L'analyse de front d'onde appliquée à la métrologie de surface optique

Synchrotrons use a variety of mirrors for reshaping or redirecting X-ray beams. The mirrors can have lengths up to 1.5 m and surface figure errors below 1 nm. Characterization of these mirrors requires advanced metrology tools. More commonly used instruments are Long Trace Profilers (LTP), Nanometer Optical Component Measuring Machines (NOM), Fizeau interferometers and Micro interferometers. The Stitching Shack-Hartmann wavefront sensor (SHARPeR) is a novel 2D slope measuring instrument developed as an integrated commercial product by Imagine Optic and Q-Sys, and uses subaperture stitching algorithms to measure synchrotron mirrors. This thesis has improved the performance of the SHARPeR installed at ESRF. New measurement techniques have been developed to reduce errors from aberrations of optical elements. The impact of mechanical translation errors and environmental errors such as those from air turbulence and temperature fluctuations upon measurement repeatability and accuracy have been characterized, and consequent improvements have been made to the instrument design. The performance of subaperture stitching algorithms has been explored and an open source stitching software package has been developed with multiple working algorithms. The improved instrument performance has been verified using comparative measurements of various artefact mirrors, and comparing to results obtained from more established metrology instruments such as LTP, Fizeau and Micro-interferometers.Les synchrotrons utilisent une grande diversité de miroirs pour conditionner ou rediriger le faisceau de rayons X. Ces miroirs peuvent mesurer jusqu'à 1,5 m de long avec des erreurs de forme de la surface optique inférieures à 1 nm. La caractérisation de telles surfaces nécessite des instruments de métrologie avancés. Les instruments les plus couramment utilisés sont les profilomètres optiques de type LTP (Long Trace Profiler) ou NOM (Nanometer Optical Component Measuring Machines), les interféromètres de Fizeau et les micro interféromètres. Le capteur de front d'onde Stitching Shack-Hartmann (SHARPeR) développé et commercialisé par Imagine Optic et Q-Sys est venu récemment complété cette liste. Il s'agit d'un instrument innovant par sa mesure de pente 2D qui utilise des algorithmes d'assemblage de sous-pupille pour mesurer les miroirs synchrotrons. La thèse a permis d’améliorer les performances de l’instrument SHARPeR installé à l'ESRF. De nouvelles techniques de mesure ont été développées pour réduire les erreurs dues aux aberrations des éléments optiques. L’influence sur la répétabilité et la précision des mesures, des erreurs de déplacement dues à la mécanique de translation et des erreurs environnementales comme les turbulences de l'air ou les fluctuations de température, ont été caractérisées, permettant d’apporter des améliorations notables à la conception de l'instrument. Les performances de divers algorithmes d’assemblage de sous-pupilles ont été étudiées et un progiciel de type open source a été développé pour les utiliser. L'amélioration des performances de l'instrument a pu être vérifiée grâce à des mesures comparatives avec d’autres instruments de métrologie reconnus tels que le LTP, le Fizeau et les micro-interféromètres sur des miroirs de référence