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Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben, insbesondere zur Vermessung von dünnen Objekten im telezentrischen Durchlicht.
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Ein solches System zur zweidimensionalen Vermessung planer Objekte wie Stanzteile oder Leiterplatten im telezentrischen Durchlicht ist aus der
DE 295 10 334 U1 bekannt. Dieses System hat eine optische Anordnung mit telezentrischen Objektiven unterschiedlichen Bildfeldes und diesen zugeordnete Kameras mit CCD-Chips sowie eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung. Eine Vorrichtung zum Auflegen der zu vermessenden Objekte mit einem elektromotorischen Antrieb ist ebenfalls vorgesehen, um die Objekte automatisch von einer Ladeposition zu einer Messposition in der Meßebene und wieder zurück zu transportieren. Die von den Kameras erfassten Bilddaten werden in einem Rechner mit meßspezifischer Software ausgewertet. Mechanische und optische Fehler des Systems werden mit einem Kalibrierverfahren ermittelt und in einer systemimmanenten Datenbank abgelegt. Bei diesem System ist die Größe des zu vermessenden Objekts auf die Größe der optischen Anordnung begrenzt, weil die Vermessung nur an einer einzigen definierten Messposition in der Messebene erfolgt. Außerdem ist der Messprozeß insgesamt relativ langsam, weil der Messvorgang erst startet, wenn das jeweilige zu vermessende Objekt von der Ladeposition in die Messposition transportiert worden ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben, insbesondere zur Vermessung von planen und dünnen Objekten wie Leiterplatten (insbesondere deren Bohrungsbilder) oder Stanzteilen, bereitzustellen, das auch relativ große Objekte schnell, effizient und mit hoher Messgenauigkeit vermessen kann.
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Zur Lösung bringt die Erfindung ein Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben gemäß dem Schutzanspruch 1 in Vorschlag. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Im Detail betrifft die Erfindung demnach ein Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben, mit einem Objektträger zur Aufnahme eines zu vermessenden Objekts, und einer Objektivanordnung mit mindestens zwei telezentrischen Objektiven, die an einem Objektivträger gehalten ist. Der Objektträger und der Objektivträger sind relativ zueinander bewegbar und die mindestens zwei Objektive der Objektivanordnung sind so angeordnet, dass sich ihre Abbildungsbereiche bezogen auf das zu vermessende Objekt zumindest teilweise überlappen. Den Abbildungsbereichen ist eine opto-elektronische Bildwandleranordnung mit Bildwandlereinheiten zugeordnet und eine Rechnereinheit ist vorgesehen, welche die Bilddaten der Bildwandlereinheiten, die den unterschiedlichen Abbildungsbereichen der Objektive zugeordnet sind und an unterschiedlichen Positionen entlang der Bewegungsstrecke der Relativbewegung des Objektträgers und des Objektivträgers erfasst werden, kombinieren kann, um ein Bild des zu vermessenden Objekts zu erzeugen.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssystem kann der Messvorgang sehr schnell durchgeführt werden, weil die Erfassung der Bilddaten bereits dann beginnen kann, sobald ein Teil des Objekts in den Erfassungsbereich der Objektivanordnung bewegt worden ist.
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Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssystem Objekte erfasst werden, die eine größere Abmessung in der Bewegungsrichtung der Relativbewegung des Objektträgers und des Objektivträgers haben als der eigentliche Abbildungsbereich der Objektive, weil die Bilddaten als Einzelbilder an verschiedenen Positionen in der Bewegungsrichtung erfasst und die Einzelbilder dann durch die Funktionalität der Rechnereinheit zu dem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Das ermöglicht eine Verkleinerung bzw. Kostenreduzierung der Optik, weil das Objektiv technisch bedingt stets größer sein muss als der abgebildete Bereich, aber durch die Relativbewegung ein größerer Messbereich abgedeckt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Objektträger ein Lineal oder Referenzmuster auf, das sich bei der Relativbewegung des Objektträgers und des Objektivträgers im Abbildungsbereich mindestens eines der Objektive der Objektivanordnung befindet, und die Rechnereinheit weist eine Korrekturfunktion auf, welche aus den Bilddaten des erfassten Lineals oder Referenzmusters einen Offset bzw. eine Abweichung in der Bewegungsrichtung ermitteln und daraus einen Korrekturwert für die Bilddaten bestimmen kann, die von den Bildwandlereinheiten der Bildwandleranordnung erfasst werden.
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Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die bei dem Verfahr- bzw. Bewegungsvorgang während des jeweiligen Messzyklus auftretenden Ungenauigkeiten aufgrund von Reaktionszeiten und Ungenauigkeiten der Antriebseinrichtung auszugleichen. Das bei der Erfassung des Abbildungsbereichs des Objekts von wenigstens einem der Objektive und der zugeordneten Bildwandlereinheit erfasste Lineal oder Referenzmuster ermöglicht eine Korrektur aus dem Bildmaterial heraus, und der daraus gewonnene Offset kann für die Korrektur der jeweils zeitgleich erfassten Bilddaten aller Bildwandlereinheiten verwendet werden, weil zwischen den mehreren am Objektivträger angebrachten Objektiven eine feste und bekannte geometrische Beziehung besteht. Die Messgenauigkeit des Bildverarbeitungssystems kann damit im Bereich von μm liegen.
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Der Zeitvorteil der Vermessung mit dem erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssystem lässt sich insbesondere dadurch noch steigern, dass die Verknüpfung der Bilddaten gleichzeitig mit der Bewegung zwischen Objektträger und Objektivträger und der Erfassung der Abbildungsbereiche erfolgt, d. h. dass die Auswertung schon stattfindet, während die Bildaufnahme weiterer Bereiche in der Bewegungsrichtung noch ausgeführt wird. Es muss also, anders als beispielsweise bei Verwendung von Zeilenkameras, nicht abgewartet werden, bis das gesamte Bildmaterial vorliegt, um mit der Auswertung der Bilddaten des zu vermessenden Objekts beginnen zu können.
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Die Genauigkeit des Bildverarbeitungssystem kann ferner vorzugsweise dadurch gesteigert werden, dass ein geeichtes Gitter vorgesehen ist, das durch die Objektivanordnung erfasst werden kann, und dass die Rechnereinheit mit einer Korrekturfunktion ausgestattet ist, welche aus den Bilddaten der Gitterpunkte des Gitters lineare und/oder nichtlineare Verzerrungen der Objektivanordnung ermitteln und daraus Korrekturwerte für die Bilddaten bestimmen kann. Dies garantiert eine hohe Auflösung und Genauigkeit des Gesamtbildes, selbst wenn die Restverzerrung der Objektive so hoch sein sollte, dass sie die Auflösung beeinflusst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Bildverarbeitungssystems ist der Objektivträger ortsfest und der Objektträger beweglich angeordnet, so dass das zu vermessende Objekt auf einer Art Schublade in die Messposition in der Messebene transportiert wird. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise in einer Achse, so dass die Lagerung und Führung des Objektträgers bzw. der Schublade in einer einfachen und stabilen Ausgestaltung möglich ist. Alternativ ist aber auch eine Lagerung des Objektträgers möglich, welche eine Bewegung des Objekts in zwei Achsen ermöglicht, die vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sind. Bei dieser Variante können Objekte mit größeren Abmessungen in der Breite und in der Länge vermessen werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente des Bildverarbeitungssystems in einer Seitenansicht und in einer Frontansicht, und
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2 eine schematische Darstellung der Anordnung der Objektive in Draufsicht.
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Das in den 1 und 2 sehr stark schematisiert dargestellte erfindungsgemäße Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben hat einen Objektträger 1 zur Aufnahme eines Objekts oder mehrerer Objekte, das bzw. die zu vermessen ist/sind. Der Objektträger ist vorzugsweise als eine Art Schublade ausgeführt, die in Führungen in einem Gehäuse läuft und in der Richtung Y linear und relativ zu der später noch beschriebenen Objektivanordnung 2 bewegbar ist. Das (nicht gezeigte) Gehäuse bietet Licht- und Staubschutz für die später noch zu beschreibende Optik. Um Fremdlicht abzuschirmen kann beispielsweise eine Blende vor dem Schubladenspalt vorgesehen sein, die sich beim Ein- und Ausfahren der Schublade automatisch öffnet bzw. schließt.
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Der Objektträger kann mit Anschlägen entsprechend den zu vermessenden Objekten (z. B. Leiterplatten) versehen sein. Für den Antriebsmotor bzw. die Antriebsvorrichtung des Objektträgers ist keine präzise und konstante Geschwindigkeit erforderlich. Zum Schutz des Bedienungspersonals kann ggf. eine Rutschkupplung oder eine andere Sicherheitseinrichtung vorgesehen sein.
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Ferner ist an dem Objektträger ein in 2 angedeutetes und als Lineal oder Referenzmuster dienendes Lochlineal 6 vorgesehen, das an dem Objektträger 1 angeordnet ist und sich mit diesem bewegt und bei der Bewegung zumindest in dem Messbereich immer im Abbildungsbereich 2ai mindestens eines der Objektive 2a der Objektivanordnung 2 liegt. Das Lineal oder Referenzmuster dient dazu, die Antriebsvorrichtung zu steuern und die genaue Bildposition zu ermitteln, aber im Wesentlichen, um den Offset bzw. Versatz der Bewegung in der Richtung Y aufgrund von Ungenauigkeiten der Führung und Reaktionszeiten der Antriebsvorrichtung, die sich auf die Positionsgenauigkeit des Objektträgers auswirken, zu bestimmen. Das Lineal oder Referenzmuster kann auch zur Auslösung der Bilderfassung durch die Kamera bzw. Bildaufnehmerelemente und/oder der Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden kann.
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Der Offset wird durch eine Rechnereinheit ausgewertet wird, die eine Korrekturfunktion aufweist, welche aus den Bilddaten des erfassten Lineals oder Referenzmusters 6 den Offset in Bewegungsrichtung Y ermitteln und aus dem Offset einen Korrekturwert für die Bilddaten bestimmen kann, die von den jeweiligen Bildwandlereinheiten 4a–4d der Bildwandleranordnung 4 zum jeweiligen Zeitpunkt gleichzeitig erfasst werden.
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Die Korrektur des Offsets mittels des Lineals oder Referenzmusters 6 kann dabei so erfolgen, dass das Lineal eine Reihe von Löchern oder anderen optisch erfassbaren Markierungen in gleichmäßigen Abständen aufweist und die Löcher in einer bestimmten Folge unterschiedliche Durchmesser besitzen. Die grobe Position wird dabei mit einem kleinen Loch abgeglichen und die genaue Position kann aus dem Mittelwert mehrerer Lochmitten subpixelgenau bestimmt werden.
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Über dem Objektträger 1 befindet sich eine Objektivanordnung 2 mit mindestens zwei (hier: vier) telezentrischen Objektiven 2a–2d, die an einem Objektivträger 3 gehalten ist. Die zwei oder mehr Objektive 2a–2d der Objektivanordnung 2 sind sowohl in der Bewegungsrichtung des Objektträgers (Y-Richtung) als auch senkrecht zu dieser Richtung (X-Richtung) versetzt zueinander angeordnet, derart, dass sich ihre Abbildungsbereiche 2ai–2di bezogen auf den Messbereich bzw. das zu vermessende Objekt zumindest teilweise überlappen (siehe insbesondere 2, in der die jeweils zur Erzeugung des gesamten Bildbereichs genutzten Teilbereiche der einzelnen Abbildungsbereiche der jeweiligen Objektive mit den Ziffern „1” bis „4” gekennzeichnet sind). Die optischen Achsen der jeweiligen Objektive sind auf bestimmte Positionen des Lineals oder Referenzmusters 6 ausgerichtet und die genaue Lagebeziehung der einzelnen Objektive zueinander am Objektivträger ist bekannt. Die Abbildungsbereiche 2ai, 2di der außen angeordneten Objektive ragen über den maximalen Erfassungs- bzw. Bildbereich hinaus. Die Halterungen der Objektive können jeweils mit Mitteln zum einzelnen Einstellen und Nachjustieren der Position (Einstellschrauben) versehen sein. Außerdem kann zusätzlich eine Vorrichtung zur gemeinsamen Justierung aller Objektive in einer jeweils gewünschten Richtung (X-, Y- und/oder Z-Richtung) vorgesehen sein.
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Jedem der Abbildungsbereiche 2ai–2di ist eine Bildwandlereinheit 4a–4d einer opto-elektronischen Bildwandleranordnung 4 zugeordnet. Diese Bildwandlereinheiten sind vorzugsweise als Matrixkameras oder CCDs („Charged Coupled Device”) ausgeführt, wobei auch alternative Bildwandlersysteme in Frage kommen. In der gezeigten Ausführungsform sind die Bildwandlereinheiten am oberen Ende des jeweiligen Objektivs angeordnet. Es ist aber auch eine Anordnung entfernt davon und eine Kopplung über Lichtleitelemente oder eine Integration in das jeweilige Objektiv möglich. Wesentlich ist lediglich, dass die Bildwandler im Fokus des Objektivs liegen.
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Unter dem Objektträger 1 und gegenüber der Objektivanordnung 2 ist ein Beleuchtungssystem 5 vorgesehen, das vorzugsweise paralleles Licht von unten auf das zu vermessende Objekt strahlt. Das nicht von dem Objekt abgeschattete Licht (Durchlicht) wird dann von den Objektiven der Objektivanordnung über dem Objekt erfasst und durch die Bildwandlereinheiten in Bilddaten gewandelt. Alternativ kann das Beleuchtungssystem auch als Auflichtsystem ausgebildet sein, das über dem Objektträger angeordnet ist und das Licht auf das Objekt von oben aufstrahlt und bei dem das von dem zu vermessenden Objekt reflektierte Licht erfasst und ausgewertet wird.
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Eine (nicht gezeigte) Rechnereinheit ist als Bestandteil des Bildverarbeitungssystems vorgesehen, welche die Bilddaten der Bildwandlereinheiten 4a–4d der Bildwandleranordnung 4, die den unterschiedlichen Abbildungsbereichen 2ai–2di der Objektive 2a–2d zugeordnet sind und an den unterschiedlichen Positionen entlang der Bewegungsstrecke der Relativbewegung des Objektträgers 1 und des Objektivträgers 3 sequentiell als Einzelbilder an den effektiven Bildbereichen „1–4” erfasst werden, verknüpfen kann, um ein Bild des zu vermessenden Objekts zu erzeugen, indem das Bild aus den Einzelbildern zusammengesetzt wird.
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Die zeitliche Abfolge der Erfassung der Einzelbilder an den effektiven Bildbereichen „1–4” gemäß der beispielhaften Anordnung von 2 wird im folgenden beschrieben:
Alle Bilderfassungselemente 4a–4d arbeiten gleichzeitig und sequentiell entsprechend dem Bewegungsfortschritt, der in Inkrementen entsprechend der Länge der effektiven Bildbereiche in Y-Richtung erfolgt. Dabei erzeugt das Bilderfassungselement 4a an jeder der Bewegungspositionen jeweils Bilddaten eines Einzelbildes des Bildbereichs 1, das Bilderfassungselement 4b erzeugt jeweils Bilddaten eines Einzelbildes des Bildbereichs 2, das Bilderfassungselement 4c erzeugt jeweils Bilddaten eines Einzelbildes des Bildbereichs 3, und das Bilderfassungselement 4c erzeugt jeweils Bilddaten eines Einzelbildes des Bildbereichs 4. Die Randbilder (die Bilddaten der ersten beiden Einzelbilder des Bilderfassungselements 4c/3 und die Bilddaten der letzten beiden Einzelbilder der Bilderfassungselemente 4b/2 und 4c/3) werden nicht ausgewertet. Die Bilddaten der Einzelbilder des Bilderfassungselements 4a/1 werden immer ausgewertet, weil diese aus der Mit-Erfassung des Lineals oder Referenzmusters 6 die Information enthalten, aus der der Y-Offset für alle jeweils zeitgleich erfassten Einzelbilder ermittelt wird.
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Die Rechnereinheit setzt sodann das Gesamtbild aus den Bilddaten der Einzelbilder zusammen und berücksichtigt den Korrekturwert, der sich aus dem Y-Offset des Lineals oder Referenzmusters ergibt. Dazu werden die Bilddaten bzw. die diesen entsprechenden Einzelbilder einem Helligkeitsabgleich und einer Rektifizierung (Entzerrung) unterzogen, wobei der Helligkeitsabgleich auf einer linearen Interpolation, berechnet aus einem in einer später noch beschriebenen Kalibrierung generierten Hellbild basiert. Die Rektifizierung, die ebenfalls durch die Kalibrierung für das System vorab bestimmt wird, erlaubt eine Korrektur der Rotation, der Skalierung, der linearen- und nichtlineare Verzeichnungen und der aufbaubedingten Translationen korrigiert. Dann wird die Korrektur aufgrund des Y-Offsets vorgenommen, der für alle jeweils zeitgleich erfassten Bilddaten der Einzelbilder aus der Erfassung des Lineals oder Referenzmusters bestimmt wird. Zuletzt werden die Bilddaten auf den gewünschten Bildbereich „beschnitten” und zu einem Gesamtbild zusammengefügt, das dann weiter verarbeitet werden kann.
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Die Auslösung der Bilderfassung erfolgt in Abhängigkeit des Bewegungsfortschritts in den erwähnten Inkrementen über das Lochlineal, wobei die Auslösung vorzugsweise auf die Mitten der einzelnen Bildausschnitte ausgerichtet ist. Der Messweg ist damit abhängig von der Länge des zu vermessenden Objekts in der Y-Richtung, wobei der sich aus dem Versatz der Objektive ergebende Vorlauf zu berücksichtigen ist. Die Anzahl der Bewegungsinkremente kann entsprechend der Länge des zu vermessenden Objekts vorgegeben werden. Nach der letzten Bilderfassung wird ein Bremssignal ausgelöst und der Objektträger wird wieder in die Ausgangsstellung zurückbewegt.
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Gleichzeitig bzw. synchron mit der Auslösung der Bilderfassung wird das Beleuchtungssystem aktiviert und löst einen Lichtblitz entsprechend der Belichtungszeit aus. Das nicht von dem Objekt blockierte Licht (z. B. an den Kanten oder an Bohrungen in einer Leiterplatte) gelangt zu den jeweiligen Objektiven und durch diese auf die jeweils zugeordneten Bilderfassungselemente. Durch die telezentrische Optik und Beleuchtung erhält man nur parallele Strahlen.
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Die zuvor beschriebene Kalibrierung für den Helligkeitsabgleich erfolgt in einem Messvorgang ohne Prüfobjekt. Die Kalibrierung für die Rektifizierung wird mit einer Kalibrierplatte mit einem geeichten Gitter durchgeführt, die statt eines Prüfobjekts an dem Objektträger angebracht wird und durch Vermessung der Kalibrierplatte. Durch Mittelung mehrerer Aufnahmen der Kalibrierplatte wird eine Entzerrungs-Map generiert, die in der Rechnereinheit gespeichert wird. Die einzelnen Gitterpunkte werden dazu durch einen Algorithmus auf ein optimales Gitter gezogen und Zwischenbereiche werden entsprechend interpoliert. Die Verwendung der Entzerrungs-Map führt effektiv zu geringerer Verzeichnung der Optik.
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Vorstehend beschrieben ist eine Ausführungsform, bei der der Objektträger in die Messposition bzw. entlang einer der Messrichtung bewegt wird während der Objektivträger und damit die Messoptik feststeht. Alternativ ist es aber zum einen möglich, den Objektträger so zu lagern, dass er sich zusammen mit dem zu prüfenden Objekt in zwei Achsen in der Messebene bewegen kann, die vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sind, und andererseits bei beiden Varianten (eine Achse oder zwei Achsen) den Objektivträger zu bewegen während der Objektträger feststeht.
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Die durch das Bildverarbeitungssystem erzeugten Gesamtbilder der planen Prüfobjekte werden in einer weiteren Funktion der Rechnereinheit mit Soll-Konturen verglichen, die beispielsweise aus einem CAD-Programm übernommen werden (z. B. im DXF-Format), um Abweichungen vom Soll festzustellen und fehlerhafte Objekte ggf. auszusondern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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