Brevet FR3129863A1 — publié le 20230609

La présente invention concerne un procédé de fabrication (S) d’une surface optique (4) d’une pièce optique (1) comprenant les étapes suivantes : obtenir (S1) une pièce optique (1) comprenant un substrat (3) dans un premier alliage d’aluminium et un revêtement (2) dans un deuxième alliage d’aluminium ayant une porosité inférieure celle du premier alliage d’aluminium ; déterminer (S3) un défaut de forme de référence et une rugosité de surface de référence de la surface optique (4) ; déterminer (S4) des paramètres de polissage permettant d’obtenir la rugosité de surface de référence ; en fonction des paramètres de polissages, usiner (S5) le revêtement (2) de sorte à lui conférer un défaut de forme modifié ; et polir (S6) le revêtement (2) conformément aux paramètres de polissage jusqu’à obtenir la rugosité de surface de référence et le défaut de forme de référence. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Surface optique d’un miroir métallique de haute précision à très faibles rugosité et défaut de forme DOMAINE DE L'INVENTION L’invention concerne de manière générale le domaine du polissage d’une surface optique d’une pièce optique. L’invention trouve notamment application dans la fabrication de miroirs métalliques de haute précision, pour des applications spatiales, astronomiques ou encore d’observations. ETAT DE LA TECHNIQUE Les miroirs métalliques ont de nombreuses applications dans le domaine de l'optique. De tels miroirs sont généralement obtenus en appliquant un revêtement métallique, typiquement en aluminium, sur un substrat composé d'un autre métal ou d'un autre matériau tel que le verre. Toutefois, lorsque ces miroirs sont soumis à des variations de température, comme c’est notamment le cas dans des applications spatiales et militaires, la surface du miroir subit des déformations différentielles (effet bimétallique). Il a donc été proposé de polir la surface de substrats composés d'un seul métal ou alliage métallique. Cela évite effectivement les problèmes causés par les différences de propriétés thermiques. L'aluminium est un métal généralement privilégié pour la réalisation de tels miroirs en raison de sa faible densité, de son faible coût et de sa compatibilité avec les procédés de formage de surface conventionnels. Les performances de ces miroirs dans les applications optiques dépendent fortement de la surface devant être très uniforme pour minimiser la diffusion de la lumière causée par les irrégularités de la surface. Les paramètres de rugosité de surface pertinents pour les performances optiques comprennent non seulement la rugosité de surface moyenne (Ra) ou la rugosité de surface moyenne quadratique (Rq), mais aussi des paramètres importants comprenant Rmax et/ou Rz. Rm3x est la plus grande hauteur de pic à vallée dans une région d'échantillonnage donnée, où le pic représente un point haut sur la surface et la vallée représente la profondeur d'une rayure sur la surface. Rz est une valeur moyenne de Rmax mesurée dans plusieurs régions d'échantillonnage distinctes. Non seulement la rugosité de surface moyenne doit être faible pour de bonnes performances optiques, mais également Rz, Rmax ou les paramètres associés doivent être faibles pour minimiser la diffusion de la lumière. Il a également été proposé d’appliquer par électrodéposition une couche de nickel sur le substrat du miroir puis de polir la seconde couche métallique afin de réduire la diffusion de la lumière. Cependant, les miroirs obtenus étant composés de métaux différents, ils sont instables d’un point de vue mécanique et optique lors de variations de température. On a également proposé de polir des surfaces en aluminium afin de réduire leur instabilité mécanique et optique. Deux méthodes sont couramment utilisées. Dans le domaine de l'optique, le polissage est réalisé par usinage diamant afin de produire des miroirs en aluminium utiles pour réfléchir la lumière infrarouge (par exemple, à grande longueur d'onde). Dans le polissage diamant, un substrat en aluminium est mis en rotation tout en étant en contact avec un outil de coupe diamanté positionné avec précision sur la surface du substrat. L'outil de coupe diamanté « pèle » une très fine couche d'aluminium de la surface du substrat pour former une surface ayant une géométrie définie avec précision. Cependant, la rugosité obtenue dans un tel procédé est limitée à 5 nm RMS (root mean square en anglais, pour valeur quadratique moyenne) et ne permet pas d’obtenir des défauts de formes suffisants sur des surfaces non planes, et particulièrement des surfaces arbitraires (« freeform » en anglais). Une amélioration du procédé d’usinage diamant consiste à déposer une couche de polissage sur le miroir et finir le polissage de cette couche. Le matériau régulièrement utilisé pour cette couche est du NiP (Kanigen) qui peut être poli à une bonne performance. Toutefois, ce matériau a un coefficient de dilatation thermique différent de l’aluminium utilisé pour le substrat, de sorte que le miroir est instable en température, ce qui rend difficile d’utilisation la solution. Le polissage peut également être réalisé par rodage. Dans le rodage, une suspension de particules abrasives - généralement de l'oxyde d'aluminium ou du carbure de silicium dans un solvant comprenant de l’eau ou de l’huile - est utilisée pour polir une surface d'aluminium en déplaçant un pad par rapport à la surface d'aluminium afin d’entrainer la suspension abrasive et d’abraser la surface d’aluminium par action mécanique de l'abrasif. Cependant, le rodage génère des copeaux d'aluminium qui ont tendance à produire des micro-rayures sur la surface polie, conduisant à un défaut de surface inacceptable pour les applications optiques. Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant un procédé de fabrication d’une surface optique d’une pièce optique métallique plane ou freeform permettant d’atteindre une rugosité de surface très faible, par exemple inférieure à deux nanomètres RMS, et un défaut de forme inférieur très faible, par exemple de l’ordre de 15 nm RMS, qui s’affranchisse des problématiques de déformation liées aux variations de température et puisse en particulier être utilisé à température cryogénique. L’invention s’applique notamment aux pièces optiques de grande dimension (typiquement 400 mm), de surface freeform et/ou de contour non circulaire. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un procédé de fabrication d’une surface optique d’une pièce optique comprenant les étapes suivantes : obtenir une pièce optique comprenant un substrat et un revêtement, le revêtement étant appliqué sur une face du substrat et étant configuré pour former une surface optique de la pièce optique, le substrat étant réalisé dans un premier alliage d’aluminium et le revêtement étant réalisé dans un deuxième alliage d’aluminium ayant une porosité inférieure à une porosité du premier alliage d’aluminium ; déterminer un défaut de forme de référence et une rugosité de surface de référence de la surface optique, et un défaut de forme initial et une rugosité de surface initiale du revêtement ; déterminer, à partir de la rugosité de surface initiale, des paramètres de polissage permettant d’obtenir la rugosité de surface de référence ; en fonction des paramètres de polissages, usiner le revêtement de sorte à lui conférer un défaut de forme modifié ; et polir le revêtement ainsi usiné par lissage conformément aux paramètres de polissage déterminés de sorte à modifier la rugosité de surface et le défaut de forme du revêtement, jusqu’à obtenir la rugosité de surface de référence et le défaut de forme de référence. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de fabrication selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - l’étape d’usinage est réalisée par usinage ionique ou par finition magnétorhéologique ; - l’étape de polissage est réalisée à l’aide d’un pad de polissage et d’un agent de polissage aqueux diamanté ; - le procédé comprend en outre une étape de stabilisation thermique de la pièce optique ; - l’étape de stabilisation thermique est réalisée préalablement à l’étape de détermination du défaut de forme initial et de la rugosité de surface initiale et/ou suite à l’étape de polissage ; - le procédé comprend en outre une étape de nettoyage par application sans contact de vapeur d’eau sur la surface optique. - le procédé comprend en outre une étape d’asséchage de la pièce optique sous vide suite à l’étape de nettoyage ; - l’étape d’obtention de la pièce optique comprend une étape préalable d’usinage du substrat de sorte à obtenir un défaut de forme initial inférieur à une épaisseur initiale du revêtement et une rugosité initiale au plus égale à 15 nm RMS, par exemple 10 nm RMS ; - le procédé comprend en outre : une étape de détermination de la rugosité de surface modifiée et du défaut de forme modifiés suite à l’étape de polissage ; et lorsque la rugosité de surface modifiée et/ou le défaut de forme modifié sont différents de la rugosité de surface de référence et/ou du défaut de forme de référence : la détermination de nouveaux paramètres de polissage afin d’obtenir la rugosité de surface de référence ; en fonction des nouveaux paramètres de polissages, l’usinage du revêtement de sorte à lui conférer un défaut de forme modifié ; et le polissage du revêtement ainsi usiné par lissage conformément aux nouveaux paramètres de polissage déterminés de sorte à modifier la rugosité de surface et le défaut de forme modifié du revêtement, jusqu’à obtenir la rugosité de surface de référence et le défaut de forme de référence. Selon un deuxième aspect, l’invention propose une pièce optique comprenant un substrat et une surface optique appliquée sur une face du substrat, le substrat étant réalisé dans un premier alliage d’aluminium et la surface optique étant réalisé dans un deuxième alliage d’aluminium ayant une porosité inférieure à une porosité du premier alliage d’aluminium et étant obtenue conformément à un procédé de fabrication selon le premier aspect. Optionnellement, une rugosité de surface de la surface optique est inférieure ou égale à 2 nm RMS et un défaut de forme de la surface optique est inférieur ou égal à 15 nm RMS. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La est un organigramme d’étapes d’un exemple de procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; La de manière très schématique illustre une pièce optique obtenue suite à l’étape S1 du procédé de fabrication ; et La illustre la pièce optique de la après mise en œuvre des étapes du procédé de fabrication. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Procédé de fabrication (S) d’une surface optique (4) d’une pièce optique (1) comprenant les étapes suivantes : obtenir (S1) une pièce optique (1) comprenant un substrat (3) et un revêtement (2), le revêtement (2) étant appliqué sur une face du substrat (3) et étant configuré pour former une surface optique (4) de la pièce optique (1), le substrat (3) étant réalisé dans un premier alliage d’aluminium et le revêtement (2) étant réalisé dans un deuxième alliage d’aluminium ayant une porosité inférieure à une porosité du premier alliage d’aluminium ; déterminer (S3) un défaut de forme de référence et une rugosité de surface de référence de la surface optique (4), et un défaut de forme initial et une rugosité de surface initiale du revêtement (2) ; déterminer (S4), à partir de la rugosité de surface initiale, des paramètres de polissage permettant d’obtenir la rugosité de surface de référence ; en fonction des paramètres de polissages, usiner (S5) le revêtement (2) de sorte à lui conférer un défaut de forme modifié ; et polir (S6) le revêtement (2) ainsi usiné par lissage conformément aux paramètres de polissage déterminés de sorte à modifier la rugosité de surface et le défaut de forme du revêtement (2), jusqu’à obtenir la rugosité de surface de référence et le défaut de forme de référence. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 1, dans lequel l’étape d’usinage (S5) est réalisée par usinage ionique ou par finition magnétorhéologique. Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel l’étape de polissage (S6) est réalisée à l’aide d’un pad de polissage et d’un agent de polissage aqueux diamanté. Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape de stabilisation thermique de la pièce optique (1) (S2, S7). Procédé de fabrication (S) selon la revendication 4, dans lequel l’étape (S2, S7) de stabilisation thermique est réalisée préalablement à l’étape (S3) de détermination du défaut de forme initial et de la rugosité de surface initiale et/ou suite à l’étape de polissage (S6). Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une étape (S8) de nettoyage par application sans contact de vapeur d’eau sur la surface optique (4). Procédé de fabrication (S) selon la revendication 6, comprenant en outre une étape (S9) d’asséchage de la pièce optique (1) sous vide suite à l’étape de nettoyage. Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape (S1) d’obtention de la pièce optique (1) comprend une étape préalable (S0) d’usinage du substrat (3) de sorte à obtenir un défaut de forme initial inférieur à une épaisseur initiale du revêtement (2) et une rugosité initiale au plus égale à 15 nm RMS, par exemple 10 nm RMS. Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre : une étape de détermination de la rugosité de surface modifiée et du défaut de forme modifiés suite à l’étape de polissage (S6) ; et lorsque la rugosité de surface modifiée et/ou le défaut de forme modifié sont différents de la rugosité de surface de référence et/ou du défaut de forme de référence : la détermination de nouveaux paramètres de polissage afin d’obtenir la rugosité de surface de référence ; en fonction des nouveaux paramètres de polissages, l’usinage (S5) du revêtement (2) de sorte à lui conférer un défaut de forme modifié ; et le polissage (S6) du revêtement (2) ainsi usiné par lissage conformément aux nouveaux paramètres de polissage déterminés de sorte à modifier la rugosité de surface et le défaut de forme modifié du revêtement (2), jusqu’à obtenir la rugosité de surface de référence et le défaut de forme de référence. Pièce optique (1) comprenant un substrat (3) et une surface optique (4) appliquée sur une face du substrat (3), le substrat (3) étant réalisé dans un premier alliage d’aluminium et la surface optique (4) étant réalisé dans un deuxième alliage d’aluminium ayant une porosité inférieure à une porosité du premier alliage d’aluminium et étant obtenue conformément à un procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 9. Pièce optique (1) selon la revendication 10, dans lequel une rugosité de surface de la surface optique (4) est inférieure ou égale à 2 nm RMS et un défaut de forme de la surface optique (4) est inférieur ou égal à 15 nm RMS.