Fabrication de grands miroirs

Lorsqu’il s’agit de systèmes optiques multispectraux longue portée, les grands miroirs jouent un rôle essentiel. De tels systèmes optiques sont utilisés pour des applications de défense, de surveillance et de contrôle, ainsi que pour certaines applications commerciales. Par exemple, de grands miroirs peuvent être intégrés aux systèmes optiques des avions comme les gros drones. Une application commerciale intéressante est la surveillance aérienne à longue distance de la température des champs agricoles par infrarouge. Les applications les plus communément reconnues pour les grands miroirs se situent dans l’industrie aérospatiale pour les satellites et les télescopes.

Les systèmes réfléchissants ont généralement une longue focale et sont destinés à une surveillance longue distance, éventuellement sur des dizaines de kilomètres. Les télescopes réfléchissants peuvent utiliser un ou plusieurs miroirs sur axe ou hors axe pour produire des images haute résolution. De nombreux télescopes, ainsi que d'autres systèmes optiques utilisant de grands miroirs, sont des systèmes catadioptriques qui utilisent une combinaison de lentilles et de miroirs incurvés – cela maximise la correction des erreurs, permettant un champ de vision plus large. Les grands miroirs prennent de nombreuses formes, de sphérique à asphérique, parabolique ou libre. Ils sont utilisés pour un large spectre de lumière, notamment le visible, les UV et l’IR. Les miroirs sont fabriqués à partir de matériaux tels que l'aluminium (Al), le silicium (Si), le germanium (Ge) et le cuivre (Cu).

La production de tels miroirs présente un ensemble unique de défis pour les fabricants d’optiques. L’une d’entre elles est la précision de la forme de la surface, qu’elle soit sphérique, asphérique, parabolique ou libre. Les exigences de tolérance de l’ordre de 0,2 frange de lumière HeNe ne sont pas rares. La forme hors axe est spécifiée dans les systèmes qui ne peuvent pas tolérer l'obscurcissement central. Ces miroirs hors axe sont beaucoup plus difficiles en termes de fabrication de miroirs, de tests et d’assemblage de systèmes.

Comme les grands miroirs sont souvent utilisés pour des applications multispectrales, ils doivent fonctionner à un niveau élevé sur une large gamme de longueurs d’onde. Cela signifie que les miroirs doivent avoir une rugosité minimale, en particulier lorsqu'ils sont utilisés en longueur d'onde VIS, inférieure à 40Å RMS, pour empêcher la diffusion de la lumière. De plus, à mesure que la résolution des détecteurs augmente, la demande de miroirs avec des surfaces de plus en plus précises a augmenté.

Pour répondre aux spécifications strictes requises, les fabricants d’optique doivent recourir à des technologies de pointe. Ophir utilise le meulage et le polissage CNC avancés, ainsi que le tournage au diamant, pour la production de miroirs sphériques, asphériques, paraboliques et de forme libre jusqu'à 700 mm de diamètre, que ce soit sur l'axe ou hors axe. Les grands miroirs ont une tolérance de rayon de 0,05 %, des irrégularités inférieures à 0,5Fr PV, 0,1Fr RMS à 0,633μ et une rugosité inférieure à 40Å RMS, ce qui se traduit par une grande précision et une faible diffusion. Plusieurs revêtements réfléchissants exclusifs sont disponibles pour les performances spectrales et la durabilité de la surface.

Examinons l'effet de la forme de la surface sur les performances avec un exemple simple, une conception entièrement réfléchissante, similaire au télescope Cassegrain classique, avec un nombre f de f/3,4.

Les systèmes réfléchissants de ce type sont plus avantageux dans les cas où il existe un rapport élevé entre la distance focale effective (EFL) et la longueur physique. Dans cet exemple, l'EFL est de 1 000 mm, alors que la longueur totale de l'optique seule est de 200 mm. Un tel rapport de 5 pour 1 est rare dans le cas de systèmes réfractifs. La FTM de ce système à 100 paires de raies par mm (lp/mm) est de 0,7 pour la longueur d'onde de 500 nm. Cela correspond à la limite de diffraction.

Dans ce cas simple, entièrement réfléchissant, avec un rapport EFL/longueur de 5:1, la courbure du champ est importante et il existe un astigmatisme significatif aux positions du champ hors axe. Cela peut être vu sur le tracé MTF de la figure 2, où les performances du champ de 0,25° sont très dégradées. Pour cette raison, notre exemple simple est uniquement à titre d’illustration et ne doit pas être considéré comme une conception pratique.

En général, des éléments réfractifs sont nécessaires pour aplanir le champ. La solution classique est la plaque correctrice de Schmidt, qui est placée devant le miroir primaire, à peu près dans la même position axiale que le miroir secondaire. Alternativement, des éléments réfractifs entre le miroir secondaire et l'image peuvent simultanément corriger le champ et modifier l'EFL. L’inconvénient des éléments réfractifs du système est qu’ils limitent le spectre de longueurs d’onde et introduisent une aberration chromatique.