Allerdings gibt es trotz zahlreicher Entwicklungen auf diesem Gebiet bisher nur wenige inline-fähige Lösungen. Gängige Methoden wie z.B. Fokusvariation, konfokale Mikroskopie und Weißlichtinterferometrie verwenden normalerweise ein scannendes Abtastverfahren, bei dem die Abtastrichtung mit der natürlichen Transportrichtung des Objekts nicht übereinstimmt. Das macht diese Verfahren in der Regel ungeeignet für schnelle Inline-Inspektionsaufgaben.
Inline Computational Imaging
ici:microscopy ist eine hochauflösende Variante der am AIT Austrian Institute of Technology entwickelten Inline Computational Imaging (ICI) Technologie und setzt genau hier an. ICI ist eine kompakte Single Sensor Technologie, die photometrische Stereo- und Lichtfeld-Bildgebung vereint. Der Sensorkopf besteht dabei aus einer schnellen Flächenkamera, einem Objektiv und typischerweise zwischen vier bis sechs Beleuchtungen. Das System nutzt die natürliche Transportbewegung des Objekts für die simultane Erfassung unter verschiedenen Betrachtungs- und Beleuchtungsrichtungen. Während sich das Objekt unter der Kamera vorbei bewegt, wird eine Bildsequenz aufgenommen, die das Objekt aus unterschiedlichen Betrachtungs- und Beleuchtungsrichtungen zeigt. Auf diese Weise kombiniert ICI Lichtfeld (LF) und Photometrie (PS) in einer Lösung. Die 3D-Algorithmen berechnen neben einer präzisen 3D-Rekonstruktion des Objektes auch optimierte 2D-Bilder wie HDR-, All-in-focus-, Hellfeld-, Dunkelfeld-, Glanzreduktion- und Schattenreduktionsbilder und liefert somit nicht nur 3D-Daten sondern auch pixelrektifizierte, hochwertige Farbbilder. Seine Stärke zeigt das System dort am Besten, wo höchste Genauigkeits- und Geschwindigkeitsanforderungen mit der Prüfung von komplexen Geometrien und herausfordernden Oberflächeneigenschaften zusammentreffen wie z.B. in der Elektronikfertigung, für metallische Oberflächen und im Verpackungs- und Sicherheitsdruck.
Samplingraten bis 700nm
Bis vor kurzem war ICI auf die Prüfung von makroskopischen Merkmalen größer als 15µm/Pixel beschränkt. Die aktuelle Weiterentwicklung ermöglicht nun den Einsatz für die Inline-3D-Mikroskopie. ici:microscopy überwindet die bisherigen Einschränkungen und ermöglicht den Einsatz bis laterale Samplingraten von 700nm (x/y) bei 1µm Tiefenrauschen (z), 160µm Tiefenmessbereich und Scangeschwindigkeiten bis zu 12 mm/s. Während herkömmliche mikroskopische Inspektionssysteme telezentrische Projektionsoptiken verwenden, um Parallaxeneffekte zu vermeiden, nutzen die 3D-Algorithmen diese Effekte für die schnelle und präzise Inline-3D-Rekonstruktion. Das Sensorsetup verwendet daher ein um eine zusätzliche Blende erweitertes, telezentrisches Standardobjektiv. Die dadurch ermöglichte hyperzentrische Projektion führt zu einem Parallaxeneffekt, der von der Tiefenposition der beobachteten Struktur abhängt. Öffnung und Position der zusätzlichen Blende bestimmen die erzielbare laterale Tiefenauflösung. Dies ermöglicht eine anwendungsspezifische Anpassung ohne Tausch optischer Komponenten.
60 Millionen 3D-Punkte/Sekunde
Mit ici:microscopy können hochauflösende 3D-Oberflächenmodelle von bewegten Objekten erfasst werden. Das besondere dabei ist, dass die Aufnahme von 3D-Informationen der Objekte während einer kontinuierlichen Bewegung erfolgt. Dabei können Scangeschwindigkeiten von bis zu 12mm/s bei einer lateralen Abtastung von 700nm/Pixel und einem Tiefenrauschen von 1µm erreicht werden. Mit bis zu 60 Millionen 3D-Punkten/Sekunde (2D Bildinformation und 3D Tiefeninformation simultan) ist ici:microscopy wesentlich schneller als andere vergleichbare 3D-Mikroskopieverfahren mit vergleichbarem Punkt-zu-Punkt Abstand. Durch den schnellen Scanvorgang können trotz der hohen optischen Auflösung niedrige Taktzeiten erreicht werden. Anwendungsfelder sind zum Beispiel die Inspektion von taktilen Merkmalen (3D Strukturen) auf Sicherheitsdokumenten wie z.B. Banknoten oder Medikamentenverpackungen (Braille-code), mikrostrukturierte metallische Oberflächen wie z.B. Druckplatten, oder Elektronikkomponenten, wie z.B. Ball Grid Arrays (BGAs).
Sicherheitsdruck auf Verpackungen
Sicherheitsdokumente wie zum Beispiel Banknoten oder Reisepässe werden unter höchsten Qualitätsstandards produziert und verwenden Tiefdruckelemente als Sicherheitsmerkmale. Sie werden mit hohem Druck aufgebracht und erzeugt einen haptisch spürbaren 3D Effekt, ähnlich einer Prägung. ici:microscopy ermöglicht die inline-Prüfung der 3D-Struktur solcher Tiefdruckelemente. Bild 1 zeigt am Beispiel einer von der OeBS zu Verfügung gestellten Klimt-Test-Banknote erzielbare Ergebnisse. Die Test-Banknote weist unterschiedliche Sicherheitsmerkmale auf. Der Tiefdruck um das Klimt Auge wurde in einer Fläche von ca. 8x6mm aufgenommen. Die Höhe des Tiefdrucks im Augapfel konnte mit 57µm gemessen werden.
Hochglänzende metallische Oberflächen
Metallisch glänzende Oberflächen sind für die automatisierte optische Inspektion eine große Herausforderung. Dies trifft auch auf die Inspektion von hochglanzpolierten und laserstrukturierten Druckplatten für die Banknotenproduktion zu. Bild 2 zeigt die 3D-Rekonstruktion einer metallisch hochglänzenden laserstrukturierten Druckplatte mit Laserschnitten zwischen 350 und 25m Tiefe. Trotz minimaler Textur ist die Tiefenstruktur gut rekonstruiert. Für die Messung des Tiefen-Profils wurde der 100m-Laserschnitt ausgewählt. In Bild 3 unten ist das Detail des 100m-Schnitts mit dem korrespondierenden Tiefenprofil (rote Linie) zu sehen.
Ball Grid Array (BGA)
Bei der Fertigung von Ball Grid Arrays ist die exakte Position und die Höhe der Balls (Lötkugeln) qualitätsrelevant. Dabei muss sichergestellt werden, dass alle Balls im richtigen Raster angeordnet sind und exakt die gleiche Höhe haben. Eventuelle Schmutzpartikel sollen zusätzlich erkannt werden. Mit ici:microscopy kann die Kugelstruktur der Balls gut rekonstruiert werden und sowohl der Abstand als auch die Höhe der Balls exakt ermittelt werden.
