DE102005029901B4

DE102005029901B4 - Vorrichtung und Verfahren zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten

Info

Publication number: DE102005029901B4
Application number: DE102005029901.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Klawunder
Original assignee: Modi Modular Digits GmbH
Current assignee: Modi Modular Digits De GmbH
Priority date: 2005-06-25
Filing date: 2005-06-25
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2025-06-26
Also published as: WO2007000293A3; EP1929767A2; DE102005029901A1; US20100118121A1; WO2007000293A2; US8164625B2

Abstract

Vorrichtung (1) zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten (2), die Folgendes umfasst:
eine feststehende Kamera (10) zum Erfassen von Bildern des flächigen oder räumlichen Objektes,
zumindest eine Auswerteeinheit (21) zum Auswerten der erfassten Bilder, ein um zwei Achsen (14,16) verstellbares oder verschwenkbares Spiegelelement (11) und
eine Verstell- oder Verschwenkeinrichtung (12) zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements (11) um zwei Achsen (14,16), die ein Magnetfeld zum Halten und Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements verwendet,
wobei in einer Grundposition die Kamera (10) mit ihrem Objektiv (19) als Abbildungsoptik auf das Zentrum des Spiegelelements (11) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten, wobei die Vorrichtung eine Kamera zum Erfassen von Bildern des flächigen oder räumlichen Objektes umfasst und mit zumindest einer Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten Bilder versehen oder verbindbar oder verbunden ist.
In vielen Fällen werden Produkte nach ihrer Herstellung einer Qualitätskontrolle unterzogen, um eventuelle Fehlstellen detektieren zu können. Gerade für die Überprüfung von Oberflächen und Verbindungen zwischen Bauteilen sind hier verschiedene Verfahren und Vorrichtungen im Stand der Technik bekannt, die zumeist mehrere Kameras zur Untersuchung verwenden. Beispielsweise werden Lötverbindungen dahingehend geprüft, dass eine Kamera einen gelöteten Gegenstand aufnimmt und über ein entsprechendes Auswerteprogramm auf einem Rechner eine Entscheidung hinsichtlich der Qualität der Lötverbindung trifft. In der DE 10 2004 004 278 A1 sind ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben. Bei diesen ist zusätzlich zu der Kamera eine Hantiervorrichtung vorgesehen, um den gelöteten Gegenstand relativ zu der stehenden Kamera zu bewegen. Die Hantiervorrichtung ergreift dabei die zu beurteilende Platine und dreht diese entsprechend vor der Kamera.
Aus der DE 697 10 714 T2 ist die Verwendung einer Erfassungseinrichtung für dreidimensionale Bilder zum Ausführen einer Zeilenabtastung in einer Bestückungsvorrichtung für elektronische Bauteile zum automatischen Bestücken von Leiterplatten mit elektronischen Bauelementen bekannt. Hierbei ist eine Verschiebung der Erfassungseinrichtung in x- und y-Richtung über die zu bestückende Platine hinweg vorgesehen.
Aus der DE 697 03 487 T2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Inspektion sich bewegender Oberflächen bekannt. Hierbei werden drei unterschiedliche Beleuchtungs-/Beobachtungskanäle verwendet.
Ferner sind Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen von Flaschen mit einem Gewindeabschnitt bekannt, z.B. aus der DE 696 10 925 T2 . Bei diesem Verfahren bewegen sich die Flaschen entlang einer Hochgeschwindigkeitsstraße, wobei Videobilder von jeder Flasche erfasst, die Pixel des jeweiligen Videobildes verarbeitet und die Pixel in interessierenden Interessenbereichen, die zuvor ausgewählt wurden, untersucht werden, um Gewindedefekte allgemein über den Umfang der Flasche zu erfassen.
Die DE 203 17 095 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlern einer Objektoberfläche gerade bei Gussteilen, wobei eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts, ein Lichtdetektor zum Erfassen eines von der Objektoberfläche auf den Beleuchtungsstrahl hin reflektierten Strahls und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der dabei erhaltenen Bilddaten zur Fehlererkennung vorgesehen sind. Bei der Auswertung sollen die Anzahl der zu untersuchenden Pixel und die Größe der in Betracht zu ziehenden Pixelregionen so gering wie möglich gehalten werden. Unter allen erfassten Pixeln werden die ermittelt, deren Helligkeitswerte von einer mittleren Pixelhelligkeit mehr als einen vorgebbare Toleranzwert abweichen.
Auch die Verwendung eines Laserstrahls ist zur Abtastung einer Leiterplatte zu deren Untersuchung bekannt, z.B. aus der DE 198 83 004 T5 , bei der das Abtastgerät aus zwei Galvanospiegeln mit zueinander orthogonalen Drehwellen und einer Abtastlinse besteht.
Zur Qualitätsprüfung bei Wafern ist in der DE 103 52 936 A1 die Verwendung von sechs Kamerasystemen offenbart, wobei zwei Kamerasysteme vertikal von oben auf die obere Randzone des Wafers, zwei Kamerasysteme von unten auf die untere Randzone sowie zwei Kamerasysteme horizontal auf den seitlichen Rand des Wafers ausgerichtet sind. Defekte werden unter Verwendung einer automatischen Klassifikation detektiert.
Die DE 101 04 355 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildabtastung der Oberfläche eines Objekts, zur Verwendung in einer Lackierstraße zur Bestimmung von Verunreinigungen bzw. Fehlerstellen der Oberflächen eines Objekts. Die Vorrichtung umfasst ein Aufnahmesystem und ein steuerbares Transportmittel, wobei das Transportmittel entlang einer ersten horizontalen Achse relativ zu dem Aufnahmesystem und das Aufnahmesystem mittels eines Verfahrmittels entlang einer zweiten vertikalen Achse linear bewegt werden kann. Das Aufnahmesystem umfasst eine Kamera und eine Beleuchtung.
Aus der US 5 173 796 A ist ein3D-Scanner, der eine einzige Kamera in Verbindung mit zwei schwenkbaren Spiegeln und einen dritten darüber angeordneten Spiegel umfasst, bekannt. Die Spiegel werden mit einer Triangulationsmethode kalibriert, also einer Messtechnik unter Verwendung von Dreiecksaufnahmen. Hierbei werden die Position der beiden rotierbaren Spiegel und die Position der Kamera erfasst. Das Kalibrierverfahren erzeugt einen Satz von Zustandsgleichungen, die vollständig den Lichtstrahl beschreiben, der von der Kamera durch den ersten und zweiten Spiegel auf das vorgegebene Objekt läuft. Nachfolgend wird der dritte oben angeordnete Spiegel mit eingeführt, der einen zweiten Satz von Zustandsgleichungen liefert. Die Zustandsgleichungen werden durch iterative Verfahren gelöst.
Die US 5 276 546 A ist eine Teilanmeldung der vorstehend genannten Druckschrift und offenbart ebenfalls die Verwendung einer feststehenden Kamera und dreier Spiegelelemente.
Die US 6 061 086 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatischen Überprüfen von Objekten im Hinblick darauf, ob sichtbare Unregelmäßigkeiten dort vorhanden sind. Hierbei sind zwei Kameras vorgesehen, die ein zu betrachtendes Objekt aufnehmen. Die eine Kamera ist eine hochauflösende, die andere eine niedrigauflösende Kamera. Die niedrigauflösende Kamera ist lediglich mit einer Linse versehen, wohingegen die hochauflösende Kamera mit stark vergrößernden Linsen und einem X-Y-Scanner mit einem Spiegel auf einer Befestigungseinrichtung versehen ist.
Die JP S63 - 167 981 A offenbart in der Zusammenfassung eine Detektionsvorrichtung, die eine Kamera aufweist und zwei drehbare Spiegel mit zwei Antriebseinrichtungen. Über den Spiegel soll ein bestimmter Bereich abgetastet werden. Die JP S63 - 129 473 A desselben Anmelders beschreibt ein ähnliches System. Auch hierbei werden zwei Spiegel oder eine Vielzahl von Spiegeln über jeweilige Antriebseinrichtungen verschwenkt, um der Kamera ein gewünschtes Bild eines zu betrachtenden Objekts zu zeigen.
Die JP S52 - 067 511 A offenbart entsprechend seiner 1 einen Spiegel vor einer Kamera. Über einen Stellmotor und ein entsprechendes Gestänge, das zwischen dem Spiegel und dem Stellmotor angeordnet ist, wird der Spiegel um eine Achse bewegt.
Die JP H11 - 37 723 A offenbart eine Vorrichtung zur Untersuchung der Höhe eines Objekts. Hierbei sind zwei CCD-Kameras und ein drehbarer Polygonspiegel mit einer Vielzahl von reflektierenden Oberflächen, die mit unterschiedlichen Abständen zu dem Drehzentrum des Spiegels angeordnet sind, vorgesehen. Zwischen dem zu betrachtenden Objekt und dem Polygonspiegel sind ferner zwei Linsen und zwei Halbspiegel angeordnet, wobei der eine Halbspiegel über eine weitere Linse sein Bild in die zweite CCD-Kamera sendet und der andere Halbspiegel über eine Linse sein Bild ebenfalls in eine Kamera sendet. Die erste Kamera nimmt das Bild, wie es von dem Polygonspiegel reflektiert wird, auf.
Aus der US 6 370 329 B1 ist eine Kamera in einem Gehäuse bekannt, innerhalb dessen weitere optische Einrichtungen, wie zwei drehbare Spiegel, angeordnet sind. Die Kamera soll mit ihren optischen Einrichtungen in einem Flugzeug transportiert werden, um einen seitlichen Blick aus dem Flugzeug zu ermöglichen. Der ganze Aufbau ist darauf ausgerichtet, dass eine Stabilisierung und Ausrichtmöglichkeiten für die Kamera gegeben sind.
Die US 4 963 962 A offenbart eine optische Überwachungseinrichtung bzw. Anordnung mit einer Kamera, die in einem Sprinkleranlagengehäuse angeordnet ist, wobei die Sprinkleranlage nur ein Dummy ist. Die Kamera ist durch die Anordnung in einer Sprinkleranlage für den Betrachter nicht sichtbar. Die Kamera enthält einen Bildsensor und eine in zwei Richtungen quer verschiebbare CCD-Einheit. Ferner sind ein beweglicher Spiegel und ein bewegliches Prisma vorgesehen. Anstelle des Verschiebens der CCD-Einheit kann ein zweiter drehbarer Spiegel vorgesehen sein, der um eine Achse quer zur optischen Achse verschwenkt werden kann. Diese Druckschrift offenbart ferner, dass das Verschwenken des einen Spiegels weniger erwünscht ist als das Verschieben der CCD-Einheit, da ein Verschwenken des Spiegels aus der Achse heraus bewirkt, dass weniger Licht auf die CCD-Einheit fällt.
Die US 4 337 482 A offenbart ein anderes Überwachungssystem unter Verwendung einer oder zweier TV-Kameras, die entlang einem Schienensystem verfahren werden können. Ferner ist ein Spiegel vorgesehen, der über eine Aufnahme drehbar ist, um eine Schwenkeinstellung der Filmkamera(s) zu bewirken.
Aus der US 3 891 795 A ist ein weiteres automatisches Tag-Nacht-Beobachtungssystem bekannt, das eine TV-Kamera verwendet. Ferner sind zwei stationäre Spiegel auf Befestigungen in einem Winkel von 45° bezüglich der optischen Achsen des Systems vorgesehen. Ein um eine Achse drehbarer Spiegel ist vor dem Kameraobjektiv der TV-Kamera angeordnet und dient zum selektiven Reflektieren des entweder von dem Tagsichtsystem oder dem Nachtsichtinstrument übermittelten Bildes an das Kameraobjektiv. Bei diesem System wird immer zwischen einem Nachtsicht- und einem Tagsichtgerät bzw. entsprechenden optischen Einrichtungen gewechselt, wobei über eine Verlängerung des drehbaren Spiegels ein entsprechender Schalter aktiviert wird, um den Wechsel vom Tagsicht- auf das Nachsichtgerät vorzunehmen.
Die US 5 223 969 A offenbart ein sequentielles nacheinander folgendes Abtasten von Bildpunkten unter Zuhilfenahme eines schwenkbaren Spiegelelements. Hierbei soll der Helligkeitsabfall durch Verändern des Einfallswinkels des Lichtstrahls auf die Pixelebene des Sensors korrigiert werden. Ein Feld wird dabei durch einen ebenen photosensitiven Detektor mit einer Vielzahl von Reihen von photosensitiven Elementen beobachtet. Ein optisches Ablenkelement empfängt einen Einfallstrahl und lenkt einen abgelenkten Strahl in Richtung des photosensitiven Detektors durch eine fokussierende Optik hindurch. Das Ablenkelement ist geeignet, um um zwei Achsen zu rotieren, eine erste Rotationsachse, die parallel zur Achse der fokussierenden Optik liegt, und eine zweite Achse, die rechtwinklig zur ersten Rotationsachse steht. Wenn der Azimutwinkel des Strahls variiert, wird der Elevationswinkel des Strahls korrigiert, so dass sich der Lichtstrahl über einen Kreisbogen hinweg bewegt, der sein Zentrum auf der ersten Achse aufweist.
Die US 4 499 490 A offenbart eine Vorrichtung zum Bewegen eines Spiegels um eine horizontale und eine vertikale Achse, so dass der Spiegel in alle Richtungen und nach oben und nach unten scannen kann, um Lichtstrahlen, die Bilder von entfernten Objekten verkörpern, zu empfangen und um die Lichtstrahlen zu einer dazu benachbarten Videokamera zu leiten. Die Videokamera ist in einer feststehenden Position in einem Gehäuse angeordnet und zeigt nach oben in optischer Flucht mit dem Zentrum des Spiegels. Ein vertikal beabstandetes Zahnkranzpaar ist in dem Gehäuse zum Drehen relativ zu der Videokamera befestigt. Ein Antriebsmotorenpaar ist mit den entsprechenden Zahnkränzen zum Drehen von diesen in einander entgegengesetzten Richtungen relativ zueinander verbunden. Einer der Zahnkränze weist ein Ständerpaar auf, das sich nach oben erstreckt und an den Seiten des Spiegels endet. Der Spiegel weist ein Wellenstumpfpaar auf, das drehbar an den oberen Enden der Ständer befestigt ist, so dass der Spiegel um die horizontale Achse gedreht werden kann, auch wenn der erste Zahnkranz um die vertikal Achse des Spiegels dreht. Eine Schneckenradanordnung ist mit einem der Wellenstümpfe des Spiegels verbunden, erstreckt sich nach unten und ist mit dem anderen Zahnkranz verbunden, so dass die Bewegung des zweiten Zahnkranzes den Spiegel dazu bringt, um seine horizontale Achse zu drehen.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik weisen jeweils den Nachteil auf, dass die erzielbare Genauigkeit der erfassten Informationen teilweise nicht besonders hoch und die Geschwindigkeit der Bilderfassung ebenfalls recht niedrig ist. Gerade kritische Bilderfassungen, wie bei dem Auslesen von Codierungen auf Platinen, die an unterschiedlichen Stellen positioniert sind, ist mit diesen Vorrichtungen des Standes der Technik nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten dahingehend weiterzubilden, dass eine gegenüber dem Stand der Technik schnellere und genauere Erfassung von Objekten mit geringem technischen Aufwand bei einem einmaligen Erfassungsvorgang möglich wird. Gerade auch für die Verwendung der Vorrichtung für das Erfassen von Codierungen auf Platinen, die an diversen unterschiedlichen Stellen auf den Platinen aufgebracht sind, und/oder von Lötstellen sollte diese geeignet ausgerüstet sein.
Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten nach Anspruch 1 gelöst, die Folgendes umfasst: eine feststehende Kamera zum Erfassen von Bildern des flächigen oder räumlichen Objektes, zumindest eine Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten Bilder, ein um zwei Achsen verstellbares oder verschwenkbares Spiegelelement und eine Verstell- oder Verschwenkeinrichtung zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements um zwei Achsen, die ein Magnetfeld zum Halten und Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements verwendet, wobei in einer Grundposition die Kamera mit ihrem Objektiv als Abbildungsoptik auf das Zentrum des Spiegelelements ausgerichtet ist. Für ein Verfahren nach Anspruch 11zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten unter Verwendung einer solchen Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das verstellbare Spiegelelement um die zwei Achsen mit einer einstellbaren Geschwindigkeit verstellt oder verschwenkt wird, ein Objekterfassungsschritt zum Erfassen des oder der zu erfassenden Objekte erfolgt, bei dem die Kamera die in dem Spiegelelement abgebildeten Objekte erfasst, und die erfassten Bilder von der Kamera zu einer Auswerteeinheit zur Auswertung weitergeleitet und verarbeitet werden. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Dadurch wird eine Vorrichtung zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten geschaffen, die eine nicht bewegte Kamera aufweist. Unter einer Kamera wird vorliegend ein Gerät zur Umwandlung eines erfassten zweidimensionalen Bildes in elektrische Signale verstanden. Durch das Vorsehen einer nicht bewegten Kamera kann die Genauigkeit der Darstellungen gegenüber dem Stand der Technik, der bewegte Kameras umfasst, deutlich erhöht werden. Beim Bewegen einer Kamera während einer Aufnahme bzw. davor und/oder danach müssen die bewegten Massen vor einer weiteren Aufnahme erst zur Ruhe kommen, um eine Verfälschung der Aufnahme zu vermeiden. Dies ist jedoch zumeist nicht der Fall, da ansonsten die Aufnahmen eine zu lange Zeit in Anspruch nähmen. Durch die bewegte Masse der Kamera ist die Geschwindigkeit der Erfassung bei einer bewegten Kamera sehr viel geringer als bei einer stehenden Kamera, da bei letzterer nicht die Kameramasse beschleunigt und wieder abgebremst zu werden braucht, was stets zu einer Verzögerung der nachfolgenden Bewegung führt. Auch das Vorsehen eines bewegten zu erfassenden Objekts führt zu Problemen bei der Erfassung, da es dabei zu Verzerrungen aufgrund der Bewegung des Objekts kommen kann. Ferner ist der Aufbau einer solchen Vorrichtung aufwendig, da eine Hantiereinrichtung zum Bewegen des Objekts vor der Kamera vorgesehen werden muss. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines schnell verschwenkbaren und gegenüber der Kamera leichtgewichtigen Spiegelelements als einzig bewegtem Element kann durch die geeignete Wahl von dessen Masse die Geschwindigkeit des Erfassens von Objekten und die Genauigkeit der erfassten Informationen gegenüber dem Stand der Technik sehr stark erhöht werden. Es sind dabei Geschwindigkeiten von zumindest 20 Objekten pro Sekunde, besonders bevorzugt 50 Objekten pro Sekunde, bei einer Genauigkeit von 1/100 mm, insbesondere sogar 1/1000 mm oder noch besser möglich. Es ist auch die Erfassung von weniger als 20 Objekten pro Sekunde möglich, ebenso von einer beliebigen Anzahl von Objekten größer 20 oder sogar größer 50 pro Sekunde. Dies ist weder mit Vorrichtungen des Standes der Technik, die eine Vielzahl von Kameras verwenden, noch mit Vorrichtungen des Standes der Technik, die eine in x- und y-Richtung verschiebbare Kamera verwenden, möglich.
Grundsätzlich können einer Kamera ein Spiegelelement oder auch ein mehrteiliges Spiegelelement zugeordnet werden, wenn sich durch die Mehrteiligkeit Vorteile bei der Erfassung der Informationen über die zu erfassenden Objekte ergeben. Die Erfassung der von dem Spiegelelement erfassten Daten durch die Kamera wird dann entsprechend auf die Anzahl der Spiegelelemente und deren Position im Raum angepasst, um alle Informationen optimal empfangen zu können.
Es ist eine Verstelleinrichtung für das Spiegelelement zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements um zwei Achsen vorgesehen. Hierdurch kann das Spiegelelement besonders gut in einer Ebene um alle Achse gedreht werden, so dass es trotz der guten Beweglichkeit zugleich eine gute Stabilität seiner Bewegung aufweist. Insbesondere ändert sich dabei der Abstand zu dem zu erfassenden Objekt nicht in z-Richtung, so dass eine voreingestellte oder voreinstellbare Fokussierung bezüglich des Objekts bei dem Erfassungsvorgang erhalten bleibt. Bei einem ausreichenden Abstand des Spiegelelements von der Oberfläche des Objekts können auch große Objekte, wie Platinen etc., in einem Erfassungsschritt oder Scanvorgang vollständig erfasst werden. Beispielsweise ist das Erfassen einer Oberfläche von 60 x 60 cm in einem Scanvorgang problemlos möglich.
Um eine auf das zu erfassende Objekt angepasste Bewegung des Spiegelelements zu gewährleisten, ist vorzugsweise eine Ansteuerungseinrichtung zum Ansteuern der Verstelleinrichtung für das Spiegelelement mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen Programm vorgesehen. Dieses Programm kann auf einem der Vorrichtung zugeordneten oder in diese integrierten Rechner laufen und auf den Abstand zu dem Objekt, die gewünschte Genauigkeit der Erfassung und die Art des Objekts und die Anzahl der zu erfassenden Teilbereiche des Objekts angepasst werden.
Vorteilhaft umfasst die Verstelleinrichtung zumindest eine Einrichtung zum Verstellen des Spiegelelements um die x-Achse und zumindest eine Einrichtung zum Verstellen des Spiegelelements um die y-Achse, wobei die Einrichtungen getrennt voneinander oder in Kombination miteinander vorgesehen sein können. Die x-Achsenverstelleinrichtung zum Verstellen des Spiegelelements um die x-Achse und/oder die y-Achsenverstelleinrichtung zum Verstellen des Spiegelelements um die y-Achse sind magnetisch antreibbar oder angetrieben gestaltet. Eine Verstellung des Winkels des Spiegelelements zu der zu erfassenden Oberfläche des oder der Objekte bzw. zu dem oder den Objekten kann dadurch auf einfache Art und Weise erfolgen, unter dem Einfluss von größeren oder kleineren auftretenden, die Bewegung bremsenden Reibkräften. Gerade bei Verwendung eines Magnetfeldes zum Halten und Verstellen bzw. Verschwenken des Spiegelelements ist eine Bewegung nahezu ohne einen negativen Einfluss von Reibkräften möglich, da das Spiegelelement sozusagen im Raum schwebend gehalten wird.
Das Spiegelelement ist vorteilhaft als eine stabile verspiegelte Platte, insbesondere Glas-, Metall- oder Kunststoffplatte, ausgebildet, insbesondere mit einem vergleichsweise geringen Gewicht, um eine leichte, zugleich aber präzise Bewegung zu ermöglichen. Vorzugsweise weist das Spiegelelement eine sehr glatte Erfassungsoberfläche mit einer besonders geringen Rauheit auf. Hierdurch ist eine besonders exakte Wiedergabe der zu erfassenden Objekte zum Erfassen durch die Kamera möglich. Um durch Unebenheiten auf dem Spiegelelement hervorgerufene Verzerrungen ausgleichen zu können, weist die Auswerteeinheit vorteilhaft eine entsprechende Ausgleichseinrichtung auf, mittels derer die Verzerrungen für die Auswertung ausgeglichen werden können.
Vorzugsweise ist die Kamera im Wesentlichen in einer waagerechten Position etwa parallel zu der Oberfläche des zu erfassenden Objekts ausgerichtet. Bei einer solchen Ausrichtung können das oder die Spiegelelemente so zueinander angeordnet werden, dass die Bewegung des Spiegelelements von der Kamera sehr gut erfasst werden kann, ohne dass das Spiegelelement während seiner Bewegung die Bilderfassung durch die Kamera behindert.
Die Kamera kann eine analog oder eine digital arbeitende Kamera mit Abbildungsoptik sein, wobei die Wahl der Abbildungsoptik auf den jeweiligen Anwendungsfall geeignet angepasst werden kann. Ferner kann eine manuell oder motorisch betätigbare Fokussier- und/oder Blendenverstelleinrichtung im Bereich der Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen sein. Hierdurch ist eine Anpassung an unterschiedliche Abstände zu den zu erfassenden Objekten möglich.
Um eine besonders gute Ausleuchtung der von dem zumindest einen Spiegelelement erfassten Oberfläche zu erhalten, ist vorteilhaft eine Beleuchtungseinrichtung im Bereich der Kamera vorgesehen. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Beleuchtungseinrichtung ringförmig, das Objektiv der Kamera umgebend auszugestalten, da das Objektiv der Kamera üblicherweise zu dem Spiegelelement optimal ausgerichtet wird, um die in diesem erfassten Bilder aufnehmen zu können. Durch die Reflektion des Lichts im Spiegelelement, wird dieses auf das Objekt umgeleitet und beleuchtet dadurch die zu erfassenden Bereiche auf der Oberfläche des Objekts.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können in den verschiedensten Anwendungsbereichen Verwendung finden. Als vorteilhaft erweist sich beispielsweise die Verwendung der Vorrichtung zum Erfassen von Fehlerstellen auf Substraten, insbesondere fehlerhaften Lötstellen, fehlenden oder fehlerhaft positionierten Bauteilen, Brücken, Lotüberschuss, Lötperlen, und/oder von Codierungen. Gerade aufgrund der hohen Abtastgeschwindigkeit und der dabei möglichen hohen Genauigkeit der erfassten Daten eignet sich die Vorrichtung besonders auch für schwierigere Anwendungsfälle, bei denen Fehler nur schwer erkennbar bzw. detektierbar sind oder Codierungen wechselnd an den unterschiedlichsten Stellen vorgesehen sind.
Aber auch in Gebäuden, Räumen oder auf Plätzen eignet sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Gebäude, Räume oder Plätze, insbesondere zur Überwachung einer Schalterhalle einer Bank, von Kaufhäusern, Tankstellen, Kraftwerken oder anderen zu überwachenden Gebäuden oder Räumen bzw. zur Überwachung von Plätzen, insbesondere Bahnhöfe, Flughäfen, Stadien etc.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft beispielsweise auch zur Qualitätskontrolle, insbesondere zur Druckbildkontrolle, Vollständigkeitskontrolle aufgebauter oder erzeugter Produkte, Verbindungsstellenkontrolle, insbesondere Schweißnahtkontrolle, Oberflächeninspektion oder zur Kontrolle der Ordnungsmäßigkeit anderer Merkmale eines Produkts verwendet werden.
Auch zur Vermessung von Objekten, insbesondere Bauteilen oder Teilen von diesen, insbesondere Öffnungen, Bohrungen, Stanzungen oder anderen zu vermessenden Objektteilen oder Objekten, wie auch Gebäuden, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren.
Der Objekterfassungsschritt zum Erfassen des oder der zu erfassenden Objekte kann einstellbar in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen erfolgen. Vorzugsweise ist er auf die Frequenz eines Wechsels der zu erfassenden Objekte anpassbar oder angepasst. Hierdurch ist es möglich, eine zeiteffektive Erfassung der Objekte vorzusehen, die auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt nicht durchgehend, sondern in zeitlichen Abständen einen Objekterfassungsschritt vorsieht. Insbesondere wird bei der Abtastung bzw. dem Scannen bzw. Erfassen von Objekten auf einem Transportband eine Anpassung der Frequenz der Erfassung und damit der Bewegung des Spiegelelements an die Geschwindigkeit des Transportbandes vorgenommen, wohingegen bei der Überwachung eines Raumes beispielsweise eine Anpassung an die erwartete Wechselfrequenz der Objekte in diesem Raum vorgesehen wird.
Sollen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Objekte erfasst werden, die sich wechselnd auf unterschiedlichen Positionen befinden, erweist es sich als vorteilhaft, eine Vorrichtung vorzusehen, mit der das Vorsehen eines Objekterkennungsschritts möglich ist. Dieser wird vor dem eigentlichen Scan- oder Objekterfassungsschritt durchgeführt, um bei Erkennen einer hinsichtlich von auszulesenden oder zu erfassenden Objekten unbekannten Positionierung der Objekte die neue Positionierung bzw. das neue Muster der Oberfläche des oder der Objekte in einer Datenbank zum Vergleichen mit einer gescannten Objektoberfläche abzulegen. Die Position der zu erfassenden Objekte wird also in einer Datenbank als Muster gespeichert und ein Abgleich hinsichtlich der bekannten Muster vor oder bei, ggf. auch nach jedem Erfassungsvorgang (Scanvorgang) vorgenommen. Stellt sich hierbei heraus, dass das Muster noch nicht in der Datenbank enthalten ist, wird ein neues Muster angelegt. Gerade beim Erfassen von Codierungen auf Substraten, wie Platinen, können die Codierungen wechselnd an unterschiedlichen Stellen vorgesehen sein, wobei ein Erfassungsvorgang das Erfassen einer Vielzahl von Codierungen auf einem oder mehreren Substraten auf einmal vorsieht. Um eine möglichst optimale Erfassung bzw. ein optimales Auslesen der Codierungen zu ermöglichen, ist deren Position optimalerweise zuvor bekannt, also durch einen Objekterkennungsschritt erfasst, so dass die Auslesung von diesen korrekt erfolgen kann, da die Verstell- oder Verschwenkeinrichtung zum Bewegen des Spiegelelements dieses in die geeignete Position(en) bewegt.
Gerade bei der Überwachung sehr großer oder verwinkelt aufgebauter Räume können auch mehrere Vorrichtungen vorgesehen sein, von denen zumindest eine eine erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung mit einer einzigen Kamera und einem dieser zugeordneten Spiegelelement ist. Aufgrund der besonders guten Verstellbarkeit des Spiegelelements können jedoch auch große zu erfassende Räume mit nur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung überwacht werden.
Neben der x-Achsenverstell- oder -verschwenkeinrichtung zum Verstellen bzw. Verschwenken des Spiegelelements um die x-Achse und der y-Achsenverstell- oder -verschwenkeinrichtung zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements um die y-Achse kann auch noch eine z-Achsenverstelleinrichtung zum Verstellen des Spiegelelements in z-Richtung, also zum Annähern und Entfernen des Spiegelelements an das zu erfassende bzw. von dem zu erfassenden Objekt, vorgesehen sein. Wenn die Vorrichtung zu dicht an den zu erfassenden Objekten angeordnet ist, kann durch die unterschiedlichen Abstände bei der Bewegung des Spiegelelements eine Unschärfe beim Erfassen einiger außerhalb der eingestellten Fokussierung liegender Objekte und dadurch eine Verfälschung der Ergebnisse oder eine nicht mögliche Auslesbarkeit auftreten. Dies kann durch die Wahl eines möglichst großen Abstandes zu der Gesamtfläche, auf der die zu erfassenden Objekte angeordnet sind, behoben werden. Dadurch differieren die Unterschiede der Abstände zu den zu erfassenden Objekten nicht mehr in einem die Messung verfälschenden oder eine Auslesung von z.B. Codierungen unmöglich machenden Maße. Anstelle der Wahl eines geeigneten voreingestellten oder voreinstellbaren Abstandes zu den zu erfassenden Objekten kann der Abstand durch die z-Achsenverstelleinrichtung auch während der Bewegung des Spiegelelements zum Erfassen und Auslesen der Objekte verändert werden, so dass eine Fokussierung erfolgt. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass ein Erfassen des in dem Spiegelelement erfassten Bildes durch die Kamera weiterhin ermöglicht ist und die Bewegung des Spiegelelements ausreichend ruhig erfolgt, um Unschärfe bei der Abbildung zu vermeiden, die ansonsten zu Ablesefehlern bzw. Messungenauigkeiten führen kann. Die Auswerteeinheit kann ferner zumindest eine Einrichtung zum Ausgleich perspektivischer Verzerrungen umfassen, so dass zumindest bei der Auswertung der erfassten Bilder in der Auswerteeinheit perspektivische Verzerrungen ausgeglichen werden können.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen in:

1 eine perspektivische Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungemäßen Vorrichtung zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten, in dem dargestellten Fall Lötstellen auf Platinen, und
2 eine perspektivische Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungemäßen Vorrichtung zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten, in dem dargestellten Fall zum Auslesen von Codierungen auf Platinen.

1 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum visuellen Erfassen von Objekten, die in dem dargestellten Fall Platinen 2 auf einem Substrat 3 sind. Auf dem abzutastenden Substrat sind 20 solcher Platinen 2 angeordnet, wobei eine Überprüfung der Lötstellen auf den Platinen erfolgen soll.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine horizontal angeordnete Kamera 10 und ein Spiegelelement 11. Letzteres ist durch eine Verstell- bzw. Verschwenkeinrichtung 12 in seiner Position verstell- bzw. verschwenkbar, es kann also der Winkel zur Ebene des Substrats 3 und der zu erfassenden Objekte der Lötstellen auf den Platinen 2 geändert werden. Die Verstell- bzw. Verschwenkeinrichtung 12 umfasst eine Einrichtung 13 zum Schwenken des Spiegelelements 11 um die x-Achse 14 und eine Einrichtung 15 zum Schwenken des Spiegelelements 11 um die y-Achse 16. Durch das Schwenken des Spiegelelements um die x- und die y-Achse ist eine ausreichende Bewegung gegeben, um alle Platinen auf dem Substrat bei einem Erfassungsschritt abtasten bzw. erfassen zu können. Die Einrichtungen 13 und 15 sind erfindungsgemäß Magnetfeld erzeugende Einrichtungen.
Die Kamera ist so zu dem Spiegelelement ausgerichtet, dass sie die von diesem erfassten Bilder direkt selbst erfassen kann, was durch die Strahlenbündel 17 und 18 in 1 angedeutet ist. In der Grundposition vor dem Erfassungsvorgang, bei dem das Spiegelelement um die x-und y-Achse verschwenkt wird, kann die Kamera mit ihrem Objektiv 19 als Abbildungsoptik etwa auf das Zentrum des Spiegelelements ausgerichtet sein.
Zum Ansteuern der Verstell- bzw. Verschwenkeinrichtung 12 ist eine in 1 nur angedeutete Ansteuerungseinrichtung 20 vorgesehen. Durch diese wird nicht nur die Bewegung der Einrichtungen 13 und 15 hervorgerufen, sondern es kann auch eine Anpassung der Geschwindigkeit der Bewegung des Spiegelelements und des Ausmaßes von dessen Bewegung um die x- und y-Achse an den Wechsel der zu erfassenden bzw. abzutastenden Objekte erfolgen, insbesondere auch durch die Frequenz der Abtastung, also die Wiederholrate der Objekterfassungsschritte.
Die erfassten Daten werden von der Kamera zu einer Auswerteeinheit 21 weitergeleitet, die in 1 ebenfalls nur angedeutet ist. Diese ist vorteilhaft auch mit der Ansteuerungseinrichtung 19 verbunden, um bei Festellen einer fehlerhaften Erfassung der Daten einen erneuten Erfassungsschritt durchführen zu können, bevor das Substrat mit den Platinen gegen ein anderes ausgetauscht wird. Hierbei kann auch eine Transporteinrichtung zum Verfahren der Substrate mit der Auswerteeinheit und/oder Ansteuerungseinrichtung hinsichtlich der Geschwindigkeit des Weitertransports der Substrate gekoppelt sein, um auch hier eine Anpassung der einzelnen Komponenten aneinander und damit eine optimale Erfassung der zu erfassenden Objekte, z.B. fehlerhaften Lötstellen zu erzielen.
Gerade bei der Erfassung von fehlerhaften Lötstellen erweist sich das erfindungsgemäße Verschwenken des Spiegelelements als vorteilhaft, da eine Abtastung aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfolgt und somit bei Vorsehen einer Beleuchtung des Substrats bzw. der Platinen Schatten um die Lötstellen herum zur Auswertung ebenfalls mit genutzt werden können.
Anstelle einer Kontrolle der Platinen auf eventuell fehlerhafte Lötstellen, wie in 1 gezeigt, ist in 2 ein Auslesen von Codierungen 4 auf den Platinen 2 durch die Vorrichtung vorgesehen. Derartige Codierungen 4 enthalten beispielsweise die Produktionsdaten von Produkten. Sie können, wie in 2 angedeutet, auf den Platinen und damit auch auf dem Substrat unterschiedlich positioniert sein, so dass ein Auslesen mit einem im Stand der Technik bekannten Messaufbau kaum möglich ist. Erst durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Kombination einer stehenden Kamera und eines bewegten Spiegelelements ist jedoch ein Auslesen der sehr kleinen Codierungen problemlos möglich.
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten können noch zahlreiche weitere gebildet werden, bei denen jeweils nur eine einzige Kamera in Verbindung mit einem Spiegelelement zum schnellen Erfassen einer großen Fläche bzw. eines großen Raumes ausreicht.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Platine
3: Substrat
4: Codierung
10: Kamera
11: Spiegelelement
12: Verstell- bzw. Verschwenkeinrichtung
13: Einrichtung zum Schwenken des Spiegelelements um die x-Achse
14: x-Achse
15: Einrichtung zum Schwenken des Spiegelelements um die y-Achse
16: y-Achse
17: Strahlenbündel
18: Strahlenbündel
19: Objektiv
20: Ansteuerungseinrichtung
21: Auswerteeinheit

Claims

Vorrichtung (1) zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten (2), die Folgendes umfasst: eine feststehende Kamera (10) zum Erfassen von Bildern des flächigen oder räumlichen Objektes, zumindest eine Auswerteeinheit (21) zum Auswerten der erfassten Bilder, ein um zwei Achsen (14,16) verstellbares oder verschwenkbares Spiegelelement (11) und eine Verstell- oder Verschwenkeinrichtung (12) zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements (11) um zwei Achsen (14,16), die ein Magnetfeld zum Halten und Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements verwendet, wobei in einer Grundposition die Kamera (10) mit ihrem Objektiv (19) als Abbildungsoptik auf das Zentrum des Spiegelelements (11) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerungseinrichtung (20) für die Verstell- oder Verschwenkeinrichtung (12) zum Ansteuern der Verstell- oder Verschwenkeinrichtung für das Spiegelelement (11) mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen Programm vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstell- oder Verschwenkeinrichtung (12) zumindest eine Einrichtung (13) zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements (11) um die x-Achse (14) und zumindest eine Einrichtung (15) zum Verstellen oder Verschwenken des Spiegelelements (11) um die y-Achse (16) umfasst, wobei die Einrichtungen (13,15) getrennt voneinander oder in Kombination miteinander vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine z-Achsenverstelleinrichtung zum Verstellen des Spiegelelements in z-Richtung zum Annähern und Entfernen des Spiegelelements an das zu erfassende bzw. von dem zu erfassenden Objekt, vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (10) im Wesentlichen in einer waagerechten Position etwa parallel zu der Oberfläche des zu erfassenden Objekts ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine analog oder eine digital arbeitende Kamera mit Abbildungsoptik ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine manuell oder motorisch betätigbare Fokussier- und/oder Blendenverstelleinrichtung im Bereich der Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungseinrichtung im Bereich der Kamera (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung ringförmig ist und das Objektiv (19) der Kamera (10) umgibt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) zumindest eine Einrichtung zum Ausgleich perspektivischer Verzerrungen umfasst.
Verfahren zum visuellen Erfassen von flächigen oder räumlichen Objekten (2,3) unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das verstellbare Spiegelelement (11) um die zwei Achsen (14,16) mit einer einstellbaren Geschwindigkeit verstellt oder verschwenkt wird, ein Objekterfassungsschritt zum Erfassen des oder der zu erfassenden Objekte erfolgt, bei dem die Kamera (10) die in dem Spiegelelement (11) abgebildeten Objekte erfasst, und die erfassten Bilder von der Kamera (10) zu einer Auswerteeinheit (21) zur Auswertung weitergeleitet und verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare Geschwindigkeit zumindest 20 zu erfassende Objekte pro Sekunde, insbesondere 50 Objekte pro Sekunde beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit der Erfassung bei zumindest 1/100 mm, insbesondere 1/1000 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Objekterfassungsschritt zum Erfassen des oder der zu erfassenden Objekte einstellbar in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen erfolgt, insbesondere auf die Frequenz eines Wechsels der zu erfassenden Objekte anpassbar oder angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer hinsichtlich von auszulesenden oder zu erfassenden Objekten unbekannten Positionierung der Objekte ein Objekterkennungsschritt vor dem Objekterfassungsschritt vorgenommen wird.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Erfassen von Fehlerstellen auf Substraten fehlenden oder fehlerhaft positionierten Bauteilen, Brücken, Lotüberschuss, Lötperlen, und/oder von Codierungen.
Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erfassen von fehlerhaften Lötstellen verwendet wird.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Überwachung von Gebäuden oder Räumen.
Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Überwachung einer Schalterhalle einer Bank, von Kaufhäusern, Tankstellen, Kraftwerkhallen oder anderen zu überwachenden Räumen, oder von Plätzen, insbesondere Bahnhöfe, Flughäfen, Stadien verwendet wird.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Qualitätskontrolle, Vollständigkeitskontrolle aufgebauter oder erzeugter Produkte, Verbindungsstellenkontrolle, Oberflächeninspektion oder zur Kontrolle der Ordnungsmäßigkeit anderer Merkmale eines Produkts.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Druckbildkontrolle oder Schweißnahtkontrolle verwendet wird.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Vermessung von Objekten.
Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Vermessung von Bauteilen oder Teilen von diesen verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile von Bauteilen Öffnungen, Bohrungen, Stanzungen oder anderen zu vermessenden Objektteilen sind.