Brevet FR2778356A1 — publié le 19991112

PROCEDE DE TRAITEMENT DE PIECES OPTIQUES La présente invention est relative à un procédé de traitement de pièces optiques en séléniure de zinc. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de pièces optiques en séléniure de zinc. Il est connu de fabriquer des éléments optiques tels que des lentilles, à partir de cristaux de séléniure de zinc; ces cristaux ont une structure cubique, une taille de l'ordre de 60 microns et une densité de l'ordre de 5,3; la fabrication de ZnSe (méthode CVD: " Chemical Vapor Deposition ") peut notamment s'effectuer par dépôt en phase vapeur. Les lentilles en ZnSe obtenues sont notamment utilisées dans la construction de systèmes optiques pour laser CO2 de forte puissance, utilisés notamment pour usiner divers matériaux; en effet, ces lentilles présentent des performances intéressantes notamment en ce qui concerne leur faible absorption aux longueurs d'ondes voisines de 10,6 microns; ces lentilles sont susceptibles de se détériorer20 notamment sous l'impact de particules projetées lors de l'usinage de pièces par laser; il en résulte des défauts des lentilles sous forme de cavités ponctuelles, de rayures, notamment, qui affectent les performances optiques des lentilles. Il n'est connu à ce jour, aucun procédé de réparation de lentille ou élément optique en ZnSe: il est présumé que ceci résulte des très grandes difficultés rencontrées pour rénover les lentilles en raison de trois types de cause: principalement celles liées à la structure particulière du ZnSe ainsi que celles liées à la précision géométrique nécessitée pour obtenir les performances optiques (distance focale notamment) souhaitées, et dans une moindre mesure, celles liées aux particularités des défauts constatés dans les lentilles. La structure cristalline du séléniure de zinc est une structure que l'on peut qualifier d'alvéolée, qui est généralement obtenue par empilement de couches successives de cristaux; il en résulte un matériau très tendre dans lequel le choc d'une particule par exemple métallique, peut provoquer la formation d'une cavité de faible dimension transversale mais de grande profondeur; outre le fait que la présence et la géométrie de ces défauts est très difficile a évaluer et/ou à diagnostiquer, on peut par ailleurs dans certains cas constater la présence de défauts internes importants qui n'apparaissent10 qu'après enlèvement superficiel de matière, alors que seuls des défauts ou cavités de faibles dimensions étaient perceptibles en surface, ceci résultant vraisemblablement notamment de la structure feuilletée de ce matériaux. En outre, ce matériau de faible dureté est susceptible d'être détérioré lors de l'usinage par abrasion ou polissage par exemple, par des amalgames de particules abrasives et/ou par des impuretés. Il est nécessaire par ailleurs d'assurer un usinage de très grande précision pour obtenir les rayons de courbures correspondant aux caractéristiques optiques recherchées, qui doivent rester dans une20 plage de tolérance très étroite. D'autres types de difficultés résultent de la nature chimique particulière de ce matériau, qui est très sensible à l'oxydation: la formation au cours du traitement d'une couche superficielle d'oxyde peut être irréparable.25 Après des essais infructueux, il a été trouvé un procédé qui permet de rénover des éléments optiques en ZnSe, en particulier des lentilles utilisées dans les systèmes d'usinage laser, qui est performant, simple et peu coûteux. Ce procédé permet de rénover des éléments optiques coûteux, et permet donc de prolonger leur durée d'utilisation. Conformément à un aspect de l'invention, le procédé comporte une opération d'abrasion par des particules de diamant, pour polir une face (généralement concave ou convexe) jusqu'à obtenir une rugosité et un rayon de courbure qui soient satisfaisants.5 Aux fins du polissage, les particules de diamant formant une poudre sont dispersées dans un liquide constitué de préférence d'eau ordinaire filtrée; la solution aqueuse résultante est appliquée sur la face à polir de la lentille, qui est montée sur un outil de polissage actionné par une machine à polir conventionnelle.10 Selon un autre aspect de l'invention, le procédé comporte successivement deux opérations principales: une opération dite de dépolissage, par abrasion d'au moins une face munie de défauts par un premier abrasif de préférence à base de particules de carbure de silicium dispersées dans une première solution aqueuse, suivie d'au15 moins une (et de préférence plusieurs) opération(s) de polissage de ladite face par un deuxième abrasif à base de particules de diamant synthétique dispersées dans une deuxième solution aqueuse. L'invention propose un procédé de rénovation de pièces optiques en séléniure de zinc qui est performant, simple et peu coûteux, il peut être mis en oeuvre à température ambiante et pression atmosphérique, de préférence dans un local o l'air est climatisé (pour être maintenu à une température de l'ordre del5 C à 25 C) et de préférence filtré pour éliminer les poussières. L'opération de dépolissage de la face comportant des défauts provoque un enlèvement de matière sur une épaisseur variant généralement de 0,01 mm à 2 mm. Selon des modes préférés de réalisation de l'invention - on polit une face de l'élément optique en plusieurs opérations successives, à l'aide de particules de diamant synthétique calibrées, de taille décroissante lors des différentes opération de polissage, qui sont utilisées dispersées dans une solution aqueuse; - les particules de diamant ont une taille moyenne comprise entre 0,1 micron et 3 microns - on utilise successivement deux à quatre types de poudre de diamant, lors de deux à quatre opérations successives de polissage, qui se différencient par la taille moyenne des particules: lors de la première opération de polissage, on utilise des particules de taille relativement élevée, puis lors des opérations ultérieures de polissage, on choisit des particules de taille ou diamètre moyen plus faible; - on utilise en particulier un premier type de poudre de diamant dont la taille moyenne des particules est voisine de 0,5 à 2 microns, en particulier voisine de I micron, puis dans une deuxième étape de polissage on utilise un deuxième type de poudre de diamant dont la taille moyenne des particules est voisine de 0,25 à 1 micron, en particulier voisine de 0,5 micron, puis lors d'une troisième étape de15 polissage on utilise un troisième type de poudre de diamant dont la taille moyenne des particules est voisine de 0,1 à 0,5 micron, en particulier voisine de 0, 25 micron; - selon un mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé on polit des éléments optiques de caractéristiques géométriques et optiques similaires, par groupe de plusieurs pièces ou lentilles comportant de préférence de trois à dix pièces ou lentilles, en particulier comportant de l'ordre de cinq à neuf lentilles. A titre d'exemple, on a réparé un lot de sept lentilles en ZnSe de 1,5 pouce de diamètre et de 5 pouces de distance focale en effectuant successivement les opérations décrites ci-après en relation avec la figure unique: a - opération de dépolissage Cette opération a pour but d'enlever par abrasion les impacts dus aux projections de métal sur la surface de la lentille; on utilise un outillage métallique de courbure inverse mais de rayon de courbure similaire à celui de la face de la lentille à traiter, qui est fixé sur l'arbre rotatif d'un tour à ébaucher; la lentille est frottée contre l'outil en rotation et l'abrasion est réalisée par adjonction entre l'outil et la lentille d'un mélange d'eau et de fines particules de carbure de silicium.5 b - préparation au polissage On vernit l'une des faces de la lentille ainsi que la tranche; on dépose ensuite un ciment constitué d'un mélange de poix et de cire à cacheter, en une couche d'une épaisseur régulière sur la face vernie de la lentille; on positionne ensuite les lentilles par groupe de septi0 sur un premier outil en laiton de courbure inverse à celle de la face à polir de sorte que les lentilles constituent avec l'outil un bloc; une fixation temporaire des lentilles sur l'outil en laiton est obtenue par adhésion; on chauffe un deuxième outil en aluminium dont le rayon est calculé de telle sorte qu'il compense l'épaisseur des lentilles et15 du ciment déposé sur la face vernie des lentilles, et on applique cet outil préalablement chauffé sur le ciment recouvrant les lentilles afin de provoquer une adhésion du groupe de lentilles sur le deuxième outil: après refroidissement de l'outil, les lentilles sont alors fermement solidarisées au deuxième outil par le ciment (repère 5), de20 sorte qu'on peut les séparer du premier outil en laiton. c - polissage des lentilles: L'outil 1 portant le groupe de lentilles 3 et un polissoir 2 sont choisis de façon à ce que ce dernier épouse le rayon du groupe de lentilles (et des lentilles); ils sont fixés sur une machine à polir conventionnelle dont un arbre 4 à axe vertical 6 est animé d'un mouvement en rotation, et reçoit l'outil sur lequel sont fixées les lentilles; un bras 10 mobile selon un mouvement de rotation à axe horizontal guide le déplacement du polissoir, dont la face active recouverte de poix 7 recouvre le groupe de lentilles maintenues par le deuxième outil formant support de lentilles; on applique après mise en rotation du bras et de l'arbre sur lequel est posé le support de lentilles, à l'aide d'un pinceau, une solution d'eau et de fines particules d'alumine entre le polissoir et le groupe de lentilles, de sorte que du fait de l'abrasion, le rayon 8 de courbure du polissoir est ajusté au rayon de courbure des lentilles à polir.5 On utilise ensuite un autre abrasif constitué d'une poudre diamantée d'une granulométrie de 1 micron que l'on applique également au pinceau entre les faces 9 à polir des lentilles et le polissoir, pendant une durée de quelques dizaines de minutes et on contrôle régulièrement, à l'aide d'un instrument optique simple, la10 courbure de la face (en cours de polissage) des lentilles; on poursuit l'opération de polissage en utilisant une poudre diamantée d'une granulométrie moyenne de 0,5 micron pendant quelques dizaines de minutes et on termine l'opération de polissage à l'aide d'une troisième poudre diamantée d'une granulométrie de 0,25 micron.15 Les produits abrasifs utilisés sont par exemple ceux proposés par la société l'Abrasienne (France). Après contrôle du rayon de courbure de la face polie, on désolidarise le bloc de lentilles de leur outil support; puis les lentilles sont nettoyées et éventuellement remontées sur un autre20 outil pour polir la deuxième face selon un procédé opératoire identique à celui décrit ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de pièces optiques en séléniure de zinc caractérisé en ce qu'il comporte une opération d'abrasion par des particules de diamant. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on polit en plusieurs étapes successives à l'aide de particules de diamant synthétiques calibrées de taille décroissante dispersées en solution aqueuse.10 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel les particules de diamant ont une taille moyenne comprise entre 0,1 micron et 3 microns. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel on utilise successivement deux à quatre type de poudre de diamant, qui se différencient par la taille moyenne des particules. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel on utilise une première poudre dont la taille moyenne est voisine de 0,5 à 2 microns, on utilise ensuite une deuxième poudre dont la taille moyenne des particules est voisine de 0,25 à 1 micron,20 puis on utilise une troisième poudre dont les particules ont une taille de l'ordre de 0,1 à 0,5 micron. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 5 dans lequel on opère un dépolissage préalable des pièces optiques en utilisant une poudre de particules de carbure de silicium.25 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel les particules de carbure de silicium sont dispersées dans une solution aqueuse. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel on polit simultanément un groupe de plusieurs pièces optiques. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel on opère à pression atmosphérique dans un local climatisé.