Brevet FR2628849A1 — publié le 19890922

( RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication: 2 628 849 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N d'enregistrement national: 88 03437 PARIS Int CI: G 02 B 13/18, 5/10, 23/02. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ) Date de dépôt: 17 mars 1988. Q Demandeur(s): R.E.O.S.C RECHERCHES ET ETUDES D'OPTIQUE ET DE SCIENCES CONNEXES. - FR. ) Priorité ( Inventeur(s): Valérie Blin: Jean Espiard: Roland Geyl. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. 6 Références à d'autres documents nationaux appa- rentés Titulaire(s) (E'Mandataire(s): Cabinet Regimbeau, Martin, Schrimpf, Warcoin et Ahner. Compensateur variable des différents ordres d'aberration sphérique pour vérifier la forme de la surface d'un miroir asphérique et son application. ( L'invention concerne un compensateur variable des diffé- F2 rents ordres d'aberration sphérique pour vérifier la forme de la 4 F, I r surface d'un miroir asphérique. Le compensateur est essentiellement constitué d'un en- 67 8 semble fixe de lentilles Fl, F2 et d'un ensemble déplaçable de 2 5 lentilles F3, F4, F5, les deux ensembles ayant'méme axe optique et étant disposés à distance l'un de l'autre. L'invention s'applique notamment à la vérification d'un miroir t de télescope. ILC D Vente des fascicules 'IMPRIMERIE NATIONALE 27rue de la Convention75732 PARIS CEDEX 15 N6 Vente des fascicules à L'IMPRIMERIE NATIONALE. 27. rue de la Convention -75732 PARIS CEDEX 15 La présente invention concerne un compensateur variable des différents ordres d'aberration sphérique pour vérifier la forme de la surface d'un miroir asphérique et son application. La réalisation précise d'une surface optique un peu grande, un miroir de télescope par exemple, n'est jamais obtenue automatiquement; un travail de retouche locale, dirigé et contrôlé par des examens optiques, est toujours nécessaire pour amener la courbe méridienne à se confondre pratiquement avec la forme que lui impose le calcul. Une technique classique pour fabriquer un miroir asphérique consiste à fabriquer un miroir à peu près sphérique et à enlever de la matière jusqu'à obtenir la forme asphérique désirée. Il est nécessaire de vérifier si cet enlèvement de matière ne génère pas des défauts tels que astigmatisme, festonnage et défauts zonaux de haute fréquence, pendant la progression de l'asphérisation. Ce contrôle est possible en utilisant un compensateur d'aberration sphérique capable de suivre le travail d'asphérisation de l'opticien de manière progressive et ce depuis la forme voisine de la sphère d'o démarre l'asphérisation jusqu'à la forme asphérique requise. Le compensateur est un système de lentilles placé sur le trajet des rayons émis par une source lumineuse ponctuelle et réfléchis par le miroir, pour produire une aberration opposée à celle que le calcul indique pour le miroir que l'on veut réaliser. La retouche du miroir est réalisée de façon à obtenir une image finale stigmatique. Le principe du compensateur est connu depuis longtemps et l'on peut se reporter par exemple à l'article "Procédé d'examen d'un miroir concave non sphérique" de A. COUDER (Revue d'optique théorique et instrumentale, février 1927). Pour suivre la progression de l'asphérisation, il est connu de faire varier la distance des lentilles du compensateur au point source. Jusqu'à présent, et pour diverses raisons, les compensateurs variables (compensateur de R. S. Hilbert et M. P. RIMMER, compensateur de R. SHAFER) , n'ont pu être utilisés qu'avec des miroirs de petite dimension et de faible ouverture, F/4 étant généralement le maximum. Pour contrôler la progression de l'asphérisation d'un grand miroir, soit typiquement d'un miroir dont le nombre d'ouverture est de l'ordre de F/1, 7 à F/2 et dont le diamètre est de l'ordre de 4 à 8 m, il est nécessaire de pouvoir compenser en continu les ordres supérieurs d'aberration sphérique, des 5ème et 7ème ordres. On sait compenser des ordres supérieurs au moyen d'un compensateur à deux lentilles (Article "A null Corrector for ParaboloTdal Mirrors" de Abe OFFNER dans Applied Optics, fev. 1983, vol. 2. N 2) mais ce compensateur n'est pas variable et ne permet pas par conséquent de suivre la progression de l'asphérisation. La présente invention a pour objet un compensateur variable apte à compenser les ordres supérieurs d'aberration sphérique, permettant de suivre la progression de l'asphérisation d'un miroir asphérique de grande ouverture et de grand diamètre, notamment la fabrication d'un miroir de télescope. Le compensateur de l'invention est essentiellement constitué d'un ensemble fixe de lentilles et d'un ensemble déplaçable de lentilles, les deux ensembles ayant même axe optique et étant disposés à distance l'un de l'autre. Selon l'invention, l'ensemble fixe possède une première lentille placée au voisinage du centre de courbure du miroir, c'est-à-dire dans la caustique d'aberration sphérique du miroir et destinée à faciliter la correction des ordres supérieurs d'aberration, cette lentille étant suivie par une deuxième lentille dont la forme (cambrure) est déterminée pour compenser l'aberration sphérique du 3ème ordre du miroir et dont la puissance est choisie pour optimiser au mieux l'encombrement et la facilité de réduction des ordres supérieurs. Selon l'invention, l'ensemble mobile est constitué par un système afocal à trois lentilles calculé de façon à compenser l'aberration produite par le miroir quand son coefficient d'asphérisation varie de -0,5 à -I et au delà. En service, l'ensemble fixe est situé entre l'ensemble mobile et le centre de courbure du miroir, l'une des lentilles de l'ensemble fixe étant située au voisinage immédiat dudit centre de courbure, et l'ensemble mobile est rapproché de l'ensemble fixe au fur et à mesure de la progression de l'asphérisation. La forme des lentilles est choisie, entre autres, en fonction de l'indice de réfraction du matériau utilisé, de façon en soi connue. Pour calculer un compensateur selon l'invention, on peut procéder comme suit. On commence par calculer un compensateur comportant une lentille placée dans la caustique et une deuxième lentille dont la forme, calculée dans le 3ème ordre, compense l'aberration sphérique du 3ème ordre du miroir sphérique, celui-ci étant supposé avoir un coefficient d'asphérisation de - 0.5. La puissance de cette lentille est liée au diamètre et à l'encombrement que l'on consent à donner au compensateur, en tenant compte du fait que plus la lentille est puissante, plus il sera difficile de compenser les ordres supérieurs. Après optimisation de cette combinaison avec un coefficient d'asphérisation du miroir de -0.5, on ajoute les trois lentilles du groupe mobile en les plaçant au voisinage de la deuxième lentille du compensateur fixe. L'ensemble de ces trois lentilles doit être une combinaison afocale afin que sa translation laisse toujours superposées la source et l'image qu'il en donne. En imposant ces conditions aux données de départ de l'optimisation, avec en plus une valeur de -1 comme coefficient d'asphérisa- tion du miroir, le résultat firial est rapidement obtenu. On décrira ci-après deux exemples de compensateurs conformes à la présente invention, en référence aux deux figures du dessin joint qui montre chacune trois schémas optiques du compensateur correspondant à trois étapes d'asphérisation du miroir. Le compensateur de la figure 1 est destiné à servir en lumière non visible dans un dispositif de contrôle utilisant un interféromètre dont la source monochromatique S est un laser infra-rouge à 10 microns. Le compensateur représenté sur la figure 1 est constitué de deux lentilles fixes F1,F2 et d'un groupe de trois lentilles F3,F4,F5 qui sont déplaçables ensemble. Ces lentilles sont en sulfure de zinc d'indice 2, 200. Les caractéristiques des lentilles du compensateur, rayons de courbure, épaisseurs, intervalles d'air, sont indiquées sur le tableau I ci-après o les numéros des surfaces renvoient aux repères correspondants indiqués sur la figure IA. TABLEAU I Surface Rayon Epaisseur Nature Demi-diamètre N du milieu du milieu utile suivant suivant I -77,0731 15,0000 ZNS -41,5 2 -75,0905 61,8350 AIR -43,2 3 -162,1046 10,0000 ZNS -48,7 4 -323,7274 98,9750 AIR -50,4 193,2088 17,5000 ZNS -72,7 6 223,6422 450,0000 AIR -75,1 7 -354,1595 25,0000 ZNS -112,5 8 -243,7634 499,9674 AIR -116,1 9 3024,9872 10,0000 ZNS -80,1 -1873 AIR -79,8 Dans ce tableau, qui correspond à la disposition de lentilles représentée sur la figure IA pour un coefficient d'asphérisation du miroir égal à -0, 547, la distance entre la lentille F3 de l'ensemble déplaçable et la lentille F2 de l'ensemble fixe est indiquée comme étant égale à 450 mm. Dans le cas de la figure lB, qui correspond à un coefficient d'asphérisation égal à 0,7976, cette distance est égale à 300 mm et, dans celui de la figure IC, qui correspond à un coefficient d'asphérisation égal à -1, cette distance est égale à 250 mm. On pourrait encore diminuer cette distance si l'asphérisation devait augmenter. Le miroir pris en compte pour le calcul de cet exemple de réalisation de l'invention est un miroir de 8 mètres de diamètre, de 27 200 mm de rayon de courbure, soit une ouverture de F/1.7 et dont le coefficient d'asphérisation doit être, en fin de polissage, égal à -1. Pour les différentes positions du groupe de lentilles qui assure l'effet de zoom, l'écart quadratique moyen de la surface d'onde obtenue est de L/150 quand le coefficient d'asphérisation est égal à -1 et de L/60 quand ce coefficient est égal à -0.5, ceci pour L = 10 microns. La qualité de cette correction indique nettement que le système est limité par la diffraction et permet d'évaluer des défauts de la surface d'onde du 1/10 frange soit, finalement sur le miroir, un défaut de 0.5 micron. Les lentilles sont réalisées en sulfure de zinc, qui est un matériau transparent pour la longueur d'onde de 10 microns et également pour les longueurs d'ondes du spectre visible, ce qui autorise d'utiliser ce compensateur pour contrôler la mise en forme asphérique au stade du douci et également au début du polissage. Cet exemple n'est pas limitatif, ce compensateur pouvant être évidemment réalisé en d'autres matériaux pour être utilisé dans le spectre visible. Le compensateur de la figure 2 constitue précisément un exemple d'application de l'invention à la définition d'un compensateur pour le domaine visible (longueur d'onde 632,8 nm). Les lentilles F'1 à F'5 du compensateur sont en baryum-chrome (en abrégé BC) d'indice 1,618 et leurs caractéristiques sont indiquées sur le Tableau II ci-après o les numéros des surfaces renvoient aux repères correspondants indiqués sur la figure 2B. TABLEAU II Surface Rayon Epaisseur Nature du Demi-diamètre N N du milieu milieu utile suivant suivant I' -59,8236 15,0000 BC -41,5 2' -62,6334 18,1785 AIR -43,2 3' -166,6315 10,0000 BC -48,7 4' -371,2067 90,8954 AIR -50,4 ' 166,6931 17,50000 BC -72,7. 6' 217,6288 391,9605 AIR -75,1 7' -0,1647E+04 0,2500E+02 BC -112,5 8' -265,1801 555,8668 AIR -116,1 9' 339,6277 10,0000 BC -80,1 ' 604,9 AIR -79,8 La valeur 391,9605 du tableau est celle de la distance qui sépare l'ensemble mobile de l'ensemble fixe lorsque le degré d'asphérisation est -0,67586 (figure 2B). Dans le cas de la figure lB, cette valeur est 491, 9605 pour un. degré d'asphérisation de -0,54567 et, dans le cas de la figure IC, cette valeur est 291,9605 pour un degré d'asphérisation de -1. REVENDICATIONS 1. Compensateur d'aberration sphérique pour vérifier la forme de la surface d'un miroir asphérique, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'un ensemble fixe de lentilles (F1,F2; F'1,F'2) et d'un ensemble déplaçable de lentilles (F3,F4,F5; F'3,F'4,F'5), les deux ensembles ayant même axe optique et étant disposés à distance l'un de l'autre. 2. - Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que.ledit ensemble fixe possède une première lentille (F1,F'2) placée au voisinage du centre de courbure du miroir, c'est-à-dire dans la caustique d'aberration sphérique du miroir et destinée à faciliter la correction des ordres supérieurs d'aberration, cette lentille étant suivie par une deuxième lentille (F2; F'2) dont la forme (cambrure) est déterminée pour compenser l'aberration sphérique du 3ème ordre du miroir et dont la puissance est choisie pour optimiser au mieux l'encombrement et la facilité de réduction des ordres supérieurs. 3. Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble mobile est constitué par un système afocal à trois lentilles (F3,F4,F5); F'3,F'4,F'5) calculé de façon à compenser l'aberration produite par le miroir quand son coefficient d'asphérisation varie de -0, 5 à -l et au delà. 4. Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble fixe possède une première lentille (F1; F'1) placée au voisinage du centre de courbure du miroir, c'est-à-dire dans la caustique d'aberration sphérique du miroir et destinée à faciliter la correction des ordres supérieurs d'aberration, cette lentille étant suivie par une deuxième lentille (F2,F'2) dont la forme (cambrure) est déterminée pour compenser l'aberration sphérique du 3ème ordre du miroir et dont la puissance est choisie pour optimiser au mieux l'encombrement et la facilité de réduction des ordres supérieurs et en ce que l'ensemble mobile est constitué par un système afocal à trois lentilles (F3,F4,F5; F'3,F'4-,F'5) calculé de façon à compenser l'aberration produite par le miroir quand son coefficient d'asphérisation varie de -0,5 à -1 et au delà. 5. Application d'un compensateur selon l'une des revendications I à 4 à la vérification de la forme de la surface d'un miroir asphérique pendant la réalisation progressive de l'asphérisation, caractérisée en ce qu'une des lentilles de l'ensemble fixe est située au voisinage immédiat dudit centre de courbure, et l'ensemble mobile est rapproché de l'ensemble fixe au fur et à mesure de la progression de l'asphérisation. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que le miroir est un miroir dont le nombre d'ouverture est de l'ordre de F/1,7 à F/2 et dont le diamètre est de l'ordre de 4 à 8 m. 1/1 F2 F S' A_ 31e F0 FIG 1 | s É;4 X FIG21 F1G2 (lB) A.A ) 3,_ J5- FIG. 2, ?(2)9 3)/9 0