État de surface (optique)

Tout composant optique (miroir, lentille, dioptre) met en jeu des surfaces aux interfaces de différents milieux. Ces surfaces, considérées parfaites lors de la conception optique, ne le sont pas en pratique. On s'intéresse donc à l'état de surface des composants optiques pour connaître leur qualité.

Interféromètre Zygo, utilisé pour le contrôle d'état de surface.

Les systèmes optiques utilisant un grand nombre de composants souffrent de l'accumulation des défauts de chaque surface. Certains domaines d'application nécessitent une qualité particulière de l'état de surface des optiques.

Pour ces raisons, des techniques de contrôle de l'état de surface ont été mises au point.

On ne parlera dans cet article que des techniques de contrôle optiques, mais il existe également des techniques mécaniques.

Les composants optiques sont souvent usinés par rodage, ce qui permet d'avoir des surfaces avec peu d'ondulations et une faible rugosité, mais est limité aux formes planes et sphériques.

Défauts des surfaces optiquesModifier

On peut classer les défauts selon les fréquences spatiales associées.

Les défauts de formeModifier

Il s'agit des défauts de basses fréquences spatiales, ce qui correspond à l'écart à la forme globale souhaitée pour la surface (par exemple plane ou parabolique). Ces défauts entraînent des déformations du front d'onde de la lumière, au même titre que les aberrations.

Les ondulationsModifier

Il s'agit de défauts de moyennes fréquences spatiales.

La rugositéModifier

Il s'agit des défauts de fréquences spatiales élevées. Une rugosité trop importante provoque des phénomènes de diffusion et de diffraction. La rugosité reflète la qualité du polissage.

Les défauts locauxModifier

Il s'agit des rayures, piqûres, tâches diverses, défauts de traitement... Ils peuvent être de différentes tailles et formes, et donc provoquer des effets variés : variation d'amplitude de la lumière par occultation ou atténuation, variation de phase, diffraction, perte de contraste.

Les techniques (optiques) de contrôle de défauts de formeModifier

Pour les surfaces planes et sphériquesModifier

Une surface plane peut être considérée comme une surface sphérique de rayon de courbure infini, c'est pourquoi ces deux types de surfaces sont réunis dans cette même section.

InterférométrieModifier

On compare la surface à étudier à une surface de référence, qu'on considère parfaite. Les écarts à cette surface de référence correspondent donc aux défauts à corriger. La surface étalon doit être concave lorsqu'on étudie une surface convexe et inversement. En effet, on met en contact ces deux surfaces et on observe la lumière émergente. Si les deux surfaces ont même sphéricité, et même rayon de courbure, on observe une teinte plate (éclairement uniforme). Dans le cas contraire, les différences entre les surfaces introduisent des différences de marche, on observe donc des franges d'interférence. Ces franges représentent des lignes de niveau de la surface et permettent donc de caractériser sa forme. Les techniques interférométriques permettent de déterminer la forme et l'amplitude du défaut, mais pas toujours son sens (un creux et une bosse peuvent donner la même figure d'interférence).

Afin d'améliorer la précision des observations et de mieux contrôler les conditions d'éclairage, on utilise un interféromètre. Les plus utilisés sont l'interféromètre de Michelson et l'interféromètre de Fizeau.

Analyse des données - Décalage de phaseModifier

DéflectométrieModifier

Il s'agit de mesurer la pente locale de l'onde émergent de la surface à contrôler. On peut en déduire l'écart à la surface de référence par intégration. Quelques exemples de mesures du front d'onde :

  • Les procédés de Foucault.
  • L'asphéromètre d'Essilor-Thales-Angénieux utilise la méthode de Ronchi pour mesurer l'aberration transverse au centre de courbure ou au foyer de la surface et en déduit les défauts de forme.
  • La méthode de Shack-Hartmann permet d'analyser la surface d'onde par mesures de pentes locales. Il s'agit d'un échantillonnage du front d'onde.
  • Mesure des variations d'orientation (déflexion) d'un faisceau laser lorsqu'on déplace celui-ci le long de la surface. On peut utiliser deux faisceaux, l'un des deux servant de référence.

Pour les surfaces asphériquesModifier

On peut utiliser des optiques permettant d'obtenir une surface d'onde asphérique, de la forme de la surface à contrôler. Si cette surface a la forme souhaitée, elle transforme l'onde en question en onde sphérique ou plane. On est donc ramené à l'étude précédente, sur les surfaces sphériques.

Une autre méthode existe, utilisant l'holographie et un interféromètre de Michelson.

Les techniques (optiques) de contrôle de défauts de rugositéModifier

Deux types de caractérisation des écartsModifier

On sera en général amené à mesurer des écarts entre la surface à étudier et une surface de référence. Une telle mesure d'écart peut être donnée en valeur crête à crête (Peak-to-Valley) ou en valeur quadratique moyenne (RMS, pour l'anglais Root Mean Square).

Profilométrie interférométriqueModifier

On utilise deux faisceaux laser légèrement décalés en fréquence. L'un est fixe et sert de référence. L'autre décrit une trajectoire circulaire sur la surface à contrôler. On déduit l'état de polissage de la surface de mesures de déphasage.

Les techniques (optiques) de détection de défauts locauxModifier

Différentes exigences en fonction des domaines d'applicationModifier

BibliographieModifier

Jean-Paul Marioge, Surfaces Optiques : Méthodes de fabrication et de contrôle, recherche, Les Ulis, EDP Sciences, , 311 p. (ISBN 2-86883-486-8, lire en ligne)

RéférencesModifier

Liens externesModifier

Cours de métrologie des états de surface