česky english Vítejte, dnes je středa 08. prosinec 2021

Cyberoptics SQ3000 úspěšně řeší technické výzvy v oblasti 3D AOI

DPS 6/2017 | Výroba - články
Autor: Karel Malysz, MP elektronik technologie, Todd Liberty, Tim Skunes, CyberOptics Corporation

Výzvy v 3D optické inspekci a zobrazování osazených DPS

Automatická optická inspekce (AOI) vyřešila některé nedostatky kontroly přítomné v 2D AOI systémech přidáním 3D zobrazování, které poskytuje inspekčním algoritmům informaci o výšce, a může tak najít s ní související chyby, jako jsou zdvižené vývody a koplanarita pouzdra. Přesné zobrazení 3D povrchů osazených desek plošných spojů (DPS) nicméně představuje další výzvy pro kontrolní systémy. Většina moderních 3D systémů se spoléhá na nějakou formu triangulačního snímání, obvykle fázové profilometrie. Projektované světlo a optika snímače jsou umístěny pod úhlem a zjištěný posun optické mřížky určuje objekt. Rozsah této techniky snímání je určen vzdáleností posunutí při dosažení čáry optické mřížky. Toto je klíčové pro rozsah měření výšky. Další faktory návrhu optického měřicího systému, jako je triangulační úhel a frekvence (tj. rozteč a tloušťka čar) optické mřížky také přispívají k celkovému rozsahu měření výšky.

Poukážeme na některé ze čtyř důležitých překážek, které brání kvalitní 3D optické inspekci, a předvedeme řešení těchto překážek v 3D AOI systému SQ 3000 od firmy Cyberoptics Corporation z USA, která je již více jak 30 let pionýrem v oblasti automatické optické inspekce. Čtyři skutečné problémy limitovaly doposud použití a důvěru v 3D AOI inspekční systémy:

  • Vícenásobné odrazy od u sebe ležících lesklých ploch součástek a pájených spojů.
  • Vysoké součástky a jimi způsobené zastínění projektované optické měřicí mřížky v jejich blízkosti. Nicméně vysoké součástky jsou běžné např. v automobilovém průmyslu či výkonových aplikacích.
  • Celková skutečná inspekční rychlost je omezovaná nutností nasnímat a vyhodnotit velké množství obrazů a nesouosostí kamer a snímačů pro různé optické inspekce.
  • Náročnost programování nestandardních součástek, resp. složitých, či dokonce neparametrizovatelných tvarů a rysů součástek.

Revoluční konstrukce snímacího systému Cyberoptics, která překonává tyto problémy při snímání obrazu.

Cyberoptics překonal tyto problémy zcela novým návrhem a konstrukcí optického snímače – senzoru.

Obr. 1 Konstrukce kombinované snímací hlavy Cyberoptics pro simultánní profilometrickou 3D i běžnou 2D inspekci včetně bočních pohledů, Obr. 2 Vertikální projekce s bočními šikmými kamerami

Dva faktory, které omezují fázovou profilometrii, jsou čas získání obrazu a doba k počítačovému zpracování obrazu.

Například je běžné, že 3D Moiré systém (někdy uváděno jako 3D fázová profilometrie) s fázovým posunem sekvenčně získává 32 nebo více obrazů s různými frekvencemi optické mřížky a ze čtyřech různých projektorů.

Proto pro vylepšení rychlosti získávání obrazů byl 3D profilometrický systém navržen s jedním projektorem mřížky a vícenásobnými kamerami s šikmým bočním pohledem, jak je ukázáno na obr. 1.

Jelikož každá z bočních kamer může získat obraz projektovaný simultánně, výsledkem je paralelizace snímání obrazu s typickým výsledkem 4násobného zkrácení času pro získání obrazů. Celé zorné 3D pole je zcela osvětleno svislým projektorem, bez žádných oblastí se stíny. Projektované optické mřížky jsou poté simultánně snímány šikmými kamerami a jednou kolmou kamerou, jak je ukázáno na obr. 1. Toto řešení od firmy Cyberoptics tak umožňuje paralelní získávání obrazů snímačem, což vede k citelnému zvýšení reálné celkové rychlosti testu, neboť snímání 3D, 2D a 2D bočních pohledů se děje současně.

Souřadnice X, Y pro daný obrazový bod (pixel) kamery jsou funkcí výšky Z. Aby tato technická výzva byla překonána, 3D fázový profilometrický systém musí být přesně kalibrován v dané pozici pro každou kameru pro každý pixel X,Y, a to přes celý rozsah zobrazení. Tato skutečnost přispívá ke kalibrování úhlu paprsku pro každý pixel kamery. Jestliže jsou kalibrace provedeny pečlivě a přesně, pak pozice X,Y mohou být dekódovány až na úroveň mikronových přesností. Zařízení Cyberoptics SQ3000 tak dosahuje zároveň s vysokou rychlostí submikronové přesnosti při snímání výšky Z a rozlišení 9,5 μm v osách XY.

Tato faktická přesnost SQ3000 umožňuje jeho použití i jako přesného 3D optického měřicího systému, čehož ve světě využívají zákazníci v automobilových a mikroelektronických aplikacích, případně i jako SPI pro kontrolu natištění pájecí pasty.

Zjišťování a potlačování vícenásobných odrazů v zařízeních Cyberoptics

3D profilometrické systémy projektují vzorce optických mřížek na plochy, které mají být změřeny. Vzory optických mřížek jsou přitom deformovány topografií povrchu. Tyto deformace jsou kvantifikovány topografií 3D povrchu. Vícenásobné odrazy ruší vzory optické mřížky a způsobují chybné měření výšky, pokud tedy jejich vliv může být potlačen.

3D profilometrický systém Cyberoptics dokáže potlačit potenciální chyby měření výšky způsobené vícenásobným odrazem, a to pečlivou analýzou odrazových dat získaných z jednotlivých kamer a různých směrů a frekvencí generovaných optických mřížek.

Pro vysoké součástky a konektory (např. vysoké 25 mm) jsou potřeba jak vysoké, tak nízké frekvence optické mřížky, aby došlo k posunutí fáze optické mřížky, a tak byla stanovena absolutní výška. Při nízkých frekvencích nicméně vícenásobné odrazy mohou těžce porušit snímanou fázi vzorce optické mřížky, jak je ukázáno na obr. 3. Vícenásobný odraz zde koherentně interferuje s jednorázovým odrazem. Projeví se tak potenciální chyba měření výšky a ta je ovlivněna relativními silami přímého odrazu a vícenásobných odrazů. Tyto jevy jsou četnější při těsněji umístěných součástkách a velmi lesklých plochách.

Obr. 3 Vícenásobné vícedrahové odrazy vzoru optické mřížky s nízkou frekvencí. Potenciální přídavný sinusoidní vzor, Obr. 4 Vícedrahové vícenásobné odrazy při vyšší frekvenci optické mřížky.

Data z míst s vysokým kontrastem optické mřížky jsou obecně nejspolehlivější, pokud se vícenásobné odrazy nevyskytují. Efekty více optických drah z nižších frekvencí optické mřížky také mají vysoký kontrast optické mřížky, ale mohou těžce poškodit snímanou fázi, jak je ukázáno na obr. 3.

Odrazy vysokých frekvencí optické mřížky jsou uvedeny na obr. 4. Vícenásobné odrazy z mnoha směrů se inkoherentně sčítají, snižují kontrast optické mřížky, ale velmi málo ruší fázi optické mřížky.

Jelikož každá boční šikmá kamera bude vícesměrovými vícenásobnými odrazy jinak ovlivněna, individuálně zjištěné výšky z různých šikmých bočních kamer budou různé pro různé snímací kamery. Tento fakt může být využit pro analýzu výskytu vícenásobných odrazů. Aby vícenásobné odrazy mohly být potlačeny, je nutno vyhodnotit velké množství dat o kontrastu mřížky, efektivní odrazivosti povrchu a vypočtené fázi, a to při různých frekvencích optické mřížky od každé boční šikmé kamery. Tato data jsou zkombinována a sfúzována tak, aby rušení od vícedrahových vícenásobných odrazů byla eliminována.

Inspekce nestandardních součástek, resp. neparametrizovaných tvarů

Inspekce součástek s konstantní výškou je v 3D jednoduchá, jde o promítnutí roviny na povrch součástky a použití výšky a úhlu této roviny k určení správnosti výšky a koplanarity součástky. Inspekce součástek s komplexními tvary jak v 2D, tak 3D oblastech je obtížnější a běžné algoritmy nejsou vhodné. Popis součástek roste s parametry a tolerancemi exponenciálně, tak jak roste komplexnost tvarů těchto součástek. Existují vhodnější techniky, které používá Cyberoptics ve svém software pro 3D i 2 D inspekci, jako je analýza hlavních členů (Principle Component Analysis, PCA). PCA byla navržena k automatické identifikaci a modelování důležitých atributů složitých tvarů, používá se např. při automatickém rozpoznávání obličejů v bezpečnostních aplikacích. PCA nalézá propojení variací vizuálních atributů, které nejsou hned patrné, ale jsou klíčové pro popis objektu. PCA může být též použita pro výšková pole v 3D AOI systémech k „učení“ se tvaru elektronických součástek. PCA model může být během inspekce použit k validaci tvaru součástky. Tyto sofistikované postupy a algoritmy Cyberoptics ve svém softwaru souhrnně nazývá A2I. Cyberoptics tak šetří práci techniků programátorů AOI ve značném objemu, neboť technik defacto jen určuje výskyty součástek, ze kterých se pak A2I samo učí.

Shrnutí

Při výběru AOI systému je nutno uvažovat o množství faktorů. Výkon inspekce ve smyslu přesnosti výsledků a inspekční rychlosti vyžaduje důkladnou úvahu. Technologie, které Cyberoptics používá, vynikají v obou kritických oblastech, a sice přesné měření výšky v širokém měřicím rozsahu a provozní rychlosti.

Obr. 5 Cyberoptics SQ3000, pokrokový high-end systém pro 3D a 2D systém pro AOI i SPI

Cyberoptics SQ3000 přináší nové schopnosti pro 3D zobrazování v AOI systémech, a tak zvyšuje důvěryhodnost optické inspekce pro uživatele, a to eliminací vlivu vícenásobných odrazů, paralelním snímáním obrazů pro vysokou skutečnou rychlost inspekce a přitom s plnou 2D funkčností pro inspekci polaritních značek, barevnosti, popisů a kódů na DPS a s inteligentními PCA algoritmy pro nenáročné a rychlé učení komplexních tvarů a struktur. To umožní zvýšení kvality v procesu elektronické montáže, což zvýší výtěžnost a zisky firem využívajících tato zařízení. Jejich přesnost a rozlišení v osách X, Y i Z umožňuje použití SQ3000 jako SPI a přesný 3D optický měřicí systém.

Cyberoptics svou aspiraci dodat zákazníkům to nejlepší 3D/2D AOI/SPI zařízení na trhu podtrhuje standardní tříletou zárukou bez omezení a žádnou nutností kalibrací po celou životnost stroje SQ3000.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik