FR3141767A1 - Profilomètre pour surfaces optiques - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un profilomètre (1) pour surface optique (So), comportant un bâti (2),des capteurs de distance (6), montés sur un support de capteurs (3) pour mesurer chacun une distance selon un axe de mesure (9) localement sensiblement normale à une surface de montage (5) du support de capteurs (3), etun support d’élément optique (10) pour maintenir une surface optique (So) d’un élément optique (Eo) à mesurer en regard des capteurs de distance (6) et du support de capteurs (3), la surface de montage (5) étant incurvée pour être complémentaire d’une surface de référence incurvée d’un élément optique de référence maintenu en regard du support de capteurs (3), la surface optique (So) de l’élément optique (Eo) à mesurer étant théoriquement identique à la surface de référence de l’élément optique de référence. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine de l’optique et, plus particulièrement, le domaine du contrôle dimensionnel des surfaces optiques d’éléments optiques de grandes dimensions, comme les miroirs de télescopes.
Un profilomètre est une machine permettant de déterminer un profil d’une surface, c’est-à-dire une forme de celle-ci dans un référentiel qui dépend des éléments mécaniques de la surface dont on souhaite déterminer le profil, et d’y détecter des défauts de forme par rapport à une forme de référence arbitraire.
Pour des surfaces optiques dépolies, il est connu de recourir à une machine à mesurer tridimensionnelle. Une telle machine est efficace lorsque les défauts de forme sont suffisamment grands, typiquement supérieurs à plusieurs microns voire dizaines de microns.
Toutefois, la précision des mesures est généralement considérée comme insuffisante pour des éléments optiques.
De plus, de telles machines présentent en outre l’inconvénient d’être relativement lentes.
Pour des surfaces optiques réfléchissantes, il est possible d’utiliser un dispositif de mesure interférométrique permettant des mesures avec une justesse supérieure à 100 nm en valeur efficace, ou moyenne quadratique, également dénommé par l’acronyme RMS pour « Root Mean Square » en anglais.
Cependant, les dispositifs de mesure interférométriques n’ont pas une dynamique leur permettant de mesurer des défauts de forme dont les dimensions dépassent quelques microns PtV, acronyme pour « Peak To Valley » en anglais.
Par ailleurs, les dispositifs de mesure interférométriques ne sont pas aptes à mesurer une forme de surfaces optiques dépolies, au contraire des machines à mesurer tridimensionnelles.
L’invention a notamment pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients précités.
A cet effet, l’invention est propre à un profilomètre comportant un bâti, des capteurs de distance, montés sur un support de capteurs pour mesurer chacun une distance selon une direction de mesure localement sensiblement normale à une surface de montage du support de capteurs, et un support d’élément optique pour maintenir une surface optique d’un élément optique à mesurer en regard des capteurs de distance et du support de capteurs.
La surface de montage est incurvée pour être complémentaire d’une surface de référence incurvée d’un élément optique de référence qui serait maintenu en regard du support de capteurs, la surface de l’élément optique à mesurer étant théoriquement identique à la surface de référence de l’élément optique de référence.
On comprend donc que l’élément optique à mesurer peut être sensiblement similaire à la surface de référence de l’élément optique de référence, notamment de quelques millimètres, sans que cela impacte une mesure et une performance du profilomètre.
Le terme « sensiblement normal » signifie que l’axe de mesure forme un angle de 90 degrés à la surface de montage, à 1 degré près, préférentiellement à 0,5 degré près.
Comme la surface de montage est complémentaire de la surface de référence et que chaque capteur de distance mesure une distance selon une direction de mesure localement sensiblement normale à la surface de montage, les capteurs de distance mesurent la distance selon une direction théoriquement perpendiculaire à la surface à mesurer.
Le profilomètre va donc mesurer un écart entre la surface de référence et la surface optique à mesurer. Un tel agencement procure des mesures précises et limite l’influence des défauts de montage sur la précision des mesures.
Avantageusement, les capteurs de distance sont répartis sur la surface de montage selon un arrangement quasi-aléatoire. De préférence, l’arrangement quasi-aléatoire est un arrangement de type Hammersley.
Un tel agencement garantit l’obtention d’un profil complet avec une bonne précision de la mesure de la surface et une immunité par rapport à la perte d’un capteur de distance.
Selon une première caractéristique particulière de l’invention, le support de l’élément optique est supporté par un positionneur, notamment un positionneur à six axes de mobilité.
Un tel agencement permet de garantir des efforts minimum exercés sur l’élément optique à mesurer et de maintenir l’élément optique à mesurer de manière particulièrement stable.
En outre, le positionneur permet de positionner précisément la surface optique de l’élément optique à mesurer en regard du support de capteurs, ce qui permet une meilleure précision des mesures.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le support de capteurs est fixe et le support de l’élément optique à mesurer est mobile, notamment monté sur un chariot mobile, entre une position de mesure, dans laquelle le support d’élément optique est disposé en regard du support de capteurs, et une position de chargement/déchargement dans laquelle le support d’élément optique est écarté du support de capteurs pour permettre un chargement et/ou un déchargement de l’élément optique à mesurer sur le support d’élément optique.
Un déplacement occasionne nécessairement des contraintes sur l’élément optique à mesurer déplacé. En laissant immobile le support de capteurs, on limite le risque que de telles contraintes dérèglent le positionnement des capteurs de distance ou endommagent l’ensemble support de capteurs et capteurs de distance.
Avantageusement, le support de capteurs est suspendu au bâti par des attaches, notamment par trois attaches avantageusement disposées à équidistance les unes des autres. Les attaches comprennent respectivement deux bielles ayant des premières extrémités articulées au bâti en des points écartés et des deuxièmes extrémités articulées au support de capteurs en des points rapprochés.
Ceci permet d’accommoder une dilatation différentielle du support de capteurs et du bâti. De plus, ceci est également susceptible de permettre de limiter les contraintes exercées sur le support de capteurs par le système d’accrochage du support de capteurs au bâti.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
En référence aux figures, l’invention est ici décrite en application à la mesure de la surface optique So d’un élément optique Eo.
L’élément optique Eo peut comprendre un miroir M, susceptible de comprendre une surface réfléchissante, formant la surface optique So et une structure de fixation F du miroir M.
L’élément optique Eo est connu en lui-même et ne sera pas plus détaillée ici.
L’élément optique Eo peut être fabriqué grâce à un profilomètre 1 de telle manière que la surface optique So soit identique à une surface de référence aux tolérances de fabrication près.
Toutefois l’élément optique Eo peut être fabriqué grâce au profilomètre 1 selon une forme définie arbitrairement pour autant qu’elle soit sensiblement similaire à la surface de référence de l’élément optique de référence, notamment de quelques millimètres, sans que cela impacte une mesure et une performance du profilomètre.
La surface de référence peut, notamment, être un élément optique de référence, par exemple défini dans un modèle numérique établi par un système informatique de conception assistée par ordinateur. La surface de référence générée numériquement correspond à celle à laquelle doit être comparée la surface optique So d’un élément optique Eo à mesurer.
La surface de référence, notamment matérialisée par un élément optique Eo physique, permet d’obtenir une position précise des capteurs de distance et avoir une détermination précise du défaut de forme.
Le profilomètre de l’invention est conçu pour vérifier si la surface optique So est effectivement identique à la surface de référence aux tolérances de fabrication près ou si des erreurs ont entraîné des défauts de forme de la surface So.
Les défauts de forme sont des reliefs positifs, en saillie par rapport à la surface de référence, ou des reliefs négatifs, en retrait par rapport à la surface de référence.
Tel que présenté sur les figures, le profilomètre 1 comporte un bâti 2, en particulier réalisé, tel que présenté sur les figures 1 et 2, sous la forme d’un portique comprenant deux cadres latéraux 2.1, 2.2 et un cadre supérieur 2.3, reliant les deux cadres latéraux 2.1, 2.2.
Plus spécifiquement, les cadres latéraux 2.1, 2.2 ont une partie inférieure fixée au sol, de telle manière que les cadres latéraux 2.1, 2.2 s’étendent verticalement parallèlement l’un à l’autre et le cadre supérieur 2.3 repose sur une partie supérieure des cadres latéraux 2.1, 2.2 qui portent ainsi le cadre supérieur 2.3.
Selon un mode particulier de réalisation, le cadre supérieur 2.3 peut comprendre, tel que présenté sur les figures 1 et 2, deux poutres longitudinales parallèles, ayant des extrémités fixées aux cadres latéraux 2.1, 2.2 pour relier les parties supérieures des cadres latéraux 2.1, 2.2 l’une à l’autre, et deux poutres transversales, s’étendant à distance des extrémités des poutres longitudinales, formant un trapèze avec les deux poutres longitudinales.
Un support de capteurs 3 est suspendu sous le cadre supérieur 2.3 du bâti 2.
Le support de capteurs 3 comprend, selon le mode de réalisation présenté, une plaque ayant :
- une surface supérieure 4, également dénommée surface arrière 4, formant une surface de liaison du support de capteurs 3 au bâti 2,
- une surface inférieure 5, également dénommée surface frontale 5, formant une surface de montage.
Le support de capteurs 3 est apte à être suspendu au bâti 2, notamment par trois attaches 7, avantageusement disposées à équidistance les unes des autres et préférentiellement agencées symétriquement autour d’un axe central 8 du support de capteurs 3.
Chaque attache 7 comprend :
- une embase 7.1, allongée et fixée sous le cadre supérieur 2.3 du bâti 2, et
- deux bielles 7.2, comportant respectivement une première extrémité articulée à l’embase 7.1, notamment par le biais de rotules, et une deuxième extrémité articulée à un bloc 7.3 fixé sur la surface supérieure 4 du support de capteurs 3, notamment par le biais de rotules.
Les premières extrémités des bielles 7.2 sont reliées aux extrémités de l’embase 7.1 et les deuxièmes extrémités des bielles 7.2 sont reliées au même bloc 7.3 formant ainsi un agencement triangulaire.
Les bielles 7.2 ont donc des premières extrémités fixées au bâti 2 en des points écartés et des deuxièmes extrémités fixées au support de capteurs 3 en des points rapprochés, en particulier proches au point d’être confondus ou sensiblement confondus.
Les bielles 7.2 présentent des possibilités d’ajustements par rapport au bâti 2, pour pouvoir régler l’horizontalité et/ou la hauteur de la surface supérieure 4.
Dans une première réalisation, les bielles 7.2 ne sont pas réglables. Les premières extrémités des bielles 7.2 sont calées en diverses positions par rapport au bâti 2, notamment par rapport au cadre supérieur 2.3, en particulier au niveau de l’embase 7.1, pour ajuster une horizontalité et/ou une hauteur de la surface supérieure 4.
Dans une deuxième réalisation, alternative ou combinée, les bielles 7.2 sont aptes être réglables en longueur pour pouvoir ajuster l’horizontalité et/ou la hauteur de la surface supérieure 4.
Avantageusement, la surface inférieure 5 a été usinée pour être complémentaire d’une surface de référence. En particulier, une incurvation de la surface inférieure est concave si la surface de référence est convexe, et inversement.
Dans le cas du miroir M, la surface de référence est concave et la surface inférieure 5 est convexe.
Avantageusement, la surface de référence est incurvée afin de limiter l’angle par rapport à la normale l’élément optique Eo à mesurer.
Ainsi, le fait que l’incurvation de la surface inférieure 5 soit complémentaire de la surface de référence n’est qu’une conséquence de l’adaptation des normales.
Alternativement, il est envisageable de calibrer le profilomètre avec une surface de référence plane.
Le support de capteurs 3 est percé de trous recevant chacun un capteur de distance 6, de telle manière que chaque capteur de distance 6 ait une partie active 6.1 s’étendant en saillie de la surface inférieure 5, formant la surface de montage des capteurs de distance 6.
Le capteur de distance 6 a une partie arrière 6.2 agencée dans les trous percés dans la surface inférieure 5 orientée avec la surface supérieure 4.
La partie arrière 6.2 du capteur de distance 6 comprend un moyen de liaison permettant de raccorder le capteur de distance 6 à une unité de traitement des signaux, ici électronique, provenant des capteurs de distance 6.
Le moyen de liaison peut être un câble électrique ou une fibre optique ou tout media apte à transmettre une information collectée par le capteur de distance 6 à l’unité de traitement des signaux.
L’unité de traitement, non représentée sur les figures, est programmée de manière connue en elle-même pour calculer une forme de la surface optique So à partir des signaux fournis par les capteurs de distance 6.
Les capteurs de distance 6 peuvent être des palpeurs ou des capteurs sans contact, tels que notamment des capteurs à ultrasons, des capteurs laser ou des capteurs lumière blanche.
Le capteur de distance 6 est positionné dans le trou percé dans la surface inférieure 5 pour avoir un axe de mesure 9, en particulier susceptible de correspondre à un axe du trou percé dans la surface inférieure 5.
L’axe de mesure 9 est localement normal à la surface inférieure 5 du support de capteurs 3, de sorte que les capteurs de distance 6 mesurent chacun une distance selon une direction de mesure localement normale à la surface inférieure 5.
Les capteurs de distance 6 sont répartis sur la surface inférieure 5 selon un arrangement quasi-aléatoire, ici un arrangement de type Hammersley. Un tel arrangement est décrit dans le document « On the efficiency of certain quasi-random sequences of points in evaluating multi-dimensional integrals », J. H. HALTON, Numerische Mathematik, Volume 2, pages 84-90, 1960.
Le positionnement de chacun des capteurs de distance 6, transposé en coordonnées cylindriques, suivra la loi suivante :
R = R0*√(xh)
Θ = 2*Π*vh
Dans lesquelles :
- R est la distance du capteur de distance 6 au centre de la surface inférieure 5,
- R0est le rayon de surface optique So mesurée, également dénommé rayon de pupille de l’arrangement constitué de l’ensemble des capteurs de distance 6, en particulier égale à environ 760 mm,
- xh et vh sont les coordonnées des points d’Hammersley, tels que définies dans le document référencé ci-dessus, et
- Θ est l’angle de la droite passant par le centre et le long de laquelle le capteur de distance 6 est placé à la distance R du centre de la surface inférieure 5.
Le nombre de capteurs de distance 6 installés est choisi en fonction des fréquences spatiales à mesurer. Le nombre minimal de capteurs de distance 6 à installer est 5, mais on utilisera, de préférence, un nombre de capteurs de distance 6 plus grand, par exemple entre 15 et 75 capteurs de distance 6, notamment entre 19 et 72 capteurs de distance 6, en particulier 19 ou 72 capteurs de distance 6.
Le profilomètre 1 comprend en outre un support d’élément optique 10, apte à assurer un maintien de la surface optique So de l’élément optique Eo à mesurer en regard des capteurs de distance 6 et du support de capteurs 3.
Le support d’élément optique 10 est supporté par un positionneur 11, en particulier un positionneur 11 à six axes de mobilité.
Sur l’exemple de réalisation de la , le support d’élément optique 10 est mobile. En effet, le positionneur 11 peut être monté sur un chariot apte à être mobile entre :
- une position de mesure, dans laquelle le support d’élément optique 10 est disposé en regard du support de capteurs 3, et
- une position de chargement/déchargement, dans laquelle le support d’élément optique 10 est écarté du support de capteurs 3 afin de permettre un chargement et/ou un déchargement de l’élément optique Eo sur le support d’élément optique 10.
Selon l’exemple de réalisation de la , le chariot sur lequel est monté le positionneur 11 repose sur des rails 12.
Un actionneur 13, notamment un télescopique 13, permet la mise en mouvement du chariot, et par conséquence du positionneur 11 et du support d’élément optique 10, le long des rails 12, entre la position de mesure et la position de chargement/déchargement. Préférentiellement, le bâti 2 est fixe.
Sur l’exemple de réalisation de la , le positionneur 11 est fixe dans une position de mesure, dans laquelle le support d’élément optique 10 est disposé en regard du support de capteurs 3.
Le positionneur 11, en particulier le positionneur 11 à six axes de mobilité, permet de positionner précisément la surface optique So de l’élément optique Eo à mesurer en regard du support de capteurs 3.
La surface inférieure 5 a été usinée pour être complémentaire de la surface de référence de telle manière que si la surface optique So de l’élément optique Eo maintenu par le support d’élément optique 10 en regard du support de capteurs 3 est exactement identique à la surface de référence, les capteurs de distance 6 vont tous mesurer la même distance. En revanche, si la surface optique So présente un défaut, au moins l’un des capteurs de distance 6 va mesurer une distance différente de celle mesurée par les autres capteurs de distance 6.
Le profilomètre 1 selon l’invention permet donc de mesurer rapidement la surface optique So d’une série d’éléments optiques Eo identiques.
Le profilomètre 1 selon l’invention permet également de mesurer la surface optique So d’éléments optiques Eo d’une autre série, pour autant que la variation entre les séries soit dans une certaine gamme de tolérances, en particulier maximum +/- 2,5 mm de la surface de référence initiale.
Si la variation entre les séries n’entre pas dans la gamme de tolérance, la surface optique So des éléments optiques Eo de cette autre série étant significativement différente de la surface optique So des éléments optiques Eo de la série précédente, c’est-à-dire correspondant à une surface de référence différente de celle utilisée pour usiner la surface optique des éléments optiques de la série précédente, il est nécessaire de remplacer le support de capteurs utilisée pour la série précédente par un support de capteurs ayant une surface de montage complémentaire de la surface de référence de la nouvelle série.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, le profilomètre 1 peut avoir une structure différente de celle décrite.
Ainsi, chacun des capteurs de distance 6 peut être monté mobile en translation sur une douille elle-même montée sur le support de capteurs 3 par une liaison rotule permettant d’orienter la douille et donc le capteur de distance 6 dans l’espace.
On comprend que le réglage de la douille en orientation et le réglage en translation du capteur de distance 6 constituent des moyens agencés pour modifier l’incurvation de la surface de montage, qui est, ici par exemple, définie par les parties actives des capteurs de distance 6.
Le support de capteurs 3 peut alternativement être formé d’un treillis comportant des bielles 7.2, notamment des bielles 7.2 articulées entre elles, et/ou de longueur réglable pour permettre de modifier la forme de la surface de montage pour l’adapter à différents éléments optiques à mesurer. Alternativement, le bâti peut être mobile et le support d’élément optique être fixe.
Les bielles 7.2 peuvent être accrochées directement au bâti 2 et/ou au support de capteurs 3.
Le support de capteurs 3 peut être fixé au bâti 2 par d’autres modes de fixation que celui décrit. Par ailleurs, le support de capteurs 3 peut ne pas être suspendu au bâti 2 mais reposer sur celui-ci.
Le bâti 2 peut avoir une autre forme que celle décrite, notamment avoir une forme en berceau sur lequel repose le support de capteurs 3.
Le support d’élément optique 10 peut être monté sur un positionneur 11 comprenant moins de six axes de mobilité, voir sur un châssis dépourvu d’axe de mobilité.
Les capteurs de distance 6 montés sur un même support de capteurs 3 peuvent être de types différents.
Claims (9)
- Profilomètre (1) pour surface optique (So), comportant
- un bâti (2),
- des capteurs de distance (6), montés sur un support de capteurs (3) pour mesurer chacun une distance selon un axe de mesure (9) localement sensiblement normale à une surface de montage (5) du support de capteurs (3), et
- un support d’élément optique (10) pour maintenir une surface optique (So) d’un élément optique (Eo) à mesurer en regard des capteurs de distance (6) et du support de capteurs (3),
la surface optique (So) de l’élément optique (Eo) à mesurer étant théoriquement identique à la surface de référence de l’élément optique de référence. - Profilomètre (1) selon la revendication 1, dans lequel les capteurs de distance (6) sont répartis sur la surface de montage (5) selon un arrangement quasi-aléatoire.
- Profilomètre (1) la revendication 2, dans lequel l’arrangement quasi-aléatoire est un arrangement de type Hammersley.
- Profilomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support d’élément optique (10) est supporté par un positionneur (11), notamment un positionneur (11) à six axes de mobilité.
- Profilomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support de capteurs (3) est fixe et le support d’élément optique (10) est mobile entre :
- une position de mesure, dans laquelle le support d’élément optique (10) est disposé en regard du support de capteurs (3), et
- une position de chargement/déchargement, dans laquelle le support d’élément optique (10) est écarté du support de capteurs (3) afin de permettre un chargement et/ou un déchargement de l’élément optique (Eo) à mesurer sur le support d’élément optique (10).
- Profilomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support de capteurs (3) est suspendu au bâti (2) par des attaches (7), notamment par trois attaches (7) avantageusement disposées à équidistance les unes des autres.
- Profilomètre (1) selon la revendication précédente, dans lequel les attaches (7) comprennent respectivement deux bielles (7.2) ayant des premières extrémités articulées au bâti (2) en des points écartés et des deuxièmes extrémités articulées au support de capteurs (3) en des points rapprochés.
- Profilomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les capteurs de distance (6) comprennent des palpeurs et/ou des capteurs sans contact.
- Profilomètre (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des moyens sont agencés pour modifier une incurvation de la surface de montage (5).
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| JIANG ZIBO ET AL: "Application progress of stressed mirror continuous polishing technology in the segments fabrication of telescope primary mirror", SPIE PROCEEDINGS; [PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X], SPIE, US, vol. 11451, 13 December 2020 (2020-12-13), pages 114510H - 114510H, XP060137699, ISBN: 978-1-5106-3673-6, DOI: 10.1117/12.2560785 * |
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| WO2024100091A1 (fr) | 2024-05-16 |
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