Brevet FR2661255A1 — publié le 19911025

La présente invention concerne un système optique pour transformer un faisceau collimaté en un autre faisceau collimaté à symétrie de révolution ainsi qu'un appareil mettant en oeuvre ledit système, pour l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière, notamment à des fins de traitement de surface ou d'usinage. Dans le domaine de l'exploration d'une cible par un faisceau lumineux, par exemple à des fins de traitement de surface ou d'usinage de révolution par un laser, il est pratique de disposer d'un faisceau d'exploration circulaire ou annulaire réglable radialement de manière continue. Parmi les moyens utilisés dans l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière à section circulaire variable , on a traditionnellement recours au diaphragme iris ou à une série de diaphragmes circulaires de différents diamètres. Le diaphragme iris, bien qu'ayant l'avantage d'assurer une variation continue de la section du faisceau, ne permet pas d'obtenir dans la pratique, des diamètres inférieurs à quelques dixièmes de millimètre, ni un contour de faisceau rigoureusement circulaire, surtout aux petits diamètres. La série de diaphragmes, quant à elle, a l'inconvénient d'être discontinue. On utilise également un objectif à focale variable pour faire l'image variable d'un diaphragme circulaire fixe sur une cible, mais avec l'inconvénient de ne pouvoir annuler le diamètre minimum. Parmi les moyens utilisés dans l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière à section annulaire variable, on a traditionnellement recours à des moyens analogues à ceux énumérés précédemment combinés à d'autres moyens: par exemple, un diaphragme iris combiné à une lame transparente occultée au centre du diaphragme par un disque opaque, permet une variation continue du diamètre externe de l'anneau, mais conserve une circularité imparfaite. De même, une série de diaphragmes annu laires ne permet pas une variation continue des paramètres de l'anneau. Enfin, l'utilisation d'un diaphragme annulaire combiné à un objectif à focale variable ne permet pas des variations relatives des diamètres externes et internes des anneaux de lumière. En particulier, il est impossible avec ces moyens de transformer un faisceau annulaire en tache circulaire de manière continue. Par ailleurs, il est également possible, dans le cas d'un faisceau parfaitement collimaté et de convergence non nulle, de projeter un diaphragme annulaire de dimension continûment variable sur une cible dont la position est réglable suivant l'axe du système; toutefois, les paramètres de l'anneau ne sont pas réglables individuellement. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients ci-dessus; c'est-à-dire de permettre d'obtenir un faisceau circulaire ou annulaire dont les paramètres géométriques sont continûment réglables individuellement. A cet effet, le système optique est du type destiné à transformer un faisceau collimaté en un autre faisceau collimaté à symétrie de révolution; il se distingue en ce qu'il comporte, sur un axe commun de révolution, des premiers moyens transformant au moins une portion dudit faisceau de lumière collimaté circulaire en un faisceau annulaire, et des seconds moyens transformant au moins une portion dudit faisceau annulaire en un autre faisceau circulaire ou annulaire selon une répartition continûment réglable. Conformément à l'invention, lesdits premiers moyens ou/et seconds moyens comprennent une surface réfléchissante conique centrale orientée vers l'extérieur dudit système optique et une surface réfléchissante tronconique périphérique orientée vers l'intérieur dudit système optique, lesdites surfaces étant concentriques et déplaçables l'une par rapport à l'autre le long de l'axe de révolution. Ainsi, l'invention permet d'obtenir un faisceau circulaire ou annulaire dont les paramètres géométriques sont continûment réglables individuellement. En particulier, le rayon externe du faisceau peut être fixe tandis que le rayon interne est variable. De même, il est possible avec l'appareil de l'invention de projeter un faisceau de lumière circulaire dont la circularité est meilleure que celle un faisceau obtenu avec un diaphragmme iris, notamment aux petits diamètres, et ce jusqu'à un diamètre nul. Selon l'invention, lesdites surfaces réfléchissantes conique et tronconique ont un angle au sommet a identique. Ainsi, si le faisceau incident est parallèle à l'axe de révolution, il est transformé d'abord par les premiers moyens en un faisceau annulaire également parallèle, lequel faisceau annulaire est à son tour transformé en un autre faisceau annulaire ou circulaire également parallèle à l'axe de révolution X. Avantageusement, cet angle a peut être égal à 45 degrés par rapport à l'axe de révolution du système optique. Selon cette configuration, les moyens sont commodément dans une position dite neutre lorsque la pointe du cône se situe dans le plan d'entrée du système. Avantageusement, les surfaces réfléchissantes conique et tronconique ont une génératrice de longueur égale au rapport du rayon R du cercle inférieur de la surface réfléchissante tronconique périphérique du premier moyen par le sinus de l'angle a au sommet. Selon une configuration particulière, l'invention peut fonctionner en tant que diaphragme circulaire ou annulaire. A cet effet, le déplacement relatif des surfaces réfléchissantes de chaque moyen est tel que ltécartement des surfaces des premiers moyens demeure identique à celui des surfaces des seconds moyens. L'invention a également pour objet un appareil optique pour l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière de révolution, à des fins notamment d'usinage ou de traitement de surface. I1 se distingue en ce qu'il comprend, une source de lumière émettant un faisceau de lumière collimaté, ledit système optique selon l'invention dont l'axe de révolution est placé sur la trajectoire du faisceau en amont de la cible destinée à être exposée, ledit faisceau ayant un diamètre au moins égal au diamètre de l'entrée circulaire de rayon R du système optique, des moyens de contrôle en continu de la portion annulaire ou circulaire prélevée et de la portion annulaire ou circulaire transmise du faisceau par ledit système optique, agissant sur l'écartement des surfaces réfléchissantes des premiers et/ou seconds moyens, des moyens optiques permettant de faire l'image sur la cible de la face de sortie desdits seconds moyens. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma du dispositif optique selon l'invention; - les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j illustrent le fonctionnement du système optique en fonction des différentes positions des surfaces réfléchissantes; - la figure 3 représente un mode de réalisation du système optique; - la figure 4 représente un exemple de réalisation du dispositif optique selon une configuration particulière. - la figure 5 représente un appareil d'exploration d'une cible par un faisceau mettant en oeuvre l'invention. On voit à la figure 1, que le système optique (1) conforme à l'invention comprend des premiers (2, 3) et seconds moyens (4, 5) disposés centrés le long d'un axe de révolution commun X. Les premiers moyens sont constitués par un miroir central (2) dont la surface réfléchissante (2') est orientée vers l'extérieur et un miroir périphérique (3) dont la surface réfléchissante (3') est orientée vers l'intérieur; ces miroirs sont dits "couple d'entrée" et sont susceptibles d'être déplacés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe de révolution X. Leur écartement (e) est ainsi variable. Les seconds moyens (4, 5) sont constitués par des miroirs coniques périphérique (4) et central (5) identiques aux précédents mais disposés symétriquement aux premiers par rapport à un plan de symétrie "P" perpendiculaire à l'axe de révolution X.Ainsi, le sommet de leur cône est opposé au sommet des premiers et dirigé vers l'extérieur du système; ces miroirs, aux surfaces réf lé- chissantes (4', 5'), sont dits "couple de sortie", et sont également susceptibles d'être déplacés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe de révolution X afin de modifier leur écartement (eut). Dans cet exemple, qui constitue une réalisation préférentielle, l'angle au sommet a des miroirs est de 45 degrés par rapport à l'axe de révolution. La génératrice de chacun des cônes a une longueur "1" égale au rapport du rayon R du cercle inférieur du miroir périphérique par le sinus de l'angle a. Le diamètre de la base du cône central est égal au diamètre de l'entrée du système. Bien entendu, le système peut fonctionner avec un angle de valeur différente mais commun à tous les cônes: des résultats semblables peuvent être obtenus mais en introduisant un décalage de position relative entre les miroirs de chaque moyen. Dans le cas le plus défavorable où les miroirs n'ont pas nécessairement le même angle, il serait nécessaire que les angles des différents cônes soient tels que la dernière réflexion du faisceau réfléchi soit parallèle à l'axe de révolution X. Sur la figure 3, on voit un exemple de réalisation dans lequel les surfaces réfléchissantes coniques centrales sont fixées sur l'axe X par l'intermédiaire de moyens de positionnement transparents (9). La base (6, 7) des cônes centraux (2, 4) est fixée par l'intermédiaire d'un axe central (8) à une lame transparente (9) circulaire de diamètre supérieur au moins au diamètre de la base des surfaces réfléchissantes tronconiques (3', 4') et disposée perpendiculairement à l'axe de révolution X. La lame est montée fixe sur un socle (10) et chaque cône périphérique est monté sur une platine (11, 12) pouvant se translater sur le socle parallèlement à l'axe de révolution.Le déplacement des platines peut être couplé à des moteurs éventuellement asservis par un ordinateur (non représentés) programmé selon les paramètres géométriques du faisceau à obtenir (diamètres interne et externe) ainsi que leur variation. La valeur des paramètres est directement liée à la position respective des miroirs par rapport à une position dite neutre (décrite ci-après dans le fonctionnement du système) ou simplement en fonction de l'écartement (e, e') des miroirs des couples d'entrée et de sortie. Le fonctionnement du dispositif tel qu'illustré aux figures 2a à 2j est exposé ci-après. Les différentes configurations du dispositif sont analysées en considérant que les miroirs centraux sont fixes et que les miroirs périphériques sont susceptibles de se déplacer. Le sens positif des déplacements coïncide avec le sens de propagation de la lumière sur l'axe X. On détermine l'origine des positions x et x des miroirs périphériques de chacun des couples d'entrée et de sortie lorsque le plan de la plus petite section du miroir périphérique coïncide avec le sommet du miroir interne correspondant; cette position dite neutre correspond à une configuration du système dans laquelle le faisceau de sortie conserve sa géométrie incidente. Le mouvement relatif du couple d'entrée est d'abord pris en considération. Disposé sur la trajectoire d'un faisceau de lumière de diamètre au moins égal au diamètre inférieur du cône périphérique, le couple d'entrée transforme le faisceau circulaire incident en faisceau intermédiaire annulaire parallèle à l'axe de révolution. La portion prélevée dépend de la position relative des cônes: - à la figure 2a, lorsque x est compris entre - R et 0, c'est-à-dire lorsque l'écart entre les cônes augmente, on prélève la partie centrale du faisceau incident sur un rayon r continûment réglable de O à R. - à la figure 2b, lorsque x est compris entre 0 et R, c'est-à-dire lorsque l'écart entre les cônes diminue, on prélève une partie annulaire du faisceau incident de rayon extérieur R et de rayon intérieur r' continûment réglable de O à R. L'incidence du mouvement relatif du couple de sortie sur la géométrie de la portion du faisceau transmis est ensuite décrite. Si le couple d'entrée se situe en position 0 dite "neutre", le faisceau incident de diamètre R est intégralement transformé en faisceau annulaire. On remarquera que cette configuration figée du couple d'entrée pourrait être obtenue par d'autres moyens connus, par exemple, une lame obstruée au centre par un disque opaque. - à la figure 2c, lorsque x' est compris entre - R et 0, le faisceau de sortie est de section annulaire, avec un rayon externe R et un rayon interne continûment réglable de R à 0. - à la figure 2d, lorsque x' est compris entre R et 0, le faisceau de sortie est de section circulaire, avec un rayon continûment réglable de O à R. Si le couple d'entrée se situe en position négative, - à la figure 2e, lorsque x' est compris entre - r et 0, le faisceau de sortie présente une structure annulaire de rayon externe R et de rayon interne continûment réglable de R à (R - r). - à la figure 2f, lorsque x' prend une valeur comprise entre 0 et (R - r), le faisceau de sortie présente encore une structure annulaire dont la différence des rayons externe et interne est égale à r et dont le rayon interne est continûment réglable de (R - r) à 0. - à la figure 2g, lorsque x' est compris entre (R - r) et R, le faisceau de sortie est circulaire, le rayon variant continûment de r à 0. Si le couple d'entrée se situe en position positive, - à la figure 2h, lorsque x' est compris entre - R et (R - r'), le faisceau de sortie présente une structure annulaire de rayon externe R et de rayon interne continûment réglable de R à (R - r'). - à la figure 2i, lorsque x' est compris entre - (R - r') et 0, le faisceau de sortie présente toujours une structure annulaire dont la différence des rayons externe et interne est égale à r' et dont le rayon interne est continûment réglable de (R - r') à 0. - à la figure 2j, lorsque x' prend une valeur comprise entre 0 et (R - r'), le faisceau de sortie est circulaire, le rayon variant continûment de r' à 0. Selon une configuration remarquable du système, celui-ci fonctionne en tant que diaphragme circulaire ou annulaire. A cet effet, le dispositif comprend en outre des moyens aptes à assurer un déplacement relatif des surfaces réfléchissantes de chaque moyen tel que l'écartement (e) des surfaces des premiers moyens demeure identique à celui (e') des surfaces des seconds moyens. A la figure 4, on voit un exemple de réalisation dans lequel le déplacement des miroirs périphériques par rapport aux miroirs centraux est couplé mécaniquement. Il comprend une pièce centrale (13) mobile en rotation autour de l'axe X et deux pièces d'extrémité (14, 15) mobiles en translation suivant l'axe X. La pièce centrale comprend deux cônes centraux (2, 5) opposés l'un à l'autre et réunis par un axe (8) reliant leur base, un disque transparent (9) situé entre les cônes perpendiculairement à l'axe de révolution et introduit à l'intérieur d'une bague (16) comportant deux filetages externes (17, 18) opposés, délimités à mi-longueur de la bague. Chaque pièce d'extrémité comprend une paroi circulaire perpendiculaire à l'axe de révolution dans laquelle est ménagé un trou conique doté d'une surface réfléchissante (14', 15') et une portion annulaire dotée d'un filetage interne (19, 20) en prise avec le filetage externe de ladite bague.Chaque pièce d'extrémité est liée en translation sur un support (10) parallèlement à l'axe de révolution. La rotation de la bague, par exemple, à l'aide d'une tige d'actionnement (21) entraîne le déplacement simultané de chaque miroir de manière symétrique par rapport au plan de symétrie P du système. Ainsi, lorsque les cônes se rapprochent partant de la position neutre, le dispositif fonctionne comme un diaphragme annulaire transmettant un faisceau annulaire dont le diamètre extérieur est R et dont le diamètre intérieur peut varier continûment de O à R. Par contre, lorsque les cônes s'éloignent, partant de la position neutre, le dispositif fonctionne comme un diaphragme circulaire transmettant un faisceau circulaire de diamètre pouvant varier continûment de O à R. La répartition de l'énergie lumineuse en sortie du système est décrite ci-après. Dans le cas d'un déplacement dissymétrique des couples d'entrée et de sortie par rapport au plan P, les portions prélevées et transmises sont différentes et le rapport des densités d'énergie est égal au rapport des portions prélevées et transmises, à l'efficacité des miroirs près. Dans le cas d'un déplacement symétrique des couples d'entrée et de sortie (fonctionnement en tant que diaphragme), les parties prélevées et transmises sont égales et par conséquent la densité d'énergie du faisceau de sortie est maintenue égale à celle du faisceau d'entrée, à l'efficacité des miroirs près. On remarquera que dans tous les cas de figures, la différence des rayons interne et externe du faisceau de sortie est identique à la différence des rayons du faisceau d'entrée effectivement prélevé par le système. A la figure 5, on voit une application du système optique conforme à l'invention, à un appareil optique pour l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière de révolution, à des fins notamment d'usinage ou de traitement de sur face. Dans le cas général, l'appareil permet le contrôle en continu de la densité d'énergie transmise sur une cible par le biais d'un faisceau lumineux de révolution. L'appareil comprend successivement dans le sens de propagation du faisceau: - une source de lumière "L" émettant un faisceau de lumière collimaté (22) de densité d'énergie adaptée en fonction de la matière de la cible "C" à explorer ou du résultat recherché (usinage, traitement de surface...), et de diamètre au moins égal au diamètre de l'entrée circulaire de rayon R du système optique (1), - ledit système optique (1) conforme à l'invention dont l'axe de révolution X est placé sur la trajectoire du faisceau, - des moyens de contrôle en continu (23) de la portion annulaire ou circulaire prélevée et de la portion annulaire ou circulaire transmise du faisceau par ledit système optique r agissant sur l'écartement (e, e') des surfaces réfléchissantes des premiers et seconds moyens. - des moyens optiques (24) permettant de faire l'image sur la cible de la face de sortie desdits seconds moyens (4,5). Dans l'appareil de la figure 5, chaque cône central du système optique est fixé à un disque transparent; ainsi le couple de sortie est indépendant du couple d'entrée. Chacun des quatre miroirs peut être déplacé de manière indépendante sur un banc (27). Les moyens de contrôle peuvent comprendre des moyens de commande constitués par des moteurs M agissant sur le déplacement relatif des miroirs de chaque couple, pilotés par des moyens programmables (23) en fonction d'un mode exploration de la cible C, prédéterminé à l'avance, et des moyens de mesure de type connu (25, 26) de l'écartement (e, e') de chaque couple de miroirs. Ces moyens de mesure peuvent également être remplacés par des moyens de repérage des positions des miroirs de chaque couple sur un axe parallèle à l'axe de révolution du système. Un programme est prévu pour effectuer la corrélation des positions des surfaces coniques de chaque couple sur l'axe avec les paramètres géométriques (rayons extérieur, intérieur) et la densité d'énergie du faisceau de sortie. Ainsi, il est possible de projeter un faisceau de lumière annulaire dont on peut contrôler individuellement la variation des rayons externe et interne. Toute surface de révolution peut être traitée ou usinée à l'aide d'un appareil de ce type utilisant l'invention. En particulier, cet appareil est utile pour l'usinage de pièces crantées annulaires telles des lentilles de Fresnel pour lesquelles le diamètre interne du faisceau d'exploration doit être maintenu fixe à chaque cran tandis que le rayon externe varie. REVENDICATIONS 1. Système optique du type transformant un faisceau collimaté en un autre faisceau collimaté à symétrie de révolution caractérisé en ce qu'il comporte sur un axe commun de révolution, des premiers moyens (2, 3) transformant au moins une portion dudit faisceau de lumière circulaire en un faisceau annulaire et des seconds moyens (4, 5) transformant au moins une portion dudit faisceau annulaire en un autre faisceau circulaire ou annulaire selon une répartition continûment réglable. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (2, 3) comprennent une surface réfléchissante conique centrale ((2') orientée vers l'extérieur dudit système optique et une surface réfléchissante tronconique périphérique (3') orientée vers l'intérieur dudit système optique, lesdites surfaces étant concentriques et déplaçables l'une par rapport à l'autre le long de l'axe de révolution X. 3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens (4, 5) comprennent une surface réfléchissante conique centrale (4') orientée vers l'extérieur dudit système optique et une surface réfléchissante tronconique périphérique (5') orientée vers l'intérieur dudit système optique, lesdites surfaces étant concentriques et déplaçables l'une par rapport à l'autre le long de l'axe de révolution X. 4. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les premiers (2, 3) et seconds moyens (4, 5) constitués respectivement selon les revendications 2 et 3. 5. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites surfaces réfléchissantes conique et tronconique ont un angle au sommet a identique. 6. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle au sommet a desdites surfaces réfléchissantes conique et tronconique est de 45 degrés par rapport à l'axe de révolution du système optique. 7. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes conique et tronconique ont une génératrice de longueur égale au rapport du rayon R du cercle inférieur de la surface réfléchissante tronconique périphérique du premier moyen par le sinus de l'angle au sommet a. 8. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de positionnement transparents (9) des surfaces réfléchissantes coniques centrales sur l'axe de révolution commun. 9. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement comprennent au moins une lame transparente (9) disposée perpendiculairement à l'axe de révolution commun et à laquelle est fixée la base (6,7) des surfaces réfléchissantes coniques centrales. 10. Système optique selon la revendication 4, destiné à être utilisée en tant que diaphragme circulaire ou annulaire, caractérisé en ce que le déplacement relatif des surfaces réfléchissantes de chaque moyen est tel que l'écartement (e) des surfaces des premiers moyens demeure identique à celui (e') des surfaces des seconds moyens. 11. Appareil optique pour l'exploration d'une cible par un faisceau de lumière de révolution, à des fins notamment d'usinage, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source de lumière L émettant un faisceau de lumière collimaté (22), - ledit système optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dont l'axe de révolution X est placé sur la trajectoire du faisceau, en amont de la cible C destinée à être exposée, ledit faisceau ayant un diamètre au moins égal au diamètre de l'entrée circulaire de rayon R du système optique, - des moyens de contrôle en continu (23) de la portion annulaire ou circulaire prélevée et de la portion annulaire ou circulaire transmise du faisceau par ledit système optique, agissant sur l'écartement des surfaces réfléchissantes des premiers et/ou seconds moyens. - des moyens optiques (24) permettant de faire l'image sur la cible de la face de sortie desdits seconds moyens.