Verfahren zur Erfassung von bewegten Objekten

Die Erfindung betrifft die Aufnahme von Objektbildern, wobei sich bewegte Objekte relativ zur Kamera in einem Objektraum, der von der Kamera aufgenommen wird, bewegen.

Werden eindimensional abbildende Kamerasysteme, beispielswei- se Zeilenkameras, für die optische Inspektion von auf einem

Transportband bewegten Teilen eingesetzt, so ist die Bildqualität entscheidend von der Synchronisation der Zeilenkamera in Bezug auf die Bandgeschwindigkeit abhängig. Gerade bei Bildern, die aus Bildzeilen bestehen, wird eine instabile Bandgeschwindigkeit größere Bildfehler oder Bildverzerrungen bei dem aufgenommenen Bild eines Objektes erzeugen. Bei kleinen Abbildungsmaßstäben ist die Triggerung der Zeilenkameras über einen Drehgeber, der am Antrieb oder einer Rolle des Transportbandes das Signal abnimmt, nur bedingt zur Regelung geeignet.

Im Stand der Technik wird, falls für die Objektabbildung eine Zeilenkamera verwendet wird, mithilfe eines Drehgebers synchronisiert. Dies bedeutet, dass mittels der Impulse des Drehgebers getriggert wird.

Anders betrachtet ist bei der optischen Inspektion bewegter Teile die Bildaufnahme zum geeigneten Zeitpunkt aufzunehmen. Wird die Bildaufnahme zu spät gestartet, so ist das aufzuneh- mende Objekt schon teilweise oder ganz außerhalb des Bildfeldes bzw. des Objektraumes. Im Normalfall wird hierfür ein Sensor, wie beispielsweise eine Lichtschranke verwendet, mit der die Kamera so getriggert wird, dass eine rechtzeitige Bildaufnahme stattfindet. Es sind jedoch Fälle denkbar, bei denen eine Triggerung mit einem externen Sensor nicht mehr möglich ist. Dies ist beispielsweise der Fall bei stark schwankender Bewegung von Objekten. Es kommt erschwerend hinzu, dass, falls es sich bei den abzubildenden Objekten um Teilobjekte eines größeren Objektes handelt, beispielsweise um die optische Inspektion von Halbleiterchips auf Wafern, unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe erforderlich sind.

In diesem Fall wird bisher mit einem externen Sensor eine Lichtschranke eingesetzt, um das System zu triggern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abbildung bewegter Objekte mittels eines stationären Kamerasystems zu be- schreiben, wobei unregelmäßige oder schnelle Objektbewegungen zu hinsichtlich einer Bildaufnahme zu beherrschen sind.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1 oder 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die Objektabbildung eingesetzte, eindimensional auflösende zwei Kameras in einem Messkopf derart relativ zu einer optischen Achse etwa um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass das jeweilige Bild dieser Kameras oder der Kameraoptik auf dem Objekt in Bewegungsrichtung des Objektes längs gestreckt ausgerichtet ist. Dabei wird dieses Kamerasystem zur Ermittlung der Bildverzerrung, beispielsweise durch ungleich- mäßige Bewegung der Objekte, benutzt. Insgesamt wird die Objektverschiebung in den nacheinander aufgenommenen Bildern analysiert und für die Bildkorrektur verwendet.

Die zweite Kamera dient allgemein der Erfassung der Objektab- bildung, d. h. dass das Prüfobjekt zeilenweise von der zweiten Kamera abgescannt wird, gefolgt von eventueller Zwischen- speicherung und Zuordnung der einzelnen Bildzeilen zu einem zweidimensionalen Bild.

Eine andere Lösung der gleichen Aufgabe beruht auf der Kombination von zwei Kamerasystemen in einem einzigen Messkopf, wobei die eindimensional abbildende Kamera die Objektfläche ständig aufnimmt und erst bei Auftreten eines geeigneten Ab- bildungsprofils die zweidimensional auflösende Kamera über eine Synchronisationsschaltung triggert. Auch hier sind die beiden verwendeten Kameras relativ zur optischen Achse um etwa 90° gegeneinander versetzt. Die erste Kamera ist auch hier derart ausgerichtet, dass ihr Bild auf dem Objekt etwa parallel zur Bewegungsrichtung ausgebildet ist. Falls ein Objekt durch Aufnahme eines entsprechenden Zeilenprofils erkannt wird, wobei die Art des Objektes erfasst wird, so wird nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit die zweite Kamera akti- viert.

Es ist besonders vorteilhaft, unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe für unterschiedliche Kameras vorzusehen. Die einzelnen Kameras können vorteilhaft Zeilenkameras mit zugehöriger Op- tik und Beleuchtung sein.

Für den Fall, dass beide eingesetzten Kameras eindimensional auflösend funktionieren, können diese zu bestimmten Zeitpunkten gegeneinander getriggert werden. Die Triggerung geschieht vorteilhaft über eine Synchronisationsschaltung.

Im Folgenden werden anhand von schematischen, begleitenden Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.

Figur IA zeigt ein System zur Objekterfassung mit einer ersten eindimensional auflösenden Kamera Kl mit deren Bild Fl und einer zweiten zweidimensional auflö- senden Kamera K3 mit dem Bild F3 auf einem Objekt,

Figur IB zeigt eine Darstellung entsprechend

Figur IA, wobei beide eingesetzten Ka- meras eindimensional auflösende Typen sind und deren Bilder jeweils eine Zeile Zl, Z2 auf einem Objekt darstellen, Figuren 2A und 2B zeigen die zu den Figuren IA und IB zugehörige Form der Objektabtastung,

Figuren 3A und 3B zeigen mit Bezug auf die Figuren 2A und 2B eine Variante mit einer Synchronisation und einer Bildauswertung, wobei die Synchronisation jeweils die beiden eingesetzten Kameras betrifft, wobei auf der Basis der Ergebnisse der

Bildauswertung der Zeile Zl getriggert wird.

Es sind insbesondere folgende Merkmale mit entsprechenden Wirkungen in Zusammenhang mit der Erfindung zu nennen:

Ein Messsystem und ein Verfahren zur Erfassung von bewegten Objekten sind jeweils mit mindestens zwei eindimensional ab- bildenden Kameras verknüpft, wobei es sich entweder um Zeilenkameras Kl und K2 handeln kann oder um eine Zeilenkamera und eine zweidimensional auflösende Kamera.

Die Kameras Kl, K2, sind in Bezug auf eine optische Achse, welche in z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems verläuft, zueinander um ca. 90° um die Achse gedreht angeordnet. Dies bedeutet, dass das Bild Zl der ersten Zeilenkamera Kl längs zur Bewegungsrichtung BR des aufzunehmenden Objektes 1,2 verläuft, während das Bild Z2 der zweiten Kamera quer zur Bewegungsrichtung des PrüfObjektes ausgerichtet ist.

Die Zeilenkameras Kl, K2 können unterschiedliche Anzahl von Pixelelementen besitzen. Gleichzeitig kann der Abbildungsmaßstab jeder Kamera sich von dem anderer Kameras unterscheiden.

Die Bildfelder beider Kameras überlappen sich, wobei die Abbildungen der Kameras im Objektraum auch T-förmig ausgebildet sein können, wie es Figuren 2 A und 2B zu entnehmen ist. Bei- de aufnehmenden Kameras Kl und K2 werden zueinander zu bestimmten Zeitpunkten getriggert. Ein Sonderfall der Trigge- rung ist die gleichzeitige Triggerung der Bildaufnahme beider Kameras .

Die längs der Bewegungsrichtung BR von Objekten 1,2 aufnehmende Kamera Kl dient der Ermittlung der Bildverzerrung, die durch die ungleichmäßige Bewegung von Objekten entsteht. Hierzu wird die Objektverschiebung in nacheinander aufgenom- menen Bildern analysiert und für die Bildkorrektur verwendet.

Die Kamera K2 dient der Erfassung der Objektabbildung, was bedeutet, dass das Prüfobjekt zeilenweise mit der zweiten Kamera K2 abgescannt wird, gespeichert und bzgl. der einzelnen Bildzeile einem zweidimensionalen zu erstellenden Bild zugeordnet wird.

Die Zeilenkamera Kl wird in Verbindung mit einer Synchronisationsschaltung auch zur Triggerung der zweiten Kamera K2, K3 verwendet. Hierbei wird der für die Kamera Kl hinterlegte Abbildungsmaßstab verwendet. Auf dessen Basis kann durch entsprechende Pixelauswertung der günstigste Triggerzeitpunkt zur Aktivierung der zweiten Kamera K2, K3 abgeleitet werden und die Triggerung entsprechend gestartet werden.

Bei der ersten Kamera Kl handelt es sich um eine Zeilenkamera, die mit einer Bildaufnahme mehrerer Zeilen verbunden ist. Die zusätzlichen Bildteile werden für die Bestimmung der Lage des Objektes bzw. des Prüflings verwendet.

Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders für die Abbildung entlang einer optischen Achse mit bewegten Objekten mit Undefinierter Geschwindigkeit, wobei unterschiedliche Korrekturen bei der Bildaufnahme möglich sind, womit die Qua- lität der optischen Inspektion verbessert wird. Zusätzlich können mittels des entsprechenden Verfahrens insbesondere Messeinrichtungen einfacher und somit kostensparender in eine Fertigungslinie integriert werden. Für den Fall, dass die Erfindung mittels eines Systems von zwei Kameras realisiert wird, kann auch eine eindimensional auflösende und eine zweidimensional auflösende Kamera für die Kombination eingesetzt werden. Die eindimensional auflösende Kamera Kl ist dabei ständig funktionsfähig auf die Objektoberfläche gerichtet und erst bei Auftreten eines geeigneten Abbildungsprofils eines Objektes 1,2 wird die zweite zweidimensional auflösende Kamera K3 über eine Synchronisations- Schaltung getriggert. Das beschriebene Verfahren verwendet zumindest eine eindimensional auflösende Kamera Kl und eine zweidimensional auflösende Kamera K3. Als ständig betriebene, eindimensional auflösende Kamera kann auch eine Zeilenkamera mit mehreren Zeilen verwendet werden, mit der gleichzeitig eine Vielzahl von Bildzeilen gescannt wird. Bei Verwendung von mehreren Zeilenkameras im Kamerasystem dient die zusätzliche Information zur Verbesserung der Objekterkennung. Die Bildanalyse geschieht mittels einer Bildverarbeitungs- Hardware und entsprechender Analyse-Software.

Die Triggerung der zweidimensional auflösenden Kamera K3 erfolgt dann, wenn mit der eindimensional abbildenden Kamera Kl ein geeignetes Zeilenprofil, welches das aufzunehmende Objekt beschreibt, erfasst wird. Nach der Auffindung dieses vorgege- benen geeigneten Profils eines Prüfobjektes wird eine definierte Verzögerungszeit verstreichen, bevor die Bildaufnahme mit der zweidimensional auflösenden Kamera K3 gestartet wird.

Das Bildfeld beider Kameras überlappt sich derart, dass zu- mindest ein von Kamera Kl abgebildetes Bildelement auf dem von Kamera K2, K3 abgebildeten Bilds liegt.

Die optischen Nachbildungsmaßstäbe für beide Kameras Kl und K2 und auch K3 können unterschiedlich sein. Die Kamera Kl be- steht aus einer Zeilenkamera, welche mindestens eine Zeile gleichzeitig scannt und ggf. aus einer Optik Ol und einer Beleuchtung BR besteht. Die Kamera K2 besteht aus einer zweidimensional auflösenden Kameras, einer zweidimensional abbildenden Optik und einer Beleuchtung B. Die Kameras Kl und K2 bzw. K3 besitzen gemeinsame optische Elemente zur Abbildung des Objektes, d. h., sie überschneiden sich zumindest in einem Bildpunkt an der Objektoberfläche .

Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders für die Abbildung entlang einer optischen Achse entlang der Objekte mit Undefinierter Geschwindigkeit bewegt werden, wie beispielsweise Mikrostrukturen auf einem Förderband oder zu inspizierenden gedruckten Mikrostrukturen auf einer Folie. Ein Einsatz der Erfindung, insbesondere bei der Darstellung eines Messnadelaufbaus zur Prüfung elektronischer Bauelemente, mit einer korrespondierenden optischen Anordnung ist vorteilhaft.

Die Figuren IA, 2A und 3A zeigen die Lösungsvariante mit einer eindimensional auflösenden Kamera Kl, korrespondierend mit der Zeile Zl und kombiniert mit der zweidimensional auf- lösenden Kamera K3, die mit der Fläche F3 korrespondiert. Relativ zu der zentralen optischen Achse AX sind die Kameras Kl, K3 ca. um 90° verdreht angeordnet. Eine Einkoppelung der Strahlengänge erfolgt über Strahlteiler ST. Jeder Kamera ist eine Kameraoptik Ol, 02 zugeordnet. Weiterhin ist im zentra- len Strahlengang eine gemeinsame Optik 012 mit einer Beleuchtung B vorgesehen. Die Zeile Zl ist entsprechend der Bewegungsrichtung BR ausgerichtet, d. h. parallel zu dieser. Die Zeile Zl entspricht der Abbildung der Zeilenkamera Kl auf dem Objekt. Die Zeile Zl und die Fläche F3 überschneiden sich zu- mindest in einem Bildpunkt.

Die Figuren IB, 2B und 3B zeigen die Lösungsvariante mit zwei eindimensional auflösenden Kameras Kl, K2. Die Systemkomponenten sind im Übrigen im Wesentlichen gleich. Auf dem Objekt 1 ist auch die der Kamera Kl zugeordnete Zeile Zl, die in Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, angedeutet. Anstelle der Fläche F3 ist in Figur IB auf dem Objekt 1 die Abbildung der Zeile der Kamera K2 zu sehen mit der Bezeichnung Z2. Die Zeilen Zl und Z2 überschneiden sich zumindest in einem Bildpunkt. In der Figur 2B ist eine Objektabtastung angedeutet, wobei sich Zl und Z2 berühren und in einem Bildpunkt überschneiden können oder in einer größeren Anzahl von Bildpunkten eine Überlappung aufweisen. Figuren 3A und 3B enthalten eine Synchronisation und eine Bildauswertung für die Variante mit einer zweidimensional auflösenden Kamera K3.