Multi-Sensor-Prismenkameras optimieren die Multifeld-Inspektion
Koaxial-, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung machen unterschiedliche Oberflächenmerkmale sichtbar. Sequenzielle Aufnahmen begrenzen aber den Durchsatz und können zu Bildverschiebungen führen. In Kombination mit schmalbandigen LEDs ermöglicht eine prismenbasierte Multi-Sensor-Kamera die simultane, pixelgenau ausgerichtete Erfassung aller Beleuchtungskanäle bei gleichzeitig hoher Prüfgeschwindigkeit.
Gregers Potts, Manager Marketing Communications bei JAI
In vielen industriellen Bildverarbeitungsanwendungen ist es üblich, Objekte unter mehreren Beleuchtungswinkeln zu inspizieren, anstatt sich auf eine einzige Lichtquelle zu verlassen. Wir sprechen hier von Multifeld-Beleuchtung. Typische Beleuchtungsmethoden sind koaxiale Beleuchtungen, Hellfeldbeleuchtungen mit mittleren Einfallswinkeln sowie Dunkelfeldbeleuchtungen mit flachen Einfallswinkeln. Diese Beleuchtungstechniken werden eingesetzt, weil unterschiedliche Beleuchtungswinkel verschiedene optische Eigenschaften des Prüfobjekts sichtbar machen.
Typische Anwendungen der Multifeld-Bildinspektion: Elektronik- und Halbleiterinspektion
Inspektionssysteme mit mehreren Beleuchtungswinkeln kommen häufig in Industriezweigen zum Einsatz, in denen Produkte komplexe Oberflächen, reflektierende Materialien oder verschiedene Fehlertypen aufweisen, die unter einer einzigen Beleuchtungsbedingung nicht zuverlässig erkannt werden können. Typische Beispiele sind die Inspektion von Leiterplatten (PCB) sowie die Halbleiter- und Wafer-Prüfung. In diesen Anwendungen verbessert die Kombination aus koaxialer Beleuchtung, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung die Inspektionsqualität und die Fehlererkennungsleistung erheblich.
In automatischen optischen Inspektionssystemen (AOI) für Leiterplatten werden koaxiale Beleuchtungen typischerweise zur Prüfung von Lötpads, Beschriftungen und der Bauteilplatzierung eingesetzt. Hellfeldbeleuchtungen mit mittleren Winkeln verbessern die Darstellung der Geometrie von Lötstellen sowie von Höhenunterschieden. Dunkelfeldbeleuchtungen sind besonders effektiv bei der Erkennung von Lötperlen, Kratzern, Verunreinigungen und kleinen Oberflächenfehlern, die andernfalls verborgen bleiben könnten.
Auch bei der Halbleiter- und Wafer-Inspektion spielt die Beleuchtung aus mehreren Winkeln eine zentrale Rolle. Koaxiales Licht kann Schichtstrukturen und Unterschiede im Reflexionsverhalten sichtbar machen, während Hellfeldbeleuchtungen Kanten von Strukturen und die Oberflächentopologie hervorheben. Dunkelfeldbeleuchtungen sind unverzichtbar zur Erkennung von Partikeln, Mikrorissen und Polierfehlern auf stark reflektierenden Wafer-Oberflächen. Durch die Nutzung mehrerer Beleuchtungswinkel kann das Inspektionssystem ein breiteres Spektrum kritischer Defekte mit höherer Zuverlässigkeit erkennen.
Sequenzielle versus parallele Bildaufnahme
Bildverarbeitungssysteme, die Objekte unter mehreren Beleuchtungswinkeln inspizieren, können die Bilder entweder sequenziell oder parallel erfassen. Bei sequenziellen Systemen werden die Bilder nacheinander aufgenommen, während zwischen koaxialer, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung umgeschaltet wird oder nachdem das Objekt zur nächsten Beleuchtung weiterbewegt wurde. Bei parallelen Systemen sind alle Beleuchtungsarten gleichzeitig aktiv, und die verschiedenen Bildkanäle werden innerhalb des Systems optisch voneinander getrennt.
Sequenzielle Bildaufnahme mit Weißlichtbeleuchtung
Ein verbreiteter Ansatz für die Multifeld-Bildinspektion ist die sequenzielle Bildaufnahme mit einer einzelnen Kamera innerhalb einer Inspektionsstation. Dabei wird das Objekt angehalten oder nur langsam bewegt, während es nacheinander durch koaxiale, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtungen beleuchtet wird. Die Kamera nimmt für jedes Beleuchtungsszenario ein separates Bild auf. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes liegt in seiner vergleichsweise einfachen Hardware-Konfiguration, da lediglich eine Kamera benötigt wird. Dies reduziert die Kamerakosten und vereinfacht gegebenenfalls die mechanische Integration der Prüfstation.
Dieses sequenzielle Verfahren bringt jedoch mehrere Einschränkungen mit sich. Da die Bilder nacheinander aufgenommen werden müssen, muss das Prüfobjekt häufig kurzzeitig stillstehen, während die verschiedenen Beleuchtungsarten aktiviert werden. Dadurch sinkt die maximale Inspektionsgeschwindigkeit, was den Durchsatz in Hochgeschwindigkeits-Produktionsumgebungen begrenzen kann. Darüber hinaus erfordert das System eine präzise Synchronisation zwischen Kamera-Trigger und Beleuchtungssteuerung, um den korrekten Aufnahmezeitpunkt sicherzustellen.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die drei aufgenommenen Bilder nicht immer pixelgenau zueinander ausgerichtet sind. Bereits geringe Objektbewegungen oder mechanische Vibrationen zwischen den Aufnahmen können Bildverschiebungen verursachen, die die Bildanalyse und den Vergleich von Defekten zwischen den verschiedenen Beleuchtungskanälen erschweren.
Um höhere Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen, kommt ein alternatives sequenzielles Verfahren zum Einsatz, bei dem drei separate Monochromkameras in drei aufeinanderfolgenden Inspektionsstationen entlang eines Fördersystems angeordnet sind. Jede Station verfügt über einen eigenen Beleuchtungswinkel, sodass das Förderband kontinuierlich weiterlaufen kann. Dadurch wird zwar ein hoher Inspektionsdurchsatz erreicht, doch die Verwendung mehrerer Inspektionsstationen erhöht den mechanischen Platzbedarf, die Integrationskomplexität und die Gesamtkosten des Systems.
Parallele Bildaufnahme mit schmalbandiger LED-Beleuchtung
Um die Einschränkungen sequenzieller Verfahren zu überwinden, können Bildverarbeitungssysteme auch für eine parallele Bildaufnahme ausgelegt werden. In diesen Systemen sind koaxiale Beleuchtung, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung gleichzeitig aktiv, während alle drei Inspektionsbilder zum selben Zeitpunkt aufgenommen werden. Zur Trennung der verschiedenen Beleuchtungskanäle werden anstelle von Weißlicht schmalbandige LED-Beleuchtungen mit den Farben Rot, Grün und Blau eingesetzt. Jedem Beleuchtungswinkel wird ein bestimmter Wellenlängenbereich (bzw. Farbkanal) zugeordnet, sodass das optische System die Bildinformationen entsprechend ihrer Beleuchtungsrichtung unterscheiden kann.
Parallele Bildaufnahme mit drei Single-Sensor-Kameras
Ein Ansatz zur parallelen Bildaufnahme verwendet drei separate Monochromkameras in Kombination mit optischen Filtern und Strahlteilern. Dabei sind alle Beleuchtungsquellen gleichzeitig eingeschaltet, während das optische System die einzelnen Wellenlängenbereiche voneinander trennt und auf die entsprechenden Monochromkameras lenkt. Da alle Bilder parallel aufgenommen werden, kann das System hohe Fördergeschwindigkeiten erzielen, ohne die Beleuchtungen sequenziell ansteuern zu müssen. Zudem wird nur eine einzige Inspektionsstation benötigt, da alle Bildaufnahmen am selben Ort erfolgen.
Nachteil dieses Ansatzes ist der vergleichsweise komplexe optische Aufbau, der für die präzise Aufteilung des Lichts in drei Wellenlängenkanäle erforderlich ist. Strahlteiler, Filter und hochpräzise justierte Optiken erhöhen die Kosten und die Komplexität des Systems. Die Verwendung von drei separaten Monochromkameras vergrößert zudem den mechanischen Platzbedarf der Prüfstation. Darüber hinaus kann die exakte Ausrichtung der Bilder aller drei Kameras herausfordernd sein und die Bildanalyse erschweren.
Parallele Bildaufnahme mit einer Multi-Sensor-Kamera
Eine stabilere und kompaktere Lösung für die parallele Bildaufnahme lässt sich durch den Einsatz einer prismenbasierten 3-Chip-CMOS-Kamera realisieren. In dieser Konfiguration trennt die Prismeneinheit innerhalb der Kamera die einfallenden roten, grünen und blauen Wellenlängenbereiche und lenkt sie auf drei präzise ausgerichtete Monochromsensoren. Da alle drei Sensoren in demselben Kameragehäuse integriert sind, benötigt das System lediglich eine einzige Prüfstation und einen einzigen optischen Strahlengang. Alle Beleuchtungswinkel bleiben gleichzeitig aktiv, wodurch echte parallele Bildaufnahme bei hohen Fördergeschwindigkeiten möglich wird – ohne aufwendige Synchronisation zwischen Beleuchtung und Kameraauslösung.
Für die parallele Multifeld-Inspektion bietet eine prismenbasierte Farbkamera einen wesentlichen Vorteil gegenüber einer Bayer-Farbkamera. Bei Bayer-Kameras weisen die RGB-Filter breite und überlappende spektrale Empfindlichkeiten auf. Dadurch entsteht ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Beleuchtungswellenlängen. Licht eines Beleuchtungskanals wird teilweise auch in anderen Farbkanälen detektiert, was den Bildkontrast reduziert und die Trennung der Bildinformationen aus koaxialer, Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung erschwert.
Eine Prismenkamera hingegen verwendet separate Sensoren nach einer vollständigen spektralen Trennung. Dadurch wird eine saubere Kanalisolierung erreicht und der für eine zuverlässige Multifeld-Inspektion notwendige Kontrast erhalten.
Ein wesentlicher Vorteil von prismenbasierten 3-Chip-CMOS-Kameras besteht darin, dass die drei aufgenommenen Bilder pixelgenau zueinander ausgerichtet sind, da die Wellenlängentrennung innerhalb der Prismeneinheit erfolgt. Dies vereinfacht die Bildanalyse und verbessert den Vergleich von Defekten zwischen den verschiedenen Beleuchtungskanälen. Gegenüber Mehrkameralösungen werden außerdem der Platzbedarf und die mechanische Komplexität deutlich reduziert.
Obwohl eine Prismenkamera mit speziellen Objektiven auf der Kamera-Seite zunächst höhere Investitionskosten verursacht, sollte der Vergleich mit den Gesamtkosten eines gleichwertigen Mehrkamerasystems erfolgen. Eine solche Alternative erfordert in der Regel drei Monochromkameras, separate Objektive, Strahlteileroptiken, mechanische Justage sowie zusätzlichen Integrationsaufwand.
