Brevet FR2375964A1 — publié le 19780728

L'invention concerne des systèmes optiques, et plus particulièrement des systèmes optiques pour balayer à l'aide d' un faisceau d'énergie. de rayonnement une pièce mobile à travailler au moyen de cette énergie. D'après l'invention, un système optique comprend des moyens pour concentrer un faisceau d'énergie de rayonnement sur une pièce mobile qui doit être soumise à cette énergie, sous la forme d'un foyer linéaire perpendiculaire à la direction du déplacement de la pièce, et des moyens pour balayer la pièce, à l'aide du faiSceau concentré, dans une direction ayant une composante dans la direction du déplacement de la pièce, de façon que le faisceau d'énergie concentré traverse la pièce suivant une ligne droite dans le prolongement du foyer linéaire. Les moyens pour concentrer le faisceau de radiations en un foyer linéaire peuvent comprendre un élément cylindrique de concentration, un élément sphérique de transfert de concentration, et un élément sphérique de concentration finale. Les moyens pour balayer la pièce à l'aide du faisceau concentré peuvent comprendre un miroir placé entre l'élément de transfert et l'é lément final et mobile autour d'un axe dont l1orientation peut varier pour changer la direction dans laquelle se fait le balayage à l'aide du faisceau concentre. Si l'on désire utiliser un faisceau de radiations pour agir sur une pièce à traiter, il est souvent bénéfique que le faisceau de radiations soit concentré en un foyer linéaire de longueur limitée plutôt qu'en un foyer ponctuel. Pour obtenir une étroite zone d'interaction entre le faisceau et la pièce à traiter, il est alors nécessaire de balayer la pièce avec le faisceau concentré suivant une ligne droite qui est un prolongement de la ligne focale. Aucun problème ne se pose Si cette opération doit être réalisée sur une pièce immobile, mais si la pièce Ke déplace et Si l'on veut que la ligne d'interaction soit perpendiculaire à la longueur de la pièce, il est nécessaire de réaliser le balayage dans une direction telle que le foyer linéaire ait un composant de vitesse égal à la vitesse de la pièce mobile. Il est également nécessaire que le foyer linéaire se déplace de façon que sa direction reste parallèle à sa direction d'origine. Ces deux critères peuvent être satisfaits en concentrant le faisceau en un foyer linéaire sur un miroir tournant polygonal disposé de façon à balayer à l'aide du faisceau réflé- chi une large ouverture d'un élément final de concentration qui reforme le foyer linéaire du faisceau sur la pièce à traiter, et en s'arrangeant pour qu'un angle approprié existe entre l'axe de rotation du miroir et la direction du foyer linéaire d'origine. Pour permettre des variations de la vitesse de la pièce à traiter, il faut prévoir des moyens pour faire varier l'orienta- tion de l'axe de rotation du mirnir en fonction de la vitesse de balayage de la pièce à traiter par le faisceau de radiations et de la vitesse de cette pièce.En variante, le miroir peut être un miroir plan capable d'osciller ou de tourner autour d'un axe situé dans le plan de sa surface réfléchissante. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, un système optique pour balayer une pièce mobile qui doit être soumise à une énergie de rayonnement à l'aide d'un faisceau de cette énergie comprend un miroir cylindrique disposé de façon à concentrer le faisceau de radiation en un foyer linéaire initial, un miroir polygonal capable de tourner autour d'un axe dont lto- orientation peut varier, et qui balaie à l'aide du faisceau un miroir sphérique disposé de façon à reconstituer l'image du foyer linéaire du faisceau sur la pièce à traiter, et des moyens pour. faire varier l'orientation de l'axe du miroir polygonal en fonction de la vitesse de balayage de la pièce à traiter par le faisceau et de la vitesse de déplacement de la pièce, de façon que l'image 'concentrée en ligne soit perpendiculaire à la direction du déplacement de la pièce à traiter et traverse cette pièce suivant une ligne drnite dans la direction du foyer linéaire. Le système. optique peut également comprendre des moyens pçur former plus d'un foyer linéaire. Par exemple, il peut comprendre un miroir plan fendu ou un biprisme de Fresnel, ou, quand l'élément cylindrique de concentration est un miroir cylindrique comme dans le mode de réalisation préféré, ce miroir cylindriqte peut être divisé symétriquenent par rapport à un axe longitudinal et les deux moitiés peuvent être déplacées angulairement de façon qu'il existe un angle entre les normales aux deux parties du miroir le long de leur ligne de contact. Trois foyers linéaires parallèles peuvent être produits en incorporant au système un miroir plan à trois facettes. Si la pièce à traiter est une bande d'une matière plastique telle qu'un polythène à haute densité et doit être cou pée et soudee, ou si elle est de forme tubul,aii'e, -coupée et soudée pour former des éléments fermés, d'une certaine longueur, une source appropriée pour le faisceau est un laser qui émet une radiation daps la région infra-rouge du spectre, par exemple un laser dont le milieu est du bioxyde de carbone. L'invention va maintenant être décrite plus complètement, à titre d'exemple, et avec référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un diagramme de vecteurs montrant le principe de l'invention. La figure 2 montre la géométrie optique de deux modes de réalisation de l'invention décrits avec référence aux figures 3 et 4. La figure 3 montre en plan et en élévation un système à lentilles suivant l'invention. La figure 4 montre en plan et en élévation un système à miroirs suivant l'invention. La figure 5 est un schéma d'un système de contrôle utilisable suivant l'invention. Les figures 6 et 7 montrent comment on peut réaliser deux foyers linéaires utilisables lors d'une mise en oeuvre de l'invention. La figure 8 montre comment on peut obtenir trois foyers linéaires utilisables lors d'une mise en oeuvre de l'invention. Sur les dessins, la figure 1 montre un diagramme de -vecteurs représentant le principe de l'invention. Si une pièce à traiter 1 est déplacée'dans le sens de la flèche 2 à une vitesse et et si l'on désire qu'un foyer linéaire 3 d'un faisceau de radiations non représenté traverse la pièce 1 suivant une ligne droite 4 perpendiculaire au sens de déplacement de la pièce 1 et située dans son prolongement, il existe la relation vectorielle suivante vs = vw + vp, où vs est la vitesse réelle de balayage de la pièce 1 par le foyer linéaire 3 et vp est la vitesse efficace de ce balayage. L'angle que fait la direction réelle de balayage 5 du foyer linéaire 3 avec la direction du déplacement de la pièce 1 est donné par e cos 1 Vrr vs. L'angle e sera appelé ci-après l'angle de déviation. Ces exigences ne peuvent être satisfaites dans un système optique faisant appel à une/lentille ou à un miroir c-lindri- que pour concentrer le faisceau de radiations en un foyer linéaire sur ou à proximité d'un miroir déflecteur, capable de tourner ou d'osciller autour d'un axe, pour balayer une pièce à traiter à l'aide du faisceau précité dans une direction en rapport avec celle de l'axe de rotation du miroir. Dans ces circonstances, l'orientation du foyer linéaire après réflexion sur le miroir n'est pas affectée par ltorientatinn de l'axe de déplacement du miroir-déflecteur par rapport à celle de la lentille ou du miroir cylindrique, mais l'image concentrée suivant une ligne est bs- layée par le mouvement du miroir-déflecteur.La disposition géométrique générale est représentée sur la figure 2, sur laquelle les caractéristiques représentées sur la figure 1 portent les mêmes références. Le symbole représente la capacité de faire tourner l'axe 6 de déplacement du miroir-déflecteur (non repré- senté) autour de l'axe optique 7 du système optique pour déter miner la direction du balayage 5, et r représente le mouvemen*u miroir-déflecteur pour produire le balayage de la pièce à traiter 1 par le faisceau de radiations. Sur la figure 3, on voit qu'un système optique pour concentrer en un foyer linéaire un faisceau d'énergie de rayonnement et lui faire balayer une pièce a traiter par cette énergie de manière que le foyer linéaire traverse la pièce à traiter suivant une ligne droite perpendiculaire au sen3 du déplacement de la pièce précitée, comprend un dispositif d'élargissement de faisceau raprésenté dans son ensemble par la référence 8 et composé de deux lentilles 8a et 8b qui reçoivent un faisceau 9 provenant d'un laser non représenbé, et produit un faisceau lumineux parallèle 10 dnnt le diamètre contrôle les dimensions du foyer linéaire final de ce faisceau.Le faisceau élargi 10 traverse une lentille cylindrique Il et une lentille de transfert 12 qui coopèrent pour former une image concentrée sur une ligne sur ou au voisinage d'un !riroir-déflecteur tournant 13 en forme de polygone régulier. L'axe 6 du miroir 13 est ponté de façon que son orientation puisse être modifiée d'une manière qui a été décrite, afin de faire varier la directinn du balayage par le foyer linéaire 3 du faisceau 10 d'une pièce mobile 1 de façnn que le foyer linéaire 3 traverse la pièce 1 suivant une ligne droite à a angle droit avec le sens du déplacement de cette pièce. L'axe de rotation 6 du miroir 13 traverse l'axe optique 7 du système optique.La rotation du miroir 13 balaie la lumière réfléchie tour à tour par chacune des facettes 14 du miroir 13 à travers une lentille fLnale sphérique 15 qui forme le foyer linéaire final 3 sur la pièce 1. En pratique, la lentille 11 et l'image 7 sont situées à la gauche du mirOir 6, mais pour plus de simplicité, on a représenté le système optique suivant une ligne droite. En élévation, le faisceau 9 est concentré sur la pièce 1 par les lentilles 11 et 15. En plan, le faisceau de sortie non concentré provenant de la lentille 11 est envoyé sur la lentille 12 et est concentré sur ou au voisinage de la facette appropriée 14 du miroir 13, et de là arrive à la lentille 15, qui le concentre au foyer linéaire 3. l'angle de déviation e que fait la direction 4 de balayage de la pièce 1 par le foyer linéaire 3 avec la sens du déplacement de cette pièce est déterminé par l'angle d'orientation de l'axe de rotation 6 du mi roir 13 autour de l'axe optique 7 du système optique, par rapport à l'axe longitudinal de la lentille cylindrique 11. La figure 4 montre un système de miroirs qui permet d'obtenir le même résultat que le système précédemment décrit. An voit en élévation un faisceau de radiations 20 émis par un laser et qui, après avoir traversé un dispositif d'élargissement de faisceau (ni le laser ni le dispositif d'élargissement ne sont représentés), vient frapper un miroir cylindrique 21. Ce miroir est disposé de façon à concentrer le faisceau 20 en un foyer linéaire sur eu au voisinage de la surface d'un miroir sphérique 22. Ce miroir réfléchit le faisceau20 sur un miroir polygonal teurant 23 qui correspond au miroir 13-du mode de réalisation décrit précédemment. Le miroir 23 balaie au moyen du faisceau 20 la surface d'un miroir sphérique final 24, qui réfléchit ce faisceau sur un miroir plan 25; ce dernier concentre le faisceau en un foyer linéaire 26, contre une pièce mobile 2, et balaie cette pièce à l'aide du faisceau. En plan, le faisceau 20 est concentré sur ou au voisinage du miroir polygonal 23 par le miroir sphérique 22. Le faisceau 20 balaie le miroir 24 sous l'action du miroir 23, est réfléchi sur le miroir plan 25 et balaie la pièce è traiter.Comme dans le système op tique décrit précédemment, la direction de l'axe de rotation du miroir 23 est variable, et la composante vers l'avant de la vi tesse de balayage de la pièce mobile par le foyer linéaire 26 est obtenue en faisant tourner de l'angle b , par rapport à l'axe longitudinal du miroir cylindrique 21 et autour d'un axe 29 perpendiculaire à l'axe de rotation du nirnir 23, un bâti 28 qui porte le miroir tournant 22. Les angles c et etp respectivement entre la normale à la surface du miroir 23 et le faisceau 20 frappant ce miroir, et entre la normale à la surface du miroir 24 et le plan de balayage produisent des aberrations qui se manifestent d'ellesmêmes comme des courbures du trajet de balayage à travers la pièce 27. On pet s'arranger pour que ces erreurs s'annulent mutuellement, en choisissant de façon appropriée les angles or etc dans chaque cas particulier. Dans les système3 optiques décrits avec référence aux figures 3 et 4, l'orientation godes miroirs-déflecteurs 13 ou 23 par rapport à l'axe de la lentille cylindrique 11 (figure 3) ou à celui du miroir cylindrique 23 (figure 4) peut être ajustée de façon à réaliser le balayage sous l'angle de déviation e approprié. En général, l'amplitude de Eest la même que celle de et en rapport avec la pièce à traiter et la vitesse de ba layage, comme le montre la figure 1.Pour une vitesse de balayage fixe, afin de permettre des variations de la vitesse de la pièce à traiter, par exemple pendant le démarrage et l'arrêt d'un processus continu, il est nécessaire d'incorporer un système qui contrôle continuellement et fixe à la valeur convenable l'angle de déviation . La figure 5 montre une façon dont ce rél sultat peut être obtenu dans le cas de l'un quelconque des systèmes optiques décrits avec référence aux figures 3 et 4. Sur la figure 5, on voit un générateur d'impulsions de synchronisation 30 produisant un train d'impulsions de com- mande, qui sont appliquées à un multiplicateur à débit binaire 31 qui multiplie le taux des impulsions de commande par un facteur déteri..é par un contrôle 32 de la vitesse fixée. Le train d'impulsions résultant est envoyé à un ensemble de contrôle-33 qui contrôle la vitesse d'un moteur 34 de balayage.Une disposition analogue d'éléments 37, 38 et 40 est utilisée pour contra ler la vitesse d'un moteur 41 d'entraînement de la pièce à traiter. (Un dispositif supplémentaire 39 peut être ajouté au dispositif d'entraînerent de la pièce à traiter afin de contrôler le taux d'accélération pendant le démarrage et le taux dé décélé @@@@ pendant le freinage quand le système est utilisé dans installation de traitement en continu). La sortie des multiplicateurs @@, @@ est constituée par des trains d'impulsions dont les fréquences correspondent à la vitesse de balayage vs et à la vitesse vw de la pièce à traiter.Les trains d'impulsions respectifs sont intégrés par deux compteurs 42 et 43 et mathématiquement divisés par un circuit diviseur 44 pour produire un signal représentatif du cosinus de l'angle de déviation e . La sortie du circuit 44 est comparée dans un comparateur 45 à un signal représentatif de la position réelle d'une commande de déviation mesurée par un codeur 48 qui est gradué suivant une échelle de cosinus. Un signal de différence (c'est-à-dire de l'erreur dans la position angulaire) est envoyé à un contrôleur 46 pour entraîner un moteur 47 dans une direction qui annule l'erreur précitée. Les systèmes optiques décrits précédemiuent peuvent être modifiés pour produire deux ou même trois foyers linéaires en cas de besoin. Dans le système de lentilles décrit avec référence à la figure 3, les deux foyers linéaires désirés peuvent être obtenus en plaçant un biprisme de Fresnel 5n (figure 6) sur le trajet du faisceau, en avant du dispositif d'élargissement du faisceau, avant que ce dernier frappe la lentille cylindrique 11. Le biprisme 50 peut être fait avec ses deux moitiés séparées, de façon que la séparation des deux moitiés du fais- ceau fendu 51 puisse varier.Dans le système de miroirs décrit avec référence à la figure 4, les deux foyers linéaires désirés peuvent être obtenus en plaçant deux miroirs plans faisant un certain angle l'un avec l'autre sur le trajet du faisceau lumineux provenant du dispositif d'élargissement du faisceau, ou en fendant axialement le miroir cylindrique 21 et en plaçant les deux moitiés 61, 62 (figure 7) de façon que les droites (normales) 63, 64 qui leur sont perpendiculaires soient co-planaires mais fassent un angle l'use par rapport à l'autre. Comma dans le cas d'un biprisme, les deux parties 61, 62 du miroir 21 peuvent être rendues réglables afin de faire varier la séparation des moitiés du faisceau fendu. Trois foyers linéaires peuvent être produits par le dispositif représenté sur la figure 8 et qui est utilisable avec les deux types de systèmes, à lentilles et à mireurs, décrits prEcédemment. Dans l'un quelconque de ces systèmes, l'élément cylindrique de centralisatin est une lentille cylindrique 71, et un mirr:ir plan circulaire 72 ayant trois facettes est placé de façon à recevoir le faisceau incident 73 provenant du dispositif d'élargissement du faisceau (non représenté) et à la réfléchir sur la lentille 71, qui cnncentre le faisceau sur un miroir polygonal tournant 74, comme précédemment.Deux des facettes du miroir 72, à savoir respectivement les facettes 75 et 76, sont -des quarts de cercle, et la troisième facette, 77, est un demicercle. Un déplacement du miroir 72 par rapport au faisceau incident 73 dans une direction nernele à la jonction des facettes 75 et 76 fait varier la répartition d'énergie entre les f-ers linéaires extérieurs 78 et 79 du faisceau, tandis qu'un déplacement du miroir 72 par rapport au faisceau incident 73 parallèle à--la jonction des facettes 75 et 76 modifie la répartition d'é- anergie entre les foyers linéaires extérieurs 78 et 79 et le foyer linéaire central 80. Ainsi, par exemple, quand on utilise deux épaisseurs d'une matière plastie mince telle que celles qui sont utilisées pour la fabrication de sacs dans l'industrie de l'emballage, on peut s'arranger pour que la répartition de l'é anergie soit telle que le foyer linéaire central 8O coupe le ma- tériau à travailler, tandis que les deux foyers linéaires extérieurs ne reçoivent assez d'énergie que pour réaliser un collage. Ceci est particulièrement avantageux si les sacs sont fabriqués à partir d'un tube aplati en matière plastique. REVENDICATIONS I - Système optique, caractérisé par des moyens 21, 22, 24 pour concentrer un faisceau d'énergie de rayonnement sur une pièce mobile qui dnit être souflise à cette énergie, sous la forme d'un foyer linéaire perpendiculaire a la direction du ddplacement de la pièce, et par des moyens 23 pour balayer la pièce, à l'aide du faisceau concentré, dans une direction ayant une composante dans la direction du déplacement de la pièce, de fa çon que le faisceau concentre traverse la pièce suivant une li gne droite dans la direction du foyer linéaire. 2 - Système optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les doyens pour concentrer le faisceau, sous la forme d'un foyer linéaire, sur la pièce à traiter comprennent un élément cylindrique de concentration 21, un élément sphérique de transfert de concentration 22, et un élément sphérique de concentration finale 24. 3 - Système optique suivant la revendication 2, caractrissé en ce que les moyens pour balayer la pièce à l'aide du faisceau concentré comprennent un miroir de balayage 23 placé entre l'élément de transfert 22 et l'élément final 24 et mobile autour d'un axe dont l'orientation par rapport à l'axe longitu dinal de lildment cylindrique de concentration 21 peut varier pour modifier la direction dans laquelle se fait le balayage, et des moyens 2B, 29 pour faire varier l'orientation de l'axe de déplacement du miroir de façon que le foyer linéaire de concentration du faisceau soit perpendiculaire à la direction du déplacement de la pièce à traiter et traverse cette pièce suivant une ligne droite dans la direction du foyer linéaire. 4 - Système optique suivant la revendication 3, ca ractérisé en ce que le miroir est un polyèdre octogonal régulier monté de façon à tourner autour de son axe de symétrie. 5 - Système optique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir est un miroir plan capable de tourner ou d'osciller autour d'un axe situé sur sa surface réfléchissante. 6 - Système optique pour balayer une pièce mobile qui doit être sournoise à une énergie de rayonnement à l'aide d'un faisceau de cette énergie, caractérisé par un miroir cylindrique 21 disposé de façon à concentrer le faisceau de radiation sous la forte d'un foyer linéaire initial, un miroir polygonal 23 ca pable de tourner autour d'un axe dont l'orientation par rapport à l'axe longitudinal du miroir cylindrique peut varier et qui balaie à l'aide du faisceau un miroir sphérique 24 disposé de façon à reconstituer l'image du foyer linéaire du faisceau sur la pièce à traiter, et des moyens 28, 29 pour faire varier l'o rientatinn de axe du miroir polygonal en fonction de la vitesse de balayage de la pièce à traiter par le faisceau et de la vitesse de déplacement de cette pièce, de façon que l'image concen trde en ligne soit perpendiculaire à la direction du déplacement de la pièce à traiter et traverse cette pièce suivant une ligne droite dans la direction du foyer linéaire. 7 - Système optique suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par des moyens pour concentrer le faisceau sous la forme de plusieurs foyers linéaires. 8 - Système optique suivant la revendication 7, ca ractérisé en ce que les moyens pour concentrer un faisceau sous la forme de plusieurs foyers linéaires comprennent un biprisme de Fresnel 5fol.. 9 - Système optique suivant la revendicatinn 7, ca caractérisé en ce que les moyens pour concentrer un faisceau sous la forme de plusieurs foyers linéaires comprennent deux miroirs plans disposés de façon à produire deux faisceaux à partir d'un seul faisceau incident 10 - Système optique suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par des moyens 31, 32, 33 pour produire un premier signal de contrôle représentatif de la vitesse de balayage de la pièce à traiter par le faisceau, des moyens 37, 38, 40 pour produire un second signal de contrnle représentatif de la vitesse de la pièce à traiter, des mayens 42, 43,-44 pour prnduire à partir des deux signaux de contrôle précités un troisiè- me signal représentatif de la valeur de cos e , où e est l'an- gle de déviation entre la direction de balayage du faisceau à travers la pièce à traiter et la direction du déplacement de cette pièce nécessaire pour que le foyer linéaire du faisceau la traverse suivant une ligne droite perpendicdaire à la direction de son déplacemeent, et des moyens 45, 46, 47, 48 qui réagissent au troisième signal pour modifier de façon appropriée l'angle d'orientation entre l'axe longitudinal du miroir cylindrique et l'axe autour duquel le miroir de balayage est déplacé, de fa çnn à produire l'angle de déviation'voulu Ventre la direction de balayage de la pièce à traiter par le faisceau et la direction du déplacement de cette pièce. 11 - Système optique suivant la revendication 1, caractérisé par des moyens 48 pour dériver un signal indicatif de la valeur réelle de cos e , des moyens 45 pour comparer la valeur réelle et la valeur désirée de cos o et pour produire un signal d'erreur dans le cas d'une discordance entre la valeur réelle et la valeur désirée de cos e , et des moyens 46 pour modifier l'angle d'orientation de l'axe de déplacement du miroir de balayage pour faire dispsraître l'erreur précitée. 12 - Système optique suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la pièce à traiter est en matière plastique et que la source du faisceau de rayonnement est un laser utilisant pour milieu du bioxyde de carbone.