Brevet FR2615001A1 — publié le 19881110

Miroir déformable densité de moteurs élevée et faible temps de réponse La présente invention concerne de manière générale la correction de déformations permanentes subies par un front d'onde traversant un système optique, ainsi que la correction d'aberrations variables dans le temps ou qui ne peuvent être prédites, telles que celles induites par la turbulence atmospherique. Plus particulièrement, l'invention concerne des miroirs déformables inclus dans des systèmes d'optiques adaptatives pour réaliser une correction en temps réel des déformations d'un front d'onde et, pour certaines applications, une modulation du front d'onde incident afin d'analyser des défauts a corriger. L'article de John W. HARDY publié dans la revue PROCEEDINGS OF THE LOFE, juin 1978, volume 66, décrit l'état de la technique dans le domaine des systèmes d'optiques adaptatives. Diverses structures de miroirs déformables ont été proposées. Un miroir déformable peut être constitué par une mosaïque de petits miroirs orientables et déplaçables les uns par rapport aux autres Un miroir déformable plus performant consiste en une plaque mince ayant une face réfléchissante et actionnée sur l'autre par un ensemble de moteurs piézoélectriques, tels- que des tubes de céramique piézoélectrique ou des empilements de disques piéoélectriques. - Cette plaque mince est ainsi déformée par l'ensemble des moteurs, commandés chacun par une haute tension, afin de lui donner une forme voulue. Les performances obtenues quant a l'efficacité optique et le temps de réponse de ce miroir sont plus élevées que celles obtenues avec un miroir déformable constitué d'une mosaSque de petits miroirs.Toutefois, l'epaisseur des moteurs piézoélectriques nécessaire a une déformation d'amplitude suffisante ainsi que la liaison mécanique à rotule de chacun des moteurs avec la plaque mince contribuent à limiter le temps de réponse du miroir ainsi que la précision des déformations de la plaque qui doivent etre contrôlées à une fraction de longueur d'onde près. De plus, il est souhaitable pour un diamètre donné de l'optique ravoir un nombre de moteurs d'autant plus important que la largeur de la bande de fréquence spatiale des pertubations a corriger est importante, ce qui implique de minimiser l'encombrement de chacun des moteurs.Ainsi, par exemple, l'amélioration de la résolution angulaire des grands télescopes terrestres par correction des effets de la turbulence atmosphérique nécessite un nombre très élevé de moteurs, de l'ordre de la centaine pour un télescope de 1 m de diamètre opérant dans le spectre visible, un temps de réponse voisin de 1 ms et une excursion d'amplitude de l'ordre de 2 pm crete crête. Un miroir déformable en céramique piézoélectrique de type connu présente des performances accrues de par sa structure monobloc. Dans ce miroir, la plaque réfléchissante est déformée au moyen d'un unique disque de céramique piézoélectrique. Un réseau d'électrodes est distribué sur une face supérieure du disque et une haute tension est appliquée entre chacune d'elles et une face inférieure qui sert de masse. La plaque réfléchissante est collée sur la face supérieure du disque qui constitue avec le réseau d'électrodes un ensemble de moteurs agissant pour déformer la plaque réfléchissante. L'ensemble constitué après collage est compact et d'épaisseur réduite, ce qui favorise l'obtention d'une précision élevée sur le contrôle de la déformation.Cependant, pour permettre le passage de fils alimentant les électrodes réparties sur la face supérieure du disque, des trous sont percés a travers la céramique ce qui fragilise considérablement le matériau et réduit sa déformation libre. De plus, la densité maximum de moteurs est limitée, par le fait que la dimension de chaque électrode doit être supérieure au diamètre du trou percé en-dessous de celle-ci pour le passage du fil correspondant. Par ailleurs, le perçage de trous dans un disque de céramique est une opération longue, délicate et couteuse qu'il convient d'éviter. La présente invention vise a fournir un miroir déformable ne présentant pas les inconvénients énoncés ci-dessus, et dont la structure monobloc est adaptée a un fonctionnement depuis le domaine visible jusqu' l'infrarouge moyen. A cette fin, un miroir déformable selon l'invention comprend une plaque réfléchissante fixée a une première face d'une céramique-moteur piézoélectrique, une pluralité d'électrodes étant répartie sur cette première face afin d'agir chacune comme un moteur pour déformer la plaque lorsque une tension est appliquee entre l'électrode et une seconde face de la céramique-moteur opposée a la premiere et faisant fonction d'électrode commune, est caractérisée en ce qu'il comprend des moyens répartis dans des rainures creusées sur la première face de la céramique-moteur pour alimenter chacune des électrodes par une tension respective. Selon une autre caractéristique de l'invention la plaque réfléchissante est une céramique de meme nature que la céramique-moteur formée par frittage thermique sous charge d'une solution solide élaborée par coprécipitation en phase liquide. Un miroir déformable selon l'invention peut avoir une densité de moteurs suffisamment élevée et un temps de réponse suffisamment court pour envisager son emploi, par exemple, dans la compensation d'effets de la turbulence atmosphérique sur les télescopes terrestres. Un tel miroir est utilisable comme composant d'une optique adaptative afin de corriger en temps réel des aberrations d'une surface d'onde lumineuse. A cet effet, l'optique adaptative comprend également un dispositif de mesure de perturbations a compenser, une boucle d'asservissement et un ensemble d'alimentation électrique du miroir.L'analyse des perturbations peut etre effectuée par un système classique par exemple de type HARTMANN SHACK, ou par des techniques de type COAT (Coherent Optical Adaptive Techniques) ; dans ce dernier cas le miroir sert également a produire les modulations du front d'onde nécessaires a ce mode de fonctionnement. D'autres avantåges- et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement a la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées d'un miroir déformable selon l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe d'un miroir déformable selon l'invention ; la Fig. 2 montre une rainure d'alimentation pratiquée sur une face d'un disque-moteur de céramique supportant une mince plaque réfléchissante afin de loger des fils d'alimentations d'électrodes ; la Fig. 3 montre une rainure similaire à celle de la Fig. 2 logeant des pistes d'alimentation d'électrodes la Fig. 4 montre en vue de dessus une électrode localisée sur ladite face du disque-moteur ; et la Fig. 5 montre une répartition des électrodes et rainures d'alimentation sur la même face du disque-moteur. En référence a la Fig. 1, un miroir déformable n commande piézoélectrique selon 1'invention est composé essentiellement d'une mince plaque réfléchissante 1 et d'un disque-moteur en céramique piézoélectrique 2 destiné a déformer la plaque 1. La plaque 1 est collée sur la face supérieure 21 du disque 2. La colle utilisée est choisie en fonction de sa rigidité et l'épaisseur de la couche appliquée est optimisée, afin de favoriser l'obtention d'une grande précision sur le contrôle de la déformation de la plaque 1. Le collage est effectué sous charge avec un cycle thermique adapté a la colle. La plaque 1 est aluminisée pour former une surface optiquement réfléchissante. La plaque 1 est en verre, ou tout autre matériau permettant d'obtenir un poli optique et des propriétés mécaniques et thermiques satisfaisantes. Son épaisseur est adaptée pour maximiser le déplacement et- minimiser les écarts entre un profil de déformation résultant de la commande et le profil de déformation désiré. Typiquement, cette épaisseur est de l'ordre de 2 mm. L'ensemble plaque-disque 1-2 peut etre thermostaté, par exemple par effet Peltier, pour éliminer des effets de bilame induits par une dilatation thermique différentielle. De préférence, la plaquez est en céramique de même nature que celle constituant le disque 2. Ainsi, les effets thermiques de bilame sont réduits et même éliminés et les rigidités de la plaque 1 et du disque 2 sont mieux adaptées et conduisent a une optimisation du déplacement pour une amplitude de haute tension donnée. Les céramiques piézoélectriques industrialisées sont élaborées par frittage sous charge d'une poudre. Leur homogénéité n'est pas suffisante pour parvenir à un état de surface compatib3e avec un emploi dans le domaine visible, la diffusion de la lumière étant trop importante. La céramique constituant la plaque 1 est formée par frittage thermique sous charge d'une solution solide élaborée par coprécipitation en phase liquide.La céramique ainsi obtenue a une homogénéité et une densité suffisantes qui autorisent un état de surface compatible avec un emploi depuis le domaine visible jusqu'à l'infrarouge moyen. Le disque-moteur en céramique 2 est par exemple constitué à partir d'une céramique piézoélectrique de type PZT. Des électrodes 22 sont distribuées sur la face supérieure 21 du disque-moteur 2 selon une symétrie prédéterminée et forment un réseau de moteurs pour déformer la plaque réfléchissante 1. Une face inférieure 23 du disque-moteur 2 est métallise, typiquement par 200 nm d'aluminium, pour créer une électrode commune portée a une tension de référence. Entre chacune des électrodes 22 de la face supérieure 21 et l'électrode commune 23 est appliquée une haute tension. Des rainures d'alimentation 24, typiquement de quelques dixièmes de millimètres de hauteur et d'environ 2 mm de largeur, sont prévues sur la face supérieure 21. Les rainures 24 sont usinées, par exemple, par abrasion ultrasonore et servent a amener jusqu'aux électrodes 22 des fils d'alimentation de haute tension 31 et 31a issus de câbles 3 et 3a et répartis radialement à la périphérie du disque-moteur 2. A la Fig. 2, est montrée en coupe une rainure d'alimentation principale 24 . Dans cette rainure 24 sont disposés plusieurs fils d'alimentation 31. Chacun des fils d'alimentation 31 est muni d'une gaine isolante. Les fils 31 apportent chacun une haute tension une électrode 22 correspondante. Une colle isolante 241 rebouche la rainure 24. Une autre solution pour amener une haute tension a chacune des électrodes 22 consiste à remplacer dans les rainures 24 les fils d'alimentation 31 par des pistes conductrices superposées 242, montrées à la Fig. 3. Les pistes conductrices 242 sont disposées dans les rainures 24 en utilisant les technologies bien connues de la microélectronique. Une colle isolante 241 obture les rainures 24 et isole chacune des pistes 242. Cette solution est adaptée lorsque le nombre d'électrodes 22 est important ; elle évite une opération de répartition et de mise en place des fils 31 dans les rainures 24, opération longue, fastidieuse et qui se prete peu- è une mécanisation. Une vue de dessus d'une électrode 22 est montrée è la Fig. 4. Un fil d'alimentation 31 est amené l'électrode 22 par une rainure d'alimentation secondaire 25. Cette rainure secondaire 25 est raccordée à une rainure principale 24 dans laquelle est logée le fil 31. Au niveau de l'électrode 22, le fil 31 est dénudé de sa gaine isolante et des brins conducteurs 311 sont répartis en éventail dans une cavité cylindrique 221 aménagée dans la céramique. Une colle conductrice 222 enrobe les brins conducteurs 311 et remplit la cavité 221 pour former l'électrode 22. Après polymérisation des colles isolante et conductrice 241 et 222, remplissant respectivement les rainures 24, 25 et les cavités 221, la face supérieure 21 du disque-moteur 2 subit un rodage de qualité appelé "douci optique" afin d'obtenir une parfaite planéité, notamment au niveau des électrodes 22 et des rainures 24, 25. La face supérieure 21 d'un disque-moteur 2 est représentée à la Fig. 5. Ce disque-moteur comprend un réseau d'électrodes 22 réparties selon une symétrie hexagonale en nid d'abeilles autour d'un axe de symétrie A d'un hexagone 211 comprenant une électrode 22 en chacun de ses sommets et une électrode au centre. Le réseau est ainsi constitué par la juxtaposition de mailles élémentaires de trois électrodes placées respectivement aux trois sommets d'un triangle équilatéral. Un centre géométrique 0 de la face 21 coïncide avec un centre d'une maille d'électrodes en triangle équilatéral 212. Les rainures d'alimentation principales 24 sont toutes orientées parallèlement à une même direction perpendiculaire à l'axe A. Un axe D visualisant cette direction est montré à la Fig. 5. L'axe D passe par le centre 0 de la face 21 et des centres d'électrodes 22 symétriques par -rapport à l'axe A. Cet axe D correspond a l'axe de la coupe du miroir déformable selon l'invention montrée a la Fig. 1. Les rainures 24 ont toutes un même tracé régulier en dent de scie et sont composées de différents tronçons jointifs, deux tronçons jointifs successifs, 243 et 244, d'une même rainure 24 étant orientées respectivement à + et - 30 par rapport à l'axe D. Le tracé de chaque rainure principale 24 est réalisé de manière à ce que deux tronçons successifs, 243 et 244, se joignent en un point 245 à équidistance entre deux électrodes 22 voisines et alignées parallèlement à l'axe A ou D.En chaque point 245 d'une rainure principale 24, une rainure secondaire 25 est creusée entre la rainure 24 et une électrode 22. Les rainures secondaires 25 sont toutes alignées selon l'axe A, chaque rainure 25 étant orientée à 1200 par rapport aux deux tronçons se joignant au point 245. Les rainures 24 et 25 sont ainsi situées entre les électrodes de manière optimale afin d'avoir un isolement maximum de chacune des électrodes par rapport aux électrodes voisines, et afin d'avoir autour de chacune des électrodes une même configuration géométrique favorisant une même réponse en déformation pour chacun des moteurs. Cette disposition géométrique des électrodes 22 et des rainures 24 et 25 permet d'atteindre une- densité d'électrodes supérieure à 5 par cm2, soit 400 électrodes pour un disque-moteur 2 de 10 cm de diamètre. Comme montré à la Fig. 1, l'ensemble plaque-disque 1-2 est monté dans un boitier 4. Le bolier 4 est de forme cylindrique. La face inférieure 23 du disque-moteur 2 est collée à la colle conductrice à un fond 41 du boîtier 4. Les câbles 3 et 3a sont reliés un un connecteur 5 et immobilisés entre le boîtier 4 et l'ensemble 1-2 par collage à la colle isolante. Le connecteur 5 est destiné a recevoir un câble issu d'un système de commande. Une bague filetée 6 se visse à une partie supérieure 42 du boîtier 4 et appuie è la périphérie de la plaque 1 afin de maintenir fermement l'ensemble 1-2 dans le boîtier 4. REVENDICATIONS 1 - Miroir déformable monobloc à commande piézoélectrique comprenant une plaque réfléchissante (1) fixée à une première face (21) d'une céramique-moteur piézoélectrique (2), une pluralité d'électrodes (22) étant répartie sur cette première face pour agir chacune comme un moteur afin de déformer la plaque (1) lorsqu'une tension est appliquée entre l'électrode (22) et une seconde face de la céramique-moteur (2) opposée n la première et faisant fonction d'électrode commune (23), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (31, 31a, 242) répartis dans des rainures (24, 25) creusées sur la première face (21) de la céramique-moteur (2) pour alimenter chacune des électrodes (22) par une tension respective. 2 - Miroir conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque réfléchissante (1) est une céramique de même nature que la céramique-moteur (2) formée par frittage thermique sous charge d'une solution solide élaborée par coprécipitation en phase liquide. 3 - Miroir conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour alimenter sont des fils isolés électriquement (31, 31a) alimentant chacun une électrode (22) correspondante. 4 - Miroir conforme ç la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour alimenter sont des pistes de colle conductrice (242) superposées dans les rainures (24) et séparées de la céramique et entre elles par de la colle isolante (241). 5 - Miroir conforme 9 la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chacune des électrodes (22) de la première face (21) est constituée de colle conductrice (222) remplissant une cavité cylindrique (221) creusée dans la céramique, et en ce que les rainures (24, 25) sont rebouchées par de la colle isolante (241), un rodage étant effectué après polymérisation des colles au-dessus de la première face (21) afin d'obtenir une planéité satisfaisante. 6 - Miroir conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les électrodes (22) sont réparties sur la première face (21) selon une symétrie hexagonale en nid d'abeilles, les électrodes (22) étant localisées chacunes à un sommet ou 3- un centre d'un hexagone (211). 7 - Miroir conforme 3 la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque réfléchissante (1) et la céramique-moteur (2) ont une forme cylindrique, et en ce qu' un centre géométrique (0) de la première face coincide avec un centre d'une maille élémentaire de trois électrodes définissant un triangle équilatéral (212). 8 - Miroir conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que des rainures principales et secondaires (24 et 25) sont prévues sur la première face (21) de la céramique-moteur (2), entre chaque électrode (22) et une rainure principale (24) correspondante logeant plusieurs fils (31, 31a) ou pistes (242) étant creusée une rainure secondaire logeant le fil (31, 31a) ou la piste (242) alimentant l'électrode (22), le positionnement des rainures principales (24) et secondaires (25) sur la première face (21) étant optimisé afin d'assurer un maximum d'isolement entre les électrodes (22) et une disparité de réponse des électrodes (22) entre elles aussi-faible que possible.