Qualité de surface
La qualité de surface d'une surface optique décrit son aspect esthétique et comprend des défauts tels que des rayures et des piqûres ou des creux.Dans la plupart des cas, ces défauts de surface sont purement esthétiques et n'affectent pas de manière significative les performances du système, cependant, ils peuvent entraîner une petite perte de débit du système et une légère augmentation de la lumière diffusée.Cependant, certaines surfaces sont cependant plus sensibles à ces effets, telles que : (1) les surfaces au niveau des plans d'image car ces défauts sont nets et (2) les surfaces qui voient des niveaux de puissance élevés car ces défauts peuvent entraîner une absorption accrue d'énergie et des dommages. l'optique.La spécification la plus couramment utilisée pour la qualité de surface est la spécification d'éraflure décrite par MIL-PRF-13830B.La désignation des rayures est déterminée en comparant les rayures sur une surface à un ensemble de rayures standard dans des conditions d'éclairage contrôlées.Par conséquent, la désignation de la rayure ne décrit pas la rayure elle-même, mais la compare plutôt à une rayure normalisée selon la spécification MIL.La désignation de fouille, cependant, est directement liée à la fouille ou à la petite fosse en surface.La désignation d'excavation est calculée au diamètre de l'excavation en microns divisé par 10. Les spécifications d'excavation à gratter de 80-50 sont généralement considérées comme une qualité standard, une qualité de précision 60-40 et une qualité de haute précision 20-10.
| Tableau 6 : Tolérances de fabrication pour la qualité de surface | |
| Qualité de surface (éraflure) | Niveau de qualité |
| 80-50 | Typique |
| 60-40 | Précision |
| 40-20 | Haute précision |
Planéité de surface
La planéité de surface est un type de spécification de précision de surface qui mesure la déviation d'une surface plane telle que celle d'un miroir, d'une fenêtre, d'un prisme ou d'une lentille plane.Cet écart peut être mesuré à l'aide d'un plat optique, qui est une surface de référence plate de haute qualité et très précise utilisée pour comparer la planéité d'une éprouvette.Lorsque la surface plane de l'optique de test est placée contre le plan optique, des franges apparaissent dont la forme dicte la planéité de la surface de l'optique à inspecter.Si les franges sont régulièrement espacées, droites et parallèles, la surface optique testée est au moins aussi plate que le plat optique de référence.Si les franges sont courbes, le nombre de franges entre deux lignes imaginaires, une tangente au centre d'une frange et une passant par les extrémités de cette même frange, indique l'erreur de planéité.Les écarts de planéité sont souvent mesurés en valeurs d'ondes (λ), qui sont des multiples de la longueur d'onde de la source de test.Une frange correspond à ½ d'onde, soit 1 λ équivalent à 2 franges.
| Tableau 7 : Tolérances de fabrication pour la planéité | |
| Platitude | Niveau de qualité |
| 1λ | Typique |
| λ/4 | Précision |
| λ/10 | Haute précision |
Pouvoir
La puissance est un type de spécification de précision de surface, s'applique aux surfaces optiques courbes ou aux surfaces avec puissance.Il s'agit d'une mesure de courbure sur la surface d'une optique et diffère du rayon de courbure en ce qu'il s'applique à la déviation à l'échelle microscopique de la forme sphérique d'une lentille.Par exemple, considérons que le rayon de tolérance de courbure est défini comme 100 +/- 0,1 mm, une fois que ce rayon est généré, poli et mesuré, nous trouvons que sa courbure réelle est de 99,95 mm, ce qui correspond à la tolérance mécanique spécifiée.Dans ce cas, nous savons que la distance focale est également correcte puisque nous avons obtenu la forme sphérique correcte.Mais ce n'est pas parce que le rayon et la distance focale sont corrects que l'objectif fonctionnera comme prévu.Il ne suffit donc pas de définir simplement le rayon de courbure mais aussi la cohérence de la courbure – et c'est précisément ce que la puissance est censée contrôler.Toujours en utilisant le même rayon de 99,95 mm mentionné ci-dessus, un opticien peut souhaiter contrôler davantage la précision de la lumière réfractée en limitant la puissance à ≤ 1 λ.Cela signifie que sur tout le diamètre, il ne peut pas y avoir d'écart supérieur à 632,8 nm (1λ = 632,8 nm) dans la cohérence de la forme sphérique.L'ajout de ce niveau de contrôle plus strict à la forme de surface aide à s'assurer que les rayons lumineux d'un côté de la lentille ne se réfractent pas différemment de ceux de l'autre côté.Étant donné que l'objectif peut être d'obtenir une mise au point précise de toute la lumière incidente, plus la forme est cohérente, plus la lumière se comportera avec précision lors du passage à travers l'objectif.
Les opticiens spécifient l'erreur de puissance en termes d'ondes ou de franges et la mesurent à l'aide d'un interféromètre.Il est testé d'une manière similaire à la planéité, en ce sens qu'une surface courbe est comparée à une surface de référence avec un rayon de courbure hautement calibré.En utilisant le même principe d'interférence provoquée par les entrefers entre les deux surfaces, le motif de franges d'interférence est utilisé pour décrire l'écart de la surface d'essai par rapport à la surface de référence (Figure 11).Un écart par rapport à la pièce de référence créera une série d'anneaux, connus sous le nom d'anneaux de Newton.Plus il y a d'anneaux présents, plus la déviation est grande.Le nombre d'anneaux sombres ou clairs, et non la somme de la lumière et de l'obscurité, correspond à deux fois le nombre d'ondes d'erreur.
Figure 11 : Erreur de puissance testée par comparaison à une surface de référence ou à l'aide d'un interféromètre
L'erreur de puissance est liée à l'erreur de rayon de courbure par l'équation suivante où ∆R est l'erreur de rayon, D est le diamètre de la lentille, R est le rayon de surface et λ est la longueur d'onde (généralement 632,8 nm) :
Erreur de puissance [ondes ou λ] = ∆R D²/8R²λ
Figure 12 : Erreur de puissance sur le diamètre par rapport à l'erreur de rayon au centre
Irrégularité
L'irrégularité prend en compte les variations à petite échelle sur une surface optique.Comme la puissance, elle est mesurée en termes d'ondes ou de franges et caractérisée à l'aide d'un interféromètre.Conceptuellement, il est plus facile de considérer l'irrégularité comme une spécification qui définit à quel point une surface optique doit être uniformément lisse.Alors que les pics et les vallées mesurés globalement sur une surface optique peuvent être très cohérents dans une zone, une section différente de l'optique peut présenter un écart beaucoup plus important.Dans un tel cas, la lumière réfractée par la lentille peut se comporter différemment selon l'endroit où elle est réfractée par l'optique.L'irrégularité est donc une considération importante lors de la conception des lentilles.La figure suivante montre comment cet écart de forme de surface par rapport à celui parfaitement sphérique peut être caractérisé à l'aide d'une spécification PV d'irrégularité.
Figure 13 : Mesure PV d'irrégularité
L'irrégularité est un type de spécification de précision de surface décrivant comment la forme d'une surface s'écarte de la forme d'une surface de référence.Elle est obtenue à partir de la même mesure que la puissance.La régularité fait référence à la sphéricité des franges circulaires qui se forment à partir de la comparaison de la surface d'essai à la surface de référence.Lorsque la puissance d'une surface est supérieure à 5 franges, il est difficile de détecter de petites irrégularités inférieures à 1 frange.Par conséquent, il est courant de spécifier des surfaces avec un rapport puissance/irrégularité d'environ 5:1.
Figure 14 : Planéité vs Puissance vs Irrégularité
RMS Versus Puissance PV et Irrégularité
Lorsque l'on parle de pouvoir et d'irrégularité, il est important de discerner les deux méthodes par lesquelles ils peuvent être définis.La première est une valeur absolue.Par exemple, si une optique est définie comme ayant une irrégularité d'onde, il ne peut y avoir plus d'une différence d'onde entre le point le plus haut et le point le plus bas sur la surface optique ou crête à vallée (PV).La deuxième méthode consiste à spécifier la puissance ou l'irrégularité comme 1 onde RMS (moyenne quadratique) ou moyenne.Dans cette interprétation, une surface optique définie comme irrégulière à 1 onde RMS peut, en fait, avoir des pics et des vallées qui dépassent 1 onde, cependant, lors de l'examen de la surface complète, l'irrégularité moyenne globale doit tomber dans 1 onde.
Dans l'ensemble, RMS et PV sont deux méthodes permettant de décrire dans quelle mesure la forme d'un objet correspond à sa courbure conçue, appelée respectivement "figure de surface" et "rugosité de surface".Ils sont tous deux calculés à partir des mêmes données, comme une mesure interférométrique, mais les significations sont assez différentes.Le PV est bon pour donner un "scénario du pire" pour la surface ;RMS est une méthode pour décrire l'écart moyen de la figure de surface par rapport à la surface souhaitée ou de référence.RMS est bon pour décrire la variation de surface globale.Il n'y a pas de relation simple entre PV et RMS.Cependant, en règle générale, une valeur RMS est environ 0,2 aussi stricte que la valeur non moyenne lorsqu'elle est comparée côte à côte, c'est-à-dire que 0,1 vague PV irrégulière équivaut à environ 0,5 vague RMS.
Finition de surface
La finition de surface, également connue sous le nom de rugosité de surface, mesure les irrégularités à petite échelle sur une surface.Ils sont généralement un sous-produit malheureux du processus de polissage et du type de matériau.Même si l'optique est considérée comme exceptionnellement lisse avec peu d'irrégularités sur la surface, lors d'une inspection rapprochée, un examen microscopique réel peut révéler une grande variation dans la texture de la surface.Une bonne analogie de cet artefact consiste à comparer la rugosité de la surface au grain du papier de verre.Alors que la taille de grain la plus fine peut sembler lisse et régulière au toucher, la surface est en fait composée de pics et de creux microscopiques déterminés par la taille physique du grain lui-même.Dans le cas de l'optique, le « grain » peut être considéré comme des irrégularités microscopiques dans la texture de surface causées par la qualité du polissage.Les surfaces rugueuses ont tendance à s'user plus rapidement que les surfaces lisses et peuvent ne pas convenir à certaines applications, en particulier celles avec des lasers ou une chaleur intense, en raison des éventuels sites de nucléation qui peuvent apparaître dans de petites fissures ou imperfections.
Contrairement à la puissance et à l'irrégularité, qui sont mesurées en ondes ou en fractions d'onde, la rugosité de surface, en raison de sa focalisation extrêmement rapprochée sur la texture de surface, est mesurée sur l'échelle des angströms et toujours en termes de RMS.À titre de comparaison, il faut dix angströms pour égaler un nanomètre et 632,8 nanomètres pour égaler une onde.
Figure 15 : Mesure RMS de la rugosité de surface
| Tableau 8 : Tolérances de fabrication pour la finition de surface | |
| Rugosité de surface (RMS) | Niveau de qualité |
| 50Å | Typique |
| 20Å | Précision |
| 5Å | Haute précision |
Erreur de front d'onde transmis
L'erreur de front d'onde transmis (TWE) est utilisée pour qualifier les performances des éléments optiques lors du passage de la lumière.Contrairement aux mesures de forme de surface, les mesures de front d'onde transmis incluent les erreurs de la surface avant et arrière, le coin et l'homogénéité du matériau.Cette métrique de performance globale offre une meilleure compréhension des performances réelles d'une optique.
Alors que de nombreux composants optiques sont testés individuellement pour la forme de surface ou les spécifications TWE, ces composants sont inévitablement intégrés dans des ensembles optiques plus complexes avec leurs propres exigences de performance.Dans certaines applications, il est acceptable de se fier aux mesures et aux tolérances des composants pour prédire les performances finales, mais pour les applications plus exigeantes, il est important de mesurer l'assemblage tel que construit.
Les mesures TWE sont utilisées pour confirmer qu'un système optique est construit selon les spécifications et fonctionnera comme prévu.De plus, les mesures TWE peuvent être utilisées pour aligner activement les systèmes, en réduisant le temps d'assemblage, tout en garantissant que les performances attendues sont atteintes.
Paralight Optics intègre des meuleuses et polisseuses CNC à la pointe de la technologie, tant pour les formes sphériques standard que pour les contours asphériques et de forme libre.L'utilisation de la métrologie avancée, y compris les interféromètres Zygo, les profilomètres, TriOptics Opticentric, TriOptics OptiSpheric, etc. pour la métrologie en cours et l'inspection finale, ainsi que nos années d'expérience dans la fabrication et le revêtement optiques nous permettent de nous attaquer à certains des plus complexes et optique haute performance pour répondre aux spécifications optiques requises par les clients.
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Heure de publication : 26 avril 2023