An den Grenzen des Machbaren

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Foto- und Fachjournalist Tel. 0711/755956, Fax 0711/752198, Kamillo.Weiss@kamillo-pr.de

Schnelle dreidimensionale Bildverarbeitungs-Technologien werden in der Qualitätskontrolle komplizierter Bauteile immer wichtiger, weil sie den taktilen Messsystemen in Geschwindigkeit, Flexibilität, Präzision und Analysemöglichkeiten in zunehmender Weise überlegen sind. Ganz im Sinne des Sprichwortes: „Ein Bild sagt mehr als tausende Worte“, können schwierige vielschichtige Zusammenhänge und viele Objektparameter mittels der Bildanalyse mit einem einzigen Blick erfasst werden.

Noch vor wenigen Jahren war es kaum vorstellbar, dass man – innerhalb der industriellen Fließbandfertigung mit kurzen Taktzeiten – die hundertprozentige Qualitätssicherung von Produkten durch Hochpräzisionsmessung mit Messunsicherheit weniger Nanometer realisieren kann. Das gilt für Anwendungsbereiche in der Elektronik-, Flugzeug- und Automobilindustrie bis hin zum Formenbau von Mikroteilen höchster Präzision. Die herausragenden Leistungsmerkmale der EoSens Kamera liefern wichtige Beiträge für die wirkungsvolle Bildverarbeitung in diesem Umfeld der Hochpräzisionsmesstechnik.

Die seit langem bekannten Messverfahren der Interferometrie mit Hilfe unterschiedlicher Methoden gewinnen zunehmend an industrieller Bedeutung. Die rasanten Weiterentwicklungen in der Prozessortechnik mit höchster Rechenleistung, schneller hochauflösender Kameratechnik, Präzisionsoptiken und effektiv arbeitende Bildverarbeitungssoftware erschließen viele neue Möglichkeiten und Anwendungen. Eines der vielversprechenden Verfahren ist die Weißlichtinterferometrie. Damit kann die Topographie sowohl von rauen als auch glatten Objekten in höchster Präzision vermessen werden.

Viele Weißlichtinterferometer funktionieren nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers. In vereinfachter Weise kann man die Funktion so Beschreiben: Das Messobjekt und ein Referenzspiegel werden von einer kohärenten Lichtquelle beleuchtet, indem die Lichtwellen durch einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) in zwei Teile aufgeteilt werden. Das vom Messobjekt und Referenzspiegel reflektierte Licht durchläuft wiederum den Stahlteiler und die Lichtwellenüberlagerungen werden als Interferenzmuster auf dem Bildsensor der Kamera erfasst. Diese Helligkeitsschwankungen werden durch spezielle Software ausgewertet und es kann so jedem Pixel ein Höhenwert zugeordnet und daraus ein Höhenprofil der Oberfläche erstellt werden. Die dabei erzielbare Messunsicherheit geht bis in den Bereich weniger Nanometer. Wird das Verfahren Schichtweise (Höhe Z) durchgeführt, so können auch komplexe Strukturen in ihrer gesamten Höhe (Beispiel Kontaktstifte) extrem präzise erfasst werden.

Mit der auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie gründenden Sensor-Produktfamilie KORAD3D bietet die Firma 3D-Shape kundenspezifische Lösungen von Messaufgaben höchster Präzision für die verschiedensten industriellen Branchen an. Mit Messfeldern von minimal 0,24 x 0,18 mm bis maximal 50 x 50 mm decken diese kompakten und in die Fertigungslinien integrierbaren Messsysteme ein breites Anwendungsfeld ab. Die erzielbare Messgenauigkeit ist dabei direkt abhängig von der erforderlichen Messfeldgröße, der verwendeten Optik und der Kameraauflösung.

Deshalb ist einer der zentralen Punkte dieser Messsysteme die Leistungsfähigkeit der integrierten Kamera. Aus Gründen der Flexibilität in der Anwendung sind größere Messfelder vorteilhaft, was gleichzeitig nachteilig für die damit erzielbare Messgenauigkeit ist. Deshalb ist die Bildauflösung und Bildqualität der Kamera ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit des Systems Korad. Bei vielen Anwendungen besteht die Notwendigkeit die gesamte Struktur durch mehrere Schichten zu erfassen, und das in den sehr kurzen Taktzeiten innerhalb der Fertigungslinien. Eine Verdopplung der Messtiefe bewirkt auch die doppelte Messzeit. Das Problem gleicht damit der Quadratur des Kreises. Erforderlich ist die Megapixelauflösung der Kamera, die gleichzeitig mit hohen Bildfrequenzen und daraus folgenden großen Datenraten extrem schnell bewältigt werden muss. Die Bilder müssen in Echtzeit erfasst, übertragen und ausgewertet werden. Hinzu kommen natürlich auch noch die sehr wichtigen Aspekte der Bildqualität wie beispielsweise das Kontrast- und Rauschverhalten, als auch die Lichtempfindlichkeit.

Auf der Suche nach einer Kamera die all diese hohen Anforderungen der Bildverarbeitung bestmöglich erfüllt, kamen nur wenige in die engere Wahl. Weil das Erlanger Unternehmen sich an der Grenze des physikalisch Machbaren bewegt, benötigte es eine Kamera auf dem neuesten technologischen Stand. Der Tipp eines CMOS Sensorherstellers lieferte den entscheidenden Hinweis. Letztendlich war die EoSens Kamera von Mikrotron – nach Aussage der Entwicklungsleitung – die einzige Kamera die allen Anforderungen gerecht wird. Daher entschloss man sich die Produktfamilie der Messsysteme KORAD3D mit dieser Kamera auszurüsten. Neben der ganzen Kette von herausragenden Leistungsdaten ist diese Kamera auch noch recht kompakt gebaut, was die Systemintegration vereinfacht.

Bei einer Vollbildauflösung von 1.280 x 1.024 Pixeln liefert die Kamera über die Hochleistungs-Schnittstelle Basic/Full CameraLink (160/700 MB/Sekunde) bis zu 500 Bildern pro Sekunde. Diese Spezifikation erwies sich für das Erlanger Unternehmen als Vorteil. Beispielsweise für einen Kunden aus der Elektronikindustrie konnte man die Kontrolle von noch unbestückten Leiterplatten mit einer Bildfrequenz von 180 B/S realisieren. Aber auch die Bildrate bis zu 500 fps (frames per Second) wird in Anwendungen eingesetzt. Die herausragende Lichtempfindlichkeit der EoSens von 2.500 ASA erwies sich als Vorteil, weil sich der Aufwand an Beleuchtungssystemen günstiger gestalten lies und eine höhere Bandbreite von Helligkeit/Kontrast für die Bildverarbeitung verfügbar ist. Diese Lichtempfindlichkeit basiert unter anderem auf der großen Fläche eines einzelnen Pixels von 14 x 14 µm und dem hohen Pixel-Füllfaktor von 40 %.

Hinzu kommt die zuschaltbare Belichtungsoptimierung. Sie passt die üblicherweise linear verlaufende Bilddynamik des CMOS-Sensors über zwei wählbare Stufen an die nicht-lineare Dynamik des menschlichen Auges an. Das erzielt auch bei extremen Hell-Dunkel-Unterschieden – durch die Unterdrückung der hellen Bereiche – klare Details in allen Bereichen. Das ist gerade in der anspruchsvollen Bildverarbeitung von großem Vorteil.

Bei den für das System Korad zu bewältigenden Taktraten ist jeder Beitrag zur Beschleunigung der Datenverarbeitung wichtig. Dazu zählt auch die im Bildfeld in Größe und Lage frei definierbare RoI-Funktion (Region of Interest). Damit wird das auszuwertende Aufnahmefeld der jeweiligen Aufgabe angepasst und durch Datenreduktion die Auswertung beschleunigt. Gleichzeitig kann damit auch die Bildfrequenz extrem gesteigert werden. Die in der Kamera integrierte Multiple RoI – Definition von bis zu drei unterschiedlichen Bildfeldern im Gesamtbild – wird bei den derzeitigen Anwendungen noch nicht genützt. Es werden aber damit bereits interessante Lösungsansätze verfolgt.

Um die Messgenauigkeit der vom System Korad erstellten Topographien eines Objektes in einer engen Bandbreite zu halten, müssen viele Merkmale der Abbildungsqualität ein leistungssteigerndes Ganzes bewirken. Der Global Shutter der EoSens friert gewissermaßen das aufgenommene Vollbild komplett ein und speichert es in Echtzeit ab, während die Belichtung des nächsten Bildes erfolgt. Das liefert verzerrungs- und schmiereffektfreie Bilder dynamischer Vorgänge. Neben dem C-Mount Objektivanschluss besteht auch die Option des F-Mount. Letzterer ermöglicht es die Kamera und das Objektiv zu einer festen kalibrierten Einheit zu verbinden. Auch das ist letztlich ein Beitrag zur Steigerung der Auswertepräzision.

Die Weißlichtinterferometrie liefert noch viele ungenutzte Möglichkeiten von extrem präziser dreidimensionaler Qualitätskontrolle innerhalb von Fertigunglinien. Beispielsweise die Kontrolle von Leiterplatten, die Kontaktstifte von Ball-Grid-Arrays oder auch die Schnittkante von Wendescheidplatten. Die Kette von vorteilhaften Leistungsmerkmalen und Spezifikationswerten der EoSens Kamera ermöglichten zusammen mit der Systemtechnologie von Korad die Realisierung von kundenspezifischen dreidimensionalen Messaufgaben bis in den Mikrobereich. Die vielen Vorteile dieser Kamera lieferten einen entscheidenden Beitrag um das gesamte Engineering der Kontroll- und Prüfaufgaben zu minimieren.

Mikrotron, Unterschleißheim

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QE 507

Mikrotron GmbH in Unterschleißheim bei München entwickelt, fertigt und vertreibt digitale Hochgeschwindigkeitskameras, Bildverarbeitungskomponenten und High-Speed–Aufzeichnungssysteme für Industrie, Forschung und Entwicklung weltweit. Als Spezialunternehmen für die industrielle Bildverarbeitung vertreibt Mikrotron auch Industriekameras führender Hersteller sowie Bildverarbeitungs-Software.