Principe de la mesure de rugosité

Le front d’onde est l’un des nombreux paramètres qui caractérisent un faisceau lumineux. Il est défini comme la surface à laquelle les rayons lumineux sont perpendiculaires. En projetant un faisceau lumineux sur une surface et en étudiant les rayons réfléchis suivant le même axe, les informations récupérées sont multiples : relief et rugosité, qualité optique, aberrations… Plusieurs méthodes coexistent pour ce type d’investigation, qui présente de nombreuses applications en astronomie, caractérisation de faisceaux lasers, ophtalmologie, contrôle de composants d’optique, études de surfaces (Erreur ! Source du renvoi introuvable.):

- Méthode de Shack-Hartmann : elle consiste à échantillonner le faisceau lumineux réfléchi par des microlentilles, qui le concentre sur le plan focal, permettant ainsi de mesurer des fronts d’onde de faibles intensités. Mais cet échantillonnage entraîne une faible résolution des capteurs. La tache lumineuse issue d’une microlentille occupe en effet plusieurs pixels sur la barrette du capteur numérique photosensible (CCD). Si l’on cherche à améliorer la résolution en diminuant le nombre de pixels alloués à chaque tache, le résultat conduit nécessairement à une forte diminution de la dynamique du capteur avec un faible gain en résolution. En outre, si on cherche à augmenter le nombre de microlentilles en réduisant leurs dimensions, on augmente les interférences générées par chacune d’entre elles. Les taches obtenues sur le capteur risquent de se recouper avec leurs voisines, rendant chaque tache plus difficile à identifier. Pour pallier à ce problème, les microlentilles peuvent être dotées d’une signature spécifique, entraînant un coût de fabrication élevé.

- Interférométrie à décalage multilatéral : dans ce cas, le faisceau incident ne passe pas par un réseau de microlentilles, mais à travers un réseau de diffraction. Il s’agit de partir de l’image floue et de mesurer les défauts du front d’onde afin de reconstruire mathématiquement l’image nette par déconvolution. Pour une taille de détecteur donnée, la résolution de l’interféromètre à décalage multilatéral est supérieure à celle des capteurs de Shack- Hartmann. Contrairement à cette dernière, l’interféromètre à décalage multilatéral autorise l’utilisateur à modifier la sensibilité et la dynamique de la mesure, permettant ainsi un plus grand nombre d’applications. Elle nécessite cependant d’utiliser un matériel de même complexité que la méthode Shack-Hartmann.

- Analyseur de courbures : Il consiste à mesurer la variation longitudinale de l’intensité en déplaçant le capteur le long de l’axe optique. Pour simplifier la mise en œuvre de la méthode et obtenir simultanément deux images d’intensité, il utilise une grille de diffraction spécifique, composée de motifs paraboliques, située devant le capteur. On obtient ainsi les deux images d’intensité du faisceau incident sans qu’il soit nécessaire de déplacer la caméra. La résolution des analyseurs de courbure est plus élevée que celles des deux méthodes précédentes. Chaque pixel obtenu correspond en effet à un point de mesure, et donc à une valeur de front d’onde. Mais cette méthode nécessite une fois de plus du matériel complexe, notamment des éléments de diffraction très spécifiques.

Les limites techniques de ces méthodes ainsi que les moyens informatiques désormais disponibles ont entraîné la naissance d’une nouvelle série de capteur, dits numériques. Comme les analyseurs de courbure, ils mesurent la variation de l’intensité de l’onde dans la direction de l’axe optique. Grâce aux images d’intensité obtenues sur des plans transversaux à l’axe optique, et au logiciel qui leur est associé, ils fournissent une reconstruction mathématique du front d’onde. Dans ce cas, les composants optiques utilisés sont beaucoup plus simples et peuvent se limiter à une simple lame séparatrice qui sépare le faisceau incident. Cette simplification de l'instrumentation au profit du traitement numérique permet de diminuer l'encombrement et la fragilité de l'instrument de mesure, améliorant ainsi sa portabilité.

Méthodes Avantages principaux Limites principales

Shack-Hartmann - Grande sensibilité

- Large gamme de longueurs d’onde

- Insensibilité aux vibrations

- Faible résolution

- Compromis à trouver entre dynamique et résolution

- Etalonnage précis nécessaire Interférométrie à décalage

multilatéral

- Meilleure résolution que méthode précédente

- Possibilité de modifier au besoin la sensibilité et la dynamique

- Complexité - Coût

Analyseurs de courbure - Meilleure résolution que méthodes précédentes

- Complexité accrue

- Longueur d’onde pré-déterminée - Bande passante limitée

Capteurs « numériques » de front d’onde

- Meilleure résolution que méthode précédente

- Simplicité

- N’importe quelle longueur d’onde

- Algorithmes spécifiques - Charge de calculs élevée

tableau 10 : Récapitulatif des différentes méthodes de mesure par front d'onde (d’après PhaseView®)

Appareillage utilisé sur nos échantillons

Le rugosimètre utilisé est composé d’un système d’acquisition SurPhase® et d’un logiciel de traitement GetPhase®, les deux édités par l’entreprise PhaseView®.

Figure 115 : Illustrations de l'équipement PhaseView. a ) système d'acquisition SurPhase®, b) échantillon, c) plateau micrométrique, d) système de commande et de traitement

Le système d’acquisition SurPhase®, de type rugosimètre à front d’onde par capteurs numériques, permet de calculer la netteté de chaque point en fonction de la distance focale entre le capteur et l’échantillon testé (Figure 115). Trois paramètres sont importants pour optimiser la mesure : l’ordre de grandeur de la rugosité, la résolution de la rugosité, et la plage de surface mesurée. Ces trois paramètres conditionnent le choix de l’objectif.

Premièrement, l’ordre de grandeur de la rugosité : plus le grossissement est important, plus la profondeur de champ est faible. Si la rugosité est faible, la profondeur de champ peut être suffisante pour obtenir une image nette de l’intégralité de la surface étudiée, et permettre ainsi d’en calculer la rugosité. Dans le cas contraire, l’appareil présente l’avantage de pouvoir être rêglé en « mode étendu» : il exécute une série de dix mesures en décalant entre chacune d’elles le capteur d’une certaine distance réglable par l’utilisateur. Il permet ainsi en recoupant les données d’obtenir à nouveau la rugosité sur l’intégralité de la surface. Au-delà d’une certaine rugosité, Il devient impossible de décaler davantage le capteur. Le seul choix restant est donc de passer à l’objectif de grossissement inférieur, ce qui influe considérablement sur le second paramètre, la résolution en Z de la mesure (tableau 11).

tableau 11 : Tableau récapitulatif des résolutions et échelle d'acquisition

a)

b)

c) d)

Le troisième et dernier paramètre est la taille de la surface étudiée : plus le grossissement est important, plus la fenêtre est réduite, mais meilleure est la résolution (tableau 12). Il se pose alors la question de la représentativité : quelle est la surface minimale représentative de la totalité de la surface exposée et quelle est la résolution suffisante pour être représentative de la rugosité vraie ? Pour conserver une bonne résolution tout en couvrant une plage importante, une plateforme de translation a été installée sous le rugosimètre. Commandée par GetPhase®, elle permet en théorie de mesurer, pour n’importe quelle résolution, une surface de plusieurs dizaines de centimètres carrés.

tableau 12 : Récapitulatif des dimensions et résolutions des plages de mesure