Brevet FR2542878A1 — publié le 19840921

1. "DISPOSITIF DE BALAYAGE" La présente invention a trait aux dispositifs de ba- layage ayant une grande aptitude de résolution pour explo- rer un plan d'image sur lequel de petits détails doivent être décelés De tels détails peuvent être formés par des modèles de circuit sur des tableaux imprimés ou des cir- cuits en film épais, des points et des lignes ou autres caractères en typographie photographique, ou des mesures de distance dans des tableaux bidimensionnels Le disposi- tif de balayage selon l'invention comprend une source lu- mineuse envoyant un faisceau de lumière étroit, sensible- ment parallèle vers un miroir de balayage mobile, le fais- ceau lumineux étant apte à suivre un chemin optique compre- nant une lentille divergente et une lentille positive pour balayer le plan d'image comme un point le long d'une ligne de balayage répétitive. Dans les dispositifs de balayage de ce type, un laser a été normalement utilisé comme source lumineuse, dont le faisceau lumineux qui en émane est dirigé vers une lentille divergente disposée sur le même axe optique qu'une lentille de collimateur, qui envoie un faisceau lumineux composé de rayons parallèles vers un miroir polygonal rotatif de façon à faire passer le faisceau de lumière parallèle à travers la lentille positive sous différents angles d'in- cidence Le faisceau lumineux réfléchi par le miroir poly- gonal est rendu convergent après passage à travers une lentille positive pour former un point lumineux qui se dé- place le long du chemin de balayage autant de fois par révolution du miroir polygonal que le miroir comporte de surfaces réfléchissantes. Dans de tels dispositifs de balayage connus (cf aussi figure 1 qui est décrite ci-après) il y a des distances relativement grandes entre le miroir polygonal tournant et le système de lentille adjacent, ce qui a pour effet que les surfaces à la fois du miroir et des lentilles doivent avoir une certaine largeur De tels éléments op- tiques larges sont coûteux et difficiles à fabriquer. En disposant les lentilles divergentes, dans les dis- positifs de balayage du type mentionné ci-avant, sur un axe optique commun à la lentille positive et au miroir de ba- layage rotatif, axe sur lequel un séparateur de faisceau est également disposé, et de façon telle que ce séparateur de faisceau et cette lentille positive soient insérés en- tre la lentille divergente et le miroir de balayage et que la lentille positive soit disposée entre le séparateur de faisceau et le miroir de balayage afin de faire passer le faisceau lumineux dirigé sur le miroir de balayage ainsi que le faisceau lumineux réfléchi par celui-ci à travers à la fois la lentille positive et le diviseur de faisceau, ce diviseur de faisceau dirigeant la lumière réfléchie sur le plan d'image, les inconvénients mentionnés ci-avant sont surmontés En outre, la suppression de l'élément positif de la lentille divergente a été rendue possible, tandis qu'en même temps une réduction du diamètre de la lentille positive et de la taille des surfaces réfléchissantes du miroir de balayage ont été rendues possibles. Avantageusement la lentille positive est une lentille F-8. Il a été ainsi possible de fournir un dispositif de balayage, bien adapté à la fois techniquement et économi- quement pour son utilisation dans des systèmes d'explora- tion du type décrit dans l'introduction Cependant, ce sont uniquement des exemples de l'éventail d'utilisation, et par conséquent le dispositif de balayage selon l'invention ne doit pas être considéré comme étant limité à ceux-ci, et il répond bien à l'objet d'un, ainsi appelé, scanographe à ligne pour tous les domaines d'utilisation nécessitant une large résolution Par l'utilisation d'un autre déve- loppement du dispositif de balayage selon l'invention, la détermination en position de détails individuels dans le champ de vision est ainsi rendue possible, du fait de l'u- tilisation de parties du faisceau lumineux réfléchi comme référence ou faisceau horloge Par exemple, on peut faire balayer par le faisceau une échelle divisée en zones de référence distinctes, chacune de ces zones donnant naissan- ce à un signal qui indique la position exacte du rayon de balayage, et qui peut aussi être comparé avec des informa- tions précédemment mises en mémoire Des circuits électro- niques permettant d'évaluer les valeurs de balayage obte- nues optiquement sont connus, par exemple par des brevets suédois 405 050, 409 467 et 412 966. De tels circuits sont également décrits dans le rapport de recherche LITHISY-I-264 avec le titre "A system for Automatic Visual Inspection of Printed Circuit Boards" par D Antonsson et al, Université de Linkbping 1979-01-16. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'ai- de de la description détaillée qui suit, partant d'un dis- positif précédemment proposé, et en référence au dessin schématique annexé dans lequel Figure 1 illustre le principe d'un dispositif de ba- layage précédemment proposé; Figure 2 est une vue de côté du chemin d'un rayon dans une première forme de réalisation du dispositif de balayage selon l'invention Figure 3 est une vue de dessus du dispositif de figu- re 2; et Figures 4 et 5 sont des vues correspondant aux figu- res 2 et 3 d'une forme de réalisation préférée du disposi- tif de balayage selon l'invention, la figure 4 indiquant schématiquement l'utilisation de l'invention en corréla- tion avec l'inspection de tableaux de circuits imprimés (PCB). Le principe est illustré en figure 1 pour le chemin d'un rayon lumineux dans un dispositif de balayage déjà proposé, celui-ci étant illustré schématiquement pour ins- pecter un tableau de circuit imprimé (PCB) noté (K) Un dispositif à laser est utilisé comme source lumineuse ( 1), le faisceau lumineux (Ll) qui en émane est dirigé sur une lentille divergente ( 2), et après passage à travers une lentille de collémation ( 3) et réflexion par un miroir in- cliné ( 6), il devient un large faisceau lumineux parallèle A 2878 (L 2) et frappe un miroir polygonal rotatif ou "spinner" ( 4) Dans la forme de réalisation illustrée ici, le "spin- ner" ( 4) comporte douze facettes, un mouvement de balayage étant communiqué, de façon connue en soi, au faisceau ré- fléchi (L 3) lorsque le "spinner" ( 4) tourne. Le faisceau de balayage réfléchi (L 3) possède sensi- blement le même chemin de rayon lumineux parallèle que le faisceau lumineux (L 2) et est dirigé sur une lentille F-e ( 5). Cette lentille ( 5) fait converger le faisceau de ba- layage (L 3) en un point (P), qui se déplacera le long d'une ligne (L) sur le "PCB" (K) A son tour, le "PCB" est dépla- cé par degré dans le sens de la flèche (D), l'entière sur- face du tableau pouvant être ainsi explorée par balayage répété du faisceau (L 3). Les positions pour d'éventuelles ouvertures dans le "PCB" (K) vont maintenant être examinées avec le disposi- tif de balayage proposé Pour une telle ouverture, le fais- ceau (L 3) passe à travers le "PCB" et est reçu par un ré- cepteur de lumière placé sous celui-ci, ce récepteur com- prenant une optique à fibre ( 8) et un photomultiplicateur ( 9) Afin d'obtenir une détermination de position correc- te, on fait passer le faisceau (L 3) à travers un prisme diviseur de faisceau ( 7), qui a un taux de transmission/ réflexion de 90/10 % Le faisceau réfléchi (L 5) forme ain- si un point lumineux (Q) sur une échelle à impulsion d'hor- loge ( 11) qui génère un signal de référence électrique par l'optique à fibre et les moyens photomultiplicateurs ( 11 '). Un signal électrique provenant du photomultiplicateur ( 9) indique une ouverture dans le PCB, et la position de cette ouverture est déterminée par la position que le point (Q) prend alors sur l'échelle à impulsion d'horloge ( 11). Ainsi qu'il l'a déjà été mentionné dans l'introduction de cette description, un dispositif connu de ce type pré- sente des inconvénients générateurs de problèmes Un objet primordial de la présente invention est de limiter ces in- convénients et notamment de minimiser la surface du point lumineux de balayage (P), par exemple de façon que des rup- tures extrêmement petites dans les conducteurs sur le "PCB" puissent être détectées, puisque de telles ruptures peuvent avoir un effet dévastateur sur la fonction du circuit. Afin d'obtenir un dispositif de balayage amélioré, il a été trouvé que à la fois le faisceau lumineux incident (Ll) et le faisceau lumineux réfléchi (L 3) doivent passer à travers la lentille F-8 ( 5) Cette situation forme donc la base de l'invention qui peut être alors réalisée de dif- férentes façons. Un appareil de balayage selon l'invention, avec lequel il est facile d'obtenir en pratique de petits diamètres pour le point (P) est illustré dans les figures 2 et 3. Dans la forme de réalisation de cette invention, la source lumineuse ( 1) est adaptée de façon que le faisceau lumineux en émanant (Ll) soit parallèle au faisceau divergent (L 2) dirigé vers la lentille ( 5) Le faisceau divergent (L 2) est appliqué centralement à la lentille ( 5), qui transmet de façon similaire le faisceau parallèle formé, concentrique à l'axe de la lentille, vers le "spinner" ( 4). Le faisceau parallèle réfléchi par-le "spinner" ( 4) sera bien évidemment appliqué centralement à la lentille ( 5) Afin de réaliser effectivement un faisceau de balaya- ge (L 3), dont le point (P) doit se déplacer sur le plan d'image posé sur le trajet du faisceau divergent (L 2) appliqué-à la lentille ( 3) aussi bien que pour le faisceau de balayage (L 3) partant de la lentille Le prisme diviseur de faisceau ( 7) est réalisé sous la forme de deux prismes triangulaires collés l'un à l'autre et ayant un taux de transmission/ réflexion de 50/50 %, par exemple Le faisceau divergent incident (L 2) sera ainsi réfléchi jusqu'à 50 % (vers le haut dans la figure 2) et sera transmis par la lentille ( 5) jusqu'à 50 % La partie réfléchie n'est pas utilisée De la même façon, le faisceau de balayage (L 3) provenant de la lentille sera réfléchi (vers le bas sur la figure 2) jusqu'à 50 % et passera tout droit à travers le prisme jusqu'à 50 % Dans ce cas, la partie réfléchie est utili- sée, cependant, et garde la référence (L 3), tandis que la partie du faisceau passant à travers le prisme n'est pas utilisée. La partie utilisée du faisceau de balayage (L 3) se di- rige donc à angle droit vers le bas en direction du plan d'image o le point (P) formé se déplace, par exemple sur un panneau de circuit imprimé (K) qui doit être inspecté. Pour permettre d'évaluer l'état du "PCB", un faisceau de mesure (L 4) réfléchi à partir de celui-ci est utilisé Pour permettre l'évaluation du faisceau de mesure (L 4), la ré- flexion de celui-ci doit être effectuée loin du faisceau de balayage (L 3) et ceci est obtenu en disposant la surfa- ce du "PCB" du faisceau de balayage incident (L 3) Le faisceau de me- sure (L 4) est reçu, d'une façon proposée précédemment, par une optique à fibre ( 8), couplée à une cellule photoélec- trique, photomultiplicateur ou photodiode ( 9), afin d'ob- tenir des valeurs électriques instantanées qui peuvent être envoyées à un ordinateur (non représenté). Afin que l'ordinateur obtienne aussi la valeur de cri- tère pertinente, un autre prisme diviseur de faisceau ( 10) a été inséré, à savoir dans le chemin lumineux de la par- tie du faisceau de balayage (L 3) qui est utilisée Ainsi que pour le prisme diviseur de faisceau ( 7) déjà mentionné, cet autre prisme diviseur de faisceau ( 10) est formé de deux prismes triangulaires collés ensemble Ces prismes ont un taux de transmission/réflexion, par exemple de 90/10 %, puisqu'il est souhaitable d'utiliser la plus grande quanti- té possible de lumière provenant du faisceau de balayage (L 3) pour obtenir un faisceau de mesure (L 4) mesurable, tandis qu'il n'est pas nécessaire que le faisceau de réfé- rence défléchi (L 5) ait une intensité lumineuse particu- lière pour obtenir un signal de référence de détermination de position. Le signal de référence de détermination de position est obtenu d'une façon précédemment proposée, par le fais- ceau de référence défléchi (L 5) qui est autorisé à frapper une échelle d'impulsion d'horloge ( 11), divisée en diffé- rentes-zones sur lesquelles le faisceau de référence (L 5) se déplace En autorisant un ordinateur à enregistrer en permanence la position du faisceau de référence (L 5) sur l'échelle à impulsion d'horloge ( 11-), on obtient une pos- sibilité pour déterminer la position exacte du faisceau de balayage (L 3) sur le "PCB" En conséquence, des signaux électriques correspondants aux faisceaux (L 4) et (L 5) peuvent être envoyés à un ordi- nateur (non représenté) et le signal de sortie résultant provenant de l'ordinateur peut être utilisé par la suite de la façon désirée. Cependant, ceci ne fait pas partie de la présente in- vention et ne sera pas considéré plus en détail ici. Afin d'obtenir une symétrie totale dans tous les che- mins des rayons lumineux, et par conséquent contrer toute aberration sphérique non désirable, un prisme de compensa- tion ( 12) peut être introduit dans le chemin des rayons entre la lentille divergente ( 2) et le prisme diviseur de faisceau ( 7) L'incidence du faisceau provenant de la sour- ce lumineuse ( 1) sur la lentille divergente ( 2) est obte- nue à l'aide de deux miroirs ( 13, 14). Dans des essais réalisés avec la forme de réalisation des figures 2 et 3, un laser He-Ne d'une puissance de 6 m V a été utilisé comme source lumineuse pour le balayage de tableaux de circuit Le "spinner" utilisé a un rayon de mm et dix surfaces de miroir La longueur de la ligne de balayage pour le point (P) ainsi que pour le point (Q) du faisceau de référence le tableau de circuit imprimé (K) était avancé par degrés. Un résultat d'inspection extrêmement bon a été obtenu, le signal de sortie provenant de l'ordinateur étant utilisé pour l'enregistrement de l'essai par un ordinateur Les diamètres des points (P, Q) étaient d'environ 18 ' I Une forme d'exécution modifiée selon les figures 4 et peut être utilisée pour réduire l'optique nécessaire pour la forme de réalisation décrite ci-dessus en liaison avec les figures 2 et 3, et sans aucune diminution importante de l'exactitude dans le dispositif de balayage Le coût de fabrication est réduit par les optiques plus simples, mais le diamètre des points (P Q) peut encore être main- tenu à 18-20 ( Ainsi que pour les exemples de réalisation selon les figures 2 et 3, la source lumineuse ( 1) est disposée de façon que la lumière (LI) transmise soit parallèle à l'axe optique A de la lentille F-e ( 5) Cependant, dans cette forme d'exécution modifiée, qui se distingue en cela du dispositif selon les figures 2 et 3, les miroirs ( 13, 14) sont disposés angulairement de façon que le faisceau lumi- neux (L 2) forme un angle aigu (") par rapport à l'axe (A). Le faisceau lumineux (L 2) incident sur le prisme diviseur de faisceau ( 7) sera ainsi-légèrement décalé par rapport au centre, ce qui s'applique également au faisceau parallè- le projeté sur le "spinner" ( 4) Le faisceau parallèle ré- fléchi par le "spinner" ( 4) qui est rendu convergent par la lentille F-e ( 5), sera divisé en un faisceau de balaya- ge (L 3) et un faisceau de référence (L 5) par le prisme ( 7). Dans cette forme d'exécution modifiée, les parties réflé- chies et transmises du faisceau réfléchi par le "spinner" ( 4) sont donc ainsi utilisées Le taux de transmission/ réflexion pour le prisme diviseur de faisceau ( 7) sera choisi ici de façon appropriée à 50/50 %. Puisque le faisceau (L 2) forme un angle (d) avec l'a- xe optique (A), le faisceau de référence (L 5) formera aus- si le même angle par rapport à l'axe (A), mais sur le côté opposé de l'axe L'échelle à impulsion d'horloge ( 11) peut donc être installée à proximité immédiate de l'axe (A). La division en zone de l'échelle à impulsion d'horloge ( 11) est indiquée à la figure 4. De la même façon, comme le faisceau lumineux (L 2) et le faisceau de référence (L 5) forment chacun un angle if) par rapport à l'axe optique (A), la partie réfléchie du faisceau de balayage (L 3) formera un angle correspondant par rapport à un axe coupant l'axe (A) à angle droit Si le plateau de circuit imprimé (K) est déplacé le long d'un chemin parallèle à l'axe (A),;un faisceau de mesure (L 4) réfléchi à un angle (q) est obtenu automatiquement vers l'optique à fibre ( 8) et la photodiode ( 9). La forme d'exécution modifiée selon les figures 4 et a autrement la même fonction que la forme d'exécution dis- cutée conjointement aux figures 2 et 3. Bien que des formes d'exécutions préférées aient été décrites ci-dessus en conjonction avec le dessin, elles ne doivent pas être considérées comme limitant la présen- te invention, puisque différentes modifications peuvent être effectuées sans s'écarter du concept selon l'invention. Une telle modification peut être réalisée en enlevant les prismes ( 10) et ( 12) montrés dans la figure 2 lorsque la lentille F-e ( 5) est une lentille de très haute qualité. L'échelle à impulsion d'horloge ( 11) peut alors être rem- placée par une source d'horloge fixe Les impulsions de la source d'horloge fixe sont utilisées d'une façon correspon- dant à celle décrite en relation avec les impulsions pro- venant de l'échelle à impulsion d'horloge ( 11). Le dispositif de balayage a été expliqué dans une cer- taine limite par son application à une méthode pour inspec- ter les tableaux de circuits imprimés, mais il est destiné à être utilisé dans toutes les applications de balayage ou d'exploration dans lesquelles une grande précision est importante. REVENDICATIONS - 1 Dispositif de balayage avec grande capacité de résolution pour explorer un plan d'image (K) comportant de petits détails devant être détectés, le dispositif com- prenant une source lumineuse ( 1) pour transmettre un fais- ceau lumineux étroit sensiblement parallèle (Ll) dirigé vers un miroir de balayage mobile ( 4), le faisceau lumi- neux étant apte à suivre un chemin de rayons optiques com- prenant une lentille divergente ( 2) et une lentille posi- tive ( 5) pour balayer le plan d'image par un point lumi- neux se déplaçant le long d'une ligne de balayage (L) ré- pétitive, caractérisé en ce que la lentille divergente ( 2) est disposée sur un axe optique commun à la lentille posi- tive ( 5) et au miroir de balayage mobile ( 4), axe sur le- quel est disposé également un diviseur de faisceau ( 7), et de telle sorte que le diviseur de faisceau ( 7) et la lentille positive ( 5) sont insérés entre la lentille diver- gente ( 2) et le miroir de balayage ( 4) et que la lentille positive ( 5) est disposée entre le diviseur de faisceau ( 7) et le miroir de balayage ( 4) pour transmettre le faisceau lumineux (L 2) dirigé vers le miroir de balayage ainsi que le faisceau lumineux (L 3, L 5) réfléchi par celui-ci, à tra- vers à la fois lalentille positive et le diviseur de fais- ceau, ce diviseur de faisceau dirigeant la lumière réflé- chie sur un plan d'image (K). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille divergente ( 2) est disposée sur l'axe optique commun (A), un diviseur de faisceau de référence ( 10) étant disposé entre le diviseur de faisceau ( 7) et le plan d'image (K) pour réfléchir en direction d'une échelle à impulsion d'horloge ( 11) une partie du faisceau (L 3) di- rigé vers le plan d'image, ce faisceau partiel étant des- tiné à former un faisceau de référence (L 5), et en ce qu'un prisme égalisateur ( 12) est disposé dans le chemin des ra- yons lumineux entre la lentille divergente ( 2) et le divi- seur de faisceau ( 7). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé il en ce que la lentille divergente ( 2) est décalée par rap- port à l'axe optique (A) et en ce que le diviseur de fais- ceau ( 7), disposé entre la lentille positive et la lentille divergente, envoie un faisceau de balayage (L 3) dirigé vers le plan diimage (K) et un faisceau partiel utilisé comme faisceau de référence (L 5), le faisceau de référence étant décalé de la même quantité par rapport à l'axe opti- que commun (A), mais du côté opposé à celui-ci, relative- ment à la lentille divergente ( 2) et étant dirigé vers l'échelle à impulsion d'horloge ( 11). 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un faisceau lumineux (L 4) réfléchi à partir de la ligne de balayage (L) du plan d'image (K) est apte à se dé- placer le long d'un conducteur de lumière ( 8) comprenant des fibres optiques, et dont la transmission lumineuse est captée d'une manière connue en soi à l'aide d'un détecteur photoélectrique ( 9) de façon à transmettre des impulsions électriques correspondantes et aptes à être fournies, à un ordinateur pour y être comparées par rapport aux impulsions, produites par une source d'horloge fixe ou par une échelle à impulsion d'horloge ( 11) activée par le faisceau de réfé- rence (L 5), et fournies à l'ordinateur. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le faisceau de référence (L 5) est apte, de façon connue en soi, à se déplacer sur l'échelle à impulsion d'horloge ( 11), divisée en zones distinctes, pour détermi- ner la position du faisceau lumineux (L 4) réfléchi par la ligne de balayage (L 3) du plan d'image (K). 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille positive ( 5) est une lentille F-e.