Brevet FR2623917A1 — publié le 19890602

Dispositif d'ajustage pour miroir déformable. L'invention concerne un dispositif d'ajustage de la surface optiquement active d'un miroir déformable au moins de façon quasi-continue, comprenant à l'arrière de sa surface des organes de réglage de déformation qui sont disposés respectivement mécaniquement en série avec des organes de réglage d'ajustage associés. Un tel dispositif de ce type est connu par le US-PS 4 679 915 sous la forme de vis de réglage à contre- écrous montées sur une plaque de base et destinées au réglage axial d'organes de réglage de déformation à l'arrière de la plaque du miroir. L'inconvénient de ce dispositif de réglage vient des importantes interventions manuelles qui sont nécessaires et de la faible précision reproductible du réglage que l'on peut obtenir pour une topographie de surface prédéterminée et définie; car même une surface initialement rectifiée et totalement plane se déforme en raison des tensions thermiques dues à l'environnement et au fonctionnement qui apparaissent dans le matériau de la plaque du miroir et en raison des matériaux (tels que des disques en silicium ou cuivre) qui ne résistent pas au vieillissement de la façon voulue et qui sont utilisés pour la réalisation de miroirs de ce type. Il n'est pas possible d'envisager dans la pratique des opérations de polissage de la surface du miroir effectuées à de courts intervalles en raison des interruption du fonctionnement qui sont nécessaires à cette fin et des importants dispositifs auxiliaires auxquels il faut avoir recours. - 2 - Connaissant ces conditions, l'invention a pour but de proposer un dispositif d'ajustage du type indiqué dans le préambule, permettant d'obtenir un miroir pouvant être déformé de façon continue ou quasicontinue avec une précision et une constance élevées de la topographie de sa surface pendant un fonctionnement de longue durée, c'est-à-dire sans que sa topographie établie initialement se modifie de façon inadmissible après seulement une courte durée de fonctionnement en raison des tensions des matériaux de la mince plaque-du miroir (notamment en raison des influences thermiques lors de l'irradiation ar moyen de lasers à haute énergie). Ce but est atteint essentiellement du fait que le dispositif d'ajustage du type de l'invention se caractérise par le fait qu'à chaque organe de réglage et d'ajustage est associé un détecteur d'ajustage qui fournit la position de consigne sur le site de la saisie de l'organe de réglage de déformation qui n'est pas momentanément excité à une mémoire, et en ce qu'il est prévu un comparateur destiné à ces valeurs de référence mises en mémoire et aux valeurs de position momentanées lorsque les organes de réglage de déformation ne sont pas excités, le comparateur transmettant les valeurs de réglage aux organes de réglage et d'ajustage pouvant être excités électriquement pour compenser cette déviation. Selon cette solution, on utilise des organes de réglage fondamentalement de même type d'une part pour la commande de déformation de la surface du miroir et d'autre part pour un réglage fin des régions de la surface qui ne sont pas excitées en vue d'une déformation. L'utilisation d'actionneurs en piézocéramique pour constituer de tels organes de réglage d'ajustage permet par une excitation électrique relativement simple un déplacement axial extrêmement précis et situé dans la plage sub- micronique de l'organe de réglage de déformation respectif qui s'appuie contre le côté arrière du miroir et de ce fait le positionnement du point de la plaque du miroir associé quand l'organe de réglage de déformation n'est pas excité. La topographie désirée peut être réglée à l'origine en étant commandée de l'extérieur, avec mise en mémoire des valeurs de position des points individuels du miroir (par rapport à la plaque de base); suite à quoi, -3quand les organes de réglage de déformation ne sont pas excités (c'est-à-dire par exemple pendant de courtes interruptions pendant un fonctionnement continu), ces positions sont à nouveau mesurées et comparées au valeurs d'écartement associées et mises en mémoire, pour améliorer éventuellement l'ajustage fin de la planéité par l'intermédiaire des organes de réglage d'ajustage. Ce qui est particulièrement avantageux est que les exigences dynamiques imposées aux organes de réglage d'ajustage, en raison du positionnement d'ajustage qui n'est que périodique des organes de réglage de déformation (non excités), sont très faibles. De ce fait, on peut utiliser un organe de réglage d'ajustage en piézocéramique dont la céramique est très rigide entre la plaque de base et l'organe de réglage de déformation associé, de manière qu'il n'y ait en pratique aucune influence ou dégradation de la dynamique de l'organe de réglage de déformation du fait que ce dernier reste supporté sur une base quasi rigide. La tension élevée qui est nécessaire pour l'excitation de l'organe de réglage d'ajustage plus rigide ne pose également aucun problème sur le plan technique des commutations en raison des faibles exigences dynamiques. Par contre, le réglage et la correction de la topographie de surface ne peuvent pas être réalisés avec l'agencement connu d'organes de réglage de modulation montés en série avec les organes de réglage de déformation. Car ceux-ci doivent être basés sur la possibilité de réaliser des modifications de longueur de fréquence élevée pour individualiser les zones de déformation individuelles de la surface du miroir par leurs oscillations minimales qui se superposent aux valeurs de réglage de position. Des capteurs sans contact peuvent être utilisés aussi bien pour déterminer la position réelle du miroir par rapport à sa plaque de base que pour obtenir d'autres valeurs physiques qui ont une influence sur la topographie de la surface, telles que la température locale, de manière à pouvoir tenir compte de ces autres valeurs d'influence pour faire revenir la surface du miroir à sa forme de consigne dans l'intérêt d'une bonne qualité de son réglage, de la même manière que pour les influences de l'environnement. -4- Ainsi, la qualité de surface à long terme qui est recherchée, notamment une planéité stable, du miroir déformable, est déterminée exclusivement par la stabilité mécanique de la constitution du miroir et par la sensibilité et la précision du capteur de position. Il est possible d'obtenir sans difficultés avec les composants habituels du commerce une planéité de surface de longue durée supérieure à 100 nm par rapport aux points de mesure de référence de la position de consigne. Chaque capteur est monté à l'intérieur de l'organe de réglage et est dirigé vers le côté arrière du miroir. Le dispositif d'ajustage est prévu avec un inverseur de mode de fonctionnement pour recevoir d'une part des valeurs de référence de distance en tant que valeurs de consigne d'ajustage à mettre en mémoire, en fonction d'une mesure successive des valeurs d'écartement quand les organes de réglage de déformation ne sont pas excités, et d'autre part pour appliquer des valeurs d'écartement modifiées au comparateur. De préférence, on prévoit une acquisition périodique des valeurs de réglage d'ajustage quand les signaux de commande de déformation sont momentanément arrêtés. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant aux dessins annexés qui sont des représentations fortement abstraites et limitées à l'essentiel, et non à l'échelle, de modes de réalisation préférés de la solution de l'invention. Sur les dessins: la figure 1 est une vue en coupe avec arrachement d'un miroir déformable à dispositif d'ajustage, et la figure 2 représente la commande électrique du dispositif d'ajustage sous forme d'un schéma par blocs unipolaire. Le dispositif d'ajustage 11 qui est représenté sur le dessin et qui est destiné à la surface optique efficace 12 d'un miroir déformable de façon quasi-continue 13 avec des organes de réglage de déformation 14 coopérant par l'arrière avec sa surface 12 comprend un certain nombre d'organes de réglage d'ajustage 15 qui sont montés mécaniquement et respectivement en série sur chaque organe de réglage de déformation associé 14. En ce qui concerne les organes de réglage 14, il s'agit de -5- préférence d'actionneurs piézo-électriques ayant la forme de colonnes constituées par de courts cylindres creux en piézo-céramique, qui sont raccordés par l'intermédiaire d'un organe d'adaptation géométrique 16 relié fermement à une extrémité frontale des colonnes au coté arrière 17 du miroir 13 en forme de plaque mince, par exemple au moyen de tenons de transmission de force 18 formés ou fixés sur celui-ci. Comme la longueur axiale efficace des organes de réglage de déformation individuels 14 peut être réglée individuellement par une excitation électrique appliquée par des conducteurs de commande de déformation 19, on peut prévoir une allure locale variée de la surface 12 (c'est-à-dire une répartition locale variable des bombements), de manière que les parties voisines de la section transversale du rayonnement d'un faisceau incident 20 à relations de phase mutuelles différentes soient transmises sous forme d'un faisceau réfléchi 21 et de compenser ainsi aussi largement que possible les perturbations de sa propagation qui sont créées dans le milieu de propagation par'des défauts d'homogénéité de propagation sur la section transversale du faisceau; ainsi que cela est décrit plus en détail dans GB-OS 21 62 713. Pour réaliser une compensation définie de perturbations données de la propagation, il faut avoir recours à une excitation adaptée par l'intermédiaire de conducteurs de commande de déformation 19, qui est liée aux conditions de propagation non distordues et idéales et de ce fait à une surface de miroir idéalement plane 12. A l'état non excité des organes de réglage de déformation 14, c'est-à-dire quand leurs conducteurs de commande respectifs 19 ne fournissent aucun signal de déformation 33 à l'organe de réglage 14, la surface 12 du miroir doit alors présenter un contour de surface aussi symétrique que possible par rapport à l'axe optique du miroir, par exemple une topographie sphérique ou plane prédéterminée; bien qu'il soit impossible d'éviter des déformations de surface perturbatrices d'un ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement, notamment en fonctionnement de longue durée, du fait d'une stabilité mécanique non idéale sur une longue durée des matériaux du miroir 16 et des sollicitations thermiques apparaissant lors de la réflexion de faisceaux laser 20 de forte énergie. - 6 - Pour éviter des interruptions gênantes du fonctionnement et également les dépenses occasionnées par le polissage mécanique de la surface 12 du miroir, ainsi que les insuffisances que l'on constate quand on utilise manuellement des organes de réglage d'ajustage en forme de vis ou en forme de pistons, on prévoit également en tant qu'organes de réglage d'ajustage 15 des actionneurs piézoélectriques respectifs, disposés de préférence entre le côté arrière de l'organe de réglage de déformation associé 14 qui est à l'opposé du miroir 13, coaxialement à celui-ci et à un organe d'accouplement 23, et une plaque de base arrière massive 24. Sa piézo-céramique est aussi dure que possible par rapport à celle de l'organe de réglage de déformation 14, de manière à constituer pour ce dernier un appui aussi rigide que possible dans la position' momentanée respective de calibrage de la surface 12 du miroir. Les organes de réglage d'ajustage 15 sont donc commandés avant le début du fonctionnement, et éventuellement également périodiquement pendant les interruptions de courte durée de l'excitation de l'organe de réglage de déformation 14, par des conducteurs de commande d'ajustage 25 sur un réglage en longueur de ce type, de manière à obtenir la surface désirée 12, par exemple totalement plane, sans excitation de déformation. Dans cette position du miroir 13, la distance entre le côté arrière 17 du miroir, par exemple au niveau de l'extrémité du tenon respectif 18, et la plaque de base 24 est mesurée au moyen d'un capteur d'écartement 27 monté sur cette dernière - de préférence dans l'enceinte interne 26 de l'organe de réglage - et est transmise par un conducteur de mesure 28 ainsi que par un multiplexeur 29 (Figure 2), comprenant éventuellement un convertisseur analogique-numérique, à une mémoire de valeurs de référence 30 d'un circuit de commande de compensation 22. En ce qui concerne les valeurs de référence, ce sont les valeurs d'écartement 31 que l'on utilise quand la surface 12 du miroir est par exemple alignée de façon totalement plane; cet état pouvant être obtenu par un réglage successif manuel ou commandé par un programme des organes de réglage d'ajustage individuels 15 au moyen d'un dispositif de calibrage 40, et dont l'entrée peut être déterminée par un appareil de mesure de planéité à - 7 - interférence optique prévu pour cette opération de calibrage sur la surface 12 du miroir. Quand cet ajustage de base est effectué avec succès, les valeurs d'écartement correspondantes 31 sont alors mises en mémoire, et un inverseur de mode de fonctionnement 32 est actionné pour que les valeurs de référence mises en mémoire ne soient pas effacées et remplacées par les valeurs d'écartement 31 qui apparaissent ensuite pendant le fonctionnement de déformation. Quand il n'y a pas de signaux de commande de déformation 33 (ce qui peut être obtenu par la programmation du fonctionnement ou être appelé périodiquement au moyen -d'interruption ayant priorité), un circuit d'interrogation 34 applique un signal de libération 35 à un comparateur 36 destiné aux valeurs de consigne d'ajustage individuelles 37 et aux valeurs d'écartement actuelles 31. Le résultat de la comparaison est une valeur de réglage 38 en vue d'un nouveau réglage de base de la planéité qui est transmise par un démultiplexeur 41 et un amplificteur d'attaque 42 aux organes de réglage d'ajustage associés 15, à la place de l'information de calibrage 39 provenant du dispositif de calibrage 40 au début du fonctionnement. Indépendamment des influences de déformation qui se sont manifestées, on peut à nouveau obtenir une position de base plane de la surface 12 du miroir par une commande d'ajustage électrique des organes de réglage rigides 15 conformément aux valeurs de référence mises en mémoire à l'origine et concernant les valeurs d'écartement individuelles 31. Ce n'est que de temps en temps et après de longues interruptions du fonctionnement ou de longues durées de fonctionnement qu'il est nécessaire de compenser à nouveau par l'intermédiaire de l'inverseur de fonctionnement 32 du dispositif de calibrage externe 40 d'éventuelles déformations permanentes du miroir 13 par mise en mémoire d'un nouveau jeu de valeurs d'écartement de référence. Pour obtenir une qualité élevée du réglage en ce qui concerne le mode de travail du comparateur 36, il peut être avantageux de prévoir des capteurs de température 43 en plus des capteurs d'écartement 27 pour pouvoir tenir compte d'informations de température 44 en tant que valeurs perturbatrices de l'environnement ainsi bien pendant la saisie -8- des valeurs de consigne d'écartement à mettre en mémoire 37 que par la suite pendant le fonctionnement au cours de la saisie des valeurs de réglage 38. Une déformation momentanée et dépendant de la température qui apparaît sur le site de la mesure est alors également prise en compte dans les valeurs de réglage 38 fournies par le comparateur de réglage 36, la partie' de la modification de la valeur d'écartement 31 qui dépend momentanément de la température étant ainsi fonction de la température. On peut aussi obtenir cette valeur d'ajustage thermique 38 pendant un fonctionnement de longue durée, de façon à réaliser de façon continue une compensation des déformations dépendant de la température. Pour les capteurs d'écartement 27, on utilise avantageusement des capteurs en fibres de verre optroniques, par exemple du type MTI 1000 de la société Mechanical Technology Inc. (USA); et pour les capteurs 43 destinés à la saisie des informations de température locales 44 des systèmes de mesure de la température à fibres optiques, tels qu'on les trouve habituellement dans le commerce sous la désignation Abtastsystem. 1110 à capteurs thermiques FTP1 de la société ASEA, Suède. -- 9--7 -9- REVENDICATIONS 1. Dispositif d'ajustage (11) de la surface optiquement active (12) d'un miroir (13) déformable au moins de façon quasi-continue, comprenant à l'arrière de sa surface (12) des organes de réglage de déformation (14) qui sont disposés respectivement mécaniquement en- série avec des organes de réglage d'ajustage associés (15), caractérisé en ce que à chaque organe de réglage d'ajustage (15) est associé un détecteur d'ajustage (27) qui fournit la position de consigne sur le site de la saisie de l'organe de réglage de déformation (14) qui n'est pas momentanément excité à une mémoire (30), et en ce qu'il est prévu un comparateur (36) destiné à ces valeurs de référence (37) mises en mémoire et aux valeurs de position momentanées (31) lorsque les organes de réglage de déformation (14) ne sont pas excités, le comparateur transmettant des valeurs de réglage aux organes de réglage et d'ajustage (15) pouvant être excités électriquement pour compenser cette déviation. 2. Dispositif d'ajustage selon la revendication 1, caractérisé en ce que à chaque organe de réglage d'ajustage est associé un capteur d'écartement (27) destiné au positionnement en hauteur du miroir (13) par rapport à une plaque de base commune (24). 3. Dispositif d'ajustage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que à chaque organe de réglage d'ajustage (15) est associé un capteur de température (43) destiné à fournir une information de température (44), qui fournit également indépendamment de l'état de fonctionnement momentané du miroir (13) une valeur d'ajustage (38) destinée à l'ajustage du miroir. 4. Dispositif d'ajustage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le capteur respectif (27; 43) est disposé à l'intérieur de l'organe de réglage (14-15) et orienté vers le cSté arrière (17) du miroir. 5. Dispositif d'ajustage selon l'une quelconque des revendications *2623917 - 10 - précédentes, caractérisé en ce que l'organe de réglage d'ajustage (15) est un actionneur en piézocéramique dont la céramique est de rigidité élevée. 6. Dispositif d'ajustage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il est muni d'un inverseur de mode de fonctionnement (32) pour saisir d'une part des valeurs de référence d'écartement en tant que valeurs de consigne d'ajustage (37) par une mesure successive des valeurs d'écartement (31) lorsque les organes de réglage de déformation (14) ne sont pas excités, et d'autre part pour fournir des valeurs d'écartement modifiées (31) au comparateur (36). 7. Dispositif d'ajustage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il est prévu une saisie périodique de valeurs de réglage d'ajustage (38) lorsque les signaux de commande de déformation (33) sont momentanément arrêtés.