Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La fabrication optique couvre de grands domaines et permet d'obtenir une multitude de fonctions optiques notamment les fonctions réflectives et réfractives. Ces dernières années, de nouvelles technologies dans la réalisation du composant optique ont vu le jour, parmi elles les techniques d’usinage et de polissage. Une description et une classification de ces procédés et de leurs performances permettent d’en faciliter le choix. Se pose ensuite la question de la métrologie à mettre en œuvre lors du déroulement de ces opérations. Au final, sont listées leurs nombreuses applications actuelles dans les sociétés optiques en prenant en compte les critères industriels. La demande toujours plus forte dans des surfaces plus précises et plus complexes oblige malgré tout ces nouvelles technologies à d’autres développements.
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Optical manufacturing covers a large domain and provides a host of optical features including reflective and refractive functions. In recent years, new technologies in the realization of optical components have emerged, among them machining and polishing techniques. A description and classification of these processes and their performance can facilitate the choice. Subsequently there is the issue of metrology to be implemented during the course of these operations. Ultimately, their numerous current applications in optical companies are listed, taking into account industrial requirements. The ever increasing demand for more specific and complex surfaces, despite all these new technologies, forces further developments.
Auteur(s)
-
François LEPRÊTRE : Ingénieur Process Optique Thales Angénieux
INTRODUCTION
La fabrication optique couvre de grands domaines et permet d'obtenir une multitude de fonctions optiques :
-
fonctions réflectives : la lumière se réfléchit sur une surface optique ;
-
fonctions réfractives : la lumière traverse une surface optique ;
-
fonctions diffractives : la lumière est diffractée par une surface optique.
Nous nous limiterons dans cet article à étudier principalement les nouvelles technologies de réalisation des composants optiques associés aux fonctions réflectives et réfractives.
Un composant optique simple comporte plusieurs aspects :
-
une matière optique approvisionnée auprès des grands verriers du monde : Schott, Ohara, Hoya, Hikari, CDGM. La qualité de cette matière est un enjeu important pour les composants réfractifs et limite de plus en plus souvent ses performances. Pour les composants réflectifs, la matière sert de « support » à la fonction optique et assure une fonction mécanique importante ;
-
des surfaces actives pour les composants réfractifs, une seule pour les composants réflectifs ;
-
chacune des surfaces a une forme géométrique qui peut être plane, cylindrique, sphérique, asphérique ou de non-révolution (free form). Ces surfaces sont ébauchées puis polies et leurs formes finales garantissent la performance optique du composant. La forme extérieure est ensuite usinée ;
-
pour améliorer les performances optiques ou spectrales du composant, un traitement couche mince est déposé sur les surfaces : antireflet, dichroïque, réfléchissant, polariseur, séparateur ;
-
pour améliorer les performances de lumière parasite, il peut être nécessaire de déposer un vernis noir sur les tranches des composants ou sur une partie de la surface.
De nouvelles technologies ont vu le jour ces vingt dernières années pour réaliser l'ensemble du composant optique et nous étudierons dans cet article les procédés modernes de fabrication des surfaces optiques (hors aspect traitement, collage et vernis). Après une revue indispensable des « grands classiques » de la technologie optique, toujours opérationnels en industrie et obligatoires dans certains cas, nous passerons en revue les différentes techniques d'usinage et de polissage. L'utilisation de ces technologies est possible ou non, en fonction du matériau, de la fonction géométrique souhaitée et du besoin en termes de précision. Nous continuerons par une revue de la métrologie nécessaire pour mettre en œuvre ces nouvelles technologies et nous terminerons par leur application dans l'industrie, les limitations actuelles et les axes de développements en cours.
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Présentation
Description des procédés de fabrication des surfaces optiques
En anglais
1. Rappel des principales étapes de réalisation
-
Avant d'aborder les technologies de réalisation et pour faciliter la lecture de l'article, le glossaire suivant donne les principaux termes qui seront utilisés :
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défaut de forme : écart de forme par rapport à la surface théorique souhaitée. Le terme « planéité » est souvent aussi utilisé en tant que synonyme que ce soit pour des surfaces planes ou non ;
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PTV : Peak To Valley ou « crête à crête » : c'est l'amplitude maximale du défaut de forme (maximum – minimum) ;
-
Rms : Root mean square : écart quadratique moyen ;
-
Ra : terme exprimant l'écart moyen arithmétique ;
-
MRF : MagnetoRheological Finishing ;
-
FJP : Fluid Jet Propulsion.
-
-
Afin de réaliser une surface optique, les grands principes suivants sont applicables que ce soit pour les technologies classiques ou modernes.
-
Étape 1 Mise en forme matière : à partir de la matière première approvisionnée sous forme de disque, barre ou moulage (figure 1a et 1b), il est procédé à des opérations de sciage, de trépannage. L'objectif est de créer des préformes pour l'ébauche des surfaces ainsi que certaines références mécaniques indispensables, pour les surfaces asphériques et free form par exemple. Le choix de la forme de la matière première est primordial selon les objectifs de coût sur la surface à réaliser, les quantités de pièces à fabriquer, les machines disponibles, mais aussi en fonction des performances optiques souhaitées.
-
Étape 2-1 Ébauchage : l'objectif de cette phase est de réaliser la forme grossière des surfaces avec un état de surface ayant un Ra autour de 0,5 à 1 μm : l'outil utilisé est à abrasif libre ou maintenant quasi systématiquement, c'est un outil diamanté avec différents liants. C'est une étape majeure dans la réalisation de la surface optique.
-
Étape 2-2 Doucissage : l'objectif de cette étape est de diminuer la rugosité de la surface autour d'un Ra de 0,3 à 0,5 μm et de s'approcher de la forme finale...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FANG (F.Z.), LIU (X.D.), LEE (L.C.) - Micro-machining of optical glasses – A review of diamond-cutting glasses. - Sadhana, vol. 28, part 5, oct. 2003.
-
(2) - BLACKLEY (W.S.), SCATTERGOOD (R.O.) - Ductile-regime machining model for diamond turning of brittle materials. - Precision Engineering, vol. 13, Issue 2, p. 95-103, avr. 1991.
-
(3) - BUHLER (S.), FUHRERL (J.), CHERVAZ (F.), MEIER (Ch.), OPPLIGER (C.), ROQUIER (F.), BAUME (P.) - Aspherical toroidal mirror fabricated by single-point diamond turning. - Hochschule für Technik und Informatique.
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(4) - BHATTACHARYA (B.), PATTEN (J.A.), JACOB (J.) - Single point diamond turning of CVD coated silicon carbide. - Proceedings of MSEC2006, ASME International Conference on Manufacturing Science and Engineering, Ypsilanti, Michigan, 8-11 oct. 2006.
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(5) - MARSH (E.R.), JOHN (B.P.), COUEY (J.A.), WANG (J.), GREJDA (R.D.), VALLANCE (R.R.) - Predicting surface figure in diamond turned calcium fluoride using in-process for measurement. - J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 23, no 1, American Vacuum Society, janv-fév. 2005.
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