ultra precision technology Usinage d’ultraprécision

PRESENTATION CNRS

ultra precision technology

PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 1

Usinage d’ultraprécision

Jean-Luc VAVRILLEMECASEM BourgogneVillage Harfleur 200071205 LE CREUSOT

Tél 03 85 73 07 03Fax 03 85 73 07 07

Mél : [email protected] .com

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Usinage d’ultraprécision

• Technologie de fabrication située entre les domaines de l’optique et de la mécanique

• Combinaison de l’utilisation d’outil de coupe de très haute qualité avec des machines dont les performances sont extrêmes

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0,4

10

40FRAISAGE

1,6 0,8

Etats de surface (Ra en µm)

Préc

isio

n en

µm

TOURNAGE20ANALYSE DES

RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE

PRESENTATION CNRS



0,4 0,2 0,1

10

40FRAISAGE

1,6 0,8 0,05 0,025


Préc

isio

n en

µm

RECTIFICATION

TOURNAGE20

5

ANALYSE DES RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE

PRESENTATION CNRS



0,4 0,2 0,1

10

40FRAISAGE

1,6 0,8

1,25

0,0050,05 0,025


0,013

Préc

isio

n en

µm

SUPERFINITIONRECTIFICATION

TOURNAGE20

5

2,5 POINTEUSE


PRESENTATION CNRS



0,1

Préc

isio

n en

µm


0,3

TOURNAGE20

5

2,5 POINTEUSE

1,25

0,5

0,0010,0050,05 0,025


0,0130,4 0,2 0,1

10

40FRAISAGE

1,6 0,8

POLISSAGE OPTIQUE


PRESENTATION CNRS



0,1

Préc

isio

n en

µm


0,3

TOURNAGE20

5

2,5 POINTEUSE

1,25

0,5

0,0010,0050,05 0,025


0,0130,4 0,2 0,1

10

40FRAISAGE

1,6 0,8

FABRICATION D'ULTRA-

PRECISION

POLISSAGE OPTIQUE


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Avantages

• Cumul des avantages des technologies de la mécanique et de l’optique, àsavoir :– Polyvalence du procédé permettant d’avoir

des applications variées– Performance en termes

• d’états de surface (< 10 nanomètres),• d’écarts de forme (< au micron).

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Machine d’ultraprécision MOORE M18AG

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Axes linéaires

Positionnement Interféromètre laser

Résolution 12 nm

Guidage par glissière à W à rouleaux

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Machine d’ultraprécision MOORE 350 UPL

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Axes linéaires

Positionnement par règle incrémentale en invar

Résolution 1 nm

Guidage par palier hydrostatique

Déplacement par moteur linéaire

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Problem with AxisCaused by problem with lead screw

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0.3µm/350mm (12µ”/14”)0.3µm/350mm (12µ”/14”)

0.7µm/350mm (28µ”/14”)0.7µm/350mm (28µ”/14”)

Axe X rectitude horizontaleAxe X rectitude horizontale

Axe X rectitude verticaleAxe X rectitude verticale

NanoformNanoform®® 350 350

specification des glissièresspecification des glissières

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Broches d’ultraBroches d’ultra--precisionprecision

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Spindle ProblemWorn bearings on an angular contact ball race spindle

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Accessoires machineAccessoires machine

Optical Tool Set StationOptical Tool Set Station

LVDT Tool/Wheel Set StationLVDT Tool/Wheel Set Station

Adjustable Tool HolderAdjustable Tool Holder

8” Dia. Flat Vacuum Chuck8” Dia. Flat Vacuum Chuck

Tool/Air Lubrication SystemTool/Air Lubrication System

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Stability ProblemCaused by worn height adjuster on toolholder

Good quality after toolholder replaced

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Chatter lines caused by vibration

Surface finish problem

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Opération typique de SPDTOpération typique de SPDTUsinage d'une surface

•Vitesse de broche: 2000 t/mn

•Avance de l’outil: 10 mm/mn

•Profondeur de coupe: 4 µm

•Rayon d’outil : 1,5 mm

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Opération typique de SPDTOpération typique de SPDTUsinage d'une surface

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Structure de surface Structure de surface usinage pontuelusinage pontuel

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Mesure de la rugosité sur du Mesure de la rugosité sur du Germanium usiné diamantGermanium usiné diamant

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Finition de surfaceFinition de surface(rugosité théorique une passe)(rugosité théorique une passe)

T

r

RfVP

8)(

2

≅−

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Etat de surface

0

5

10

15

20

25

30

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

Avance en mm/tour

0,5 mm

0,8 mm

1 mm

2 mm

Ray ond'out il109876543210

Ra P-V

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Tournage diamant sur l’axe

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Tournage diamant hors d’axe

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Métaux usinablesMétaux usinables

• Aluminium• Argent• Or• Béryllium• Béryllium Cuivre• Cuivre• Magnésium• Plomb

• Platine• Etain• Zinc• Laiton• Bronze• Nickel (auto

catalytique et électrolytique)

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Cristaux usinablesCristaux usinables

• Fluorure de Calcium• Niobate de Lithium• Cadmium Zinc Tellure• Fluorure de

Magnésium• Iodure de Césium• Silicium

• Arséniure de Gallium• Sulfure de Zinc• Germanium• Séléniure de Zinc• Antimoniure d'Indium• Amtir• Bromure de Potassium

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Impuretés

aluminium 5083

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AnisotropieGermanium plan cristallin<111> :

transitions fragile-ductile

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AnisotropieGermanium plan cristallin<111> :

transitions fragile-ductile

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Structure granulaireCuivre pur OFHC

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Outils diamants

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Qualité du « tranchant »Outil carbure

Outil cbn

Outil diamant

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Tool InspectionGood Quality Tool Poor Quality Tool

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Outils diamants

• AVANTAGES– Dureté– Tranchant « parfait »– Qualité géométrique

• Minimisation des efforts de coupe

• Minimisation des contraintes résiduelles

– Très bonne conductivité thermique

– Ré-affutables

• INCONVENIENTS– Fragilité– Tout les matériaux ne

sont pas usinables– Prix– Délais

d’approvisionnement (pas de stock)

– Théorie de la coupe inexistante

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Selection of Natural Diamonds

100/100 OrientationBrown stones and Maccles

Good quality yellows

Natural Diamond POOR Quality

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Selection of synthetic diamonds

Diamond GRIT (Powder)

CVD Diamond

Mono Die - Single Crystal Synthetic Sumitomo - Single Crystal Synthetic

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The Tool -Terms Used

SECONDARY CLEARANCE

FRONT CLEARANCE

TABLE

RADIUS

FLANKFLANK

ARC

RAKE

TABLERAKE

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510152025602 – 6(10 – 15 for

small products)

+2½° - 0°-2½° -5°

10° - 15°0.3 – 1.5Plastics

2.53101020202 – 4-15°/ -25°10° - 15°0.5 – 1.5Silicon

2.53151025302 – 4-25°10° - 15°1.0 – 1.5Germanium

2.53151025302 – 4-15°10° - 15°0.5 – 1.5Zinc Selenide

2.53151025302 – 4-15°10° - 15°0.5 – 1.5Zinc Sulphide

55201530502 – 4+2½° - 0°-2½°

10° - 15°0.5 – 1.5Brass

53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°

10° - 15°0.5 – 1.0Electroless Nickel

53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°

5° - 15°0.5 – 1.5Copper

53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°

5° - 15°0.5 – 1.5Aluminium

Feed Rate(mm/min)

Depth(µm)

Feed Rate(mm/min)

Depth(µm)

Feed Rate(mm/min)

Depth(µm)

Spindle Speed(x100RPM)

Top Rake Angle

Front Clearance

RadiusSize

Material

Final Finish Cut1st Finish CutRoughing Cut

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The Lathes

2 AxisThe point of contact changesas the tool generates a curve

Rotary AxisThe point of contact remains the

same as the tool generates a curve

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ConicalClearance

CylindricalClearance

Two types of tool clearances available.Make the correct choice

!Allows for a true circular shape.

!Clearance angle is the same around all of radius arc and flank angles.

!Radius size (and therefore length of cutting edge) reduces every time the tool is relapped.

!There will be and elliptical form.

!Clearance angle reduces towards flanks.

!Radius size remains constant after each relap.

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The Tool

Non ControlledWaviness

ControlledWaviness

40.000 xWaviness Magnification

Arc

40.000 xWaviness Magnification

Arc

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Controlled Waviness Tools

• <1.0µm

• <0.75µm

• <0.5µm

• <0.25µm

• <0.15µm

• <0.1µm

• <0.05µm

Controlled waviness tools are expensive.

Let us help you Make the correct choice of tool for your application.

WE MEASURE THESE VALUES

PEAK TOVALLEY

Guaranteed Waviness Values Available:

(yes - that’s less than 50 nanometres)

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Non-controlled Waviness

Non-controlled waviness tools:

•Roughing applications

•Rotary axis applications

•Single point turning applications

•Flycutting applications

•Rotation applications

Let us help you make the correct choice of tool for your application.

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Considération sur la métrologieConsidération sur la métrologie• De type contact (profilomètre, machine de

mesure par coordonnées, miroir optique d'annulation) ou optique

• De la mise en œuvre à l'inspection finale• Mesure autonome ou à compensation• Sur la machine ou hors machine• Forme, finition de surface ou pente• Métrologie universelle ou spécialisée• Résultats comparés• Limitation sur la sagittale, la courbure, la

géométrie, les matériaux, etc

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Métrologie et géométrieMétrologie et géométrie• Surfaces sphériques• Surfaces asphériques

– Interféromètre avec hologramme– Profilomètre

• Surfaces diffractives– Profilomètre– Interféromètre lumière blanche

• Finition de surface– Profilomètre– Interféromètre lumière blanche

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Moyens de contrôles

Machine à mesurer SIP 30M

Résolution : 0,1µm

Microscope mécanique à balayage FORMTALYSURF S4C

Résolution : 1nm

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Processus en boucle ferméeProcessus en boucle fermée

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UltracompUltracomp™ Système de Mesure de Forme™ Système de Mesure de Forme

AprèsAprèsAvantAvant

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Nanotech 350UPLSurface Form - Aluminum

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Nanotech 350UPLSurface Finish - Aluminum

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Diamond turn Zinc Selenide (ZnSe), CX asphere with 5mm of sag over a 50mm dia. aperture.

Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 2000 RPMDepth of cut = 4µmFeed Rate = 2.5mm/minTool = -25º rake, 0.635mm rad. Material = ZnSe

•Diffractive Applications•Infrared Applications

ApplicationsApplications

Ra 2.1 nm Rms 3.2 nm

Diamond turn a nickel plated mold insert, CC sphere with a rad. of 50mm over a 20mm aperture.

Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 1500 RPMDepth of cut = 4µmFeed Rate = 5mm/min

•Mold Inserts•Ophthalmic, Commercial and Military Applications

•Helmet Displays


Surface RoughnessSurface Roughness

Form AccuracyForm Accuracy


App

licat

ion

Repo

rtsA

pplic

atio

n Re

ports

Application No.9902Application No.9902

Application NO.9912Application NO.9912

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Trouble Shooting

• Swarf Build up• Humidity• Incorrect tool planning• Software error• Power Failure• Lens Slips• Wrong Rake• Material Imperfections• Collet Jam• Tool Post moves

• Friday Afternoon• Monday Morning• Vibration• Tool Path Problem• Fluctuating Air supply• Fluctuating Power

supply• Operator Error• Electrical Discharge• Tool Handling• Slide Motor Problems

• Managers and Supervisors

• Too large a radius• Too small a radius• Spindle Motor

Problems• Poor Fixturing• Poor Swarf Extraction• Dynamic Balance• Cleaning Optics• Wrong Specifications• Wrong Coefficients

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Applications

• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique

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Micro-pièceDiamètre total de 1 mm avec

Fonction de Bessel au centre sur un diamètre de 120µm

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Applications


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Tube à paroi mince

• Longueur 180 mm• Diamètre 140 mm• Épaisseur 1 mm• Contrôle in-situ avec

palpeur à focalisation laser

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Applications


– Asphériques– Repérage mécanique– Systèmes complets– Considérations concernant la

diffraction

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Surface asphériqueSurface asphériqueHauteur sagitaleHauteur sagitale

( )( )

jjasph AAA

cKcz ρρρ

ρρρ ...

1116

64

422

2

++++−+

=

Section conique Termes de déformation

C =1/R = Courbure au centreK = Constante coniqueρ = Coordonnées radiales

A4…Aj + Termes de déformation

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Section coniqueSection conique

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Réflecteurs à section coniqueRéflecteurs à section conique

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Systèmes classiques à 2 miroirsSystèmes classiques à 2 miroirs• Exemple: Objectif Cassegrain

Aberration sphérique corrigée

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Applications



diffraction

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Montage SPDT pour éliminer l'effet angulaire du au centrage

L'usinage des surfaces de montage et des surfaces optiques garantit un alignement approprié

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Système Cassegrain compact Système Cassegrain compact ‘‘’snap’snap--together’’together’’ (intégré)(intégré)

L'usinage des surfaces de montage et des surfaces optiques garantit un alignement approprié

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Vue tridimensionnelle du système Vue tridimensionnelle du système Cassegrain "Cassegrain "snapsnap--togethertogether""

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Applications



diffraction

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L’aplanat de KorschL’aplanat de Korsch

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Montage sur un tourMontage sur un tour

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En vue réelleEn vue réelle

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Miroirs plans d’alignement Miroirs plans d’alignement intégrés intégrés

L'intégration de surface d ’alignement de miroirs pour l ’autocollimation permet de gagner beaucoup de temps

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Applications



diffraction

PRESENTATION CNRS



Finition de surfaceFinition de surface(rugosité théorique une passe)(rugosité théorique une passe)

T

r

RfVP

8)(

2

≅−

PRESENTATION CNRS



DiffusionDiffusionpour une rugosité de 10nm RMSpour une rugosité de 10nm RMS

24

≅

λπRMSTIS

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Exigence pour couvrir Exigence pour couvrir le spectre visiblele spectre visible

PRESENTATION CNRS



D’autres applicationsD’autres applications

• Master de réplication• Lentilles prototypes en plastique• Inserts moulés• Lentilles de Fresnel• Miroir de scanner• Lentilles sphériques spécialement

pour des petites quantités

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Surface toriqueSurface torique

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Tournage diamant hors d’axe

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Machining SystemsMachining Systems

Nanoform 200Nanoform 200

Nanoform 700Nanoform 700

Planoform 550Planoform 550

Freeform 3000Freeform 3000

Système de livraison Système de livraison de carburant pour automobile de carburant pour automobile

Affichage tête haute pour automobileAffichage tête haute pour automobile

Connecteurs d’interrupteurs de Connecteurs d’interrupteurs de communicationcommunication

Blocks de porteurs de Blocks de porteurs de communicationcommunication

Electronique pour affichageElectronique pour affichage

Structure mécanique paroi minceStructure mécanique paroi mince

MechanicalMechanical--AxesAxes

Systèmes IR militairesSystèmes IR militaires

Aciers durs à outillageAciers durs à outillage

CéramiquesCéramiques

OUTILS CBNOUTILS CBN

PolymèresPolymères

OUTIL DIAMANTOUTIL DIAMANT

MatériauxMatériaux

MachineMachineNanoform 350Nanoform 350

CristauxCristaux

Métaux non ferreuxMétaux non ferreux

Métaux ferreuxMétaux ferreux

Electronique pour CD/DVDElectronique pour CD/DVD

Electronique pour TV haute Electronique pour TV haute définitiondéfinition

MetrologyMetrology--Test FTM/MRTDTest FTM/MRTD

ApplicationApplication Feux de route pour Feux de route pour automobileautomobile

ApplicationApplication

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Composants pour Composants pour mécanique de précisionmécanique de précision

ElectroElectro--OptiqueOptique

Optique ophtalmiqueOptique ophtalmique

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Diamond turn electroless nickel mold pins, CC aspheric with 3.2mm of sagittal depth over a 9.5mm aperture.

Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 1000 RPMDepth of cut = 2µmFeed Rate = 2.5mm/minTool = natural diamondMaterial = electroless nickel

•Diffractive Applications•Infrared Applications•Ophthalmic, Commercial and Military Applications



Hard turn hardened steel, CC cone 13mm in diameter.

Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 4500 RPMDepth of cut = 20µmFeed Rate = 100mm/minTool = 0.5mm rad. -15° rake CBN

•Precision Mechanical Components•Automotive Applications




App

licat

ion

Repo

rtsA

pplic

atio

n Re

ports

Application No.9905Application No.9905

Application NO.0004Application NO.0004


Rt 0.1122 um



Pv 0.8902 um

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Micro Optics

• Camera lens• CCD lens• CD pick up lens• DVD pick up lens• Endoscope lens• Contact lens• Intra-ocular lens

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Coupleur à fibre optique Coupleur à fibre optique

••Pitch:Pitch: 127µ 90° included angle127µ 90° included angle

••Spindle:Spindle: 5000 RPM5000 RPM

••Feed rate:Feed rate: 200mm/min200mm/min

••Wheel dia:Wheel dia: 75mm 75mm

MaterialsMaterials

-- SiliconSilicon

-- Fused SilicaFused Silica

-- CeramicsCeramics

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Conclusions et Conclusions et commentaires de fincommentaires de fin

• SPDT peut être un moyen extrêmement utile et économique de produire des éléments optiques

• Dans certains cas, c'est le seul moyen• Pour tirer avantage de cette technologie,

essayer les approches des nouveaux systèmes et les idées non conventionnelles

• Rappelez-vous Einstein: "L'imagination est plus importante que la connaissance"

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