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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Röntgenprüfsysteme.
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Hintergrund der Erfindung
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In
vielen Industriezweigen wird Röntgenprüfung routinemäßig dazu
verwendet, Fabrikate im Fertigungsumfeld zu prüfen. Die einfachste Art der
Röntgenabbildung
ist die Durchleuchtungs-Abbildung. In der Röntgen-Durchleuchtungs-Abbildung
wird Strahlung durch ein Objekt gesendet, und das Abbildungssignal
wird von einem subtraktiven Vorgang erzeugt, d. h. was abgebildet
wird, ist das Fernfeld der Strahlung minus allen Lichts, das absorbiert,
reflektiert oder gestreut wurde. Solche Bilder können mit relativ preiswerter
Ausrüstung
schnell erzeugt werden. Jedoch können
Details, die benötigt
werden, um einen Fehler in einem Teil zu finden, in solchen Bildern
verborgen werden, wenn das fehlerhafte Merkmal von einem Bereich
aus stark absorbierendem Material verdeckt wird, der das fehlerhafte
Merkmal im Bild überlappt.
Zum Beispiel werden die Lötstellen
auf Leiterplatten oft mittels Röntgenprüfung untersucht, um
fehlerhafte Lötstellen
zu finden. Bedauerlicherweise kann eine große Lötstelle auf einer Fläche der Platte
das Bild einer kleineren Lötstelle
auf der anderen Fläche
der Platte beeinträchtigen,
wenn die größere Lötstelle
die kleinere Lötstelle
beschattet.
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Das
Beschattungsproblem kann wesentlich verringert werden, wenn dreidimensionale
Röntgenbilder
des Objekts erzeugt werden. Im wesentlichen wird das Objekt in dünne Schnitte
unterteilt, die einzeln untersucht werden. Daher wird ein Objekt,
das ein anderes Objekt in einem Schnitt verbirgt, dieses in einem
andern Schnitt nicht verbergen. Solche dreidimensionalen Bilder
werden oft in medizinischen Diagnoseaufgaben verwendet.
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Bedauerlicherweise
haben die hohen Kosten dieser Ausrüstung und ihr relativ niedriger
Durchsatz die Verwendung dreidimensionaler Scanner für solche
Massenanwendungen wie Teileprüfung
verhindert. Dreidimensionale Scanner wie etwa CT-Scanner erfordern,
daß eine
große
Zahl von Ansichten des Objekts von einer großen Zahl verschiedener Winkel aufge nommen
wird. Diese Daten müssen
dann zusammengefaßt
werden, um das dreidimensionale Bild bereitzustellen, in dem das
Teil als dreidimensionale Matrix von Voxel genannten Volumenelementen modelliert
ist. Das dreidimensionale Bild muß dann analysiert werden, um
Fehler im Teil zu detektieren.
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In
einem typischen CT-Scanner sind die Röntgenstrahlenquelle und der
Detektor relativ zueinander feststehend und werden um das Objekt
gedreht. Die Zeit, die benötigt
wird, mit einem solchen System ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, macht
solche Systeme für
Hochgeschwindigkeits-Teilescan-Anwendungen nicht praktikabel. Zusätzlich halten
die Gerätekosten
und die benötigte Stellfläche weiterhin
von der Verwendung solcher Systeme in industriellen Prüfanwendungen
ab. Schließlich
erhöhen
die Kosten für
Rechenleistung der Analyse des dreidimensionalen Bildes auch die Kosten
solcher Systeme.
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Allgemein
ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Röntgenabbildungsvorrichtung
und -verfahren anzugeben.
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Dieses
und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der begleitenden
Figur offenbar.
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DD 267 568 offenbart ein ähnliches
Verfahren und System zur kontaktlosen Prüfung von Fabrikaten in einem
Fertigungsprozeß,
etwa während
des Spanens und Fräsens.
Das Fabrikat wird unter zwei verschiedenen Winkeln geröntgt, indem
das Teil relativ zu einer Röntgenstrahlenquelle
gedreht wird. Die Röntgenbilder
werden auf einem Bildschirm betrachtet oder in einem Computer gespeichert
und mit Referenzbildern verglichen, wobei ein Fehlersignal ausgegeben
wird, wenn sie nicht übereinstimmen.
Der Fehler wird lokalisiert, indem die Bilder auf dem Bildschirm
verglichen werden, oder automatisch mittels des Computers.
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US-A-4
415 980 offenbart ein Röntgenprüfsystem,
in dem ein von Fehlern freies Teil verwendet wird, um ein Referenzbild
abzuleiten. Weiter wird beschrieben, daß der Vergleich des Röntgenbildes
und des Referenzbildes ausgeführt
wird, indem das Röntgenbild
vom Referenzbild subtrahiert wird. Dieses subtrahierte Bild wird
einem menschlichen Bediener angezeigt, der ein Urteil fällen kann,
ob ein Fehler von hinreichender Bedeutung ist.
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Hanke,
R. F, et al: „Automated
3D x-ray inspection of fine pitch PCB's",
IEEE/CHMT International Electronics Manufacturing Technology Symposium,
28. September 1992 (1992-09-28),
Seiten 187-190, XP010259403 beschreibt ein Verfahren zur Fehlerlokalisierung,
das darauf beruht, zwei gemessene Röntgenbilder zu vergleichen.
Zwei Bilder werden verwendet, da vollständige dreidimensionale Rekonstruktionen,
die von einem einzigen Röntgenbild ausgeführt werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und
ein Verfahren zur Durchmusterung von Teilen nach Fehlern nach Anspruch
5 vor.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Prüfung
von Teilen. Die Vorrichtung umfaßt eine Röntgenstrahlenquelle zum Beleuchten
eines Teils von einer Mehrzahl von Orten aus, bezogen auf das Teil,
und einen Bilddetektor zum Erzeugen einer Mehrzahl von gemessenen Röntgenbildern
des Teils, wobei je ein solches gemessenes Röntgenbild zu jeder der Beleuchtungspositionen
gehört.
Eine Steuervorrichtung vergleicht jedes der gemessenen Röntgenbilder
mit einem zugehörigen
Kalibrierungsbild. Die Steuervorrichtung stellt einen Hinweis auf
ein fehlerhaftes Teil bereit, wenn eines der gemessenen Röntgenbilder
vom entsprechenden Kalibrierungsbild um mehr als einen Schwellenwert
im Teil des gemessenen Röntgenbildes
abweicht. Die Steuervorrichtung lokalisiert Fehler auf dem Teil,
indem es zwei der gemessenen Röntgenbilder
mit zwei entsprechenden Kalibrierungsbildern vergleicht. Die Kalibrierungsbilder
können
aus gemessenen Bildern von fehlerfreien Teilen erstellt werden.
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Ausführungsformen,
in denen ein laufendes Mittel der gemessenen Bilder von fehlerfreien
Teilen verwendet wird, um die Kalibrierungsbilder zu erstellen,
können
auch angewendet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Zeichnung ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines Bildprüfsystems 10 nach
der vorliegenden Erfindung, das auf ein Teil 20 einwirkt,
das Merkmale auf seiner Ober- und Unterseite besitzt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
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Die
Art, in der die vorliegende Erfindung ihre Vorteile bereitstellt,
kann einfacher mit Bezug auf die Zeichnung verstanden werden, die
ein Querschnitt einer Ausführungsform
eines Bildprüfsystems 10 nach
der vorliegenden Erfindung ist, das auf ein Teil 20 einwirkt,
welches Merkmale auf seiner Ober- und Unterseite besitzt. Das Prüfsystem 10 hat
zwei oder mehr Röntgenstrahlenquellen,
von denen hier als Beispiel drei Quellen 11-13 gezeigt
werden, und einen Röntgenstrahlendetektor 14,
der vorzugsweise eine zweidimensionale Anordnung von Röntgenstrahlendetektoren
zum Erzeugen eines Bildes von Teil 20 ist. Um die folgende
Abhandlung zu vereinfachen, wird angenommen, daß es nur zwei Merkmale von
Interesse auf Teil 20 gibt, Merkmal 21 auf der Oberseite
und Merkmal 22 auf der Unterseite. Man betrachte das Bild,
das von der Röntgenstrahlenquelle 13 auf
Detektor 14 erzeugt wird. Das Bild wird zwei leicht überlappende
Schatten bei 31 und 32 haben, die zu den Absorptionen
der Röntgenstrahlen
durch die Merkmale 21 bzw. 22 gehören. Ebenso
wird das Bild, das von der Röntgenstrahlenquelle 11 erzeugt wird,
zwei leicht überlappende
Schatten bei 41 und 42 haben, die zu den Absorptionen
der Röntgenstrahlen
durch die Merkmale 21 bzw. 22 gehören. Das
Bild andererseits, das von Röntgenstrahlenquelle 12 erzeugt
wird, wird einen Schatten am Ort 43 haben.
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Man
betrachte den Fall, in dem Merkmal 21 einen kleinen Fehler
hat. Man nehme zum Beispiel an, daß ein Teil des Merkmals fehlt.
Der Fehler wird in den Bildern, die von den Röntgenstrahlenquellen 11 und 13 erzeugt
werden, deutlicher erkennbar sein, als in demjenigen von Röntgenstrahlenquelle 12.
Insbesondere wird ein Teil des Schattens bei 31 und 41 fehlen.
Im Gegensatz dazu wird der Schatten bei 43 von gleicher
Größe bleiben,
mit einer Änderung
der Dichte des Schattens im Bereich des Fehlers. Wenn die Röntgenstrahlenabsorption
von Merkmal 22 wesentlich größer ist, als die von Merkmal 21,
kann diese Änderung
der Dichte verdeckt werden.
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Der
Prüfvorgang
der vorliegenden Erfindung kann in zwei Phasen aufgeteilt werden.
In der ersten Phase wird das Teil abgebildet, und eine Untersuchung
wird ausgeführt,
ob das Teil fehlerhaft ist oder nicht. In der zweiten Phase wird
der Fehler auf dem Teil lokalisiert, so daß der Fehler, wenn möglich, repariert
werden kann.
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Die
erste Phase wird ausgeführt,
indem eine Mehrzahl von Bildern des Teils mit Kalibrierungsbildern
verglichen wird. Jedes der Bilder wird erzeugt, indem eine Röntgenstrahlenquelle
verwendet wird, die an einer unterschiedlichen Position in bezug
auf das Teil liegt. In dem Beispielsystem, das in 1 gezeigt
ist, würden
drei Bilder gemacht, die zu den Röntgenstrahlenquellen 11-13 gehören. Für jedes gemessene
Bild greift die Steuervorrichtung 50 auf ein Kalibrierungsbild
zu, das in Speicher 51 gespeichert ist. Steuervorrichtung 50 vergleicht
das gemessene Bild mit dem Kalibrierungsbild. Wenn das gemessene
Bild vom Kalibrierungsbild an einem wichtigen Ort in einem der gemessenen
Bilder wesentlich abweicht, wird das Teil als fehlerhaft betrachtet.
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Die
Kalibrierungsbilder repräsentieren
das erwartete Bild von einem guten Teil, das mit der entsprechenden
Röntgenstrahlenquelle
gemacht wurde. Die Kalibrierungsbilder können durch eine Anzahl verschiedener
Verfahren erzeugt werden. Zum Beispiel kann das Kalibrierungsbild
aus den Zeichnungen des Teils errechnet werden, die in einer Computer-Aided-Design-Darstellung des Teils
gespeichert sind. Das Kalibrierungsbild kann auch erzeugt werden,
indem Bilder einer Anzahl von Teilen erzeugt werden, die als gut
bekannt sind, mit Hilfe der entsprechenden Röntgenstrahlenquelle.
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Es
sollte beachtet werden, daß die
Kalibrierungsbilder periodisch aktualisiert werden können, um
die Bilder bezüglich
eines Drifts im Fertigungsprozeß zu
korrigieren. In diesem Falle können
die Kalibrierungsbilder erzeugt werden, indem die gewichtete Summe
der vorher abgetasteten Teile, von denen man weiß, daß sie fehlerfrei sind, gebildet
wird. Die Kalibrierungsbilder können
Zeit-Gewichtung umfassen, die die jüngsten Teile betont, um einen
tolerierbaren Drift im Fertigungsprozeß präzise zu kompensieren. Diese
können
fortlaufend aktualisiert werden, indem gute Fabrikate identifiziert
werden. Die Änderung
dieser Kalibrierungsbilder als Funktion der Zeit kann nützlich sein
als Prozeßüberwachung,
um einen Drift im Fertigungsprozeß quantitativ zu identifizieren.
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Der
Vergleich der gemessenen Bilder und Kalibrierungsbilder kann mit
Hilfe einer Anzahl von verschiedenen Algorithmen ausgeführt werden.
Jeder Algorithmus, der die lokalen Abweichungen des gemessenen Bildes
von dem zugehörigen
Kalibrierungsbild mißt,
kann verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Differenzbild erzeugt
werden, nachdem das gemessene Bild normalisiert wurde. Im einfachsten
Verfahren kann der Durchschnitt der mittleren quadratischen Amplitude
der Pixel im Differenzbild verwendet werden, um zu untersuchen, ob
das gemessene Bild wesentlich vom zugehörigen Kalibrierungsbild abweicht.
Dieses einfache Verfahren überbewertet
jedoch Bereiche, in denen keine Fehler erwartet werden. Diese Schwierigkeit
kann behoben werden, wenn eine Gewichtungsfunktion verwendet wird,
die verschiedene Bereiche des Unterschieds-Bildes gewichtet, je
nach der Wahrscheinlichkeit dafür,
daß ein
Fehler vorliegt.
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Das
oben beschriebene Vergleichsverfahren setzt voraus, daß das gemessene
Bild und die Kalibrierung untereinander angemessen in Deckung gebracht
sind, bevor die Bilder voneinander subtrahiert werden. Da das Teil
in den meisten Fällen
von einer mechanischen Positionierungseinrichtung in die Durchmusterungs-
bzw. Abtastposition bewegt werden kann, vorverarbeitet die bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das gemessene Bild, um es bezüglich der
Positionierungsfehler zu korrigieren. Die Positionsfehler können durch
eine geeignete Bildverarbeitungsroutine korrigiert werden, die die
relative Position des Kalibrierungsbildes und des gemessenen Bildes
verschiebt, und/oder vor der Subtraktion eine spezielle Verformung
eines der beiden Bilder vornimmt. Solche Bildabstimmungsalgorithmen
sind in der Technik bekannt und werden daher hier nicht im Detail
behandelt. Man beachte, daß Bilder
von flachen Objekten wie Leiterplatten weniger Korrektur benötigen, als
dreidimensionale Objekte mit einer erheblichen Stärke.
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Die
Unterschiede zwischen dem gemessenen Bild und dem Kalibrierungsbild
stellen eine Schwankung im Fabrikat dar. Man betrachte die Prüfung von
Leiterplatten und nehme an, daß das
Kalibrierungsbild vom gemessenen Bild subtrahiert wurde. Ein fehlender
Teilbereich erzeugt einen großen
Bereich mit einem extrem negativen Wert. Ein überschüssiger Teilbereich erzeugt
einen großen
Bereich mit einem extrem positiven Wert. Nicht ausreichendes Lot
an einer Verbindungsstelle erzeugt einen kleinen oder mittleren
Bereich mit einem extrem negativen Wert. Überschüssiger Lot erzeugt einen ähnlichen
Bereich mit extrem positivem Wert und so weiter.
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Wenn
ein Fehler in mindestens zwei der Ansichten sichtbar ist, kann der
Ort des Fehlers auf dem Teil ermittelt werden. Der Ort des Fehlers
in einer Ansicht definiert einen Kegel, dessen Spitze bei der Röntgenstrahlenquelle
liegt, die verwendet wurde, um das Bild aufzunehmen, und dessen
Basis durch den Bereich des Fehlers im Bild definiert ist. Der Schnitt
dieses Kegels mit dem Teil definiert eine Menge von Orten, in der
der Fehler auftritt. Wenn das Teil dünn genug ist, kann dies ausreichen,
um genügende
Lokalisierung bereitzustellen. Im allge meinen wird jedoch mehr Information
benötigt.
Der Fehler in der zweiten Ansicht stellt diese Information bereit,
indem er einen zweiten Kegel definiert, dessen Spitze bei der zugehörigen Röntgenstrahlenquelle
liegt, und dessen Basis durch den Bereich des Fehlers im zweiten
Bild bestimmt ist. Der Schnitt dieser beiden Kegel mit dem Teil
definiert ein kleineres Volumen, in dem der Fehler lokalisiert ist.
Wenn mehr Ansichten, in denen der Fehler zu sehen ist, zur Verfügung stehen, kann
der Fehler noch weiter lokalisiert werden.
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Die
Mindestanzahl von Ansichten, die sowohl Fehlerdetektion, als auch
-lokalisation bereitstellt, ist zwei. Wie oben vermerkt kann ein
Fehler jedoch in einer oder mehreren Ansichten verdeckt sein. Daher
können
Systeme mit einer größeren Anzahl von
Ansichten vorteilhaft sein.
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Man
beachte, daß die
vorliegende Erfindung Fehler detektieren und detektierte Fehler
lokalisieren kann, ohne eine dreidimensionale Darstellung des Teils
erzeugen zu müssen.
Daher sind der Rechenaufwand und Prüfung wesentlich geringer, als
in Systemen, die auf irgendeiner Form der dreidimensionalen Rekonstruktion
beruhen. Man beachte außerdem,
daß die
vorliegende Erfindung wesentlich weniger Bilder benötigt, als
Systeme, die auf dreidimensionaler Bildrekonstruktion beruhen.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung verwenden eine Anzahl von getrennten Röntgenstrahlenquellen.
Es können jedoch
auch Systeme entworfen werden, in denen eine einzelne bewegliche
Röntgenstrahlenquelle
verwendet wird. Zusätzlich
können
Scan- bzw. Abtast-Röntgenstrahlenquellen
verwendet werden, in denen ein Elektronenstrahl sich über ein
großes
Zielobjekt bewegt, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Wenn der Bilddetektor genügend groß ist, kann eine einzelne Röntgenstrahlenquelle
verwendet werden, um mehrere Bilder aufzunehmen, während sich
das Teil zwischen der Abbildungsquelle und dem Bilddetektor bewegt.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung verwenden einen einzelnen Bilddetektor. Ausführungsformen
mit mehreren Bilddetektoren können
jedoch auch angewendet werden. Ausführungsformen, in denen es einen
Abbildungsdetektor für
einen jeden Ort einer Röntgenstrahlenquelle
gibt, sind besonders nützlich.
In solchen Ausführungsformen
können
die einzelnen Abbildungsdetektoren so ausgerichtet werden, daß die Röntgen strahlen
die Bilddetektoren in Winkeln treffen, die eher annähernd rechtwinklig
zur Richtung der Röntgenstrahlen
sind.
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Verschiedene Änderungen
der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der vorangegangenen
Beschreibung und der begleitenden Figur offenbar werden. Daher soll
die vorliegende Erfindung nur durch den Schutzumfang der folgenden
Ansprüche
beschränkt
sein.