WO2001088473A1 - Inspection of a three-dimensional surface structure and the calibration of its resolution (solder paste deposit) using a camera, an optical sensor and an independent calibration mark - Google Patents

Inspection of a three-dimensional surface structure and the calibration of its resolution (solder paste deposit) using a camera, an optical sensor and an independent calibration mark Download PDF

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Abstract

The invention relates to a device for inspecting a three-dimensional surface structure and to a calibration method using a camera (8) for recording a two-dimensional image and an optical sensor (7) for the three-dimensional measuring of a characteristic to be inspected. The camera (8) and optical sensor (7) are integrated in a sensor unit (6). A calibration mark (16), which is fixed to the inspection device independently of the test specimen (3) is used to calibrate the position and/or resolution of the camera (8) and of the optical sensor (7). This allows a programme-controlled calibration without having to reset the test specimen or inspection device.

Description

Beschreibung description
INSPEKTION EINER DREIDIMENSIONALEN OBERFL CHENSTRUKTUR SOWIE KALIBRIERUNG DERINSPECTION OF A THREE DIMENSIONAL SURFACE STRUCTURE AND CALIBRATION OF THE
AUFLÖSUNG (LOTPASTENAUFTRAG) MIT KAMERA UND OPTISCHEM SENSOR SOWIE UNABHÄNGIGERRESOLUTION (SOLDER PASTE APPLICATION) WITH CAMERA AND OPTICAL SENSOR AND INDEPENDENT
KALIBRIERMARKEcalibration mark
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur eines im wesentlichen ebenen Prüflings nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie 0 ein Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Inspektionseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.The invention relates to a device for the inspection of a three-dimensional surface structure of an essentially flat test object according to the preamble of claim 1 and to a method for calibrating such an inspection device according to the preamble of claim 4.
Aus der US-PS 5 751 910 ist bereits eine Inspektionseinrichtung für den Lotpastenauftrag auf Leiterplatten bekannt, bei 5 welcher mit einer CCD-Kamera aufgenommene Bilder verarbeitet werden. Leiterplatten für oberflächenmontierbare Bauelemente, sogenannte Leiterplatten in Surface Mount Technology (SMT) , werden in großen Stückzahlen und vielen Varianten produziert. Die oberflächen ontierbaren Bauelemente werden auf der 0 Leiterplatte durch Verlöten ihrer Anschlüsse auf metallisierten Flächen, sogenannten Pads, mechanisch gehalten und elektrisch mit Leiterzügen auf der Leiterplatte verbunden. Dazu ist auf der Leiterplatte ein Muster von metallischen Pads vorgesehen, das zur Lage der Anschlüsse des Bauelements kor- 5 respondiert. Mit einem Siebdruckverfahren wird auf die Pads Lotpaste aufgetragen. Danach wird das oberflächenmontierbare Bauelement auf die Leiterplatte bestückt. Zunächst wird das Bauelement durch die Klebeeigenschaft der Lotpaste auf der Leiterplatte gehalten. Nach einem anschließenden Erhitzen der 0 bestückten Leiterplatte sind die Anschlüsse des Bauelements mit den Pads fest verlötet.From US Pat. No. 5,751,910 an inspection device for the application of solder paste on printed circuit boards is already known, in which the images recorded with a CCD camera are processed. Printed circuit boards for surface-mountable components, so-called printed circuit boards in surface mount technology (SMT), are produced in large quantities and in many variants. The components that can be surface connected are mechanically held on the circuit board by soldering their connections to metallized surfaces, so-called pads, and electrically connected to conductor tracks on the circuit board. For this purpose, a pattern of metallic pads is provided on the circuit board, which corresponds to the position of the connections of the component. Solder paste is applied to the pads using a screen printing process. The surface-mountable component is then fitted onto the circuit board. First, the component is held on the circuit board by the adhesive properties of the solder paste. After a subsequent heating of the printed circuit board, the connections of the component are soldered to the pads.
In der Aufbautechnik ist ein Trend zu immer höherer Integration der Bauelemente mit einer wachsenden Anzahl von An- 5 Schlüssen je Bauelementegehäuse erkennbar. Im sogenanntenA trend towards ever increasing integration of components with a growing number of connections per component housing can be seen in assembly technology. In the so-called
Fine-Pitch-Bereich beträgt der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Anschlüssen eines Bauelements etwa l/40stel Zoll. Damit werden auch die Pads auf den Leiterplatten kleiner und dichter. Etwa 80 % der Lötfehler werden im Fine- Pitch-Bereich durch den Lotpastendruck verursacht. Beispiele für derartige Fehler sind ein zu geringer Lotpastenauftrag oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pads durch ungenaue Plazierung der Schablone beim Lotpastendruck. Um diese Fehler zu finden und Schwachstellen im Fertigungsprozeß aufzudecken, wird nach dem Lotpastenauftrag eine optische Inspektion der Leiterplatte vorgenommen. Dazu ist in dem obengenannten ame- rikanischen Patent eine Einrichtung mit einer Kamera zur Aufnahme eines Bildes eines zu inspizierenden Lotdepots beschrieben. Mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks werden aus dem bei Schrägbeleuchtung und Kreuzpolarisation des Lichts aufgenommenen zweidimensionalen Bild dreidimensionale Merk- male des Lotdepots extrahiert.Fine pitch range, the distance between two adjacent connections of a component is about 1 / 40th Inch. This also makes the pads on the printed circuit boards smaller and denser. About 80% of the soldering errors in the fine pitch area are caused by the solder paste printing. Examples of such errors are insufficient solder paste application or short circuits between adjacent pads due to inaccurate placement of the stencil during solder paste printing. In order to find these defects and to identify weaknesses in the manufacturing process, an optical inspection of the circuit board is carried out after the solder paste application. For this purpose, the above-mentioned American patent describes a device with a camera for taking an image of a solder deposit to be inspected. With the help of a neural network, three-dimensional features of the solder deposit are extracted from the two-dimensional image recorded during inclined lighting and cross-polarization of the light.
Um die Lage der Lotdepots aus den Bildern berechnen zu können, muß zuvor die Lage der Leiterplatte in der Inspektionseinrichtung erfaßt werden. Dazu wird die Kamera mit einer Positioniereinrichtung nacheinander über zwei Justiermarken gefahren. Die Justiermarken können beispielsweise als runde metallische Pads oder als aufgedruckte Kreuzmarken ausgeführt sein. Zweckmäßigerweise sind sie im Bereich der Ecken der Leiterplatte angeordnet. Die mit der Kamera aufgenommenen Bilder der Marken werden in einem Rechner mit einem geeigneten Bildauswerteprogramm ausgewertet und die Lage der Marken berechnet. Aus der Lage der Marken werden Informationen über eine eventuelle Verschiebung oder Drehung der Leiterplatte gewonnen. Anhand dieser Informationen kann die Kamera über der gewünschten Gruppe von Lotpastendepots, die beispielsweise zu den Anschlüssen eines Bauelements korrespondiert, positioniert und ein Bild zur weiteren Beurteilung der Qualität des Lotpastenauftrags aufgenommen werden.In order to be able to calculate the position of the solder deposits from the images, the position of the printed circuit board must first be recorded in the inspection device. For this purpose, the camera is moved with a positioning device in succession over two alignment marks. The alignment marks can be designed, for example, as round metallic pads or as printed cross marks. They are expediently arranged in the region of the corners of the printed circuit board. The images of the marks recorded with the camera are evaluated in a computer with a suitable image evaluation program and the position of the marks is calculated. Information about a possible shift or rotation of the circuit board is obtained from the position of the marks. On the basis of this information, the camera can be positioned over the desired group of solder paste depots, which corresponds, for example, to the connections of a component, and an image can be recorded for further assessment of the quality of the solder paste application.
Das zweidimensionale Bildverarbeitungsverfahren hat jedoch den Nachteil, daß insbesondere Abweichungen der Höhe der Lotdepots von einem vorgegebenen Sollwert nur ungenau er- mittelt werden können. Dadurch kann es vorkommen, daß beispielsweise bei einem zu niedrigen Lotpastenauftrag ein Anschluß eines Bauelements nicht auf der Lotpaste aufliegt und beim anschließenden Lötvorgang keine elektrische Ver- bindung zwischen Bauelementeanschluß und Pad auf der Leiterplatte hergestellt wird.However, the two-dimensional image processing method has the disadvantage that, in particular, deviations in the height of the solder deposits from a predetermined target value are only inaccurately can be averaged. This can result in a connection of a component not resting on the solder paste, for example if the solder paste application is too low, and in the subsequent soldering process no electrical connection between the component connection and the pad on the printed circuit board being established.
Aus der DE 196 08 468 C2 ist ein optischer Sensor zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächen bekannt. Der dort beschriebene optische Sensor, der als Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip arbeitet, ermöglicht eine automatische Oberflächenprüfung mit hoher Datenrate bei geringen Systemkosten. Bezüglich des Aufbaus und weiterer Vorteile des bekannten optischen Sensors wird auf die oben angegebene deutsche Patentschrift verwiesen.An optical sensor for three-dimensional detection of surfaces is known from DE 196 08 468 C2. The optical sensor described there, which works as a distance sensor based on the confocal optical imaging principle, enables automatic surface inspection with a high data rate at low system costs. With regard to the structure and further advantages of the known optical sensor, reference is made to the above-mentioned German patent.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur zu schaffen sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer derarti- gen Inspektionseinrichtung zu finden, durch welche die Genauigkeit der Vermessung der dreidimensionalen Oberflächenstruktur weiter verbessert wird.The object of the invention is to create a device for inspecting a three-dimensional surface structure and to find a method for calibrating such an inspection device, by means of which the accuracy of the measurement of the three-dimensional surface structure is further improved.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Das neue Verfahren zur Kalibrierung einer derartigen Inspektionseinrichtung umfaßt dazu die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 genannten Schritte. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.To achieve this object, the new device for inspecting a three-dimensional surface structure of the type mentioned at the outset has the features specified in the characterizing part of claim 1. To this end, the new method for calibrating such an inspection device comprises the steps mentioned in the characterizing part of claim 4. Advantageous developments of the invention are described in the dependent claims.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß Volumen und Lage des Lotpastenauftrags exakt vermessen werden können. Gerade im Fine- Pitch-Bereich ist das Lotvolumen eine sehr wichtige Prozeßkenngröße, mit deren Kenntnis systematische Prozeßschwächen eliminiert werden können. Über eine reine Gut/Schlecht-Aus- sage hinaus werden mit dem optischen Sensor Meßergebnisse über die geometrische Ausprägung des Lotpastenauftrags ermittelt. Diese Daten können direkt zur Prozeßverbesserung herangezogen werden und stellen damit einen hohen Nutzen für den Anwender dar. Eine fest mit der Inspektionseinrichtung verbundene Kalibriermarke hat den Vorteil, daß sie unabhängig vom jeweiligen Prüfling ist. Es werden somit durch die Kalibrierung keinerlei zusätzliche Anforderungen an die Beschaffenheit der Marken auf dem Prüfling gestellt, die bei- spielsweise auf Leiterplatten zur Bestimmung der Leiterplattenlage mit einer Kamera vorgesehen sind. Unverändert können somit zwei weiße Kreuze auf dem Leiterplattenmaterial mit der CCD-Kamera angefahren und die Position der Leiterplatte auf der Inspektionseinrichtung mittels üblicher Bild- auswertung vermessen werden. Mit jedem Umbau der Inspektionseinrichtung, beispielsweise einer Umrüstung auf einen neuen Leiterplattentyp als Prüfling, muß erneut eine Kalibrierung vorgenommen werden. Bei einer Kalibrierung mit Kalibriermarken auf der Leiterplatte müßte eine spezielle Leiterplatte als Kalibrierboard verwendet werden. Für jeden Kalibriervorgang der Inspektionseinrichtung müßte auf das Kalibrierboard umgerüstet werden, bevor ein manueller Kalibriervorgang mit manuellem Anfahren der Marken durchgeführt werden könnte. Dies wäre mit dem Nachteil eines erheblichen Zeit- und Kostenaufwands verbunden, der mit einer an der Inspektionseinrichtung fest angebrachten Kalibriermarke, die sich immer an derselben Stelle befindet und in jedem Fall automatisch angefahren werden kann, vermieden werden kann. Die Dauer eines Kalibriervorgangs beträgt lediglich etwa 10 s. Nach Abschluß des Kalibriervorgangs kann die relative Lage des optischen Sensors zur Kamera exakt berechnet werden. Somit ist nicht nur die Kamera nach Vermessen von Justiermarken auf dem Prüfling exakt über den zu inspizierenden Merkmalen positionierbar, sondern auch der optische Sensor.The invention has the advantage that the volume and position of the solder paste application can be measured exactly. In the fine pitch area in particular, the solder volume is a very important process parameter, with the knowledge of which systematic process weaknesses can be eliminated. About a pure good / bad off In addition, measurement results are determined with the optical sensor on the geometric shape of the solder paste application. This data can be used directly for process improvement and is therefore of great benefit to the user. A calibration mark that is permanently connected to the inspection device has the advantage that it is independent of the test object. The calibration therefore does not impose any additional requirements on the quality of the marks on the test object, which are provided for example on printed circuit boards for determining the printed circuit board position with a camera. As before, two white crosses on the circuit board material can be approached with the CCD camera and the position of the circuit board on the inspection device can be measured using standard image analysis. With each conversion of the inspection device, for example a conversion to a new type of circuit board as a test object, a calibration must be carried out again. When calibrating with calibration marks on the circuit board, a special circuit board would have to be used as a calibration board. For each calibration process of the inspection device, the calibration board would have to be converted before a manual calibration process with manual approach to the marks could be carried out. This would be associated with the disadvantage of a considerable expenditure of time and money, which can be avoided with a calibration mark which is permanently attached to the inspection device and which is always in the same place and can in any case be approached automatically. The duration of a calibration process is only about 10 s. After completing the calibration process, the relative position of the optical sensor to the camera can be calculated exactly. Thus, not only can the camera be positioned exactly over the features to be inspected after measuring alignment marks on the test object, but also the optical sensor.
Da die Kalibriermarke fest mit der Inspektionseinrichtung verbunden ist, ändert sich ihre Lage bei einem Wechsel des Prüflings oder einer Umrüstung auf einen anderen Prüfling nicht. Die Marke kann somit in jedem Fall automatisch angefahren werden und die einzelnen Schritte der Kalibrierung können mit Hilfe eines Steuerrechners automatisch durchgeführt werden, der mit einer Bildauswertungssoftware die Bildsignale der CCD-Kamera und des optischen Sensors auswertet. Derselbe Steuerrechner kann zugleich zur Ansteuerung der Verfahrachsen einer Positioniereinrichtung verwendet werden.Since the calibration mark is firmly connected to the inspection device, its position changes when the DUT or a conversion to another DUT not. The mark can thus be approached automatically in any case and the individual steps of the calibration can be carried out automatically with the aid of a control computer which evaluates the image signals of the CCD camera and the optical sensor using image evaluation software. The same control computer can also be used to control the travel axes of a positioning device.
Bei einer grob bekannten Auflösung der CCD-Kamera müssen die Justiermarken auf einer Leiterplatte als Prüfling lediglich im Bildbereich erfaßt werden. Aus dem Versatz im aufgenommenen Bild und der Auflösung des Bildes kann die Lage der Mar- ken im Koordinatensystem der Inspektionseinrichtung berechnet werden.In the case of a roughly known resolution of the CCD camera, the alignment marks on a printed circuit board as a test object only have to be recorded in the image area. The position of the marks in the coordinate system of the inspection device can be calculated from the offset in the recorded image and the resolution of the image.
Ist die fest mit der Inspektionseinrichtung verbundene Kalibriermarke derart beschaffen, daß sie sowohl einen Kontrast im Grauwertbild der Kamera als auch im Höhenbild des optischen Sensors liefert, so genügt in vorteilhafter Weise nur eine Marke zur Kalibrierung beider Aufnähmesysteme . Zudem kann aufgrund der Verwendung nur einer Marke für beide Aufnahmesysteme die relative Lage des optischen Sensors zur Kamera exakt vermessen werden. Gegenüber einer getrennten Vermessung mit verschiedenen Marken wird in vorteilhafter Weise eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Ungenauig- keiten der relativen Lage der Marken zueinander vermieden.If the calibration mark, which is firmly connected to the inspection device, is such that it provides both a contrast in the gray-scale image of the camera and in the height image of the optical sensor, then advantageously only one mark is sufficient to calibrate both recording systems. In addition, due to the use of only one mark for both recording systems, the relative position of the optical sensor to the camera can be measured exactly. Compared to a separate measurement with different marks, falsification of the measurement result due to inaccuracies in the relative position of the marks to one another is advantageously avoided.
Eine Kalibriermarke, die als ein auf einer Ebene stehender Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Grundfläche im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prüflings ausgerichtet ist und dessen obere Kreisfläche derart behandelt ist, daß sich ihr Grauwert wesentlich vom Grauwert der Ebene unterscheidet, hat den Vorteil, daß sie mit wenig Aufwand herstellbar ist und ein einfaches Formenprimitiv darstellt, das zur Vermessung mit wenig Rechenaufwand mit einem abgespeicherten Modell korrelierbar ist und aufgrund der kontrastreichen Kanten eine genaue Vermessung sowohl durch die CCD-Kamera als auch durch den optischen Sensor erlaubt.A calibration mark, which is designed as a circular cylinder standing on a plane, the base of which is aligned essentially parallel to the surface of the test specimen and the upper circular surface of which is treated in such a way that its gray value differs significantly from the gray value of the plane, has the advantage that it can be produced with little effort and represents a simple shape primitive, which can be measured with little computing effort using a stored model is correlated and, because of the contrasting edges, allows precise measurement both by the CCD camera and by the optical sensor.
Eine zusätzliche Verbesserung der Genauigkeit in der Vermessung der Auflösung von CCD-Kamera und optischem Sensor kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, indem jeweils zumindest zwei Bilder aufgenommen werden, wobei die jeweiligen Aufnahmepositionen in einer zur Ebene des Prüflings paralle- len Ebene zueinander versetzt sind. Anhand des Versatzes der Bilder der Kalibriermarke wird die Auflösung der CCD-Kamera bzw. des optischen Sensors exakt berechnet.An additional improvement in the accuracy in the measurement of the resolution of the CCD camera and the optical sensor can advantageously be achieved by taking at least two images each time, the respective recording positions being offset from one another in a plane parallel to the plane of the test object. The resolution of the CCD camera or the optical sensor is calculated exactly on the basis of the offset of the images of the calibration mark.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Based on the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and embodiments and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Inspektions- einrichtung,FIG. 1 shows a basic illustration of an inspection device,
Figur 2 eine Draufsicht auf den Arbeitsbereich einer Inspektionseinrichtung,FIG. 2 shows a plan view of the working area of an inspection device,
Figuren 3A und 3B Bilder der CCD-Kamera zur Ermittlung derFigures 3A and 3B images of the CCD camera to determine the
Auflösungen in X- und Y-Richtung, Figuren 4A und 4B Bilder des optischen Sensors zur Ermittlung der Auflösung in X-Richtung undResolutions in the X and Y directions, FIGS. 4A and 4B images of the optical sensor for determining the resolution in the X direction and
Figuren 5A und 5B Bilder des optischen Sensors zur Ermittlung der Auflösung in Y-Richtung.Figures 5A and 5B images of the optical sensor for determining the resolution in the Y direction.
In Figur 1 ist eine Inspektionseinrichtung zur optischenIn Figure 1 is an inspection device for optical
Prüfung von Leiterplatten dargestellt, die in eine Leiterplattenfertigungslinie eingegliedert werden kann. Die un- geprüften Leiterplatten werden der Inspektionseinrichtung mit einem Transportband 1 zugeführt. Mit einem abkippbaren Stop- per 2, dessen verdeckte Teile mit durchbrochenen Linien gezeichnet sind, wird die jeweils zu inspizierende Leiterplatte in einer Inspektionsposition gehalten. Nach erfolgter Inspek- (-0 CO t to P1 1 Testing of printed circuit boards shown, which can be integrated into a printed circuit board production line. The unchecked circuit boards are fed to the inspection device with a conveyor belt 1. The circuit board to be inspected is held in an inspection position with a tiltable stopper 2, the hidden parts of which are drawn with broken lines. After the inspection (-0 CO t to P 1 1
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Arbeitssegments 24 befindet sich ein Nutzen 25, auf welchem in Figur 2 nicht näher dargestellte Leiterplatten als Prüflinge angeordnet sind. Ein Nutzenkoordinatensystem mit Achsen XN und YN, die ebenfalls als Pfeile markiert sind, wird durch die Lage des Layouts der Leiterplatte auf dem Nutzen definiert. Das Nutzenkoordinatensystem ist gegenüber dem Maschinenkoordinatensystem in der Lage verschoben. Der Offset des Nutzens hat die Koordinaten XMO und YMO . Mit der Breite Di ensionX und der Länge DimensionY des Nutzens können die Nutzenkoordinaten XN und YN eines Punktes P mit den folgenden Formeln in Maschinenkoordinaten umgerechnet werden:Working segment 24 is a panel 25 on which circuit boards, not shown in FIG. 2, are arranged as test specimens. A panel coordinate system with axes XN and YN, which are also marked as arrows, is defined by the position of the layout of the circuit board on the panel. The user coordinate system is shifted in position with respect to the machine coordinate system. The offset of the panel has the coordinates XMO and YMO. With the width dimension X and the length dimension Y of the panel, the panel coordinates XN and YN of a point P can be converted into machine coordinates using the following formulas:
XM = DimensionX - XN + XMO und YM = YN + YMO.XM = DimensionX - XN + XMO and YM = YN + YMO.
Mit einer in Figur 2 nicht dargestellten Positioniereinrichtung wird die Sensoreinheit 21 in der Inspektionseinrichtung in Richtung der Achse XM, der Nutzen 25 in Richtung der Achse YM verschoben. Insgesamt kann somit die Sensoreinheit 21 in X- und Y-Richtung relativ zum Nutzen 25 positioniert werden. In der in Figur 2 dargestellten Momentaufnahme befindet sich der optische Sensor 22 gerade über einer Kalibriermarke 27. Wenn die Kalibriermarke 27 exakt im Bild des optischen Sensors 22 zentriert ist, werden die Koordinaten SensPosX und SensPosY ermittelt. Die Umrechnung der Maschinenkoordinaten XM und YM in die Achsenkoordinaten X-Achse und Y-Achse der Positioniereinrichtung erfolgt nach den Formeln:With a positioning device, not shown in FIG. 2, the sensor unit 21 in the inspection device is moved in the direction of the axis XM, the panel 25 in the direction of the axis YM. Overall, the sensor unit 21 can thus be positioned relative to the panel 25 in the X and Y directions. In the snapshot shown in FIG. 2, the optical sensor 22 is just above a calibration mark 27. If the calibration mark 27 is exactly centered in the image of the optical sensor 22, the coordinates SensPosX and SensPosY are determined. The machine coordinates XM and YM are converted into the axis coordinates X-axis and Y-axis of the positioning device according to the formulas:
X-Achse = XM + SensposX = DimensionX - XN + XMO + SensposX undX axis = XM + SensposX = DimensionX - XN + XMO + SensposX and
Y-Achse = SensposY - YM = SensposY - YN - YMO.Y axis = SensposY - YM = SensposY - YN - YMO.
In entsprechender Weise wird die Kamera 23 über der Kalibriermarke 27 positioniert. Koordinaten CamPosX und CamPosY der Kamera 23 bei zentriertem Bild der Kalibriermarke 27 und die jeweiligen Umrechnungsformeln zur Umrechnung in die co CO to to P1 P1 The camera 23 is positioned over the calibration mark 27 in a corresponding manner. Coordinates CamPosX and CamPosY of the camera 23 with a centered image of the calibration mark 27 and the respective conversion formulas for the conversion into the co CO to to P 1 P 1
Cπ O Cπ o Cπ o cπ w P^ P >Cπ O Cπ o Cπ o cπ w P ^ P>
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1
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Cπ o Cπ o Cπ o CπCπ o Cπ o Cπ o Cπ
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03 H P Hi P i-i ιq • rt Cd yQ PL φ d P. φ Φ P P TJ w PL V PL P1 P Φ i-i l-i03 HP Hi P ii ιq • rt Cd yQ PL φ d P. φ Φ PP TJ w PL V PL P 1 P Φ ii li
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Φ o Φ l-i Φ rt Φ J P CS3 P Φ i-i 01 Ω PL 3 < φ 03 P 3 ι-i p- 03 er 01 er PΦ o Φ l-i Φ rt Φ J P CS3 P Φ i-i 01 Ω PL 3 <φ 03 P 3 ι-i p- 03 er 01 er P
P- TJ rt P P- rr P PL PL ä H o tr P- <! φ O φ P P- 01 Φ rt H ιq P- 03 ι üP- TJ rt P P- rr P PL PL ä H o tr P- <! φ O φ P P- 01 Φ rt H ιq P- 03 ι ü
03 N N O Z * P- Φ Φ p O i-i φ ro 01 O 1-1 rt J H -i O P- φ O φ P03 N N O Z * P- Φ Φ p O i-i φ ro 01 O 1-1 rt J H -i O P- φ O φ P
Φ P rt d 13 φ tr 03 ro Φ 03 H PL O P l-i 03 α 3 P P- P- P d < J Φ er PL Z l N d H g l-i P Ω ι-i 3 P < φ ö ~j φ P 1 d 1 φ O N 1 Φ rt H P- o dΦ P rt d 13 φ tr 03 ro Φ 03 H PL OP li 03 α 3 P P- P- P d <J Φ er PL Z l N d H g li P Ω ι-i 3 P <φ ö ~ j φ P 1 d 1 φ ON 1 Φ rt H P- or
03 Φ PL Hi tr Φ H 1 P 3 P 01 01 P P- 00 i-i P- 1 P1 PL tr 1 P φ rt Φ ι-i P- ιq oi P- Φ 1 1 PL Φ P P 1 P φ φ 1 φ 01 P 1 rt 03 Φ PL Hi tr Φ H 1 P 3 P 01 01 P P- 00 ii P- 1 P 1 PL tr 1 P φ rt Φ ι-i P- ιq oi P- Φ 1 1 PL Φ PP 1 P φ φ 1 φ 01 P 1 rt
durch die optischen Parameter des Sensors und die Geschwindigkeit der Achsen der Positioniereinrichtung bestimmt.determined by the optical parameters of the sensor and the speed of the axes of the positioning device.
Die Auswertung der mit dem optischen Sensor 7 und der CCD- Kamera 8 aufgenommenen Bilder kann durch Korrelation mit einem vorher definierten Muster der Kalibriermarke 16 erfolgen. Dieses Muster kann beispielsweise programmtechnisch erstellt oder mit einer Bildverarbeitungssoftware aus einem zuvor aufgenommenen Bild erzeugt werden. Das Muster wird in einer Datei im Speicher des Steuerrechners 14 hinterlegt, damit es während der Kalibrierung X/Y für die Bildaus- wertungssoftware zur Verfügung steht. Eine Bedieneinheit 29 ist zur Vornahme der zur Kalibrierung X/Y erforderlichen Bedieneingaben und zur Anzeige der Ergebnisse oder von Zu- ständen der Inspektionseinrichtung vorgesehen. Sie dient zudem zur Bedienung während des eigentlichen Inspektionsvorgangs .The images recorded with the optical sensor 7 and the CCD camera 8 can be evaluated by correlation with a previously defined pattern of the calibration mark 16. This pattern can be created, for example, in terms of program technology or can be generated from a previously recorded image using image processing software. The pattern is stored in a file in the memory of the control computer 14 so that it is available to the image evaluation software during the X / Y calibration. An operating unit 29 is provided for making the operating inputs required for calibration X / Y and for displaying the results or the status of the inspection device. It is also used for operation during the actual inspection process.
Wenn das Programm Kalibrierung X/Y gestartet wurde, werden zunächst durch die CCD-Kamera 8 zwei Bilder der Kalibriermarke 16 an verschiedenen Positionen aufgenommen. Die Figuren 3A und 3B zeigen Prinzipdarstellungen der aufgenommenen Bilder. Ein Kreis 31 bzw. 32 markiert jeweils die Lage der Kalibriermarke 16 im Bild 3A bzw. 3B . In den Figuren 3A und 3B sind zusätzlich die Achsen XM und YM des Maschinenkoordinatensystems eingezeichnet. Die Lage des Bildmittelpunkts befindet sich in Figur 3A an den Maschinenkoordinaten (XMPl, YMP1), in Figur 3B an den Maschinenkoordinaten (XMP2, YMP2). Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibriermarke 16 befindet sich in Figur 3A an den Koordinaten XI', Yl ' eines Bildkoordinatensystems mit den Achsen X' und Y', in Figur 3B an den Koordinaten X2 ' , Y2 ' . Die Lage des Mittelpunkts kann in einfacher Weise mit einer geeigneten Bildauswertungssoftware ermittelt werden. Die Skala der Achsen X' und Y' entspricht der Anzahl der Pixel des Bildes. Aus den so ermitteltenWhen the calibration X / Y program has been started, the CCD camera 8 first records two images of the calibration mark 16 at different positions. FIGS. 3A and 3B show basic representations of the images taken. A circle 31 and 32 respectively marks the position of the calibration mark 16 in FIGS. 3A and 3B. The axes XM and YM of the machine coordinate system are additionally shown in FIGS. 3A and 3B. The position of the center of the image is in Figure 3A on the machine coordinates (XMP1, YMP1), in Figure 3B on the machine coordinates (XMP2, YMP2). The center of the image of the calibration mark 16 is located in FIG. 3A at the coordinates XI ', Yl' of an image coordinate system with the axes X 'and Y', in FIG. 3B at the coordinates X2 ', Y2'. The position of the center point can be determined in a simple manner using suitable image evaluation software. The scale of the axes X 'and Y' corresponds to the number of pixels in the image. From the so determined
Werten können in einfacher Weise mit hoher Genauigkeit eine Pixelauflösung CamPX in Richtung der X-Achse und eine Pixel- auflösung Ca PY in Richtung der Y-Achse nach den folgenden Formeln ermittelt werden :Values can be easily and with high accuracy a pixel resolution CamPX in the direction of the X axis and a pixel resolution Ca PY in the direction of the Y axis can be determined using the following formulas:
XMP1 - XMP2 XMP1 - XMP2
CamPX ≡CamPX ≡
X2'-XVX2'-XV
undand
YMP1 - YMP2YMP1 - YMP2
CamPY =CamPY =
72'- YV72'- YV
Damit können zudem die Koordinaten des Bildmittelpunkts der CCD-Kamera 8 berechnet werden zu:The coordinates of the center of the image of the CCD camera 8 can also be calculated with this:
CamPosX = XMP1 + CamPX (XMAX'/2 - XI') und CamPosY = YMP1 + CamPY (Ylf - YMAX'/2).CamPosX = XMP1 + CamPX (XMAX '/ 2 - XI') and CamPosY = YMP1 + CamPY (Yl f - YMAX '/ 2).
Die Werte XMAX ' und YMAX' stellen die Gesamtzahl der Pixel in Richtung der X'- bzw. der Y' -Achse dar.The values XMAX 'and YMAX' represent the total number of pixels in the direction of the X 'and Y' axes.
Anschließend wird der optische Sensor 7 über der Kalibriermarke 16 positioniert und mit einem ersten Scan-Bereich in X- Richtung gescannt, so daß ein Höhenbild aufgenommen wird, wie es in Figur 4A dargestellt ist. Über einen zweiten Scan- Bereich in X-Richtung wird das Bild gemäß Figur 4B mit dem optischen Sensor 7 aufgenommen. In den Figuren 4A und 4B sind jeweils Achsen XM und YM des Maschinenkoordinatensystems und Achsen X'1 und Y'τ des Koordinatensystems des optischen Sen- sors 7 eingezeichnet. Der Mittelpunkt des aufgenommenen Bildes der Kalibriermarke 16 befindet sich in Figur 4A an der Maschinenkoordinate XM1, in Figur 4B an der Maschinenkoordinate XM2. Die beiden Werte XM1 und XM2 stimmen selbstverständlich überein, da sich die Lage der Kalibriermarke 16 innerhalb der Inspektionseinrichtung im Zeitraum zwischen der Aufnahme der beiden Bilder nicht verändert hat. In Figur 4A liegt der Ursprung des Bildkoordinatensystems auf der Maschinenkoordinate XMS1, in Figur 4B auf der Maschinen- koordinate XMS2. Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibriermarke 16 befindet sich in Figur 4A an der Koordinate Yl ' ' des Bildkoordinatensystems, in Figur 4B an der Koordinate Y2 ' ' . Mit diesen Werten wird eine Pixelauflösung SensPX des opti- sehen Sensors 7 in X-Richtung berechnet zu:The optical sensor 7 is then positioned over the calibration mark 16 and scanned with a first scan area in the X direction, so that a height image is recorded, as shown in FIG. 4A. The image according to FIG. 4B is recorded with the optical sensor 7 via a second scan area in the X direction. Axes XM and YM of the machine coordinate system and axes X ' 1 and Y' τ of the coordinate system of the optical sensor 7 are shown in FIGS. 4A and 4B. The center of the recorded image of the calibration mark 16 is located in FIG. 4A at the machine coordinate XM1, in FIG. 4B at the machine coordinate XM2. The two values XM1 and XM2 are, of course, the same, since the position of the calibration mark 16 within the inspection device has not changed in the period between the taking of the two images. In FIG. 4A the origin of the image coordinate system lies on the machine coordinate XMS1, in FIG. 4B on the machine coordinate coordinate XMS2. The center of the image of the calibration mark 16 is located in FIG. 4A at the coordinate Y1 ″ of the image coordinate system, in FIG. 4B at the coordinate Y2 ″. A pixel resolution SensPX of the optical sensor 7 in the X direction is calculated with these values:
_ n v XMS2 - XMS1_ Nv XMS2 - XMS1
SensPX = .SensPX =.
72" -71"72 "-71"
Die Figuren 5A und 5B zeigen mit dem optischen Sensor 7 aufgenommene Bilder für einen dritten bzw. einen vierten Scan- Bereich in Y-Richtung. Wiederum sind Achsen XM und YM des Maschinenkoordinatensystems und Achsen X' ' ' und Y'" des Bildkoordinatensystems des optischen Sensors 7 eingezeichnet. Der Ursprung des Bildkoordinatensystems liegt für den dritten Scan-Bereich auf der Y-Koordinate YMS3 des Maschinenkoordi- natensystems, für den vierten Scan-Bereich auf der Y-Koordinate YMS4. Der Mittelpunkt des Bildes der Kalibriermarke 16 liegt im Bildkoordinatensystem auf der Koordinate Y3 ' ' ' für den dritten Scan-Bereich in Figur 5A und auf der Koordinate Y4 ' ' ' für den vierten Scan-Bereich gemäß Figur 5B. Daraus wird eine Pixelauflösung SensPY ermittelt zu:FIGS. 5A and 5B show images recorded with the optical sensor 7 for a third and a fourth scan area in the Y direction. Axes XM and YM of the machine coordinate system and axes X '' 'and Y' "of the image coordinate system of the optical sensor 7 are again shown. The origin of the image coordinate system for the third scan area lies on the Y coordinate YMS3 of the machine coordinate system, for the fourth scan area on the Y coordinate YMS4. The center of the image of the calibration mark 16 lies in the image coordinate system on the coordinate Y3 "" for the third scan area in FIG. 5A and on the coordinate Y4 "" for the fourth scan 5B, from which a pixel resolution SensPY is determined to:
_ nv YMS3 - YMS4_ Nv YMS3 - YMS4
SensPY = .SensPY =.
74'"-73'"74 '' - 73 ''
Die Koordinaten SensPosX und SensPosY der theoretischen Mitte der Kalibriermarke 16 können beispielsweise berechnet werden zu:The coordinates SensPosX and SensPosY of the theoretical center of the calibration mark 16 can be calculated, for example:
SensPosX = XMSl - SensPX ■ YMAX''/2SensPosX = XMSl - SensPX ■ YMAX '' / 2
undand
SensPosY = YMS3 + SensPY ■ YMAX"' 12. Darin sind YMAX'' und YMAX' ' ' die maximale Pixelanzahl in Richtung der Y' '-Achse bzw. in Richtung der Y' ' '-Achse der Bildkoordinatensysteme .SensPosY = YMS3 + SensPY ■ YMAX "'12. In this, YMAX '' and YMAX '''are the maximum number of pixels in the direction of the Y''axis and in the direction of the Y''' axis of the image coordinate systems.
Auf der Anzeige der Bedieneinheit 29 werden schließlich die berechneten Werte der Größen CamPosX, CamPosY, SensPosX, SensPosY, Ca PX, CamPY, SensPX, SensPY sowie ein Wert der Höhenauflösung und des Höhenmeßbereichs des optischen Sensors 7 numerisch ausgegeben.Finally, the calculated values of the variables CamPosX, CamPosY, SensPosX, SensPosY, Ca PX, CamPY, SensPX, SensPY and a value of the height resolution and the height measuring range of the optical sensor 7 are numerically output on the display of the control unit 29.
Alternativ zu den Mittenwerten CamPosX, CamPosY, SensPosX und SensPosY der aufgenommenen Bilder der Kalibriermarke 16 kann selbstverständlich in einfacher Weise jeweils die Lage des Ursprungs des Bildkoordinatensystems berechnet und angezeigt werden. As an alternative to the mean values CamPosX, CamPosY, SensPosX and SensPosY of the recorded images of the calibration mark 16, the position of the origin of the image coordinate system can of course be calculated and displayed in a simple manner.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zur Inspektion einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur eines im wesentlichen ebenen Prüflings (3) mit einer Kamera (8) zur Aufnahme eines zweidimensionalen1. Device for inspecting a three-dimensional surface structure of a substantially flat test object (3) with a camera (8) for recording a two-dimensional one
Bildes zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche, mit einer Positioniereinrichtung (9 ... 13) , mit welcher Kamera (8) und Prüfling (3) relativ zueinander positionierbar sind, dadurch ge ennzeichnet, daß zusätzlich ein optischer Sensor (7) zur dreidimensionalen Erfassung zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche des Prüflings (3) vorgesehen ist, daß der optische Sensor (7) und die Kamera (8) in einer Sensoreinheit (6) zusammengefaßt sind und daß eine unabhängig vom Prüfling (3) an der Inspektionseinrichtung befestigte Kalibriermarke (16) vorhanden ist, durch welche die Lage der Kamera (8) und des optischen Sensors (7) nach Aufnehmen eines Bildes bzw. nach Vermessen der Kalibriermarke (16) bestimmbar ist.Image of at least a partial area of the surface, with a positioning device (9 ... 13) with which the camera (8) and test specimen (3) can be positioned relative to one another, characterized in that at least one additional optical sensor (7) for three-dimensional detection a portion of the surface of the test object (3) is provided that the optical sensor (7) and the camera (8) are combined in one sensor unit (6) and that a calibration mark (16) attached to the inspection device independently of the test object (3) is present, by means of which the position of the camera (8) and the optical sensor (7) can be determined after taking an image or after measuring the calibration mark (16).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriermarke (16) derart beschaffen ist, daß sie sowohl einen Kontrast im Grauwertbild der Kamera (8) als auch im Höhenbild des optischen Sensors (7) liefert.2. Device according to claim 1, characterized in that the calibration mark (16) is such that it provides both a contrast in the gray scale image of the camera (8) and in the height image of the optical sensor (7).
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriermarke (16) als ein auf einer Ebene3. Device according to claim 2, characterized in that the calibration mark (16) as one on one level
(17) stehender Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Grundfläche im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prüflings (3) ausgerichtet ist und dessen obere Kreisfläche derart behandelt ist, daß sich ihr Grauwert wesentlich vom Grauwert der Ebene unterscheidet.(17) standing circular cylinder is formed, the base surface of which is aligned substantially parallel to the surface of the test specimen (3) and the upper circular surface is treated in such a way that its gray value differs significantly from the gray value of the plane.
4. Verfahren zur Kalibrierung einer Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge enn- z e i chne t , daß durch die Positioniereinheit (9 ... 13) die Kamera (8) über der Kalibriermarke (16) positioniert wird, daß mit der Kamera (8) zumindest ein zweidimensionales Bild der Kalibriermarke (16) aufgenommen wird, daß anhand des aufgenommenen Bildes der Kalibriermarke (16) Position (CamPosX, CamPosY) und Auflösung (CamPX, CamPY) der Kamera (8) berechnet werden, daß durch die Positioniereinrichtung (9 ... 13) der optische Sensor (7) über der Kalibriermarke (16) positioniert wird, daß mit dem optischen Sensor (7) zumindest ein dreidimensionales Bild der Kalibriermarke (16) aufgenommen wird und daß anhand des aufgenommenen Bildes des optischen Sensors (7) Position (SensPosX, SensPosY) und Auflösung (SensPX, SensPY) des optischen Sensors (7) berechnet werden.4. A method for calibrating an inspection device according to one of the preceding claims, characterized ge enn- zei chne t, that the camera (8) is positioned above the calibration mark (16) by the positioning unit (9 ... 13), that at least one two-dimensional image of the calibration mark (16) is recorded with the camera (8) that the Calibration mark (16) position (CamPosX, CamPosY) and resolution (CamPX, CamPY) of the camera (8) are calculated so that the positioning device (9 ... 13) positions the optical sensor (7) over the calibration mark (16) that at least one three-dimensional image of the calibration mark (16) is recorded with the optical sensor (7) and that the position (SensPosX, SensPosY) and resolution (SensPX, SensPY) of the optical sensor (7 ) be calculated.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kamera (8) und/oder dem optischen Sensor (7) jeweils zumindest zwei Bilder der Kalibriermarke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen jeweils in einer zur Ebene des Prüflings (3) parallelen Ebene zueinander versetzt sind, und daß anhand des Versatzes der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung '(CamPX, CamPY; SensPX, SensPY) der Kamera (8) bzw. des optischen Sensors (7) berechnet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that with the camera (8) and / or the optical sensor (7) in each case at least two images of the calibration mark (16) are recorded, the recording positions each in one to the plane of the test object (3rd ) parallel plane are offset from each other, and that the resolution ' (CamPX, CamPY; SensPX, SensPY) of the camera (8) or the optical sensor (7) is calculated on the basis of the offset of the images of the calibration mark (16).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kamera (8) zwei Bilder der Kalibriermarke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt sind, daß anhand der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung der Kamera (8) berechnet wird, daß mit dem optischen Sensor (7) zwei Bilder der Kalibriermarke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer ersten zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt sind, daß anhand der Bilder der Kalibriermarke (16) die Auflösung des optischen Sensors in der ersten Richtung berechnet wird, daß mit dem optischen Sensor (7) zwei Bilder der Kalibriermarke (16) aufgenommen werden, wobei die Aufnahmepositionen in einer zweiten zur Ebene des Prüflings (3) im wesentlichen parallelen, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung zueinander versetzt sind, und daß aus den Bildern des optischen Sensors die Auflösung des optischen Sensors in der zweiten Richtung berechnet wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that two images of the calibration mark (16) are recorded with the camera (8), the recording positions being offset from one another in a direction substantially parallel to the plane of the test specimen (3), based on the Images of the calibration mark (16) the resolution of the camera (8) is calculated so that two images of the calibration mark (16) are recorded with the optical sensor (7), the recording positions in a first being essentially parallel to the plane of the test specimen (3) Are offset towards each other, that the resolution of the optical sensor in the first direction is calculated on the basis of the images of the calibration mark (16), that two images of the calibration mark (16) are recorded with the optical sensor (7), the recording positions being in a second to the plane of the test object ( 3) are offset substantially parallel to each other, perpendicular to the first direction, and that the resolution of the optical sensor in the second direction is calculated from the images of the optical sensor.
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