Brevet FR2340534A1 — publié le 19770902

La présente invention concerne la réalisation des objets transparents à deux surfaces opposées que sont en particulier les lentilles optiques. Elle concerne plus spécialement les opérations de centrage prealables au débordage. La fabrication des lentilles transparentes destinées aux diverses sortes d'appareils d'optique implique des opérations de centrage et de débordage qui déterminent le positionnement ultérieur de la lentille dans le support par lequel elle est montée dans l'appareil. Le centrage proprement dit consiste à régler la-position de la lentille montée sur une broche de manière à amener les centres de courbure de ses deux faces sur l'axe de la broche. Le débordage s'effectue ensuite soit sur la lentille elle-même, soit sur un barillet dans lequel elle est fixée. I1 consiste à usiner le pourtour de la lentille ou du barillet de manière qu'il présente une forme cylindrique exactement centrée sur l'axe de la broche. Conformément aux techniques connues, on fait en général reposer la lentille, par l'une de ses faces, sur l'extrémité d'un tube rectifié-avec précision pour former, au sommet d'un biseau annulaire ou d'une portion de tore, une arête circulaire centrée sur l'axe de la broche, que l'on appelle "listel". La face de lentille appliquée sur le listel se trouve ainsi automatiquement centrée. Mais il faut encore examiner le centrage de l'autre face de la lentille, généralement par des mesures mécaniques, et déplacer la lentille sur son listel jusqu'à compléter le centrage, avant de coller la lentille en position fixe sur le listel pour effectuer le débordage. Dans le cas ou l'opération de débordage porte sur un barillet entourant la lentille, celle-ci est fixée dans le barillet, et le barillet est monté sur un support permettant le réglage de sa position par rapport à l'axe de la broche. Le montage de la lentille dans un barillet métallique est a priori avantageux pour les applications en optique, car il facilite le montage dans un appareil d'optique par ajustage métal sur métal, plutt que verre sur métal.Néanmoins, cette solution n'a pu se développer du fait qu'aucune des techniques connues de centrage et débordage ne permet de régler en position aussi bien l'un que l'autre des centres de courbure des deux faces de la lentille comme il serait souhaitable. La présente invention permet au contraire de réaliser de manière satisfaisante le centrage d'une lentille sur un axe tel que celui de la broche d'un appareil de centrage et de débordage, étant entendu que le terme de lentille couvre non seulement les lentilles optiques, mais aussi bien tout autre objet transparent analogue, limité par deux surfaces opposées, notamment sphériques. L'invention a ainsi pour objet un procédé de centrage d'une lentille transparente limitée par deux surfaces opposées, procédé suivant lequel, tandis que l'on entraîne la lentille en rotation autour d'un axe de centrage, on détecte d'une part un faisceau optique réfléchi par une première face de la lentille, sur laquelle est focalisé le faisceau incident correspondant, et l'on détermine ses variations de position angulaire (ou d'inclinaison), on détecte d'autre part un faisceau optique transmis à travers la lentille å partir d'un faisceau incident dirigé sensiblement selon ledit axe de centrage et focalisé au centre optique de la lentille, et l'on détermine ses variations de position angulaire (ou d'inclinaison), et l'on règle la position de la lentille de manière à annuler les variations d'inclinaison du faisceau transmis ainsi que celles du rayon réfléchi, au cours de la rotation de la lentille. Selon un mode Ae mise en oeuvre préféré du procédé, on annule en premier lieu les variations d'inclinaison du faisceau réfléchi et on les maintient nulles tandis que l'on déplace la lentille pour annuler les variations d'inclinaison du faisceau transmis. Toutefois, la déviation du faisceau transmis étant sensible au centrage des deux faces de la lentille examinée, sa détection peut être utilisée pour centrer aussi bien l'une des faces que l'autre. On peut donc également, lorsque la lentille est appuyée par sa seconde face sur un listel que l'on estime suffisamment bien centré, utiliser le faisceau transmis pour centrer la première face. Le faisceau réfléchi devient alors inutile, à moins que l'on préfère l'utiliser pour vérifier le bon centrage du listel. Selon une autre caractéristique de l'invention, le faisceau réfléchi et le faisceau incident correspondant sont inclinés par rapport à l'axe de centrage, d'un angle qui peut être avantageusement de l'ordre de 450. L'invention concerne d'autre part les appareils permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Dans un tel appareil, un système d'examen par transmission permet la détection des variations d'inclinaison du faisceau transmis tel que défini ci-dessus. L'axe de centrage est avantageusement celui d'une broche annulaire rotative à l'extrémité de laquelle la lentille est montée. De préférence, un système d'examen par réflexion permet d'autre part de détecter pendant la rotation de la lentille, les variations d'in- clinaison du faisceau réfléchi correspondant un faisceau incident focalisé sur la première face de la lentille, de préférence celle qui est directement accessible à l'opposé de la broche.La broche est avantageusement associée à des moyens d'entraînement en rotation par moteur, utilisables pour une opération de débordage effectuée après le centrage de la lentille. D'autre part, l'appareil est de préférence construit de manière à pouvoir former lors des opérations de centrage, une chambre étanche sous vide partiel entre un hublot transparent pour le passage du faisceau incident du système d'examen par transmission et la lentille examinée. I1 comporte en outre avantageusement un mandrin à quatre degrés de liberté utilisable pour monter a l'extrémité de la broche un barillet à l'intérieur duquel est fixée la lentille et pour modifier la position du barillet portant la lentille en fonction des variations détectées par le systeme d'examen par transmission et le système examen par réflexion. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode de mise en oeuvre particulier, nullement limitatif. Cette description se réfère aux figures 1 à 7 dans lesquelles : la figure I représente schématiquement l'appareil selon l'invention, dans une première variante d'utilisation; la figure 2 représente schématiquement l'appareil dans une seconde variante d'utilisation; la figure 3 représente schématiquement le système d'examen par transmission; la figure 4 illustre le fonctionnement du système d'examen par transmission; la figure 5 représente schématiquement le système d'examen par réflexion; la figure 6 illustre schématiquement le dispositif de détermination de l'écart angulaire de chaque système;; la figure 7 représente le diagramme synoptique de la partie électronique du dispositif de la figure 6. L'appareil selon l'invention, représenté schématiquement dans son ensemble sur les figures I et 2, permet essentiellement de centrer une lentille représentée en 1 sur l'axe d'une broche annulaire 2, mais aussi d'usiner un listel destiné à recevoir la lentille ou d'usiner après le centrage un barillet dans lequel la lentille est montée, dans l'opération de débordage bien connue en elle-même, ou meme éventuelleeent la lentille elle-nt#. La broche 2 est portée horizontalement sur deux supports eu V 3 et 4 sur lesquels elle est app}iquEe par serrage de touches en caoutchouc 5. Elle est par ailleurs bloquée par une butée 6 gui empêche un déplacement horizontal. Un système de transvission par poulies 7, disposé à l'arrière de la broche 2, permet d'entraîner celle-ci en rotation autour de son axe. I1 est mobile longituiina- lement entre deux positions.Dans une position d'usinage, ol les poulies sont déplacées vers la gauche de la figure 1, un doigt d'entraSnement 8 coopère avec un doigt analogue de la broche de manière à transmettre à celle-ci un mouvement de rotation A une vitesse de 90 à 1600 tr/mn, assuré par un moteur à vitesse variable non représenté Dans l'autre position du système 7, qui est celle représentée sur la figure 1, un joint annulaire 9 vient en appui sur le fond de la broche. Il permet alors, par friction, 1 'entrainement de la lentille dans un mouvement de rotatif con- tinue, par un moteur auxiliaire assurant des vitesses variables de O à 30 tr/mn1 pour les opérations de centrage.D'autre part, le même joint ferme ainsi une chambre étanche qui traverse lungi- tudinalement l'appareil depuis nn hublot transparent li jusqu'à la lentille 1, qui ferme un tube 12 disposé coaxialement dans le prolongement de la broche 2. Cette chambre est reliée par un tube à vide 13 à une pompe à membrane qui permet d'y créer un vide de 3 cm de mercure. Ce vide a pour effet de maintenir la lentille 1 plaquée contre le listel ménagé à l'extrémité du tube 12 dans la variante d'utilisation schématisée sur la figure 1. Une vis micrométrique 14 permet alors de faire glisser la lentille sur le listel en la poussant par la tranche, avant de l'y coller. Dans la variante schématisée par la figure 2, la lentille 1 est préalablement collée à l'intérieur d'un barillet 15, lequel est monté pour le réglage à l'extrémité de la broche 2, de préférence par l'intermédiaire d'un mandrin 16 à quatre degrés de liberté, soit deux en translation et deux en rotation. Dans ce cas, la position de la lentille avec son barillet est réglée par ces mouvements du mandrin. Les figures 1 et 2 montrent d'autre part la disposition par rapport aux pièces mécaniques des deux systèmes d'examen optique qui permettent de déceler les écarts de centrage des deux faces de la lentille. Le système d'examen par transmission est également schématisé sur la figure 3. Dans l'ensemble source 20 disposé l'arrière de l'appareil, derrière le hublot 11, se trouvent les éléments suivants, centres sur l'axe de la broche : une lampe 21, un objectif Oi qui forme l'image du filament de la lampe 21 sur un trou source T, ménagé au centre d'un diaphragme 22,un objectif 2 qui conjugue le trou source T avec un modulateur 23, et un ensemble de lentilles O3-O4, dont l'une O4 est mobile en translation sur l'axe 4, ce qui permet de régler sa position de manière à assurer la focalisation du faisceau incicent ainsi formé au centre optique T' de la lentille à centrer 1.A l'avant de l'appareil, le faisceau transmis à travers la lentille est reçu par un dispositif détecteur 24 qui comprend, disposés sur l'axe de l'appareil : un objectif formé de lentilles O5 et O, 6 et un trou T" conjugué de T' qui servent à supprimer la lumière parasite, puis le détecteur proprement dit 25, celui-ci étant constitué par un détecteur à quatre quadrants plans dans le cas particulier décrit. De pluS, un miroir escamotable 26 et un oculaire micrométrique associé 27 permettent de vérifier que le diamètre du faisceau est inférieur au diamètre du détecteur 25, ce dernier pouvant éventuellement être déplacé par translation sur l'axe jusqu'à respecter cette condition. La figure 4 permet de comprendre l'effet d'un excentrement de la lentille 1 sur la déviation du faisceau transmis par rapport à l'axe zz' qui est ici l'axe de-l'appareil. En règle générale, si n est l'indice de la lentille, S1 et S2 les angles que font avec la direction zz' les normales respectives aux surfaces E et Z des faces de la lentille de centres C1 et C2 aux points d'incidence d'un rayon quelconque I2 I1, la déviation D entre le rayon incident sur la seconde face c2 de la lentille et le rayon émergent de la première face e1 est sensiblement D = (n-l)(S2-Sl) Les angles S1 et S2 sont fonction d'une part de la valeur qu'ils présentent lorsque la lentille est centrée sur zz', conduisant à une déviation Do, d'autre part des excentrements respectifs a1 et a2 des deux faces de la lentille sur l'axe zz'. Mais si, conformément à la disposition prévue dans la mise en oeuvre de l'invention, le faisceau incident est focalisé au centre optique de la lentille, la déviation Do est sensiblement nulle pour tous les rayons, et pour chaque rayon, la formule précédente indique la déviation due à un excentrement. Dans ces conditions, si l'on suppose le centre C2 de la face située du côté de la broche convenablement centré sur l'axe zz', on a D = (n-l)al et la déviation est proportionnelle à l'excentrement de la pre mière face de la lentille. Si au contraire, cette premiere face (ou face extérieure) est centrée, et non l'autre, on démontre que la déviation est sensiblement de la même forme D = (n-l)y2(l-) avec un terme correctif qui est négligeable si l'épaisseur de la lentille est faiewle en regard du rayon de courbure de la face ce ce qui est le cas du plus grand nombre de lentilles. Le système d'examen par réflexion est constitué comme repré senté sur la figure 5 en liaison avec la disposition des figures 1 et 2. Sur celles-ci cependant le dispositif émetteur 30 et le dispositif détecteur 31 ont été représentés dans le plan de la figure, alors qu'ils sont de préférence dans un plan perpendiculaire. Le dispositif émetteur 30 comprend une source 32, ici constituée par une diode émettrice à arséniure de gallium, dont l'image est formée par un objectif D11 sur un trou source T. L'objectif D12 forme l'image T' du trou T sur la surface s1 de la première face de la lentille 1 à centrer. Le dispositif détecteur comprend un objectif D13 qui reprend le faisceau réfléchi par cette surface de la lentille, un trou d'épuration T" conjugué de T', et le détecteur proprement dit 34, qui est ici un détecteur à quatre quadrants identique à celui que comprend le système d'examen par transmission et qui sera décrit par la suite. Les dispositifs émetteur et récepteur sont disposés de manière que les faisceauxincident et réfléchi soient bien distingués du faisceau transmis, c'est-à-dire qu'ils fassent par exemple un angle de 450 avec l'axe de l'appareil. Dans la déviation du faisceau réfléchi due à un mauvais centrage de la lentille I, seule intervient la première face E1. Par rapport au rayon réfléchi symétrique du rayon incident par rapport à l'axe zz' obtenu lorsque cette face est bien centrée, la déviation D' est double de l'angle que fait la normale à la surface au point d'incidence avec l'axe zzl, c'est-à-dire double de l'excentrement D' = 2a1 Le fonctionnement du détecteur à quatre quadrants que comportent chacun des dispositifs détecteurs des deux systèmes d'examen ressort due la figure 6. I1 s'agit d'un détecteur photoélectrique disposé dans le plan xOy perpendiculaire à l'axe du faisceau recueilli en l'absence d'excentrement et divisé en quatre secteurs 40, 41, 42, 43, isolés entre eux par des séparations 44 et 45 et centrés sur cet axe. Chaque secteur fournit un signal électrique proportionnel au flux qui l'éclaire, avec un facteur de proportionnalité qui est le même pour les différents secteurs. L'ensemble du détecteur reçoit un faisceau dont la trace circulaire se déplace dans le plan xOy, autour du point O, suivant les déplacements du centre de courbure C1 ou C2 de la face examinée de la lentille autour de l'axe de centrage et conformément aux équations qui lient la déviation D ou D' du faisceau reçu aux angles d'excentrenient u1 et a2. Sur la figure 6, on a ainsi représenté en traits pleins une tache lumineuse centrée, et en traits interrompus une tache lumineuse déplacée de x dans la direction Ox.Une telle tache correspond, par exemple, dans le système d'examen par transmission et en supposant la seconde face de la lentille bien centrée, à un excentrement du centre du courbure C1 de la première face proportionnel à x dans la direction Ox. Les quatre signaux correspondant aux quatre secteurs du détecteur sont traités pour déterminer lescoordonnées en x et y de la trace centrale du faisceau, qui traduisent la déviation D ou D'. Ils sont traités par couples regroupant les signaux de deux secteurs opposés, et l'on détermine la différence des signaux des secteurs 40 èt 42 d'une part, la différence des signaux des secteurs 41 et 43 d'autre part. I1 est clair que la première de ces différences est proportionnelle à une déviation en x et la seconde à une déviation en y, A cette fin et conformément à la figure 7 pour l'un du couple, le signal de chaque secteur traverse une résistance de charge rc.Les tensions sont amplifiées séparément, puis retranchées dans un amplificateur différentiel 46 qui permet d'attaquer un détecteur synchrone 47 à un niveau suffisant. Le signal démodulé en sortie du détecteur synchrone est mesuré sur un enregistreur ou un oscilloscope. De préférence, les signaux obtenus correspondant respectivement aux coordonnées x et y du détecteur sont utilisés pour commander les voies correspondantes dlun oscilloscope de sorte que les coordonnées du spot de celui-ci sont proportionnelles à celles du centre de la tache lumineuse sur le détecteur. Le fonctionnement de l'appareil décrit ressort déjà clairement de ce qui précède. On comprend ainsi, qu'en examinant les positions et les déplacements des spots des deux oscilloscopes correspondant à chacun des détecteurs tandis que la lentille est entraînée en rotation continue, un opérateur peut aisément déplacer la lentille ou son support sur la broche de l'appareil de manière à ramener chacun des spots en position fixe sensiblement au centre. Les deux faces de la lentille sont alors centrées sur l'axe de la broche, les variations de position angulaire des faisceaux détectés au cours de la rotation étant annulées. Dans le cas d'utilisation de la figure 1, la lentille peut être automatiquement centrée sur sa face interne 2 appuyée sur un listel et maintenue sur celui-ci par le vide réalisé dans la chambre étanche. On observe alors les variations d'inclinaison indiquées par le système d'examen par transmission et l'on modifie manuellement la position de la lentille au moyen de la vis micrométrique 14 jusqu'à annuler ces variations. Ceci suffit alors à centrer en outre la face externe. Un contrle supplémentaire peut cependant être effectué, soit à l'aide d'un comparateur de précision, soit au moyen du système d'examen par réflexion, pour vérifier la précision de centrage du listel.Une fois le centrage complet assuré, on colle la lentille sur son listel, éventuellement en faisant tourner la broche à faible vitesse, manuellement ou automatiquement. Le cas échéant, avec ltentraînement dans la position d'usinage, on peut réaliser le débordage du pourtour de la lentille. Dans le cas d'utilisation de la figure 2, on commence de préférence par régler la pcsition du barillet portant la lentille, de manie à annuler les variations d'inclinaison éventuellement constatées par le système d'examen en réflexion. La face externe de la lentille est ainsi centrée.Puis, tout en maintenant ces variations nulles, on agit sur la position du barillet, par l'intermédiaire du mandrin à quatre degrés de liberté, de manière à annuler également les variations éventuellement indiquées par le système d'examen par transmission. Deux deys degrés de liberté du mandrin peuvent être asservis aux deux informations en x et y du système d'examen par réflexion de manière à assurer automatiquement le centrage de la face externe. Le centrage complet peut même être assuré d'une manière entièrement automatique en utilisant les informations des quatre signaux fournis par le système d'examen par réflexion et le système d'examen par transmission.L'ensemble du mandrin matérialisé en 16 sur la figure 2 contient alors des éléments moteurs animés par les signaux électriques et des éléments mécaniques, composés d'éléments assurant deux rotations orthogonales et deux translations orthogonales. Des collecteurs 17 disposés à l'extrémité de la broche transmettent les informations électriques aux éléments moteurs. Un appareil tel que décrit ci-dessus est avantageusement réalisé en utilisant comme source pour le système d'examen par transmission une lampe à lumière blanche visible à ruban de tungstène, associée à un modulateur à diapason, et pour le système d'examen par réflexion une diode émettrice à arséniure de gallium qui emet dans le proche infrarouge. En plus des possibilités de commande automatique par asservissement d'un mandrin mobile qu'il offre, un tel appareil permet d'atteindre de très grandes précisions dans le réglage. En pratique, la sensibilité est la suivante - pour le système d'examen par transmission : 1" pour une image de trou de 0,8 mm de diametre au niveau de la lentille à centrer, ou 10" pour un diamètre de 0,2 mm; - pour le système d'examen par réflexion : 1" pour une image de trou de 0,4 mm de diamètre ou 15" pour un diamètre de 0,1 mm. En outre, le réglage selon l'invention est applicable quelle que soit l'épaisseur de la lentille, et quels que soient les rayons de courbure et la puissance de la lentille. On peut indifféremment centrer une lentille de microscope de très courte focale ou un objectif d'astronomie de tres grands rayons de courbure. Toutefois, il doit être entendu, comme il ressort d'ailleurs de ce qui précède, que l'invention n'est nullement limitée à l'exemple particulier de mise en oeuvre considéré. REVENDICATIONS 1.- Procédé de centrage d'une lentille, caractérisé.en ce que tandis que l'on entraîne la lentille en rotation autour a 'un axe de centrage, on détecte d'une part un faisceau réfléchi par une première face de la lentille, sur laquelle est focallsé le faisceau incident correspondant et lton détermine ses variations d'inclinaison, on détecte d'autre part un faisceau optique transmis à travers la lentille à partir d'un faisceau incident dirigé sensiblement selon ledit axe de centrage et focalisé au centre optique de la lentille et l'on détermine ses variations d'inclinaison et i'on règle la position de la lentille de manière à annuler lesdites variations du faisceau transmis ainsi que celles du faisceau réfléchi. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient nulles les variations d'inclinaison du faisceau réfléchi tandis que l'on déplace la lentille pour annuler les variations d'inclinaison du faisceau transmis. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rayon incident focalisé sur la première face de la lentille est incliné sur l'axe de centrage, notamment d'un angle de l'ordre de 450 4.- Appareil de centrage d'une lentille, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens rotatifs de support d'une lentille sur une broche annulaire axée sur un axe de centrage, un système d'examen par réflexion comportant des moyens pour focaliser un faisceau incident sur une première face de la lentille, et pour détecter le faisceau réfléchi par cette face et déterminer ses variations d'inclinaison au cours de la rotation de la lentille, un système d'examen par transmission comportant des moyens pour envoyer un faisceau incident sur la lentille à travers la broche annulaire en le focalisant sur le centre optique de la lentille, et pour détecter le faisceau émergent transmis à travers la lentille et déterminer ses variations d'inclinaison au cours de la rotation de la lentille et des moyens permettant de déplacer manuellement ou automatiquement la lentille de manière à annuler lesdites variations d'inclinaison. 5.- Appareil de centrage d'une lentille, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens rotatifs de support d'une lentille sur une broche annulaire axée sur un axe de centrage, un système d'exa men par transmission comportant des moyens pour envoyer un faisceau incident sur la lentille à travers la broche annulaire en le focalisant sur le centre optique de la lentille, et pour détecter le faisceau émergent transmis à travers la lentille et déterminer ses variations d'inclinaison au cours de la rotation de la lentille et des moyens permettant de déplacer manuellement ou automatiquement la lentille de manière à annuler lesdites variations d'inclinaison. 6.- Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'entraînement en rotation de la broche et des moyens d'usinage d'un listel d'appui de la lentille ou d'un barillet dans lequel elle est montée, ou éventuellement de la lentille elle-même-. 7.- Appareil selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mise sous vide d'une chambre étanche formée dans la broche et fermée par la lentille. 8.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comportent pour chacun desdits systèmes un détecteur photoélectrique à quatre quadrants isolés centrés sur l'axe du faisceau reçu pour des variations d'inclinaison nulles. 9.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'asservissement d'un mandrin à quatre degrés de liberté supportant la lentille ou son barillet à l'un au moins desdits détecteurs.