Brevet FR2530803A1 — publié le 19840127

La présente invention concerne un sys Ltmo d'alignement optique, et plus particulièrement un système optique pour faire en sorte qu'un faisceau de rayonnement laser passe avec précision par le centre optique d'un sys- tème de focalisation. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de s'assurer qu'un équipement maintient son alignement dans une direction donnée, bien qu'il soit sou- mis à des facteurs de perturbation Par exemple,-en rela- tion avec des opérations de traitement par laser, il est nécessaire de faire en sorte qu'un faisceau de rayonnement passe par le centre optique d'un système de focalisation même lorsque ce système de focalisation peut être'déplacé pour suivre un trajet correspondant à une opération de découpage ou de soudage. Une carence d'observation de cet impératif peut avoir des effets perturbateurs sur le profil d'énergie dans la section droite du faisceau et peut se traduire également par une déformation du spot du faisceau concentre. Conformément à la présente invention, il est prévu un système d'alignement optique comprenant un moyen pour projeter-un faisceau de rayonnement d'alignement le long d'un trajet qui forme une partie d'un système opti- que comprenant une ouverture d'alignement, un moyen pour faire en sorte que le faisceau d'alignement effectue un balayage autour de la périphérie de l'ouverture d'aligne- ment, un moyen pour recevoir de la lumière renvoyée à par- tir de la périphérie de l'ouverture d'alignement et pour produire un signal électrique en relation avec son intensité, un moyen pour déterminer l'amplitude et la phase du signal électrique-par rapport-à ceux du mouvement du faisceau d'alignement autour de la périphérie de l'ouverture d'ali- gnement et pour produire un signal d'alignement, et un servomécanisme agencé pour répondre au signal d'alignement pour amener en coïncidence l'axe du mouvement du faisceau d'alignement et le centre de l'ouverture d'alignement. -2 L'ouverture d'alignement peut comprendre le support d'une lentille de formation d'image, ou d'un miroir, qui fait partie d'un autre système optique, tel qu'un sys- tème de traitement par laser, auquel cas le servomécanisme peut être agencé pour commander le mouvement autour de deux axes perpendiculaires d'un miroir qui est commun au système d'alignement optique et au système de traitement par laser En variante, l'ouverture d'alignement peut être ménagée dans une pièce d'un appareil dont l'orienta- tion doit être maintenue dans une direction donnée et le servomécanisme peut être agencé pour faire déplacer la pièce d'appareil en vue de maintenir l'orientation désirée. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin unique annexé qui est une représentation schématique d'un système de traitement par laser agencé conformément à l'invention. Sur le dessin, on a représenté un système de traitement par laser à gaz carbonique comportant un système d'alignement optique conforme à la présente ihven- tion et qui est agencé pour faire en sorte que le faisceau laser à gaz carbonique passe au centre d'une lentille de focalisation ou de concentration Un faisceau laser 1, émis par une source qui n'est pas représentée, est réfléchi par un miroir de mélange de faisceaux 2 qui comporte un orifice central 3 dirigé vers un miroir 4, qui est agencé pour être déplacé autour de deux axes mutuellement perpen- diculaires au moyen d'unités d'entraînement 5 et 6 Le faisceau laser 1 parvient alors sur une tête de focalisa- tion ou concentration 7 qui comporte une ouverture d'ali- gnement 8 et une lentille de focalisation ou concentration 9, agencée pour faire arriver le faisceau laser 1 sur un foyer situé sur la surface d'une pièce 10. Le système d'alignement optique se compose d'une source de laser à héliumnéon 21 qui produit un faisceau d'alignement 21 ', de deux miroirs de déviation de faisceaux 22,d'un ensemble à coin rotatif 23, entrainé par un moteur électrique qui n'est pas représenté, d'un élément d'observation 24, d'un télescope associé à un photomultiplicateur 25, et d'une unité de commande à servomécanisme 26, indiquée d'une façon générale par la ligne en traits interrompus et qui actionne les mécanismes d'entraînement 5 et 6 du miroir 4, qui est commun à la fois au système de traitement par laser et au système d'alignement optique Il est prévu dans l'ensemble à coin rotatif 23 un système de codage de position se com- posant d'une plaque tournante 27 qui porte un composant de l'ensemble à coin rotatif 23 et qui est pourvu de quatre repères de position espacés régulièrement et qui sont observés par quatre détecteurs de minutage d'échan- tillonnage-blocage 28 (désignés par A, B, C et D 0) Les signaux provenant des détecteurs de minutage 28 sont ap- pliqués à des circuits échantillonneurs-bloqueurs respec- tifs A', B', C ' et O' prévus dans l'unité de commande à servomécanisme 26 Des signaux provenant du photomultipli- cateur 25 sont également appliqués aux circuits échantil- neurs-bloqueurs A', B', C' et D' Les signaux provenant du photomultiplicateur 25 sont appliqués aux circuits échantillonneursbloqueurs A' et B' directement et aux circuits échantillonneurs-bloqueurs C' et O' par l'inter- médiaire d'amplificateurs différentiels E et F Le signal de sortie du circuit échantillonneur-bloqueur A' est également appliqué à l'amplificateur différentiel E tandis que celui provenant du circuit échantillonneur- bloqueur B' est également appliqué à l'amplificateur dif- férentiel F Le signal de sortie du circuit échantillonneur- bloqueur D' est amplifié par un amplificateur G, et il est utilisé pour actionner l'unité d'entraînement X 5 du miroir mobile 4 tandis que le signal de sortie du circuit échan- tillonneur-bloqueur C est amplifié par un iamplificateur Il et est utilisé pour actionner l'unité d'entraînement Y 5 du miroir mobile 4. Le système fonctionne de la façon suivante. On fait passer le faisceau d'alignement 21 ' au centre du trou 3 existant dans le miroir de mélange de faisceaux 2 au moyen de réglages appropriés des miroirs 22 de façon à le rendre coaxial au faisceau laser principal 1 et à lui faire suivre un trajet identique On fait alors in- tervenir l'ensemble à coin rotatif 23 La déviation pro- duite par l'ensemble à coin rotatif 23 est agencé de façon que le faisceau d'alignement 21 ' arrive sur le bord de l'ouverture d'alignement 8 quand le faisceau laser prin- cipal 1 passe au centre de la lentille de focalisation 9. L'ensemble à coin rotatif 23 est alors mis en mouvement de façon à obliger le faisceau d'alignement 21 ' à balayer la périphérie de- l'ouvetture d'alignement 8 La lumière 1 S renvoyée par la périphérie de l'ouverture d'alignement 8 est réfléchie par l'élément d'observation 24 vers le télescope et l'unité à photomultiplicateur 25 L'élément d'observation 24 est formé d'un matériau qui est trans- parent au rayonnement du gaz carbonique du raisceaiu laser principal 1 et il a également une transmittance élevée, mais non parfaite, pour le rayonnement He/Ne intervenant dans le faisceau d'alignement 21 ' C'est pour cette raison qu'un photomultiplicateur est nécessaire Une fois que le faisceau laser principal 1 et le faisceau laser d'alignement 21 ' ont été chacun réglésavec précision par réglage du miroir 2, un mésalignement entre le faisceau laser principal 1, l'ouverture d'alignement 8 et la len- tille de focalisation 9 fait en sorte que le faisceau d'alignement 21 ' recouvre, au moins partiellement, le bord de l'ouverture d'alignement 8 sur une partie de son trajet, en engendrant ainsi une fluctuation dans le signal de sortie de l'unité à photomultiplicateur 25 L'amplitude de la fluctuation constitue une mesure du degré de mésali- gnement et sa phase fournit une indication de la direction dans laquelle le mésalignement s'est produit Le signal do sourti ie d 11 unité à photomultipliuîj L Lur ?', tlu L Yililiui'- tillonné quatre fois pendant chaque balayage du faisceau d'alignement 21 ' Les moments appropriés pour l'échan- tillonnage du signal de sortie du photomultiplicateur 25 sont définis par les repères placés sur la plaque tour- nante 27 qui fait partie de l'ensemble à coin rotatif 23, cette opération étant assurée par les détecteurs de minu- tage 28 Les signaux échantillonnés sont appariés, une paire étant affectée à chaque axe de déplacement du miroir 4 La différence entre les signaux échantillonnes dans chaque paire fournit un signal d'erreur pour chaque axe, ces signaux d'erreur, lorsqu'ils ont été amplifiés par les amplificateurs G et H, étant appliqués aux unités d'entraînement 5 et 6 du miroir mobile 4 de façon à lui faire exécuter les mouvements nécessaires pour amener l'axe du mouvement du faisceau d'alignement 21 ', et par conséquent du faisceau principal, au centre de la lentille de focalisation. REVENDICATIONS 1 Système d'alignement optique, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens ( 21, 22) pour projeter un faisceau de rayonnement d'alignement ( 21 ') le long d'un trajet qui fait partie d'un système optique ( 2, 4, 11) com- portant une ouverture d'alignement ( 8), un mny ni pour faire en sortie que le faisceau d'alignement ( 21 ') balaie la périphérie de l'ouverture d'alignement ( 8), des moyens ( 24, 25) pour recevoir la lumière renvoyée à partir de la périphérie de l'ouverture d'alignement ( 8) et pour pro- duire un signal électrique en relation avec son intensité, un moyen ( 26) pour déterminer l'amplitude et la phase du signal électrique par rapport à ceux du mouvement du fais- ceau d'alignement autour de la périphérie de l'ouverture d'alignement ( 8) et pour produire un signal d'alignement, et un servomécanisme ( 5, 6) agencé pour répondre à un signal d'alignement pour amener l'axe du mouvement du faisceau d'alignement ( 21 ') et le centre de l'ouverture d'alignement ( 8) en coincidence. 2 Système d'alignement optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture d'ali- gnement ( 8) comprend un support pour un élément optique ( 9) qui fait partie d'un système optique ( 2, 4, 9). 3 Système d'alignement optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le servomécanisme ( 5, 6} est agencé pour commander le mouvement autour de deux axes perpendiculaires d'un miroir mobile ( 4) qui est commun au système d'alignement optique et audit système optique ( 2, 4, 9). 4 Système d'alignement optique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le système optique ( 2, 4, 9) est un système de traitement par laser. Système d'alignement optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture d'ali- gnement ( 8) est ménagée dans une pièce d'un appareil dont l'orientation doit être maintenue dans une direction donnée et en ce que le servomécanisme est agencé pour faire dé- placer la pièce d'appareil en vue de maintenir l'orienta- tion désirée. 6 Système d'alignement optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracté- risé en ce que le moyen pour obliger le faisceau d'aligne- ment ( 21 ') à balayer la périphérie de l'ouverture d'aligne- ment ( 8) comprend un ensemble à coin optique ( 23, 27) formé d'un matéria u transparent et agencé pour dévier un faisceau incident de lumière dans une direction perpen- diculaire à l'axe optique du système d'alignement optique, ainsi qu'un moyen pour faire tourner l'ensemble à coin optique ( 23, 27) autour d'un axe coincidant avec celui du système d'alignement optique ( 22, 23, 24, 25, 8, 26}. 7 Système d'alignement optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble à coin optique rotatif ( 23, 24) comprend un codeur de position ( 28) de manière à pouvoir déterminer l'azimut du faisceau d'alignement déplacé ( 21 ')-par rapport à une position de référence. 8 Système d'alignement optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen l 26) pour déterminer l'amplitude et la phase du signal électrique par rapport à l'intensité de la lumière renvoyée à partir de la périphérie de l'ouverture d'alignement (B) en rela- tion avec le mouvement du faisceau d'alignement ( 21 ') comprend plusieurs circuits échantillonneurs-bloqueurs (A', B', C' et D') qui sont excités par des signaux pro- venant du codeur de position. 9 Système d'alignement optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les-moyens pour produire un signal d'alignement comprennent un moyen pour dériver des contenus d'un premier groupe de circuits échantillonneurs-bloqueurs (A',C'), une première composante du signald'alignement représentant des déplacementp du faisceau d'alignement dans une première direction, et un moyen pour dériver des contenus d'un second groupe (B', D') do circuits (;hiantillonneurs-bloquouis, une scuutndj coim- posante du signal d'alignement représentant des déplace- ments du faisceau d'alignement dans une seconde direction perpendiculaire à celle de la première composante. 10 Système d'alignement selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la première et la seconde direction correspondent aux axes de déplacement du miroir mobile ( 4).