Integrierte Focus Stacking-Lösung bietet erweiterte Schärfentiefe für AOI-Systeme
Focus Stacking (Fokus-Stapelung) erweitert die Schärfentiefe, indem das Verfahren mehrere Bilder mit unterschiedlichen Fokuspositionen gestapelt aufnimmt. Die schärfsten Bereiche kombiniert es zu einem einzigen Ergebnisbild. In Kombination mit dem Autofokus von Flüssiglinsen ermöglichen Focus Stacking-Algorithmen eine schnelle, hochvergrößernde Inspektion von Mikrostrukturen unterschiedlicher Höhen. So entsteht in nur 67 Millisekunden ein vollständig fokussiertes 5,1 MP Bild.
Focus Stacking: eine wichtige Technik zur Erweiterung der Schärfentiefe
Beim Focus Stacking werden Bildsequenzen mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen und die schärfsten Bereiche zu einem einzigen scharfen Bild zusammengeführt. Das Verfahren ermöglicht starke Vergrößerungen, insbesondere bei AOI-Systemen für die Halbleiter- und Elektronikprüfung.
Solche Vision Systeme müssen häufig Komponenten mit erheblichen Höhenunterschieden abbilden, wie z. B. Leiterplattenteile, Lötstellen, Leiterbahnen und IC-Strukturen. Diese können sich innerhalb eines einzigen Sichtfeldes von fünf bis Hunderte von Mikrometern erstrecken. Die 3D-Merkmale sind in der Regel am kritischsten zu prüfen, aber auch am schwierigsten in einem Einzelbild klar zu erfassen. Focus Stacking löst diese Herausforderung, indem es Bilder mit erweiterter Schärfentiefe erzeugt, die eine zuverlässige Prüfung in Echtzeit ermöglichen.
Eine integrierte Lösung für Focus Stacking in der AOI
Focus Stacking bietet eine überzeugende Möglichkeit, die Schärfentiefe ohne Einbußen bei der Auflösung zu erhöhen. Doch die Umsetzung in eine produktionsreife AOI-Lösung ist mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden. Neben der Bildqualität ist die Prüfgeschwindigkeit ein zentraler Faktor. Das gilt insbesondere bei Inline-Inspektionssystemen, die schnelle Taktzeiten erfordern. Für Bildverarbeitungs-Ingenieure muss jeder Schritt – von der Hardwaresynchronisation und Bilderfassung bis hin zur Algorithmenoptimierung und Echtzeitverarbeitung – sorgfältig konzipiert und validiert werden, um die Anforderungen an Präzision und Durchsatz zu erfüllen.
Flüssiglinse schneller und einfacher als mechanische Tiefenverarbeitung
Im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen der Tiefenverarbeitung bietet dieFlüssiglinsen-Autofokus-Technologie klare Vorteile. Fokusanpassungen erfolgen innerhalb von Millisekunden und ohne bewegliche mechanische Teile. Dies macht das System kompakter und weniger verschleißanfällig. Dadurch eignet sich das auf fokusvariablen Linsen basierende Focus Stacking besonders für AOI-Systeme mit hohem Durchsatz, bei denen es auf Geschwindigkeit, Robustheit, Zuverlässigkeit und Platzersparnis in der Produktionslinie ankommt.
Flüssiglinsen-Steuerung ohne zusätzliche I/O-Karten oder Programmierung
Für die Integration einer Flüssiglinse in ein AOI-System benötigen Hersteller meist eine spezielle I/O-Hardware und Softwareentwicklung für die Steuerung der Linse und Kamerasynchronisation. Darüber hinaus kann die begrenzte Unterstützung von Programmiersprachen durch Hersteller von Flüssiglinsen zu Kompatibilitäts-Problemen mit bestehenden Entwicklungs-Umgebungen führen.
Wir minimieren diese Komplexität, indem wir die Algorithmen zur Steuerung von Flüssiglinsen direkt in die Kamerafirmware einbetten. Dieser Ansatz macht externe I/O-Hardware, zusätzliche Verkabelung und kundenspezifische Softwareentwicklung überflüssig. Systemintegratoren sind imstande, die Linse über unsere pylon Viewer Schnittstelle mit einfachen Parameter-Einstellungen oder Schiebereglern zu steuern.
Focus Stacking: ein rechenintensiver Prozess auf Pixelebene
Die Pipeline für Focus Stacking umfasst mehrere rechenintensive Schritte:
Aufnahme mehrerer Bilder: Erfassen von 5-20 Bildern mit unterschiedlichen Fokustiefen
Schärfemaß: Bewertung der Schärfe pro Pixel über mehrere Ebenen hinweg mit Algorithmen wie Laplacian oder Gradientenvarianz
Erstellen der Schärfekarte: Darstellung der schärfsten Ebene für jedes Pixel
Bildkomposition: Zusammenführen der schärfsten Bereiche bei gleichzeitiger Glättung der Übergänge
Stapeln in Echtzeit: 67 ms pro Stapel, keine CPU-Belastung
Die Optimierung von Focus Stacking-Algorithmen für eine zuverlässige PC-Leistung dauert oft Wochen oder Monate. Die Verarbeitung von mehr als 10 Bildern auf Pixelebene beansprucht immer noch erhebliche CPU-Ressourcen und Zeit.
Mit Baslers FPGA-Implementierung wird ein vollständig fokussiertes Bild aus 10 Aufnahmen (5,1 MP, 212 fps) in nur 67 ms generiert, was die Anforderungen an eine AOI in Echtzeit erfüllt.
Im Gegensatz dazu dauert die Ausführung einer ähnlichen Konfiguration auf einer CPU über eine Sekunde pro Bild, was für den Inline-Inspektionseinsatz viel zu langsam ist.
Produkt-Highlight: FPGA als Co-Prozessor mit VisualApplets für beschleunigte Entwicklung
Unsere Lösung nutzt den FPGA als Co-Prozessor, der auf einem programmierbaren Framegrabber implementiert ist. Diese Architektur liefert Bildvorverarbeitung auf Pixelebene in Echtzeit bei minimalem CPU-Overhead des Hosts.
Mit unserer grafischen FPGA-Programmierumgebung VisualApplets unterstützen wir die Hersteller von AOI-Systemen, schnell Prototypen zu erstellen und Focus Stacking-Algorithmen einzusetzen – ohne HDL-Codierung.
Dieses Setup ermöglicht:
Verarbeitungsleistung auf Pixelebene in Echtzeit
Minimaler CPU-Overhead
Nahtlose Integration mit Basler Kameras und der Flüssiglinsensteuerung
Kürzere Entwicklungszyklen durch modulare, wiederverwendbare IP-Blöcke
Die Algorithmen für das Focus Stacking basieren auf der passiven Fokussierung entlang der Z-Achse, was sie flexibler und kostengünstiger macht. Bei einem Projekt mit hohen Genauigkeits-Anforderungen haben wir mit VisualApplets in nur einer Woche ein funktionierendes Konzept erstellt. Für höhere Genauigkeit können wir den Algorithmus mit noch anspruchsvollerer Verarbeitung skalieren.
Beschleunigung der AOI-Systementwicklung mit integrierten Lösungen
Entwickler von AOI-Systemen müssen oft enge Zeitvorgaben einhalten und gleichzeitig verschiedene Hardware und komplexe Integrationen verwalten. Das Focus Stacking-Lösungsmodul haben wir entwickelt, um diese Belastung zu verringern. Es verschlankt den gesamten Bildgebungs-Workflow für die AOI-Systemintegration.
Durch die Integration von Algorithmen für Linsensteuerung und Focus Stacking direkt in FPGAs reduziert unsere Lösung den Entwicklungsaufwand, verkürzt die Time-to-Market und gewährleistet eine zuverlässige Inline-Inspektionsleistung.
Die wichtigsten Vorteile:
Reduzierter CPU-Overhead selbst für rechenintensive Aufgaben wie Focus Stacking, die vollständig auf dedizierter FPGA-Hardware laufen
Verschlankte Integration mit reduzierter I/O-Verdrahtung, ohne externe Steuermodule oder intensive Entwicklung von Bildgebungsalgorithmen
Schnellere Markteinführung dank beschleunigter Entwicklungszyklen und weniger Engpässen auf Systemebene
