fläche 70 in Segmenten eines Zylinders gekrümmt. Diese verteilt ankommendes Licht gleichmäßig in einer Achse, was sich einer eindimensionalen Lambertschen Fläche annähert, verteilt das Licht aber nicht in der anderen Achse. Diese Form lässt sich auch leicht aus Metallblech ausbilden. In einem anderen Aspekt hat die reflektierende Fläche 70 eine Sinuswellenform. Da eine Sinuswellenform jedoch eine größere Krümmung an den Erhebungen und Vertiefungen und eine geringere Krümmung an den Seiten hat, ist die Winkelausbreitung des Lichtbündels 62 an den Erhebungen und Vertiefungen stärker als an den Seiten.
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15A und 15B zeigen die gekrümmten, reflektierenden Flächen, die an den Innenoberflächen der Lichtleiterbeleuchtungseinrichtung 41 für die Kameraanordnung 4 angebracht sind. Die Lichtleiterbeleuchtungseinrichtung umfasst die Seitenwände 66 und die Lichtquelle 87. Die eindimensionalen diffus reflektierenden Flächen 70 randomisieren Azimutwinkel schneller als ein Lichtleiter, der mit planen reflektierenden Flächen gebaut ist. Dies ermöglicht es, dass ein kompakterer Lichtleiter verwendet werden kann, der die Kameraanordnung 4 näher am Werkstück sein lässt. 15B zeigt, wie Lichtstrahlen nach einer kleinen Anzahl von Reflexionen im Azimutwinkel randomisiert werden.
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Im Vergleich zur Beleuchtungseinrichtung 41 kann die Lichtleiterbeleuchtungseinrichtung 42 in der Z-Richtung verkürzt werden, wenn mehrere Lichtquellen verwendet werden. Mehrere Quellen, zum Beispiel eine Reihe parallel gerichteter LEDs, reduzieren die Gesamtanzahl an Reflexionen, die erforderlich sind, um eine räumlich gleichmäßige Quelle zu erzielen, und reduzieren somit die erforderliche Lichtleiterlänge. Die Beleuchtungseinrichtung 42 ist mit Lichtquellen 87A–87E dargestellt, bei denen es sich auch um stroboskopisch getaktete Bogenlampenquellen handeln kann.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, der in 17A bis 17B gezeigt ist, umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 43 Spiegel 67, die Teile des aus der Quelle 87 eingegangenen Strahls zum gewünschten Quellenelevationswinkel reflektieren. Wie die Mehrfachquellenausführungsform führt auch dies zu einem räumlich gleichmäßigen Lichtfeld in einem kürzeren Lichtleiter. Um zu vermeiden, dass die Sicht auf das Ziel versperrt wird, sind die Spiegel 67 zwischen den Kameras und in unterschiedlichen Höhen so angeordnet, dass jeder Spiegel einen Teil des von der Quelle 67 kommenden Lichts einfängt. Die Spiegel 67 sind so gestaltet, dass sie Licht mit dem gewünschten Elevationswinkel und zu den Lichtleiterseitenwänden 66 hin reflektieren, wo die gekrümmten reflektierenden Flächen 70 die Quellenazimutrichtung schnell randomisieren. Eine Querschnittsansicht des Spiegels 67 ist in 17B gezeigt. Bei dem Spiegel 67 kann es sich zum Beispiel um einen Flachspiegel handeln, der in einer zickzackförmigen Reihe ausgebildet ist.
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18 und 19 stellen in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung 44 dar, in die eine Kameraanordnung 4 integriert ist. Durch die Quelle 88 wird Licht in eine Lichtmischkammer 57 eingeleitet, die durch Spiegel 54 und 55, eine obere Blendenplatte 58 und eine Diffusorplatte 52 definiert ist. Die Innenflächen 54, 55 und 58 sind reflektierend, wohingegen die Diffusorplatte 52 vorzugsweise aus einem durchscheinenden, Licht diffundierenden Material gebaut ist. Öffnungen 56 sind an der oberen Platte 58 vorgesehen, und Öffnungen 50 sind an der Diffusorplatte 52 vorgesehen, und zwar so, dass die Kameras 2 eine unversperrte Sicht auf das Werkstück haben. Um die Diffusorplatte 52 und die Öffnungen 50 klarer sichtbar zu machen, wurde in Vergleich zu 18 in 19 der Spiegel 55 entfernt.
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Durch die Quelle 88 projiziertes Licht wird durch die Spiegel 54 und 55 und die Öffnungsplatte 58 reflektiert. Wenn das Licht in der Mischkammer 57 reflektiert wird, reflektiert auch die Diffusorplatte 52 einen Teil dieses Lichts, und dieses wird zurück in die Mischkammer 57 geleitet. Nach mehreren Reflexionen in der Mischkammer 57 ist die Diffusorplatte 52 gleichmäßig beleuchtet. Das durch die Diffusorplatte 52 hindurch übertragene Licht wird in den unteren Abschnitt der Beleuchtungseinrichtung 44 ausgestrahlt, der aus den reflektierenden Flächen 70 aufgebaut ist, wie etwa denjenigen, die mit Bezug auf 13 und 14 erörtert wurden. Die reflektierenden Flächen 70 erhalten den von der Diffusorplatte 52 ausgestrahlten Beleuchtungselevationswinkel aufrecht. Das Ergebnis ist ein räumlich gleichmäßiges Beleuchtungsfeld am Werkstück 12. 20 ist eine grafische Polardarstellung, die die Ausgangsbeleuchtungsrichtungen der Beleuchtungseinrichtung 44 zeigt. Die Beleuchtungseinrichtung 44 erzeugt ein wie in 20 gezeigtes Ausgangslichtfeld, das als Wolkentaglichtfeld bezeichnet wird, weil die Beleuchtung aus fast allen Elevations- und Azimutwinkeln nahezu gleich ist. Der Bereich an Ausgangselevationswinkeln kann jedoch durch die Diffusionseigenschaften der Diffusorplatte 52 gesteuert werden.
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21 zeigt eine andere Ausführungsform eines optischen Prüfsensors 94. Der optische Prüfsensor 94 umfasst eine Kameraanordnung 4 und eine integrierte Beleuchtungseinrichtung 45. Die Beleuchtungseinrichtung 45 erleichtert eine unabhängig gesteuerte Wolkentag- und Dunkelfeldbeleuchtung. Ein Dunkelfeldbeleuchtungsfeld wird auf der Solarzelle 12 erzeugt, indem die Lichtquelle 87 eingeschaltet wird. Ein Wolkentagbeleuchtungsfeld wird auf die Solarzelle 12 projiziert, indem die Lichtquelle 88 eingeschaltet wird. 22 zeigt die grafische Polardarstellung und Beleuchtungsrichtungen für die Wolkentag- und Dunkelfeldbeleuchtungen. In einem Aspekt sind die Quellen 87 und 88 stroboskopisch getaktet, um Bewegungsunschärfeeffekte zu unterbinden, die vom durchlaufenden Transport der Solarzelle 12 herrühren.
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Den Fachleuten auf dem Gebiet wird klar sein, dass der Bildkontrast der verschiedenen Gegenstandmerkmale in Abhängigkeit von mehreren Faktoren variiert, die die Merkmalsgeometrie, -farbe, – reflexionseigenschaften und das Winkelspektrum der auf jedes Merkmal einfallenden Beleuchtung umfassen. Da jedes Kameraanordnungssichtfeld eine breite Palette an verschiedenen Merkmalen mit unterschiedlichen Beleuchtungsanforderungen enthalten kann, nehmen sich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dieser Herausforderung an, indem sie jedes Merkmal und jede örtliche Lage auf dem Werkstück 12 zweimal oder öfter abbilden, wobei jedes dieser Bilder unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen aufgenommen und dann in einem digitalen Speicher gespeichert wird. Im Allgemeinen kann die Prüfleistung verbessert werden, indem Gegenstandsmerkmalsdaten von zwei oder mehr Bildern verwendet werden, die mit verschiedenen Beleuchtungsfeldarten erfasst wurden.
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Es sollte klar sein, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf zwei Beleuchtungsarten wie etwa die Dunkelfeld- und Wolkentagbeleuchtung beschränkt sind, und auch nicht auf die spezifischen Beleuchtungseinrichtungsauslegungen beschränkt sind. Die Lichtquellen können direkt auf das Werkstück 12 projizieren. Die Lichtquellen können auch verschiedene Wellenlängen oder Farben haben und sich in verschiedenen Winkeln im Hinblick auf das Werkstück 12 befinden. Die Lichtquellen können in unterschiedlichen Azimutwinkeln um das Werkstück 12 angeordnet sein, um eine Ausleuchtung von Verschiedenen Quadranten aus bereitzustellen. Bei den Lichtquellen kann es sich um eine Vielzahl von Hochleistungs-LEDs handeln, die Lichtimpulse mit ausreichend Energie abgeben, um die Bewegung des Werkstücks 12 „einzufrieren” und eine Bewegungsunschärfe in den Bildern zu unterbinden. Zahlreiche andere Beleuchtungsauslegungen liegen im Rahmen der Erfindung, einschließlich Lichtquellen, die Hellfeldbeleuchtungsfelder erzeugen oder Licht durch das Substrat des Werkstücks 12 übertragen, um die zu prüfenden Merkmale zu hinterleuchten. Da Silicium zum Beispiel bei Wellenlängen im nahen Infrarot halbtransparent ist, ist es besonders wirksam, die Solarzelle mit stroboskopisch getaktetem Infrarotlicht zu hinterleuchten, um auf Mikrorisse und Löcher im Substrat hin zu prüfen.
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Verschiedene Solarzellenprüfanforderungen erfordern die Notwendigkeit, dreidimensionale Bilddaten bei vollen Produktionsraten zu erfassen. Diese Anforderungen umfassen eine Messung der Metallisierungsaufdruckhöhe und Waferdurchbiegung. Dreidimensionsinformationen wie etwa das Profil eines Sammelfingers lassen sich zum Beispiel unter Verwendung von hinlänglich bekannten Laser-Triangulations-, Phasen-Profilametrie- oder Moirè-Verfahren messtechnisch erfassen. Das
US-Patent 6,577,405 (Kranz et al.), das auf den Übernehmer der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschreibt ein repräsentatives dreidimensionales Abbildungssystem, Auf Stereosicht basierende Systeme können auch dreidimensionale Hochgeschwindigkeitsbilddaten generieren.
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Stereosichtsysteme sind hinlänglich bekannt. Handelsübliche Stereosysteme sind unter die Stereoskope des 19. Jahrhunderts zu datieren. In jüngster Zeit wurde eine Menge Arbeit in die Verwendung von Computern gesteckt, um zwei Kamerastereobildpaare („A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms" von Scharstein und Szeliski) oder Mehrfachkameras auszuwerten („A Space-Sweep Approach to True Multi-Image Matching" von Robert T. Collins). Diese letzte Bezugsschrift umfasst eine Erwähnung einer in bezug auf das Ziel bewegte Einzelkamera zur Luftaufklärung.
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Ein alternatives Stereosichtsystem projiziert ein strukturiertes Lichtmuster auf das Ziel oder Werkstück, um eine eindeutige Textur im reflektierten Lichtmuster zu erzeugen („A Multibaseline Stereo System with Active Illumination and Real-time Image Acquisition" von Sing Bing Kang, Jon A. Webb, C. Lawrence Zitnick und Takeo Kanade).
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Für eine zwei- und dreidimensionale Hochgeschwindigkeitsbilddatenerfassung, um Solarzellenprüfanforderungen zu erfüllen, können mehrere Kameraanordnungen in einer Stereoauslegung mit sich überlappenden Kameraanordnungssichtfeldern angeordnet werden. Die Solarzelle kann dann durchlaufend im Hinblick auf die Kameraanordnungen bewegt werden. Mehrere stroboskopisch getaktete Beleuchtungsfelder „frieren” das Bild der Solarzelle wirksam ein, um Bewegungsunschärfe zu unterbinden.
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23 zeigt Kameraanordnungen 6 und 7, die in einer Stereoauslegung angeordnet sind. Die Kameraanordnungen 6 und 7 bilden die Solarzelle 12 mit sich überlappenden Kameraanordnungssichtfeldern 37 ab. Das Beleuchtungssystem ist der Klarheit halber entfernt.
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24 ist eine perspektivische Schnittansicht eines optischen Prüfsensors 98 mit integrierter Beleuchtungseinrichtung 40 für eine Hochgeschwindigkeitserfassung von Stereobilddaten. Kameraanordnungen 3 und 5 sind in einer Stereoauslegung mit sich auf der Solarzelle 12 überlappenden Sichtfeldern 36 angeordnet. Die Solarzelle 12 bewegt sich durchlaufend in Bezug auf den Prüfsensor 98. Eine obere Öffnungsplatte 59 umfasst Öffnungen 56, und eine lichtdurchlässige Diffusorplatte 53 umfasst Öffnungen 50, um den Kameraanordnungen 3 und 5 unversperrte Ansichten auf die Sichtfelder 36 zu ermöglichen. Das Einschalten einer Lichtquelle 88 erzeugt eine Wolkentagbeleuchtungsfeldart auf der Solarzelle 12, und das Einschalten einer Lichtquelle 87 erzeugt eine Dunkelfeldbeleuchtungsfeldart. Andere Beleuchtungsfeldarten wie etwa Hintergrundbeleuchtung lassen sich durch eine geeignete Anordnung einer stroboskopisch getakteten Beleuchtungseinrichtung dergestalt erzielen, dass Licht, das durch oder an den Kanten der Solarzelle 12 vorbei übertragen wird, durch die Kameraanordnungen 3 und 5 eingefangen wird. Bei der Bilderfassungsabfolge kann es sich zum Beispiel um eine Reihe von sich überlappenden Bildern handeln, die gleichzeitig durch beide Kameraanordnungen 3 und 5 mit abwechselnden stroboskopisch getakteten Wolkentag-, Dunkelfeld- und Hintergrundbeleuchtungsfeldarten aufgenommen werden.
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Mit Rückbezug auf das Blockschema von 3 ist das Funktionsblockschema des optischen Prüfsensors 98 dem Blockschema des optischen Prüfsensors 94 sehr ähnlich. Was jedoch den optischen Prüfsensor 98 angeht, so ist die Kameraanordnung 4 entfernt und durch die Kameraanordnungen 3 und 5 ersetzt, die wiederum auf die Hauptelektronikplatine 80 aufgeschaltet sind. Ein Bildspeicher 82 enthält vorzugsweise genug Kapazität, um alle durch die Kameraanordnungen 3 und 5 für eine Solarzelle 12 erzeugten Bilder zu speichern. Die Bilddaten werden aus dem Bildspeicher 82 ausgelesen und über eine elektrische Hochgeschwindigkeitsschnittstelle wie einen PCI Express (PCIe) an einen Systemrechner 76 übertragen.
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Ein Anwendungsprüfprogramm 71 berechnet dreidimensionale Bilddaten durch bekannte Stereoverfahren unter Verwendung der Disparität oder des Versatzes von Bildmerkmalen zwischen den Bilddaten aus den Kameraanordnungen 3 und 5. Die Prüfergebnisse werden durch das Anwendungsprogramm 71 für Eigenschaften und Mängel der Solarzelle 12 berechnet, wie etwa Wafergeometrie, abgebrochene Kanten, Löcher, Risse, Mikrorisse, Oberflächenprüfung, Durchbiegung, Schnittspuren und Farbe. Druckprüfergebnisse für die Position, Dicke, Breite, Länge und Unterbrechungen können auch durch das Anwendungsprogramm 71 berechnet werde. Die Lagegenauigkeit des metallisierten Aufdrucks kann auch durch Messen von Bezugspunkten verbessert werden, wie etwa denjenigen, die mit Laser auf die Oberfläche der Solarzelle 12 geätzt wurden. Diese Bezugspunkte zeigen oftmals einen guten Kontrast in mit Dunkelfeld ausgeleuchteten Aufnahmen und können dazu verwendet werden, ein Koordinatensystem zum Messen von Lagegenauigkeit zu erstellen. Eine Kombination aus zwei- und/oder dreidimensionalen Bilddaten kann für jede dieser Prüfberechnungen verwendet werden.
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25 zeigt eine andere Ausführungsform, in der Kameraanordnungen 6 und 7 in einer Stereoauslegung mit sich auf der Solarzelle 12 überlappenden Kameraanordnungssichtfeldern 37 angeordnet sind. Die integrierte Wolkentag- und Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung wurde der Klarheit halber entfernt. Stereosichtsysteme versagen manchmal bei Nichtvorhandensein einer beobachtbaren Struktur an dem Objekt. Ein Verfahren, um dies zu überwinden, besteht darin, der Oberfläche mit einer strukturierten Lichtquelle eine künstliche Struktur oder „Textur” hinzuzufügen, die dann von den in einer Stereoauslegung angeordneten Kameras gesehen werden kann. Ein Strukturlichtprojektor 8 projiziert ein stroboskopisch getaktetes Lichtmuster über das Kameraanordnungssichtfeld 37 auf die Solarzelle 12. Bei dem Lichtmuster kann es sich zum Beispiel um einen Laserstreifen, eine Reihe von Laserstreifen oder ein Zufallspunktmuster handeln. Die Disparität des projizierten Musters, wie es von den Kameraanordnungen 6 und 7 gesehen wird, kann vom Anwendungsprogramm 71 dazu verwendet werden, dreidimensionale Bilddaten zu berechnen. Bei der Bilderfassungsfolge kann es sich um eine Reihe sich überlappender Bilder handeln, die gleichzeitig durch beide Kameraanordnungen 6 und 7 mit sich abwechselnden stroboskopisch getakteten Wolkentag-, Dunkelfeld- und Strukturlichtmusterbeleuchtungsfeldarten aufgenommen wurden.
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26 zeigt eine andere Ausführungsform mit in einer Stereoauslegung angeordneten Kameraanordnungen 6 und 7 und einem Strukturlichtprojektor 8. Die integrierte Wolkentag- und Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung wurde der Klarheit halber entfernt. Die Kameraanordnung 6 ist so angeordnet, dass sie die Solarzelle 12 aus einer vertikalen Richtung sieht, um die perspektivische Ansicht, wie in 25, zu eliminieren, um eine zweidimensionale Messung der Merkmale der Solarzelle 12 zu verbessern.
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27 zeigt eine andere Ausführungsform mit einer Kameraanordnung 6, die so angeordnet ist, dass sie das Kameraanordnungssichtfeld 38 auf der Solarzelle 12 sieht. Ein Strukturlichtprojektor 8 projiziert ein stroboskopisch getaktetes Lichtmuster über das Kameraanordnungssichtfeld 38 auf die Solarzelle 12. Bei dem Lichtmuster kann es sich zum Beispiel um einen Laserstreifen, eine Reihe von Laserstreifen, ein sinusförmiges Muster oder ein Zufallspunktmuster handeln. Eine Reichweite zur Solarzelle 12 und deren Merkmale werden durch bekannte Verfahren berechnet, indem die Position des projizierten Lichtmusters wie durch die Kameraanordnung 6 beobachtet gemessen wird. Optionale Wolkentag-, Dunkelfeld-, Hellfeld- Hintergrundbeleuchtungs- oder andere Lichtquellen wurden der Klarheit halber nicht gezeigt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen an Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Aussagegehalt und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1577388 [0051]
- US 6577405 [0068]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms” von Scharstein und Szeliski [0069]
- „A Space-Sweep Approach to True Multi-Image Matching” von Robert T. Collins [0069]
- „A Multibaseline Stereo System with Active Illumination and Real-time Image Acquisition” von Sing Bing Kang, Jon A. Webb, C. Lawrence Zitnick und Takeo Kanade [0070]
