SURFACES OPTIQUES -Errata

p. 3 : 11 est égal à Eoe-Jm. 11 manque le signe -. p. 13 et 182 : bien mettre un signe - dans (sin - sin 0Jh. p. 38 : deuxième ligne lire : Fig. 2-9 et non Photo 2-9. p. 39 : ligne 9 : lire ... 2 à 4 p d m n sur des échantillons de 40 mm ... p. 44 et 45 : intervertir les légendes des figures 2-18 et 2-19. p. 51 : bas de page lire : photo 2-21 et 2-22. p. 64 : ligne 5 mettre a ou )) entre 4 parts de colophane et 40 parts de cire d’abeille. p. 65 : milieu de page lire HILGER et WATTS. p. 87 ; ajouter Photo 3-8. p. 90 : mettre Photo 3-8 à la place de 4- 1. p. 94 : bas de page lire : La figure 4-7 montre le principe d’un appareil basé sur la

détection du faisceau réfléchi [4-5 et 4-81. La figure 4-8 montre le schéma d’un système ... blanche.

p. 95 : dernière ligne remplacer figure 4-9 par 4- 1 O. p. 101 : première ligne, remplacer photo 4-40 par photo 4-5. p. 102 : figure 4- 16 remplacer A’B par A’B’ et A”B’ par A”B”. p. 123 : dans le tableau et p. 122 dans le cadre : carbonate d’allyldyglycole et pentane. p. 124 : première ligne : polysulfène. p. 147 : lire 6 = 2 ne cos Y + h/2 = k h. p. 180 : 3/4 de page : ... levier très flexible. Elle appuie sur la surface .,. p. 190 : dernier paragraphe : Le faisceau entre normalement à l’une des faces AC de

l’angle droit. p. 191 et 192 : enlever les figures 11-6, 11-7 et 11-8 et se référer aux dessins de cette page. p. 206 : phrase illisible, lire : correspond par exemple à une surface doucie. p. 206 : mettre un tiret devant (( le fond du poli )> comme p. 207 devant G la rugosité D. p. 232 : enlever 13.4. et mettre (( Conclusion de l’étude )) avec les caractères du texte. p. 232 : déplacer (( Pour le float glass )) et le mettre entre le premier et le deuxième bloc. p. 244 : lire . .. Considérons un cube élémentaire autour du point M,

les déplacements élémentaires E], et E ~ , les contraintes ... p. 247 : lire un faible coefficient de déformation thermique a petit ou k grand) ...

Interférentielles

Fig. 11.6

degrés. Caies d’angle à 45 et 90 Fig. 1 1.7

Contrôle absolu de l’angie droit. Lcs 3 taions sont associés 2 à 2 dans les

3 combinaisons possibles.

SURFACES OPTIQUES

Méthodes de fabrication et de contrôle,

recherches

Jean Paul MARIOGE

E SCIENCES

7 avenue du Hoggar, PA de Courtabœuf, B.P. 112,91944 Les Ulis cedex A, France

En couverture : Photo, Surface de silice, rugosité 0,28 nm RMS, image obtenue au microscope à force atomique. Champ 2 x 2 pm.

(Copyright : Jean Paul Marioge)

ISBN : 2-86883-486-8

Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 1 1 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part, que les (< copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective D, et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, (< toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite n (alinéa 1" de l'article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

O EDP Sciences 2000

Préface

I1 y a peu de livres de technologie consacrés aux surfaces d'optique. Ils sont soit anciens, introuvables, soit écrits en d'autres langues, que maîtrisent rarement les gens les plus susceptibles de les consulter, c'est-à-dire les techniciens de l'industrie.

Les congrès, les conférences ? En français ? Il y en a encore moins.

En ce qui concerne les revues, aucune n'est consacrée à la technologie et ceux qui font de la fabrication y reconnaissent peu de leurs préoccupations. Quant aux revues d'optique générale, elles ne publient qu'exceptionnellement un article de technologie.

Pourtant, on fait en France de l'optique de grande qualité. Si la mondialisation de l'économie a balayé tout un pan de l'optique instrumentale fiançaise et européenne, il reste dans notre pays plusieurs entreprises capables de belles réalisations, à un niveau de performance international. Quelques grands organismes, utilisateurs d'optique instrumentale de haute technicité, leur tiennent compagnie. Cette communauté de techniciens doit donc avoir besoin de se rafraîchir les idées et d'en échanger de temps à autre !

Même si l'on entend dire que le technicien français ne lit pas, ne fréquente pas, comme ses collègues anglo-saxons, les associations professionnelles et les sociétés savantes et ne va guère parler ou écouter dans les conférences, il n'est pas plus doué pour la survie en espace clos que n'importe lequel de ses confrères étrangers. Comment fait-il donc pour se tenir au courant ?

I1 est probable que ses fournisseurs jouent un rôle clef à ce niveau. Les fabricants de machines, de matières consommables et de matières premières pour l'optique sont probablement les principaux vecteurs de l'information technologique dans notre corporation. Le caractère commercial de cette relation en fait la vitalité et le dynamisme. Mais il a aussi quelques inconvénients bien connus en ce qui concerne objectivité, hauteur de vue et synthèse. C'est pourquoi il est utile qu'une voix universitaire se fasse entendre avec ce livre.

La technologie est-elle du ressort de l'université ?

On ne le discute plus guère. Mais en même temps que l'usage a fait tomber les barrières, il a transformé le sens du mot technologie, qui s'est élargi jusqu'à ne plus vouloir rien dire.

Et la technologie, la vraie, au sens traditionnel et étymologique du terme, c'est-à-dire l'étude des moyens, procédés et matières nécessaires à la fabrication, doit encore souvent lutter pour être considérée à l'égal des autres sciences.

Un spécialiste américain du polissage expliquait, il y a quelques années, qu'il avait pu faire ses travaux parce que l'organisme où il travaillait n'était ni une société industrielle, ni un laboratoire scientifique ; les premières n'ayant pas le temps de mener des études de fond et, les seconds, ne s'intéressant pas au polissage.

Le service qu'a longtemps dirigé Jean-Paul MARIOGE a vaillamment maintenu la flamme technologique à 1'I.O.T.A. Un I.O.T.A. qui évoluait fortement le long d'autres lignes de force scientifiques. Cela n'est pas allé sans de longues discussions. En effet, les critères et ratios employés par les Universités et le CNRS sont mal adaptés à ce type d'activité et engendrent des malentendus ou même pire.

IV

Mais tous les comités ont heureusement toujours été finalement sensibles à ces spécificités et continueront, vraisemblablement, à l'être et ils ont bien raison car, si l'on veut bien se pencher d'un peu près sur une surface d'optique, ce que l'on rencontre est passionnant.

À première vue, c'est de l'usinage et du rodage, de la mécanique toute simple, que tous ceux qui n'en font jamais considèrent comme de la technologie banalisée. Et puis, on réalise qu'il faut s'occuper de métaux, de verres, de cristaux, de polymères et que les différences constatées entre les comportements de ces matériaux appellent de multiples considérations physico-chimiques et thermiques.

Enfin, on comprend qu'il y a poli et poli et que les ordres de grandeur qu'on recherche flirtent avec ceux de la microphysique. Mais, pour voir cela, il faut bien regarder.

C'est en fait une loi générale que, pour progresser, il faut pouvoir voir et apprécier ce que l'on fait. Toute technologie qui se respecte comporte une bonne part de métrologie. On est même un peu tenté de dire : (( Donnez-moi les moyens de mesurer ce que je fais, et je fais mon affaire de tout le reste D.

Si les opticiens maîtrisent depuis si longtemps leurs surfaces à mieux que cent nanomètres près (et, localement, beaucoup mieux), c'est qu'ils ont trouvé les moyens assez simples et accessibles à tous pour mettre en évidence des déformations de cet ordre de grandeur.

On observe pourtant une inclination amusante: dans l'industrie, on obtient un peu plus facilement l'autorisation d'acheter une machine qu'un instrument de mesure, et dans les laboratoires, c'est l'inverse.

Prééminence du savoir chez les uns et du faire chez les autres ... Alors voici un livre de savoir- faire !

Patrick BOZEC Directeur Scientifique d'ESSILOR

Avant-Propos

J'ai découvert l'art de l'opticien de précision à l'école des métiers (appelée par la suite école d'optique appliquée E.0.A puis lycée Fresnel). J'ai poursuivi ma formation à l'École Supérieure d'optique où l'enseignement théorique et pratique du travail du verre était une partie non négligeable des programmes.

Je fus fasciné par les moyens, apparemment simples, qui permettent d'obtenir l'extraordinaire précision des surfaces optiques et qui dépassent les limites de la mécanique et valorisent la dextérité manuelle de l'opérateur. Je décidai de m'y consacrer totalement dans le cadre des Laboratoires de l'Institut d'optique.

Dès 1970, j'ai rédigé un premier cours, destiné aux élèves de l'E.S.0. qui traitait du contrôle et de la fabrication des surfaces optiques et en ai continué la rédaction d'année en année. Ce livre en est l'aboutissement.

Après avoir expliqué pourquoi ces surfaces nécessitent tant de précision, il traite de la fabrication et du contrôle des surfaces sphériques et asphériques et des petits composants dioptriques et diffractifs, de la physico-chimie, du nettoyage des surfaces vitreuses et des matériaux.

En pièces annexes, des fiches récapitulent les caractéristiques des principaux matériaux et indiquent des facteurs de mérite qui intéressent les ingénieurs et techniciens chargés des conceptions et fabrications.

Les procédés de fabrication des composants optiques sont, à tort, peu décrits dans les écoles de techniciens et d'ingénieurs et ont presque totalement disparu de l'enseignement des élèves ingénieurs en optique.

Cet ouvrage a pour ambition de compenser cette défaillance, chaque élève, ingénieur ou technicien pouvant le consulter pendant ses études ou au cours de sa carrière quand il en sentira le besoin.

Des difficultés de santé m'ont contraint de cesser prématurément d'exercer mes activités.

I1 me faut remercier tout particulièrement :

M. Benoit, directeur de Micro Module, qui a bien voulu prendre le risque de finir cette rédaction et

M. Samuel, spécialiste de la conception instrumentale et donc de la fabrication et du contrôle optique,

M. Brunaud qui fut directeur technique de la SOPELEM et qui connaît donc très bien ce métier et en

0 mes anciens collaborateurs qui, jour après jour, ont beaucoup participé à la rédaction du texte et aux

0 Madame Planteblat qui, dans le cadre de Micro Module, a effectué la frappe, la mise en page ainsi que

d'apporter ses compétences techniques acquises à la REOSC ;

qui a effectué un travail considérable de suggestions, de corrections et de lectures ;

particulier les techniques nouvelles. I1 a contribué par ses lectures aux modifications nécessaires ;

dessins des figures : M. Mullot, M. Tissot, M. Mahé, M. Colas et ses compagnons ;

les nombreuses corrections.

À l'occasion de cette rédaction, j'ai trouvé de véritables amis qui ont pris la relève et ont consacré des heures innombrables de leur temps libre en lecture, relecture et corrections. Sans eux cet ouvrage n'aurait jamais été fini.

J.P. MARIOGE

Notations

I

IY

O

Défaut cylindrique (piqure)

Défaut parallélépipédique (rayure)

VI1

* * * * * * * * * * * * *

*

* * * *

*

* * * *

* * * * *

p’ et y’ les coordonnées angulaires du point courant sur la pupille, p et v les fréquences spatiales de l’objet, p’ et v’ les fréquences spatiales de l’image, k la fréquence spatiale sur la surface optique, a’: le 1/2 angle d’ouverture image d’un système optique à pupille circulaire, p” le 1/2 angle apparent d’un défaut local cylindrique (piqûre), BI’’ et p2” les 1/2 angles apparents d’un défaut rectangulaire rayure, X Y et Z les coordonnées cartésiennes d’un point sur la surface, p le rayon polaire d’un point sur la surface, h la longueur d’onde, A l’écart n o d de l’onde à la sphère, 6 l’écart normal de la surface à la sphère, A la fonction d’autocorrélation normalisée de l’écart A de l’onde à la sphère,

cD - - : la transformée de FOURIER de A, lh.21 Q l’angle solide sous lequel on voit la pupille, Eo l’amplitude du champ électrique au centre de la pupille, F la distance pupille-image, Pour les défauts rectangulaires :

Pour les défauts circulaires :

avec pl= Jm, E(x’, y’) l’éclairement de l’image, B(x,y) la luminance de l’objet, le contraste est défini par ARNULF par (B-b)/B et par CAMPBELL et GREEN par (B-b)/(B+b), b étant la luminance du fond, D(x’, y’) la répartition normalisée des éclairements dans l’image d’un point, N le nombre de surfaces, M le nombre de défauts locaux, U l’angle de champ,

lT(k)I2 (notations de la norme AFNOR (S10-013) : densité de puissance des rugosités.

Table des Matières

Préface ..................................................................................................................................... Avant-Propos ...........................................................................................................................

1 Précision des surfaces 1.1 Quelques rappels ...................................................................................................

....................... 1.1.1 Les aberrations et les défauts de forme des surfaces ....... 1.1.2 La lumiere parasite ......................................................................................... 1 . 1.3 Les défauts locaux et la rugosité ....................................................................

1.2 Ordre de grandeur des défauts de forme ............................................................ 1.3 Ordre de grandeur des défauts de surface ..........................................................

..

1.3.1 Effets des défauts locaux .............................. 1.3.2 Effets de la rugosité .................................................. 1.3.3 Les ondulations ..............................................................................................

........................................... .............................

Annexe 1-1 .......................................................................................................................

2

PARTIE 1

FABRICATION

Fabrication des composants a surfaces sphériques 2.1 Le rodage ............................................................... ..............................

2.2 L’ébauchage .......................................................................................................... 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Le sciage avec des débiteuses. des tronçonneuses ou des scies à fil L’ébauchage des surfaces planes ou sphériques en petites quantités ........... L’ébauchage des surfaces planes ou sphériques en grande quantité ............

2.3 Le doucissage ................ ................................................... ........................

2.4 Le polissage ............................................................ ................................... 2.4.1 Les polissoirs . ......................................................... 2.4.2 Le s poix ............................................................................... 2.4.3 Les polissoirs en résines polymères synthétiques . Les étoffes, les tissus

synthétiques ou naturels ............... .................................................... 2.4.4 Polissoirs en cerium composite ............. ..............................................

2.4.7 Les polissoirs actifs .....................................................................................

2.4.5 Polissoirs à base de bitumes .................. ...................................... 2.4.6 Polissoir Téflon ...........................................................................................

III V

3 3 4 6 6

8 8

12 18 20

25

26 27 30 31 32

33 33 34

35 35 35 38 38

X

2.4.8 Les polissoirs magnéto-rhéologiques .......................................................... Les abrasifs de polissage .............................................................................

2.4.10 Le superpoli par rodage ...............................................................................

2.5.1 Les tours à pédales ou mixtes ..... .................................... 2.5.2 Les machines à un et à deux excentriques .........................................

planes ou de grand rayon de courbure ......................................................... Les machines à pression constante .............................................................. Les machines à doucir et polir double face .................................................. Les machines pour la fabrication de miroirs d’astronomie .......................... Les machines pour le polissage de petits objets fragiles ..............................

2.6 Le blocage des composants optiques à faces sphériques .................................... 2.6.1 Le blocage effectué par collage avec un produit appelé ciment .................. 2.6.2 Les blocs au plâtre sont utilisés pour faire des blocs de verres épais

(prismes par exemple) ................ ....... ................................. 2.6.3 Le blocage par adhérence moléculaire ........................................................ 2.6.4 Le blocage par semi-adhérence ................................................................... 2.6.5 Le blocage mécanique ................................................................................. 2.6.6 Blocs de lentilles tenues par le bord ............................................................ 2.6.7 Outils alvéolés soutenant les lentilles .......................................................... 2.6.8 Autres montages ........................................................ .....................

2.7 Autres procédés de surfaçage pour fabriquer des surfaces sphériques ...........

optiques à faces sphériques et planes ........................................................... Chaîne transfert pour la fabrication de grandes séries ................................. Génération d’une sphère par un outil volant (« flycutting D) .......................

Annexes au Chapitre 2 ..........................................................................................................

2.4.9

2.5 Les machines utilisées pour le doucissage et le polissage ............ ......

2.5.3 Les machines automatiques à do

2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7

2.7.1 Cellule automatique et flexible pour la fabrication de composants

2.7.2 2.7.3

Annexe 2-1 ................................................................................................................... ................................................................................................

3 Fabrication des composants à surfaces asphériques 3.1 Les surfaces toriques à méridiennes circulaires ................................................. 3.2 Méthode par évaporation sous vide ..................................................................... 3.3 Méthodes par déformation ...................................................................................

3.4 Méthodes par polissage ........................................................................................ 3.5 Méthodes d’usinage avec des outils de coupe et des meulettes ..........................

3.6 Machines utilisant des outils de grande taille ..................................................... 3.7 Le polissage des asphériques produites par les machines outils .......................

3.8 Méthode par bombardement ionique ..................................................................

38 39 40 41 41 41

42 43 43 43 43 45 46

47 47 48 48 49 49 50 50

50 55 55 58 58 64

67

69

70

71

75

83

84

88

XI

4 Centrage et débordage . Détection des surfaces excentrées dans une optique montée 4.1 Les différents principes de montage ...............................................

4.2 Le Centrage des surfaces sphériques ............................................... 4.3 Le centrage des surfaces asphériques .........

4.4 Le débordage ............................................................................. ....................................................

4.5 La détection des surfaces excentrées dans un objectif ....................................... 4.5.1 Introduction et principe des méthodes p ............................... 4.5.2 Utilisation d'un (( axicon )) ........................ ............................... 4.5.3 Méthodes d'alignement à dédoublemen

Méthode de J . Terrien ................... ...............................

5 L'adhérence et le collage 5.1 L'adhérence entre deux surfaces .......... 5.2 Les collages ...... ..............................................................

........................................................

5.2.1 Introduction ................................................................................................. 5.2.2 Les colles ................................................................................. 5.2.3 La préparation des surfaces . .................................................. 5.2.4 La mise en œuvre .....................................................................

5.3 La caractérisation des colles et des collages ... ............................................. 5.3.1 Caractérisation avant réticulation ........... ............................................. 5.3.2 Caractérisation en cours de réticulation ................................................ 5.3.3 Caractérisation après réticulation . La transformation vitreuse ....

5.4 Le décollement ....................................................................................................... 5.5 L'adhérence moléculaire ......................................................................................

91

92

97

97

98 98

101

102

105

106 106 106 110 110 114 114 115 116 118

119

6 Les moulages et les répliques 6.1 Les moulages ......................................................................................................... 121

6.1.1 Le moulage en résines .................... .......................................... 6.1.2 Classification et propriétés des mat ...................................... 6.1.3 Les moulages en verres minéraux .................................................

6.2 Les répliques ...... ............................................................................................ 125 6.2.1 Répliques à base de résines ......................................................................... 125 6.2.2 Répliques par électrodéposition ........................................................... 6.2.3 Répliques par avachissement d'une dalle de verre ....................................... 128

127

7 Autres procédés d'usinage . Application a la fabrication.

7.1 Les optiques diffractives. réfractives et hybrides ............................................... des micro.optiques. des optiques diffractives

129 7.1.1 La fabrication des microsurfaces diffractives .............................................. 129

XII

7.1.2 La fabrication des microsurfaces à profils continus .................................... 7.1.3 La fabrication des composants diffractifs par usinage mécanique .............. 7.1.4 Les répliques des surfaces diffractives ........................................................ 7.1.5 Les transferts du dessin dans le substrat : gravure sèche ............................. 7.1.6 Techniques de la microélectronique appliquées aux microcomposants

ré fractifs ....................................................................................................... 7.1.7 7.1.8 Technique du poinçon ................................................................................. 7.1.9 7.1 . 1 O Technique du balayage par colonnes ...........................................................

7.2.1 Le superpolissage par rodage ...................................................................... 7.2.2 Le superpolissage avec un outil flottant ou (( float polishing )) ................... 7.2.3 Le superpolissage avec un jet d’eau chargé d’abrasifs

7.2.4 Les essais de polissage avec un laser CO2 ................................................... 7.2.5 Les essais de superpolissage par érosion ionique ........................................ 7.2.6 Le procédé LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) ................. 7.2.7 Les essais d‘usinage par ablation laser ......................................................... 7.2.8 Technique de l’échange ionique .................................................................. 7.2.9 L’usinage électrochimique a fait l’objet d‘essais de formage

et de superpolissage ..................................................................................... 7.2.10 L‘usinage mécano-chimique ........................................................................

Technique des réseaux de lentilles cylindriques ..........................................

Technique de la fusion de lentilles photosensibles ......................................

7.2 Autres procédés, autres applications ...................................................................

ou G flow polishing )) ...................................................................................

PARTIE 2

MÉTROLOGIE

8 Dispositifs pour la mesure de la forme des surfaces optiques

8.1 La mesure des défauts de forme des surfaces sphériques .................................. 8.1.1 La mesure des écarts normaux ..................................................................... 8.1.2 La mesure des pentes locales de l’onde : la déflectométrie ......................... 8.1.3 La mesure des rayons de courbure des surfaces sphériques .......................

8.2.1 Les surfaces proches d’une sphère ou d’une conique .................................. 8.2.2 Les surfaces éloignées d’une sphère ou d’une conique ...............................

8.2.4 8.2.5

planes. sphériques et asphériques

8.2 La mesure des défauts de forme des surfaces asphériques ................................

8.2.3 Le contrôle de surfaces toriques et cylindriques ............... ............ Contrôle du petit rayon ................................................................................ Contrôle du grand rayon ..............................................................................

8.2.6 Surfaces cylindriques ................................................................................... 8.3 Autres méthodes de mesures ................................................................................

8.3.1 La mesure du diamètre apparent des anneaux à l’infini ............................... 8.3.2 L ’augmentation de la sensibilité ..................................................................

132 132 132 133

133 133 133 134 134 134 134 134

135 135 136 136 137 137

138 138

143 146 154 157 159 159 159 162 162 162 162 162 162 163

XII1

8.3.3 La réduction de la sensibilité de l'interférométrie ....................................... 8.3.4 Les limitations de tous ces procédés ............................................................ 8.1.5 Les surfaces étalons .....................................................................................

9 La mesure des défauts locaux des surfaces optiques 9.1 Les méthodes métriques ....................................................................................... 9.2 La strioscopie . Le poste de classification ............................................................ 9.3 Comparateur microscopique du SIRA ............................................................... 9.4 Détection et classement automatique des défauts locaux ..................................

10 La mesure de la rugosité des surfaces optiques 10.1 L'observation 3D ................................................................................................ 10.2 Profilomètres mécaniques 2D ............................................................................ 10.3 Profilomètres optiques .........................................................

10.3.2 Profilomètres optiques 3D ............................................. 10.3.1 Profilomètre interférométrique 2D ...............................................................

10.4 Microscopes à effet tunnel (STM) et à force atomique (AFM) .......................

10.5 La réflectométrie des surfaces aux rayons X rasants (IOTA)

10.6 Méthodes donnant une valeur moyenne ........................................................... 10.6.1 Goniodiffusiomètre ................................................................ ....... 10.6.2 Lumière diffusée intégrée (TIS, Total Integrated Scattering) ......................

11 La mesure des angles formés entre les faces planes 11.1 La Méthode dite des Lunes ..............................................................

1 1.1.1 Principe ........................................................................................................ 1 1.1.2 Lames à faces pl parallèles ............................................................... 11.1.3 Les Prismes ....... ............................................................................... 11.1.4 Autres prismes .............................................................................................

11.2 Les cales d'angles ................................................................................................

12 Lesnormes 12.1 L'objectif des normes . Les organismes qui organisent et soutiennent

12.2 Liste des normes françaises en vigueur au début de l'année 1998

12.3 Situation de la normalisation française en regard de la situation I S 0

le financement de leur rédaction ......................................................................

et relatives aux sujets traités dans cet ouvrage ................................................

dans le domaine de l'optique de précision ........................................................

164 165 167

171

172

173

174

177

178

179 179 179 180

181

181 181 182

189 189 189 190 191 191

193

194

196

XIV

Annexe 12-1 ............................................................................................................................

Les défauts de forme des surfaces optiques ...................................................

La rugosité des surfaces optiques ........................ Le centrage .....................................................................................................

La couche superficielle des surfaces vitreuses polies 13.1 Introduction ........................................................................................................

Définition d'un composant optique ................................................................

Les défauts locaux des surfaces optiques ............. ...................

13

13.2 La Physico-chimie de l'ébauchage et du doucissage des surfaces vitreuses ... 13.3 Les théories du polissage ...................................... ...................

13.3,. 1 L'abrasion pure ............................................................................................ 13.3.2 Le fluage ..................................... .......................................... 13.3.3 L'action physico-chimique ........................................................................... 13.3.4 La couche superficielle d'une surface polie .................................................

13.4 Conclusion de l'étude ............................................... ...................

14 . Nettoyage 14.1 Introduction ........................................................................................................ 14.2 Agents de nettoyage ................................................. ...................

14.2.1 Solvants .............. ................................................................................... 14.2.2 Détergents ....................................................................................................

14.2.4 Séchage ........................................................................................................ 14.3 Moyens associés aux agents de nettoyage ......................................................... 14.4 Autres méthodes .................................................................................................

14.4.1 Résines pelables ........................................................................................... 14.4.2 Jet liquide ou gazeux ................................................................................... 14.4.3 Nettoyage aux ultraviolets-ozone ................................................................ 14.4.4 Effluvage ou érosion ionique ....................................................................... 14.4.5 Machines industrielles ................................................................................. 14.4.6 Caractérisation des surfaces ......................................................................... 14.4.7 Stockage ......................................................................................................

14.2.3 Produits de rinçage ..................................................................

. . .

15 Matériaux optiques 15.1 Notations .............................................................................................................. 15.2 Les fléchissements ...............................................................................................

15.2.1 Critères de mérite ........................................................................................ 15.2.2 Quelques formules et règles qui peuvent être utiles ....................................

15.3 Les déformations d'origine thermique .............................................................. 15.3.1 Systèmes catadioptriques ............................................................................. 15.3.2 Système dioptrique . Variation de la différence de marche .......................... 15.3.3 Le calcul de la déformation des faces planes d'un cylindre .........................

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XV

15.3.4 Quelques règles simples pour limiter les déformations d'origine thermique

15.3.5 Les miroirs allégés ....................................................................................... et élastique en cours de surfaçage et de contrôle ......................................... 251

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Annexes au Chapitre 15 15-1 Caractéristiques des Matériaux ...................................................................... 15-2 Méthodes d'usinage ....................................................................................... 269 15-3 Les Poudres Abrasives - Granulométrie comparée des poudres abrasives .... 15-4 Les Poudres Abrasives - Granulométrie de pellets diamantés .......................

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Bibliographies ........................................................................................................................ 283

1 Précision des surfaces

C e premier chapitre est une introduction pour les lecteurs non-opticiens expliquant pourquoi les méthodes de fabrication sont si particulières et ont tant de difficultés à évoluer. La méthode la plus utilisée actuellement, pour

polir les surfaces, est le rodage, ce qui limite la forme des surfaces aux sphères et au plan. Elle produit des surfaces n’ayant que des défauts de forme à pentes douces, peu d’ondulations et un excellent état de surface.

Mais les besoins évoluent :

* certaines optiques, les objectifs à focaie variable par exemple, com- portent maintenant un nombre important de surfaces. L’accumulation des imperfections, la rugosité par exemple, dont on pou- vait négliger les effets jusqu’alors, doit maintenant être prise en compte, des optiques nouvelles UV, X-UV, à neutrons ou à atomes nécessitent que les tolérances qui chiffrent les dé- fauts de forme, d’ondulation, de rugosité et les dimensions des défauts locaux soient plus sévères, la lon- gueur d’onde associée étant très courte, les techniques de surfaçage se diver- sifient, en particulier, pour pouvoir incorporer dans les instruments des surfaces non sphériques ce qui amé- liorerait les performances des instruments ou réduirait leur volume. Ces nouvelles méthodes engendrent des défauts particuliers qui n’étaient

*

*

I I \

DIP = 48 1 O m lm,

Figure 1-1

Evolution de la fonction de transfert de modulation pour quelques périodes de I ’ondulation

de la surface à profil sinusoïdal Système optique : f /2 ; A = 0.5 p

Amplitude du déphasage max. de In surface d’onde . 0 , 3 7 5 ~

donc pas pris en compte avant puisqu’ils étaient négligeables sur les surfaces sphériques ro- dées.

L’amplitude des défauts que l’on peut accepter dépend considérablement du type d’instrument ; les précisions pour un interféromètre et un système formant des images, par exemple, ne sont pas du même ordre de grandeur. Nous avons choisi de chiffrer les tolérances pour un instriunent d’observation visuelle.

2 J.P. MARIOGE

Considérons un objet éclairé en éclairage incohérent. La luminance B(x, y) est uniforme. Un instrument d'optique en forme une image.

Appelons D(x',y') la fonction représentant la réparti- tion de l'éclairement dans l'image d'un point lumineux placé à l'origine et E(x',y') la répartition des éclairements dans l'image de l'objet B(x,y). On démontre que [ 1-11 :

L'éclairement E s'exprime donc par la convolution de B par D. Soit e (p.,v), b (p,v), d (p,v), e, b, et d étant les transformées de FOURIER de E, B, et D et p et v les fiéquences spatiales dans le plan objet.

W ' , Y ' ) = fIB(x,y)D(x'-x,y'-y)dxdy.

Axe de symétrie

I; D Diaméjtre

Figure 1-2 Représentation de l'ondulation d'une surface optique par une surface ayant

un axe de révolution et pour coupe radiale une sinusoïde

A chaque composante b (p,v) de l'objet, est affecté un coefficient complexe d (p,v) caractérisant l'instrument appelé facteur de transmission ou facteur de filtrage. Cette fonction indique a m - ment chaque composante de l'objet traverse l'instrument.

On démontre égaiement que :

d(,u,v) = JJF(P ' , y ' )F * (p'-;lp',y'-;lv')dp'dy', F(P',y') étant l'amplitude complexe du champ électrique de l'onde sur la sphère de référence. Cette expression peut être transformée et on peut la mettre sous la forme symétrique :

P Y P Y d ( p , v ) = JjF(P'+-, y'+-)F * (Pl- - , r'--)dp'dr' 2 2 2 2

avec P=îLp' et y=hv'.

Ces expressions sont à la base des études de l'infiuence des aberrations et de la rugosité sur les images. Le filtrage est donc représenté par la fonction d'autocorrélation de F et on peut le connaître à partir de la forme de la surface d'onde. Pour une optique sans aberration à pupille circulaire la fonction de filtrage M varie comme la surface commune à deux cercles qui s'écartent l'un de l'autre. Elle a la forme des graphiques supérieurs de la Fig. 1-1.

Sphère déformée

Couronne creuse

Figure 1-3 Défauts de forme.

Couronneconvexeouconcave

Si les ondulations de la surface comportent des basses fré- quences, la fonction d'autocorrélation décroîtra lentement, sa transformée de FOURIER variera rapidement et le flux parasite restera confiné au voisinage de la tache de diffraction de l'instrument parfait. Si, au contraire, les défauts de la surface sont dus à de hautes fréquences spatiales, la fonction d'autocorrélation décroîtra rapidement et la lumière parasite sera très étalée. On passe ainsi de façon continue des défauts de forme à la rugosité.

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 7

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