Bei der in sogenannten Bestückautomaten durchgeführten auto- matischen Bestückung von Leiterplatten oder Keramiksubstraten mit Bauelementen, insbesondere SMD-Bauelementen (Surface Mounted Device-Bauelemente), wird vor dem Bestücken die Lage des zu bestückenden Substrats mittels Einrichtungen zur Positionserfassung bestimmt. Unter dem Begriff Bauelemente werden im folgenden alle bestückfähigen Gegenstände erfasst, insbesondere elektronische, elektromechanische oder auch mechanische Bauelemente wie beispielsweise Abschirmbleche.

Die Positionserfassung erfolgt im allgemeinen mittels Visi- onssystemen, welche eine Kamera, beispielsweise eine CCD- Kamera, und eine Beleuchtungseinrichtung umfassen. Neben der Positionserfassung werden Visionssysteme auch zur Qualitäts- kontrolle verwendet. Dabei werden beispielsweise defekte Substrate, welche sich zusammen mit intakten Substraten auf einem Förderband befinden, erkannt und können somit aus dem automatisierten Bestückprozess entfernt werden.

Zur Positionserfassung der Substrate dienen auf den Substra- ten aufgebrachte Zentriermarkierungen. Für die Kennzeichnung defekter Substrate werden auf den Substraten aufgebrachte Ausschussmarkierungen benutzt, damit diese defekten Substrate im Rahmen der Qualitätskontrolle identifiziert und anschlie- ßend aus dem Bestückprozess entfernt werden können. Für bestückfähige Substrate werden unterschiedliche Materialien wie beispielsweise Keramik, Kunststoff, Hartpapier, kunst- stoffbeschichtete Pappe und/oder Epoxy-/Glasfaserverbunde

verwendet. Als Substrate werden aber auch Kunststoff-Folien eingesetzt, welche ein flexibles Material darstellen und somit ein Verbiegen oder sogar ein Falten ermöglichen. Auch für die Markierungen verwenden die Hersteller von Substraten unterschiedliche Materialien wie beispielsweise glänzende oder matte Metalle bzw. Metalloxide und/oder Kunststoff-oder Lackabdeckungen. Außerdem dienen als Markierungen häufig auch Bohrungen, welche in dem Substrat ausgebildet werden.

Die Hersteller von bestückfähigen Substraten spezifizieren die von ihnen hergestellten Substrate im allgemeinen nur bezüglich der elektrischen und nicht bezüglich der optischen Eigenschaften. Die optischen Eigenschaften der unterschiedli- chen für Substrate und Markierungen verwendeten Materialien variieren in der Regel sehr stark. Damit ist auch der durch eine Beleuchtung hervorgerufene Kontrast zwischen den aufge- brachten Markierungen und dem Substrat-Hintergrund großen Schwankungen unterworfen. Die Beleuchtung der Substrate ist daher so zu wählen, dass die auf den Substraten aufgebrachten Markierungen möglichst kontrastreich gegenüber dem Substrat- hintergrund dargestellt werden.

Für diesen Zweck ist aus der US 5 469 294 ein Beleuchtungs- system bekannt, welches eine oder mehrere Lichtquellen, lichtundurchlässige Trennwände und Spiegel aufweist. Mit dem Beleuchtungssystem werden Markierungen auf einem Substrat, beispielsweise einem Halbleiterwafer, beleuchtet, damit die Markierungen von einer Kamera erfasst werden können, welche parallel oder in einem Winkel zu dem Substrat ausgerichtet ist. Die Lichtquellen umfassen Leuchtdioden (LEDs) und in einem breiten Spektralbereich emittierende Glühlampen. Dun- kelfeldbeleuchtungen (die Beleuchtung erfolgt im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Kamera) und Hellfeldbeleuch- tungen (die Beleuchtung erfolgt im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Kamera) sind vorgesehen, um ein verbes- sertes Erkennen von sowohl hellen Markierungen auf dunklem Hintergrund als auch von dunklen Markierungen auf hellem

Hintergrund zu erreichen. Eine Lichtsteuereinheit ermöglicht eine manuelle oder eine automatische Steuerung der Lichtin- tensität.

Aus der WO 99/20093 ist eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, welche mehrere Beleuchtungseinheiten aufweist, die jeweils Licht in einem zueinander unterschiedlichen Spektralbereich emittieren. Die Beleuchtungseinheiten können separat in ihrer Intensität variiert werden. Dadurch wird eine Beleuchtung mit variabler Spektralverteilung erzielt, durch die ein ausrei- chender Kontrast bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien sowohl für die Zentriermarken als auch für die Leiterplatten gewährleistet ist.

Bisher bekannte Beleuchtungseinrichtungen zeichnen sich durch eine spezielle Kombination von Beleuchtungsspektrum und Beleuchtungswinkel aus. Die im Einzelfall verwendete Beleuch- tung wird dabei aus einer Vielzahl von möglichen Beleuch- tungsspektren und Beleuchtungswinkeln speziell für ein be- stimmte Substrat ausgewählt, wobei die Auswahl im wesentli- chen von dem Material des Substrats und einer eventuellen Materialbeschichtung sowie von dem Material und der Art der auf dem Substrat aufgebrachten Markierungen abhängt. Der Bediener ist deshalb gezwungen, bei einem Wechsel von zu bestückenden Substraten die Beleuchtung auszutauschen und/oder manuell umzubauen, so dass die Beleuchtung für die neue Kombination aus den Materialien für das Substrat und den darauf angebrachten Markierungen eine möglichst hohen Kon- trast zwischen Substrat-Hintergrund und Markierungen ermög- licht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optische Sensorvor- richtung zu schaffen, welche für eine Vielzahl von verschie- denen Kombinationen aus Substratmaterial und Material für die auf dem Substrat aufgebrachten Markierungen eine für eine zuverlässige optische Erfassung der Substrate geeignete Beleuchtung sicherstellt, wobei bei einem Wechsel von Sub-

strat-und/oder Marken-Material eine manuelle Anpassung der Sensorvorrichtung nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Sensorvorrichtung mit einem Lichtdetektor, mit einer Abbil- dungsoptik, welche ein Messfeld eines zu erfassenden Objekts auf den Lichtdetektor abbildet, wobei der Lichtdetektor auf der optischen Achse der Abbildungsoptik angeordnet ist und mit einem Strahlteiler, welcher auf der optischen Achse zwischen dem Lichtdetektor und dem Messfeld winklig zu der optischen Achse angeordnet ist. Die optische Sensorvorrich- tung umfasst ferner eine erste Beleuchtungseinheit, welche das Messfeld in einem schrägen Winkel beleuchtet, eine zweite Beleuchtungseinheit, welche nach einer Reflexion an dem Strahlteiler das Messfeld im wesentlichen parallel zu der optischen Achse beleuchtet, und eine dritte Beleuchtungsein- heit, welche das Messfeld im wesentlichen annähernd parallel zu der optischen Achse beleuchtet, wobei zumindest eine der drei Beleuchtungseinheiten zumindest zwei in voneinander unterschiedlichen Spektralbereichen emittierende Leuchtele- mente aufweist.

Gemäß zwei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen zumindest zwei der drei Beleuchtungseinheiten, insbesondere die zweite und die dritte Beleuchtungseinheit, zumindest zwei in voneinander unterschiedlichen Spektralbereichen emittie- rende Leuchtelemente auf. Damit hat die erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung den Vorteil, dass außer den an- fänglichen Einstellungen von Beleuchtungsspektrum und Be- leuchtungswinkel, welche vor Inbetriebnahme der optischen Sensorvorrichtung durchgeführt werden müssen, kein weiterer mechanischer Umbau oder eine sonstige Justierung der opti- schen Sensorvorrichtung erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtdetektor eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera. Damit kann auf vorteilhafte Weise ein handelsüblicher CCD-oder

CMOS-Chip als Lichtdetektor verwendet werden, so dass die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kostengünstig realisiert werden kann.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist zwischen der ersten Beleuchtungseinheit und dem Messfeld, zwischen der zweiten Beleuchtungseinheit und dem Strahlteiler und/oder zwischen der dritten Beleuchtungseinheit und dem Messfeld ein Diffusor angeordnet. Die erfindungsgemäße Verwendung von Diffusoren hat den Vorteil, dass die Lichtintensität von unerwünschten Reflexionen reduziert und somit der von dem Lichtdetektor erfasste Kontrast erhöht werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin- dung weist die erste Beleuchtungseinheit eine im blauen Spektralbereich emittierende Lichtquelle auf. Die erfindungs- gemäße schräge Beleuchtung des Messfeldes mit blauen Licht hat den Vorteil, dass insbesondere metallisch reflektierende Marken, welche sich auf einem hellen Hintergrund, beispiels- weise auf einem Keramiksubstrat, befinden, mit hohem Kontrast von dem Lichtdetektor erfasst werden können.

Gemäß zwei weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die zweite Beleuchtungseinheit und/oder die dritte Beleuchtungseinheit eine weißes Licht emittierende Lichtquelle und eine im infraroten Spektralbereich emittie- rende Lichtquelle auf. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass durch eine in einem steilen Winkel auftreffende weiße Beleuchtung insbesondere verzinnte Markierungen zuver- lässig erfasst werden können. Da verzinnte Markierungen besonders häufig verwendet werden, stellt die weiße Beleuch- tung, welche in einem steilen Winkel bevorzugt als diffuses Licht auf das zu vermessende Substrat auftrifft, die am häufigsten verwendete Standardbeleuchtung der optischen Sensorvorrichtung dar. Die infrarote Beleuchtung, welche in einem steilen Winkel auf das zu vermessende Substrat auf- trifft, ist insbesondere dann geeignet, wenn die auf dem

entsprechenden Substrat aufgebrachten Markierungen zum Bei- spiel durch Lötstopplack überdeckt sind. Die Erfassung von überdeckten Markierungen wird zusätzlich verbessert, wenn das steil auf das zu vermessende Substrat auftreffende infrarote Licht außerdem als diffuses Licht auf das Substrat fällt.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest eine der Lichtquellen eine Leuchtdiode. Leuchtdio- den haben gegenüber anderen Lichtquellen den Vorteil, dass sie zum einen sehr preiswert sind und zum anderen eine hohe Lebensdauer sowie einen geringen elektrischen Energie- verbrauch aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorvorrichtung zusätzlich eine Steuervorrichtung auf, an welche die Lichtquellen angeschlossen sind und mittels wel- cher die einzelnen Lichtquellen unabhängig voneinander an- steuerbar sind. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Inten- sität als auch der zeitliche Verlauf der von den einzelnen Lichtquellen emittierten Strahlung individuell festgelegt werden kann und somit für verschiedene Kombinationen von Substratmaterial und Material für die auf dem Substrat aufge- brachten Markierungen eine optimale Beleuchtung erzielt werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuervor- richtung einen Parameterspeicher zur Speicherung einer Mehr- zahl von Parametern auf, welche für unterschiedliche Arten der Beleuchtung unterschiedliche Ansteuerungen der Lichtquel- len festlegen. Damit können für eine Vielzahl von verschiede- nen Kombinationen aus Substratmaterial und für die Markierun- gen verwendetes Material die Parameter für geeignete Beleuch- tungen gespeichert und bei einem Wechsel der zu erfassenden Materialienkombination aus Substratmaterial und Markierungs- material zuverlässig und schnell die für die neue Materia- lienkombination geeignete Beleuchtung eingestellt werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die Integration verschiedener Kombinationen von Beleuchtungs- spektren und Beleuchtungswinkeln in einer einzigen Sensorvor- richtung und durch eine die einzelne Beleuchtungseinheiten ansteuernde Steuereinheit eine automatische Optimierung der Beleuchtungsparameter für eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien für Substrat und auf dem Substrat angeordneten Markierungen vorgenommen werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Sensorvorrich- tüng gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbei-* spiel der Erfindung.

In Figur 1 ist eine optische Sensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Sensorvorrichtung 100 weist einen Lichtdetektor 101, eine Abbildungsoptik 102, einen Strahlteiler 103, eine erste Beleuchtungseinheit 110, eine zweite Beleuchtungseinheit 120 und eine dritte Beleuchtungseinheit 130 auf. Die optische Sensorvorrichtung 100 wird erfindungsgemäß dazu verwendet, eine Oberfläche 141 einer Leiterplatte 140 zu erfassen. Auf der Oberfläche 141 der Leiterplatte 140 befinden sich Markie- rungen (nicht dargestellt), anhand welcher die Position der Leiterplatte 140 bestimmt wird. Die Leiterplatte 140 liegt im allgemeinen mit ihrer Leiterplatten-Unterseite 142 auf einem Förderband (nicht dargestellt) auf. Die Leiterplatte 140, der Strahlteiler 103, die Abbildungsoptik 102 und der Lichtdetek- tor 101 sind auf der optischen Achse (nicht dargestellt) der Abbildungsoptik 102 angeordnet. Zwischen Lichtdetektor 101, welcher gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein CCD-Chip oder eine CMOS-Kamera ist, und der Abbildungsoptik 102 ist ferner eine Zentrierblende 105 ange- ordnet. Die zu vermessende Leiterplatte 140 befindet sich auf

der Objektseite der Abbildungsoptik 102. Dementsprechend befindet sich der Lichtdetektor 101 auf der Bildseite der Abbildungsoptik 102. Die Abstände zwischen der Oberfläche 141 der Leiterplatte 140 und der Abbildungsoptik 102 sowie zwi- schen der Abbildungsoptik 102 und dem Lichtdetektor 101 sind derart gewählt, dass ein Messfeld (nicht dargestellt), mit- tels welchem ein Teilbereich der Oberfläche 141 der Leiter- platte 140 erfasst wird, durch die Abbildungsoptik 102 auf den Lichtdetektor 101 abgebildet wird.

Die Aufgabe der drei Beleuchtungseinheiten 110,120 und 130 besteht darin, dass von dem Lichtdetektor 101 mittels der Abbildungsoptik 102 erfasste Messfeld so zu beleuchten, dass die auf der Oberfläche 141 der Leiterplatte 140 befindlichen Strukturen, welche innerhalb des Messfeldes (nicht darge- stellt) liegen, mit möglichst hohem Kontrast von dem Lichtde- tektor 101 erfasst werden können. Um eine möglichst kontrast- reiche Erfassung zu erreichen, erfolgt die Beleuchtung des Messfeldes über verschiedene Beleuchtungswinkel.

Mittels der ersten Beleuchtungseinheit 110, welche zwei Leuchtdioden 111,111'aufweist, wird das Messfeld relativ zu der optischen Achse der Abbildungsoptik 102 in einem schrägen Winkel beleuchtet. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungs- beispiel der Erfindung emittieren die beiden Leuchtdioden 111,111'Licht im blauen Spektralbereich. Eine derartige schräge Beleuchtung mittels blauem Licht führt dazu, dass insbesondere metallisch reflektierende Markierungen, welche auf einem hellen Hintergrund, beispielsweise auf einem Kera- mik-Substrat, von der Sensorvorrichtung 100 zuverlässig erfasst werden können. Mittels der zweiten Beleuchtungsein- heit 120, welche eine weißes Licht emittierende Leuchtdiode 121 sowie eine infrarotes Licht emittierende Leuchtdiode 122 aufweist, wird das Messfeld der Sensorvorrichtung 100 annä- hernd parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik 102 beleuchtet. Diese zur optischen Achse der Abbildungsoptik 102 annähernd parallele Beleuchtung des Messfeldes wird dadurch

erreicht, dass das von den beiden Leuchtdioden 121 und 122 emittierte Licht an dem Strahlteiler 103 zumindest teilweise reflektiert wird und somit das Messfeld annähernd parallel zu der optischen Achse der Abbildungsoptik 102 beleuchtet wird.

Ein Diffusor 107, welcher zwischen den beiden Leuchtdioden 121 bzw. 122 und dem Strahlteiler 103 angeordnet ist, sorgt dafür, dass das Messfeld, welches über die Abbildungsoptik 102 von dem Lichtdetektor 101 erfasst wird, homogen, d. h. über die Fläche des Messfeldes verteilt mit konstanter Licht- intensität beleuchtet wird. Das auf der Oberfläche 141 der Leiterplatte 140 befindliche Messfeld wird ferner durch die dritte Beleuchtungseinheit 130 im wesentlichen annähernd parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik 102 beleuch- tet. Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die dritte Beleuch- tungseinheit 130 insgesamt sechs Leuchtdioden 131,132,133, 131', 132', 133'auf. Entsprechend der hier beschriebenen derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung emittieren die Leuchtdioden 131,132,131', 132'weißes Licht und die Leuchtdioden 133,133'emittieren infrarotes Licht. Um wie- derum eine möglichst homogene Beleuchtung des Messfeldes zu erzielen, sind zwischen den Leuchtdioden 131,132,133 und dem Messfeld sowie zwischen den Leuchtdioden 131', 132', 133' Diffusoren 106 angeordnet. Ein Gehäuse 104, welches schema- tisch in Figur 1 dargestellt ist, dient der Befestigung der für die Sensorvorrichtung 100 verwendeten optischen Komponen- ten, d. h. für die Befestigung des Lichtdetektors 101, der Abbildungsoptik 102, des Strahlteilers 103, der Zentrierblen- de 105, der Diffusoren 106,107 sowie für die Befestigung der drei Beleuchtungseinheiten 110,120 und 130. Die infrarote Beleuchtung des Messfeldes, welche durch die zweite Beleuch- tungseinheit 120 und die dritte Beleuchtungseinheit 130 erfolgt, ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn mit gutem Kontrastverhalten überdeckte Markierungen, beispielsweise mit Lötstopplack abgedeckte Markierungen, zuverlässig erfasst werden sollen.

Bei abgedeckten Markierungen wird mittels infraroter Beleuch- tung gegenüber einer Beleuchtung mit kürzeren Wellenlängen deshalb ein besseres Kontrastverhältnis erzielt, weil im allgemeinen das Material, mit dem die Markierungen abgedeckt sind, für infrarotes Licht eine höhere relative Transmission aufweist als für sichtbares Licht. Als Kompromiss zwischen dem Transmissionsvermögen des Abdeckungsmaterials der Markie- rungen und der Empfindlichkeit des verwendeten CCD-Sensors wird gemäß dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Licht in einem Spektralbereich um die Zentralwel- lenlänge von ca. 880 nm verwendet.

Die zweite Beleuchtungseinheit 120 und die dritte Beleuch- tungseinheit 330 sind jeweils so realisiert, dass die Leucht- dioden 121,122, die Leuchtdioden 131,132,133 und die Leuchtdioden 131', 132', 133'jeweils auf einer Platine angeordnet sind. Trotz dieser gemeinsamen Anordnung sind sämtliche Leuchtdioden 121,122,131,132,133,131', 132', 133'individuell von einer nicht dargestellten Steuervorrich- tung ansteuerbar. Dadurch kann durch gezieltes Ausblenden des Hellfeldanteils abhängig von den Materialien der Leiterplatte und der Leiterplatten-Markierungen eine weitere Kontrastver- besserung erreicht werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung keineswegs auf die anhand von Figur 1 erläuterte Ausführungs- form beschränkt ist. So kann beispielsweise für die drei Beleuchtungseinheiten 110,120 und 130 im Prinzip jeweils eine beliebige Anzahl von Leuchtdioden verwendet werden, wobei die einzelnen Leuchtdioden in beliebigen Spektralberei- chen Licht emittieren können.