Brevet FR2980278A1 — publié le 20130322

Miroir comprenant des moyens mécaniques de génération d'aberrations géométriques primaires Le domaine de l'invention est celui des miroirs déformables et plus précisément des miroirs dont la surface réfléchissante est une portion de paraboloïde. En optique, la réalisation de surfaces asphériques nécessite la 5 mise en oeuvre de moyens de réalisation bien plus complexes que la réalisation de surfaces sphériques simples. Cette réalisation est d'autant plus délicate si la surface n'est pas de révolution. Or, dans un grand nombre d'applications et en particulier dans le domaine de l'instrumentation pour l'astronomie, les combinaisons optiques à miroirs nécessitent de telles 10 surfaces. Celles-ci sont généralement des surfaces paraboliques hors d'axe. Une fois la surface réalisée, il n'est plus possible de modifier sa forme. On sait aujourd'hui réaliser des surfaces déformables de façon programmée. Ces systèmes sont utilisés notamment pour réaliser des surfaces adaptatives. Pour réaliser un tel système, on dispose sous la 15 surface du miroir à déformer un jeu d'actionneurs qui agissent sur la surface en fonction d'une analyse d'un front d'onde étalon jusqu'à obtenir la surface souhaitée. On comprend que cette technique nécessite des moyens d'analyse complexes et un grand nombre d'actionneurs. 20 Le système selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il fonctionne selon un autre principe. On sait que, lorsqu'une surface optique réfléchissante ne correspond pas à la surface idéale, un faisceau de lumière réfléchi par cette surface va présenter des aberrations géométriques. Or, il est possible de décomposer ces aberrations géométriques en grands types 25 d'aberrations, chaque type correspondant à une déformation géométrique simple de la surface réfléchissante. Ces déformations peuvent être engendrées au moyen d'un nombre réduit d'actionneurs judicieusement placés sous la surface réfléchissante. Ainsi, si la surface idéale est une portion de paraboloïde et si la 30 surface réelle est une portion de sphère, on démontre que la surface paraboloïde peut être obtenue à partir de trois types d'aberrations qui sont un terme de « focus », un terme de « coma » et un terme d' « astigmatisme ». Il est alors possible de déformer la surface sphérique au moyen de trois déformations simples correspondant à ces trois aberrations, nécessitant ainsi un nombre réduit d'actionneurs, un par mode. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir, ledit miroir de forme sensiblement circulaire ayant une face réfléchissante et une face opposée comportant un pourtour solidaire du système de déformation, caractérisé en ce que le système de déformation comporte au moins : Une première structure mécanique comprenant au moins un premier pourtour ; Un premier actionneur électromécanique solidaire de la première 15 structure mécanique ; Une seconde structure mécanique comprenant un fond sensiblement plan et un second pourtour déformables, le fond étant solidaire du premier pourtour, le second pourtour étant solidaire du pourtour du miroir ; Un plot rigide solidaire du fond, sensiblement plan et centré sur le 20 fond, le premier actionneur électromécanique exerçant une force prédéterminée sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition uniforme des moments de flexion sur le pourtour du miroir. Avantageusement, le système comporte un second actionneur 25 électromécanique, ledit second actionneur étant disposé de façon à exercer un moment de flexion prédéterminé sur le plot parallèlement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition des moments de flexion sur le pourtour du miroir modulée par une fonction en sinus ou cosinus. Avantageusement, le second actionneur exerce une force 30 prédéterminée sur le plot parallèlement à la surface dudit plot. Avantageusement, le premier actionneur et le second actionneur sont disposés de façon à exercer deux forces prédéterminées sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de même intensité et de sens opposé, les points d'application des deux forces étant séparés d'une 35 distance prédéterminée. Avantageusement, quatre actionneurs sont disposés de façon à exercer quatre forces prédéterminées sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, d'intensité prédéterminée, les points d'application des forces étant séparés d'une distance prédéterminée. Avantageusement, le système de déformation comporte une troisième structure comportant des moyens électromécaniques agencés de façon à exercer aux extrémités d'un premier diamètre du pourtour du miroir deux premières forces prédéterminées perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de même sens. Avantageusement, les moyens électromécaniques sont agencés de façon à exercer aux extrémités d'un second diamètre du pourtour du miroir orthogonal au premier diamètre, deux secondes forces prédéterminées perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de sens opposé aux premières forces prédéterminées. Avantageusement, la troisième structure comporte deux barres déformables disposées orthogonalement l'une de l'autre et sensiblement parallèlement à la face réfléchissante, la première barre étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du premier diamètre et la seconde barre étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du second diamètre, les moyens électromécaniques étant agencés de façon à exercer à l'intersection des deux barres deux forces opposées qui tend à modifier la distance qui les sépare dans une dimension perpendiculaire à la face réfléchissante. Avantageusement, la face réfléchissante du miroir déformable est 25 plane ou sphérique ou asphérique en dehors de toute déformation. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un miroir déformable, caractérisé en ce que l'étape de réalisation du polissage dudit miroir est faite sur un outillage comportant un dispositif optique comprenant le miroir et un système de déformation dudit miroir comme défini 30 ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif optique comprenant un miroir déformable et un système de déformation selon l'invention, les actionneurs n'étant pas représentés ; La figure 2 représente la même vue en coupe, le système de 5 déformation comprenant un actionneur exerçant une force axiale de déformation, générant ainsi le mode « focus » ; La figure 3 représente la même vue en coupe, le système de déformation comprenant un actionneur exerçant un moment de flexion latéral de déformation, générant ainsi le mode « coma » ; 10 La figure 4 représente la même vue en coupe, le système de déformation comprenant un actionneur exerçant une force latérale de déformation, générant ainsi le mode « coma » ; La figure 5 représente la même vue en coupe, le système de déformation comprenant deux actionneurs exerçant deux forces axiales et 15 opposées de déformation, générant ainsi le mode « coma » ; La figure 6 représente la même vue en coupe, le système de déformation comprenant deux actionneurs exerçant deux forces axiales différentielles de déformation, générant ainsi une combinaison des modes « focus » et « coma » ; 20 La figure 7 représente une vue en perspective d'un système de déformation comprenant quatre actionneurs exerçant quatre forces axiales différentielles de déformation, générant ainsi les combinaisons de modes focus, les comas et l'astigmatisme ; La figure 8 représente une vue en perspective d'un dispositif 25 optique comprenant un miroir déformable et un système de déformation selon l'invention comprenant quatre actionneurs répartis sur le pourtour du miroir, générant ainsi le mode « astigmatisme » ; La figure 9 enfin représente une vue en perspective d'une partie d'un système de déformation selon l'invention comprenant deux barres de 30 transmission de force orthogonales, générant ainsi le mode « astigmatisme ». A titre de premier exemple non limitatif, la figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif optique comprenant un miroir M déformable et un système de déformation S selon l'invention, les actionneurs n'étant pas représentés. Le miroir M peut être une plaque de forme sensiblement circulaire ou elliptique. Son épaisseur peut être constante comme indiqué sur les différentes figures. La répartition d'épaisseur peut également suivre une loi particulière de façon à répondre à des contraintes de tenue mécanique ou de fabrication. Le miroir M comporte une face avant réfléchissante adaptée au rayonnement à réfléchir et une face arrière solidaire du système de déformation. Cette face arrière comporte un pourtour de fixation au système de déformation. La forme de ce pourtour ne correspond pas nécessairement à la forme générale du miroir. Le système de déformation S, dans sa version de base, comporte essentiellement deux structures mécaniques S1 et S2. Sur la figure 1 et les suivantes, pour des raisons de simplification, les pièces mécaniques sont des pièces circulaires comprenant des fonds plats d'épaisseur constante et des pourtours cylindriques de révolution de hauteur et d'épaisseur constante. Bien entendu, en fonction de l'application, des formes différentes sont envisageables dans le cadre de cette invention, typiquement des pourtours non-cylindriques et des variations d'épaisseurs radiale et/ou angulaires. Une première structure mécanique S1 sert de support. Elle comprend une base plane et un premier pourtour solidaire de cette base. Une seconde structure mécanique S2 sert de pièce intermédiaire entre le support S1 et le miroir M. Elle comprend un fond sensiblement plan Fd et un second pourtour déformables, le fond étant solidaire du premier pourtour, le second pourtour étant solidaire du pourtour du miroir M. Un plot rigide P est solidaire du fond Fd. Il est sensiblement plan et centré sur le fond. Les différentes pièces mécaniques S1, S2, P et M sont liées entre elles par les techniques usuelles employées en fabrication optique. On peut les coller, les assembler par adhérence moléculaires ou les solidariser par tout autre moyen d'adhésion. Il est également possible d'usiner un ensemble mécanique commun comprenant plusieurs pièces mécaniques du système de déformation. En fonction de l'effet recherché, le collage peut être continu sur toute la surface de contact reliant deux pièces mécaniques ou discontinu, par plots ou par bandes de collage. Le système de déformation comporte en outre un ou plusieurs 5 actionneurs électromécaniques. Comme il a été dit, les aberrations géométriques dites du troisième ordre correspondent chacune à une déformation géométrique simple de la surface réfléchissante. Plus précisément, dans un repère en coordonnées cylindriques (r, 0, z), z étant orienté selon l'axe optique du miroir, on peut établir le tableau I ci-dessous 10 des déformations selon l'axe z suivant, en fonction de l'aberration. TABLEAU I TYPE D'ABERRATION CORRECTION GEOMETRIQUE Focus z= r2 Astigmatisme z= r2cos(20) ou z= r2sin(20) Coma z= r3cos(0) ou z= r3sin(0) Or, en imposant des forces ou des moments de flexion avec une 15 certaine répartition au pourtour du miroir, si sa structure est suffisamment souple pour être déformée, on obtient les corrections géométriques recherchées. Ainsi, dans un premier mode de réalisation, si l'on veut corriger ou créer une aberration de focus, le système de déformation comporte un 20 premier actionneur électromécanique exerçant une force prédéterminée sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition uniforme des moments de flexion sur le pourtour du miroir. Sur la figure 2, on a représenté par une flèche blanche double la position et la direction de la force F1 appliquée au plot P. Ces moments de flexion vont 25 entraîner la déformation souhaitée en r2 de la surface du miroir. Une alternative à deux actionneurs disposés de part et d'autre du plot et appliquant une même force est représentée en figure 6. Le résultat recherché est identique. 30 Dans un second mode de réalisation, si l'on veut corriger ou créer une aberration de coma, le système de déformation comporte un second actionneur électromécanique, disposé de façon à exercer un moment de flexion prédéterminé sur le plot parallèlement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition des moments de flexion sur le pourtour du miroir modulée par la fonction trigonométrique souhaitée. Pour créer ce moment de flexion, trois configurations d'actionneurs sont possibles comme représentées sur les figures 3, 4, 5 et 6. Sur la figure 3, l'actionneur électromécanique exerce un moment de flexion Mf prédéterminé sur le plot P parallèlement à la surface dudit plot. Ce moment est représenté par une flèche blanche semi-circulaire. Sur la figure 4, l'actionneur électromécanique exerce une force prédéterminée sur le plot P parallèlement à la surface dudit plot. Cette force est représentée par une flèche blanche double F2. Sur la figure 5, le système de déformation comporte un premier actionneur et un second actionneur disposés de façon à exercer deux forces prédéterminées F3 et F4 sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de même intensité et de sens opposé, les points d'application des deux forces étant séparés d'une distance prédéterminée d comme on le voit sur cette figure. Cette dernière solution est élégante dans la mesure où ces mêmes actionneurs peuvent également être utilisés pour corriger l'aberration de focus. Il suffit alors que les forces exercées soient dans le même sens. Ainsi, il est possible de corriger au moyen de deux actionneurs seulement les aberrations de focus et les aberrations de coma simultanément comme illustré sur la figure 6. Dans le cas de la figure 6, les forces appliquées sont de même intensité si l'on cherche à corriger uniquement l'aberration de focus et d'intensité différente si l'on cherche à corriger simultanément l'aberration de focus et de coma. Dans le cas de ce second mode de réalisation, si l'on veut corriger ou créer une aberration d'astigmatisme combinée aux aberrations de focus et de coma, le système de déformation comporte quatre actionneurs électromécaniques, disposés selon un carré de façon à générer une répartition d'efforts de flexion sur le pourtour du miroir modulée par la fonction trigonométrique souhaitée. Pour créer cet effort de flexion, les actionneurs sont disposés 35 selon la configuration représentée sur la figure 7. Sur cette figure 7, le système de déformation comporte quatre actionneurs disposés de façon à générer quatre forces F5, F6, F7 et F8 sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot et de même intensité. Pour la génération d'astigmatisme, le sens des forces appliquées est identique pour les actionneurs situés sur un même diamètre. C'est le cas des forces F5 et F6, par exemple. Il est opposé pour les forces situées sur des diamètres différents. Les points d'application des forces sont séparés d'une distance prédéterminée D. Cette solution est élégante dans la mesure où ces mêmes actionneurs peuvent également être utilisés pour corriger ou générer l'aberration de focus. Il suffit que toutes les forces exercées soit dans le même sens. Les aberrations de coma peuvent également être corrigées ou générées en appliquant deux forces opposées sur les actionneurs opposés et deux forces nulles selon la direction perpendiculaire. On se retrouve alors dans la situation décrite dans la figure 5. Ainsi il est possible de corriger au moyen de quatre actionneurs seulement les aberrations de focus, les deux aberrations de comas et l'aberration d'astigmatisme. Enfin, dans un troisième mode de réalisation, on peut également corriger l'astigmatisme du miroir, la coma et le focus à l'aide d'uniquement trois actionneurs. La correction d'astigmatisme au moyen d'actionneurs est connue. On se reportera aux publications d'Emmanuel Hugot, de Gérard R. Lemaître et de Marc Ferrari sur ce sujet. On citera notamment une première publication intitulée « Active optics :single actuator principle and angular thickness distribution for astigmatism compensation by elasticity » parue dans Applied Optics 47, 1401-1409 (2008) et une seconde publication intitulée « Stress polishing of toric mirrors for the VLT SPHERE adaptive optics system» parue dans Applied Optics 48, 2932-2941 (2009). Pour assurer cette correction, le système de déformation comporte une troisième structure S3 comportant des moyens électromécaniques agencés de façon à exercer aux extrémités d'un premier diamètre 4)1 du pourtour du miroir deux premières forces F9 et F10 prédéterminées perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de même sens. Dans une première variante de réalisation, on peut, à cette fin, 35 utiliser comme on le voit sur la vue en perspective de la figure 8 un anneau de déformation. Cet anneau de déformation peut être disposé soit sous la première structure S1 comme représenté en figure 8, soit entre la première structure S1 et la deuxième structure S2. Comme on le voit sur la figure 8, les moyens électromécaniques peuvent être agencés de façon à exercer aux 5 extrémités d'un second diamètre IQ du pourtour du miroir orthogonal au premier diamètre, deux secondes forces prédéterminées F11 et F12 perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de sens opposé aux premières forces prédéterminées F9 et F10. La position des forces peut varier selon la disposition générale du dispositif optique et la 10 correction souhaitée. Dans une seconde variante de réalisation représentée en figure 9, la troisième structure mécanique comporte deux barres déformables B1 et B2 en forme de U et disposées orthogonalement l'une de l'autre et sensiblement parallèlement à la face réfléchissante du miroir, la première 15 barre B1 étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du premier diamètre 1)1 et la seconde barre B2 étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du second diamètre IQ, les moyens électromécaniques comportent un seul actionneur qui exerce à l'intersection des deux barres deux forces opposées F13 et F14 qui tendent à modifier la distance qui les 20 sépare dans une dimension perpendiculaire à la face réfléchissante du miroir. Il est donc possible au moyen d'un nombre réduit d'actionneurs de corriger les trois principaux types d'aberrations. Dans une configuration privilégiée, trois actionneurs suffisent, le premier et le second pour corriger 25 les aberrations de focus et de coma comme représenté sur les figures 5 et 6, le dernier dédié à la correction de l'astigmatisme comme représenté sur la figure 9. La réalisation des différents actionneurs électromécaniques utilisés dans les dispositifs selon l'invention ne pose pas de problèmes 30 particuliers. Ce type d'actionneur est déjà utilisé en particulier pour le contrôle des surfaces optiques auto-adaptatives. La calibration des actionneurs, c'est-à-dire l'établissement de la force ou du moment à appliquer pour obtenir la déformation souhaitée ne pose pas de problèmes pour l'homme du métier. On peut l'obtenir par une 35 simulation de calcul de résistance des matériaux composant la structure mécanique du dispositif optique. On peut l'obtenir aussi par mesure sur un banc de tests optiques des déformations mécaniques de la structure ou des déformations optiques d'un front d'onde de référence. Ces différents moyens de mesure sont connus de l'homme du métier. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé en utilisation opérationnelle du miroir, soit pour introduire des déformations statiques, invariables dans le temps, soit pour introduire des variations dynamiques, dépendant de paramètres liées à l'environnement du télescope comme les turbulences atmosphériques, les changements de température ou les changements de configurations optiques. Ce dispositif peut également être utilisé au moment de la fabrication du miroir et en particulier lors des opérations de polissage. On réalise alors un polissage sous contraintes, le système de déformations appliquant des contraintes prédéterminées au miroir pendant les opérations de polissage que l'on relâche une fois le polissage terminé. Ainsi, on peut polir une forme simple sous contraintes, plane ou sphérique par exemple qui devient une forme naturellement complexe ou asphérique, une fois les contraintes relâchées. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans un grand nombre d'applications. On citera notamment : - La génération de paraboles avec des hors d'axe variables utilisées pour réaliser des synthèses d'ouverture, de grands interféromètres, des pupilles diluées, de la recombinaison pupillaire,... - La relaxation des contraintes de positionnement pour les grands interféromètres en vol de formation ; - La correction active de front d'onde d'instruments optiques ; - La fabrication de masse de miroirs asphériques par polissage sous contrainte, par exemple, pour réaliser les segments des futurs télescopes géants terrestres ou spatiaux. Les domaines d'application de l'invention sont notamment : - L'instrumentation optique pour l'observation de la Terre et de l'Univers ; - L'instrumentation optique de laboratoire ; - L'instrumentation biomédicale ; - L'instrumentation pour les applications laser. Le premier avantage du système selon l'invention tient au fait qu'un nombre réduit d'actionneurs est utilisé pour la génération des aberrations optiques sur la surface du miroir. Un unique actionneur est utilisé pour la génération de chacun des modes. Le second avantage est que chacun des systèmes de déformation peut se coupler aisément, de manière indépendante, permettant de générer simplement des surfaces optiques complexes définies par les combinaisons linéaires de ces dites aberrations, correspondant à des portions de conicoïdes hors d'axe.15 REVENDICATIONS1. Dispositif optique comprenant au moins un miroir (M) déformable et un système de déformation (S) dudit miroir, ledit miroir de forme sensiblement circulaire ayant une face réfléchissante et une face opposée comportant un pourtour solidaire du système de déformation, caractérisé en ce que le système de déformation comporte au moins : Une première structure (S1) mécanique comprenant au moins un 10 premier pourtour ; Un premier actionneur électromécanique solidaire de la première structure mécanique ; Une seconde structure (S2) mécanique comprenant un fond (Fd) sensiblement plan et un second pourtour déformables, le fond étant solidaire 15 du premier pourtour, le second pourtour étant solidaire du pourtour du miroir ; Un plot (P) rigide solidaire du fond, sensiblement plan et centré sur le fond, le premier actionneur électromécanique exerçant une force prédéterminée (F1) sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition uniforme des moments de flexion sur le 20 pourtour du miroir. 2. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système comporte un second actionneur électromécanique, 25 ledit second actionneur étant disposé de façon à exercer un moment de flexion prédéterminé sur le plot parallèlement à la surface dudit plot, de façon à générer une répartition des moments de flexion (Mf) sur le pourtour du miroir modulée par une fonction en sinus ou cosinus. 30 3. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second actionneur exerce une force prédéterminée (F2) sur le plot parallèlement à la surface dudit plot. 4. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier actionneur et le second actionneur sont disposés de façon à exercer deux forces prédéterminées (F3, F4) sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, de même intensité et de sens opposé, les points d'application des deux forces étant séparés d'une distance prédéterminée. 5. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 2, caractérisé en ce que quatre actionneurs sont disposés de façon à exercer quatre forces prédéterminées (F5, F6, F7, F8) sur le plot perpendiculairement à la surface dudit plot, d'intensité prédéterminée, les points d'application des forces étant séparés d'une distance prédéterminée. 6. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de déformation comporte une troisième structure (S3) comportant des moyens électromécaniques agencés de façon à exercer aux extrémités d'un premier diamètre (1)1) du pourtour du miroir deux premières forces prédéterminées (F9, F10) perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de même sens. 7. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électromécaniques sont agencés de façon à exercer aux extrémités d'un second diamètre (4)2) du pourtour du miroir orthogonal au premier diamètre, deux secondes forces prédéterminées (F11, F12) perpendiculairement à la face réfléchissante, de même intensité et de sens opposé aux premières forces prédéterminées. 8. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon la revendication 7, caractérisé en ce que la troisième structure comporte deux barres déformables (B1, B2) 35 disposées orthogonalement l'une de l'autre et sensiblement parallèlement àla face réfléchissante, la première barre étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du premier diamètre et la seconde barre étant solidaire du pourtour du miroir aux deux extrémités du second diamètre, les moyens électromécaniques étant agencés de façon à exercer à l'intersection des deux barres deux forces opposées (F13, F14) qui tend à modifier la distance qui les sépare dans une dimension perpendiculaire à la face réfléchissante. 9. Dispositif optique comprenant au moins un miroir déformable et un système de déformation dudit miroir selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face réfléchissante du miroir déformable est plane ou sphérique ou asphérique en dehors de toute déformation. 10. Procédé de réalisation d'un miroir déformable, caractérisé en ce que l'étape de réalisation du polissage dudit miroir est faite sur un outillage comportant un dispositif optique comprenant ledit miroir et un système de déformation dudit miroir selon l'une des revendications précédentes.