DE19915052A1 - Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur sowie Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Einrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur sowie ein Kalibrierungsverfahren mit einer Kamera (8) zur Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes und einem optischen Sensor (7) zur dreidimensionalen Vermessung eines zu inspizierenden Merkmals. Kamera (8) und optischer Sensor (7) sind in einer Sensoreinheit (6) zusammengefaßt. Eine unabhängig vom Prüfling (3) an der Inspektionseinrichtung befestigte Kalibriermarke (16) dient zur Kalibrierung der Lage und/oder der Auflösung der Kamera (8) sowie des optischen Sensors (7). Somit ist eine programmgesteuerte Kalibrierung möglich, ohne den Prüfling oder die Inspektionseinrichtung umrüsten zu müssen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur eines im wesentlichen ebenen Prüflings nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Inspektions­ einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Aus der US-PS 5 751 910 ist bereits eine Inspektionseinrich­ tung für den Lotpastenauftrag auf Leiterplatten bekannt, bei welcher mit einer CCD-Kamera aufgenommene Bilder verarbeitet werden. Leiterplatten für oberflächenmontierbare Bauelemente, sogenannte Leiterplatten in Surface Mount Technology (SMT), werden in großen Stückzahlen und vielen Varianten produziert. Die oberflächenmontierbaren Bauelemente werden auf der Leiterplatte durch Verlöten ihrer Anschlüsse auf metallisier­ ten Flächen, sogenannten Pads, mechanisch gehalten und elek­ trisch mit Leiterzügen auf der Leiterplatte verbunden. Dazu ist auf der Leiterplatte ein Muster von metallischen Pads vorgesehen, das zur Lage der Anschlüsse des Bauelements kor­ respondiert. Mit einem Siebdruckverfahren wird auf die Pads Lotpaste aufgetragen. Danach wird das oberflächenmontierbare Bauelement auf die Leiterplatte bestückt. Zunächst wird das Bauelement durch die Klebeeigenschaft der Lotpaste auf der Leiterplatte gehalten. Nach einem anschließenden Erhitzen der bestückten Leiterplatte sind die Anschlüsse des Bauelements mit den Pads fest verlötet.

In der Aufbautechnik ist ein Trend zu immer höherer Integra­ tion der Bauelemente mit einer wachsenden Anzahl von An­ schlüssen je Bauelementegehäuse erkennbar. Im sogenannten Fine-Pitch-Bereich beträgt der Abstand zwischen zwei neben­ einanderliegenden Anschlüssen eines Bauelements etwa 1/40stel Zoll. Damit werden auch die Pads auf den Leiterplatten klei­ ner und dichter. Etwa 80% der Lötfehler werden im Fine-Pitch-Be­ reich durch den Lotpastendruck verursacht. Beispiele für derartige Fehler sind ein zu geringer Lotpastenauftrag oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pads durch ungenaue Plazierung der Schablone beim Lotpastendruck. Um diese Fehler zu finden und Schwachstellen im Fertigungsprozeß aufzudecken, wird nach dem Lotpastenauftrag eine optische Inspektion der Leiterplatte vorgenommen. Dazu ist in dem obengenannten ame­ rikanischen Patent eine Einrichtung mit einer Kamera zur Auf­ nahme eines Bildes eines zu inspizierenden Lotdepots be­ schrieben. Mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks werden aus dem bei Schrägbeleuchtung und Kreuzpolarisation des Lichts aufgenommenen zweidimensionalen Bild dreidimensionale Merk­ male des Lotdepots extrahiert.

Um die Lage der Lotdepots aus den Bildern berechnen zu kön­ nen, muß zuvor die Lage der Leiterplatte in der Inspektions­ einrichtung erfaßt werden. Dazu wird die Kamera mit einer Positioniereinrichtung nacheinander über zwei Justiermarken gefahren. Die Justiermarken können beispielsweise als runde metallische Pads oder als aufgedruckte Kreuzmarken ausgeführt sein. Zweckmäßigerweise sind sie im Bereich der Ecken der Leiterplatte angeordnet. Die mit der Kamera aufgenommenen Bilder der Marken werden in einem Rechner mit einem geeigne­ ten Bildauswerteprogramm ausgewertet und die Lage der Marken berechnet. Aus der Lage der Marken werden Informationen über eine eventuelle Verschiebung oder Drehung der Leiterplatte gewonnen. Anhand dieser Informationen kann die Kamera über der gewünschten Gruppe von Lotpastendepots, die beispiels­ weise zu den Anschlüssen eines Bauelements korrespondiert, positioniert und ein Bild zur weiteren Beurteilung der Qua­ lität des Lotpastenauftrags aufgenommen werden.

Das zweidimensionale Bildverarbeitungsverfahren hat jedoch den Nachteil, daß insbesondere Abweichungen der Höhe der Lotdepots von einem vorgegebenen Sollwert nur ungenau er­ mittelt werden können. Dadurch kann es vorkommen, daß bei­ spielsweise bei einem zu niedrigen Lotpastenauftrag ein Anschluß eines Bauelements nicht auf der Lotpaste aufliegt und beim anschließenden Lötvorgang keine elektrische Ver­ bindung zwischen Bauelementeanschluß und Pad auf der Leiter­ platte hergestellt wird.

Aus der DE 196 08 468 C2 ist ein optischer Sensor zur drei­ dimensionalen Erfassung von Oberflächen bekannt. Der dort beschriebene optische Sensor, der als Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip arbeitet, ermöglicht eine automatische Oberflächenprüfung mit hoher Datenrate bei geringen Systemkosten. Bezüglich des Aufbaus und weiterer Vorteile des bekannten optischen Sensors wird auf die oben angegebene deutsche Patentschrift verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur zu schaffen sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer derarti­ gen Inspektionseinrichtung zu finden, durch welche die Ge­ nauigkeit der Vermessung der dreidimensionalen Oberflächen­ struktur weiter verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Das neue Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Inspektionseinrichtung umfaßt dazu die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 genannten Schritte. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß Volumen und Lage des Lot­ pastenauftrags exakt vermessen werden können. Gerade im Fine-Pitch-Be­ reich ist das Lotvolumen eine sehr wichtige Prozeß­ kenngröße, mit deren Kenntnis systematische Prozeßschwächen eliminiert werden können. Über eine reine Gut/Schlecht-Aus­ sage hinaus werden mit dem optischen Sensor Meßergebnisse über die geometrische Ausprägung des Lotpastenauftrags er­ mittelt. Diese Daten können direkt zur Prozeßverbesserung herangezogen werden und stellen damit einen hohen Nutzen für den Anwender dar. Eine fest mit der Inspektionseinrichtung verbundene Kalibriermarke hat den Vorteil, daß sie unabhängig vom jeweiligen Prüfling ist. Es werden somit durch die Kali­ brierung keinerlei zusätzliche Anforderungen an die Be­ schaffenheit der Marken auf dem Prüfling gestellt, die bei­ spielsweise auf Leiterplatten zur Bestimmung der Leiter­ plattenlage mit einer Kamera vorgesehen sind. Unverändert können somit zwei weiße Kreuze auf dem Leiterplattenmaterial mit der CCD-Kamera angefahren und die Position der Leiter­ platte auf der Inspektionseinrichtung mittels üblicher Bild­ auswertung vermessen werden. Mit jedem Umbau der Inspektions­ einrichtung, beispielsweise einer Umrüstung auf einen neuen Leiterplattentyp als Prüfling, muß erneut eine Kalibrierung vorgenommen werden. Bei einer Kalibrierung mit Kalibrier­ marken auf der Leiterplatte müßte eine spezielle Leiterplatte als Kalibrierboard verwendet werden. Für jeden Kalibrier­ vorgang der Inspektionseinrichtung müßte auf das Kalibrier­ board umgerüstet werden, bevor ein manueller Kalibriervorgang mit manuellem Anfahren der Marken durchgeführt werden könnte. Dies wäre mit dem Nachteil eines erheblichen Zeit- und Kostenaufwands verbunden, der mit einer an der Inspektions­ einrichtung fest angebrachten Kalibriermarke, die sich immer an derselben Stelle befindet und in jedem Fall automatisch angefahren werden kann, vermieden werden kann. Die Dauer eines Kalibriervorgangs beträgt lediglich etwa 10 s. Nach Abschluß des Kalibriervorgangs kann die relative Lage des optischen Sensors zur Kamera exakt berechnet werden. Somit ist nicht nur die Kamera nach Vermessen von Justiermarken auf dem Prüfling exakt über den zu inspizierenden Merkmalen posi­ tionierbar, sondern auch der optische Sensor.

Da die Kalibriermarke fest mit der Inspektionseinrichtung verbunden ist, ändert sich ihre Lage bei einem Wechsel des Prüflings oder einer Umrüstung auf einen anderen Prüfling nicht. Die Marke kann somit in jedem Fall automatisch an­ gefahren werden und die einzelnen Schritte der Kalibrierung können mit Hilfe eines Steuerrechners automatisch durch­ geführt werden, der mit einer Bildauswertungssoftware die Bildsignale der CCD-Kamera und des optischen Sensors aus­ wertet. Derselbe Steuerrechner kann zugleich zur Ansteuerung der Verfahrachsen einer Positioniereinrichtung verwendet werden.

Bei einer grob bekannten Auflösung der CCD-Kamera müssen die Justiermarken auf einer Leiterplatte als Prüfling lediglich im Bildbereich erfaßt werden. Aus dem Versatz im aufgenomme­ nen Bild und der Auflösung des Bildes kann die Lage der Mar­ ken im Koordinatensystem der Inspektionseinrichtung berechnet werden.

Ist die fest mit der Inspektionseinrichtung verbundene Kali­ briermarke derart beschaffen, daß sie sowohl einen Kontrast im Grauwertbild der Kamera als auch im Höhenbild des opti­ schen Sensors liefert, so genügt in vorteilhafter Weise nur eine Marke zur Kalibrierung beider Aufnahmesysteme. Zudem kann aufgrund der Verwendung nur einer Marke für beide Auf­ nahmesysteme die relative Lage des optischen Sensors zur Kamera exakt vermessen werden. Gegenüber einer getrennten Vermessung mit verschiedenen Marken wird in vorteilhafter Weise eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Ungenauig­ keiten der relativen Lage der Marken zueinander vermieden.

Eine Kalibriermarke, die als ein auf einer Ebene stehender Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Grundfläche im wesent­ lichen parallel zur Oberfläche des Prüflings ausgerichtet ist und dessen obere Kreisfläche derart behandelt ist, daß sich ihr Grauwert wesentlich vom Grauwert der Ebene unterscheidet, hat den Vorteil, daß sie mit wenig Aufwand herstellbar ist und ein einfaches Formenprimitiv darstellt, das zur Vermes­ sung mit wenig Rechenaufwand mit einem abgespeicherten Modell korrelierbar ist und aufgrund der kontrastreichen Kanten eine genaue Vermessung sowohl durch die CCD-Kamera als auch durch den optischen Sensor erlaubt.

Eine zusätzliche Verbesserung der Genauigkeit in der Vermes­ sung der Auflösung von CCD-Kamera und optischem Sensor kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, indem jeweils zu­ mindest zwei Bilder aufgenommen werden, wobei die jeweiligen Aufnahmepositionen in einer zur Ebene des Prüflings paralle­ len Ebene zueinander versetzt sind. Anhand des Versatzes der Bilder der Kalibriermarke wird die Auflösung der CCD-Kamera bzw. des optischen Sensors exakt berechnet.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Inspektions­ einrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Arbeitsbereich einer Inspektionseinrichtung,

Fig. 3A und 3B Bilder der CCD-Kamera zur Ermittlung der Auflösungen in X- und Y-Richtung,

Fig. 4A und 4B Bilder des optischen Sensors zur Ermitt­ lung der Auflösung in X-Richtung und

Fig. 5A und 5B Bilder des optischen Sensors zur Ermitt­ lung der Auflösung in Y-Richtung.

In Fig. 1 ist eine Inspektionseinrichtung zur optischen Prüfung von Leiterplatten dargestellt, die in eine Leiter­ plattenfertigungslinie eingegliedert werden kann. Die un­ geprüften Leiterplatten werden der Inspektionseinrichtung mit einem Transportband 1 zugeführt. Mit einem abkippbaren Stop­ per 2, dessen verdeckte Teile mit durchbrochenen Linien ge­ zeichnet sind, wird die jeweils zu inspizierende Leiterplatte in einer Inspektionsposition gehalten. Nach erfolgter Inspek­ tion wird der Stopper 2 nach unten versenkt und die Leiter­ platte 3 wird mit einem Transportband 4 aus der Inspektions­ einrichtung heraus und mit einem Transportband 5 zu weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Bearbeitungsstationen transportiert.

In der Praxis werden üblicherweise mehrere Leiterplatten in einem Nutzen zusammengefaßt und gemeinsam mit einem Trans­ portmittel in der Fertigungslinie bewegt. Der besseren Über­ sichtlichkeit wegen ist in Fig. 1 auf die Darstellung eines Transportmittels mit einem Leiterplattennutzen verzichtet worden.

Die Achsen der Maschinenkoordinaten der Inspektionseinrich­ tung sind mit Pfeilen XM und YM angedeutet. Der Pfeil YM steht rechtwinklig auf dem Pfeil XM und zeigt senkrecht in die Zeichnungsebene hinein. Über der Leiterplatte 3 befindet sich eine Sensoreinheit 6, in welcher ein optischer Sensor 7, der als konfokales Mikroskop ausgeführt ist, und eine CCD- Kamera 8 zusammengefaßt sind. Damit die Sensoreinheit 6 über beliebigen Stellen der Leiterplatte 3 zur Inspektion der zu inspizierenden Merkmale positionierbar ist, kann sie auf einer Führungsachse 9 in X-Richtung verfahren werden. Die Leiterplattenaufnahme ist auf einem Wagen 12 angeordnet, der auf zwei Achsen 10 und 11 in Y-Richtung verfahrbar gelagert ist. In der Zeichnung nicht dargestellte Antriebsmotoren der Sensoreinheit 6 und des Wagens 12 werden durch eine Lage­ steuerung 13 derart angesteuert, daß sie von einem Steuer­ rechner 14 vorgegebene Lage-Sollwerte 15 anfahren. Lage­ steuerung 13, Sensoreinheit 6, Wagen 12 und die jeweiligen Führungsachsen 9 bzw. 10 und 11 bilden somit eine Posi­ tioniereinrichtung, mit deren Hilfe Sensoreinheit 6 und Prüf­ ling 3 bezüglich der X/Y-Koordinaten relativ zueinander be­ liebig positionierbar sind. Zur Kalibrierung der Inspektions­ einrichtung ist am Wagen 12 eine Kalibriermarke 16 vorge­ sehen, die somit unabhängig vom Prüfling 3 fest mit der In­ spektionseinrichtung verbunden ist. Die Kalibriermarke 16 ist als ein auf einer Ebene 17 stehender Zylinder ausgeführt, dessen Durchmesser 1 mm beträgt und der 0,4 mm über die Ebene 17 hinausragt. Die obere Kreisfläche der Kalibriermarke 16 ist für einen besseren Kontrast der Grauwerte geschwärzt. Die Ebene 17 befindet sich in etwa derselben Höhe, in welcher auch die Oberseite der Leiterplatte 3 zu liegen kommt. Im rechten vorderen Bereich der Leiterplatte 3 ist eine Kreuz­ marke 18 als Justiermarke auf die Oberseite der Leiterplatte 3 aufgedruckt. Anhand der Position dieser Kreuzmarke 18, wel­ che mit der CCD-Kamera 8 ermittelt wird, und der Position einer weiteren Kreuzmarke im linken hinteren Bereich der Leiterplatte 3, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, wird die exakte Lage der Leiterplatte 3 auf der Inspektions­ einrichtung ermittelt. Mit der Kenntnis der relativen Lage des optischen Sensors 7 zur CCD-Kamera 8 innerhalb der Sensoreinheit 6 und mit der Kenntnis der Koordinaten der zu inspizierenden Merkmale auf der Leiterplatte 3, die von einem Leiterplatten- oder Nutzenkoordinatensystem in einfacher Weise in Maschinenkoordinaten der Inspektionseinrichtung um­ setzbar sind, können der optische Sensor 7 und die CCD-Kamera 8 exakt über den zu inspizierenden Merkmalen positioniert und somit die geometrischen Abmessungen und die Lage der Merkmale vermessen werden. Als Beispiel eines derartigen zu inspizie­ renden Merkmals ist auf der Leiterplatte 3 ein Lotdepot 19 dargestellt, das auf ein metallisches Lötpad 20 beim Lot­ pastenauftrag aufgebracht worden ist.

Anhand Fig. 2, in welcher symbolisch eine Draufsicht auf eine Inspektionseinrichtung dargestellt ist, werden die ver­ wendeten Koordinatensysteme und die Umrechnungen erläutert. Eine Sensoreinheit 21 enthält einen optischen Sensor 22 und eine Kamera 23. Weiterhin ist ein im wesentlichen recht­ winkliges Arbeitssegment 24 der Inspektionseinrichtung dar­ gestellt, in welchem eine Inspektion der zu inspizierenden Merkmale vorgenommen werden kann. An den Kanten dieses Arbeitssegments 24 sind durch zwei Pfeile Achsen XM und YM eines Maschinenkoordinatensystems markiert. Innerhalb des Arbeitssegments 24 befindet sich ein Nutzen 25, auf welchem in Fig. 2 nicht näher dargestellte Leiterplatten als Prüf­ linge angeordnet sind. Ein Nutzenkoordinatensystem mit Achsen XN und YN, die ebenfalls als Pfeile markiert sind, wird durch die Lage des Layouts der Leiterplatte auf dem Nutzen defi­ niert. Das Nutzenkoordinatensystem ist gegenüber dem Ma­ schinenkoordinatensystem in der Lage verschoben. Der Offset des Nutzens hat die Koordinaten XM0 und YM0. Mit der Breite DimensionX und der Länge DimensionY des Nutzens können die Nutzenkoordinaten XN und YN eines Punktes P mit den folgenden Formeln in Maschinenkoordinaten umgerechnet werden:

XM = DimensionX - XN + XM0 und
YM = YN + YM0.

Mit einer in Fig. 2 nicht dargestellten Positioniereinrich­ tung wird die Sensoreinheit 21 in der Inspektionseinrichtung in Richtung der Achse XM, der Nutzen 25 in Richtung der Achse YM verschoben. Insgesamt kann somit die Sensoreinheit 21 in X- und Y-Richtung relativ zum Nutzen 25 positioniert werden. In der in Fig. 2 dargestellten Momentaufnahme befindet sich der optische Sensor 22 gerade über einer Kalibriermarke 27. Wenn die Kalibriermarke 27 exakt im Bild des optischen Sen­ sors 22 zentriert ist, werden die Koordinaten SensPosX und SensPosY ermittelt. Die Umrechnung der Maschinenkoordinaten XM und YM in die Achsenkoordinaten X-Achse und Y-Achse der Positioniereinrichtung erfolgt nach den Formeln:

X-Achse = XM + SensposX = DimensionX - XN + XM0 + SensposX
und
Y-Achse = SensposY - YM = SensposY - YN - YM0.

In entsprechender Weise wird die Kamera 23 über der Kali­ briermarke 27 positioniert. Koordinaten CamPosX und CamPosY der Kamera 23 bei zentriertem Bild der Kalibriermarke 27 und die jeweiligen Umrechnungsformeln zur Umrechnung in die Achsenkoordinaten der Positioniereinrichtung ergeben sich analog wie beim optischen Sensor 22.

Im Rechenprogramm des Steuerrechners 14 (Fig. 1) wird der Versatz des Nutzenkoordinatensystems gegenüber dem Maschinen­ koordinatensystem durch eine Erkennung der Lagen der Justier­ marken korrigiert, die auf der Leiterplatte 3 als Prüfling angebracht sind. Zur ersten Positionierung der CCD-Kamera 8 über den Justiermarken, von welchen in Fig. 1 eine Kreuz­ marke 18 eingezeichnet ist, wird ein im Datenspeicher des Steuerrechners 14 hinterlegter Offset, der durch den mecha­ nischen Aufbau der Inspektionseinrichtung und des Nutzens festgelegt ist, verwendet. Dieser Offset kann durch eine Kalibrierung der Inspektionseinrichtung vor dem eigentlichen Inspektionsbetrieb bestimmt werden.

Alle im Inspektionsprogramm verwendeten Koordinatenangaben zu den zu inspizierenden Merkmalen des Prüflings beziehen sich auf das Nutzenkoordinatensystem. Diese werden durch das In­ spektionsprogramm des Steuerrechners 14 in die Maschinen­ koordinaten umgerechnet. Die Koordinaten der zu inspizieren­ den Merkmale, insbesondere der Lotdepots bei Leiterplatten, können aus den Bestückdaten der Bauelemente, die nach einem CAD-Entwurf der Baugruppe üblicherweise als elektronische Datei vorliegen, abgeleitet werden. Diese Koordinaten be­ ziehen sich auf ein Baugruppenkoordinatensystem, dessen Ur­ sprung im Baugruppen-Layout festgelegt ist. Die Umrechnung der Baugruppenkoordinaten in Nutzenkoordinaten kann von einem CAD-Umsetzer, der durch ein im Steuerrechner 14 ablaufendes Programm realisiert werden kann, durchgeführt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Kalibriermarke 16 ist als ein auf der Ebene 17 stehender Zylinder ausgeführt. Vorteilhaft ist ein Zylinderdurchmesser von 1 mm, wobei der Zylinder 0,4 mm über die Ebene 17 hinausragt. Die obere Kreisfläche des Zy­ linders ist geschwärzt. Der optische Sensor 7 und die CCD-Ka­ mera 8 sind vorzugsweise sowohl in X- als auch in Y-Rich­ tung bezüglich der Kalibriermarke 16 positionierbar. Dazu wird vorteilhaft die Kalibriermarke 16 am Wagen 12 ange­ bracht. Die so beschaffene Kalibriermarke 16 liefert sowohl im 2D-Graubild der CCD-Kamera 8 als auch im 3D-Höhenbild des optischen Sensors 7, der als konfokales Mikroskop ausgebildet ist, einen hohen Abbildungskontrast. Anhand der Kalibrier­ marke 16 kann somit vorteilhaft die relative Lage des opti­ schen Sensors 7 zur CCD-Kamera 8 mit hoher Genauigkeit ver­ messen werden, um nach einer Ermittlung der Lagen der Ju­ stiermarken auf einem Prüfling zusätzlich zur CCD-Kamera 8 auch den optischen Sensor 7 sehr genau über den zu inspizie­ renden Merkmalen, beispielsweise dem Lotdepot 19, positionie­ ren und dieses vermessen zu können.

Die Vermessung der Kalibriermarke 16, die im folgenden als Kalibrierung X/Y bezeichnet wird, dient zum genauen Vermessen der Bildmittelpunkte des optischen Sensors 7 und der CCD- Kamera 8, damit diese als Korrekturwerte für die Vermessung der Justiermarken und der zu inspizierenden Merkmale ver­ wendet werden können. Bei der Kalibrierung X/Y wird die am Wagen 12 angebrachte Kalibriermarke 16 zum einen durch den als konfokales Mikroskop ausgebildeten optischen Sensor 7 in X- und in Y-Richtung gescannt und zum anderen mit der CCD- Kamera 8 ein Bild aufgenommen. Die so erzeugten Bilder der Kalibriermarke 16 werden durch ein Bildauswerteprogramm ver­ messen. Aus der Lage der Kalibriermarke 16 in den Bildern werden die Maschinenkoordinaten der Bildmittelpunkte des optischen Sensors 7 und der CCD-Kamera 8 berechnet. Zudem können anhand der bekannten geometrischen Abmessungen der Kalibriermarke 16 Kenngrößen für die Auflösung des optischen Sensors 7 und der CCD-Kamera 8 bestimmt werden. Vorteilhaft können die Kenngrößen der Auflösung exakter berechnet werden, indem jeweils zwei Bilder der Kalibriermarke 16 aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen jeweils in einer zur Ebene des Prüflings parallelen Ebene zueinander versetzt sind. Die Auflösungswerte des als konfokales Mikroskop aus­ gebildeten optischen Sensors 7 werden in bekannter Weise durch die optischen Parameter des Sensors und die Geschwin­ digkeit der Achsen der Positioniereinrichtung bestimmt.

Die Auswertung der mit dem optischen Sensor 7 und der CCD-Ka­ mera 8 aufgenommenen Bilder kann durch Korrelation mit einem vorher definierten Muster der Kalibriermarke 16 er­ folgen. Dieses Muster kann beispielsweise programmtechnisch erstellt oder mit einer Bildverarbeitungssoftware aus einem zuvor aufgenommenen Bild erzeugt werden. Das Muster wird in einer Datei im Speicher des Steuerrechners 14 hinterlegt, damit es während der Kalibrierung X/Y für die Bildaus­ wertungssoftware zur Verfügung steht. Eine Bedieneinheit 29 ist zur Vornahme der zur Kalibrierung X/Y erforderlichen Bedieneingaben und zur Anzeige der Ergebnisse oder von Zu­ ständen der Inspektionseinrichtung vorgesehen. Sie dient zudem zur Bedienung während des eigentlichen Inspektions­ vorgangs.

Wenn das Programm Kalibrierung X/Y gestartet wurde, werden zunächst durch die CCD-Kamera 8 zwei Bilder der Kalibrier­ marke 16 an verschiedenen Positionen aufgenommen. Die Fig. 3A und 3B zeigen Prinzipdarstellungen der aufgenommenen Bilder. Ein Kreis 31 bzw. 32 markiert jeweils die Lage der Kalibriermarke 16 im Bild 3A bzw. 3B. In den Fig. 3A und 3B sind zusätzlich die Achsen XM und YM des Maschinenkoordi­ natensystems eingezeichnet. Die Lage des Bildmittelpunkts befindet sich in Fig. 3A an den Maschinenkoordinaten (XMP1, YMP1), in Fig. 3B an den Maschinenkoordinaten (XMP2, YMP2). Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibriermarke 16 befindet sich in Fig. 3A an den Koordinaten X1', Y1' eines Bild­ koordinatensystems mit den Achsen X' und Y', in Fig. 3B an den Koordinaten X2', Y2'. Die Lage des Mittelpunkts kann in einfacher Weise mit einer geeigneten Bildauswertungssoftware ermittelt werden. Die Skala der Achsen X' und Y' entspricht der Anzahl der Pixel des Bildes. Aus den so ermittelten Werten können in einfacher Weise mit hoher Genauigkeit eine Pixelauflösung CamPX in Richtung der X-Achse und eine Pixel­ auflösung CamPY in Richtung der Y-Achse nach den folgenden Formeln ermittelt werden:

Damit können zudem die Koordinaten des Bildmittelpunkts der CCD-Kamera 8 berechnet werden zu:

CamPosX = XMP1 + CamPX (XMAX'/2 - X1') und
CamPosY = YMP1 + CamPY (Y1' - YMAX'/2).

Die Werte XMAX' und YMAX' stellen die Gesamtzahl der Pixel in Richtung der X'- bzw. der Y'-Achse dar.

Anschließend wird der optische Sensor 7 über der Kalibrier­ marke 16 positioniert und mit einem ersten Scan-Bereich in X-Richtung gescannt, so daß ein Höhenbild aufgenommen wird, wie es in Fig. 4A dargestellt ist. Über einen zweiten Scan-Bereich in X-Richtung wird das Bild gemäß Fig. 4B mit dem optischen Sensor 7 aufgenommen. In den Fig. 4A und 4B sind jeweils Achsen XM und YM des Maschinenkoordinatensystems und Achsen X" und Y" des Koordinatensystems des optischen Sen­ sors 7 eingezeichnet. Der Mittelpunkt des aufgenommenen Bil­ des der Kalibriermarke 16 befindet sich in Fig. 4A an der Maschinenkoordinate XM1, in Fig. 4B an der Maschinenkoordi­ nate XM2. Die beiden Werte XM1 und XM2 stimmen selbst­ verständlich überein, da sich die Lage der Kalibriermarke 16 innerhalb der Inspektionseinrichtung im Zeitraum zwischen der Aufnahme der beiden Bilder nicht verändert hat. In Fig. 4A liegt der Ursprung des Bildkoordinatensystems auf der Ma­ schinenkoordinate XMS1, in Fig. 4B auf der Maschinen­ koordinate XMS2. Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibrier­ marke 16 befindet sich in Fig. 4A an der Koordinate Y1" des Bildkoordinatensystems, in Fig. 4B an der Koordinate Y2". Mit diesen Werten wird eine Pixelauflösung SensPX des opti­ schen Sensors 7 in X-Richtung berechnet zu:

Die Fig. 5A und 5B zeigen mit dem optischen Sensor 7 auf­ genommene Bilder für einen dritten bzw. einen vierten Scan-Be­ reich in Y-Richtung. Wiederum sind Achsen XM und YM des Maschinenkoordinatensystems und Achsen X''' und Y''' des Bildkoordinatensystems des optischen Sensors 7 eingezeichnet. Der Ursprung des Bildkoordinatensystems liegt für den dritten Scan-Bereich auf der Y-Koordinate YMS3 des Maschinenkoordi­ natensystems, für den vierten Scan-Bereich auf der Y-Koordi­ nate YMS4. Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibriermarke 16 liegt im Bildkoordinatensystem auf der Koordinate Y3''' für den dritten Scan-Bereich in Fig. 5A und auf der Koordinate Y4''' für den vierten Scan-Bereich gemäß Fig. 5B. Daraus wird eine Pixelauflösung SensPY ermittelt zu:

Die Koordinaten SensPosX und SensPosY der theoretischen Mitte der Kalibriermarke 16 können beispielsweise berechnet werden zu:

SensPosX = XMS1 - SensPX.YMAX"/2
und
SensPosY = YMS3 + SensPY.YMAX'''/2.

Darin sind YMAX" und YMAX''' die maximale Pixelanzahl in Richtung der Y"-Achse bzw. in Richtung der Y'''-Achse der Bildkoordinatensysteme.

Auf der Anzeige der Bedieneinheit 29 werden schließlich die berechneten Werte der Größen CamPosX, CamPosY, SensPosX, SensPosY, CamPX, CamPY, SensPX, SensPY sowie ein Wert der Höhenauflösung und des Höhenmeßbereichs des optischen Sensors 7 numerisch ausgegeben.

Alternativ zu den Mittenwerten CamPosX, CamPosY, SensPosX und SensPosY der aufgenommenen Bilder der Kalibriermarke 16 kann selbstverständlich in einfacher Weise jeweils die Lage des Ursprungs des Bildkoordinatensystems berechnet und angezeigt werden.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Ober­ flächenstruktur eines im wesentlichen ebenen Prüflings (3) mit einer Kamera (8) zur Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche, mit einer Positioniereinrichtung (9 . . . 13), mit welcher Kamera (8) und Prüfling (3) relativ zueinander positionierbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein optischer Sensor (7) zur dreidimensionalen Erfassung zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche des Prüflings (3) vorgesehen ist,
daß der optische Sensor (7) und die Kamera (8) in einer Sensoreinheit (6) zusammengefaßt sind und
daß eine unabhängig vom Prüfling (3) an der Inspektions­ einrichtung befestigte Kalibriermarke (16) vorhanden ist, durch welche die Lage der Kamera (8) und des optischen Sen­ sors (7) nach Aufnehmen eines Bildes bzw. nach Vermessen der Kalibriermarke (16) bestimmbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kalibriermarke (16) derart beschaffen ist, daß sie sowohl einen Kontrast im Grauwertbild der Kamera (8) als auch im Höhenbild des optischen Sensors (7) liefert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kalibriermarke (16) als ein auf einer Ebene (17) stehender Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Grund­ fläche im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prüflings (3) ausgerichtet ist und dessen obere Kreisfläche derart behandelt ist, daß sich ihr Grauwert wesentlich vom Grauwert der Ebene unterscheidet.

4. Verfahren zur Kalibrierung einer Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß durch die Positioniereinheit (9 . . . 13) die Kamera (8) über der Kalibriermarke (16) positioniert wird,
daß mit der Kamera (8) zumindest ein zweidimensionales Bild der Kalibriermarke (16) aufgenommen wird,
daß anhand des aufgenommenen Bildes der Kalibriermarke (16) Position (CamPosX, CamPosY) und Auflösung (CamPX, CamPY) der Kamera (8) berechnet werden,
daß durch die Positioniereinrichtung (9 . . . 13) der optische Sensor (7) über der Kalibriermarke (16) positioniert wird,
daß mit dem optischen Sensor (7) zumindest ein dreidimensio­ nales Bild der Kalibriermarke (16) aufgenommen wird und
daß anhand des aufgenommenen Bildes des optischen Sensors (7) Position (SensPosX, SensPosY) und Auflösung (SensPX, SensPY) des optischen Sensors (7) berechnet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Kamera (8) und/oder dem optischen Sensor (7) jeweils zumindest zwei Bilder der Kalibriermarke (16) auf­ genommen werden, wobei die Aufnahmepositionen jeweils in einer zur Ebene des Prüflings (3) parallelen Ebene zueinander versetzt sind, und
daß anhand des Versatzes der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung (CamPX, CamPY; SensPX, SensPY) der Kamera (8) bzw. des optischen Sensors (7) berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Kamera (8) zwei Bilder der Kalibriermarke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt sind,
daß anhand der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung der Kamera (8) berechnet wird,
daß mit dem optischen Sensor (7) zwei Bilder der Kalibrier­ marke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer ersten zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt sind,
daß anhand der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung des optischen Sensors in der ersten Richtung berechnet wird,
daß mit dem optischen Sensor (7) zwei Bilder der Kalibrier­ marke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer zweiten zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung zueinander versetzt sind, und
daß aus den Bildern des optischen Sensors die Auflösung des optischen Sensors in der zweiten Richtung berechnet wird.