FR2788348A1 - Procede d'assemblage d'un ensemble optique comprenant des coquilles coaxiales, notamment pour telescope a rayon x - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'assemblage d'un ensemble optique (10) ayant une première (5) et une deuxième (4) extrémités longitudinales comprenant N de coquilles coaxiales formant des miroirs élémentaires (37) et dont chacune s'étend entre lesdites première (5) et deuxième (4) extrémités et présente à ladite première extrémité (5) un premier diamètre et à ladite deuxième (4) extrémité opposée un deuxième diamètre supérieur au premier, caractérisé en ce qu'il comporte : 1/ la mise en place, sur un support (20), par sa première extrémité (5), de la première coquille (36) située le plus à l'extérieur de l'ensemble optique 2/ la mise en place sur le support, par sa première extrémité (5), à l'intérieur de la première coquille, de la deuxième coquille (37) qui lui est immédiatement adjacente dans l'ensemble optique (10). N/la mise en place sur le support, par sa première extrémité, de la Nème coquille qui est située le plus à l'intérieur de l'ensemble optique (10).

Description

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UN ENSEMBLE OPTIQUE COMPRENANT

DES COQUILLES COAXIALES, NOTAMMENT POUR TELESCOPE A

RAYONS X

La présente invention a pour objet un procédé d'assemblage d'un ensemble optique ayant une première et une deuxième extrémités longitudinales et comportant N coquilles coaxiales, formant autant de miroirs élémentaires, et dont chacune s'étend entre lesdites première et deuxième extrémités et présente à ladite première extrémité un premier diamètre et à ladite deuxième extrémité un deuxième diamètre supérieur au premier, les coquilles pouvant être des cylindres complets ou

des segments de cylindre.

Un tel ensemble optique est en particulier connu en tant que miroir de télescope de type WOLTER I pour lequel chaque miroir élémentaire est un miroir pour rayons X en incidence rasante et se présente sous forme d'une surface de révolution ayant une région parabolique de révolution (du côté de la deuxième extrémité de plus grand diamètre) et une région hyperbolique de révolution (du côté

de la première extrémité de plus petit diamètre).

Un tel ensemble et son procédé d'intégration est décrit dans l'Article de D. de Chambure et Collaborateurs intitulé "Producing the X-Ray Mirrors for ESA's XMM Spacecraft" et paru dans le Bulletin de l'ESA n 89 de Février 1997, pages 68 à

79.

Lors de l'intégration, chaque coquille, en commençant par celle qui est la plus au centre, est mesurée, puis positionnée par sa deuxième extrémité et fixée

sur un support, l'intégration s'effectuant du centre vers l'extérieur.

Les performances optiques des coquilles individuelles doivent être optimales avant intégration, ce qui nécessite une fabrication suivant les plus hauts

standards de qualité.

Après l'intégration, il est possible de contrôler les performances optiques de chaque coquille formant miroir, mais il n'est pas possible d'apporter des corrections individuelles pour chaque coquille. Or, l'opération d'intégration entraîne

une déformation des miroirs individuels, ne serait-ce qu'en raison de la pesanteur.

La présente invention a pour objet un procédé d'intégration qui permet d'effectuer des mesures et éventuellement d'apporter des corrections à chaque

fois qu'une nouvelle coquille est intégrée.

L'invention concerne ainsi un procédé d'assemblage d'un ensemble optique ayant une première et une deuxième extrémités longitudinales comprenant N coquilles coaxiales formant des miroirs élémentaires et dont chacune s'étend entre lesdites première et deuxième extrémités et présente à ladite première extrémité un premier diamètre et à ladite deuxième extrémité opposée un deuxième diamètre supérieur au premier, caractérisé en ce qu'il comporte: 1/la mise en place, sur un support, par sa première extrémité, de la première coquille située le plus à l'extérieur de l'ensemble optique 2/la mise en place sur le support, par sa première extrémité, à l'intérieur de la première coquille, de la deuxième coquille qui lui est immédiatement adjacente

dans l'ensemble optique.

15.. N/la mise en place sur le support, par sa première extrémité, de la Nème

coquille qui est située le plus à l'intérieur de l'ensemble optique.

Les coquilles étant intégrées depuis celle qui est le plus à l'extérieur vers celle qui est le plus à l'intérieur, les coquilles étant maintenues sur le support au moins par leur côté de plus faible diamètre, leur surface interne, qui est la surface réfléchissante active, reste accessible tant que la coquille suivante n'est pas apportée, et il est donc possible de procéder sur la coquille à toute opération correctrice ou

complémentaire qui pourrait être jugée utile.

En particulier, le procédé peut être caractérisé en ce qu'au moins une dite mise en place comporte: a) le positionnement de ladite coquille sur le support b) une mesure de topographie de la surface interne de ladite coquille positionnée sur le support c) le cas échéant, un repositionnement de ladite coquille sur le support en fonction du résultat de ladite mesure de topographie, et

c') la fixation de sa position sur le support.

Selon une variante préférée, il est caractérisé en ce qu'au moins une dite mise en place comporte, après ladite fixation de sa position sur le support: d) une mesure de la topographie de la surface interne de ladite coquille fixée sur le support e) le cas échéant, un usinage ionique de la surface interne de ladite coquille pour corriger les défauts initiaux des coquilles et/ou ceux générés par l'intégration. Il est particulièrement avantageux qu'après e), le procédé comporte: f) l'application d'un revêtement réfléchissant sur la face interne de ladite coquille et éventuellement, après f):

g) une vérification optique de ladite coquille.

Ledit procédé peut être de préférence caractérisé en ce que ladite mesure de topographie met en oeuvre une mesure différentielle par balayage de la surface interne de ladite coquille et d'un cylindre de référence disposé sur le support à une position de référence, ladite mesure différentielle étant réalisée sans contact à l'aide de capteurs qui sont portés par une table de mesure dont les déplacements sont

repérés par rapport audit cylindre de référence.

Au moins une coquille peut présenter, au moins une extension à au

moins une de ses extrémités longitudinales.

Le procédé peut être caractérisé en ce qu'au moins une coquille est constituée de plusieurs éléments s'étendant entre la première et la deuxième extrémités et dont chacun occupe une partie du pourtour de ladite coquille et en ce que ces éléments présentent au moins une extension disposée à au moins une de leurs

extrémités longitudinales et à au moins un de leurs bords latéraux.

De telles extensions constituent des éléments de fixation mécaniques. Au moins une dite extension disposée à une extrémité longitudinale peut

constituer un baffle d'atténuation de lumière parasite.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront

mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non

limitatif en liaison avec les dessins dans lesquels: - la Figure 1 représente un module pour télescope XMM; - les Figures 2a à 2c illustrent le procédé d'intégration selon Il'invention - la Figure 3 représente un dispositif de mesure adapté au procédé selon l'invention; - la Figure 4 représente un mode de réalisation d'une partie d'un miroir élémentaire -la Figure 5 représente un mode de réalisation d'un miroir élémentaire. La tendance actuelle en astronomie spatiale est de développer des systèmes optiques ayant une grande surface collectrice avec une résolution inférieure à une seconde d'arc. Ceci implique en général la fabrication d'un grand nombre de miroirs de haute qualité, qui fonctionnent dans un environnement stabilisé sur le plan thermique, avec des gradients inférieurs à 0,2 C et à des températures qui peuvent

atteindre -80 C. Un des problèmes que posent ces miroirs est leur coût de fabrication.

La présente invention propose un procédé d'intégration de miroirs qui convient particulièrement, mais non exclusivement, à une optique 1 mettant en oeuvre des miroirs de type WOLTER I, fonctiolmant dans la bande d'énergie comprise entre 0,003 keV et 100 keV (c'est-à-dire des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 0,01 nm). Des miroirs individuels de révolution ou coquilles (MI... MN), dont chacun comporte une région d'entrée 2 de section parabolique présentant une extrémité d'entrée 4 et une région de sortie 3 de section hyperbolique présentant une extrémité de sortie 5, sont assemblés pour former un module 10 de miroirs concentriques de même foyer et dont chacun est susceptible de recevoir des rayons X en incidence rasante dans le sens de la flèche F. Chaque miroir individuel (Mi... MN) est un miroir mince, un tel miroir étant défini comme ayant un rapport entre son

épaisseur et son rayon de courbure moyen, qui est inférieur à 1/50.

En aval du module 10, est disposé un réseau dispersif 11 et deux capteurs à couplage de charge CCD 12 et 14 pour recueillir les rayons X

respectivement non dispersés et dispersés.

Une technique de fabrication et d'intégration de tels miroirs est

décrite dans l'Article précité de D. de Chambure.

Les problèmes que posent l'intégration de tels miroirs sont les suivants il est difficile de réaliser in situ des mesures sur les optiques mises en place, - des déformations de l'optique sont générées lors de l'intégration des miroirs, alors que ceux-ci doivent être fabriqués aux spécifications finales, qui sont très sévères, d'ou un coût élévé, - des déformnations différentielles dues aux coefficients thermiques différents se produisent entre les miroirs et le support lors des différentes étapes: fabrication, intégration, test et utilisation, lo - il est difficile de bien aligner des miroirs individuels et de faire coïncider leurs foyers. La présente invention propose un procédé qui permet d'améliorer l'intégration et éventuellement la correction finale de miroirs élémentaires pour former

un module.

Selon ce procédé, les miroirs sont intégrés sur un support 20 en N étapes successives en commençant par le miroir de plus grandes dimensions MI (voir Figure 2a), c'est-à-dire celui qui est situé le plus à l'extérieur du module 10, et en le posant par sa première extrémité, ou extrémité aval 5, de plus petit diamètre, et en procédant de proche en proche (Mi, M2, M3,...) jusqu'au Nème miroir qui est posé sur

son extrémité aval 5 (voir Figures 2b et 2c).

De la sorte, la surface interne réfléchissante 6 de chaque coquille I qui vient d'être intégrée sur le support 20, est accessible en vue d'effectuer des mesures de la coquille qui vient d'être intégrée, à l'aide d'un dispositif (34, 35) qui sera

décrit plus loin (en liaison avec la Figure 3) et d'apporter d'éventuelles corrections.

Il est possible d'appliquer une déformation au support 20 pour compenser la charge supplémentaire due au poids des miroirs élémentaires au fur et à mesure de leur intégration, ou bien encore en faisant tourner le support 20 de manière à tenir compte d'une différence éventuelle entre l'axe optique d'un miroir à intégrer et

l'axe vertical.

La correction sur les miroirs élémentaires peut être réalisée par polissage ionique de chaque miroir après son intégration. Ceci permet de compenser les défauts de fabrication des miroirs et/ou les défauts induits par l'intégration (rétreint de la colle, charges mécaniques, etc.

.). Le polissage ionique présente l'avantage de ne pas dégrader la micro-rugosité des surfaces polies, à condition toutefois de maintenir le taux d'enlèvement et la quantité de matière à enlever dans des limites raisonnables. C'est également une méthode de correction sans contact et sans effet de bord. Une solution pour réduire les déformations générées à l'intérieur des miroirs élémentaires est de les fixer grâce à une région d'interface non active..DTD: optiquement, qui permet d'atténuer les contraintes.

I0 Par exemple, on a représenté à la Figure 4 un miroir élémentaire de type WOLTER I qui est formé d'éléments 40 constituant des segments de cylindre occupant une fraction du pourtour et dont chacun présente une région 42 de section parabolique et une région 43 de section hyperbolique. Le bord 44 de la région 42 se prolonge par une patte 46 en vue de sa fixation sur une pièce qui vient coiffer l'ensemble des miroirs, alors que le bord 45 de la région 43 se prolonge par une patte 47 pour sa fixation sur le support 20. Latéralement et au moins d'un côté, les régions 42 et 43 se prolongent par des pattes de fixation respectivement 48 et 49. Ces pattes de fixation mécaniques constituent des extrémités qui sont d'une seule pièce avec les

miroirs élémentaires.

La Figure 5 représente un miroir élémentaire de type WOLTER I formant un cylindre complet et présentant des pattes de fixation amont 56 et aval 57, raccordées par des bords amont 54 et aval 55 à une région de section parabolique 52 et

à une région de section hyperbolique 53.

Les pattes 46 à 49, 56 et 57 peuvent permnnettre une commande de la

température au plus près de l'optique.

Les pattes 46, 47, 56 et 57 peuvent permettre également de limiter la

quantité de lumière parasite qui pénètre le module.

La présence de lumière parasite est inhérente aux télescopes à angle d'incidence rasante. Il est connu pour atténuer cette lumière parasite de disposer des

baffles ou écrans co-alignés avec les miroirs, et leur fabrication ainsi que leur co-

alignement avec les miroirs sont délicats, coûteux et prennent beaucoup de temps. Un tel baffle optique peut être réalisé d'une seule pièce avec un miroir élémentaire, par exemple par électroformage. Il est alors possible après intégration de traiter le baffle optique, situé du côté de l'extrémité amont 4, le miroir étant posé sur l'extrémité aval 5. Ce traitement d'usinage pour conférer une rugosité contrôlée à la surface interne de baffle peut s'effectuer par usinage ionique, lors de l'opération d'usinage ionique de la

surface réfléchissante du miroir.

Après intégration d'un miroir élémentaire, il est possible de le revêtir d'un revêtement, connu en soi, pour lui conférer des caractéristiques de réflectivité élevée sur une large bande passante. Un tel revêtement met en oeuvre l'application

d'un ou plusieurs couches, par exemple métalliques.

Le support des miroirs 20 (cf. Figure 3) présente un dispositif 39 de compensation de la déformation induite par le poids des miroirs élémentaires qui sont successivement intégrés. Le support 20 porte un cylindre de référence 33 qui fait face à la surface optique 37' du miroir 37 qui vient d'être intégré et dont l'axe 33' est de

préférence parallèle à l'axe optique X commun aux miroirs élémentaires (M1... MN).

Les miroirs sont maintenus en des points répartis de manière éventuellement égale sur leurs bords et ils sont déplacés vers le bas parallèlement à l'axe X en utilisant le cylindre 33 comme une référence dans les axes horizontaux Y et Z de manière à assurer que le miroir en cours d'intégration soit déposé en suivant la trajectoire requise qui permet de le poser sans qu'il ne touche les miroirs précédemment intégrés. On peut utiliser l'outil de manutention des miroirs décrit dans l'Article de D. de Chambure et Collaborateurs intitulé "The Status of the X-ray Mirror

Production for the XMM Spacecraft" paru dans SPIE Proceedings n 2808, page 362-

375 (1996).

Une fois que le miroir est en place, la topographie de sa surface active 37' est mesurée par balayage à l'aide de jauges sans contact et du cylindre de référence 33. La mesure de la topographie peut être également réalisée par un test optique. Suite à un balayage, la position optimale du miroir 37 est calculée et

les outils de manutention le repositionnent si nécessaire.

Le miroir 37 est ensuite fixé en position par collage ou par fixation mécanique par exemple par vis. L'outil de manutention est alors découplé du miroir 37. A ce moment, le poids du miroir 37 est transféré au support 20, d'o une déformation de celui-ci. Cette déformation est mesurée et le dispositif de déformation

39 produit des forces de compensation pour ramener le support 20 à son état initial.

Il se peut cependant que l'intégration du miroir 37 ait généré des petites eTrreurs d'angle et des petites déformnations locales du miroir, de l'ordre de

quelques microns, au voisinage de ses points d'ancrage.

Ces erreurs peuvent être compensées en mesurant de nouveau par balayage la topographie de miroir 37. La différence entre la topographie mesurée et la topographie souhaitée permet de déterminer la quantité de matière à enlever par usinage ionique, et donc d'ajuster les paramètres d'usinage ionique. Le système de mresure 30 est alors éloigné, et une tête d'usinage est mise en place. Elle comporte un dispositif de positionnement en X, Y et Z pour positionner la tête d'usinage par rapport au cylindre de référence 33. En variante, la tête d'usinage peut être montée sur le dispositif de mesure par balayage, ce qui permet de réaliser cet usinage

immédiatement après l'étape de mesure de topographie.

Il est également possible de réaliser un revêtement ultérieur, comme mentionné plus haut, à l'aide d'une ou plusieurs couches, notamment métalliques ou organiques. La tête de revêtement peut être installée sur la tête d'usinage, auquel cas, l'ensemble peut être un robot qui est susceptible de réaliser l'ensemble des opérations (mesure de topographie, usinage, revêtement) sans casser le vide, d'o une propreté

optimale, qui s'ajoute à un gain de temps important.

Il est également possible de tester à tout moment un miroir ou l'ensemble des miroirs, sur le plan optique, suivant un axe vertical minimisant la déformation due à la gravité et à différentes longueurs d'ondes suivant la procédure exposée dans l'Article de J.P. COLLETTE et Collaborateurs "Performance of XMM

Optics and Vertical Test Facility", SPIE Proceedings, Denver, 1996.

Une fois un miroir intégré, il est possible d'intégrer le miroir suivant

en répétant l'ensemble de la séquence.

Le support 20 peut être incliné par un dispositif d'inclinaison 38, pour le cas des systèmes, notamment à miroirs à surface ouverte, pour lesquels deux miroirs successifs peuvent présenter des angles différents entre leur axe optique et la verticale. Le dispositif de balayage 30 peut être tel que représenté à la Figure 3. Il comporte une table principale 31 équipée d'un capteur 32 de centrage du type sans contact pour repérer la position de la table 31 par rapport au cylindre de référence 33 posé sur le support 20. La table 31 est mobile en rotation autour d'un axe parallèle à l'axe 33' du cylindre de référence 33, ce qui produit un déplacement en

azinmuth de la tête de mesure. L'angle d'azimuth est mesuré par un capteur angulaire.

La table principale 31 porte au moins un bras 34 déplaçable en translation le long de l'axe longitudinal de la table 31. Le bras 34 porte une table de mesure 35 qui est montée sur un banc équipé de deux moteurs et qui est déplaçable d'une part

verticalement le long de l'axe longitudinal de bras 34, et d'autre part horizontalement.

La table de mesure 35 porte trois capteurs référencés A, B et C. Le capteur A est un capteur à faible portée, par exemple du type laser, du type magnétique ou bien encore du type capacitif et qui fait face à la surface optique 37' du miroir individuel 37 en cours d'intégration. Au cours de balayage de la surface optique 37', les déplacements de la table 35 sont asservis de sorte que la distance d entre le capteur A et la surface 37' reste constante, et donc que la distance entre la table de

mesure 35 et la surface 37' reste constante.

Le capteur B, par exemple du type à laser, sert à déterminer la distance D entre la table 35 et le cylindre de référence 33. La distance entre la surface optique 37' du miroir et l'axe 33' est donc égale à la distance d, plus la distance DO (constante) entre les capteurs A et B, plus la distance D, plus le rayon r du cylindre de

référence 33.

Le capteur C, par exemple du type à laser, sert à mesurer la distance verticale entre la table de mesure 35 et le support 20. L'angle d'azimuth, et les valeurs fournies par les capteurs B et C sont lus à intervalles réguliers, ce qui permet de retrouver les coordonnées (x, y, z) du point correspondant de la surface 37' du miroir 37. Comme indiqué précédemment, plusieurs bras peuvent être portés par la table 35 de manière à ce que l'ensemble constitue un robot de mesure, d'usinage

et de revêtement.

La table 35 pourra porter un bras comportant la tête d'usinage, la tête de revêtement et des capteurs B' et C' analogues aux capteurs B et C. Le capteur A est dans ce cas superflu étant donné qu'à ce moment la topographie de la surface du miroir est connue et que le positionnement du bras ne nécessite que les valeurs d'angle

d'azimrnuth (fournis par la table 35) et les données mesurées par les capteurs B' et C'.

Le procédé selon l'invention peut également s'appliquer en partie

pour des surfaces non optiques.

iI

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'assemblage d'un ensemble optique ayant une première et une deuxième extrémités longitudinales comprenant N coquilles coaxiales fonnrmant des miroirs élémentaires et dont chacune s'étend entre lesdites première et deuxième extrémités et présente à ladite première extrémité un premier diamètre et à ladite deuxième extrémité opposée un deuxième diamètre supérieur au premier, caractérisé en ce qu'il comporte: I/ la mise en place, sur un support (20), par sa première extrémité (5), de la première coquille (M1) située le plus à l'extérieur de l'ensemble optique (10), 2/la mise en place sur le support (20), par sa première extrémité (5), à l'intérieur de la première coquille, de la deuxième coquille (M2) qui lui est

immédiatement adjacente dans l'ensemble optique (10).

N/ la mise en place sur le support (20), par sa première extrémité (5), de la Nème coquille (MN) qui est située le plus à l'intérieur de l'ensemble optique (10).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une dite mise en place comporte: a) le positiomlement d'une dite coquille (37) sur le support (20) b) une mesure de topographie de la surface interne (6, 37') de ladite coquille (37) positionnée sur le support (20) c) le cas échéant, un repositionnement de ladite coquille (37) sur le support (20) en fonction du résultat de ladite mesure de topographie, et

c') la fixation de la position de ladite coquille (37) sur le support (20).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une dite mise en place comporte, après ladite fixation sur le support (20): d) une mesure de la topographie de la surface interne (37') de ladite coquille (37) fixée sur le support (20) e) le cas échéant, un usinage ionique de la surface interne (37') de ladite

coquille (37).

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte après e): 0 l'application d'un revêtement réfléchissant sur la face interne (37') de ladite

coquille (37).

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte après f):

g) une vérification optique de ladite coquille.

6. Procédé selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que

ladite mesure de topographie met en oeuvre une mesure différentielle par balayage de la surface interne (37') de ladite coquille (37) et d'un cylindre (33) de référence disposé sur le support (20) à une position de référence, ladite mesure différentielle étant réalisée sans contact à l'aide de capteurs (A, B, C, D) qui sont portés par une table de mesure (31, 34, 35) dont les déplacements sont repérés par rapport audit

cylindre de référence (33).

7. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en

ce qu'au moins une coquille (40) présente au moins une extension (46, 47) constituant un élément de fixation mécanique, qui est disposée à au moins une de ses extrémités longitudinales.

8. Procédé selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au

moins une coquille est constituée de plusieurs éléments (50) s'étendant entre la première (44) et la deuxième (45) extrémités et dont chacun occupe une partie du pourtour de ladite coquille et en ce que ces éléments présentent au moins une extension (46, 47, 56, 57) constituant un élément de fixation mécanique, qui est disposée à au moins une de leurs extrémités longitudinales (44, 45) et à au moins un

de leurs bords latéraux.

9. Procédé selon une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce

qu'au moins une dite extension (46, 47) disposée à une dite extrémité longitudinale

constitue un baffle d'atténuation de lumière parasite.