Brevet FR2726915A1 — publié le 19960515

L'invention concemrne un dispositif de fixation d'un élément optique, notamment un miroir, sur une structure quelconque. Dans le domaine de l'optique, les performances des éléments optiques de précision tels qu'une lentille, un dioptre ou un miroir, sont directement liées à l'état de surface de la surface utile ainsi qu'aux contraintes thermiques et mécaniques de l'environnement auxquelles elles sont soumises. L'état de l'art enseigne des solutions qui résolvent soit le problème des contraintes mécaniques, soit le problème des contraintes thermiques, mais rarement les deux problèmes simultanément. De plus, en rajoutant une troisième contrainte, celle du faible encombrement du dispositif de fixation, aucune solution ne permet de manière efficace de réunir ces trois contraintes en un seul dispositif. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de fixation d'un élément optique, notamment un miroir, sur une structure quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte, pour conserver les performances optiques du miroir en tenant compte des contraintes thermiques et mécaniques de l'environnement du miroir, un support mécanique maintenant le miroir qui est préformé sur la face opposée à sa surface réfléchissante pour définir un espace de collage de volume solide déterminé, entre le support et le miroir, l'espace ainsi formé étant comblé par un joint de colle dont le coefficient de dilatation volumique est déterminé pour que la variation volumique thermique différentielle entre, le volume solide et le volume de colle soit quasiment nulle. L'invention a pour principal avantage de découpler la fonction assemblage de la fonction optique, en réalisant une fixation de miroir dans un encombrement réduit, limitant à la fois les contraintes thermiques et mécaniques tout en conservant ses caractéristiques de planéité dans une gamme de température étendue. La fixation présente par ailleurs une rigidité déterminée de manière à limiter les rotations du miroir en environnement mécanique sévère (vibrations, accélérations constantes etc...). D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en regard des figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 3, respectivement des dispositifs de fixation de miroir de s l'art antérieur, - la figure 4, un mode de réalisation d'un dispositif de fixation selon l'invention, - la figure 5, une coupe du dispositif suivant l'axe de coupe AA de la figure 4, et - la figure 6, un détail de la vue en coupe de la figure 5, correspondant à une patte de fixation du support du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les éléments homologues sont désignés par les mêmes repères. Les dispositifs des figures 1 et 2 sont basés sur le même principe: un miroir 1 est pincé de manière élastique en trois points sur son périmètre extérieur entre un support 2 sur lequel il est posé et des pinces 3i, 4i par l'intermédiaire de vis 5i. Dans le dispositif de la figure 1, les pinces 3i sont élastiques et le miroir 1 repose sur trois plots ou bossages faisant partie intégrante du support 2. Dans le dispositif de la figure 2, les trois pinces 4i sont rigides et une cale élastique 6 est interposée entre le miroir 1 et le support 2. Dans le dispositif de la figure 3, le miroir 1 est préformé dans sa base pour être fixé par vis Si au support 2. Le miroir 1 et le support 2 sont réalisés à partir du même matériau et par conséquent, ils ont le même coefficient de dilatation. La surface opposée à la surface utile du miroir 1 est préformée sous forme de pattes 7i de faible épaisseur, utilisées pour la fixation du miroir 1 sur le support 2 et pour résoudre le problème des contraintes mécaniques. Ces trois dispositifs ne remplissent pas une des contraintes principales de l'invention qui est d'inscrire l'interface mécanique miroir/support dans la surface du miroir et cela dans une épaisseur réduite. D'autre part, concernant le dispositif de la figure 3, il n'est pas toujours possible de réaliser un miroir 1 dans le même matériau que le support 2 car apparaissent alors des problèmes d'incompatibilité pour un certain nombre de propriétés comme la taille du grain, le relâchement des contraintes, I'aptitude au polissage, les traitements optiques etc... De plus dans ce denier dispositif un inconvénient supplémentaire est dû à l'effet bilame résultant crd'une déformation non homogène des deux parties de l'assemblage. Un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention est illustré à la figure 4. Le miroir I de la figure 4 comporte une face utile 8, correspondant à la face réfléchissante du miroir 1, et une face opposée 9 à la face utile qui est préformée pour présenter un pied central cylindrique de diamètre déterminé inscrit dans l'encombrement du miroir 1, ce diamètre correspondant au jeu près au diamètre intérieur d'un support mécanique 2 en forme de couronne dont l'encombrement est inscrit dans l'encombrement du miroir 1. Différents matériaux peuvent être utilisés pour réaliser le support 2 de fixation du miroir 1. Cependant, le matériau le plus adapté pour la réalisation de miroir I étant le verre, choisi pour son aptitude au polissage et sa stabilité dimensionnelle, un matériau adapté à la stabilité du verre, c'est- à-dire de coefficient de dilatation proche de celui du verre est préféré. La fixation du miroir 1 sur le support 2 est réalisée par collage. Le pied cylindrique permet un collage par sa tranche, c'est-à-dire par sa surface latérale. L'injection de colle est effectuée par exemple par l'intermédiaire d'un orifice d'injection 10i disposé radialement dans l'épaisseur de la couronne-support 2. Avantageusement, le collage est réalisé sur une surface aussi grande que possible pour une épaisseur de joint de colle aussi faible que possible adaptée pour que l'écart de dilatation entre le miroir 1 et le support 2 soit cornpensé par la dilatation de la colle. Ce collage assure ainsi une rigidité suffisante de l'assemblage miroir 1/support 2. Une colle souple est de préférence utilisée pour limiter les transferts de contraintes soit thermiques, soit mécaniques entre le support 2 et le miroir 1. La figure 5 illustre une vue en coupe du dispositif de la figure 4 selon l'axe AA. Sur cette figure la face utile 8 du miroir 1 est identifiée par un rayon de lumière se réfléchissant sur elle. Cette vue en coupe met en évidence l'orifice 10i crd'injection de la colle. Un détail de cette figure délimitée par une ligne en trait mixte est illustré à la figure 6. Ce détail met en évidence un pied de fixation 7i du support 2. Compte tenu de la faible épaisseur du joint de colle 11 la rigidité des pattes de fixation 7i est adaptée de manière à ce que les déformations (par exemple: celles dues au défaut de planéité du support 2 ou de la structure) ne se communiquent pas vers la zone de collage. Pour cela la solution mécanique illustrée à la figure 6 définit une liaison très rigide dans la zone de collage et une liaison moins rigide avec les pattes de fixation 7i. Ainsi l'ensemble miroir 1/support 2 peut se fixer directement par vis sur une structure quelconque. Le réglage angulaire du miroir 1 peut être obtenu par reprise du plan de pose (par rectification ou rodage). En résumé, la démarche à adopter pour la mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention est la suivante: - détermination de l'épaisseur minimale du joint de colle 11 en fonction de la viscosité de la colle, détermination du diamètre maximal de collage, et - choix du verre en fonction de son coefficient de dilatation. Les paramètres nécessaires au dimensionnement du dispositif selon l'invention répondent aux relations suivantes: Soit Vs le volume solide défini comme l'espace compris entre le diamètre extérieur du pied cylindrique 9 du miroir 1 et le diamètre intérieur de la couronne- support 2. Cet espace correspond également au volume maximal disponible pour le collage. Le volume Vs s'exprime par la formule suivante: Vs = hil(r22 r12) (1) o h correspond à la hauteur de l'espace ainsi défini, soit à l'épaisseur maximale du joint de colle 11, rn au rayon du pied cylindrique 9 du miroir 1, et r2 au rayon intérieur du support 2. La variation du volume Vs en fonction de la température 0 s'exprime par la formule suivante: AVs = e M(2) soit,, VS = M Oh A(+ î-- A(+ -- i iO (3) SV hô) fa ôal) ôr2 ôff2) En partant de l'hypothèse que la figure de déformation de l'espace pris localement entre les diamètres respectifs au pied cylindrique 9 du miroir 1 et au support 2 est un trapèze, ce trapèze comportant une première base correspondant au produit de h par le coefficient de dilatation linéique al du miroir 1, et une deuxième base correspondant au produit de h par le coefficient de dilatation linéique a2 du support 2, l'épaisseur moyenne du joint de colle 11 est alors définie par h 2) et la variation de volume solide Vs s'exprime alors par la formule suivante: AVs = I3(r22 - r12)h (a 2) e- 2r12hrlalAO +2hlIr22a2Ae (4) La variation du volume de colle 11 s'exprime par la formule suivante: AVc = -Ih(r22 -r12)3a3 AO (5) O 3a3 correspond au coefficient de dilatation volumique de la colle 11. L'égalité des deux volumes AVc et AVs, soit des formules (4) et (5), permet de déterminer le coefficient de dilatation linéique du miroir 1 soit al: AVc = &Vs (6) (r22- rî2) ((ala2) -3c3)-2r12a1+2r22a2=0 (7) d'o -c2(r22 2 r12./+ 3a3 (r22 - r12) - 2r22 a2 al - (8) r22 - rl 2r12 Ainsi, à titre d'application numérique pour R1 =25 mm et r2 = 25,1 mm le coefficient de dilatation linéique al du miroir 1 est égal à 5,8 10-6/K L'épaisseur de colle 11 est donc de l'ordre de 0,1 mm. Ce coefficient de dilatation correspond à celui d'un verre fréquemment utilisé pour la réalisation de miroir. L'invention n'est pas limitée à la fixation d'un élément optique mais peut s'étendre, sans sortir du cadre de l'invention, à toute pièce ayant besoin d'avoir une stabilité mécanique proche de 10-6 mètres/K REVENDICATIONS 1. Dispositif de fixation crd'un élément optique, notamment un miroir (1), sur une structure quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte, pour conserver les performances optiques du miroir (1) en tenant compte des contraintes thermiques et mécaniques de l'environnement du miroir (1), un support mécanique (2) maintenant le miroir (1) qui est préformé sur la face opposée à sa face réfléchissante pour définir un espace de collage de volume solide déterminé (Vs), entre le support (2) et le miroir (1), l'espace ainsi formé étant comblé par un joint de colle (11) dont le coefficient de dilatation volumique (3a3) est déterminé pour que la variation volumique thermique différentielle entre le volume solide (Vs) et le volume de colle soit quasiment nulle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du joint de colle (11) est minimisée pour maximiser la rigidité mécanique de l'assemblage support (2)/miroir (1) tout en tenant compte de la viscosité de la colle (11). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la colle (11) est une colle souple de manière à limiter les transferts de contraintes thermiques et/ou mécaniques. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour tenir compte de la faible épaisseur du joint de colle (11), la liaison mécanique du support (2) sur la structure comporte une rigidité inférieure à la liaison mécanique du support (2) avec le miroir (1) dans la zone de collage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la face arrière (9) du miroir (1) présente une surface de révolution et en ce que le support (2) épouse au plus près cette surface (9). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la liaison mécanique du support (2) sur la structure comporte au moins trois pieds (7i) équirépartis sur le périmètre extérieur du support (2). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que l'encombrement du support mécanique (2) est inférieur à l'encombrement du miroir (1) qu'il maintient, le support (2) ne dépassant pas de la surface réfléchissante du miroir (1).