3D quantitative characterization at nanometric scale of the aspheric dioptres extreme surface by image processing.
Caractérisations quantitatives 3D à l'échelle nanométrique de l'extrême surface de lentilles à dioptres asphériques par analyse d'images.
Résumé
The purpose of this work between Thalès-Angénieux and the l'Ecole Nationale Supérieure des Mines of Saint-Étienne as part of a CIFRE contract, is about the analysis and the characterization of defects appearing during various stages of the manufacturing processes of aspheric surfaces especially in calcium fluoride. The realized lenses must be integrated into products and they mustn't present critical defects. Calcium fluoride is often used in precision optics especially for the transmission characteristics. The realization of aspheric lenses is also complex. The manufacturing processes of these surfaces can be done by several methods. Traditional methods of polishing or based on microgrinding and diamond turning are usually used. The last one, relatively easier, faster and cheaper, gives nevertheless unacceptable surfaces results, not in term of form and roughness but several pulling out areas appeared on the diopters. Means of profilometry measurement, deflectometry, interferometry under visible monochromatic and polychromatic wavelengths generally used at each stage of these processes become insufficient and do not allow us anymore to explain the origin of the pulling out zones. A study of the crystallographic structure by X-rays scattering as well as an interpretation of the results by a software of image analysis make it possible to explain this phenomenon and to connect the orientation of the single crystal of calcium fluoride with the realization of dioptres without any defects. Therefore it becomes possible to return to the machining conditions and to modify them in order to obtain surfaces devoid from defects.
L'objet de ce travail, réalisé entre Thalès-Angénieux et l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne dans le cadre d'une convention CIFRE, porte sur l'analyse et la caractérisation de défauts apparaissant lors des différentes phases de fabrication de lentilles asphériques en fluorine. Les lentilles ainsi réalisées doivent être intégrées dans des produits et, de ce fait, ne doivent pas présenter de défauts gênants. La fluorine est une matière de plus en plus utilisée en optique de précision du fait de ses caractéristiques de transmission. La réalisation de dioptres asphériques dans cette matière est d'autant plus complexe. La fabrication de ces surfaces peut se faire de diverses façons. Des méthodes traditionnelles de polissage ou basées sur la microrectification et sur le tournage à l'outil diamant sont couramment utilisées. Cette dernière, relativement plus facile, plus rapide à mettre en œuvre et de coût moindre, donne néanmoins des surfaces inacceptables, non pas en terme de forme et de rugosité, mais des zones d'arrachement apparaissent sur le dioptre. Les moyens de mesure standard : profilométrie mécanique, déflectométrie, interférométrie sous rayonnements visibles monochromatique et polychromatique utilisés généralement à chaque étape de ces processus deviennent alors insuffisants et ne permettent pas d'expliquer l'origine de ces arrachements. Une étude de la structure cristallographique par diffraction des rayons X ainsi qu'une interprétation des résultats par un logiciel d'analyse d'images permet alors d'expliquer ce phénomène et de relier l'orientation du monocristal de fluorine à la réalisation de dioptres sans défauts. Ainsi il devient possible de remonter aux conditions d'usinage, de les modifier dans le but d'obtenir des surfaces exemptes de tout défaut.
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