Brevet FR2908190A1 — publié le 20080509

DISPOSITIF DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER L'invention se rapporte à un dispositif de focalisation d'un faisceau laser notamment utilisé pour fixer par soudure des composants électroniques sur un circuit imprimé. Si la soudure par vague est largement usitée pour la fixation des composants sur des cartes électroniques planes, il existe des pièces de formes complexes équipées de circuits électroniques qu'il n'est pas possible de passer dans les systèmes à vagues. Le soudage peut se faire à la main mais plus souvent, il se fait à l'aide de robot de soudage pouvant utilisé un faisceau laser. Un tel robot de soudage comprend une source laser et un dispositif de focalisation du faisceau définissant un plan focal image à distance fixe par rapport à la source. Latéralement à cet ensemble laser et dispositif de focalisation, une buse de guidage, d'un fil d'apport d'un matériau de soudure, positionnée de sorte que l'extrémité du fil aboutisse à proximité du point de focalisation de la source laser, qui est à distance fixe par rapport au circuit imprimé. La buse de guidage est solidaire du déplacernent du laser. Ainsi pour souder, on positionne généralement le robot de soudage de manière à ce que le point de focalisation soit sensiblernent confondu avec la pastille du circuit imprimé sur lequel est monté le composant à souder et on déclenche le faisceau laser. Celui ci va chauffer la pastille et la patte du composant et dès lors en avançant légèrement le fil d'apport de soudure, on va le faire fondre et le déposer sur la pastille de sorte à obtenir la soudure. La quantité d'énergie est définie par le temps de fonctionnement du laser. Selon les composants utilisés, la taille de la soudure peut être différente notamment plus grande et de ce fait la dimension du faisceau n'est plus adaptée. En effet, la dimension au point de focalisation est déterminée par la dimension de la source et des optiques. La solution retenue est de chauffer plus longtemps la pastille mais cela peut nuire au composant. Sur les système connus, pour changer la taille de la section du faisceau laser au point focal image, on procède à un échange manuel de l'optique, cela n'est cependant pas possible sur un procédé automatique pour souder des composants sur une carte présentant des pastilles de dimensions variables ou alors, il faut souder une partie du 2908190 circuit avec un robot de soudage et une autre partie avec un autre robot ce qui accroît l'investissement. On connaît un dispositif US 5 998 758 où le système composé du laser et du dispositif de focalisation est mobile par rapport à la buse de guidage du fil d'apport qui doit 5 toujours positionner l'extrémité dudit fil d'apport à distance constante de la pastille du circuit imprimé. Pour agrandir la taille du faisceau, on déplace le système par rapport à la buse de guidage donc le point d'impact du faisceau laser n'est plus le point de focalisation et la dimension du faisceau est variable du fait qu'il est divergent. Il faut donc adapter la puissance du laser. Le déplacement de cet ensemble est pénalisant en 10 terme de temps et de motorisation. De plus, cela est pénalisant pour le système de vision par caméra car celle-ci est placée pour regarder le point de focalisation se trouvant sur le plan de travail donc en variant la hauteur z de la tête de brasage, nous déréglons la vision de la caméra obligeant ainsi à changer sa position afin d'avoir la netteté souhaitée sur le plan de travail. 15 Un des résultats que vise l'invention est une tête de focalisation pour faisceau laser travaillant à distance fixe d'une cible et à taille de spot variable avec une facilité de réglage permettant la visualisation du spot par une caméra de préférence sans réglage de celle ci. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de focalisation d'une source laser la 20 dite source étant à distance constante du plan de travail, ce dispositif de focalisation étant caractérisé en ce que le dispositif de focalisation, comprend un arrangement d'au moins deux lentilles dont au moins une est mobile pour modifier le grandissement de l'image sans changer la distance entre la source et la position du point de focalisation. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci après faite à titre 25 d'exemple non limitatif en regard du dessin qui représente FIG 1 : un dispositif de focalisation monté sur une tête de brasage FIG 2 : une première solution d'un dispositif de focalisation FIG 3 : Une deuxième solution d'un dispositif de focalisation FIG 4 : représentation graphique pour le calcul de la solution selon la figure 3. 2908190 3 En se reportant au dessin, on voit un dispositif 1 de focalisation d'une source laser S montée sur une tête de brasage. La tête de brasage comprend une source laser S positionnée au foyer source. Le dispositif de focalisation est défini pour que le plan P de travail du faisceau soit 5 distant de la source d'une valeur constante. A proximité du foyer image est positionnée l'extrémité d'un fil 2 d'apport d'un matériau de soudure. Selon l'invention, le dispositif de focalisation comprend un arrangement d'au moins deux lentilles (L1, L2, L3) dont au moins une (LI, L2, L3) est mobile pour modifier 10 le grandissement G de l'image dans le plan de travail sans changer la distance entre la source et la position dudit plan de travail. Ainsi comme les plans sont fixes alors la caméra visualisera toujours le point de focalisation quelque soit le grandissement. Par lentille on comprendra également un doublet ou un groupe lentilles dont la fonction est celle d'une lentille mince. 15 Une première solution consiste en un arrangement comprenant deux lentilles L1, L3 convergentes fixes, respectivement de focale fl et f3, constituant un montage afocal et une lentille divergente L2 mobile placée entre les deux lentilles, les focales desdites lentilles étant choisies pour que la plage désirée de grandissement de l'image soit couverte lorsque la lentille L2 se déplace entre les lentilles LI et L3. 20 Le montage afocal ayant l'avantage d'un grandissement fixe (fixé par le rapport des focales des deux lentilles convergentes : f3/fl avec L1 placé devant L3), ainsi qu'une stabilité par rapport aux petites variations de distance pouvant se produire. Selon cette solution ( figure 2), la source S est placée au foyer source et le plan de travail au foyer image. 25 Les lentilles Ll et L3 sont, de préférence, de même focale, par exemple, de 50 millimètres et la focale de L2 de 100 millimètres. La plage de grandissement théorique étant de 0,5 à 2, il est possible de n'utiliser qu'un grandissement de 1 à 2 en limitant le déplacement de la lentille divergente L2.Le calcul de la plage de grandissement théorique sera expliqué plus loin. 30 On utilise la formule de Gullstrand pour l'association de lentilles La et Lb : 1/": 1/fa + 1/fb - e/(n *fa /b) avec: 2908190 e : espacement entre les lentilles La et Lb n : indice du milieu si différent de l'air f : focale de la lentille résultante fit et fb : focale respectivement de La et Lb. 5 Le tableau ci annexé représente le grandissement théorique et la taille réelle du spot en fonction du déplacement de L2 obtenu par simulation : rayon au point de grandissement Distance L1 ù L2 Distance L2 ù L3 focalisation 1 127,351 92,378 0,299 1,1 137,52 82,209 0,33 1,2 146,727 73 0,361 1,3 155,08 64, 647 0,391 1,4 162,71 57,01 0,422 1,5 169,726 50 0,452 1,6 176,226 43,503 0, 483 1,7 182,292 37,437 0,513 1,8 187,992 31,737 0,544 1,9 193,381 26,348 0, 574 2 198,51 21,219 0,604 Une deuxième solution consiste en un montage afocal déséquilibré à lentille 10 divergente L2 (focale f2 ) mobile entre les deux lentilles convergentes L1 (focale f1), L3 (focale f3). La focale de la lentille L1 est différente de la focale de la lentille L3. La lentille L I est placée devant la lentille L3. On présente ci-dessous le calcul théorique permettant de choisir les optiques appropriées, pour une plage de grandissement de 1 à 3. 15 Soit un grandissement de 1 : 1/fl + 1/f3 =1/f2 (1) et soit un grandissement de 3 : 1/12 + 1/f3 =1/ (3*fl) (2) 2908190 5 Dans l'équation (2), on isole 1/f3 par : 1 /f3 = 1 /(3 * f 1) ù 1/0 et on l'insère dans l'équation (1) 14'1 +1/(3*f1) -1/f2 = 1/f2 d'où 4/(3*fl) ==2/f2 donc 2/(3*fl) = 1/f2 donc f2=3*fl/2. 5 On peut donc trouver f3 à l'aide de l'équation (2) 2/(3*fl) + 1/f3 = (3*fl) _> 1/(3*fl) = -1/f3 On a donc f3 = -3 * f l Les focales f2 et f3 peuvent donc être calculées en fonction de fl par : F3=-3*fl etf2=3*fl /2. 10 Par exemple si f1 = 50mm de focale alors cela donne f2 = 75mm et f3 = -150mm Le tableau ci après montre les résultats par simulation pour des lentilles convergentes L1 de 50 mm et L3 de 75mm et une lentille divergente L2 de 150 mm . La lentille de 50mm de focale étant placer devant la lentille de 75mm de focale afin d'avoir le grandissement de 1.5 dés le début et permettant d'avoir une plage de 15 grandissement de 1 à 3. On soulignera le fait que les résultats théoriques ne prennent en aucun cas compte les épaisseurs des lentilles qui elles sont prisent lors du calcul de simulation provoquant ainsi des différences entre théorie et pratique. grandissement Distance L1-L2 Distance L2-L3 rayon à la focalisation 1 13,214 164,28 0,303 1,1 28,243 149,275 0,33 1,2 41,757 135,472 0,361 1,3 53,99 123,5 0,391 1,4 65,176 112,323 0,421 1,5 75,486 102,013 0,452 1,6 85,677 92,422 0,482 1,7 94,073 83,426 0,512 1,8 102,577 74,922 0,542 1,9 110,674 66,825 0,572 2 118,439 59,06 0,602 2908190 6 Une troisième solution (figure 3) consiste à utiliser un montage à double lentilles L1, L2 convergentes les dites lentilles étant mobiles l'une par rapport à l'autre et suivant l'axe source image. Pour le déplacement on tiendra compte de la formule de Gullstrand précitée et de la 5 formule de Newton : FA x: F' A' = f x f" AA' = distance entre la source et le plan de travail = une valeur fixe f et f' les focales respectives des lentilles (FIG 4), F71 = distance source- point focal source F' A' =distance point focal image-plan de travail (point de focalisation) 10 De ces différentes équations, on peut en déduire pour un montage simple lentille (voir figure 4): Pour un grandissement G = 2, il faut que F'A' /f = 2 donc F' A' = 2*f ,on obtient une équation AA'=4,5 * f(AA' =f+f+2*f+ fz/2*f) D'où pour une distance AA' de 135mm ,on obtient une focale f de 30 mm. Si on 15 considère que cette focale de 30 mm est la résultante de deux lentilles accolées selon la formule de Gullstrand, chaque lentille aura clone une focale de 60mm. A partir de cette formule en ayant toujours AA' constant à 135 mm, on peut déterminer la focale de la lentille pour un grandissement de 1,5 qui est alors de 32.4 mm. Cette valeur étant due à : F'A'= 1,5 f donc FA = f~ / 1.5f = 0.666 f. 20 On a donc AA' = 0.666f +f +f -F 1.5f = 4.16 f . On divise alors la valeur de AA' soit 135mm par 4.16f pour avoir la valeur de la focale spécifique à ce grandissement. Pour un grandissement de 1, la focale calculée suivant l'équation est de 33.75mm car F' A' = f d'où FA =F'A' _= f. Ainsi, nous obtenons AA' = 4*f=135mm 25 On va donc utiliser l'équation de Gullstrand. Ainsi pour un grandissement de 1.5 on obtient l'équation suivante : 1/32,4= 1/60 + 1/60 ù e/(60 . 60) et e = -(1/32,4 - 1/60 - 1/60)*(60*60) Pour chaque grandissement, on a donc la position de la lentille résultante qui est de : F-4 + f. Ensuite, on calcule pour chaque grandissement, avec les deux lentilles de 2908190 7 focale 60mm, l'écart e entre ces deux lentilles. Car en effet, plus l'écart entre les lentilles est important et plus la focale de la lentille résultante est grande. Enfin, la position des deux lentilles de focale 60 mm est donc : FA + f - e/2 pour la première et FA + f + e/2 pour la deuxième. Cela en considérant que la lentille 5 résultante ce trouve à égale distance des deux lentilles. grandissement f FA AO e AO1 A02 1 33, 75 33,75 67,5 13,33 60 75 1,1 33,66 30,63 64,29 13,06 57,77 70,83 1,2 33,49 27,79 61,28 12,53 55,036 67,56 1,3 33,17 25,5 58,67 11,487 52,94 64,43 1, 4 32,81 23,42 56,23 10,285 51,1 61,39 1,5 32,4 21,57 53,97 8,888 49,54 58, 43 1,6 31,95 19,96 51,91 7,33 48,256 55,589 1,7 31,48 18,51 49,99 5,647 47, 17 52,82 1,8 30,99 17,19 48,18 3,85 46,27 50,12 1,9 30,49 16,03 46,52 1,96 45,56 47,53 2 30 15 45 0 45 45 Avec f : focale de la lentille résultante, FA : position de la source par rapport au point focal résultant, 10 AO : position de la lentille résultante, e: écart entre L1 et L2, AO1 : position de la lentille L I A02 : position de la lentille L2. Soit ci-dessous le tableau de valeur après simulation. 15 5 2908190 8 grandissement Distance sourceL 1 Distance L 1 - L2 rayon 1,01 33,139 62,562 0,302 1,1 27,809 61,985 0,329 1,2 23,11 60,476 0,358 1,3 19,531 58,369 0,388 1,4 16,846 55,905 0,418 1,5 14,845 53,246 0,448 1,6 13,359 50,492 0,477 1,7 12,257 47,707 0,507 1,8 11,443 44,93 0,537 1,9 10,846 42,184 0,566 2 10,416 39,481 0,597 Cette solution étant réalisée avec des lentilles de 60mm de focal comme présentées ci dessus mais aussi avec des lentilles de 80mm de focal suivant le même principe. La valeur de AA' changeant ce qui permet de réaliser de nouveaux calculs par simulation. grandissement Distance source- L 1 Distance L 1 - L2 rayon 1 44,32 29,165 0,299 1,1 39,788 28,698 0,328 1,2 37,729 27,464 0,358 1,3 32,592 25,678 0,388 1,4 30,045 23,503 0,418 1,5 27,975 21,059 0,448 1,6 26,292 18,433 0,478 1,7 24,92 15,69 0,508 1,8 23,8 12,876 0,537 1,9 22,89 10,02 0,567 2 22,147 7,157 0,597 2908190 9 La première et la deuxième solution sont plus intéressantes car une seule lentille est mobile ce qui réduit les moyens mis en oeuvre pour la déplacer. La mécanique envisagée utilise la possibilité pour le bras du robot de se déplacer en hauteur (axe z) afin de translater la lentille divergente. En effet on dispose sur le robot 5 d'un déplacement sur trois axes. Les axes x et y sont utilisés pour déplacer le faisceau dans le plan de travail. L'axe z n'est pas utilisé car, on a décider de travailler à distance constante du plan de travail, cet axe z du robot peut alors être pour déplacer la lentille mobile L3, par exemple, via une pièce métallique le reliant à la monture de la dite lentille divergente L3 afin que celle-ci bouge en suivant le mouvement de l'axe z 10 du robot. Afin de garantir le guidage de la monture de L3, il est utilisé un cylindre dans lequel la monture vient glisser, ce dernier assurant le guidage. REVENDICATIONS 1.Dispositif de focalisation d'une source laser la dite source étant à distance constante du plan de travail, ce dispositif de focalisation étant caractérisé en ce que le dispositif de focalisation, comprend un arrangement d'au moins deux lentilles dont au moins une est mobile pour modifier le grandissement G de l'image dans le plan de travail sans changer la distance entre la source et la position dudit plan de travail. 2. Dispositif de focalisation selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un arrangement de lentilles comprenant deux lentilles L1, L3 convergentes fixes de focale identique constituant un montage afocal et une lentille divergente L2 mobile placées entre les deux lentilles, les focales desdites lentilles étant choisies pour que la plage désirée de grandissement de l'image soit couverte lorsque la lentille L2 se déplace entre la lentille L 1 et L3. 3. Dispositif de focalisation selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un arrangement de lentilles consistant en un montage afocal déséquilibré à lentille divergente L2 mobile entre les deux lentilles convergentes L 1 ,L3 de focal différentes. 4. Dispositif de focalisation selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le plan de travail est au foyer image. 5. Dispositif de focalisation selon la revendication 1 caractérise en ce qu'il comprend un arrangement deux lentilles L1, L2 convergentes les dites lentilles étant mobiles l'une par rapport à l'autre et suivant l'axe source image dont les focales et positions sont déterminés à l'aide des équations suivantes : FA x F' A' = f x f' avec AA' = distance entre la source et le plan de travail = une valeur fixe f et f' les focales avant et arrière de la lentille résultante, FA = distance source- point focal source F' A' = distance point focal image-plan de travail (point de focalisation) et 1/1' : 1/fl + 1/f2- e/(n*fl*f2) avec : e : espacement entre les lentilles L1 et L2 n : indice du milieu si différent de l'air 2908190 11 f' : focale de la lentille résultante f l et f2 : focale respectivement de L1 et L2. 6 .Dispositif de soudage à faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de focalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5