Höchste Auflösung durch adaptiertes Objektivdesign Jens Kokott, André Hacke, Göpel electronic GmbH, Jena

Für die Bildaufnahme innerhalb eines AOI-Systems hat sich der Einsatz von CCD-Matrix-Kameras zu einem Quasi-Standard entwickelt. Gegenüber Scannerlösungen bieten Systeme mit Flächenkameras eine höhere Flexibilität hinsichtlich Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten sowie insgesamt eine geringere optische Verzeichnung bei einer höheren Auflösung. Für die Bewertung der Erkennungsleistung von AOI-Systemen ist häufig – unabhängig von der Art der Bildaufnahme – die Pixelauflösung mit der Einheit „µm/Pixel“ anzutreffen. Dieses Maß stellt jedoch vielmehr einen theoretischen Wert dar, bei dem der Einfluss von entscheidenden Objektivparametern wie Beugungserscheinungen oder Abbildungsfehlern nicht berücksichtigt wird. Einen signifikanten Anteil an der Detailerkennung bildet vielmehr die Konstruktion des optischen Systems sowie dessen optimale Anpassung an die verwendete CCD-Matrix. Die Grundlagen dazu sollen nachfolgend erläutert werden.

Einer der wichtigsten Parameter für das optische Auflösungsvermögen von Objektiven ist deren numerische Apertur. Sie kann als ein Maß für das Lichtsammelvermögen eines optischen Systems verstanden werden und wird typischerweise durch Blenden innerhalb des Objektivs bestimmt. Diese sind aufgrund der Wellentheorie des Lichtes für auftretende Beugungserscheinungen verantwortlich, was wiederum bewirkt, dass z. B. ein idealer Objektpunkt nie als Punkt, sondern immer als mehr oder weniger stark „verschmierte Scheibe“ abgebildet wird. Die mathematische Funktion eines solchen Lichtpunktes vor Eintritt und nach Verlassen des Objektivs ist in Bild 2 dargestellt. Befindet sich hinter dem Objektiv die CCD-Matrix, ergibt sich zusätzlich durch die Pixelgröße eine Aufweitung des Lichtpunktes.

Betrachtet man nun die gesamte Bildaufnahmekette lässt sich feststellen, dass aus dem ursprünglichen Lichtpunkt mit minimalem Durchmesser im aufgenommenen Kamerabild eine Fläche von 3 x 3 Pixeln entstanden ist. Spätestens hier wird deutlich, dass in einem solchen Fall eine Erhöhung der Pixelauflösung (µm/Pixel), z. B. durch eine größere Pixelanzahl der CCD-Kamera) keinerlei Gewinn hinsichtlich einer Verbesserung der Detailerkennung bringen würde. Es ist im Gegensatz sogar offensichtlich, dass das Auflösungsvermögen des eingesetzten Bildsensors nicht vollständig ausgenutzt wurde. Eine analoge Situation ergibt sich bei der Abbildung eines Hell/Dunkel-Übergangs (optische Kante). Nach dem Verlassen des Objektivs ist auch eine solche Kante über eine größere Anzahl von Pixeln „verschmiert“. Diese Situation ist in Bild 4 dargestellt.

Es lässt sich somit feststellen, dass eine Detailabbildung vordergründig durch die Qualität des verwendeten Objektives bestimmt wird. Eine Erhöhung der Pixelanzahl würde keinerlei Verbesserung bringen – sondern im Gegenteil nur zu einer Vergrößerung der Datenmenge mit den bekannten Konsequenzen führen. Schweift man bei Kenntnis dieser physikalischen Gegebenheiten in die kommerzielle Fotografie ab, so lässt sich auch hier herausstellen, dass für hochwertige Fotos vielmehr die Qualität der eingesetzten Optik als die Anzahl der Pixel verantwortlich ist.

Wie im vorangegangen Abschnitt bereits erwähnt, ist die Optimierung der in der Kamera eingesetzten Optik der einzig sinnvolle Weg, die Auflösung eines Bildaufnahmesystems signifikant zu erhöhen. Das Objektiv ist dabei unter Berücksichtigung der einzusetzenden CCD-Matrix in der Form zu konstruieren, dass die durch Beugung verursachte Unschärfe der Optik kleiner der Pixelgröße der eingesetzten CCD-Matrix ist. Durch ein solches pixeladaptiertes Objektiv ist bei gleichbleibender Pixelanzahl der Kamera eine effektive Auflösungssteigerung hinsichtlich der Detailerkennung möglich. Diese Situation ist in den Bild 5 bildlich dargestellt. Der Einsatz einer auf dieser Basis konstruierten Optik bringt selbstredend nicht nur Verbesserungen bei der punktweisen Abbildung, sondern auch bei der Bildaufnahme von optischen Kanten (Bild 6).

Betrachtet man Bauteile der Bauform 01005 als momentan kleinste eingesetzte Komponenten, so weisen diese eine Größe von 0,4 x 0,2 mm auf. Die Lötstelle erstreckt sich dabei typischerweise auf ca. 0,15 x 0,08 mm. Bei einer Pixelauflösung von 21 µm/Pixel bedeutet dies, dass der Lötmeniskus immerhin auf ca. 28 Pixel (ca. 7 x 4 Pixel) abgebildet wird – das gesamte Bauteil überstreicht sogar 180 Pixel. Für die relevanten Merkmale ergeben sich somit selbst bei fertigungs- oder layout-bedingten Toleranzen eine hinreichend große Anzahl von Bildpunkten für die Auswertung.

In der Realität stehen jedoch – begrenzt durch das Auflösungsvermögen der eingesetzten Optik – diese Bildpunkte nicht in der benötigten Qualität für ausreichende Strukturerkennung zur Verfügung. Entsprechend den oben aufgeführten Darstellungen erfolgt bei Einsatz eines Objektivs, welches nicht optimal an die Pixelgeometrie der Kamera angepasst wurde, eine „Verschmierung“ der relevanten Merkmalsbereiche. Eine alleinige Erhöhung der Pixelauflösung (z. B. auf 10 µm/Pixel) führt dabei zu keinerlei Verbesserung der Erkennungsergebnisse. Eine Anpassung des Objektives an die Pixelgeometrie der Kamera erlaubt hingegen die Prüfung ohne Erhöhung der Pixelanzahl bzw. Pixelauflösung.

Basierend auf dieser physikalischen Gesetzmäßigkeit wurde das Bildaufnahmekonzept der OptiCon-Systemfamilie konsequent weiterentwickelt. Durch den Einsatz eines pixeladaptierten Objektivs ist eine Detailerkennung möglich, welche eine sichere Inspektion von Bauformen der Größe 01005 bzw. Lötstellen an einem Raster von 0,3 mm gewährleistet. Selbstverständlich wurde dabei die bewährte telezentrische Abbildung zur fehlerfreien Bildaufnahme unabhängig von Lage und Höhenausdehnung der Bauelemente beibehalten.

Zur Erhöhung der statistischen Sicherheit bei der Verarbeitung durch die jeweiligen Erkennungsalgorithmen wird weiterhin auf Basis einer merkmalsoptimierten Transformation die Auflösung auf 10,5 µm/Bildpunkt erhöht. Zusätzlich ermöglicht diese größere Pixelanzahl eine bessere visuelle Darstellung und erweist sich als vorteilhaft für die Bedienung, z. B. bei der manuellen Anpassung von Prüfbereichen.

Für die Prüfung kleinster Bauelemente und Lötstellen ist die alleinige Erhöhung der Pixelauflösung (z. B. durch CCD-Kameras mit größerer Pixelanzahl) kein sinnvoller Weg im Hinblick auf die benötigte Detailerkennung. Die typischerweise limitierende Komponente in einem solchen optischen System ist vielmehr das eingesetzte Objektiv. Zum Erreichen der maximalen Erkennungsmöglichkeit ist dieses hinsichtlich seines optischen Auflösungsvermögens an die Pixelgröße der verwendeten Kamera anzupassen. Daran anschließende Transformationsverfahren erhöhen die statistische Sicherheit der eingesetzten Algorithmen und tragen zusätzlich zu einer optimalen visuellen Darstellung und Bedienbarkeit bei.