<Desc/Clms Page number 1>
Optische aftastinrichting en spiegelkorrektiestelsel voor toepassing in een dergelijke inrichting.
De uitvinding heeft betrekking op een aftastinrichting voor het met optische straling langs een lijn aftasten van een oppervlak van een voorwerp welke inrichting bevat een stralingsbroneenheid voor het leveren van een aftastbundel, een optisch stelsel voor het vormen van een punt van kleinste insnoering in de aftastbundel en het met de aftastbundel vormen van een aftastvlek op het oppervlak, en een instelbaar afbuigstelsel voor het afbuigen, over een instelbare deflektiehoek van de aftastbundel naar een plaats op het af te tasten oppervlak, welk optisch stelsel een hoofdafbeeldingsstelsel bevat dat in de stralingsweg van de aftastbundel tussen de stralingsbroneenheid en het afbuigstelsel is aangebracht en een korrektiestelsel dat is aangebracht in de stralingsweg van de aftastbundel tussen het afbuigstelsel en het af te tasten oppervlak.
Een dergelijke aftastinrichting is beschreven door K. Klose in het artikel. Application of additional mirrors for rectilinear laser scanning of wide formats", gepubliceerd in 8Applied Optics., Vol. 17, No. 2, pp 203-210 (1978).
Zoals in dit artikel beschreven volgt het punt van kleinste insnoering in de aftastbundel, bij afwezigheid van het korrektiestelsel, een gebogen baan. Het punt van kleinste insnoering wordt verder het beeldpunt genoemd. Voor het met hoge resolutie aftasten van een plat oppervlak langs een rechte lijn is daarom een korrektiestelsel nodig voor het omzetten van die gebogen baan naar de rechte lijn op het oppervlak. In de bekende inrichting gebeurt dit door met behulp van het korrektiestelsel de aftastbundel naar de af te tasten lijn te reflekteren zó dat de totale optische weglengte die door de stralingsbundel wordt doorlopen van het objektiefstelsel naar de af te tasten lijn gelijk blijft aan de beeldafstand, dat wil zeggen de afstand van het objektiefstelsel tot het beeldpunt.
In de bekende inrichting wordt de fokusserende werking van het gebruikte korrektiestelsel verwaarloosd. Deze fokusserende werking heeft tot gevolg dat de brandpuntsafstand van het gehele optische stelsel kleiner is dan die van het objektiefstelsel alleen.
<Desc/Clms Page number 2>
Bovendien varieert de optische sterkte van het optisch stelsel bij het doorlopen van verschillende delen van het korrektiestelsel en dus als funktie van de instelling van het afbuigstelsel. Ook de positie die het korrektiestelsel in de aftastbundel inneemt verandert. Dit betekent dat het beeldpunt, het smalste punt in de aftastbundel, zich op enige afstand van de af te tasten lijn bevindt, welke afstand bovendien varieert als funktie van de instelling van het afbuigstelsel.
De bekende korrektiespiegel is slechts in een richting gekromd waardoor het extra fokusserend effekt ook slechts in één richting optreedt. Het resulteerde astigmatisme heeft tot gevolg dat het fokusserend effekt niet gekompenseerd kan worden door een verplaatsing van het af te tasten vlak in de richting van het korrektiestelsel. Wegens de reeds genoemde variatie in de optische sterkte van het optisch stelsel kan dit astigmatisme niet eenvoudig, bijvoorbeeld met behulp van een cilinderlens, gekorrigeerd worden.
Vanwege de omkeerbaarheid van de stralengang kan een optisch stelsel uit een inrichting volgens de aanhef ook gebruikt worden voor het aftasten van een oppervlak waarvan straling afkomstig is. De straling uit een gebiedje op het oppervlak wordt dan met behulp van het optisch stelsel op een stralingsgevoelig detektiestelsel gekoncentreerd.
De uitvinding heeft dus ook betrekking op een aftastinrichting voor het met optische straling langs een lijn aftasten van een oppervlak van een voorwerp welke inrichting bevat een stralingsgevoelig detektiestelsel voor het detekteren van van het oppervlak afkomstige straling, een optisch stelsel voor het afbeelden van een gebiedje van het oppervlak op het stralingsgevoelig detektiestelsel en een afbuigstelsel voor het selekteren van het genoemde gebiedje van het oppervlak, welk optisch stelsel een hoofdafbeeldingsstelsel bevat dat in de stralingsweg tussen het afbuigstelsel en het stralingsgevoelig detektiestelsel is aangebracht en een korrektiestelsel dat is aangebracht tussen het af te tasten oppervlak en het afbuigstelsel.
Ook in het geval dat de aftastinrichting een stralingsgevoelig detektiestelsel bevat wordt het af te tasten gebiedje door een aftastinrichting die voorzien is van het bekende optisch stelsel met een varierende mate van onscherpte op het stralingsdetektiestelsel afgebeeld. Tenslotte heeft de uitvinding ook betrekking op een korrektiestelsel dat geschikt is voor toepassing in
<Desc/Clms Page number 3>
dergelijke aftastinrichtingen.
De uitvinding heeft tot doel een korrektiestelsel te verschaffen waarmee het beeldpunt over de gehele breedte van het af te tasten oppervlak een nagenoeg rechte lijn in dat vlak beschrijft en waarbij astigmatisme in de aftastbundel vrijwel niet optreedt.
Daartoe heeft de aftastinrichting met een stralingsbroneenheid volgens de uitvinding het kenmerk dat het korrektiestelsel is samengesteld uit ten minste twee in de stralingsweg van de aftastbundel na elkaar geplaatste gekromde spiegels en dat de optische afstand van het hoofdafbeeldingsstelsel tot het punt van kleinste insnoering vrijwel onafhankelijk is van de deflektiehoek.
In een aftastinrichting volgens de uitvinding voor het aftasten van een oppervlak waarvan straling afkomstig is, is het korrektiestelsel samengesteld uit ten minste twee in de stralingsweg na elkaar geplaatste gekromde spiegels en is de optische afstand van het door een instelling van het afbuigelement geselekteerde gebiedje van het oppervlak tot het hoofdafbeeldingsstelsel onafhankelijk is van de instelling van het afbuigstelsel.
Het is gebleken dat door in het korrektiestelsel meerdere spiegels op te nemen het lokale fokusserende of defokusserende effekt van een spiegel gekompenseerd kan worden door het, eveneens lokaal, defokusserend of fokusserend effekt van een andere spiegel in de stralingsweg van de aftastbundel. Hierdoor is het mogelijk gebleken om een gelijke optische afstand van het hoofdafbeeldingsstelsel naar het beeldpunt te verkrijgen waarbij het beeldpunt altijd in voldoende mate in het af te tasten vlak ligt en de aftastvlek dus minimale afmetingen heeft.
De aftastinrichting volgens de uitvinding heeft het verdere kenmerk dat het korrektiestelsel een eerste en een tweede gekromde spiegel bevat, waarbij de eerste een konvex spiegelend oppervlak heeft en de tweede een konkaaf spiegelend oppervlak en dat de tweede spiegel in de stralingsweg tussen de eerste spiegel en het af te tasten oppervlak is geplaatst. Het aantal spiegeloppervlakken van het korrektiestelsel in deze uitvoeringsvorm bedraagt niet meer dan twee.
Het is gebleken dat met slechts twee spiegels een goede korrektie kan worden verkregen.
Een voorkeursuitvoeringsvorm van de aftastinrichting
<Desc/Clms Page number 4>
volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de eerste spiegel een hyperbool-cilindrisch spiegelend oppervlak heeft en de tweede spiegel een parabool-cilindrisch spiegelend oppervlak. Het is gebleken dat met deze vorm van de spiegels niet alleen een vlak en gekorrigeerd beeldveld verkregen kan worden, maar dat tevens de hoofdas van de aftastbundel over de gehele breedte van het af te tasten oppervlak met nagenoeg dezelfde hoek op het oppervlak invalt. Deze hoek is daarbij een rechte hoek ten opzichte van de af te tasten lijn. Door toepassing van het korrektiestelsel volgens de uitvinding wordt dus een zogenaamde telecentrische aftastmethode of een telecentrisch aftastsysteem verkregen. In het vlak loodrecht op de af te tasten lijn is de hoek van inval vrij te kiezen.
Een verder belangrijk voordeel van deze uitvoeringsvorm is de zeer goede f-9 korrektie die ermee wordt verkregen, dat wil zeggen dat de verplaatsing van de aftastvlek langs de af te tasten lijn als funktie van de deflektiehoek van het afbuigstelsel in hoge mate lineair is.
De uitvinding heeft ook betrekking op een spiegelkorrektiestelsel geschikt voor toepassing volgens een van de beschreven aftastinrichtingen. Een dergelijke korrektiestelsel kan niet alleen dienst doen in een aftaststelsel voor het inspekteren of uitlezen van een oppervlak, maar bijvoorbeeld ook in een inrichting waarin met behulp van straling informatie in een oppervlak wordt ingeschreven, bijvoorbeeld een laserafdrukinrichting.
De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin figuur 1 een bekende aftastinrichting met een korrektiestelsel dat slechts een spiegel bevat toont, figuren 2a en 2b een uitvoeringsvorm van de aftastinrichting volgens de uitvinding tonen met een korrektiestelsel dat uit twee spiegels bestaat, figuren 3a, 3b en 3c schematisch de stralingsweg door de aftastinrichting aangeven bij verschillende instellingen van het afbuigstelsel en in het vlak waarin het korrektiestelsel geen sterkte heeft, figuur 4 een tweede uitvoeringsvorm van een aftastinrichting volgens de uitvinding toont, en figuur 5a en 5b een aftastinrichting tonen waarbij
<Desc/Clms Page number 5>
straling afkomstig van het af te tasten vlak op een stralingsgevoelig detektiestelsel wordt gekoncentreerd.
In figuur 1 is schematisch een bekend aftaststelsel getoond waarbij met behulp van een afbuigelement een aftastvlek over een af te tasten lijn op een oppervlak wordt bewogen. Een aftastbundel 20 wordt opgewekt door een lichtbron 10, bijvoorbeeld een HeNe-laser of een diodelaser. De bundel wordt met behulp van een draaibare spiegel 40, bijvoorbeeld een spiegelend zijvlak van een draaibaar polygoon, in de richting van het af te tasten oppervlak 60 afgebogen. De rotatieas van de draaibare spiegel staat daarbij loodrecht op het oppervlak 60. Tussen de laser 10 en de spiegel 40 is een hoofdafbeeldingsstelsel of objektiefstelsel 30 geplaatst dat de aftastbundel fokusseert in een beeldpunt 21. Het afbeeldingsstelsel is in de figuur weergegeven door een enkelvoudige lens. De afstand van het objektiefstelsel 30 tot het beeldpunt 21 wordt de beeldafstand genoemd.
Door de rotatie van de afbuigspiegel 40 rond een as 41 beschrijft het beeldpunt 21 een gekromde baan 22 tussen de twee aangegeven uiterste punten 22'en 22'. Dit betekent dat de aftastvlek die door de bundel 20 op het af te tasten oppervlak 60 wordt gevormd een gebogen trajekt beschrijft. Uit het oogpunt van rekonstruktie van de struktuur van het oppervlak is dit ongewenst. Een rotatie van het oppervlak rond de lijn door de punten 22'en 22'betekent dat de aftastvlek over een groot deel van het trajekt uit fokus is, wat eveneens ongewenst is.
Om het beeldpunt een rechte lijn te doen beschrijven over het oppervlak 60 is in de stralingsweg van de aftastbundel een gekromde spiegel 50 geplaatst. Deze spiegel is zo gevormd dat de optische weglengte van het objektiefstelsel 30 naar het oppervlak 60, via de afbuigspiegel 40 en de korrektiespiegel 50, onafhankelijk is van de stand van het afbuigspiegel 40 en gelijk aan de beeldafstand.
Hierbij wordt echter verwaarloosd dat de spiegel 50 in een richting een kromming bezit, waardoor de konvergerende bundel astigmatisme gaat vertonen en dus de aftastvlek 23 op het oppervlak 60 lijnvormig wordt, waarbij de gevormde lijn zich in de bewegingsrichting van de vlek uitstrekt.
Opgemerkt wordt dat het afbuigstelsel niet noodzakelijk een roteerbare spiegel zoals een spiegelend zijvlak van een polygoon of een galvonometerspiegel hoeft te zijn, maar dat ook andere
<Desc/Clms Page number 6>
afbuigsystemen, bijvoorbeeld een akousto-optisch element of een draaibaar hologram gebruikt kunnen worden.
In figuren 2a en 2b is een uitvoeringsvorm van het aftaststelsel volgens de uitvinding in voor-en zijaanzicht getoond. Het korrektiestelsel bestaat uit twee gebogen spiegels 51 en 52. De spiegel 51 is konvex en heeft een hyperbool-cilindrische vorm, met de beschrijvende evenwijdig aan de rotatieas van de draaibare spiegel 40.
De. Spiegel 52 is konkaaf en parabool-cilindrisch van vorm.
De optische afstand die de bundel doorloopt van de stralingsbron 10 tot het af te tasten vlak 61 is voor iedere instelling van het afbuigstelsel 42 gelijk, evenals de positie van het objektiefstelsel 30 daarin. Wanneer de instelling van het afbuigstelsel 42 verandert veranderen de posities van de elementen van het korrektiestelsel 51 en 52 echter wel in de stralingsweg van de bundel terwijl ook de sterkte van de elementen verandert. Het netto resultaat is dat de lichtbron 10 op dezelfde afstand wordt afgebeeld.
Ten opzichte van figuur 1 is het af te tasten oppervlak over ongeveer 900 gedraaid rond de af te tasten lijn. Het af te tasten oppervlak is met 61 aangeduid. Ter verduidelijking is het vlak 60, waarvan de orientate overeenkomt met het vlak 60 in figuur 1, gestippeld aangegeven.
Het is gebleken dat door een kombinatie van de hyperbolische en parabolische spiegel aan de vereisten voor een korrektiestelsel kan worden voldaan. De totale beeldafstand van de aftastbundel is in het vlak waarin de spiegels sterkte hebben gelijk aan die in het loodrecht daaropstaande vlak zodat geen astigmatisme voorkomt. Tevens is de baan die het op deze wijze gevormde beeldpunt beschrijft zeer nauwkeurig een rechte lijn in het oppervlak 60.
De spiegel 51 vermindert de konvergentie van de aftastbundel zodat een beeldpunt 21'ontstaat op grotere afstand van de spiegel 51 dan het oorspronkelijke beeldpunt 21. De tweede, parabolisch gekromde spiegel 52 fokusseert de aftastbundel vervolgens tot het beeldpunt 21'op het af te tasten oppervlak 60, zodat de aftastvlek 23 daarmee samenvalt en minimale afmetingen heeft.
De door het oppervlak weerkaatste straling uit de aftastvlek wordt opgevangen in een detektiestelsel 70, waar de door de struktuur in het oppervlak veroorzaakte intensiteitsmodulatie in de door
<Desc/Clms Page number 7>
het oppervlak weerkaatste straling wordt omgezet in de modulatie van een elektrisch signaal, geschikt voor verdere verwerking.
In figuren 2a en 2b is als bundelafbuigend stelsel een polygoon 42 met spiegelende zijvlakken 40 getoond. Het polygoon 42 is draaibaar rond een as 41 zodat de aftastbundel naar verschillende plaatsen op het oppervlak 60 kan worden afgebogen.
Doordat de as 41 waar het spiegelend vlak 40 om draait niet in het vlak 40 ligt dienen de parameters van de korrektiespiegels 51 en 52 aan deze situatie te worden aangepast. De vorm en de posities van de spiegels 51 en 52 zijn hierdoor enigszins afwijkend van de vorm en de posities die de spiegels van het korrektiestelsel zouden hebben wanneer een galvanometerspiegel, waarvan de draaias in het spiegelend vlak ligt, als bundelafbuigend element zou zijn toegepast. Het is gebleken dat een hyperbolische en parabolische vorm van de spiegels voldoen binnen de toleranties die aan een dergelijk systeem gesteld worden.
In de figuren 3a en 3b is de stralingsweg voor dit stelsel schematisch getekend in de situatie dat de aftastbundel in de middenstand en in een uiterste stand staat. Ter vergelijking is in figuur 3c de stralingsweg, eveneens schematisch, getekend in het vlak waarin de elementen geen sterkte hebben. De beeldafstand van het hoofdafbeeldingsstelsel 30 tot het beeldpunt 21 is in alle drie figuren gelijk. De positie van het afbuigstelsel 40 is met behulp van een stippellijn aangegeven. Wanneer de aftastbundel de middenstand aanneemt is de afstand tussen de twee spiegels 51 en 52 relatief groot en is de afstand van de spiegels tot het beeldpunt eveneens relatief groot. In een uiterste stand, zoals getoond in figuur 3b, zijn deze afstanden relatief klein.
Opgemerkt wordt, dat ter verduidelijking van de figuur de aftastbundel tussen de spiegels 51 en 52 als een parallele bundel is weergegeven. In een rebels uitvoeringsvorm zal dit deel van de aftastbundel in het algemeen niet parallel zijn.
In de in het voorgaande getekende uitvoeringsvorm is de hoofdstraal van de op het polygoon vallende bundel gericht op de rotatieas van het polygoon. In figuur 4 is een uitvoeringsvorm weergegeven waarbij de hoofdas van de opvallende bundel langs de rotatieas van het polygoon gericht is. Het schijnbare draaipunt van de aftastbundel ligt bij een dergelijke opstelling op een andere plaats
<Desc/Clms Page number 8>
waardoor de exacte parameters van de korrektiespiegels daaraan dienen te worden aangepast.
De in figuur 2 getoonde uitvoeringsvorm is gerealiseerd voor het aftasten van een kaart met drukte bedrading voor elektronische komponenten (Printed Circuit Board, PCB). De aftastbreedte bedraagt
EMI8.1
439, mm, het objektiefstelsel bestaat uit een lenzenstelsel met een brandpuntsafstand van 800 mm. Het afbuigstelsel bevat een. prismatisch polygoon met zestien facetten die ieder een afstand tot de draaias hebben van 30, 01 mm.. Overbelicht8 wil zeggen dat de diameter van de aftastbundel ter plaatse van het polygoon groter is dan de lengte van de facetten. De eerste korrektiespiegel is een cilindrische hyperbool waarvan de hyberboolvorm beschreven wordt door de vergelijking (X/a) - (Y/b) = 1, met a = 69, 259 mm en b = 363, 46 mm.
De tweede korrektiespiegel is een cilindrische parabool waarvan de paraboolvorm gekarakteriseerd is door een brandpuntsafstand van 387, 5865 mm.
Geprojekteerd op een vlak loodrecht op de rotatieas van de spiegel bedraagt de afstand van de rotatieas tot het midden van de eerste spiegel ongeveer 454 mm, en de afstand tussen de geprojekteerde middens van de twee spiegels onderling ongeveer 87 mm. De aftastbundel valt op de spiegelende zijvlakken van het polygoon met een hoek van 750 met de rotatieas. Het beeldpunt wordt in deze uitvoeringsvorm ongeveer 40 mm achter de eerste korrektiespiegel gevormd. Bij deze uitvoeringsvorm beschrijft het beeldpunt een baan over de oppervlakte van het PCB die in het vlak niet meer dan 5 pm van een rechte lijn afwijkt en in vertikale richting niet meer dan 10 pm van het theoretische rechte vlak afwijkt.
Het aftasten is telecentrisch met een afwijking die niet meer bedraagt dan 0, 05 mrad en de positie van de aftastvlek is lineair et de deflektiehoek binnen 0, 5% van de aftastbreedte.
In figuur 5 is een uitvoeringsvorm getekend waarin een oppervlak wordt afgetast met behulp van een stralingsgevoelig detektiestelsel. Het oppervlak 161, bijvoorbeeld van een fotonegatief, wordt vanaf de onderzijde belicht met behulp van een lichtbron 170. Door de af te tasten struktuur in het vlak 161 wordt het licht verstrooid, gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk gereflekteerd zodat het door het vlak 161 tredende licht gemoduleerd is in overeenstemming met een in dat vlak aanwezig patroon. Een deel van het door het vlak vallende licht wordt via de korrektiespiegels 52 en 51 en het roterend polygoon 42
<Desc/Clms Page number 9>
ingevangen door het hoofdafbeeldingsstelsel 30. Via dit stelsel wordt een gebiedje van het oppervlak op het stralingsgevoelig detektiestelsel 110 afgebeeld.
Het korrektiestelsel verzekert in een dergelijke aftastinrichting dat het geselekteerde gebiedje van waaruit licht op het detektiestelsel valt met te verwaarlozen beeldfouten op het detektiestelsel wordt afgebeeld en dus dat het oplossend vermogen van de aftastinrichting maximaal is.
Het stralingsgevoelig detektiestelsel 110 kan een enkelvoudig detektie-element bevatten voor het detekteren van de straling afkomstig van een enkel punt in het oppervlak, maar ook een meervoudig detektiestelsel zoals een diode of een CCD-element voor het gelijktijdig detekteren van straling afkomstig van een deel van het oppervlak.
De belichting van het oppervlak 161 kan vanzelfsprekend ook vanaf de bovenzijde plaatsvinden. In het bijzonder kan de belichting plaatsvinden met behulp van een aftastbundel die via het objektiefstelsel 30, het afbuigstelsel 42 en het korrektiestelsel 51 en 52 naar het af te tasten vlak wordt geleid. Bij een dergelijke belichtingsmethode dient, op een op zichzelf bekende wijze bijvoorbeeld met een halfdoorlatende spiegel, de heengaande aftastbundel te worden gescheiden van de terugkomende van het oppervlak afkomstige stralingsbundel die naar het detektiestelsel wordt geleid.
Een aftastinrichting volgens de uitvinding kan in tal van aftastapparaten toegepast worden, niet alleen bij geautomatiseerde inspektie van kaarten met bedrukte bedrading, maar bijvoorbeeld ook bij het digitaliseren van foto's of tekeningen, bijvoorbeeld rÌntgenfoto's of lucht-of satelietopnamen. Ook kan een aftastinrichting toegepast worden in een laserdrukker of in een apparaat voor het kontaktloos meten van het relief van een geprofileerd oppervlak. Vooral in het laatste toepassingsgebied heeft het voordeel dat het spiegelstelsel zo gekonstrueerd kan worden dat het oppervlak telecentrisch afgetast wordt, dat wil zeggen dat de hoek van inval van de stralingsbundel onafhankelijk is van de stand van het afbuigelement.