DE102008009680A1

DE102008009680A1 - Dreidimensionale Vermessung von Objekten mittels eines modular aufgebauten Triangulationssensors

Info

Publication number: DE102008009680A1
Application number: DE200810009680
Authority: DE
Inventors: Hagen Klausmann; Anton Dr. Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vision-Os De GmbH
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (230) zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten (290) nach dem Prinzip der Triangulation beschrieben. Die Sensorvorrichtung (230) weist ein Grundelement (233), ein an dem Grundelement (233) angebrachtes erstes Sensormodul (240a) und ein an dem Grundelement (233) angebrachtes zweites Sensormodul (240b) auf. Das erst40b) weisen jeweils eine Beleuchtungseinheit (360) und eine Kameraeinheit (344) auf. Die Beleuchtungseinheit (360) ist eingerichtet zum Beleuchten eines zu vermessenden Objekts (290, 390) unter einer Beleuchtungsrichtung und die Kameraeinheit (344) ist eingerichtet zum Erfassen des zu vermessenden Objekts (290, 390) unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt. Es wird ferner ein System (100) zum Fertigen von elektronischen Baugruppen beschrieben, welchung (230) des oben gannten Typs umfasst. Außerdem wird ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation mittels einer Sensorvorrichtung (230) des oben genannten Typs beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der dreidimensionalen optischen Vermessung von Objekten. Die Erfindung betrifft insbesondere eine optische Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Fertigen von elektronischen Baugruppen, welches eine Bestückvorrichtung und eine Inspektionsvorrichtung aufweist, wobei die Inspektionsvorrichtung eine Sensorvorrichtung des oben genannten Typs umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation mittels einer Sensorvorrichtung des oben genannten Typs.
In Anbetracht der zunehmenden Miniaturisierung von auf Bauelementeträgern aufgebauten elektronischen Baugruppen ist es nicht nur erforderlich, eine hochgenaue Bestückung von Bauelementeträgern mit elektronischen Bauelementen zu gewährleisten, vielmehr ist es in Hinblick auf eine hohe Produktionssicherheit auch wichtig die Qualität der hergestellten Baugruppen regelmäßig zu überprüfen. Dies geschieht in der Regel mittels einer sog. Automatischen Optischen Inspektion (AOI), bei der sowohl die Position der einzelnen Bauelemente auf dem Bauelementeträger als auch der jeweilige Typ von bestücktem Bauelement überprüft wird. Dafür kann neben einer zweidimensionalen Inspektion auch eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Höhenprofils eines bestückten Bauelementeträgers durchgeführt werden.
Eine 3D Inspektion erfolgt typischerweise auf der Basis von Triangulationsmessungen. Dabei werden Projektionsmuster und Projektionssequenzen verwendet, um die Koordinate der dritten Dimension zu bestimmen. Das Prinzip der Höhenberechnung mittels strukturierter Beleuchtung beruht dabei auf der lateralen Verschiebung des unter einem schrägen Winkel projizierten Musters aufgrund der jeweiligen Objekthöhe an einem bestimmten Ort.
Die laterale Verschiebung x wird über den Abbilddungsmaßstab β auf den Sensor des Beobachtungssystems eines Triangulationssensors übertragen. Der Zusammenhang zwischen der lateralen Verschiebung Δx, der lateralen Verschiebung Δx' in der Bildebene des Beobachtungssystems und der Objekthöhe h an dem jeweiligen Punkt der Oberfläche des Messobjekts wird durch die folgenden Formeln beschrieben.
Dabei ist ϑ der sogenannte Triangulationswinkel, d. h. der Winkel, den der Beleuchtungsstrahl und der Beobachtungsstrahl innerhalb der Triangulationsebene einschließen.
Bei der sog. Phasentriangulation wird ein sinusförmiges Intensitätsprofil auf das Messobjekt projiziert. Die laterale Verschiebung Δx bewirkt eine Verschiebung der Phasenlage des Sinusgitters. Indem für jedes Pixel für verschiedene projizierte Phasenlagen die Intensität gemessen wird, kann die Phase und somit die Raumkoordinaten präzise ermittelt werden.
Mit der Phasenverschiebung Φ lässt sich die Höhe mit folgender Formel berechnen:
Dabei ist p die Gitterperiode bzw. die Periodenlänge des Sinusgitters.
Um einen bestückten Bauelementeträger vollständig in 3D vermessen zu können, ist es bekannt, einen Triangulationssensor mit einer vergleichsweise hohen Sensorleistung, d. h. insbesondere mit einem großen Gesichtsfeld und einer hochwertigen und daher auch teuren Optik, mittels eines Positioniersystems zu verfahren und an verschiedenen Orten jeweils einen vergleichsweise kleinen Bereich des bestückten Bauelementeträgers in 3D zu vermessen. Die 3D Einzelbilder können dann mittels einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware zu einem Gesamtbild zusammen gesetzt werden.
In Anbetracht des ständig steigenden Kostendrucks in der Elektronikfertigung ist es jedoch erforderlich, auch die Kosten für die AOI zu begrenzen. Das gleiche gilt für die Geschwindigkeit einer AOI Messung, welche innerhalb einer möglichst kurzen Prüfzeit durchführbar sein sollte.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die 3D Inspektion von Messobjekten wie beispielsweise elektronischen Baugruppen insbesondere in Hinblick auf die Kosten eines entsprechenden Sensorsystems und die Geschwindigkeit, mit der die 3D Vermessung durchgeführt werden kann, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation beschrieben, welche insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen geeignet ist. Die beschriebene Sensorvorrichtung weist auf (a) ein Grundelement, (b) ein an dem Grundelement angebrachtes erstes Sensormodul und (c) ein an dem Grundelement angebrachtes zweites Sensormodul. Das erste Sensormodul und das zweite Sensormodul weisen jeweils eine Beleuchtungseinheit und eine Kameraeinheit auf. Ferner ist die Beleuchtungseinheit eingerichtet zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und die Kameraeinheit ist eingerichtet zum Erfassen des zu vermessenden Objekts unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt.
Dem beschriebenen modular aufgebauten Triangulationssensor liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Kombination von mehreren einzelnen Triangulationsmodulen ein großer räumlicher Bereich auch dann vollständig vermessen werden kann, wenn jedes einzelne Triangulationsmodul jeweils nur einen vergleichsweise kleinen Bereich abdecken kann. Dabei kann auf vorteilhafter Weise auf die in den jüngsten Jahren rasanten Entwicklungen in der Kameratechnologie zurückgegriffen werden. Diese Entwicklungen haben dazu geführt, dass beispielweise für preiswerte Digitalkameras Kamerasensoren entwickelt wurden, die bei sehr geringen Kosten bereits eine hervorragende Bildaufnahmequalität aufweisen. Dadurch kann der beschriebene modular aufgebaute Triangulationssensor von den in der Konsumenten Industrie geschaffenen Standards und deren preiswerten Komponenten profitieren. Kostenintensive und aufwendige Neuentwicklungen für Spezialkameras, mit denen ein vergleichsweise großer räumlicher Bereich mit den darin befindlichen dreidimensionalen Objekten vermessen werden kann, sind durch den modularen Aufbau des beschriebenen Triangulationssensors und die Möglichkeit der Verwendung von herkömmlichen Standard-Komponenten nicht erforderlich.
Hinsichtlich der Anzahl an Sensormodulen, die für den beschriebenen Triangulationssensor in geeigneter Weise mitein ander kombiniert werden können, gibt es keine prinzipielle Obergrenze. So kann für jede Anwendung abhängig von der Größe des zu erfassenden Bereiches eine geeignete Anzahl an Sensormodulen zusammengefasst und in geeigneter Weise an dem Grundelement angebracht werden. Dies bedeutet, dass auch sehr große Bereiche durch die Verwendung einer entsprechend hohen Anzahl an Sensormodulen dreidimensional inspiziert werden können. In Anbetracht der preiswerten Realisierungsmöglichkeit der einzelnen Sensormodule ist dies in der Regel auch kostengünstiger als eine bekannter Messvorrichtung mit lediglich einem Triangulationssensor und einem Positioniersystem, mit dem der Triangulationssensor räumlich verfahren werden kann. Die Vermeidung von bewegten Teilen hat zudem den Vorteil, dass aufwendige Präzisionsachsen sowie hochgenaue Maßstäbe nicht erforderlich sind und trotzdem eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielbar ist. Die Vermeidung von bewegten Teilen hat ferner den Vorteil, dass eine dreidimensionale Inspektion mit dem beschriebenen modularen Triangulationssensor in der Regel deutlich schneller durchgeführt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass der beschriebene Triangulationssensor nicht nur zum dreidimensionalen Vermessen von einem in einem vorgegebenen Messfeld befindlichen Objekt (dabei werden durch verschiedenen Sensormodule unterschiedliche Teile des Objekts erfasst) verwendet werden kann. Der beschriebene modular aufgebaute Triangulationssensor eignet sich auch zum Vermessen von Baugruppen, welche eine Mehrzahl von verschiedenen Einzelobjekten aufweisen können. Die Einzelobjekte können beispielsweise elektronische Bauelemente oder auch Lotpaste oder SMD Lötstellen sein, welche sich an einem Schaltungssubstrat oder einem beliebigen Bauelementeträger befinden.
Unter dem Begriff Bauelemente werden in dieser Anmeldung prinzipiell alle bestückfähigen Elemente verstanden, insbesondere elektronische Bauelemente, elektromechanische Bauelemente, optoelektronische Bauelemente, Stecker und Steckver bindungen für elektrische und mechanische Kontakte sowie Abschirmbleche. Der Begriff elektronische Bauelemente umfasst selbst eine Vielzahl von verschiedenen Typen von Bauelementen, beispielsweise SMD-Bauelemente (Surface Mount Device-Bauelemente) und hoch integrierte flächige Bauelemente. Dazu zählen beispielsweise BGA's (Ball Grid Arrays), Bare Dies und Flip Chips.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich zumindest ein weiteres Sensormodul auf, welches ebenfalls eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und eine Kameraeinheit zum Erfassen des zu vermessenden Objekts unter einer von der Beleuchtungsrichtung verschiedenen Beobachtungsrichtung umfasst. Das erste Sensorelement, das zweite Sensorelement und das zumindest eine weitere Sensorelement bilden dabei ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Array.
Die einzelnen Sensormodule können beispielsweise mittel ihrer jeweiligen Gehäuse zu einem linearen oder zu einem flächigen Array verkettet werden. Dabei können die Sensormodule jeweils einen definierten Gitterplatz des jeweiligen Arrays einnehmen. Dadurch kann die Gesamtabmessung und das gesamte Messfeld des beschriebenen Triangulationssensors problemspezifisch an die jeweiligen technischen Anforderungen angepasst werden. Somit kann sichergestellt werden, dass ein Kunde nicht gezwungen ist, einen ggf. für seine Messanforderung zu großen Triangulationssensor zu kaufen. Somit kann für jede Anforderung stets ein kostengünstiger Triangulationssensor mit voller Messgenauigkeit angeboten werden.
So kann beispielsweise bei der dreidimensionalen Inspektion von bestücken Bauelementeträgern die Anzahl und die Abmessung des zu verwendenden Triangulationssensors an die Dimensionen der zu prüfenden Leiterplatten bzw. Bauelementeträgern angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Gesichtsfelder der Sensormodule auf einer Objektebene jeweils zumindest so groß wie die lateralen Abmessungen der jeweiligen Sensormodule. Dies bedeutet, dass die Breite des jeweiligen Gesichtsfeldes auf keinen Fall kleiner sein darf als die lateralen Gehäuseabmessungen des jeweiligen Sensormoduls. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Sensormodule jeweils vollständig in einem Sensormodul-Gehäuse untergebracht sind.
Der beschriebene Triangulationssensor weist also für jedes Modul ein Gesichtsfeld auf, welches auf die Objektebene projiziert in Arrayrichtung größer oder gleich den mechanischen Abmessungen des Moduls ist. Dabei werden zu den mechanischen Abmessungen ggf. auch noch Adapterelemente berücksichtigt, die für die oben beschriebene Verkettung der einzelnen Sensormodule erforderlich sein können.
Die Anpassung der Größe der Gesichtsfelder an die lateralen Dimensionen der Sensormodule hat den Vorteil, dass beim Aufbau des beschriebenen modularen Triangulationssensors die räumlichen Lagen der Gesichtfelder der einzelnen Sensormodule derart aufeinander abgestimmt werden können, dass der Triangulationssensor insgesamt in seinem gesamten Gesichtfeld keine Lücken aufweist. Dadurch kann der beschriebene Triangulationssensor für eine lückenlose dreidimensionale Inspektion beispielsweise von einer auf einem Bauelementeträger bestückten elektronischen Baugruppe verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich zumindest eine mechanische Justiervorrichtung auf, welche derart eingerichtet ist, dass die relative räumlich Beabstandung zwischen verschiedenen Sensormodulen einstellbar ist. Eine derartige mechanische Justiervorrichtung hat den Vorteil, dass die Gesichtsfelder der einzelnen Sensormodule in der Objektebene idealer weise lückenlos zu einem Gesamtgesichtfeld zusammengesetzt werden können. Die Justiervorrichtung kann dabei mehrere einzelne Justiereinrichtungen aufweisen, wobei jeweils eine einzelne Justiereinrichtung zwischen zwei einander benachbarten Sensormodulen angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die einzelnen Sensormodule derart angeordnet, dass die Gesichtsfelder zweier einander direkt benachbarter Sensormodule zumindest einen vorbestimmten Überlapp aufweisen.
Das Vorsehen einer bewussten Überlappung zwischen einander benachbarten Gesichtsfeldern hat den Vorteil, dass bei der Herstellung und/oder beim Betrieb der beschriebenen Sensorvorrichtung auf eine exakte und ggf. aufwendige Justierung der einzelnen Sensormodule zueinander verzichtet werden kann. Auf die oben beschriebene und ggf. mechanisch recht aufwendige Justiervorrichtung kann dann verzichtet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass durch einen bewussten Überlapp im Überlappungsbereich die Beleuchtungsintensität aufgrund der doppelten Beleuchtung deutlich stärker sein kann. Sofern darauf geachtet wird, dass die doppelte Beleuchtung nicht so stark wird, dass der lichtempfindliche Sensor der verwendeten Kameraeinheit übersteuert wird, kann der Einfluss dieser doppelten Belichtung auch durch bekannte Methoden der Bildverarbeitung kompensiert werden.
Die Beleuchtung kann in bekannter Weise durch ein sog. Sinus-Phasengitter erfolgen. Dabei wird auf das oder auf die zu vermessenden Objekte ein Beleuchtungslicht projiziert, welches in der durch die Beleuchtungsrichtung und die Beobachtungsrichtung definierten Triangulationsebene senkrecht zu der Beleuchtungsrichtung ein sinusförmiges Intensitätsprofil aufweist. Da die Sinusgitterprojektion einer Kodierung der zu messenden Pixel gleichkommt und die von der Kameraeinheit erfasste laterale Verschiebung der Sinus-Gitterphase für jedes Pixel in bekannter Weise von der jeweiligen Objekthöhe bestimmt wird, würden im Überlappungsbereich mit zwei verschiedenen sich überlagernden Sinusgitter-Projektionen falsche Höhen gemessen. Um mögliche Artefakte durch die doppelte Beleuchtung zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, können die Phasenlagen in den sinusförmigen Beleuchtungslichtprofilen von einander benachbarten Sensormodulen um ungefähr 230 Grad verschoben werden. In diesem Fall entsteht im Überlappungsbereich wiederum eine sinusförmige Intensitätsmodulation mit ungefähr gleicher Amplitude wie die beiden ursprünglichen Sinus-Intensitätsprofile. Im Falle eines flachen Messobjekts mit zu vernachlässigender Höhe hätte diese sinusförmige Intensitätsmodulation zu den ursprünglichen Sinus-Intensitätsprofilen eine Phasendifferenz von ungefähr 65 Grad.
Im Höhenbild wird zwar im Überlappungsbereich der beiden einander benachbarten Sinus-Intensitätsgitter eine Nullpunktverschiebung der Höhenmessung entstehen. Diese Nullpunktverschiebung kann jedoch über Bildverarbeitungsmethoden bei der Bildberechnung berücksichtigt und herausgerechnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Bild gebende Kamera durch die im Überlappungsbereich neu entstandene Sinus-Intensitätsmodulation mit einem erhöhtem Offset und einer erhöhten Beleuchtungsstärke insbesondere bei einer starken Reflektivität der zu vermessenden Objekte leichter übersteuert werden kann. Daher kann es vorteilhaft sein, die Phasenlage der resultierenden Sinus-Intensitätsmodulation innerhalb des üblicherweise nicht so großen Überlappungsbereiches nicht zur Berechnung der Objekthöhe(n) heranzuziehen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass für die beschriebene Phasentriangulation bevorzugt vier Sinus-Phasenlagen bzw. die höheninduzierte Verschiebung von vier unterschiedlichen Phasengitterbeleuchtungen verwendet werden können. Dies ist vorteilhaft, da der entsprechende Rechenalgorithmus für vier verschiedene Phasenlagen deutlich weniger komplex und rechen aufwendig ist wie beispielsweise für lediglich drei Phasenlagen. Im typischerweise relativ kleinen Überlappungsbereich ist es jedoch in Bezug auf den gesamten Rechenaufwand weitgehend unerheblich, wenn ein aufwendiger Algorithmus zur Höhenberechnung erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich eine Triggereinrichtung auf, welche mit den Sensormodulen gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass unmittelbar einander benachbarte Sensormodule zeitlich versetzt für jeweils eine Höhenvermessung aktivierbar sind.
Die beschriebene Triggereinrichtung kann auf besonders vorteilhafte und elegante Weise die oben beschriebene Problematik der Höhenauswertung innerhalb von Überlappungsbereichen beheben. Dabei können in einem eindimensionalen Array aus Sensormodulen beispielsweise die an ungeraden Positionen des Arrays angeordneten Sensormodule gleichzeitig zu einem ersten Zeitpunkt und die an geraden Positionen des Arrays angeordneten Sensormodule gleichzeitig zu einem unterschiedlichen zweiten Zeitpunkt aktiviert werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Aktivierungssequenzen denkbar, sofern gewährleistet wird, dass die Überlappungsbereiche zwischen zwei benachbarten Sensormodulen nicht zeitgleich durch beide angrenzenden Sensormodule vermessen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste Sensormodul und/oder das zweite Sensormodul zusätzlich eine weitere Beleuchtungseinheit auf, welche eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer weiteren Beleuchtungsrichtung. Selbstverständlich kann auch das zumindest eine weitere Sensormodul eine weitere Beleuchtungseinheit aufweisen.
Bevorzugt sind die Beleuchtungsrichtung der Beleuchtungseinheit und die weitere Beleuchtungsrichtung der weiteren Be leuchtungseinheit unterschiedlich. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen können auf vorteilhafte Weise Abschattungseffekte eliminiert oder zumindest reduziert und auch Objekte mit einer großen Höhenausdehnung vollständig vermessen werden.
Abschattungseffekte können beispielsweise mittels zweier nacheinander bzw. sequentiell durchgeführter Aufnahmen herausgerechnet werden. Durch die beiden getrennten Aufnahmen unter jeweils einer aus einer anderen Richtung einfallenden Beleuchtung des oder der Messobjekte können auf verschiedenen Seiten des oder der Messobjekte entstehende Abschattungen jeweils durch eine Beleuchtung von der anderen Seite ausgeleuchtet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul eine Zeilenkamera auf. Dies bedeutet, dass die Sensormodule des beschriebenen Triangulationssensors jeweils eine typischerweise relativ kurze Lichtzeile erfassen können. Die Zeilenkamera ist dabei senkrecht zu der entsprechenden Triangulationsebene orientiert.
Für eine vollständige dreidimensionale Vermessung der Oberfläche eines oder mehrerer Messobjekte kann dann eine Relativbewegung zwischen dem beschriebenen Triangulationssensor und dem oder den Messobjekten durchgeführt werden. Diese Relativbewegung verläuft zumindest anteilig senkrecht sowohl zu der Triangulationsebene als auch zu der Orientierung der Zeilenkamera bzw. der Zeilenkameras.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul eine Flächenkamera auf. Eine solche kann z. B. ein zweidimensionales CCD als Lichtempfänger aufweisen.
Durch die Verwendung von Flächenkameras kann mit den entsprechenden Sensormodulen jeweils ein zweidimensionales Bild von zumindest einem bestimmten Teilbereich eines elektronischen Schaltungssubstrates erfasst werden. Aufgrund der von den Sensormodulen durchgeführten Triangulationsmessungen können die Bilder auch Höheninformationen der einzelnen Bildpunkte umfassen, so dass auf diese Weise dreidimensionale Informationen erfasst werden können (es sich in diesem Fall also z. B. um dreidimensionale Bilder handelt).
Die einzelnen Bilder können dann durch geeignete Bildauswertungsverfahren zu einem zwei- oder dreidimensionalen Gesamtbild aneinandergefügt werden. Bei dem Aneinanderfügen kann ein sog. "Stitching"-Verfahren verwendet werden, bei dem die einzelnen Bilder bzw. Teilbilder derart räumlich zueinander angeordnet werden, dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen. Zum Erzielen einer möglichst großen Übereinstimmung kann dabei auf zweidimensionale und/oder auf dreidimensionale Bilddaten zurückgegriffen werden.
Das "Stitching" kann entlang zweier Raumrichtungen erfolgen. Im Falle einer dreidimensionalen Vermessung eines elektronischen Schaltungssubstrates, welches mittels einer Transportstrecke relativ zu der beschriebenen Sensorvorrichtung entlang einer Transportrichtung bewegt wird, kann das Aneinanderfügen bzw. das Stitching senkrecht und/oder parallel zu der Transportrichtung erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Fertigen von elektronischen Baugruppen beschrieben. Das beschriebene System weist auf (a) eine Bestückvorrichtung zum Bestücken von Bauelementeträgern mit elektronischen Bauelementen, und (b) eine automatische optische Inspektionsvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen der Bauelementeträ ger. Die optische Inspektionsvorrichtung weist wiederum eine Sensorvorrichtung des oben beschriebenen Typs auf.
Dem beschriebenen Fertigungssystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben genannte Sensorvorrichtung auf vorteilhafte Weise mit einer Bestückvorrichtung kombiniert und somit die Prozesssicherheit bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen verbessert werden kann. Die Inspektionsvorrichtung kann dabei in Bezug auf die Bestückvorrichtung eingangsseitig oder ausgangsseitig angeordnet sein. Auch der Einsatz von zwei Inspektionsvorrichtungen ist möglich, wobei in Bezug zu der Bestückvorrichtung eine erste Inspektionsvorrichtung eingangsseitig und eine zweite Inspektionsvorrichtung ausgangsseitig angeordnet sein kann.
Bei einer eingangsseitigen Anordnung können beispielsweise die Volumina von Lotpastenaufträgen vermessen werden, welche in bekannter Weise vor der Bestückung des Bauelementeträgers beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden. Falls ein fehlerhafter Lotpastenauftrag erkannt wird, kann der betreffende Bauelementeträger aus dem Bestückprozess entfernt und somit frühzeitig die Herstellung einer fehlerhaften Baugruppe vermieden werden.
Bei einer ausgangsseitigen Anordnung können auf vorteilhafte Weise die Positionen und auch die Höhen der auf einen Bauelementeträger aufgesetzten elektronischen Bauelemente vermessen werden. Durch eine von der oben beschriebenen Sensorvorrichtung ermittelte Höheninformation eines Bauelements können Informationen über den Typ des jeweiligen Bauelements bestimmt und so in der Regel eine korrekte Bestückung verifiziert werden.
Im Falle einer Fehlbestückung kann die betreffende Baugruppe vor einer Fixierung der Baugruppe beispielsweise durch eine Verlötung der Bauelemente mittels eines Reflow-Ofens ggf. durch eine Versetzung eines Bauelements hin zu einer korri gierten Position oder durch eine Neubestückung eines Bauelements repariert werden. Auf alle Fälle können jedoch fehlerhafte Baugruppen zuverlässig aus dem Fertigungsprozess entfernt werden. Die Zuverlässigkeit bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen kann somit erhöht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Lösung der Messaufgabe "Positionsmessung von Bauelementen relativ zu einer Sollposition" die übliche Referenzierung zu auf dem jeweiligen Bauelementeträger angebrachten Passmarken geändert werden kann. Bei einem bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung wird nämlich eine verfahrbare Kamera verwendet, die mittels einer oder mehrerer Bildaufnahmen die bestückten Bauelemente zusammen mit an definierten Stellen angebrachten Passmarken gemeinsam oder nacheinander vermessen kann. Derartige Passmarken werden häufig auch als sog. Fiducials bezeichnet.
Da es bei der in dieser Anmeldung beschriebenen modular aufgebauten Sensorvorrichtung vorkommen kann, dass nicht in jeder Bildaufnahme eines Sensormoduls eine Fiducial-Marke zur Positionsreferenzierung vorhanden ist, können auch die bekannten CAD-Daten der jeweiligen Baugruppe, welche Daten eine Beschreibung der Bauelemente und deren Positionen relativ zu Passmarken enthalten, mittels bekannten Methoden der Bildverarbeitung über das Sensorbild gelegt und in seiner Position angepasst bzw. gefittet werden. Dabei wird von der Grundannahme ausgegangen, dass die Bauelemente in ihrer Gesamtheit einen nur geringen systematischen Versatz aufweisen. Die im Rahmen der statistischen Abweichungen befindlichen Positionsabweichungen von einzelnen Bauelementen können dadurch sicher bestimmt werden. Falls über eine gesamte Leiterplatte systematische Abweichungen vorhanden sein sollten, können diese über diejenigen Bildaufnahmen ermittelt werden, in denen zusätzlich eine Passmarke vorhanden ist.
Die beschriebene Ersetzung der bekannten Referenzierung auf Passmarken durch eine Anpassung der von der Sensorvorrichtung ermittelten dreidimensionalen Messdaten an vorab bekannte CAD-Daten hat den Vorteil, dass eine präzise Positionierung des zu vermessenden Bauelementeträgers durch das Transportsystem bzw. das Transportband nicht erforderlich ist. Dadurch kann die Positionsvermessung auch ohne die Verwendung von üblicherweise sehr teuren Präzisionsmaßstäben durchgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System zusätzlich eine Transportstrecke zum Transportieren der Bauelementeträger zwischen der Bestückvorrichtung und der Inspektionsvorrichtung auf.
Die Inspektionsvorrichtung mit der oben beschriebenen Sensorvorrichtung kann dabei stationär über der Transportstrecke angeordnet sein. Die Transportstrecke kann als Transport- bzw. Förderband ausgebildet sein. Die zu bestückenden oder die bereits bestückten Bauelementeträger können dann durch eine geeignete Bewegung des Transportbandes abgetastet und dabei dreidimensional vermessen werden.
Bei der stationären Anordnung der Inspektionsvorrichtung relativ zu einem Transportband bietet es sich an, wie oben beschrieben die einzelnen Sensormodule der modularen Sensorvorrichtung jeweils mit einer Zeilenkamera auszustatten. Sofern die Sensorzeile der Zeilenkamera senkrecht zu der Transportrichtung des Transportbandes orientiert ist, können die durch die einzelnen Sensormodule erzeugten Lichtzeilen durch eine geeignete Signalverarbeitung zu einer Gesamtlichtzeile zusammengesetzt werden, die sich quer über die gesamte Breite des Transportbandes erstreckt. Damit können auf dem Transportband relativ zu der stationären Inspektionsvorrichtung bewegte Objekte vollständig durch eine sukzessive zeilenförmige Erfassung von Höhenlinien dreidimensional erfasst werden.
Da ein Transportband in der Fertigung von elektronischen Baugruppen insbesondere im Bereich der sog. Surface Mount Technology (SMT) standardmäßig verwendet wird, kann die oben beschriebene Sensorvorrichtung auf vorteilhafte Weise für die meisten Produktionsverfahren im Bereich der Elektronikfertigung verwendet werden. Durch den modularen Aufbau der Sensorvorrichtung kann die Breite derselben ohne großen Aufwand jeweils an die Breite des Transportbandes bzw. an die Breite der zu prüfenden Leiterplatten angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation angegeben. Das angegebene Verfahren eignet sich insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen. Das Verfahren beinhaltet das Verwenden einer Sensorvorrichtung des oben beschriebenen Typs zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte.
Dem angegebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Kombination der Ergebnisse von Triangulationsmessungen, die von den einzelnen Sensormodulen der oben beschriebenen Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, ein großer räumlicher Bereich auch dann vollständig vermessen werden kann, wenn jedes einzelne Triangulationsmodul jeweils nur einen vergleichsweise kleinen Bereich abdecken kann. Für die verwendete Sensorvorrichtung kann auf vorteilhafter Weise auf die in den jüngsten Jahren rasante Entwicklung der Kameratechnologie zurückgegriffen werden, welche dazu geführt hat, dass beispielweise für preiswerte Digitalkameras Kamerasensoren entwickelt wurden, die bei sehr geringen Kosten bereits eine hervorragende Bildaufnahmequalität ermöglichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird (a) von unterschiedlichen Sensormodulen der Sensorvorrichtung jeweils ein zumindest zweidimensionales Bild, z. B. mit je einer Flächenkamera, aufgenommen und (b) werden die verschiedenen Bilder derart zu einem Gesamtbild aneinandergefügt, dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen.
Das Aneinanderfügen der einzelnen Teilbilder zu einem zwei- oder dreidimensionalen Gesamtbild kann auch als ein sog. "Stitching" bezeichnet werden. Dabei können bekannte Algorithmen zum geeigneten Aneinanderfügen der einzelnen Teilbilder verwendet werden. Unter einem dreidimensionalen "Stitching" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass mit jeweils einem zweidimensionalen Bild auch die Höheninformation von zumindest einigen Bildpunkten des jeweiligen Bildes bei der Beurteilung einer möglichst großen Übereinstimmung berücksichtigt wird.
Zum Aneinanderfügen von Teilbildern, die von unterschiedlichen Sensormodulen bei einer vorgegebenen räumlichen Lage der zu vermessenden Objekte erfasst wurden, kann z. B. auch zu Beginn einer Mess-Serie eine einmalige „Kalibrier-Stitching-Messung" erfolgen. Bei festgelegter räumlicher Anordnung der Sensormodule können dann im weiteren Verlauf dieser Mess-Serie die von diesen Sensormodulen erfassten Teilbilder aufgrund der ermittelten Referenzdaten aneinandergefügt werden, ohne die „Stitching-Prozedur" jedes Mal wieder durchlaufen zu müssen.
Im Falle eines entlang einer Transportrichtung relativ zu der Sensorvorrichtung bewegten und zu vermessenden Objektes kann das beschriebene "Stitching" auch verwendet werden, um Teilbilder aneinander zu fügen, die durch ein Sensormodul von entlang der Transportrichtung benachbarten Teilbereichen des Objekts aufgenommen wurden. Insbesondere kann dies vorteilhaft dann verwendet werden, wenn keine oder wenn nur ungenaue Daten bezüglich der Bewegung des Schaltungssubstrates vorliegen. Dies hat den Vorteil, dass ein aussagekräftiges dreidimensionales Gesamtbild auch dann ermittelt werden kann, wenn die entsprechende Transportstrecke keine genaue Bewegungssteuerung aufweist und/oder wenn eine Erfassung der Transportbewegung nicht oder nur sehr ungenau erfolgt. Dies kann bedeuten, dass die Randbereiche der einzelnen Teilbilder auch ohne jegliches Vorwissen in geeigneter Weise aneinander gefügt werden können. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei Verwendung von Flächenkameras zu Bilderfassung zum Tragen, da die hier beschriebenen Verfahren dann keine Verfahrensschritte mehr aufweisen, die eine genaue Ermittlung der Transportbewegung des zu vermessenden Objekts erforderlich machen.
In diesem Zusammenhang wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei dem Aneinanderfügen selbstverständlich auch ggf. vorliegende Bewegungsdaten der Messobjekte berücksichtigt werden können.
An dieser Stelle wird ferner darauf hingewiesen, dass ein Aneinanderfügen zumindest entlang der Transportrichtung auch dann erfolgen kann, wenn die Sensorvorrichtung lediglich ein Sensormodul aufweist. In diesem Fall handelt es sich dann um ein
Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen, unter Verwendung eines Sensormoduls mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit,
wobei die Beleuchtungseinheit eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts unter einer Beleuchtungsrichtung und
wobei die Kameraeinheit eingerichtet ist zum Erfassen des zu vermessenden Objekts unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt, das Verfahren aufweisend

– Aufnehmen von zumindest einem ersten und einem zweiten zumindest zweidimensionalen Bild mittels des Sensormoduls, wobei das erste Bild und das zweite Bild unterschiedliche aber einander angrenzende Teilbereiche des zu vermessenden Objekts zeigen,
– Aneinanderfügen des zumindest ersten und zweiten Bildes zu einem Gesamtbild, so dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen.

Die beiden Bilder können dabei entlang einer Transportrichtung des Messobjekts räumlich versetzt sein. Insbesondere können die beiden Bilder nur entlang dieser Transportrichtung räumlich versetzt sein.
Dies bedeutet, dass die von den Bildern erfassten Teilbereiche in der Transportrichtung gegeneinander versetzt sind. Im zweitgenannten Fall („nur entlang dieser Transportrichtung versetzt") weisen die Teilbereich dabei keinen Versatz senkrecht zu dieser Transportrichtung auf.
Dies hat den Vorteil, dass zur Bildaufnahme lediglich das zu vermessende Objekt bzw. die zu vermessenden Objekte relativ zu einem stationär an der entsprechenden Transportstrecke angeordneten Sensormodul bewegt werden müssen. Eine zusätzliche Bewegung des Sensormoduls ist nicht erforderlich.
Das vorstehend genannte Verfahren kann dabei weiterhin gemäß der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Patentansprüchen ausgestaltet sein.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird dabei auch gelöst von einer Vorrichtung Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten (290) nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat (122) aufgebrachten Bauelementen, die Sensorvorrichtung (130, 230) aufweisend

• ein Grundelement (233), und
• ein an dem Grundelement (233) angebrachtes erstes Sensormodul (240a),

240a

360

344

360

290

390

344

290

390

Dabei kann die Vorrichtung beispielsweise außer dem ersten Sensormodul keine weiteren analog zum ersten Sensormodul ausgestalteten Sensormodule aufweisen.
Diese Vorrichtung kann auch gemäß der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Patentansprüchen weiter ausgestaltet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das dreidimensionale Vermessen der Objekte auf der Grundlage einer Phasentriangulation. Bei der Phasentriangulation wird ein Beleuchtungslicht mit einem sinusförmigen Intensitätsprofil auf das Messobjekt projiziert. Die Höhenerstreckung des Messobjekts bewirkt dabei in bekannter Weise bei einer schrägen Beleuchtung und/oder einer schrägen Erfassung des Messobjekts eine laterale Verschiebung Δx der Phasenlage des Sinusgitters. Indem für jedes Pixel für verschiedene projizierte Phasenlagen die Intensität gemessen wird, kann die Phase und somit die Raumkoordinaten präzise ermittelt werden. Mit der Phasenverschiebung Φ lässt sich die Höhe des Messobjekts mit der oben angeführten Formel (3) berechnen.
Die Verwendung der beschriebenen Phasentriangulation hat den Vorteil, dass die Höhenwerte der zu erfassenden Objekte besonders genau ermittelt werden können. Außerdem kann zur Auswertung der von der Kameraeinheit erfassten Bilder auf bekannte Algorithmen zur Analyse der entsprechenden Messdaten zurückgegriffen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte zumindest eine Kalibriertabelle verwendet, welche für verschiedene Abstände zwischen einem Objekt und einem Objektiv des jeweiligen Sensormoduls jeweils einen Vergrößerungsmaßstab enthält.
Die Verwendung einer Kalibriertabelle hat den Vorteil, dass die einzelnen Sensormodule mit einer einfachen Optik ausgestattet werden können, welche im Gegensatz zu bekannten und sehr teuren telezentrischen Objektiven einen mit dem Abstand Objekt zu Objektiv veränderlichen Abbildungsmaßstab aufweisen. Dies bedeutet, dass auf vorteilhafte Weise auf teure telezentrische Objektive verzichtet werden kann. Der dadurch verursachte variable Abbildungsmaßstab bzw. die dadurch verursachte optisch verzerrte Abbildung der einfachen Objekte kann durch eine Berücksichtigung der in der Kalibriertabelle enthaltenen Werte kompensiert werden.
Die in dieser Anmeldung beschriebene Sensorvorrichtung und das beschriebene Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat aufgebrachten Bauelementen, kann, je nach Ausgestaltung, beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen:

(a) Für die einzelnen Sensormodule können preiswerte optische, elektronische und/oder optoelektronische Komponenten verwendet werden. Insbesondere sind keine telezentrischen Optiken erforderlich.
(b) Durch die parallele Verwendung von mehreren Sensormodulen mit jeweils preiswerten Standardkomponenten kann die gesamte Sensorvorrichtung auf besonders preiswerte Weise hergestellt werden. Ein aufwendiges Layout mit einem (oder mehreren) großflächigen Kamerasensor ist nicht erforderlich.
(c) Durch ein geeignetes Aneinanderfügen von verschiedenen Teilbildern kann im Falle von relativ zu der Sensorvorrichtung bewegten und zu vermessenden Messobjekten auch dann ein genaues Höhenprofil bestimmt werden, wenn für die Bewegung des oder der Messobjekte keine oder nur ungenaue Bewegungsdaten vorliegen. Dieser Vorteil kommt beim Verwenden von einer oder mehreren Flächenkameras besonders zum tragen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt ein Fertigungssystem für elektronische Baugruppen, welches eine Bestückvorrichtung und eine optische Inspektionsvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von mit elektronischen Bauelementen bestückten Bauelementeträgern aufweist.
2 zeigt eine Sensorvorrichtung mit vier in einem linearen Array angeordneten Sensormodulen, welche jeweils zur dreidimensionalen Vermessung von elektronischen Bauelementen auf der Basis von Triangulation eingerichtet sind.
3 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Sensormodul, welches eine Kameraeinheit und eine Beleuchtungseinheit aufweist.
4 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Sensormodul, welches eine Kameraeinheit und zwei Beleuchtungseinheiten aufweist.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben unterscheiden.
Das in 1 gezeigte Fertigungssystem 100 für elektronische Baugruppen weist eine Bestückvorrichtung bzw. einen Bestückautomaten 110 und eine optische Inspektionsvorrichtung auf. Der Bestückautomat 110 wird in bekannter Weise zum Bestücken von als Leiterplatten ausgebildeten Bauelementeträgern 122 mit in 1 nicht dargestellten elektronischen Bauelementen verwendet. Die optische Inspektionsvorrichtung 130, welche im Rahmen dieser Anmeldung auch als Sensorvorrichtung 130 bezeichnet wird, dient zum dreidimensionalen Vermessen der bestückten Bauelementeträger 122.
Die Bestückvorrichtung 110 weist ein Chassis 112 auf, an dem ein stationärer Trägerarm 114 angebracht ist. An dem stationären Trägerarm 114 befinden sich zwei sich entlang einer x-Richtung erstreckende stationäre Linearführungen, wobei in der perspektivischen Darstellung von 1 lediglich eine vordere stationäre Linearführungen 114a zu erkennen ist. An den stationären Linearführungen 114a ist jeweils ein entlang der x-Richtung verfahrbarer und sich entlang einer y-Richtung erstreckender quer stehender Trägerarm 116 angebracht. An den beiden Trägerarmen 116 befinden sich zwei entlang der y-Richtung erstreckende Linearführungen, wobei in 1 lediglich eine Linearführung 116a zu erkennen ist. Entlang der beiden Linearführungen 116a ist jeweils ein Bestückkopf 118 entlang der y-Richtung verschiebbar. Durch eine geeignete Überlagerung einer ersten Bewegung entlang der x-Richtung und einer zweiten Bewegung entlang der y-Richtung können die Bestückkopfe 118 innerhalb eines zweidimensionalen Bewegungsbereichs an jede beliebige Stelle gefahren werden.
Die Bestückung eines Bauelementeträgers 122 erfolgt in bekannter Weise (a) durch eine Abholung der Bauelemente von einer nicht dargestellten Bauelement-Zuführeinrichtung durch den Bestückkopf 118, (b) durch einen Transport der abgeholten Bauelemente in einen Bestückbereich oberhalb einer Transportstrecke 120 und (c) durch ein Aufsetzen der Bauelemente an vorbestimmten Stellen eines sich auf der Transportstrecke 120 befindlichen Bauelementeträgers.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Bauelementeträger 122 nach einer vollständigen oder zumindest teilweisen Bestückung entlang der Transportstrecke 120 aus dem Bestückbereich ausgeschleust und langsam unterhalb der Inspektionsvorrichtung 130 durch einen Erfassungsbereich der Inspektionsvorrichtung 130 gefahren. Dabei wird der bestückte Bauelementeträger 122 bei einer Vielzahl von verschiedenen y-Positionen entlang einer sich in x-Richtung erstreckenden Lichtzeile 131 vermessen und die Höhenwerte jedes Pixels der Lichtzeile 131 aufgezeichnet. Die bei verschiedenen y-Positionen aufgenommenen Höherwerte werden dann in einer nicht dargestellten Bildverarbeitungseinheit zu einem vollständigen dreidimensionalen Bild des bestückten Bauelementeträgers 122 zusammen gesetzt.
Die Lichtzeile 131 setzt sich in nicht dargestellter Weise aus mehreren einzelnen aneinander gereihten Lichtzeilen zusammen. Die einzelnen vergleichweise kurzen Lichtzeilen werden jeweils von einem Sensormodul 140 erzeugt, welches, wie nachfolgend anhand der 2 bis 4 erläutert, auch für die Höhenvermessung der in der jeweiligen Lichtzeile liegenden Oberflächenpixel verantwortlich ist.
Wie aus 1 ferner ersichtlich, ist eine Haltevorrichtung 132 vorgesehen, mit der die Inspektionsvorrichtung 130 in einer festen Position oberhalb der Transportstrecke 120 angeordnet werden kann. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die modular aufgebaute Sensorvorrichtung 130 in Bezug zu der Bestückvorrichtung 100 ausgangsseitig angeordnet.
Da die Haltevorrichtung 132 nicht fest an dem Chassis 112 verankert ist, könnte die Sensorvorrichtung 130 auch eingangsseitig über der Transportstrecke 120 angeordnet werden. In diesem Fall könnten beispielsweise die Lotpastenvolumina vermessen werden und bei einem zu geringen oder einem zu umfangreichen Lostpastenauftrag an zumindest einer Anschlussstelle der entsprechende Bauelementeträger 120 aus dem Bestückungsprozess ausgesondert werden.
2 zeigt die Sensorvorrichtung 130, welche nunmehr mit dem Bezugszeichen 230 versehen ist, in einer schematischen Querschnittsdarstellung parallel zu einer Ebene, die durch die x-Richtung und die z-Richtung aufgespannt wird. Dabei stimmen diese Richtungen mit den entsprechenden in 1 eingezeichneten Richtungen überein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 die Inspektionsvorrichtung bzw. die Sensorvorrichtung lediglich mit vier Sensormodulen, einem ersten Sensormodul 240a, einem zweiten Sensormodul 240b, und zwei weiteren Sensormodulen 240c und 240d dargestellt. Die Sensormodule 240a, 240b, 240c und 240d bilden dabei ein lineares Array 235, welches sich parallel zu der x-Richtung erstreckt.
Die Sensormodule 240a, 240b, 240c und 240d weisen jeweils ein Gehäuse 242 auf, in dem sich eine Kameraeinheit 244 mit einer zugeordneten Optik 246 und eine in 2 nicht dargestellte Beleuchtungseinheit befinden. Die Gehäuse 242 sind an einem als Grundplatte ausgebildeten Grundelement 233 angebracht. Die Kameraeinheit 244 weist einen als Zeilensensor ausgebildeten Kamerasensor 245 auf. Der Zeilensensor 244 ist parallel zu der x-Richtung orientiert.
Jeweils zwei benachbarte Sensormodule 240a und 240b, 240b und 240c und 240c und 240d sind mittels einer Justiervorrichtung 243 verbunden, mit der die relative räumlich Lage zwischen den entsprechenden Gehäusen 242 genau eingestellt werden kann. Damit können die Gesichtsfelder der Sensormodule 240a, 240b, 240c und 240d in einer Objektebene 250 relativ zueinander derart ausgerichtet werden, dass die mittels der Sensorvorrichtung 230 eine lückenlose Messzeile entsteht, die sich entlang der x-Richtung über die gesamte Objektebene 250 erstreckt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich sämtliche in der Objektebene 250 befindlichen Messobjekte 290 vermessen werden können.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Objekten um elektronische Bauelemente 290, welche auf einen Bauelementeträger augesetzt wurden. In 2 fällt daher die obere Seite des Bauelementeträgers mit der Objektebene 250 zusammen.
Wie aus 2 ersichtlich, bilden bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Gesichtsfelder 255 von zwei benachbarten Sensormodulen 240a und 240b, 240b und 240c und 240c und 240d jeweils einen Überlapp 252. Dadurch wird sichergestellt, dass die einzelnen Sensormodule 240a, 240b, 240c und 240d eine vollständige bzw. ununterbrochene Lichtzeile bilden. Da die Überlappungsbereiche jeweils von zwei Beleuchtungseinheiten beleuchtet werden, wird sich darin eine höhere Beleuchtungsintensität einstellen. Bei der Verwendung von Sinusphasen-Beleuchtungsgittern wird sich eine Überlagerung zweier räumlich sinusförmiger Intensitätsmodulationen zu einer neuen sinusförmiger Intensitätsmodulation einstellen.
Diese Effekte können jedoch bei einer Auswertung der gemessenen und durch die Höhenausdehnung der Messobjekte 290 verursachten Verschiebungen der Projektionsmuster kompensiert werden.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel können diese durch eine doppelte Beleuchtung verursachten Effekte von vornherein dadurch vermieden werden, dass die Beleuchtungseinheiten von zwei benachbarten Sensormodulen 240a und 240b, 240b und 240c und 240c und 240d jeweils zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Überlappungsbereiche 252 zu keinem Zeitpunkt doppelt beleuchtet werden. Bevorzugt kann eine derartige zeitliche Separation bei der Beleuchtung dadurch erfolgen, dass eine Triggereinrichtung 248, welche über eine mehrpolige Triggerleitung 249 mit den Sensormodulen 240a, 240b, 240c und 240d gekoppelt ist, zu einem ersten Zeitpunkt die Sensormodule 240a und 240c und zu einem unterschiedlichen zweiten Zeitpunkt die Sensormodule 240b und 240d aktiviert werden.
3 zeigt in einer Querschnittsdarstellung parallel zu den in den 1 und 2 definierten y-Richtung und z-Richtung ein einzelnes Sensormodul 340. In einem Gehäuse 342 befindet sich eine Kameraeinheit 344 mit einem Zeilensensor 345 und eine Beleuchtungseinheit 360. Eine Optik 346, welche der Kameraeinheit 344 zugeordnet ist, dient der Abbildung der in einem Gesichtsfeld 355 einer Objektebene 350 befindlichen und von der Beleuchtungseinheit 360 beleuchteten Messobjekte 390 auf den Zeilensensor 345. Eine Optik 366, welche der Beleuchtungseinheit 360 zugeordnet ist, dient der Projektion eines von einer Lichtquelle 362 erzeugten Beleuchtungslichts auf das Gesichtsfeld 355. In der Lichtquelle 362 ist ein nicht explizit dargestelltes optisches Element integriert, welches dem von einem Licht emittierenden Element ausgesandten Primärlichtstrahl eine räumliche Intensitätsmodulation aufprägt. Die Intensitätsmodulation kann beispielsweise ein Sinusphasengitter sein, welches in bekannter Weise nach dem Prinzip der Triangulation für die Höhenbestimmung der Messobjekte 390 verwendet wird.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Optiken 346 und 366 einfache Linsen. Insbesondere handelt es sich bei den Optiken 346 und 366 nicht um telezentrische Optiken. Im Gegensatz zu telezentrischen Optiken hängt bei einfachen Linsen die Vergrößerung der optischen Abbildung von dem Abstand zwischen Linse und Objekt ab. Diese Abhängigkeit kann bei der Auswertung der gemessenen durch die Höhenausdehnung der Messobjekte 390 verursachten Verschiebungen der Projektionsmuster kompensiert werden. Diese Kompensation kann beispielsweise durch die Verwendung von Kalibriertabellen erfolgen, welche für verschiedene Abstände zwischen Objekt und Optik jeweils einen Vergrößerungsmaßstab enthalten. Dieser kann zum Zwecke einer genauen Höhenvermessung bei der nachfolgenden Bestimmung der 3D Höhenprofile berücksichtigt werden.
4 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Sensormodul 440 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Querschnittsebene verläuft ebenfalls parallel zu den in den 1 und 2 definierten y-Richtung und z-Richtung. Das Sensormodul 440 unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Sensormodul 340 lediglich dadurch, dass sich in einem Gehäuse 442 neben einer ersten Beleuchtungseinheit 460 eine weitere Beleuchtungseinheit 470 befindet. Die weitere Beleuchtungseinheit 470, welche die Messobjekte 490 unter einem anderen Beleuchtungswinkel als die erste Beleuchtungseinheit 460 beleuchtet, weist ist genauso aufgebaut wie die Beleuchtungseinheit 460. Die Beleuchtungseinheit 460 bzw. 470 weist also jeweils eine Lichtquelle mit optischem Element 462 bzw. 472 und eine Optik 466 bzw. 476 auf. Die Kameraeinheit 444 weist analog wie die Kameraeinheit 344 einen Zeilensensor 445 und eine Optik 446 auf.
Die Verendung der weiteren Beleuchtungseinheit 470 hat den Vorteil, dass bei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen Abschattungseffekte eliminiert oder zumindest reduziert werden können. Abschattungseffekte können beispielsweise mittels zweier nacheinander bzw. sequentiell durchgeführter Aufnahmen herausgerechnet werden. Durch die beiden getrennten Aufnahmen unter jeweils einer aus einer anderen Richtung einfallenden Beleuchtung des oder der Messobjekte können auf verschiedenen Seiten des oder der Messobjekte entstehende Abschattungen jeweils durch eine Beleuchtung von der anderen Seite ausgeleuchtet werden.
Abgesehen von den oben im Verlauf dieser Anmeldung beschriebenen Vorteilen weist die Sensorvorrichtung folgende weitere Vorteile auf:

• Die Sensorvorrichtung kann auf einfache Weise in bereits bestehende Bestückvorrichtungen integriert bzw. mit bestehenden Bestückvorrichtungen kombiniert werden.
• Die Sensorvorrichtung erlaubt im Vergleich zu bekannten optischen 3D-Messsystemen eine sehr schnelle Vermessung, so dass durch eine einer Bestückung nachgeschaltete Automatische Optische Inspektion die volle Bestückleistung bekannter Hochgeschwindigkeitsbestückautomaten beibehalten werden kann. Dies gilt auch für eine Online-3D Vermessung von Lotpastenaufträgen, welche vor einer Bestückung durchgeführt wird.
• Die Sensorvorrichtung kann stationär angebracht werden.

Eine 3D Vermessung kann deshalb ohne die Verwendung von bewegten Komponenten durchgeführt werden. Lediglich bei länglichen Objekten wie beispielsweise Bauelementeträgern ist eine eindimensionale Bewegung derselben beispielsweise mittels eines Transportbandes bzw. einer Transportstrecke erforderlich.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

100: Fertigungssystem
110: Bestückvorrichtung/Bestückautomat
112: Chassis
114: stationärer Trägerarm
114a: stationäre Linearführung
116: quer stehender Trägerarm
116a: Linearführung
118: Bestückkopf
120: Transportstrecke
122: Bauelementeträger/Leiterplatte
130: Inspektionsvorrichtung/Sensorvorrichtung
131: Lichtzeile
132: Haltevorrichtung
140: Sensormodul
230: Inspektionsvorrichtung/Sensorvorrichtung
233: Grundelement/Grundplatte
235: Array
240a: Sensormodul
240b: Sensormodul
240c: Sensormodul
240d: Sensormodul
242: Gehäuse
243: Justiereinrichtung
244: Kameraeinheit
245: Kamerasensor/Zeilensensor
246: Optik
248: Triggereinrichtung
249: Triggerleitung
250: Objektebene
252: Überlappungsbereich
255: Gesichtsfeld
290: Messobjekt/elektronisches Bauelement
340: Sensormodul
342: Gehäuse
344: Kameraeinheit
345: Kamerasensor/Zeilensensor
346: Optik
355: Gesichtsfeld
360: Beleuchtungseinheit
362: Lichtquelle mit optischem Element
366: Optik
390: Messobjekt/elektronisches Bauelement
440: Sensormodul
442: Gehäuse
444: Kameraeinheit
445: Kamerasensor/Zeilensensor
446: Optik
460: Beleuchtungseinheit
462: Lichtquelle mit optischem Element
466: Optik
470: weitere Beleuchtungseinheit
472: Lichtquelle mit optischem Element
476: Optik
490: Messobjekt/elektronisches Bauelement

Claims

Sensorvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten (290) nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat (122) aufgebrachten Bauelementen, die Sensorvorrichtung (130, 230) aufweisend • ein Grundelement (233), • ein an dem Grundelement (233) angebrachtes erstes Sensormodul (240a) und • ein an dem Grundelement (233) angebrachtes zweites Sensormodul (240b), wobei das erste Sensormodul (240a) und das zweite Sensormodul (240b) jeweils eine Beleuchtungseinheit (360) und eine Kameraeinheit (344) aufweisen, wobei die Beleuchtungseinheit (360) eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts (290, 390) unter einer Beleuchtungsrichtung und wobei die Kameraeinheit (344) eingerichtet ist zum Erfassen des zu vermessenden Objekts (290, 390) unter einer Beobachtungsrichtung, die zusammen mit der Beleuchtungsrichtung einen von Null verschiedenen Triangulationswinkel einschließt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend • zumindest ein weiteres Sensormodul (240c, 240d), welches ebenfalls eine Beleuchtungseinheit (360) zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts (290, 390) unter einer Beleuchtungsrichtung und eine Kameraeinheit (344) zum Erfassen des zu vermessenden Objekts (290, 390) unter einer von der Beleuchtungsrichtung verschiedenen Beobachtungsrichtung aufweist, wobei das erste Sensorelement (240a), das zweite Sensorelement (240b) und das zumindest eine weitere Sensorelement (240c, 240d) ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Array (235) bilden.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Gesichtsfelder (255, 355) der Sensormodule (240a, 240b, 240c, 240d, 340) auf einer Objektebene (250) jeweils zumindest so groß sind wie die lateralen Abmessungen der jeweiligen Sensormodule (240a, 240b, 240c, 240d, 340).
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zusätzlich aufweisend zumindest eine mechanische Justiervorrichtung (243), welche derart eingerichtet ist, dass die relative räumlich Beabstandung zwischen verschiedenen Sensormodulen (240a, 240b, 240c, 240d) einstellbar ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die einzelnen Sensormodule (240a, 240b, 240c, 240d) derart angeordnet sind, dass die Gesichtsfelder (255) zweier einander direkt benachbarter Sensormodule (240a, 240b; 240b, 240c; 240c, 240d) zumindest einen vorbestimmten Überlapp (252) aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend • eine Triggereinrichtung (248), welche mit den Sensormodulen (240a, 240b, 240c, 240d) gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass unmittelbar einander benachbarte Sensormodule (240a, 240b; 240b, 240c; 240c, 240d) zeitlich versetzt für jeweils eine Höhenvermessung aktivierbar sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Sensormodul (240a, 340) und/oder das zweite Sensormodul (240b, 340) zusätzlich eine weitere Beleuchtungseinheit (470) aufweisen, welche eingerichtet ist zum Beleuchten eines zu vermessendes Objekts (490) unter einer weiteren Beleuchtungsrichtung.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul (240a, 240b, 240c, 240d, 340, 440) eine Zeilenkamera (245, 345, 445) aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste, das zweite und/oder das weitere Sensormodul (240a, 240b, 240c, 240d, 340, 440) eine Flächenkamera (245, 345, 445) aufweist.
System zum Fertigen von elektronischen Baugruppen, das System (100) aufweisend • eine Bestückvorrichtung (110) zum Bestücken von Bauelementeträgern (122) mit elektronischen Bauelementen, und • eine automatische optische Inspektionsvorrichtung (130) zum dreidimensionalen Vermessen der Bauelementeträger (122), wobei die Inspektionsvorrichtung eine Sensorvorrichtung (130) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
System nach Anspruch 10, zusätzlich aufweisend • eine Transportstrecke (120) zum Transportieren der Bauelementeträger zwischen der Bestückvorrichtung (110) und der Inspektionsvorrichtung (130).
Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten (290) nach dem Prinzip der Triangulation, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen von auf einem elektronischen Schaltungssubstrat (122) aufgebrachten Bauelementen (290), das Verfahren aufweisend • Verwenden einer Sensorvorrichtung (130, 230) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte (290).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei • von unterschiedlichen Sensormodulen (240a, 240b) der Sensorvorrichtung (130, 230) jeweils ein zumindest zweidimensionales Bild aufgenommen wird und • die verschiedenen Bilder derart zu einem Gesamtbild aneinandergefügt werden, dass die einander zugewandten Randbereiche von in dem Gesamtbild aneinander angrenzenden Bildern eine möglichst große Übereinstimmung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei das dreidimensionale Vermessen der Objekte (290) auf der Grundlage einer Phasentriangulation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei zum dreidimensionalen Vermessen der Objekte (290) zumindest eine Kalibriertabelle verwendet wird, welche für verschiedene Abstände zwischen einem Objekt (290) und einem Objektiv (246) des jeweiligen Sensormoduls (240a, 240b, 240c, 240d) jeweils einen Vergrößerungsmaßstab enthält.