Rapid Lenses

Fertigung spezifischer Industrieobjektive in kleinen Stückzahlen

3D-Inspektionen in der Elektronik benötigen aufgrund spezieller Anforderungen oft die Entwicklung kundenspezifischer optischer Systeme. Hierbei müssen Kostenaspekte mit der Erfüllung von Vorgaben und anderen Randbedingungen in Einklang gebracht werden.

Bild 1 | Schematische Darstellung einer Szene nach endozentrischer (l.), telezentrischer (m.) und perizentrischer Abbildung (r.). (Bild: Eureca Messtechnik GmbH)

Hierzu zählen beispielsweise im Elektronikbereich komplexe Vorgaben zu besonderen perspektivischen Eigenschaften, zur Abbildungsleistung und zu weiteren optischen Parametern wie dem Spektralbereich oder der spektralen Breite. Da sich Standardobjektive für solche Vorhaben u.U. nicht eignen, kann zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen der Einsatz kundenspezifischer Systeme vonnöten sein. Im Idealfall ermöglichen diese nicht nur die erfolgreiche Umsetzung der Zielvorgaben, sondern auch einen schnellen und kosteneffizienten Proof-of-Concept sowie die wirtschaftliche Fertigung in kleinen Stückzahlen. Das Sortiment der verfügbaren Objektive für die industrielle Bildverarbeitung in der Elektronikbranche umfasst eine große Anzahl verschiedenster Produkte: Von den am weitesten verbreiteten C-Mount-Objektiven über kompakte Bord-Level-Systeme mit M12-Anschluss bis hin zu Lösungen mit großen Bildkreisen und M42-Gewinde existieren viele Möglichkeiten, um standardmäßige Untersuchungen von Bauteilen durchzuführen. Oftmals bestehen jedoch Anforderungen, die mittels eines herkömmlichen Objektivs nicht erfüllt werden können. Die Auswahl an handelsüblichen Standardprodukten nimmt daher mit zunehmender Spezialisierung der Kundenvorgaben rapide ab; je nach Anwendung sind u.U. sogar keine geeigneten Objektive auf dem Markt verfügbar. In solchen Fällen ist die kundenspezifische Entwicklung optischer Systeme – idealerweise im Rahmen eines sogenannten Rapid-Prototyping-Verfahrens – notwendig: Ziel muss es hierbei sein, ein individuelles System für die Abbildung und Beleuchtung von Elektronikkomponenten zu erschaffen, das einen schnellen und kosteneffizienten Machbarkeitsnachweis liefert (Proof-of-Concept) und gleichzeitig eine komplikationsfreie Fertigung in kleinen Stückzahlen ermöglicht.

Realisierung von RapidPrototyping-Projekten

Zur erfolgreichen Realisierung eines solchen Rapid-Prototyping-Projekts ist von der Umsetzung der Vorgaben bis zur Produktionsphase eine klare Prozessstruktur vonnöten. So müssen in einem ersten Schritt z.B. präzise und verifizierbare Spezifikationen bestimmt werden, um die erforderlichen optischen Eigenschaften zur geeigneten Inspektion eines Elektronikbauteils feststellen zu können. Numerische Simulationen können in diesem Stadium der Entwicklungsphase anhand beispielhafter Bilddaten helfen, die entscheidenden Größen zu ermitteln. Zu empfehlen ist auch die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, das über Know-how im Bereich der technisch-physikalischen Bildsimulation verfügt. Für die Beleuchtung und Abbildung von 3D-Elektronikkomponenten sind tiefgehende Kenntnisse der physikalischen Zusammenhänge bei der anschließenden praktischen Umsetzung der Entwicklungspläne essentiell. So muss bei der Auslegung des optischen Systems sichergestellt werden, dass die Spezifikationen eingehalten werden und dadurch eine vorgabengetreue Inspektion des Objekts ermöglicht wird. Gleichzeitig sollte bei der Produktion des Systems Wert auf die Auswahl geeigneter Partner für die Prototypenfertigung gelegt werden, um einen wirtschaftlichen Fertigungsvorgang für kleine Stückzahlen und einen schnellen Proof-of-Concept zu garantieren.

Bild 2 | Optomechanische Konstruktion eines perizentrischen Makroobjektivs. (Bild: Eureca Messtechnik GmbH)

Perizentrische Objektive

Das Prinzip des Rapid Prototyping lässt sich gut anhand der Inspektion elektronischer Bauteile auf Leiterplatten veranschaulichen. Eine mögliche Anforderung kann in einem solchen Anwendungsfall darin bestehen, zur genauen Untersuchung des Objekts bzw. der Lötstellen gleichzeitig eine Ansicht der Vorderseite sowie der Seitenflächen zu generieren. Soll dies mit nur einer Aufnahme bzw. Kamera realisiert werden, sind die Lösungsmöglichkeiten bei der Wahl eines geeigneten standardisierten Objektivs begrenzt, denn sowohl endo- als auch telezentrische Systeme eignen sich für dieses Vorhaben nicht. Wird das dreidimensionale elektronische Bauteil dagegen mit einem perizentrischen System abgebildet, erscheinen weiter vom System entfernte Teile unter einem größeren Winkel als solche, die sich dichter am System befinden. Dies ermöglicht die gleichzeitige Abbildung der Vorderfläche und der Seiten eines Objekts – die erste Anforderung im Rahmen der Auslegung ist damit erfüllt. Um ein möglichst kosteneffizientes Rapid Prototyping sicherzustellen, lohnt es sich zudem, die Anforderungen an das optische System auf die vom Kunden benötigten elementaren Spezifikationen zu reduzieren. Dadurch lässt sich die Realisierung entsprechender Optiken oftmals auf die Kombination verfügbarer Einzellinsen beschränken. So kann das eingangs beschriebene optische System zur Abbildung elektronischer Bauteile auf Leiterplatten z.B. mit einem perizentrischen Objektiv aus wenigen Standardlinsen bei gleichzeitiger Integration einer Inlinebeleuchtung ausgelegt werden, ohne Kompromisse bei der optischen Leistung einzugehen. Bei der Mechanikfertigung können je nach Fall additive Fertigungsverfahren ergänzend zum Einsatz kommen, wodurch sich weiteres Einsparpotential ergibt.