Qualitätsschub

3D-Inspektion mit grafischer FPGA Programmierung

Für die optische Leiterplatteninspektion (AOI) in 3D mit 24 Bit Farbauflösung nutzt das japanische Unternehmen MEK Marantz Electronics den externen Framegrabber LightBridge. Das Bildverarbeitungsgerät erlaubt die Anbindung des AOI-Inspektionsgerätes über Thunderbolt an den Host-PC unter dem Apple-Betriebssystem Mac OSX. Die speziellen Prüfaufgaben wurden auf dem FPGA von LightBridge mit VisualApplets individuell programmiert, ganz ohne Hardware-Programmierkenntnisse einzusetzen.

3D-Inspektion von Komponenten und L?tstellen: Es werden die Aufnahmen der Hauptkamera in einer zoombaren Gesamtansicht mit markierten Fehlern angezeigt, während die acht Seitenkameras zusätzlich gezoomte Einzelaufnahmen von Fehlern aus verschiedenen Perspektiven ausgeben. (Bild: MEK Marantz Electronics)

Um eine hochauflösende, breitbandige Bildverarbeitung für die Qualitätskontrolle von PCB-Leiterplatten auch auf Apple-Rechnern zu erreichen, bot das externe Vision-Gerät LightBridge alle von MEK gewünschten Eigenschaften für eine hohe Bildqualität bei überschaubaren Systemkosten. Das integrierte Bildaufnahme- und Bildverarbeitungsgerät wurde über Camera Link an das Inspektionssystem PowerSpector GTAz und über optische Thunderbolt Kabel an einen Mac Rechner eingebunden. Da die Apple-Rechner keine Slots für PCIe haben und nur USB- und Thunderbolt-Schnittstellen unterstützen, ließen sich nunmehr unterschiedliche Kamera-Schnittstellen einsetzen und dank Thunderbolt höhere Bandbreiten und Geschwindigkeiten nutzen. Gleichzeitig wurde der Host-PC von Bildverarbeitungs-Berechnungen entlastet. Die von Intel und Apple vorangetriebene Thunderbolt-Technologie erlaubt mittlerweile eine Datenübertragung von bis zu 4GB/s. LightBridge ist in der aktuellen Version als 1GB/s-Variante verfügbar und bietet damit für Camera Link ausreichend Bandbreite. MEK Marantz Electronics konnte aufgrund umfangreicher Unterstützung durch Silicon Software eigenstständig Treiber für das Mac OSX Betriebssystem schreiben.

Neun Kameras synchronisiert

Das Inspektionssystem verarbeitet insgesamt Bilder von neun 24Bit Farbkameras: eine 4MP Hauptkamera mit einer Bildfrequenz von 60fps und acht umgebende Seitenkameras. LightBridge synchronisiert die Bildverarbeitung der Haupt- und Seitenkameras und leitet die Aufnahmeergebnisse an den Host-PC. Dadurch konnte die frühere dedizierte Schnittstelle durch LightBridge ersetzt werden. Dies ist als kleines, kompaktes Gerät im Inspektionssystem untergebracht und durch das eigene Gehäuse vor Staub geschützt. Anstelle eines im Host-PC verbauten Framegrabbers wird der integrierte FPGA als Bildverarbeitungs-Intelligenz verwendet. Für die Inspektion werden PCB-Leiterplatten anhand von zwei bis vier Passermarken millimetergenau im System ausgerichtet, das die über 2.000 Inspektionspunkte innerhalb von wenigen Sekunden inspiziert. „Dazu müssen unsere Kunden nicht mehr aufwändig und in kurzer Zeit programmieren, denn das Inspektionssystem vergleicht die Punkte mit fehlerfreien Musterplatten“, erläutert Henk Biemans, Geschäftsführer von Mek Europe BV. Das System analysiert SMT- und THT-Komponenten auf Anwesenheit, Typenerkennung, Polarität, Versatz, Text und Farbe sowie Lötstellen mit Reflow-, Wellen- und Selektiv-Verfahren. 3D-Lötstellen werden mit vier Winkel Multi Color Beleuchtung mit Meniskus-Profiler per Lichtreflektion gemessen. Als Messverfahren laufen im System der synthetische Bildvergleich sowie die Spektralanalyse und Grauwertprüfung über die Analyse von Helligkeit, Farbton und -sättigung.

Individuelle grafische FPGA-Programmierung

MEK Inspektionsgerät mit externem verarbeitungsgerät LightBridge (links) mit integriertem FPGA (Bild: Silicon Software GmbH)

Die Bildvorverarbeitung findet auf dem FPGA in LightBridge statt, wie etwa Weißabgleich, Rauschunterdrückung und Gamma-Korrektur (Anpassen von Helligkeitsunterschieden in der Farbwiedergabe). Bei der eigentlichen Bildverarbeitung werden vor allem Farbkorrekturen durchgeführt, um unechte durch hoch qualitative Farben zu ersetzen. Nach der Farbrekonstruktion durch einen Bayer-Filter, folgt eine Umwandlung des RGB- in den HSL-Farbraum, danach kommen weitere Farbfilter zum Einsatz. Der FPGA kann mit VisualApplets anhand grafischer Datenfluss-Diagramme programmiert werden. „VisualApplets ermöglicht uns, die benötigten Bildverarbeitungs-Anwendungen selbst zu entwickeln anstatt wie bisher von Entwicklungsdienstleistungen abhängig zu sein. Das gesamte System wird so zu einer offenen Plattform, auf der wir individuelle Anwendungen jederzeit anpassen und neue hinzufügen können“, erklärt Hideki Konishi, Projektleiter von Marantz Electronics in Japan. Nach der Klassifikation zusammengehörender Bildelemente mithilfe der Seitenkameras lassen sich die Bilder auswerten. Auf einem Bildschirm werden die Aufnahmen der Hauptkamera in einer zoombaren Gesamtansicht mit markierten Fehlern angezeigt, während die acht Seitenkameras zusätzlich gezoomte Einzelaufnahmen von Fehlern aus verschiedenen Perspektiven ausgeben. Da alle Fehler in 3D-Nahaufnahmen dargestellt werden, ist es nicht mehr notwendig, die Leiterplatten manuell mikroskopisch zu analysieren.

3D-Farbaufnahmen und Fehlererkennung

„Das zusammen mit Silicon Software aufgebaute System für Apple-Rechner liefert hochpräzise 3D-Bilder für die Bauteile- und Lötstellen-Inspektion von Leiterplatten. LightBridge bietet eine höhere Performance und erhöht gleichzeitig die Zuverlässigkeit durch den Einsatz von optischen Thunderbolt-Kabeln sowie den Wegfall vieladriger Kupferkabel. So konnte die Gesamtauflösung der Hauptkamera von 2 auf 4MP erhöht werden, was einen höheren Datendurchsatz erlaubt“, unterstreicht Konishi. In Japan wurde das MEK Inspektionssystem bereits angepasst und erfolgreich ausgeliefert, das nun weltweit angeboten werden soll, worauf künftig die Portierung auf weitere Inspektionssysteme folgen wird. Das Einlernen der Mitarbeiter in die Bedienung der grafischen Entwicklungsumgebung VisualApplets verlief zügig. „Die Software lässt sich intuitiv ohne spezielle Hardware-Programmierkenntnisse bedienen. Den Aufbau einer synchronen Bild- und Signalverarbeitung für parallel ablaufende Prozesse konnten unsere Mitarbeiter mithilfe von Distributoren und über den Support rasch lernen. Ein spezielles Anwendertraining war hier nicht notwendig“, sagt Biemans. In Zukunft soll die Zusammenarbeit zwischen beiden Unternehmen weiter ausgebaut werden mit dem Ziel, Leiterplatten von beiden Seiten sowohl von oben als auch von unten zu inspizieren. Eine neue Version von LightBridge könnte dann höhere Bandbreiten für den Einsatz noch schnellerer Kameras bieten. n @Kontakt – NEW: