Herausforderung Hochauflösende Inspektion. 13./ Thomas Schäffler

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1 Herausforderung Hochauflösende Inspektion 13./ Thomas Schäffler

2 Agenda Herausforderung der hochauflösenden Inspektion: Große Sensoren, kleine Pixel und große Abbildungsmaßstäbe Über Qioptiq Einige optische Grundlagen und Definitionen Beurteilung von Objektiven Bedeutung der Beleuchtung Praxisbeispiel Hilfsmittel Qioptiq unrestricted Qioptiq

3 Über Qioptiq Worin unterscheidet sich Qioptiq von anderen Photonic-Unternehmen? Innovatives Design, neueste Technologien und modernste Werke in Westeuropa und Nordamerika Rochester, NY, USA Asslar, Deutschland Göttingen, Deutschland München, Deutschland Regen, Deutschland Produktionsstätten mit niedrigeren Kosten und zugleich hohen Qualitätsstandards in Osteuropa und Asien Kecskemét, Ungarn Singapur St. Asaph, UK Bodelwyddan, UK Hamble, UK Qioptiq unrestricted Qioptiq

4 Über Qioptiq Qioptiq unrestricted Qioptiq

5 Motivation Problemstellung Vorgehensweise bei klassischen MV-Anwendungen Auswahl der Kamera Verwendung eines Objektivs mit passender Brennweite Verwendung einer Beleuchtung, die genügend Licht bringt Hohe Vergrößerung mit großem Sensor Optik und Beleuchtung sind entscheidend für Erreichen der benötigten Auflösung Ausreichend Kontrast für die zuverlässige Detektion von Defekten Die Auswahl und das Zusammenspiel der optimalen Komponenten entscheidet über die Machbarkeit des geplanten Systems Qioptiq unrestricted Qioptiq

6 Definitionen Ab wann ist ein Sensor groß? Flächensensor ab Kleinbildformat (24 x 36mm² bzw. 43mm Diagonale) Zeilensensoren ab 41mm Gebräuchlich sind 61mm bis 82mm Wie groß sind kleine Pixel? Pixel kleiner als 7µm 5µm Pixelgröße ist ein guter Kompromiss Willkürliche Festlegungen aus der Sicht der Optik! Es gibt keine allgemeingültigen Definitionen. Qioptiq unrestricted Qioptiq

7 Definitionen Ab wann ist der Abbildungsmaßstab groß? Vergrößerungen ab 1x: ab hier wird optisch vergrößert Definition der Vergrößerung bzw. des Abbildungsmaßstabes: Abbildungsmaßstab = Bildgröße Objektgröße Objekt Bild Qioptiq unrestricted Qioptiq

8 Definitionen Was bedeutet eigentlich Auflösung? Sensor Objekt Sensorsignal Aufgelöst Nicht aufgelöst Zuverlässige Auflösung bei 2*Pixelgröße Beispiel: Ein Sensor mit 5µm Pixelgröße kann keine Strukturen kleiner als 10µm zuverlässig auflösen Das Objektiv muss also auf der Bildseite ebenfalls nur 10µm auflösen Die Detektionsgrenze des Systems liegt im Normalfall deutlich unter der Auflösungsgrenze. Qioptiq unrestricted Qioptiq

9 Definitionen Zusammenhang von Auflösung und Abbildungsmaßstab Der Sensor definiert die bildseitige Auflösung in lp/mm durch seine Pixelgröße in µm 1000 Auflösung = 2xPixelgröße Der Abbildungsmaßstab legt dann die Auflösung auf der Objektseite fest Objektauflösung [ lp lp ] = Bildauflösung[ ] Abbildungsmaßstab mm mm y=31mm dy=5µm y=62mm dy=10µm M=2x Qioptiq unrestricted Qioptiq

10 MTF Definitionen Auflösungsgrenze des Objektivs Theoretische Auflösung der Optik ist durch die Wellenlänge und die Öffnung des Objektivs begrenzt MTF für M=3 und f/4 Grenzfrequenz = 2 NA Wellenlänge NA ist die numerische Apertur des Objektivs auf der Bildseite Die angegebene Blendenzahl ist nur für Abbildung aus Unendlich gültig Es gilt die effektive Blende: Beispiel: k eff = k 1 + ß k eff = 1 2 NA Objektiv mit der Angabe f/4 hat bei 3x Vergrößerung nur noch f/16 Die Grenzfrequenz beträgt dann 340lp/mm 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Ortsfrequenz [lp/mm] Qioptiq unrestricted Qioptiq

11 Definitionen Das Problem mit der Schärfentiefe Die Schärfentiefe sinkt mit zunehmender Öffnung Schärfentiefe ist durch die Physik festgelegt und keine Eigenschaft des Objektivs Schärfentiefe von telezentrischen Objektiven ist identisch mit entozentrischen Objektiven Für eine erste konservative Abschätzung der zu erwartenden Schärfentiefe, zeigt MachVis das Ergebnis der paraxialen Berechnung auf der Basis der verwendeten Pixelgröße an Für genaue Aussagen ist eine wellenoptische Berechnung mit Hilfe der MTF- Kurve des Objektivs nötig. Qioptiq unrestricted Qioptiq

12 Beurteilung von Objektiven Das MTF-Diagramm Ermöglicht eine qualitative Beurteilung der Kontrastübertragung durch das Objektiv bei verschiedenen Frequenzen Berechnung mithilfe der Designsoftware Bewertung der MTF-Kurve: Gleichmäßiger Kontrast über das gesamte Feld waagerechte Kurve Nahezu beugungsbegrenztes Design MTF-Kurve für den benötigten Maßstab gerechnet. Bereits bei kleinen Abweichungen können sich große Verluste ergeben Senkrechte und waagerechte Strukturen müssen möglichst gleich übertragen werden Qioptiq unrestricted Qioptiq

13 MTF Beurteilung von Objektiven Das MTF-Diagramm Berechnete MTF Kurven zeigen immer nur das nominelle Design Realer Kontrast liegt je nach Objektiv deutlich niedriger Bei anspruchsvollen Anwendungen sollte der Unterschied möglichst gering sein. Beispiel: inspec.x L 4/105 1,2 MTF gerechnet vs gemessen 1 0,8 0,6 0,4 0, Ortsfrequenz [lp/mm] gerechnet gemessen Qioptiq unrestricted Qioptiq

14 Beurteilung von Objektiven Neben der MTF-Kurve sind weitere Parameter zu beachten Arbeitsabstand: Beleuchtung benötigt Platz Arbeitsabstand von einigen cm wichtig Markierung des besten Azimuth: Aufgrund von Toleranzen stets nur eine optimale Ausrichtung Optimale Leistung durch Drehung des Objektivs Farbkorrektur: Bei weißem Licht ist die finale Leistung bereits aus der MTF ersichtlich Wenn unterschiedliche Wellenlängen (z.b. Rot und Blau) gleichzeitig verwendet werden sollen, ist die Anforderung höher Datenblätter sollten alle diese Angaben enthalten Qioptiq unrestricted Qioptiq

15 Bedeutung der Beleuchtung Nur wenn das Gesamtsystem gut harmoniert ist die optimale Leistung zu erwarten Koaxiales Auflicht Bei spiegelnden Oberflächen oft unerlässlich (Glas, Wafer, etc.) Prisma oder Strahlteiler im Strahlengang erforderlich zur Einkopplung Jedes optische Element, das nicht im Design berücksichtigt ist, reduziert die Abbildungsqualität Bei höchsten Anforderungen muss die Beleuchtung bereits integriert sein und auf die Optik abgestimmt sein Dunkelfeldbeleuchtung ist für die Optik unkritisch Oft sehr viel Lichtleistung nötig Arbeitsabstand muss groß genug sein Qioptiq unrestricted Qioptiq

16 Praxisbeispiel Beispiel mit Flächensensor Flächensensor im KB-Format mit Pixelgröße 5,5µm Objektgröße 20 x 20mm² Arbeitsabstand >100mm Dunkelfeldbeleuchtung Abbildungsmaßstab = 1.2 (mit Sensorhöhe rechnen!) Auflösung im Objekt = 9,2µm / Entspricht 54lp/mm Empfohlenes Objektiv: inspec.x L 5.6/105 1x Qioptiq unrestricted Qioptiq

17 Hilfsmittel Qioptiq MachVis Berechnung aller relevanten Parameter aus Sensorgröße Arbeitsabstand Objektgröße Vorschlag von passenden Objektiven und Ausgabe der paraxialen Werte Datenblätter aller Linos Objektive von Qioptiq Berechnung der Schärfentiefe 3d-CAD Daten Kostenloser Download von Qioptiq unrestricted Qioptiq

18 Geschafft! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Qioptiq unrestricted Qioptiq

19 Anhang: Qioptiq Portfolio Objektive für diverse Anforderungen Rodagon Apo- Rodagon inspec.x L 5.6/105 inspec.x L 4/105 mag.x 125 5x/2.25x Auflösung 10µm 7µm 5µm 2µm 0,7µm Allgemeine Inspektion Display and PCB Inspektion Sub-µ Inspektion Qioptiq unrestricted Qioptiq

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