NL8400283A - Aftastapparaat. - Google Patents

Description

r i - 1 - <

Aftastapparaat.

De uitvinding heeft betrekking op een aftast-apparaat met een groot scheidend vermogen voor het aftasten van een beeldvlak, waarop kleine details moeten worden gedetecteerd. Dergelijke details kunnen zijn in 5 de vorm van ketenpatronen op gedrukte ketenplaten of dikkefilm schakelingen, stippen en lijnen of andere tekens bij fotografische typografie, of afstandsmetingen in tweedimensionale foto's.

Het aftastapparaat volgens de uitvinding omvat 10 een lichtbron voor het transmitterën van een nagenoeg evenwijdige, smalle lichtbundel, gericht naar een bewegende aftastspiegel, waarbij de lichtbundel in staat gesteld wordt om een optische weg te volgen, welke een divergerende lens omvat en een positieve lens voor het zwaaien over 15 het gehele beeldvlak als een punt langs een zich herhalende aftastlijn.

Bij een aftastapparatuur van de hier bedoelde soort wordt gewoonlijk een laser gebruikt als lichtbron, vanaf welke de uitgezonden lichtbundel wordt gericht 20 naar een divergerende lens, aangebracht op dezelfde optische as als een collimatorlens, welke een lichtbundel, samengesteld uit evenwijdige stralen, zendt naar een roterende polygon© spiegel, teneinde de parallelle lichtbundel te doen gaan door de positieve lens onder ver-25 schillende intreehoeken. De lichtbundel, die wordt gereflecteerd door de polygone spiegel, wordt na doorgang door de positieve lens geconvergeerd voor het vormen van een lichtpunt, dat een zwaaibeweging maakt langs de aftastbaan even veel malen per omwenteling van de 30 polygone spiegel als het aantal reflecterende oppervlakken, dat deze spiegel bezit.

In een dergelijk bekend aftastapparaat (zie ook fig. 1, die in het onderstaande zal worden beschreven) zijn er relatief grote afstanden tussen de roterende 35 polygone spiegel en het aangrenzende lenssysteem, met als gevolg, dat de oppervlakken van zowel de spiegel als de lenzen een aanzienlijke grootte moeten hebben.

840^/33 •4 ¥ - 2 -

Dergelijke grote optische elementen zijn kostbaar en moeilijk te vervaardigen.

Volgens de uitvinding kunnen de hierboven genoemde nadelen worden opgeheven door bij een aftastapparaat 5 van de hierboven beschreven soort de divergerende lens te plaatsen op een optische as, die gemeenschappelijk is voor de positieve lens en de bewegende aftastspiegel, op welke as tevens een bundelverdeler is aangebracht, en op een zodanige wijze, dat de genoemde bundelverdeler 10 en de positieve lens zijn ingeschoven tussen de divergerende lens en de aftastspiegel, en dat de positieve lens is aangebracht tussen de bundelverdeler en de aftastspiegel voor het overdragen van de lichtbundel, gericht op de aftastspiegel, alsook de lichtbundel, die daarvan wordt 15 gereflecteerd, door zowel de positieve lens als de bundelverdeler, waarbij de bundelverdeler het gereflecteerde licht richt op het genoemde beeldvlak. Verder wordt hierdoor verwijdering van het positieve element van de divergerende lens mogelijk gemaakt, terwijl 20 tegelijk vermindering van de diameter van de positieve lens en de grootte van de reflecterende oppervlakken van de aftastspiegel mogelijk is. gemaakt.

De positieve lens kan met voordeel een f-θ- lens zijn.

25 Het is zodoende mogelijk gemaakt om een aftastapparaat te verschaffen, dat zowel in technisch als economisch, opzicht goed geschikt is voor toepassing in aftastsystemen van de in de aanhef genoemde soort.

Het betreft hier evenwel slechts voorbeelden van het 30 toepassingsgebied, en daarom dient het aftastapparaat volgens de uitvinding niet te worden opgevat als daartoe te zijn beperkt, en beantwoordt dit goed aan het doel als zogenaamde lijnaftaster voor alle gebruiksgebieden, waarbij e.en hoog scheidend vermogen vereist is.

35 Volgens een verdere ontwikkeling van het aftastapparaat volgens de uitvinding wordt een positieve bepaling van afzonderlijke details in het gezichtsveld mogelijk. gemaakt, doordat delen van de gereflecteerde lichtbundel kunnen worden gebruikt als referentie-· of 40 klokbundel. Deze bundel kan men bijvoorbeeld laten zwaaien 8400233 -3.- * * over een schaal, verdeeld in onderscheiden referentie-gebieden, waarbij elk zo’n gebied aanleiding geeft tot een signaal, dat de exacte positie aangeeft van de aftast-bundel, en welke tevens kan worden vergeleken met infor-5 matie, tevoren opgeslagen in een geheugen. Elektronische schakelingen voor het evalueren van de optisch verkregen aftastingswaarden zijn bekend, bijvoorbeeld uit de Zweedse octrooischriften 405.050, 409.467 en 412.966. Dergelijke schakelingen worden ook beschreven in het 10 onderzoekrapport LITH-ISY-I-264 met als titel "A System for Automatic Visual Inspection of Printed Circuit Boards" door D. Antonsson e.a., de Universiteit van Linköping, 1979-01-16.

Het aftastapparaat volgens de uitvinding zal 15 nu in detail worden beschreven in het onderstaande, uitgaande van een eerder voorgesteld apparaat, en onder verwijzing naar de tekening, waarin: fig. 1 het principe toont van een eerder voorgesteld aftastingsapparaat, 20 fig. 2 een zijaanzicht is van de stralengang bij een eerste uitvoering van het aftastapparaat volgens de uitvinding, fig. 3 een aanzicht van boven is van het apparaat, weergegeven in fig. 2, en 25 fig. 4 en 5 aanzichten zijn, corresponderende met fig. 2 en 3, van een voorkeursuitvoering van het aftastapparaat volgens de uitvinding, waarbij fig. 4 schematisch de toepassing aangeeft van de uitvinding in samenhang met inspectie van gedrukte ketenplaten 30 (PCB1 s] .

Het principe is getoond in fig. 1 voor de stralengang in een voorgesteld aftastapparaat, schematisch weergegeven, voor het inspecteren van een PCB, aangegeven met K in de figuur. Een laserinrichting wordt gebruikt 35 als lichtbron, aangegeven met 1, waarvan de uittredende bundel LI is gericht op een divergerende lens 2, en na te zijn gegaan door een collimatielens 3 en zijn gereflecteerd door een gehelde spiegel 6, treft deze bundel als een brede parallelle lichtbundel L2 een 40 roterend polygone spiegel of spinner 4. In de hier getoonde Λ A n a «r ^ *T U :J h ) j

4 V

- 4 - uitvoering heeft de spinner 4 twaalf facetsegmenten, waardoor de reflecterende bundel L3 op op zichzelf bekende wijze een zwaaibeweging wordt opgelegd, wanneer de spinner 4 roteert. De reflecterende, zwaaiende bundel L3 omvat 5 nagenoeg dezelfde parallelle stralengang als lichtbundel L2, en is gericht op een F-0-lens 5.

Deze lens 5 convergeert de zwaaiende bundel L3 tot een stip P, welke zich verplaatst over een lijn L over de PCB K, Op zijn beurt wordt de PCB stapsgewijs 10 verplaatst in de richting van de pijl D, waarbij het gehele oppervlak van de ketenplaat aldus kan worden afgetast door herhaald zwaaien van de bundel L3.

Het is in fig. 1 de bedoeling om de plaatsen van mogelijke gaten in de gedrukte ketenplaat PCB K te 15 onderzoeken met de voorgestelde aftastinrichting. Voor een dergelijk gat gaat de bundel L3 door de PCB heen en wordt opgevangen door een lichtontvanger daaronder, welke yezeloptiek 8 en een fotoyermenigvuldiger 9 omvat.

Teneinde een juiste positiebepaling te bereiken, laat 20 men de bundel L3 gaan door een bundelverdelingsprisma 7, dat een transmissie/reflectieverhouding heeft van 9.0./1Q %, De gereflecteerde bundel L5 vormt zodoende een lichtstip Q op een klokpulsschaal 11, welke een elektrisch referentiesignaal genereert via de vezeloptiek en 25 fotoyermenigvuldigerorganen 11 '. Een elektrisch signaal yan de fotoyermenigvuldiger 9 geeft een gat aan in de PCB,, en de positie van dit gat wordt bepaald door de positie, welke de stip Q dan inneemt op de klokpulsschaal 11.

30 Zoals beschreven in de beschrijvingsinleiding, heeft een bekende inrichting yan deze soort enige hinder- lijke nadelen. Een essentieel doel van de onderhavige uitvinding is om deze nadelen op te heffen, en in het bijzonder het oppervlak van de aftastende lichtstip P 35 tot een minimum terug te brengen, bijvoorbeeld zodanig, dat uitzonderlijk kleine breuken in de geleiders op de gedrukte ketenplaat kunnen worden afgetast, aangezien dergelijke breuken een verwoestend effekt hebben op de funktionering yan de schakeling.

40 Teneinde een verbeterd aftastapparaat te ver- g* ι h -i 9 '0 ? -· ·.· ,UM “jj ϋ* - 5 - krijgen, is gevonden, dat zowel de emanerende lichtbundel LI en de gereflecteerde lichtbundel L3 moeten gaan door de F—θ-lens 5. Dit vormt in wezen de basis van de onderhavige uitvinding, welke dan op verschillende wijze kan 5 worden gerealiseerd.

Een aftastapparaat volgens de uitvinding, waarmee het gemakkelijk mogelijk is om in de praktijk kleine diameters voor de stip P te verkrijgen, is getoond in de fig. 2 en 3. Bij de uitvoeringsvorm van de uit-10 vinding is de lichtbron 1 zodanig aangepast, dat de daarvan uitgezonden lichtbundel LI evenwijdig is aan de divergerende bundel L2, die gericht is naar de lens 5.

De divergerende bundel L2 wordt centraal op de lens 5 aangelegd, welke de gevormde parallelle bundel overeen-15 komstig transmitteert concentrisch met de lensas naar de spinner 4.

De parallelle bundel, gereflecteerd door de spinner 4, zal vanzelfsprekend overeenkomstig centraal worden aangelegd aan de lens 5. Teneinde een effektieve 20 zwaaiende bundel L3 te verkrijgen, waarvan de stip P

kan worden gezwaaid over het gehele beeldvlak K, is een bundelverdelingsprisma 7 opgesteld in de stralen van de divergerende bundel L2, die gericht zijn op de lens 5, alsook voor de zwaaiende bundel L3, die uitgaat van de 25 lens. Het bundelverdelingsprisma 7 is uitgevoerd in de vorm van twee driehoekige prisma's, die aan elkaar gekit zijn, en een transmissie/reflectieverhouding hebben van bijvorbeeld 50/50 %. De invallende divergerende bundel L2 zal daardoor voor 50 % worden gereflecteerd 30 (naar boven volgens fig. 2) en voor 50 % door de lens 5 gaan. Het gereflecteerde deel wordt niet gebruikt.

Op corresponderende wijze wordt de zwaaiende bundel L3, die van de lens komt, gereflecteerd (naar beneden volgens fig. 2) voor 50 % en recht doorgaan voor 50 %. In dit 35 geval wordt het gereflecteerde deel gebruikt, dat het verwLjzings-cijfer L3 houdt, terwijl het deel van de bundel, dat gaat door het prisma, niet wordt gebruikt.

Het gebruikte deel van de zwaaibundel L3 gaat zodoende onder rechte hoeken benedenwaarts naar het 40 beeldvlak, waar de gevormde stip P naar voren zwaait, ié « - 6 - dat wil zeggen over een gedrukte ketenplaat K, die moet worden geïnspecteerd. Teneinde een waardering mogelijk te maken van de toestand van de PCB, wordt een meetbundel L4, die daarvan wordt gereflecteerd, gebruikt. Teneinde 5 de meetbundel L4 te kunnen evalueren, moet de reflectie ervan plaatsvinden weg van de zwaaibundel L3, en dit is bereikt door het oppervlak van de PCB K een hoek te geven ten opzichte van de lijn van de invallende zwaaibundel L3. De meetbundel L4 wordt op de in het voorgaande 10 voorgestelde wijze opgevangen door een vezeloptiek 8, gekoppeld aan een fotocel, fotovermenigvuldiger of foto-diode 9, voor het verkrijgen van instantane elektrische waarden,die kunnen worden toegevoerd aan een computer (niet getoond). .

15 Opdat de computer tevens een pertinente criteriumwaarde krijgt, is een verder bundelverdelings-prisma 10 opgenomen en wel in de stralengang van het deel van de zwaaibundel L3, dat wordt gebruikt. Evenals het bundelverdelingsprisma 7, dat reeds beschreven werd, 20 bestaat dit verdere bundelverdelingsprisma 10 uit twee driehoekige prisma's, die aan elkaar zijn gekit. Deze , prisma's hebben een transmissie/reflectieverhouding van bijvoorbeeld 90/10 %, aangezien het gewenst is om de grootst mogelijke hoeveelheid licht van de zwaai-25 bundel L3 te gebruiken voor het verkrijgen van een meetbare meetbundel L4, terwijl de afgebogen referentiebundel L5 niet bijzonder lichtintensief behoeft te zijn voor het verkrijgen van een positiebepalingsreferentie-s-igneal.

30 Het positiebepalende referentiesignaal wordt verkregen op een wijze zoals eerder voorgesteld,doordat men de afgebogen referentiebundel L5 in staat stelt een klokpulsschaal 11 te treffen, die verdeeld is in verschillende gebieden, waarover de referentiebundel L5 35 zwaait. Door een computer in staat te stellen om continu de positie te registreren van de referentiebundel L5 op de klokpulsschaal 11,wordt een mogelijkheid verkregen voor het bepalen van de exacte positie van de zwaaibundel L op de PCB K. Dienovereenkomstig kunnen elektrische 40 signalen, die corresponderen met de bundels L4 en L5, P A A 9 m ^ — It - 7 - worden toegevoerd aan een computer (niet getoond), en kan het resulterende uitgangssignaal van de computer vervolgens worden gebruikt op gewenste wijze. Dit vormt evenwel geen deel van de onderhavige uitvinding, en zal daarom hier 5 niet in verder detail worden besproken.

Teneinde een complete symmetrie te verkrijgen in alle stralengangen en daardoor ongewenste sferische aberratie tegen te gaan, kan een compensatieprisma 12 worden ingeschoven in de stralengang tussen de divergerende 10 lens 2 en het bundelverdelingsprisma 7, Bundelincidentie op de divergerende lens 2 van de lichtbron 1 vindt plaats via twee spiegels 13, 14. Bij proeven met de uitvoering, getoond in de fig. 2 en 3, werd een He-Ne laser met een vermogen van 6 mW gebruikt als lichtbron voor het af-15 tasten van ketenplaten. De gebruikte spinner had een straal van 100 mm en 10 spiegelvlakken. De lengte van de aftastlijn voor de stip P alsook de stip Q van de referen-tiebundel L5 was 500 mm, terwijl de gedrukte ketenplaat K stapsgewijs werd voortbewogen. Er werd een uitzonderlijk 20 goed inspectieresultaat verkregen, waarbij het uitgangssignaal van de computer werd gebruikt voor testregistratie via een computer. De diameters van de stippen P en Q waren ongeveer 18

Een gemodificeerde uitvoering volgens de 25 fig- 4 en 5 kan worden gebruikt teneinde de vereiste optieken voor de inrichting, in het bovenstaande besproken in samenhang met de fig. 2 en 3,te reduceren, zonder enige grote achteruitgang in nauwkeurigheid in het aftastapparaat. De vervaardigingkosten worden door de 30 eenvoudiger optieken gereduceerd, maar de diameters van de stippen P, Q kunnen toch nog gehouden worden op 18-20 ji.

Evenals bij de uitvoeringen volgens de fig.

2 en 3 is de lichtbron 1 zodanig gearrangeerd, dat het licht LI, dat wordt getransmitteerd, evenwijdig is aan de 35 optische as A van de F-O-lens 5, In onderscheid met de inrichting volgens de fig. 2 en 3 zijn de spiegels 13, 14 in de gemodificeerde uitvoering onder een zodanige hoek gebracht, dat de lichtbundel L2 een scherpe hoek α maakt ten opzichte van de as A. De lichtbundel L2, die invalt 40 op het bundelverdelingsprisma 7, zal daardoor enigszins * / > \ _ * .·*» — 9

« V

- 8 - verschoven zijn ten opzichte van het midden, hetgeen eveneens geldt voor de parallelle bundel, die wordt geprojecteerd op de spinner 4..De parallelle bundel, /C, die wordt gereflecteerd van de spinner 4, en welke wordt 5 geconvergeerd door de F-O-lens 5, wordt verdeeld in een zwaaibundel L3 en een referentiebundel L5 door het prisma 7. In deze gemodificeerde uitvoering wordt derhalve gebruik gemaakt van de doorgaande en gereflecteerde delen van de bundel, gereflecteerd door de spinner 4- De 10 transmissie/reflectieverhouding voor het bundelverdelings-prisma 7 is hier op geschikte wijze gekozen op 50/50 %.

Aangezien de bundel L2 een hoek α maakt ten opzichte van de optische as A, zal de referentiebundel L5 tevens dezelfde hoek maken met de as A, maar aan 15 de tegenover gelegen zijde van de as. De klokpulsschaal 11 kan zodoende worden aangebracht in de onmiddellijke nabijheid van de as A. De gebiedenverdeling van de klokpulsschaal 11 is aangegeven in fig. 4.

Op dezelfde wijze als de lichtbundel L2 en 20 de referentiebundel L5 elk een hoek α maken ten opzichte van de optische as A, zal het gereflecteerde deel van de zwaaibundel L3 de corresponderende hoek maken ten opzichte van een as, die de as A snijdt onder rechte hoeken.

Indien de gedrukte ketenplaat K wordt verplaatst over 25 een weg, evenwijdig aan de as A, wordt een meetbundel L4, die wordt gereflecteerd onder een hoek α, automatisch gericht naar de vezeloptiek 8 en de fotodiode 9.

De gemodificeerde uitvoering volgens fig. 4 en 5 heeft dezelfde funktie als de uitvoering, beschreven 30 in samenhang met de fig. 2 en 3.

Hoewel enkele voorkeursuitvoeringen beschreven zijn in het bovenstaande in samenhang met de tekening, dient dit niet te worden opgevat als een beperking van de uitvinding, aangezien verschillende modificaties kunnen 35 worden aangebracht zonder daardoor te treden buiten het inventieve concept. Een dergelijke modificatie kan bijvoorbeeld geschieden door het weglaten van de prisma1s 10 en 12, getoond in fig. 2, wanneer de F-0-lens 5 een lens van zeer hoge standaard is. In dat geval kan de 40 klokpulsschaal 11 worden vervangen door een vaste klokbron. é A “1 0 O T

4 W -.J Lta V «yj * - 9 -

De pulsen van de vaste klokbron worden gebruikt op een wijze corresponderend niet die, beschreven in samenhang met de pulsen van de klokpulsschaal 11. Het aftastapparaat is verder in de voorbeelden toegelicht tot zekere mate 5 voor toepassing bij een methode van het inspecteren van gedrukte ketenplatenr maar is bedoeld te worden gebruikt voor alle aftastdoeleinden, waar een grote nauwkeurigheid van belang is.

- conclusies - (> f Λ Λ Ί ·\ -Τ ' ' ' "

' —Λ - W

0

Claims (6)

1. Af tastapparaat met een hoog scheidend vermogen voor het aftasten van een beeldvlak met kleine details, die moeten worden gedetecteerd, welk apparaat een lichtbron omvat voor het transmitteren van een nagenoeg parallelle, 5 nauwe lichtbundel, gericht naar een beweegbare aftast-spiegel, waarbij de lichtbundel is aangepast voor het volgen van een optische stralengang omvattende een divergerende lens en een positieve lens voor het aftasten van het beeldvlak als een zwaaiende lichtstip langs een IQ. zich herhalende aftastlijn, met het kenmerk, dat de divergerende lens (.2) geplaatst is op een optische as, die gemeenschappelijk is voor de positieve lens (5) en de bewegende aftastspiegel (4), op welke as verder een bundelverdeler (7) is aangebracht, en op een zodanige 15 wijze, dat deze bundelverdeler (7] en de positieve lens (5) zijn tussengeschoven tussen de divergerende lens (2) en de aftastspiegel (4), en dat de positieve lens (5) is aangebracht tussen de bundelverdeler (7) en de aftastspiegel (5) voor het overdragen van de lichtbundel (L2), 2Q gericht op de aftastspiegel, alsook de lichtbundel (L3,L5), die daarvan wordt gereflecteerd, door zowel de positieve lens of bundelverdeler, waarbij de bundelverdeler het gereflecteerde licht richt op het genoemde beeldvlak (K).

2. Apparaat volgens conclusie l,met het 25 kenmerk, dat de divergerende lens (2) is aangebracht aan de gemeenschappelijke optische as (A), waarbij een referentiebundelverdeler (10] is aangebracht tussen de genoemde bundelverdeler (7) en het beeldvlak (K) voor het reflecteren naar een klokpulsschaal (11) van een gedeelte 3 0. van een bundel (L3) , die gericht is naar het beeldvlak, welke partiële bundel dient als. referentiebundel (L5) , en dat een compensatieprisma (12) is aangebracht in de stralengang tussen de divergerende lens (2) en de genoemde bundelverdeler (7).

3. Apparaat volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat de divergerende lens (2) is afgeplaatst •*5 ƒ_ f\ :"ι n aar Q 'i \J v - 11 - van de gemeenschappelijke optische as (A), en dat de bundelverdeler (7), aangebracht tussen de divergerende en de positieve lens, een aftastbundel (L3) zendt, gericht naar het beeldvlak (K),en een partiële bundel, die 5 gebruikt wordt als referentiebundel (L5 ), waarbij de referentiebundel is afgeplaatst in dezelfde mate maar aan tegenover gelegen zijde van de gemeenschappelijke optische as (Ά) met betrekking tot de divergerende lens (2), en gericht naar de genoemde klokpulsschaal (11).

4. Apparaat volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat een lichtbundel (L4) , gereflecteerd van de aftastlijn (L) van het beeldvlak (K), is aangepast om te zwaaien langs de opening van een lichtgeleider (8), welke optische vezels omvat, en waarvan de lichttransmissie 15 wordt afgetast op op zichzelf bekende wijze met behulp van een fotoëlektrische detector (9) teneinde daarmee corresponderende elektrische pulsen te transmitteren, die kunnen worden toegevoerd naar een computer voor vergelijking met referentiepulsen, voortgebracht door een 20 vaste klokbron of door de genoemde klokpulsschaal (11), geactiveerd door de referentiebundel (L5), en geleverd aan de computer.

5. Apparaat volgens conclusie 4,met het kenmerk, dat de referentiebundel (L5) op op zichzelf 25 bekende wijze is aangepast voor het aftasten van de genoemde klokpulsschaal (11), die verdeeld in onderscheiden gebieden voor het bepalen van de positie van de lichtbundel (L4), die wordt gereflecteerd van de aftastlijn (L3) van het beeldvlak (K).

6. Apparaat volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de positieve lens (5) een 'f-9-lens is. ^ f f\ /-, -! C; -ζ ··♦ v iL ij