Procedimiento y dispositivo para medir ópticamente la superficie de un producto.

Dispositivo (10) para medir ópticamente la superficie de un producto (5) sometido a ensayo,

especialmente un producto de peB para inspección de pasta de soldadura de reflujo, que comprende al menos una fuente (1) de luz blanca para emitir un haz de luz blanca, al menos una unidad (4) de colimación para colimar dicho haz de luz (30) blanca, al menos una unidad de espectrómetro, preferentemente un prisma (2) óptico o un graduador (51) de difracción óptica, para dividir dicho haz de luz (30) blanca dando un haz de luz (31) multicromática que se dirige sobre dicho producto (5) sometido a ensayo bajo un ángulo V incidente predeterminado, y al menos una cámara (3) para registrar un haz reflejado de una luz (32) monocromática de dicho producto (5) sometido a ensayo, estando el dispositivo dispuesto de tal forma que una información de altura de superficie según el eje z de dicho producto (5) sometido a ensayo puede extraerse a partir de un valor de tonalidad de dicho haz reflejado de una luz (32) monocromática a la vez que se mueve relativamente dicho producto (5) sometido a ensayo en una dirección (9) de exploración según el eje x, caracterizado porque dicha fuente (1) de luz blanca es una franja (40) de LEO, que está adaptada para producir un haz en franja de luz blanca, en el que al menos una microlente (41) está acoplada ópticamente a al menos un LEO para la rectificación previa de dicho haz de luz (30) blanca, y dicha unidad (4) de colimación está adaptada para colimar dicho haz de luz

(30) blanca en 360° con una calidad de colimación de 2° o menos y para formar un haz en franja de luz blanca que es perpendicular a dicha dirección (9) de exploración, y comprende al menos una lente (42, 43, 44, 45), preferentemente una lente cilíndrica (42) y al menos unos medios (50) de apertura, preferentemente una apertura de diafragma de rendija ajustable.

Procedimiento y dispositivo para medir ópticamente la superficie de un producto

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a un dispositivo y un procedimiento para medir e inspeccionar una distancia entre un sensor y un producto sometido a ensayo. En particular, puede usarse en el campo de la electrónica para la medición y la realización de ensayos de la posición de los componentes montados en placas de circuito impreso (peB) o en un producto de célula solar o para inspeccionar la posición de conectores de componentes electrónicos, tales como el, condensadores, transistores, resistencias etc. o la posición de pasta de soldadura de reflujo con anterioridad al montaje de componentes electrónicos en una peB para soldadura de reflujo. La presente invención puede aplicarse preferentemente a la producción de las peB, productos de células solares tales como obleas de células solares o elementos de células solares y otros artículos que requieren una medición de la planitud con el fin de especificar de este modo su calidad y puede también usarse para someter a ensayo la rugosidad de la superficie de las superficies del producto. La presente invención puede también usarse para inspeccionar una forma tridimensional de diversos artículos al registrar una imagen sin la necesidad de realizar las operaciones de exploración a partir de varias posiciones, lo que es particularmente ventajoso en los procesos de alta producción, es decir, en procesos en los que se requiere un ensayo de la rugosidad y defectos, etc. de la superficie.

Antecedentes de la invención

A partir del estado de la técnica tales mediciones de altura de superficie se realizan en la mayor parte de los casos usando preferentemente una técnica de triangulación por láser, con la ayuda de un láser de línea y de una cámara de alta velocidad. El láser de línea se dirige hacia la superficie medida y la cámara, que se dirige por debajo del ángulo especificado, registra el perfil del área medida en una coordenada (en un lugar) de tal modo que el láser la ilumina. Las imágenes individuales se registran con la frecuencia que se corresponde con la anchura del haz de láser y entonces se componen todas las imágenes. Usando este procedimiento, es posible componer un modelo en 3D.

Otro procedimiento es el uso de varias cámaras que se dirigen al área sometida a ensayo a partir de diversos ángulos. A partir de la trigonometría conocida de la cámara en el interior del dispositivo de ensayo, puede componerse un modelo en 3D.

Un procedimiento adicional es el uso del efecto Moire por medio del cual, bajo determinadas circunstancias, es posible hacer que sea visible el relieve del área sometida a ensayo. Las imágenes se producen a través de unas rejillas de dos líneas, siempre con una luminosidad inversa. Después de la composición de ambas imágenes, cuando se usa el efecto de interferencia, se refleja el relieve de la superficie.

El documento WO 02/082009 A1 enseña un procedimiento y un aparato para medir una distancia entre un sensor y un producto usando una información de color de la luz reflejada por el objeto. La distribución de color de la superficie tridimensional se correlaciona con un nivel de altura de la superficie del objeto de tal modo que la información de color puede usarse para analizar la estructura tridimensional de la superficie del objeto. La fuente de luz blanca puede ser una lámpara de tungsteno o una combinación de múltiples fuentes de luz multicoloreadas con una pluralidad de haces de luz con unas longitudes de onda únicas.

Por el documento JP 61 075210 A puede aprenderse acerca de un aparato buscador de intervalo en el que luz de una fuente de luz se difracta en un haz de múltiples colores que ilumina una superficie de un objeto. La proporción de intensidad de señal de la luz reflejada por la superficie del objeto que se filtra mediante dos filtros diferentes puede usarse para medir unos ángulos y unas distancias entre la superficie del objeto y la cámara.

Finalmente, el documento JP 7 117399 B da a conocer otro aparato de detección de intervalo que define un estado de la técnica general.

Los procedimientos que se conocen a partir del estado de la técnica no permiten la obtención de información de altura de superficie con una precisión de menos de +/-20 ~m. Además, la anchura de exploración máxima de un producto medido está limitada, lo que hace inviable la exploración de productos que sean más anchos que 150 mm. La velocidad de exploración, en consecuencia, está limitada, lo que convierte la medición de la superficie en un cuello de botella de un proceso de producción a alta velocidad.

Es en consecuencia un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento y un dispositivo para medir e inspeccionar una superficie de un producto con una alta precisión, una alta velocidad, una resolución de medición variable y con una anchura según el eje y aumentada. Además, es un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento y un dispositivo que sean capaces de realizar una autocalibración, eliminando en consecuencia una construcción de alta precisión estructural y unos esfuerzos de calibración complicados.

Los problemas del estado de la técnica que se mencionaron anteriormente se solventan mediante un dispositivo y un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas son el contenido de

las reivindicaciones dependientes.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 y un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9.

La presente invención proporciona un dispositivo para medir ópticamente la superficie de un producto sometido a ensayo, lo que habilita la realización de una inspección de la superficie de un producto, una inspección del alineamiento de componentes o una inspección de la disposición de pasta de soldadura con anterioridad a un proceso de soldadura de reflujo, y lo que habilita la creación de un modelo óptico en 3D de la superficie del producto. El dispositivo comprende los siguientes componentes:

• una fuente de luz blanca, que ventajosamente emite un haz de luz blanca con un espectro continuo. La luz se rectifica mediante una unidad de colimación que incluye unos medios ópticos, tales como lentes, medios de apertura etc., en un haz paralelo, estrecho y colimado que entonces se hace pasar a través de una unidad de espectrómetro, preferentemente un prisma óptico o un graduador de difracción. Preferentemente, los medios de apertura comprenden un diafragma de rendija para producir un haz de luz blanca expandido,

plano y ancho.

• una unidad de espectrómetro, especialmente un prisma óptico, que actúa como mediador en una descomposición de la luz blanca en un haz de luz multicromática que comprende un espectro de frecuencia de la luz ancho. La luz multicromática que se introduce en el prisma contiene todos los componentes de color o unos seleccionados de la luz blanca. Después de pasar a través de la unidad de espectrómetro, la

luz blanca se desintegra en colores individuales de acuerdo con la ley de refracción de la luz. Los componentes individuales son monocromáticos, teniendo unos valores de tonalidad diferentes, mediante los que el haz multicromático comprende un espectro que está distribuido espacialmente y que ilumina una superficie de un producto sometido a ensayo en una dirección de exploración. La anchura de este espectro influye directamente la precisión de la medición de una altura según el eje z de la superficie del producto.

• una cámara, preferentemente una cámara de exploración de línea. La cámara registra gradualmente la superficie sometida a ensayo línea a línea a la vez que el producto sometido a ensayo se mueve en relación con la cámara en una dirección de exploración según el eje x. La posición geométrica de la cámara y la fuente de luz, a la vez que se registra todo el tiempo, sigue siendo la misma. La cámara y la luz se ajustan a una altura cero línea a línea (nivel de referencia cero) de tal modo que la cámara visualiza el inicio

del espectro, es decir, el color rojo. Todas las alturas distintas de cero se visualizan entonces en otro color tal como están en el espectro de color. De este modo, debe resaltarse que o bien el... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo (10) para medir ópticamente la superficie de un producto (5) sometido a ensayo, especialmente un producto de peB para inspección de pasta de soldadura de reflujo, que comprende al menos una fuente (1) de luz blanca para emitir un haz de luz blanca, al menos una unidad (4) de colimación para colimar dicho haz de luz (30) blanca, al menos una unidad de espectrómetro, preferentemente un prisma (2) óptico o un graduador (51) de difracción óptica, para dividir dicho haz de luz (30) blanca dando un haz de luz (31) multicromática que se dirige sobre dicho producto (5) sometido a ensayo bajo un ángulo V incidente predeterminado, y al menos una cámara (3) para registrar un haz reflejado de una luz (32) monocromática de dicho producto (5) sometido a ensayo, estando el dispositivo dispuesto de tal forma que una información de altura de superficie según el eje z de dicho producto (5) sometido a ensayo puede extraerse a partir de un valor de tonalidad de dicho haz reflejado de una luz (32) monocromática a la vez que se mueve relativamente dicho producto (5) sometido a ensayo en una dirección (9) de exploración según el eje x, caracterizado porque dicha fuente (1) de luz blanca es una franja (40) de LEO, que está adaptada para producir un haz en franja de luz blanca, en el que al menos una microlente (41) está acoplada ópticamente a al menos un LEO para la rectificación previa de dicho haz de luz (30) blanca, y dicha unidad (4) de colimación está adaptada para colimar dicho haz de luz

(30) blanca en 360° con una calidad de colimación de 2° o menos y para formar un haz en franja de luz blanca que es perpendicular a dicha dirección (9) de exploración, y comprende al menos una lente (42, 43, 44, 45) , preferentemente una lente cilíndrica (42) y al menos unos medios (50) de apertura, preferentemente una apertura de diafragma de rendija ajustable.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, mediante el que dicha fuente (1) de luz blanca tiene un espectro

(55) continuo y/o el ancho de banda de frecuencia del espectro (55) es variable, preferentemente en un intervalo de longitudes de onda de 350 a 850 nm y/o la intensidad de la fuente (1) de luz blanca es ajustable, preferentemente mediante la atenuación de dicha fuente (1) de luz o conmutando selectivamente dos o más fuentes (1) de luz a encendido o a apagado en paralelo.

3. Dispositivo (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, mediante el que múltiples LEO de una franja (40) de LEO pueden conmutarse selectivamente o bien a encendido o bien a apagado para aumentar la intensidad y/o la longitud de un haz de luz (30) blanca en una dirección según el eje y perpendicular a dicha dirección (9) de exploración.

4. Dispositivo (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, que además comprende unos medios de transporte de exploración para transportar de forma relativa dicho producto (5) sometido a ensayo o dicha fuente (1) de luz, una unidad de espectrómetro, una unidad (4) de colimación y una cámara (3) en una dirección (9) de exploración,

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, mediante el que dicha cámara (3) es una cámara de exploración de línea, que preferentemente comprende una unidad (24) de apertura de cámara y/o una unidad de lente de paralaje para reducir los efectos de paralaje, especialmente una unidad de lente cilíndrica o de lente redonda, para recibir un haz de luz (32) monocromática que se refleja a partir de dicho haz de luz (31) multicromática mediante dicho producto (5) sometido a ensayo, y/o dicha cámara (3) es una cámara digital con una resolución de tonalidad de al menos 8 bits, preferentemente una resolución de tonalidad ajustable de 10, 12 bits o más alta, y/o dicha cámara (3) comprende dos o más filas de exploración de línea, comprendiendo cada fila un filtro de color para aumentar una sensibilidad de tonalidad, y/o dicha cámara (3) comprende al menos una fila de exploración gris o negra/blanca para aumentar la calidad de la exploración, o dicha cámara (3) es una cámara de exploración de área, mediante el que pueden extraerse unas filas de exploración únicas o múltiples de dicha área de exploración para un procesamiento de información de altura de tonalidad.

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, que comprende al menos dos o más cámaras (3) que se disponen en una dirección según el eje y perpendicular a dicha dirección (9) de exploración según el eje x para una exploración paralela, aumentando en consecuencia la anchura de exploración de dicho producto (5) y/o estando dispuestas dichas cámaras (3) de forma estereométrica para una exploración en 3D de dicho producto (5) para reducir los efectos de ensombrecimiento e iluminación.

7. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, que además comprende una unidad (21) de control en conexión eléctrica con al menos dicha cámara (3) , dicha unidad (21) de control comprende unos medios (22) de control y unos medios (23) de establecimiento de mapas de tonalidad respecto de altura adaptados para al menos controlar dicha cámara (3) y para establecer un mapa de valores de tonalidad de una imagen que se captura mediante dicha cámara (3) con respecto a una información de altura de superficie de dicho producto (5) .

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, que además comprende unos medios de ajuste que pueden controlarse mediante dichos medios (22) de control de dicha unidad (21) de control para ajustar la anchura d (6) del espectro de color de dicho haz (31) multicromático, en particular para ajustar una anchura w (17) de la armadura de dicha unidad (4) de colimación, y/o para ajustar una altura b, distancia a de división de haz entre la línea óptica de la

fuente (1) Y la cámara (3) o dicho ángulo a de prisma de dicha unidad de espectrómetro para ajustar la sensibilidad de medición de altura.

9. Procedimiento para realizar ópticamente una medición de superficie de un producto (5) sometido a ensayo, especialmente un producto de PCB para inspección de pasta de soldadura de reflujo usando un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones mencionadas anteriormente, en el que un haz de luz blanca se emite por dicha fuente (1) de luz blanca y se rectifica y se colima mediante dicha unidad (4) de colimación en un haz (30) estrecho paralelo que pasa a través de dicha unidad (2, 51) de espectrómetro, mediante la que se desintegra en un espectro (55) de color cuya reflexión sobre dicho producto (5) o sobre unos componentes del mismo se registra mediante dicha cámara (3) a la vez que se mueve dicho producto (5) en una dirección (9) de exploración en relación con dicha cámara (5) , de tal modo que una imagen compuesta por dicha cámara (3) a partir de imágenes individuales visualiza todas las partes sobre la superficie de dicho producto

(5) y las dimensiones de la imagen en la dirección según el eje x y según el eje y se corresponden con las dimensiones reales de dicho producto (5) , y, al mismo tiempo, los valores de tonalidad de la imagen, es decir, los valores de la parte de color [R, G, B] de los píxeles individuales se asignan a unos valores de altura de superficie de dicho producto (5) .

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que un establecimiento de mapas de tonalidad respecto de altura de los valores de tonalidad del espectro (55) de color con respecto a unos valores de altura de superficie según el eje z se calibra mediante al menos un registro gradual de una declinación de la superficie de un cuerpo (19) de calibración con un ángulo ~ (20) de calibración que se conoce por adelantado con una alta precisión y un almacenamiento de un mapa de tonalidad respecto de altura en unos medios (23) de establecimiento de mapas de tonalidad respecto de altura.

11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores,

en el que la posición geométrica de dicha cámara (3) y de dicha fuente (1) de luz es estática durante todo el tiempo de exploración y/o se realiza un establecimiento de mapas de tonalidad respecto de altura en tiempo real durante la exploración usando dicho mapa de tonalidad respecto de altura.

12. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores,

en el que dicha cámara (3) registra gradualmente unos valores de tonalidad línea a línea de una superficie de dicho producto (5) a la vez que se mueve relativamente dicha cámara (3) contra dicho producto (5) en una dirección (9) de exploración.

13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores,

en el que dicha cámara (3) y dicha luz (1) blanca se ajustan de tal modo que el inicio (7) de dicho espectro (55) de color se hace corresponder con una altura cero y/o los valores de tonalidad que se registran por dicha cámara (3) se convierten por medio de una función de calibración, preferentemente mediante un mapa de tonalidad respecto de altura con respecto a una altura de superficie real del producto (5) o de unos componentes del mismo.

14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, en el que se crea un modelo en 3D del producto 5 en base a unos valores medidos según los ejes x e y de una imagen de dicha cámara (3) y un valor de altura según el eje z en base a unos valores de tonalidad de dicha imagen en el eje x e y.

15. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de procedimiento anteriores, en el que se miden las dimensiones de un producto (5) , especialmente la posición y la altura de la pasta de soldadura de reflujo en un producto de PCB o de célula solar y/o la rugosidad de la superficie de dicho producto (5) .