BE1023362B1

BE1023362B1 - Système optique

Info

Publication number: BE1023362B1
Application number: BE2015/5510A
Authority: BE
Inventors: Sébastien Estival; Paul-Etienne Martin; Axel Kupisiewicz
Original assignee: LASER ENGINEERING APPLICATIONS S.A. en abrégé LASEA S.A.
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-20
Also published as: BE1023362A1

Abstract

Système optique (2) comprenant les éléments suivants le long d'un trajet optique: un premier système d'orientation de faisceau (20) permettant d'avoir un premier faisceau lumineux incident (4); un miroir (19) mobile apte à recevoir ledit premier faisceau lumineux incident (4) et à être déplacé par des moyens d'entraînement (6); des moyens de redirection (21) pour rediriger un premier faisceau lumineux réfléchi (23) par ledit miroir (19) et pour obtenir un deuxième faisceau lumineux incident (8) audit miroir (19); un deuxième système d'orientation de faisceau (22) pour dévier un faisceau lumineux réfléchi sur ledit miroir (19) et obtenu à partir dudit deuxième faisceau lumineux incident (8). Ce système optique (2) de décalage de faisceau, associé à une optique de focalisation (9), permet lors d'un procédé d'usinage laser, d'obtenir des découpes ou perçages à conicités positives, nulles, ou négatives.

Description

Système optique

Domaine technique [0001] Selon un premier aspect, l’invention se rapporte à un système (ou dispositif) optique pour décaler spatialement un faisceau lumineux. Selon un deuxième aspect, l’invention se rapporte à une méthode pour obtenir, à partir d’un faisceau lumineux entrant, un faisceau lumineux émergeant décalé.

Etat de la technique [0002] De nos jours, des faisceaux lumineux tels des faisceaux lasers sont utilisés pour l’usinage de pièces. Il est en effet possible de fondre ou de vaporiser un matériau d’une cible avec un faisceau laser pour produire un trou ou une gravure par exemple, ou pour découper un matériau. Si le faisceau laser attaque la cible perpendiculairement à sa surface, les côtés latéraux du trou ou de la découpe ne sont pas tout à fait perpendiculaires à cette surface mais sont généralement décalés d’un angle d’environ 4° par rapport à la normale à la surface attaquée. Pour certaines applications, un tel écartement des côtés latéraux par rapport à la normale à la surface attaquée n’est pas admissible, par exemple pour certaines pièces de précision en fine mécanique telle l’horlogerie. Une solution consiste à attaquer la surface cible avec un faisceau laser légèrement incliné par rapport à la normale de la surface cible, généralement d’un angle supérieur à 4°.

[0003] US7,842,901B2 décrit un dispositif pour creuser ou enlever de la matière à l’aide d’un faisceau laser. Comme on peut le voir à la figure 1 de ce document par exemple, il est possible d’avoir un angle d’attaque du faisceau lumineux qui n’est pas perpendiculaire à la cible. Le système d’excentration permettant, avant focalisation, de décaler latéralement le faisceau lumineux émergeant par rapport au faisceau lumineux entrant peut comprendre un prisme de Dove, un prisme d’Abbe-Koenig ou un système comprenant trois miroirs. Le système optique de US7,842,901B2 est relativement complexe. En particulier, il faut prévoir des moyens d’entrainement assez complexes car ce système est traversant : les moyens d’entrainement doivent être choisis pour ne pas gêner le passage du faisceau lumineux. De plus, il nécessite un système optique correcteur pour compenser les défauts géométriques du système d’excentration. Ce système optique correcteur augmente l’encombrement et le poids. De plus, ce système correcteur introduit lui aussi de la complexité. Finalement, le contrôle du décalage latéral entre faisceaux lumineux entrant et émergeant est délicat.

[0004] US4,822,974 propose un système optique qui permet d’attaquer une cible selon un trajet optique non perpendiculaire à la surface d’attaque d’un échantillon ou d’une cible, voir par exemple le faisceau 115 de la figure 1 et le faisceau 115 de la figure 2 de ce document. Ce système comprend une première partie qui permet d’obtenir un faisceau lumineux émergeant 114 décalé par rapport à un faisceau lumineux entrant 112. Une optique de focalisation permet par après de focaliser le faisceau lumineux sortant 114 sur une cible. Ce système optique est également relativement complexe. Comme pour le document US7,842,901B2, il faut prévoir des moyens d’entrainement spécifiques et assez complexes car ce système est traversant : les moyens d’entrainement doivent être choisis pour ne pas gêner le passage du faisceau lumineux. Résumé de l’invention [0005] Selon un premier aspect, un des buts de la présente invention est de fournir un système optique pour obtenir un faisceau lumineux émergeant décalé par rapport à un faisceau lumineux entrant, le décalage pouvant être modifié, qui est plus simple que les systèmes optiques connus. A cette fin, les inventeurs proposent un système optique comprenant : - un premier système d’orientation de faisceau pour obtenir, par déviation du faisceau lumineux entrant, un premier faisceau lumineux incident; - un miroir mobile pour obtenir, à partir dudit premier faisceau lumineux incident, un premier faisceau lumineux réfléchi; - des moyens d’entraînement pour déplacer ledit miroir mobile ; - des moyens de redirection pour obtenir, à partir dudit premier faisceau lumineux réfléchi, un deuxième faisceau lumineux incident audit miroir; - un deuxième système d’orientation de faisceau pour obtenir un faisceau lumineux émergeant, par déviation d’une réflexion sur ledit miroir dudit deuxième faisceau lumineux incident ; ledit système optique selon l’invention étant configuré de sorte qu’une variation de position du miroir mobile est apte à induire une variation d’un décalage spatial entre ledit faisceau lumineux entrant et ledit faisceau lumineux émergeant.

Le faisceau lumineux émergeant décalé peut ensuite attaquer une pièce à usiner avec un angle non nul par rapport à la normale de ladite pièce, en traversant une optique de focalisation par exemple. La résultante est donc une compensation de la conicité naturelle induite lors d’un procédé de découpe gravure, ou perçage, ou la possibilité d’obtenir des découpes, gravures, ou perçages à conicités positives, nulles, ou négatives en modifiant le décalage du faisceau lumineux.

[0006] Le miroir du système optique de l’invention est mobile par rapport à au moins un des éléments suivants : le premier système d’orientation de faisceau, les moyens de redirection et le deuxième système d’orientation de faisceau. Selon une variante préférée, le miroir est mobile par rapport à ces trois éléments. Le décalage spatial entre faisceaux lumineux entrant et émergeant dépend de la position du miroir mobile par rapport à au moins un autre élément du système optique de l’invention. Les moyens d’entraînement permettent de modifier la configuration géométrique du miroir mobile.

[0007] Dans le système optique selon l’invention, les moyens d’entraînement peuvent être placés derrière le miroir. C’est-à-dire d’un côté du miroir qui ne reçoit pas de lumière due au faisceau lumineux entrant. Plutôt que d’être traversant, le système optique selon l’invention peut donc être qualifié de réfléchissant. Cela permet d’utiliser des moyens d’entraînement plus simples (par exemple moteurs de type ‘brushless’ (sans balai), platines linéaire ou platines piézo-électriques). Au final, le système optique de l’invention est également plus simple. Il est plus simple à mettre en œuvre mais aussi plus simple à entretenir. Les pièces d’usure sont en général les pièces mobiles. Or, avec le système optique de l’invention, seul le miroir est mobile en général. Un miroir est peut chère comparé aux pièces mobiles des deux documents américains cités précédemment. En outre, l’alignement des différents éléments est plus simple avec le système optique de l’invention. Cela facilite aussi la maintenance du système optique de l’invention, en particulier, lorsqu’il est nécessaire de changer un élément. Dans les deux documents américains cités précédemment, des optiques parfois complexes tournent à grande vitesse. Dans le système optique de l’invention, seul le miroir, qui est un élément optique simple, est susceptible de bouger généralement. Cela limite les coûts de maintenance. Le système optique de l’invention utilise des éléments optiques simples. Il peut également être peu coûteux et robuste.

[0008] Le système optique de l’invention présente d’autres avantages. Le système optique de l’invention est relativement compact. Grâce aux différents éléments optiques du système de l’invention, il est possible d’utiliser deux dimensions et pas une seule pour induire un décalage entre faisceaux entrant et émergeant. En particulier, il est possible d’induire une déflection d’environ 90° du faisceau lumineux entrant avec le premier système d’orientation de faisceau et une nouvelle déflection d’environ 90° avec le deuxième système d’orientation de faisceau, les moyens de redirection (système de rétro réflexion par exemple) permettant de rediriger le premier faisceau lumineux réfléchi vers le miroir. L’utilisation de deux dimensions pour induire le décalage entre faisceaux lumineux entrant et émergeant permet d’obtenir un système optique relativement compact car l’espace est bien rentabilisé. Le système optique de US4,822,974 est relativement encombrant, en particulier si l’on désire avoir un décalage latéral important entre le faisceau lumineux entrant et le faisceau lumineux sortant. En effet, ce décalage latéral est notamment défini par l’écartement entre les deux prismes. Le système optique de l’invention est également relativement léger. En modifiant la position du miroir mobile, on peut contrôler facilement le décalage entre faisceaux lumineux entrant et émergeant. En particulier, l’élément permettant le décalage latéral se réduit à un simple miroir. Le volume et la masse de ce miroir est réduit par rapport aux ensembles de prismes et/ou de miroirs utilisés dans les systèmes connus. Au final, le système optique de l’invention présente également un volume et une masse réduits pour cette autre raison. Le système optique de l’invention est très peu sensible aux défauts des éléments optiques d’excentration qui permettent d’obtenir le décalage latéral entre faisceaux lumineux entrant et émergeant car le faisceau lumineux se réfléchit deux fois sur le miroir. La double réflexion permet de corriger automatiquement des défauts liés au miroir et à son mouvement. En particulier, il n’y a pas besoin de prévoir un système optique correcteur contrairement au système optique de US7,842,901B2. Le système optique selon l’invention est donc également plus simple grâce à cette autocorrection liée à la double réflexion sur le miroir.

[0009] Le système optique de l’invention peut être utilisé dans de nombreuses applications, notamment pour l’usinage de pièces. En particulier, en l’absence de moyens de focalisation à la sortie, il est possible de balayer une surface cible avec le faisceau lumineux émergeant en ne modifiant que la position du miroir mobile. Cela peut se faire facilement. Il suffit de modifier la position d’un seul élément, le miroir mobile. Il est néanmoins possible d’utiliser le système optique de l’invention avec des moyens de focalisation pour des applications d’usinage. D’autres applications du système optique de l’invention sont (liste non exhaustive) : gravure, texturation d’une surface, impression, perçage de cavités et de trous.

[0010] Pour un grand nombre de positions possibles du miroir, ce dernier est positionné de manière telle par rapport au premier système d’orientation de faisceau que les trajets optiques suivis par le premier faisceau lumineux incident et par le premier faisceau lumineux réfléchi sont différents. Pour un grand nombre de positions possibles du miroir, ce dernier est positionné de manière telle par rapport aux moyens de redirection que les trajets optiques suivis par le deuxième faisceau lumineux incident et par sa réflexion sur ledit miroir sont différents.

[0011] De préférence, le faisceau lumineux est un faisceau laser c’est-à-dire généré par une source laser. Ces termes sont connus d’un homme du . métier. Le laser utilisé peut alors être continu ou pulsé par exemple. De préférence, un tel faisceau laser est un faisceau dont la longueur d’onde est comprise entre 0.2 pm et 2 pm, avec une valeur encore préférée de 1 pm. D’autres types de faisceau laser avec d’autres valeurs de longueur d’onde pourraient néanmoins être utilisés. Ainsi, la longueur d’onde du faisceau lumineux peut par exemple varier de 200 nm à 15 pm.

[0012] Les moyens de redirection comprennent de préférence un système de rétro réflexion.

[0013] Le premier système d’orientation de faisceau permet d’induire une déviation du faisceau lumineux entrant qui est comprise de préférence entre 30° et 150°, de manière plus préférée entre 60° et 120 et égale à 90° selon une variante encore plus préférée. Le deuxième système d'orientation de faisceau permet d’induire une déviation d’un faisceau lumineux qui est comprise de préférence entre 30° et 150°, de manière plus préférée entre 60° et 120 °, et égale à 90° selon une variante encore plus préférée.

[0014] Comme cela ressortira de la description de modes de réalisation détaillés ci-dessous, le miroir mobile est en général incliné de sorte qu’une normale au miroir n’est pas parallèle au premier faisceau lumineux incident. De préférence, l’angle entre ladite normale et ledit premier faisceau lumineux incident est compris entre 0.01° et 5°, de manière plus préférée entre 0.1° et 3° et vaut encore plus préférentiellement 0.5°.

[0015] Le miroir mobile est positionné de manière telle qu’il est apte à: - réfléchir le premier faisceau lumineux incident selon le premier faisceau lumineux réfléchi vers le système de rétro réflexion, et apte à - réfléchir le deuxième faisceau lumineux incident vers le deuxième système d’orientation de faisceau.

[0016] Différents types de moyens d’entraînement connus d’un homme du métier peuvent être utilisés pour déplacer le miroir mobile. Un exemple est un moteur, de préférence un moteur électrique. D’autres exemples pourraient néanmoins être utilisés. Ces moyens d’entraînement peuvent être mécaniquement couplés au miroir mobile quand il est voulu de le déplacer.

[0017] Selon un mode de réalisation possible, ledit miroir est mobile en translation et lesdits moyens d’entraînement sont aptes à imposer un mouvement de translation audit miroir. Dans ce mode de réalisation, les moyens d’entrainement permettre d’imposer au miroir un mouvement de translation selon une ou plusieurs (par exemple deux) directions. Dans ce cas, les moyens d’entrainement comprennent de préférence une platine linéaire. D’autres modèles pourraient néanmoins être utilisés. Ce mode de réalisation préféré permet d’avoir un système optique permettant de décaler très facilement un faisceau lumineux. Le contrôle du décalage est aussi particulièrement simple car fonction de la position du miroir.

[0018] Selon un autre mode de réalisation possible, le miroir est mobile en inclinaison et lesdits moyens d’entraînement sont aptes à imposer un changement d’inclinaison audit miroir. Dans ce cas, les moyens d’entrainement comprennent de préférence une ou plusieurs platines piézo-électriques ou des tripodes. Selon ce mode de réalisation préféré, l’inclinaison du miroir peut être variable selon une ou plusieurs directions. Un mouvement d’inclinaison peut être vu comme un mouvement de rotation autour d’un axe, de préférence compris dans le plan du miroir (dans le cas d’un miroir plan).

[0019] Selon un autre mode de réalisation possible, ledit miroir est mobile en rotation et lesdits moyens d’entraînements sont aptes à imposer un mouvement de rotation audit miroir autour d’un axe de rotation. Dans ce cas, le miroir est de préférence incliné d’un faible angle de sorte qu’une normale au miroir n’est pas parallèle au premier faisceau lumineux incident. De préférence, l’angle entre ladite normale et ledit premier faisceau lumineux incident est compris entre 0.01 ° et 5°, de manière plus préférée entre 0.10 et 3° et vaut encore plus préférentiellement 0.5°. Quand le miroir peut être entraîné en rotation, les moyens d’entrainement comprennent de préférence un moteur électrique de type ‘brushless’. Ce mode de réalisation préféré est particulièrement utile pour l’usinage de cibles à l’aide d’un faisceau lumineux (laser par exemple) qui décrit un mouvement de précession. Un tel mouvement est désiré quand on veut que tous les bords d’usinage soient perpendiculaires à la surface de l’objet à usiner. Comme mentionné dans la discussion de l’art antérieur, si le faisceau laser attaque la cible perpendiculairement à sa surface, les côtés latéraux ne sont pas tout à fait perpendiculaires à cette surface mais sont généralement décalés d’un angle d’environ 4°. Contrairement aux systèmes décrits dans US4,822,974 et US7,842,901B2, l’arbre moteur des moyens d’entrainement du système optique de l’invention ne gène pas le trajet optique suivi par le faisceau lumineux ici; l’arbre moteur peut en effet n’être présent que derrière le miroir incliné mobile avec le système optique de l’invention. En d’autres termes, le miroir incliné apte à tourner présente une partie arrière qui n’est pas traversé par un faisceau lumineux issu du faisceau lumineux entrant. On peut donc y positionner les moyens d’entrainement sans gêner le passage de lumière. Le système optique de l’invention est donc plus simple et moins coûteux. Les systèmes de US4,822,974 et US7,842,901B2 nécessitent un arbre creux pour laisser passer le faisceau lumineux quand on désire induire un mouvement de précession du faisceau lumineux émergeant. D’autre part, l’élément en rotation se réduit au miroir incliné pour le système optique de l’invention. C’est plus simple et plus léger à faire tourner que les prismes de US4,822,974 et US7,842,901B2. Les moyens d’entraînement peuvent donc être également plus petits et moins puissants, réduisant d’autant plus la taille et le poids du système optique dans son ensemble. Les systèmes tournant tels que ceux décrits dans US4,822,974 et US7,842,901B2 doivent en général tourner assez vite, par exemple à 30 000 tours/min. Plus les éléments à entraîner en rotation sont volumineux et lourds, plus cela est difficile à mettre en œuvre. Si les éléments à mettre en rotation sont volumineux et lourds, comme par exemple dans US7,842,901B2, il est nécessaire de prévoir un système de refroidissement, par exemple un refroidissement à l’eau. Pour un mode de réalisation préféré où le miroir du système optique de l’invention est mobile en rotation, il peut par exemple tourner à des vitesses comprises entre 1 000 et 100 000 tours/min.

[0020] De préférence, ledit miroir a une surface de réflexion essentiellement plane définie par une normale.

[0021] De préférence, ledit axe de rotation et la normale au miroir sont non parallèles. De préférence, ledit axe de rotation et ladite normale sont sécants et non confondus. De préférence, l’angle entre l’axe de rotation et la normale est alors compris entre 0.10 et 2°, avec une valeur encore préférée de 0.5°.

[0022] De préférence, le miroir se trouve entre lesdits moyens d’entraînement et ledit premier système d’orientation de faisceau. De préférence, le miroir se trouve entre lesdits moyens d’entraînement et ledit deuxième système d’orientation de faisceau.

Selon ces modes de réalisation préférés, on peut utiliser des moyens d’entraînement particulièrement simples et faciles à coupler avec le miroir mobile.

[0023] De préférence, le système optique de l’invention comprend en outre des moyens de focalisation pour focaliser ledit faisceau lumineux émergeant sur une cible.

Cette variante préférée est particulièrement utile quand on désire usiner une pièce car on peut focaliser le faisceau émergeant sur un point à usiner. Différents moyens de focalisation connus d’un homme du métier peuvent être utilisés. Un exemple est une lentille convergente.

[0024] Les premier et deuxième systèmes d’orientation de faisceau peuvent comprendre différents éléments connus d’un homme du métier. Par exemple, ledit premier (respectivement deuxième) système d’orientation de faisceau peut comprendre un cube séparateur. Ledit premier (respectivement deuxième) système d’orientation de faisceau peut aussi comprendre un premier (respectivement deuxième) cube séparateur polarisant. Quand les premier et deuxième systèmes d’orientation de faisceau comprennent chacun un cube séparateur polarisant, ils ont de préférence des spécifications identiques. Le premier (respectivement deuxième) système d’orientation de faisceau peut aussi comprendre une première (respectivement deuxième) lame à retard quart d’onde. Dans ce cas, les première et deuxième lames à retard quart d’onde ont de préférence des spécifications identiques.

[0025] Le système de rétro réflexion peut comprendre différents éléments. Par exemple, le système de rétro réflexion peut comprendre un coin de cube ou un prisme de Dove et un prisme isocèle à angle droit.

[0026] Les inventeurs proposent également un dispositif, par exemple un dispositif d’usinage ou un dispositif pour graver une cible, comprenant un système optique selon le premier aspect de l’invention. Les avantages mentionnés pour le système optique s’appliquent aussi à ces dispositifs.

[0027] De préférence, le dispositif proposé par les inventeurs comprend en outre une source lumineuse. La source lumineuse peut être par exemple un laser à fibre monomode cw. Selon un autre exemple possible, la source lumineuse est une source laser avec une durée d’impulsion inférieure à 10 ps. De préférence, le dispositif proposé par les inventeurs comprend un système optique primaire pour modifier la collimation du faisceau lumineux entrant. Grâce à cette variante préférée, il est possible d’utiliser la divergence du faisceau lumineux pour créer une zone attaquée en forme d’anneau (ou donnut) autour du point de focalisation naturel afin de réaliser des perçages avec un diamètre contrôlé. Le diamètre du trou peut être contrôlé à partir du degré de non collimation du faisceau lumineux entrant.

Un élément (une lentille par exemple) de ce système optique primaire peut translater dans une variante préférée. De préférence, le dispositif proposé par les inventeurs comprend un système de déflection pour imposer une déflexion audit faisceau lumineux émergeant. Avec cette variante préférée, il est possible d’avoir un champ de marquage sensiblement plus grand que ce qui est connu. On peut ainsi obtenir des tailles de champ de marquage entre 10*10 mm et 40*40 mm par exemple.

Le dispositif proposé par les inventeurs peut aussi comprendre des moyens pour déplacer une cible à usiner ou à graver. La position (par exemple angulaire) du miroir mobile peut être asservie au mouvement imposé par le système de déflection et/ou à la position de la cible.

[0028] Le dispositif d’usinage proposé par les inventeurs permet d’obtenir des conicités ou des angles de dépouille négatifs. Il permet également la découpe de pièces de mouvement pour l’horlogerie. Il pourrait aussi être utilisé pour le perçage d’injecteur automobile ou pour le micro-usinage de dispositifs médicaux.

[0029] Selon un deuxième aspect, les inventeurs proposent une méthode pour obtenir, à partir d’un faisceau lumineux entrant, un faisceau lumineux émergeant décalé par rapport audit faisceau lumineux entrant et comprenant les étapes suivantes : - fournir un premier système d’orientation de faisceau pour dévier ledit faisceau lumineux entrant pour obtenir un premier faisceau lumineux incident; - fournir un miroir mobile pour imposer une réflexion audit premier faisceau lumineux incident pour obtenir un premier faisceau lumineux réfléchi; - fournir des moyens d’entraînement pour déplacer ledit miroir mobile ; - fournir des moyens de redirection pour obtenir, à partir du premier faisceau lumineux réfléchi, un deuxième faisceau lumineux incident au miroir; - fournir un deuxième système d'orientation de faisceau pour obtenir un faisceau lumineux émergeant, par déviation d’un faisceau lumineux résultant d’une réflexion sur ledit miroir dudit deuxième faisceau lumineux incident.

Les avantages mentionnés pour le système optique selon le premier aspect de l’invention s’appliquent à la méthode selon le deuxième aspect, mutatis mutandis. Les différentes variantes présentées ci-dessus pour le système optique selon le premier aspect de l’invention s’appliquent à la méthode de l’invention, mutatis mutandis.

Brève description des figures [0030] Ces aspects ainsi que d’autres aspects de l’invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l’invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles: - la Fig. 1 montre un mode de réalisation possible du système optique selon le premier aspect de l’invention; - la Fig.2 montre un autre mode de réalisation possible du système optique selon le premier aspect de l’invention; - la Fig.3 montre un autre mode de réalisation possible du système optique selon le premier aspect de l’invention; - la Fig.4 montre un exemple possible des moyens de redirection ; - la Fig.5 montre un mode de réalisation préféré d’un dispositif d’usinage selon l’invention ; - la Fig.6 montre un autre mode de réalisation préféré d’un dispositif d’usinage selon l’invention.

Les dessins des figures ne sont pas à l’échelle. Généralement, des éléments semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures. La présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les revendications.

Description détaillée de certains modes de réalisation de l’invention [0031] La figure 1 montre un exemple de mode de réalisation du système optique 2 selon l’invention. Il comprend les éléments suivants ; - un premier système d’orientation de faisceau 20 qui permet de dévier un faisceau lumineux entrant 1 pour obtenir un premier faisceau lumineux incident 4 ; - un miroir 19 mobile incliné pour réfléchir le premier faisceau lumineux incident 4 et obtenir un premier faisceau lumineux réfléchi 23. Ce miroir 19 mobile est incliné de sorte que sa normale soit non parallèle audit premier faisceau lumineux incident. Ce miroir 19 mobile pourrait être appelé système d’excentration 3 car il permet d’obtenir un décalage latéral entre faisceaux lumineux entrant 1 et émergeant 7. Dans l’exemple montré à la figure 1, le miroir 19 est mobile en rotation. Il est donc apte à tourner autour d’un axe de rotation 5. - Des moyens d’entraînement 6 pour déplacer (faire tourner dans l’exemple de la figure 1) le miroir 19 mobile. - Des moyens de redirection 21 (par exemple un système de rétro réflexion) pour obtenir à partir du premier faisceau lumineux réfléchi 23 un deuxième faisceau lumineux incident 8 au miroir 19 mobile. - Un deuxième système d’orientation du faisceau 22 pour obtenir un faisceau lumineux émergeant 7, par déviation d’un faisceau lumineux obtenu par réflexion sur le miroir 19 du deuxième faisceau lumineux incident 8.

Par le mouvement de rotation du miroir 19 incliné, le mouvement faisceau lumineux émergeant 7 décrit un mouvement de précession autour d’un point 11 d’une cible, par exemple un point 11 à usiner.

[0032] Ainsi, le système optique 2 montré à la figure 1 peut fonctionner de la manière suivante. Un faisceau lumineux entrant 1 pénètre dans le système optique 2. Le faisceau lumineux entrant 1 est orienté vers le miroir 19 mobile incliné par le premier système d’orientation de faisceau 20. Le faisceau lumineux entrant 1 se réfléchit sur le miroir 19 mobile incliné. Le premier faisceau lumineux réfléchi 23 obtenu par réflexion du faisceau lumineux entrant 1 sur le miroir 19 est orienté vers les moyens de redirection 21 (par exemple un système de rétro réflexion 21). Le premier faisceau lumineux réfléchi 23 est redirigé (par exemple rétro réfléchi) par les moyens de redirection 21 pour obtenir un deuxième faisceau lumineux incident 8 en direction du miroir 19. Ce deuxième faisceau lumineux incident 8 est réfléchi par le miroir 19 et le faisceau lumineux ainsi réfléchi est dévié par le deuxième système d’orientation de faisceau 22 pour obtenir le faisceau lumineux émergeant 7. Le faisceau lumineux émergeant 7 est orienté vers la sortie et est décalé latéralement par rapport au faisceau lumineux entrant 1.

[0033] Le décalage entre le faisceau lumineux émergeant 7 et faisceau lumineux entrant 1 est fonction notamment de la longueur du parcours effectué par le faisceau lumineux entre les deux réflexions sur le miroir 19 incliné, ainsi que de l’angle entre la normale au miroir 19 incliné et l’axe de rotation 5.

[0034] Lors de la rotation du miroir 19 incliné, le faisceau lumineux émergeant 7 se met également en rotation car la normale au miroir 19 incliné décrit un mouvement de précession. En particulier, si le miroir 19 est en rotation continue, le faisceau lumineux émergeant 7 tourne continuellement autour de l’axe représenté en pointillé sur la figure 1 à la même vitesse de rotation que le miroir 19.

[0035] Comme cela est illustré à la figure 1, le faisceau lumineux émergeant 7 est de préférence focalisé par une optique de focalisation 9 sur une cible 10. Le mouvement de rotation du faisceau émergeant 7 permet d’entrainer la précession du faisceau lumineux d’usinage (faisceau en aval de l’optique de focalisation 9) autour du point 11 à usiner.

[0036] Le décalage latéral entre le faisceau lumineux émergeant 7 et le faisceau lumineux entrant 1 peut être ajusté en modifiant la longueur du parcours effectué par le faisceau lumineux entre le premier 20 et le deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau, c’est-à-dire en modifiant les longueurs de parcours du premier faisceau lumineux incident 4, du premier faisceau lumineux réfléchi 23, du deuxième faisceau lumineux incident 8 et du faisceau lumineux obtenu par réflexion sur miroir 19 dudit deuxième faisceau lumineux incident 8.

[0037] La longueur de parcours effectué par le faisceau lumineux entre le premier 20 et le deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau peut être modifiée en faisant effectuer un mouvement de translation 24 au miroir 19 afin de modifier sa position par rapport au premier système d’orientation de faisceau 20 et au deuxième système d’orientation de faisceau 22.

[0038] Ce principe est illustré à la figure 2 pour un mode de réalisation préféré où le miroir 19 est également mobile en rotation. Néanmoins, il est possible d’envisager que miroir 19 ne décrive qu’un mouvement de translation 24 sans mouvement de rotation. En outre, le mouvement de translation 24 illustré à la figure 2 est un mouvement de translation selon une direction. Il est néanmoins possible de prévoir des moyens d’entrainement 6 tels qu’ils puissent imprimer au miroir 19 mobile un mouvement de translation selon deux ou trois dimensions.

[0039] En se référant à la figure 2, la longueur du parcours effectué par le faisceau lumineux entre le premier 20 et le deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau augmente si le miroir 19 s’éloigne du premier système d’orientation de faisceau 20 et du deuxième système d’orientation de faisceau 22, ce qui augmente également le décalage latéral entre le faisceau lumineux émergeant 7 et le faisceau lumineux entrant 1. Inversement, la longueur de parcours effectué par le faisceau lumineux entre le premier 20 et le deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau diminue si le miroir 19 se rapproche du premier système d’orientation de faisceau 20 et du deuxième système d’orientation de faisceau 22, ce qui réduit le décalage latéral entre le faisceau lumineux émergeant 7 et le faisceau lumineux entrant 1.

[0040] Si le miroir mobile 19 ne tourne pas mais ne fait que décrire un mouvement de translation ou d’inclinaison, il est possible d’avoir un faisceau lumineux émergeant 7 présentant un décalage latéral variable par rapport au faisceau lumineux entrant 1. En utilisant une optique de focalisation 9 en aval, on peut alors attaquer un point 11 d’une cible 10 selon différents angles d’incidence en modifiant la distance entre miroir 19 et premier 20 et deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau.

[0041] Les premier 20 et deuxième 22 systèmes d’orientation de faisceau peuvent comprendre différents éléments comme par exemple (liste non exhaustive) : un cube séparateur ordinaire, un cube séparateur polarisant ou une combinaison constituée d’un cube séparateur polarisant et d’une lame à retard quart d’onde. Si l’on utilise une lame à retard quart d’onde, son axe rapide sera de préférence incliné de 45° par rapport à la direction de la polarisation réfléchie par le cube séparateur polarisant.

[0042] La figure 3 montre un mode de réalisation préféré où le premier 20 (respectivement deuxième 22) système d’orientation de faisceau comprend un premier cube séparateur polarisant 25 (respectivement deuxième cube séparateur polarisant 26) et une première lame à retard quart d’onde 27 (respectivement deuxième lame à retard quart d’onde 28). Ces éléments sont connus d’un homme du métier. Pour le mode de réalisation montré à la figure 3, les moyens de redirection 21 comprennent un système de rétro réflexion. De préférence, les premier 25 et deuxième 26 cubes séparateurs polarisants ont des spécifications identiques. De préférence, les première 27 et deuxième 28 lames à retard quart d’onde ont des spécifications identiques.

[0043] Si le faisceau lumineux entrant 1 est polarisé linéairement suivant la direction de la polarisation réfléchie par le premier cube séparateur polarisant 25 il est réfléchi sans perte. Le faisceau lumineux passe ensuite à travers la première lame à retard quart d’onde 27. La polarisation du premier faisceau lumineux incident 4 à la sortie du premier système d’orientation de faisceau 20 est alors circulaire. Le premier faisceau lumineux réfléchi 23, obtenu par réflexion du premier faisceau lumineux incident 1 sur le miroir 19 passe à travers la première lame à retard quart d’onde 27. Sa polarisation circulaire devient linéaire tout en ayant tourné de 90° par rapport à la polarisation du faisceau lumineux entrant 1. Le premier faisceau lumineux réfléchi 23 traverse le premier cube séparateur polarisant 25 sans perte pour se diriger vers le système de rétro réflexion 21 qui permet d’obtenir le deuxième faisceau lumineux incident 8 au miroir 19. Le deuxième faisceau lumineux incident 8 passe ensuite à travers le deuxième cube séparateur polarisant 26 sans perte, puis à travers la deuxième lame à retard quart d’onde 28. Sa polarisation devient circulaire. Le faisceau lumineux réfléchi par le miroir 19 et obtenu à partir du deuxième faisceau lumineux incident 8 passe aussi à travers la deuxième lame à retard quart d’onde 28. Sa polarisation circulaire devient linéaire tout en ayant tourné de 90° par rapport à la polarisation du deuxième faisceau lumineux incident 8. Au final, la polarisation du faisceau lumineux émergeant 7, obtenu par déviation sans perte (ou réflexion sans perte) dudit faisceau lumineux réfléchi par le deuxième cube séparateur polarisant 26, est parallèle à celle du faisceau lumineux entrant 1.

[0044] Si, comme cela est illustré à la figure 3, les premier et deuxième systèmes d’orientation de faisceau comprennent un cube séparateur polarisant (25, 26) et une lame à retard quart d’onde (27, 28), il est possible d’obtenir un faisceau lumineux émergeant 7 décalé par rapport à un faisceau lumineux entrant 1, sans perte.

[0045] Les moyens de redirection 21 peuvent comprendre différents éléments comme par exemple (liste non exhaustive) : un coin de cube, une combinaison comprenant un prisme de Dove 29 et un autre prisme 30 (de préférence un prisme isocèle à angle droit). Cette combinaison est illustrée à la figure 4 dont la partie droite montre une vue du dessus et la partie gauche montre une vue de côté.

[0046] Les inventeurs proposent également un dispositif comprenant un système optique 2 tels que décrit précédemment. Ce dispositif peut comprendre les différents modes de réalisation préférés du système optique 2. Ce dispositif peut être un dispositif d’usinage ou de gravure par exemple.

[0047] De préférence, ce dispositif comprend en outre une source lumineuse 33, une source laser par exemple. Comme cela est illustré à la figure 5, le dispositif proposé par les inventeurs comprend alors de préférence un système optique primaire 31 pour modifier la collimation du faisceau lumineux entrant 1. En ajoutant ce système optique primaire 31 avant le système optique 2 et en imposant une rotation continue du miroir 19, l’utilisateur pourra réaliser un trou dont le diamètre dépendra de la défocalisation programmée. Il pourra aussi créer un anneau autour d’un point de focalisation naturelle. Des profondeurs plus importantes peuvent également être obtenues en translatant un élément (une lentille par exemple) du système optique primaire 31 en même temps que le perçage par le faisceau lumineux. Cette particularité peut permettre d’utiliser l’invention pour réaliser des trous (perçage) sans ajout d’un système de déflection (scanner) et en contrôlant le diamètre du trou par la divergence appliquée au faisceau lumineux entrant 1 par le système optique primaire 31.

[0048] Le dispositif d’usinage proposé par les inventeurs peut en outre comprendre des moyens pour déplacer la cible 10. Ces moyens peuvent être par exemple des platines de translation ou des systèmes cinq axes, de type machine CNC par exemple. Quand le miroir 19 est mobile est rotation, on peut alors soit laisser le miroir tourner de manière continue indépendamment de la position de la cible 10 ou au contraire asservir la position angulaire du miroir 19 à la position de la cible 10 pour attaquer la cible 10 avec un angle dépendant de sa position.

[0049] La figure 6 montre un autre mode de réalisation préféré du dispositif proposé par les inventeurs. Comme cela est illustré, ce mode de réalisation préféré comprend en outre un système de déflection 32 (par exemple une tête scanner galvanométrique) pour déplacer le faisceau lumineux attaquant la cible 10 sur le champ de focalisation. Cette configuration est particulièrement adaptée à la réalisation de pièces de géométrie complexe en 2D telles que des pièces de mouvement dans l’horlogerie ou des implants dans l'industrie des dispositifs médicaux.

[0050] Dans les différents exemples mentionnés précédemment, différents types de sources lumineuses 33 peuvent être utilisés. A titre d’exemples non limitatifs, on peut citer : - un laser CO2 pour des applications de découpe et de perçage de métaux sur des épaisseurs importantes ; - une diode laser ou un laser à fibre (multimode ou monomode) en régime continu, milliseconde ou nanoseconde en fonction des précisions et zones thermiques affectées acceptables ; - un laser ultra-court (picoseconde ou femtoseconde) pour des microdécoupes ou micro-perçages de précision ; - un laser femtoseconde d’une durée d’impulsion comprise entre 300fs et 10ps avec une focale inférieure à 150mm (et préférentiellement 100mm) - un laser UV (ns, ps ou fs).

[0051] Selon un deuxième aspect, les inventeurs proposent une méthode pour obtenir un faisceau lumineux émergeant 7 décalé par rapport à un faisceau lumineux entrant 1.

[0052] La présente invention a été décrite en relation avec des modes de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. D’une manière générale, la présente invention n’est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. L’usage des verbes « comprendre », « inclure », « comporter », ou toute autre variante, ainsi que leurs conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la présence d’éléments autres que ceux mentionnés. L’usage de l’article indéfini « un », « une », ou de l’article défini « le », « la » ou « Γ », pour introduire un élément n’exclut pas la présence d’une pluralité de ces éléments. Les numéros de référence dans les revendications ne limitent pas leur portée.

[0053] En résumé, l’invention peut également être décrite comme suit. Système (ou dispositif) optique 2 pour obtenir un faisceau lumineux émergeant 7 décalé par rapport à un faisceau lumineux entrant 1 et pour avoir la possibilité de modifier ce décalage, ledit système optique 2 comprenant : un premier système d’orientation de faisceau 20 pour dévier le faisceau lumineux entrant 1, de préférence à 90°, et permettant ainsi d’obtenir un premier faisceau lumineux incident 4; un miroir 19 mobile positionné de manière telle qu’il est apte à recevoir ledit premier faisceau lumineux incident 4 pour générer un premier faisceau lumineux réfléchi 23 correspondant; des moyens d’entraînement 6 pour modifier la position dudit miroir 19 par rapport audit premier système d orientation de faisceau 20; des moyens de redirection 21 pour rediriger le premier faisceau lumineux réfléchi 23 pour obtenir un deuxième faisceau lumineux incident 8 audit miroir 19, ledit deuxième faisceau lumineux incident 8 étant essentiellement anti parallèle audit premier faisceau lumineux réfléchi 23; un deuxième système d’orientation de faisceau 22 pour dévier (de préférence à 90°) un faisceau lumineux réfléchi sur ledit miroir 19 et obtenu à partir dudit deuxième faisceau lumineux incident 8.

[0054] Ainsi, en suivant la direction du faisceau lumineux entrant 1, les différents éléments du système optique 2 reçoivent de la lumière dans l’ordre suivant: premier système d’orientation de faisceau 20, miroir 19, à nouveau premier système d’orientation de faisceau 20 (mais sans déviation de préférence), moyens de redirection 21, deuxième système d’orientation de faisceau 22 (de préférence sans déviation), à nouveau le miroir 19 et finalement à nouveau le deuxième système d’orientation de faisceau 22 (mais de préférence avec déviation). Le système optique 2 de l’invention permet donc de décaler très simplement le faisceau lumineux émergeant 7 par rapport à sa position nominale, permettant d’obtenir un angle d'attaque a non nul sur une cible 10. En supposant que le système optique 2 de l’invention comprend des moyens de focalisation 9, l’inclinaison du miroir 19 et/ou son mouvement de translation permet de définir l’amplitude de l’angle d’attaque a. La position angulaire du miroir 19 incliné (lorsque le miroir 19 est mobile en rotation) permet de définir l’orientation de l’angle d’attaque a dans le plan focal.

Claims

Revendications

1. Système optique (2) pour obtenir, à partir d’un faisceau lumineux entrant (1), un faisceau lumineux émergeant (7) spatialement décalé par rapport audit faisceau lumineux entrant (1), ledit système optique (2) comprenant : - un premier système d’orientation de faisceau (20) pour obtenir, par déviation du faisceau lumineux entrant (1), un premier faisceau lumineux incident (4); - un miroir (19) mobile pour obtenir, à partir dudit premier faisceau lumineux incident (4), un premier faisceau lumineux réfléchi (23); - des moyens d’entraînement (6) pour déplacer ledit miroir (19) mobile ; - des moyens de redirection (21) pour obtenir, à partir dudit premier faisceau lumineux réfléchi (23), un deuxième faisceau lumineux incident (8) audit miroir (19); - un deuxième système d’orientation de faisceau (22) pour obtenir un faisceau lumineux émergeant (7), par déviation d’une réflexion sur ledit miroir (19) dudit deuxième faisceau lumineux incident (8) ; ledit système optique (2) étant configuré de sorte qu’une variation de position du miroir (19) mobile est apte à induire une variation d’un décalage spatial entre ledit faisceau lumineux entrant (1) et ledit faisceau lumineux émergeant (7).
2. Système optique (2) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit miroir (19) est mobile en translation et en ce que lesdits moyens d’entraînement (6) sont aptes à imposer un mouvement de translation audit miroir (19).
3. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit miroir (19) est mobile en inclinaison et en ce que lesdits moyens d’entraînement (6) sont aptes à imposer un changement d’inclinaison audit miroir (19).
4. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit miroir (19) est mobile en rotation et en ce que lesdits moyens d’entraînements (6) sont aptes à imposer un mouvement de rotation audit miroir (19) autour d’un axe de rotation (5).
5. Système optique (2) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit miroir (19) a une surface de réflexion essentiellement plane définie par une normale.
6. Système optique (2) selon les deux revendications précédentes caractérisé en ce que ledit axe de rotation (5) et ladite normale sont non parallèles.
7. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit miroir (19) se trouve entre lesdits moyens d’entraînement (6) et ledit premier système d’orientation de faisceau (20).
8. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit miroir (19) se trouve entre lesdits moyens d’entraînement (6) et ledit deuxième système d’orientation de faisceau (22).
9. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens de focalisation (9) pour focaliser ledit faisceau lumineux émergeant (7) sur une cible (10).
10. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit premier système d’orientation de faisceau (20) comprend un cube séparateur.
11. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit deuxième système d’orientation de faisceau (22) comprend un cube séparateur.
12. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit premier système d’orientation de faisceau (20) comprend un premier cube séparateur polarisant (25).
13. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit deuxième système d’orientation de faisceau (22) comprend un deuxième cube séparateur polarisant (26).
14. Système optique (2) selon les deux revendications précédentes caractérisé en ce que les premier et deuxième cubes séparateurs polarisants (25, 26) ont des spécifications identiques.
15. Système optique (2) selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit premier système d’orientation de faisceau (20) comprend en outre une première lame à retard quart d’onde (27).
16. Système optique (2) selon la revendication 13 caractérisé en ce que ledit deuxième système d’orientation de faisceau (22) comprend en outre une deuxième lame à retard quart d’onde (28).
17. Système optique (2) selon les deux revendications précédentes caractérisé en ce que les première et deuxième lames à retard quart d’onde (27, 28) ont des spécifications identiques.
18. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système de rétro réflexion (21) comprend un coin de cube.
19. Système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système de rétro réflexion (21) comprend un prisme de Dove (29) et un prisme isocèle à angle droit (30).
20. Dispositif d’usinage comprenant un système optique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
21. Dispositif d’usinage selon la revendication précédente comprenant en outre un source lumineuse (33).
22. Dispositif d’usinage selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite source lumineuse (33) est un laser à fibre monomode cw.
23. Dispositif d’usinage selon la revendication 21 caractérisé en ce que ladite source lumineuse (33) est un laser avec une durée d’impulsion inférieure à 10 ps.
24. Dispositif d’usinage selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes comprenant en outre un système optique primaire (31) pour modifier la collimation du faisceau lumineux entrant (1 ).
25. Dispositif d’usinage selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’un élément dudit système optique primaire (31) est apte à translater.
26. Dispositif d’usinage selon l’une quelconque des six revendications précédentes comprenant en outre un système de déflection (32) pour déplacer ledit faisceau lumineux émergeant (7).
27. Dispositif d’usinage selon l’une quelconque des sept revendications précédentes comprenant en outre des moyens pour déplacer une cible (10).
28. Dispositif d’usinage selon l’une quelconque des deux revendications précédentes caractérisé en ce que la position du miroir (19) est asservie au mouvement imposé par ledit système de déflection (32) et/ou à la position de la cible (10).
29. Dispositif de gravure pour graver une cible (10) et comprenant un système optique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 19.
30. Méthode pour obtenir, à partir d’un faisceau lumineux entrant (1), un faisceau lumineux émergeant (7) décalé par rapport audit faisceau lumineux entrant (1 ) et comprenant les étapes suivantes : - fournir un premier système d’orientation de faisceau (20) pour dévier ledit faisceau lumineux entrant (1) pour obtenir un premier faisceau lumineux incident (4) ; - fournir un miroir (19) mobile pour imposer une réflexion audit premier faisceau lumineux incident (4) pour obtenir un premier faisceau lumineux réfléchi (23) ; - fournir des moyens d’entraînement (6) pour déplacer ledit miroir (19) mobile ; - fournir des moyens de redirection (21) pour obtenir, à partir du premier faisceau lumineux réfléchi (23), un deuxième faisceau lumineux incident (8) au miroir (19) ; - fournir un deuxième système d’orientation de faisceau (22) pour obtenir un faisceau lumineux émergeant (7), par déviation d’un faisceau lumineux résultant d’une réflexion sur ledit miroir (19) dudit deuxième faisceau lumineux incident (8).
31. Méthode selon la revendication précédente pour obtenir des conicités de trous négatives.
32. Méthode selon l’une quelconque des deux revendications précédentes pour obtenir des angles de dépouille de pièce découpée négatifs.
33. Méthode selon l’une quelconque des trois revendications précédentes pour la découpe de pièces de mouvement pour l’horlogerie.
34. Méthode selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes pour le perçage d’injecteur automobile.
35. Méthode selon l’une quelconque des cinq revendications précédentes pour le micro-usinage de dispositifs médicaux.
36. Utilisation du dispositif d’usinage selon la revendication 24 ou 25 pour créer une zone attaquée par le faisceau lumineux émergeant (7) en forme d’anneau autour d'un point de focalisation naturel, pour réaliser des perçages avec un diamètre contrôlé.