DE19917082C2 - System zur Erkennung von Markierungen auf spiegelnden Objektoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erkennung von Markierungen auf spiegelnden Objektoberflächen, bei dem eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung von Lichtstrahlen, die unter einstellbaren Einfallswinkeln auf die Objektoberfläche treffen, vorgesehen ist. Die Beleuchtungseinheit soll auf den Objektoberflächen aufgebrachte Markierungen optimal beleuchten, um die Markierung mittels eines Sensors lesen bzw. identifizieren zu können.

Auf verschiedenen Produkten sind Markierungen wie beispielsweise ein Barcode oder Klarschriften (OCR-Schrift) aufgebracht. Sind die Oberflächen an sich spiegelnd, so werden an Systeme zur Beleuchtung der Oberfläche und Erkennung einer darauf aufgebrachten Markierung besondere Anforderungen gestellt. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, im Hellfeld oder im Dunkelfeld zu beleuchten. Prinzipiell wird mit einer Optik ein Bild mit optimalem Kontrast auf einem Sensor dargestellt. Bei verschiedenen Anwendungen muß beispielsweise aus Platzgründen mit kurzen Abständen, wie beispielsweise 10 mm, gearbeitet werden, wobei die einzusetzenden Geräte in ihren Abmaßen klein gehalten werden müssen.

Im Stand der Technik werden beispielsweise ein- und ausschaltbare Leuchtdiodenanordnungen (LED-Array) für derartige Systeme eingesetzt. Zur Ausrichtung und Homogenisierung benötigt jedes LED-Array eine eigene Optik. Dies ist insofern nachteilig, als hohe Kosten und ein hoher Montage- und Justieraufwand notwendig sind. Weiterhin sind derartige Systeme nicht ausreichend flexibel realisierbar.

Aus der EP 0 735 361 A2 ist ein System zur Inspektion von Halbleitersubstraten bekannt, bei dem das spiegelnde Halbleitersubstrat durch das Ansteuern verschiedener Lichtquellen durch eine Beleuchtungsoptik hindurch unter verschiedenen Winkeln beleuchtbar ist. Durch eine Variation des Abstands der Lichtquellen zur Beleuchtungsoptik können sowohl konvergente als auch divergente Beleuchtungsstrahlen realisiert werden. Ein Strahlteiler ist dabei zwischen den Lichtquellen und der Beleuchtungsoptik angeordnet, so dass das von der Substratoberfläche reflektierte Licht nach einem Durchgang durch die Beleuchtungsoptik und einer Reflexion an dem Strahlteiler auf einen Sensor gelenkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Erkennung von Markierungen auf spiegelnden Objektoberflächen zur Verfügung zu stellen, das die Markierungen mit hohem Kontrast abbildet.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Kombination der Merkmale entsprechend Anspruch 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer beschriebenen Beleuchtungseinheit durch die Aktivierung verschiedener Lichtquellen definierte Lichteinfallswinkel an der Objektoberfläche realisierbar sind. Die Beleuchtungseinheit besteht dazu aus mindestens zwei Lichtquellen und einer Beleuchtungsoptik mit einer Sammellinse. Eine punktförmige oder linienförmige Lichtquelle, wie beispielsweise eine Leuchtdiode (LED), wird in einem Abstand von der Sammellinse angeordnet, der größer als deren Brennweite ist. Weitere Lichtquellen werden senkrecht zur optischen Achse beabstandet zur ersten Lichtquelle angeordnet. Die Lichtstrahlen gelangen zur Beleuchtungsoptik und werden von dieser auf die Objektoberfläche gerichtet. Dort befindliche Markierungen können mit optimalem Kontrast beleuchtet werden, da die Einfallswinkel durch die Aktivierung verschiedener Lichtquellen variierbar sind. Somit können Markierungen auf einer Objektoberfläche über eine Abbildungsoptik von einem Sensor aufgenommen und im Anschluß daran identifiziert werden. Die möglichen Beleuchtungsarten sind entweder Hellfeld- oder Dunkelfeldbeleuchtung. Die Ausleuchtung soll in jedem Fall homogen sein, so daß ein optimaler Kontrast zwischen einer Markierung und der diese Markierung umgebenden Objektoberfläche zustandekommt.

Bei der Erfindung kann die Objektoberfläche annähernd senkrecht beleuchtet werden, wobei mittels eines Teilerspiegels die von der Objektoberfläche zurückreflektierten Strahlen ausgekoppelt und auf den Sensor geleitet werden. Dies bietet die Möglichkeit, die Baugröße der Beleuchtungseinheit zu reduzieren.

Die Erfindung sieht vor, den Abstand zwischen einer Lichtquelle und der Beleuchtungsoptik derart zu wählen, daß die Beleuchtungsoptik die Lichtquelle in die Abbildungsoptik abbildet. Dies trägt zu einem verbesserten Kontrast auf dem Sensor bei.

Die Beleuchtungsoptik kann in einfacher Weise durch eine Zylinderlinse dargestellt werden, wenn die Lichtquellen linienförmig parallel zur Zylinderlinsenachse angeordnet sind. Zwi­ schen den Lichtquellen und der Beleuchtungsoptik kann auch ein Lichtleiter angeordnet sein, der die Strahlführung zwischen den Lichtquellen und der Beleuchtungsoptik in entspre­ chender Weise übernimmt.

Wenn eine Anordnung (Array) mit beliebig schaltbaren Lichtquellen, beispielsweise LEDs, ausgeführt wird, besteht die Möglichkeit, Markierungen auch auf einem Objekt mit räumlicher Oberfläche optimal auszuleuchten.

Im folgenden werden anhand von schematischen nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung,

Fig. 2 zeigt die Anordnung mit einem Lichtleiter,

Fig. 3 zeigt eine maximal versetzte Lichtquelle zur Ausleuchtung der Markierung auf einem gekippten Objekt, und

Fig. 4 zeigt die Ausleuchtung von Markierungen auf Objekten mittels eines Arrays aus einer Vielzahl von Lichtquellen.

In Fig. 1 sind sämtliche Elemente der Beleuchtungseinheit dargestellt. Auf einem waagerechten Stativ ist die Beleuchtungsoptik 2 positioniert und auf einem senkrecht stehenden Stativ sind Lichtquellen 1 angeordnet. Eine Lichtquelle 11 ist auf der optischen Achse der Beleuchtungsoptik 2 positioniert. Die weiteren Lichtquellen sind senkrecht zur optischen Achse des Systems versetzt angeordnet. Wird die erstgenannte Lichtquelle 11 aktiviert, so ergeben sich die mittels durchgezogener Linien dargestellten Randstrahlen 8. Wird die obere Lichtquelle 1 aktiviert, so ergeben sich die mittels unterbrochener Linien dargestellten Randstrahlen 8, sowie der Hauptstrahl 9, ebenfalls mit unterbrochener Linie dargestellt. Auf dem Objekt 3, beispielsweise einem Wafer, soll eine Beleuchtungsfläche 4 mit optimalem Kontrast homogen ausgeleuchtet werden. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Randstrahlen 8 je nach aktivierter Lichtquelle 1 unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt 3 auftreffen. Somit kann durch Aktivierung entsprechender Lichtquellen 1 ein optimaler Beleuchtungswinkel auf der Objektoberfläche eingestellt werden, ohne daß die Beleuchtungseinheit selbst relativ zum Objekt 3 bewegt wird.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, wobei zwischen den Lichtquellen und der Beleuchtungsoptik 2 ein Lichtleiter 10 vorgesehen ist. Mit dem Lichtleiter 10 kann die Führung der Lichtstrahlen beeinflusst werden, um eine bessere Ausleuchtung des Objektes 3 und eine Kontrastverbesserung zu erreichen.

Führung der Lichtstrahlen beeinflusst werden, um eine bessere Ausleuchtung des Objektes 3 und eine Kontrastverbesserung zu erreichen.

In Fig. 3 wird aus der Anzahl der vorhandenen Lichtquellen 1 die oberste aktiviert. Diese ist maximal von der optischen Achse des Systems versetzt. Dargestellt sind wiederum die Randstrahlen 8 und der Hauptstrahl 9. Durch die Verkippung des Objektes 3 wird ebenfalls die auszuleuchtende Fläche auf dem Objekt schräg zur Beleuchtungseinheit angestellt. Bei derartigen Verkippungen des Objektes 3 bzw. der Objektoberfläche lassen sich durch Variation der Aktivierung bestimmter Lichtquellen 1 in bestimmten Grenzen unterschiedliche Ausleuchtungswinkel am Objekt 3 einstellen. Hierdurch kann z. B. eine Hellfeldbeleuchtung trotz Objektverkippung erreicht werden.

Wenn das Objekt also durch Lage- oder Justiertoleranzen relativ zur Beleuchtungseinheit verkippt ist oder auch dann, wenn eine Dunkelfeldbeleuchtung vorgenommen soll und mit schräg einfallendem Licht beleuchtet werden soll, werden mehrere nebeneinander oder übereinander angeordnete Lichtquellen 1 eingesetzt. Bei geringem Abstand der Lichtquellen 1 können so Lichtstrahlen mit verschiedenen gering variierenden Auftreffwinkeln erzeugt werden. Fig. 4 zeigt die Ausleuchtung eines Teilbereiches der Objektoberfläche mit einer Anordnung von Lichtquellen 1. In Fig. 4 ist der Brennpunkt der Beleuchtungsoptik 2 nicht dargestellt. Die Distanz zwischen Beleuchtungsoptik 2 und den Lichtquellen 1 bzw. der Anordnung von Lichtquellen ist größer als die Brennweite der Beleuchtungsoptik 2. Somit können die Lichtquellen 1 objektseitig eine punktförmige Ausleuchtung bewirken. Die mit schraffiert ausgefüllten Kreisen dargestellten aktivierten Lichtquellen 1 in Fig. 4 erzeugen die entsprechende Beleuchtungsfläche 4 auf dem Objekt 3.

Wird durch die gleichzeitige Aktivierung mehrerer entlang einer Geraden angeordneten Lichtquellen 1 eine Lichtzeile dargestellt, so wird in der Beleuchtungsoptik 2 beispielsweise eine Zylinderlinse verwendet, deren optische Achse parallel zur Lichtzeile angeordnet ist. In Kombination mit einer einfachen Streuscheibe wird das Licht der mehreren Lichtquellen 1 (LED), die eine Linie bilden, innerhalb dieser Zeile homogenisiert. Es ist genauso möglich, Lichtquellen 1 einzusetzen, die in Linienrichtung eine homogene Lichtabstrahlung gewährleisten.

Claims (6)

1. System zur Erkennung von Markierungen auf spiegelnden Objektoberflächen, bestehend aus:
einer Beleuchtungseinheit mit mindestens zwei einzeln ansteuerbaren Lichtquellen (1), die nebeneinander beabstandet angeordnet sind und Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln über eine Sammellinse (2) auf die Objektoberfläche richten, wobei der Abstand der Sammellinse (2) zu den Lichtquellen (1) größer als die Brennweite der Sammellinse (2) ist,
einem Sensor (6) zur Bildaufnahme der Objektoberfläche (4),
einer Abbildungsoptik (5) zur Abbildung der Objektoberfläche (4) auf den Sensor (6),
einem Strahlteiler (7), der im Strahlengang zwischen der Sammellinse (2) und der Objektoberfläche (4) angeordnet ist und der das von der Objektoberfläche (4) ausgehende Licht auf die Abbildungsoptik (5) lenkt,
wobei der Abstand zwischen Lichtquelle (1) und Sammellinse (2) derart ausgelegt ist, daß die Sammellinse (2) eine Lichtquelle (1) in die Abbildungsoptik (5) abbildet.

2. System nach Anspruch 1, wobei bei einer Verkippung des zu beleuchtenden Objektes aus einer Soll-Lage heraus durch eine gezielte Ansteuerung der Lichtquellen (1) eine Hellfeldbeleuchtung erzielbar ist.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellen LEDs sind.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellen (1) linienförmig sind und die Sammellinse (2) eine Zylinderlinse ist.

5. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Lichtquellen (1) und der Sammellinse (2) ein Lichtleiter (10) angeordnet ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Matrixanordnung von einzeln ansteuerbaren Lichtquellen (1) vorgesehen ist.