Hochauflösende Objektive für AOI-Systeme

AOI-Systeme müssen immer feinere Strukturen auflösen. Der folgende Beitrag zeigt am Beispiel der Elektronikfertigung, welche Eigenschaften die Optik erfüllen muss, um aus modernen Industriekameras mit hochauflösenden Sensoren das Beste herauszuholen.

Bild 1 | Eine SMT-Leiterplatte unter die Lupe genommen. Das Programm prüft bei der Pinnvermessung die Einhaltung der Toleranzen im Mikrometerbereich. Dies funktioniert nur mit hochauflösenden Objektiven. (Bild: Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG)

In der Elektronikfertigung findet nach nahezu jedem Fertigungsschritt eine automatische optische Inspektion (AOI) statt, von der Prüfung der Rohplatinen bis hin zur End-of-Line-Kontrolle. Erst muss gewährleistet sein, dass die Qualitätskriterien eingehalten werden, bevor jeweils weiterer Aufwand und Kosten in die Fertigung fließen. Neben der Qualitätsprüfung übernehmen AOI-Systeme auch Aufgaben wie Codelesen und Alignment, die die vollautomatische Fertigung sowohl von Großserien als auch von individualisierten Produkten ermöglichen. In Bestückungsautomaten müssen besonders viele Prüfaufgaben in hoher Geschwindigkeit abgearbeitet werden: Welcher Typ von Platine wurde eingeschleust (Codelesen)? Wie ist sie orientiert (Fiducial/Passermarkenerkennung)? Hat der Vakuumgreifer ein Bauteil korrekt vom Gurt gegriffen, und wie sind die Koordinaten für die Lagekorrektur? Sind die Pins vollständig und gerade (Prüfung der Beinchengeometrie)? Gibt es Lötfehler? U.v.m. Je nach Aufgabe kommen 2D- und 3D-Prüfsysteme, teils auch Röntgentechnik zum Einsatz. Die große Vielfalt macht die Prüftechnik zu einem riesigen Markt, der nur zu einem Teil aus Standardlösungen besteht.

Bild 2 | Die Kamera erfasst eine große Fläche und findet die zu vermessenden Pins (Einmessen bzw. Pattern Matching auf einem Messeexponat). (Bild: Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG)

Spezialist für maßgeschneiderte Software

Das Münchener Unternehmen Machine Vision Makers entwickelt auf Basis von Halcon anwendungsspezifische Software für verschiedenste Bildverarbeitungsaufgaben. Die beiden Gründer Andreas Heindl und Dr. Stefan Rahmann programmieren anhand von Halcon-Funktionsmodulen Mess-, Lese- und Prüfsoftware. Kunden schätzen die Vorteile von AOI-Software, die individuell auf ihren Bedarf zugeschnitten ist und sich zukünftigen Veränderungen anpassen lässt. Die beiden Programmierer erstellen in der Rapid-Prototyping-Entwicklungsumgebung von Halcon Module für verschiedenste 2D-Prüfaufgaben, die mit entsprechenden Schnittstellen in die Anwendungssoftware integriert werden. Dabei kommt vermehrt Deep Learning zum Einsatz, speziell für Applikationen mit schwer zu parametrisierenden Prüfkriterien wie die Kontrolle von Platinen, wo Defekte stark variieren können und Deep Learning bessere Erkennungsraten liefern kann. Das Unternehmen bietet zudem Beratung und Projektbegleitung an. So unterstützt es Kunden auf Wunsch bei der Bedarfsanalyse und Konfiguration des gesamten Vision-Systems inklusive Beleuchtung, Optik, Sensor, Hardware und Software. Geschäftsführer Dr. Stefan Rahmann berichtet: „Am Anfang steht natürlich der Bedarf des Kunden: Was muss er messen, in welcher Genauigkeit und mit welchen Bildraten? Die Aufnahmen müssen eine gute Grundqualität haben. Einiges lässt sich mit Software kompensieren, aber möglichst gutes Ausgangsmaterial spart unterm Strich Geld, besonders wenn die Präzisionsanforderungen sehr hoch sind.“ Machine Vision Makers arbeitet unter anderem mit Qioptiq zusammen, einem Tochterunternehmen von Excelitas Technologies, das hochwertige Industrieobjektive fertigt. Die Fotos zu diesem Beitrag zeigen ein gemeinsames Messeexponat, in dem Machine Vision Makers und Qioptiq beispielhaft das Alignment und die Pinvermessung an einem integrierten Schaltkreis demonstrieren. Der Aufbau sticht durch diverse Merkmale hervor: eine große erfasste Fläche, mikroskopische Auflösung und kontrastreiche, verzeichnungsfreie Abbildungsqualität bis zum Bildrand.

Wettkampf um höchste Auflösung

Der Trend zu höheren Auflösungen lässt sich sehr gut an den Bildsensoren für die industrielle Inspektion verfolgen, die quasi Jahr für Jahr größer werden, während die Pixel kleiner werden. So nutzen aktuelle Generationen von Industriekameras CMOS-Sensoren mit optischen Diagonalen von bis zu 80mm, bis zu 150MP Auflösung und Pixelgrößen unter 4µm. In Zeilenkameraanwendungen sind CMOS-Sensoren mit Pixelgrößen von 3,5 bis 5µm und Längen von bis zu 82mm verbreitet (12k- und 16k-Sensoren). Damit sich die Investition in derart hochauflösende Sensoren lohnt, muss die eingesetzte Optik auf diese hohen Auflösungen abgestimmt sein. Nur so lassen sich die Ziele erreichen, größere Flächen in hohem Tempo automatisch zu erfassen und dabei immer feinere Details aufzulösen und höhere Messgenauigkeiten zu erreichen.

Das Linos-Machine-Vision-Sortiment von Qioptiq umfasst unter anderem Objektive, die speziell für hochauflösende optische Inspektion mit großformatigen Flächen- und Zeilensensoren konstruiert wurden. Diese lichtstarken Objektive mit einem beugungsbegrenzten Design ermöglichen kurze Belichtungszeiten und unterstützen hohe Produktionsgeschwindigkeiten. Die in dem Messeexponat vorgestellte Objektivserie Linos Inspec.x L für Pixelgrößen von 3,5 bis 7µm deckt einen Maßstabsbereich von 0,06x bis 5,2x ab. Zwei Float-Objektive mit verstellbarer Linsengruppe erlauben die Verstellung im Bereich von 0,06x bis 0,52x bzw. 0,3x bis 3,0x. Mit nur einem Float-Objektiv können somit in einer Produktionslinie verschiedenste Maßstäbe realisiert und unterschiedliche AOI-Anwendungen umgesetzt werden. Die optimale Lage des Float-Elements für den gewünschten Abbildungsmaßstab und die Blende lassen sich mittels Zahnkränzen maschinell oder manuell verstellen. Durch die Auswahl der am besten geeigneten Glasmaterialien, hochwertige Oberflächenpolitur sowie speziell entwickelte Montage- und Justagetechnologien wird über den gesamten großen Bildkreis von 82mm eine hohe Abbildungsqualität gewährleistet.

Bild 3 | Die Objektivbaureihe Linos Inspec.x L bietet eine hohe Abbildungsqualität über einen großen Bildkreis von 82mm (Bild: Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG)

Keine erkennbare Verzeichnung

Dr. Stefan Rahmann, der in seiner Projektarbeit eine große Bandbreite von Objektiven erlebt, war beim ersten Testen eines Inspec.x L erstaunt: „Selbst auf den Originalbildern funktionierte das Matching schon sehr gut. Normalerweise erreicht man dies erst mit durch eine Kalibrierung entzerrten Bildern. Bei preisgünstigen Objektiven kann die radiale Verzeichnung so groß sein, dass sie sich nicht mit der nötigen Genauigkeit kompensieren lässt. Dort verliert man am Rand 50 oder 100 Pixel und muss, um trotzdem das Sichtfeld zu erfassen, den Arbeitsabstand erhöhen, wodurch man Auflösung und damit auch Messgenauigkeit einbüßt. Mit einem hochwertigen Objektiv, das bis in die Ecken hinein die hohe Abbildungsqualität beibehält, kann man überall Subpixelgenauigkeit erreichen.“ Tatsächlich ist die Verzeichnung bei der ganzen Objektivbaureihe praktisch vernachlässigbar; nominell liegt sie bei weniger als 0,6 Prozent. Neben der geringen Verzeichnung hebt sich die Serie auch durch ihre hervorragenden Abbildungseigenschaften und gleichbleibende Kontrastwerte über den gesamten Bildkreis ab. Damit kann man das Optimum aus großen Sensoren mit kleinen Pixeln herausholen. Die Aufnahmen zeigen bis zum Rand eine gleichbleibende Qualität und können somit in ihrer Gänze weiterverarbeitet werden. Dadurch werden beim Scannen großer Flächen wie z.B. in der Fertigung von Flachbildschirmen weniger Inspektionssysteme benötigt und ein größerer Durchsatz erzielt. Egal ob in AOI-Applikationen monochromatische oder Farbsensoren eingesetzt werden, Objektive ohne ausreichende Farbkorrektur produzieren Messungenauigkeiten, da sie bestimmte Farbübergänge nicht klar darstellen können. Das äußert sich bei getrennten Farbkanälen in Unschärfe (Farblängsfehler) und Versatz (Farbquerfehler). Dieses Phänomen verschwindet auch nicht durch den Einsatz von monochromatischen Sensoren, sondern zeigt sich dann in Unschärfe und fließenden Grauübergängen. Für exzellente Ergebnisse mit allen Sensoren sind die Linos-Objektive daher für den Wellenlängenbereich 400 bis 750nm (Weißlicht) farbkorrigiert.