Brevet FR2603709A1 — publié le 19880311

DISPOSITIF DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LUMINEUX ET SYSTEME DE TRANSPORT D'ENERGIE LUMINEUSE UTILISANT CE DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de focalisation d'un lai sceau Lumineux et un système de transport d'énergie lumineuse utilisant ce dispositif. Elle trouve notamment une application dans le domaine du soudage. On connaît déjà un système de transport d'énergie lumineuse qui est schématiquement représenté sur la figure 1 et par exemple prévu pour la soudure par points d'une pièce mécanique 2. Cé système comprend - une source Lumineuse 4 par exemple constituée par un laser de puissance, - une fibre optique ó, - un premier dispositif de focalisation 8, prévu pour focaliser La lumière émise par la source 4 sur une extrémité d;- la fibre 6, et - un second dispositif de localisation 10 prévu pour recevoir la lumière transmise par la fibre 6 et pour focaliser cette lumière sur la pièce 2. Le laser de puissance est par exemple un laser YAG pulsé. On sait que Le second dispositif de focalisation ID peut comprendre une première lentille convergente 12 (figure 2) et Qne seconde lentille convergente 14, sensiblement identiques, ayant le même axe optique 18. Une bague 13, filetée exterieurement, maintient la lentille 12 dans un logement réalisé dans une pièce 20 présentant une symétrie de révolution autour de L'axe 18, la bague pressant le pourtour de la lentille 12 et étant vissée dans le logement qui est fileté à cet effet. L'autre extrémité de la fibre 6 est maintenue dans la pièce 20, le long de l'axe 18, en regard de la lentille 12. Une autre bague 15, filetée extérieurement, presse le pourtour de La lentilLe 14 contre 'un 'épaulement réalisé dans un trou traversant une piece 22 qui présente une symétrie de révolution autour de L'axe 18. La pièce 20 est filetee exterieurement et vissée dans la pièce 22 prévue à cet effet. La première Lentille 12 permet de corriger la divergence du faisceau issu de la fibre 6, due à L'ouverture numérique de celle-ci, et la seconde lentille 14 permet de focaliser ce faisceau sur La pièce 2, apres transmission dudit faisceau par La lentille 12. En outre, pour des questions d'encombrement, Les Lentilles 12 et 14 ont de petits diamètres de l'ordre de 50mm, la divergence du faisceau issu de la fibre optique 6 impose le choix d'une lentille 12 de courte distance focale de L'ordre de lOmm et, afin d'obtenir une densité d'énergie suffisante pour effectuer le soudage, le diamètre de la tache focale correspondant à la deuxième lentille 14, ce diamètre étant sFoportionnel à la distance focale de cette Lentille, doit être aussi petit que possible, ce qui conduit à choisir une lentille 14 ayant une distance focale de L'ordre de lOmm. Un tel dispositif présente des inconvénients : compte tenu de la faible distance focale de la lentille 14, il est difficile de dépasser 100 points de soudure avec ce dispositif car la lentille 14, ou une plaque de verre 24 éventuellement disposée entre celle-ci et la pièce 2, est progressivement détériorée par des particules métalliques qui sont projetées au cours du soudage, malgré l'utilisation d'un gaz protecteur que l'on fait circuler entre la lentille 14 (ou La plaque de verre 24) et la pièce 2, par l'intermédiaire d'un conduit 26 traversant La pièce 22. La présente invention a pour but de remédier S ces inconvénients et plus généralement, de permettre d'augmenter la distance entre une optique de focalisation, faisant partie de dispositifs du genre de celui qui est représenté sur La figure 3, et la tache focale relative à cette optique, sans augmenter le diamètre de cette tache. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de focalisation d'un faisceau lumineux comprenant une première et une deuxième optiques ayant un axe optique commun, La première optique étant prevue pour recevoir puis transmettre le faisceau Lumineux, La deuxième optique etant prévue pour focaliser Le faisceau transmis par la première optique, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques d'agrandissement, placés entre la premiere et la deuxième optiques et prevus pour agrandir, perpendiculairement à l'axe optique, puis transmettre le faisceau issu de la première optique, la deuxième optique étant de plus prévue pour recevoir Le faisceau ainsi agrandi. L'utilisation des moyens optiques d'agrandissement permet en effet de choisir une deuxième optique de grande distance focale (supérieure à 100mm) et donc d'augmenter la distance de focalisation, c'est-à-dire la'distance de t V dans le cas dun soudage, sans augmenter le diametre de la tact: focale relative à la deuxième optique. On dispose toujours ainsi d'une densité d'énergie suffisante pour le soudage, tout en limitant tes risques de détérioration de la deuxième optique du dispositif par des projections métalliques au cours de ce soudage. Les moyens d'agrandissement peuvent comprendre un télescope confocal ou un télescope afocal. Ce télescope comprend par exemple une troisième optique prévue pour recevoir Le faisceau issu de la première optique et transmettre ce faisceau, et une quatrième optique prévue pour recevoir le faisceau issu de la troisième optique, celle-ci et la quatrième optique ayant un foyer commun, plus proche de la troisième que de la quatrième optique, et un axe optique commun, confondu avec L'axe optique de la première et de La deuxième optiques. Dans une première réalisation particulière de L'invention, le télescope est confocal, la première, la deuxième, la troisième et La quatrième optiques sont convergentes et Ledit foyer commun est situé entre La troisième et la quatrieme optiques. Dans une seconde realisation particulière de L'invention, Le télescope est afocal, la première, La deuxieme et La quatrième optiques sont convergentes, la troisième optique est divergente et Ledit foyer est situé entre la première et La troisième optiques. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de L'invention, ce dispositif comprend en outre un guide de lumière, tel qu'une ou plusieurs fibres optiques, dont L'extrémité est placée sur l'axe optique, en regard de La première optique, et qui est prévu pour envoyer le faisceau lumineux sur celle-ci, l'utilisation d'un tel guide de lumière augmentant fortement la maniabilité du dispositif, notammént dans le domaine du soudage, puisqu'il permet d'isoler la source Lumineuse nécessaire au soudage de t'endroit où celui-ci doit être effesiué et, en outre, d'utiliser une même source de lumière pour plusieurs dispositifs, chacun de ceux-ci étant alors relié à la source par un guide de lumière. De préférence, l'extrémité du guide de lumière est placée au voisinage du foyer de La première optique, qui est situé du côté du guide, en vue d'un bon fonctionnement du dispositif. De préférence également; la position de L'extrémité du guide de lumière -par rapport à la première optique est réglable afin d'optimiser ce fonctionnement. La présente invention a également pour objet un système de transport d'énergie lumineuse, comprenant : - une source de Lumière, - un guide de ladite lumière, - un premier dispositif de focalisation, prévu pour focaliser la lumière émise par la source sur une extrémité du guide, et - un second dispositif de focalisation prévu pour focaliser La lumière transmise par le guide et issue de L'autre extrémité de celui-ci, système caractérise en ce que le second dispositif est conforme au dispositif selon L'invention, muni d'un guide de Lumière qui est alors celui du système. La source de lumière peut être un laser de puissance, notamment lorsque Le système est utilisé pour le soudage de pièces mécaniques. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnes à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures i et 2 qui représentent respectivement un système connu de transport d'énergie lumineuse et un dispositif de focalisation utilisé dans ce système, et ont déjà été décrites, la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de focalisation objet de la présente invention, mu: d'un télescope confocal, et la figure 4 est une vue schématiqus d'un autre mode de realisation particulier de ce dispositif, muni d'un télescope afocal. Le dispositif schématiquement représenté sur la figure 3 est par exemple destiné au soudage par points d'une pièce mécanique 2 et comprend quatre lentilles convergentes, par exemple minces, L1, L2, L3 et L4. Les quatre lentilles sont fixes les unes par rapport aux autres et ont un même axe optique 28. Ces lentilles sont par exemple montées dans un corps tubulaire 30 dont L'axe est L'axe 28, par l'intermédiaire de supports 32 dans lesquels elles sont respectivement encastrées. Le corps 30 est par exemple fait d'un alliage métallique Léger, tel qu'un alliage à base d'aluminium. La lentille LI est placée du côté d'une extrémité du corps 30 et la lentille L4 est placée du côté de L'autre extrémité de ce corps, tandis que les lentilles L2 et L3 sont placées entre Les lentilles L1 et L4, respectivement à proximite desdites lentilles Li et L4. Le dispositif représenté sur La figure 3 comprend également la fibre optique 6 (figure 1) destinée.à transmettre la Lumière issue de la source 4 au dispositif. L'extrémité de cette fibre 6 est disposee en regard de La lentille L1, sur L'axe optique 28. Cette extrémité de la fibre 6 est montée dans une pièce de maintien 34 déplaçable en translation parallèlement à L'axe 28, dans une pièce 36 fixée à Ladite extrémité du corps 30 grâce à des vis 38 par exempLe. A cet effet, une vis 40 est prévue pour traverser deux trous alignes paraLlèlement à L'axe optique 28 et respectivement realisés dans Les pièces 34 et 36 qu'ils traversent, le corps de La vis 40 étant vissé dans le trou correspondant à la piece 34, fileté à cet effet, tandis que La tête de la vis 40 s'appuie sur la pièce 36, de sorte que la rotation de la vis 40 provoque le déplacement de la pièce ' 34 par rapport à la piece 36, parallèlement à L'axe 28. L'extrAmité de la fibre optique 6 est placée de façon aussi précise quc possible en le foyer de la lentille LI, qui est situé du côté de la fibre 6 et joue ainsi le rôle de foyer-objet. La lumière émise par la source 4 (figure 1) est transmise par cette fibre 6 dont elle émerge sous la forme d'un faisceau divergent. La lentille L1 est prévue pour transformer ce faisceau divergent en un faisceau parallèle. Les lentilles L2 et L3 forment un télescope confocal prévu pour transformer ce faisceau parallèle en un autre faisceau parallèle de plus grand diamètre et la lentille L4 est destinée à focaliser cet autre faisceau paralLèle sur La pièce à souder. Avec un tel dispositif, il est possible de choisir une lentille L4 dont la distance focale (distance de tir dans le cas d'un soudage) peut aller jusqu'à 300mm au moins, tout en conservant un diamètre de tache focale très faible. Le réglage de la position de la fibre optique par rapport à la lentille L1 permet d'ajuster la distance entre ta Lentille L4 et la tache focale obtenue (distance de tir dans te cas d'un soudage). Les deux lentilles L1 et L2 peuvent avoir un même diametre et Les deux Lentilles U et L4 peuvent également avoir un même diamètre, choisi supérieur au précédent. En outre, La distance focale de La lentille L2 est inférieure à la distance focale de la lentille L3 et ces Lentilles L2 et L3 sont placées l'une par rapport à L'autre de façon que Leurs foyers respectifs, foyers qui sont situés entre ces Lentilles L2 et L3, soient confondus (en un point F1 de La figure 3). La lentille L4 est interchangeable (le support 32 lui correspondant étant par exemple fileté extérieurement et vissé dans le corps 30 fileté intérieurement à cet effet) et sélectionnée en fonction de la position souhaitée pour la tache focale correspondante, par rapport à cette lentille L4. A titre purement indicatif et nullement limitatif, les distances focales des lentilles L1 et L4 sont respectivement égales à îOmm et 10nmm, les lentilles L2 et L3 sont choisies de façon à permettre de multiplier par trois le diamètre du faisceau parallèle issu de la lentille L1, ce faisceau ayant par exemple un diametre de 12mm de sorte que le faisceau issu de la lentille L3 a un diamètre de 36mm. A cet effet, les distances focales des lentilles LZ et L3 sont par exemple respectivement égales à 20mm et 60mm. Le dispositif objet de l'invention, associé à un laser YAG pulsé de 300 watts, et muni d'une deuxième optique de distance focale de 300mm par exemple, permet de réaliser plus de 4000 points de soudure étanches dont la pénétration est superieure à 1,2mm, cette pénétration étant peu, ou pas, modifiée au cours du temps compte tenu de la très faible détérioration, ou de l'absence de détérioration, de la deuxieme optique. Une lame protectrice transparente 46 par exemple en verre, peut être disposée au voisinage de la lentille L4, du côte de celle-ci, qui fait face à la pièce 2. Le dispositif représenté sur la figure 3 peut également comprendre une buse tronconique 42 dont l'axe est confondu avec L'axe optique 28 et qui est fixée à' L'autre extremite du corps 30, en regard de La Lentille L4. La buse 42, qui protege la Lame 46, est bien entendu conçue pour que le faisceau convergent issu de la Lentille L4 ne rencontre pas Les parois intérieures de cette buse et puisse sortir de celle-ci pour être focalisé sur La piece 2. Enfin, la paroi de La buse 42 peut être traversée par un trou 48 destiné à l'envoi d'un gaz protecteur tel que L'argon, en direction de la lentille L4 ou de la plaque 46 lorsque cette dernière est utilisée. La distance entre les lentilles L1 et L2 et la distance entre les lentilles L3 et L4 ont peu d'importance pour le fonctionnement du dispositif, mais sont bien entendu choisies aussi faibles que possibles pour des questions d'encombrement. Sur la figure 4, on a representé schématiquement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de L'invention, qui diffère simplement du dispositif de la figure 3 par le fait qu'il utilivr- non pas un télescope confocal mais un télescope afocal, Ce dernier est constitué d'une lentille mince divergente L5 et d'une lentille mince convergente L6, qui correspondent respectivement aux lentilles L2 et L3 de la figure 3. Les lentilles L1, L4, L5 et L6 ont le même axe optique. Les lentilles L5 et L6 sont placées entre Les lentilles L1 et L4, respectivement du côté desdites lentilles LI et L4. Les deux lentilles L1 et L5 peuvent avoir un même diamètre et les deux lentilles L4 et L6 peuvent également avoir un même diamètre, choisi supérieur au précédent. En outre, la distance focale de la lentille L5 est inférieure à la distance focale de la lentille L6 et ces deux lentilles, montées par l'intermédiaire de supports 33 dans Le corps 30, sont disposees de façon que l'un des foyers (virtuels) de la lentille L5 se trouve entre celle-ci et la lentille L1 et soit confondu avec l'un des foyers (réels) de la lentille L6 (en un point F2 de La figure 4), pour que Le faisceau issu de la lentille L1 puisse être agrandi par l'ensemble L5-L6 avant de parvenir à la lentille L4. A titre purement indicatif et nullement limitatif, les distances focales des Lentilles L5 et L6 sont respectivement égales à 40 mm et 120 mm. Les lentilles L1, L2, L3, L4, L5 et L6 sont des lentilles minces pour des question de coût mais peuvent bien entendu être remplacées, en totalité ou en partie, par des optiques plus complexes, simples ou multiples, ayant les mêmes fonctions : on pourrait par exemple utiliser des lentilles épaisses appropriees. Enfin, il n'est pas nécessaire que les dimensions relatives des optiques utilisées dans la présente invention, ces dimensions étant comptées perpendiculairement à l'axe optique commun, satisfassent à de strictes conditions : il suffit que le faisceau lumineux puisse êtrv in;rcepté successivement par les quatre optiques. Le choix d ce dimensions tient compte de la divergence du faisceau incident sur la première optique ainsi que de considérations sur L'encombrement du dispositif. REVENDICATIONS 1. Dispositif de focalisation d'un faisceau lumineux comprenant une première (lui) et une deuxième (L4) optiques ayant un axe optique (28) commun, la première optique étant prévue pour recevoir puis transmettre Le faisceau Lumineux, La deuxième optique étant prévue pour focaliser le faisceau transmis par la première optique, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques d'agrandissement (L2, L3 ; L5, L6), placés entre la première et La deuxième optiques et prévus pour agrandir, perpendiculairement à L'axe optique, puis transmettre Le faisceau issu de la première optique, la deuxième optique étant de plus prévue pour recevoir le faisceau ainsi agrandi. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en -ce que les moyens d'agrandissement comprennent un télescope confocal (L2, L3) ou un-téescope afocal (L5, L6). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce télescope comprend un troisième optique (L2) prevue pour recevoir le faisceau issu de la première optique (L1) et transmettre ce faisceau, et une quatrième optique (L3) prévue pour recevoir le faisceau issu de la troisième optique, celle-ci et la quatrième optique ayant un foyer commun, plus proche de la troisième que de la quatrième optique, et un axe optique commun, confondu avec L'axe optique (28) de la première et de la deuxième optiques. 4. Dispositif selon la revendication .3, caractérisé en ce que le téléscope est confocal, en ce que La première cri), la deuxième (L4), la troisième (L2) et la quatrième (L3) optiques sont convergentes et en ce que ledit foyer commun est situé entre la troisième (L2) et la quatrième (L3) optiques. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le télescope est afocal, en ce-que la première (L1), la deuxième (L4) et la quatrième (L3) optiques sont convergentes, en ce que la troisième optique (L2) est divergente et en ce que ledit foyer est situé entre la première (L1) et la troisième (L2) optiques. 6. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un guide de lumière (6) dont une extrémité est placée sur i'axe optique (28), en regard de La premiere optique (L1), et qui est prévu pour envoyer le faisceau lumineux sur celle-ci. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que L'extrémité du guide de lumière (6) est placée au voisinage du foyer de la première optique (L1), qui est situé du coté du guide. 8. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la position de L'extrémité du guide de lumière (6) par rapport à la première optique (lui) est réglable. 9. Systeme de transport d'énergie lumineuse, comprenant : - une source 64) de lumière - un guide (6) de ladite lumière, - un premier dispositif de focalisation (8), prévu pour focaliser la lumière emise par la source sur une extrémité du guide, et - un second dispositif de focalisation (10) prévu pour focaliser la lumière transmise par le guide et issue de L'autre extrémité de celui-ci, système caractérisé en ce que le second dispositif est conforme au dispositif selon L'une quelconque des revendications 6 à 8, Ledit guide de lumière du système étant alors celui du dispositif. 10. Système selon la revendication 9, caractérise en ce que la source (4) de lumière est un laser de puissance.