Optikentwicklung für die Elektronikbranche

Bei der Entwicklung geeigneter optischer Systeme zur Inspektion dreidimensionaler Objekte sind oftmals spezielle Anforderungen aus dem Bereich der industriellen Qualitätssicherung zu erfüllen. Hierzu zählen beispielsweise im Elektronikbereich komplexe Vorgaben zu besonderen perspektivischen Eigenschaften, zur Abbildungsleistung und zu weiteren optischen Parametern wie dem Spektralbereich oder der spektralen Breite. Da sich Standardobjektive für solche Vorhaben unter Umständen nicht eignen, kann zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen der Einsatz kundenspezifischer Systeme vonnöten sein. Im Idealfall ermöglichen diese nicht nur die erfolgreiche Umsetzung der Zielvorgaben, sondern auch einen schnellen und kosteneffizienten Proof-of-Concept sowie die wirtschaftliche Fertigung in kleinen Stückzahlen. Um ein solches Projekt zu stemmen, sind umfangreiche Kenntnisse physikalischer Zusammenhänge zur passenden Auslegung der jeweiligen Lösung ebenso essentiell wie Kompetenzen im Bereich der Bildsimulation und Know-how über bestehende optische Systeme. Dies wird im Folgenden bei der Untersuchung elektronischer Bauteile auf Leiterplatten im Rahmen eines Rapid-Prototyping-Verfahrens verdeutlicht.

Das Sortiment der verfügbaren Objektive für die industrielle Bildverarbeitung in der Elektronikbranche umfasst eine große Anzahl verschiedenster Produkte: Von den am weitesten verbreiteten C-Mount-Objektiven über kompakte Bordlevelsysteme mit M12-Anschluss bis hin zu Lösungen mit großen Bildkreisen und M42-Gewinde existieren viele Möglichkeiten, um standardmäßige Untersuchungen von Bauteilen hinsichtlich der Form, Position oder anderer Qualitätskriterien durchzuführen. Oftmals bestehen jedoch Anforderungen, die mittels eines herkömmlichen Objektivs nicht erfüllt werden können – beispielsweise wenn spezielle optische Eigenschaften erforderlich sind, um eine bestimmte Abbildungsgeometrie zur Inspektion eines Objekts zu realisieren. Die Auswahl an handelsüblichen Standardprodukten nimmt daher mit zunehmender Spezialisierung der Kundenvorgaben rapide ab; je nach Anwendung sind unter Umständen sogar keine geeigneten Objektive auf dem Markt verfügbar. In solchen Fällen ist deshalb die kundenspezifische Entwicklung optischer Systeme – idealerweise im Rahmen eines sogenannten Rapid-Prototyping-Verfahrens – notwendig: Ziel muss es hierbei sein, ein individuelles System für die Abbildung und Beleuchtung von Elektronikkomponenten zu erschaffen, das einen schnellen und kosteneffizienten Machbarkeitsnachweis liefert (auch Proof-of-Concept genannt) und gleichzeitig eine komplikationsfreie Fertigung in kleinen Stückzahlen ermöglicht.

Zur erfolgreichen Realisierung eines solchen Rapid-Prototyping-Projekts in der Elektronikindustrie ist von der Umsetzung der Vorgaben bis zur Produktionsphase eine klare Prozessstruktur vonnöten. So müssen in einem ersten Schritt beispielsweise präzise und verifizierbare Spezifikationen bestimmt werden, um die erforderlichen optischen Eigenschaften zur geeigneten Inspektion eines Elektronikbauteils feststellen zu können. Numerische Simulationen können in diesem Stadium der Entwicklungsphase anhand beispielhafter Bilddaten helfen, eben diese entscheidenden Größen zu ermitteln und so Zeit und Kosten zu sparen. Zu empfehlen ist daher die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, das über Know-how im Bereich der technisch-physikalischen Bildsimulation verfügt.

Für die Beleuchtung und Abbildung von dreidimensionalen Elektronikkomponenten sind tiefgehende Kenntnisse der physikalischen Zusammenhänge bei der anschließenden praktischen Umsetzung der Entwicklungspläne essentiell. So muss bei der Auslegung des optischen Systems sichergestellt werden, dass die Spezifikationen eingehalten werden und dadurch eine vorgabengetreue Inspektion des Objekts ermöglicht wird. Gleichzeitig sollte im letzten Schritt – also bei der tatsächlichen Produktion des Systems – Wert auf die Auswahl geeigneter Partner für die Prototypenfertigung gelegt werden, um einen wirtschaftlichen Fertigungsvorgang für kleine Stückzahlen und einen schnellen Proof-of-Concept zu garantieren. Sind diese Randbedingungen erfüllt, steht einer zeit- und kosteneffizienten Prozessabwicklung und somit einer erfolgreichen Realisierung eines Rapid Prototyping nichts mehr im Wege.

Das Prinzip des Rapid Prototyping lässt sich gut anhand der Inspektion elektronischer Bauteile auf Leiterplatten veranschaulichen. Eine mögliche Anforderung kann in einem solchen Anwendungsfall darin bestehen, zur genauen Untersuchung des Objekts beziehungsweise der Lötstellen gleichzeitig eine Ansicht der Vorderseite sowie der Seitenflächen zu generieren. Soll dies mit nur einer Aufnahme beziehungsweise einer Kamera realisiert werden, sind die Lösungsmöglichkeiten bei der Wahl eines geeigneten standardisierten Objektivs jedoch begrenzt, denn sowohl endo- als auch telezentrische Systeme eignen sich für dieses Vorhaben nicht.

Dies liegt daran, dass die perspektivischen Eigenschaften eines optischen Systems grundlegend durch die Lage der Eintrittspupille bestimmt werden. Da dieses Bild der Aperturblende bei den am weitesten verbreiteten endozentrischen Objektiven jedoch virtuell ist und sich innerhalb des optischen Systems befindet, werden näher am System gelegene Objekte unter einem größeren Winkel abgebildet. Somit erscheinen nahe Objekte größer als weiter entfernte – ein Ausschlusskriterium, da weiter vom Objektiv entfernte Objektteile durch solche mit geringerem Abstand verdeckt werden und sich folglich nicht gleichzeitig abbilden lassen. Bei telezentrischen Systemen liegt die Eintrittspupille dagegen im Unendlichen, mit der Folge, dass sich die Winkelvergrößerung in einem gewissen Tiefenbereich des Objektes nicht ändert. Somit erfolgt eine Abbildung der Seitenflächen senkrecht zur Frontalansicht und eine gleichzeitige Auswertung ist ebenfalls nicht möglich. Im Gegensatz dazu liegt die Eintrittspupille bei perizentrischen Objektiven vor dem System und stellt ein reelles Bild der Aperturblende dar. Wird das dreidimensionale elektronische Bauteil mit einem derartigen System abgebildet, erscheinen weiter vom System entfernte Teile daher unter einem größeren Winkel als solche, die sich dichter am System befinden. Dies ermöglicht die gleichzeitige Abbildung der Vorderfläche und der Seiten eines Objekts – die erste Anforderung im Rahmen der Auslegung ist damit erfüllt.

Neben der Wahl eines geeigneten Grundsystems bestehen in der Elektronikbranche jedoch oftmals weitere Anforderungen, die bei der Entwicklung einer kundenspezifischen Lösung zusätzlich in Betracht gezogen werden müssen. Hierzu zählen beispielsweise spezielle Vorgaben zum Arbeitsabstand, zur lateralen und axialen Objektausdehnung sowie zu den benötigten Eigenschaften der Beleuchtung, was – je nach Fall – eine spezielle Auslegung beziehungsweise eine Abweichung von den Möglichkeiten verfügbarer Systeme unabdingbar macht. Hinsichtlich der Beleuchtungsauslegung können etwa Ringlichter mit starker Verkippung der einzelnen LEDs oder Inlinebeleuchtungen notwendig werden, da sie zum Beispiel die perizentrische Abbildung erleichtern oder die Verwendung in Systemen mit sehr geringem Arbeitsabstand ermöglichen.

Um ein möglichst kosteneffizientes Rapid Prototyping sicherzustellen, lohnt es sich zudem, die Anforderungen an das optische System auf die vom Kunden benötigten elementaren Spezifikationen zu reduzieren. Dadurch lässt sich die Realisierung entsprechender Optiken oftmals auf die Kombination verfügbarer Einzellinsen beschränken. So kann das eingangs beschriebene optische System zur Abbildung elektronischer Bauteile auf Leiterplatten beispielsweise mit einem perizentrischen Objektiv aus wenigen Standardlinsen bei gleichzeitiger Integration einer Inlinebeleuchtung ausgelegt werden, ohne Kompromisse bei der optischen Leistung einzugehen. Bei der Mechanikfertigung können je nach Fall additive Fertigungsverfahren ergänzend zum Einsatz kommen, wodurch sich weiteres Einsparpotential ergibt. Der Proof-of-Concept des entwickelten Prototyps lässt sich somit schnell und kosteneffizient liefern.

Die Inspektion dreidimensionaler Objekte in der Elektronik bedingt bei speziellen Anforderungen häufig die Entwicklung kundenspezifischer optischer Systeme. Hierbei müssen Kostenaspekte mit der Erfüllung der jeweiligen Vorgaben und mit anderen Randbedingungen (wie etwa Fertigungstoleranzen) in Einklang gebracht werden – dies erfordert umfangreiches Branchenwissen, die Auswahl geeigneter Partner für die Prototypenfertigung sowie Know-how in der technisch-physikalischen Bildsimulation. Ist dies gegeben, kann in vielen Fällen – unter Beschränkung auf optische Standardkomponenten wie Linsen, Spiegel oder Strahlteiler – ein individuelles System ausgelegt werden, ohne Abstriche bei der optischen Leistung machen zu müssen. Der weitgehende Verzicht auf Universalität und die Konzentration auf die tatsächlich geforderten, elementaren Spezifikationen erlaubt in diesem Zusammenhang ein kosteneffizientes Rapid Prototyping sowie einen schnellen Proof-of-Concept.