7.1 Production de composants optiques pour l'instrumentation

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• Publié par: Seym
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Extrait

7.1 Production de composants optiques pour l’instrumentation (Annexe au chapitre 7.1.1) Ce document a été réalisé avec la collaboration de Jean-Jacques CONTET (Optique Fichou – Pdt AFOP), Raymond MERCIER (IOTA – Orsay) et Dominique LAROCHE 7.1.1 Evolutions des techniques de polissage des composants optiques polissage (substrats verres, métaux, cristaux, céramiques) Le polissage des composants optiques, quel que soit le domaine spectral, demeure une technologie indispensable à la réalisation des instruments optiques. Il faut noter que les précisions demandées pour ces composants, ainsi que la nature des substrats utilisés, évoluent rapidement depuis quelques années, ce qui a pour effet d’entraîner des évolutions importantes dans les procédés de production associés. Ces évolutions concernent aussi bien le type de profil des composants, que la précision par rapport au profil théorique ainsi que la qualité de l’état de surface final (principalement en terme de rugosité). 7.1.1.1 Evolution des technologies de polissage des composants optiques sphériques et plans Dans ce secteur de la production de composants optiques, les technologies classiques restent largement utilisées et les travaux de R et D menés par les industriels sont surtout orientés sur l’amélioration de la qualité des états de surface, les adaptations à de nouveaux substrats (cristaux, céramiques, ..) pour lesquels les machines automatisées de polissage ne sont pas adaptées, ou insuffisamment précises. Concernant les moyens de production, il faut noter l’apparition sur le marché, depuis quelques années, de gammes de machines à commandes numériques permettant de réaliser la totalité des opérations d’ébauchage, doucissage, polissage, dé bordage et chanfreinage. Ces centres d’usinage sont associés à des postes de contrôle interféromètriques. Ils permettent de réaliser des pièces de relativement grandes dimensions et les précisions obtenues répondent à une part importante des applications du secteur de l’optique instrumentale. Il n’existe aucune production en France de telles machines, qui doivent être importées, principalement de RFA, et les niveaux d’investissements à mettre en place sont relativement importants par rapport aux machines conventionnelles de polissage. De plus elles font appel à des personnels qui doivent, idéalement, avoir une double formation en opérateur de machines à commande numérique et de polisseur; (aucune formation initiale ne correspond à ce profil en France) Le taux d’équipement des industriels français en centres d’usinage optiques est encore faible et est en retard par rapport à des pays traditionnellement concurrents, mais aussi par rapport à certains pays émergents qui ne disposaient pas au départ d’une tradition de formation d'une main d’œuvre qualifiée en polissage de précision . Livre blanc sur l'optique : tome 2 Enfin, certains industriels, équipés de machines d’usinage ionique ou magnétorhéologique (cf. § suivant), utilisent également ces machines pour la production de certains de leurs composants sphériques ou plans de très haute précision ou difficiles à polir conventionnellement Toutefois ces centres d’usinage automatisés, ou ces nouvelles technologies de polissage, ne peuvent encore satisfaire à l’ensemble des besoins en polissage exprimés par les industriels français de l'instrumentation. Ceci implique donc le maintien de capacités de production en polissage conventionnel qui seul permet, actuellement, la réalisations des pièces optiques de très hautes précision, ainsi que le polissage de certains verres, cristaux ou céramiques, et qui reste plus économique pour la réalisation de prototypes ou de séries limitées. . 7.1.1.2 Evolution des technologies de polissage des composants asphériques Pendant des siècles, les concepteurs optiques ont du se contenter d'utiliser des profils plans ou sphériques, les seuls que l’on savait réellement réaliser de façon industrielle avec des précisions suffisantes. Toutefois le besoin en instruments de plus en plus performants en terme de champ, de résolution et d'étendue spectrale spectrale, ainsi que la contrainte d’encombrements et de poids de plus en plus réduits (sous l’impulsion initiale des besoins militaires ou spatiaux, puis des instruments professionnels portables) a rendu indispensable la maîtrise de processus de réalisation de surfaces asphériques, centrées ou excentrées (pour la réalisation de télescopes spatiaux à faible encombrement) et présentant des déformées importantes par rapport à la sphère. L’asphérisation de composants optiques a démarré de façon réellement industrielle, il y a environ 3 décennies, dans le domaine des composants infrarouges, grâce aux technologies d’usinage à la pointe diamant et à l’apparition de centres d’usinage multiaxes suffisamment précis ( ≤ 1µm). Toutefois cette technologie ne pouvait s’appliquer qu’à l’usinage direct des métaux ou de certains cristaux utilisés dans l’infrarouge. Cette technologie, issue directement des techniques d’usinage mécanique, présentait l’avantage d’une grande reproductibilité, avec des durées d’usinage prédictibles, mais ceci au prix d’investissements très élevés. En France, elle a été mise en œuvre de façon industrielle par SOPELEM et par SAT/SAGEM en particulier pour des applications de défense et spatiales. Cependant cette technologie ne peut pas être utilisée directement avec les verres optiques qui ne sont pas usinables par un outil à pointe diamant. Pour ces matériaux il n'est possible que de générer le profil asphérique du composant en effectuant de la micro rectification à la meule diamantée sur des centres d’usinage identiques, toutefois l’état de surface obtenu (en terme de rugosité) n'est pas compatible des spécifications exigées, en particulier pour les applications dans le domaine du spectre visible, et les composants obtenus ne sont donc pas utilisables en l’état. . Pendant de nombreuses années, les industriels ont développé diverses techniques dites de « polissage souple » afin de corriger les défauts d’état de surface dus à l’utilisation des meules (ou les sillons dus à l’utilisation de l’outil diamant), tout en essayant de conserver au mieux le profil asphérique initial. Ces processus se sont en général révélés peu déterministes en terme de durée d’usinage et aléatoires en ce qui concerne le profil final, et ceci malgré la 2 sophistication des robots mis au point et les progrès réalisés dans l’instrumentation de contrôle interféromètrique associée. Dans la dernière décennie, d’autres technologies ont été développées pour résoudre ces problèmes d’usinage asphérique de grande précision des verres et céramiques utilisées dans le spectre visible ou dans l'U.V. En France plusieurs technologies d’usinage ionique (utilisant le principe de l’ablation de matière sous l’impact d’un faisceau d’ions) ont, en particulier, été mises en œuvre: Dans les laboratoires de l’Institut d’optique qui ont travaillé sur un principe d’érosion ionique à faisceau large, modulé par un masque, permettant l’usinage de profils quelconques sur la totalité de la surface du composant Cette technologie a été utilisée pour la réalisation de télescopes pour les X-UV, de petites surfaces ellipsoïdales pour imageurs X-UV, de miroirs de phase pour cavités laser, …et pourrait être utilisée pour la réalisation d’asphérisation hors d’axe pour le projet spatial SDO Elle n’a toutefois pas fait l’objet de transferts technologiques vers des industriels. A la société REOSC (maintenant SAGEM), qui a développé un processus de correction localisé du profil du composant optique. Il est ainsi possible de « gommer » localement les défauts de surface générés lors de la phase de polissage souple. Les équipements de production développés permettent de travailler sur des pièces optiques, éventuellement off- axis, de plusieurs centaines de millimètres de diamètre. Ce procédé, couplé à des moyens de contrôle interférométrique de haute précision, est fiable, reproductible avec des durées d’usinage prédictibles et restant compatibles avec des applications comme le spatial, les grands programmes scientifiques, l’astronomie, etc…. L’usinage ionique, grâce à sa capacité d’agir sur le profil du composant sans apporter de détérioration à la rugosité initiale de la surface (pouvant être de très bonne qualité car basée sur des processus conventionnels de polissage), a permis de traiter de nombreux projets critiques dans les domaine du visible ou des très courtes longueur d’onde. En contre partie il implique la mise en œuvre d'installations complexes travaillant sous vide, des investissements importants et des cycles d’usinage se chiffrant encore en fractions de journées, ce qui en limite l’usage à des productions limitées en quantité ; De leur coté les USA, à la suite de travaux réalisés à l’Université de Rochester, ont développés une autre technologie de retouches locales basée sur le principe dit de « polissage magnétoréologique » (utilisation d’un jet de liquide chargé de particules abrasives et de particules magnétiques, qui, placé dans un champ magnétique intense, se solidifie partiellement et permet ainsi l’usinage local de la pièce optique amenée en contact). Ces travaux ont conduit à la mise au point puis à la production d’une machine industrielle permettant d’effectuer la phase de rectification finale du profil, après celle de polissage souple. Cette opération est rapide, très déterministe et ne dégrade pas la qualité initiale de rugosité. Bien que le niveau d'investissement reste élevé, cette technologie n’implique pas d'environnement industriel particulier et conduit à des temps d’usinage relativement courts, ce qui permet d’envisager son application à des productions de série. Ces machines ne sont produites qu’aux USA et en RFA (sous licence pour le marché