FR3016447B1 - Procede de fabrication de lentilles barreaux, et lentille barreau - Google Patents

Procede de fabrication de lentilles barreaux, et lentille barreau Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une lentille barreau (10) monobloc homogène et la fabrication de celle-ci à partir d'un corps en verre brut (1), par fusion de ce dernier dans un moule (2), grâce à quoi une partie saillante du corps en verre brut (1) se déforme pour adopter la forme d'un dôme, avec une surface sphérique ou presque sphérique, qui définit la partie de lentille convexe de la lentille barreau (1).

Description

Procédé de fabrication de lentilles barreaux, et lentille barreau
La présente invention concerne un procédé de fabrication de lentilles barreaux qui sont formées de façon homogène d'une seule pièce et comportent chacune une partie formant fût et une partie formant lentille convexe, et concerne d'autre part une lentille barreau produite par le nouveau procédé, ainsi qu'un arrangement matriciel de lentilles barreaux.
Les lentilles barreaux sont bien connues en tant que telles et comportent une partie formant fût allongée et une partie formant lentille disposée sur au moins une partie d'extrémité de la partie formant fût. Des lentilles barreaux de ce type sont réalisées à partir de préformes, par fusion de ces préformes dans un moule de compression et par déformation des préformes par compression. La fabrication par un processus de coulée est également connue (US 2010/327470 A).
Par le document KR 101306481 Bl, on connaît un composant micro-optique qui est réalisé dans un substrat et qui peut être fabriqué sous la forme d'un réseau de composants comprenant des microlentilles de verre. Le substrat comporte une ou plusieurs cavités réalisées par attaque chimique, et une ou plusieurs ébauches de verre sont fondues sur la surface supérieure du substrat pour remplir la ou les cavités, et le substrat est soumis à une attaque chimique sur les surfaces supérieure et inférieure pour compléter la fabrication des micro-lentilles de verre.
Les procédés de l'état de la technique cités ci-dessus présentent l'inconvénient de générer des coûts de fabrication relativement élevés.
Par conséquent, l'un des objets de la présente invention consiste à proposer un procédé efficace en termes de coûts pour fabriquer des lentilles barreaux de haute qualité. Le terme "haute qualité" signifie qu'il est possible d'obtenir un guidage de lumière à faibles pertes pour la focalisation, la collimation et la formation d'images avec des articles optiques tels que des cellules solaires, des photodétecteurs, des DELs, des fibres optiques et des lasers.
Les lentilles barreaux ont une partie formant fût et une partie formant lentille convexe, située à l'extrémité du fût. Afin de présenter une perte de lumière la plus faible possible, les lentilles barreaux de ce type conformes à l'invention sont réalisées d'une seule pièce de façon homogène. Pour la fabrication, on prépare des corps en verre bruts qui peuvent présenter une rugosité de surface. Ces corps en verre brut sont placés et supportés dans des cavités appropriées d'un moule, de manière à ce qu'une partie de chaque corps en verre brut dépasse du moule. Cette partie du corps en verre brut est destinée à définir la partie lentille de la lentille barreau, après le traitement. Le traitement du corps en verre brut est réalisé par mise en fusion à une température telle que la partie du corps en verre brut qui dépasse du moule se déforme dans un environnement d'air ou de gaz pour adopter la forme d'un dôme ayant une surface sphérique ou presque sphérique. Cette déformation est provoquée par les forces de surface à l'extrémité liquide du corps en verre brut qui dépasse, de manière à ce que la surface de verre libre adopte une taille minimale. Lorsque cela est obtenu, on laisse la lentille barreau refroidir, généralement dans une arche de recuisson ou un four de recuit, pendant une durée prolongée, de manière à empêcher toute formation de contraintes dues au retrait et de stries dans la lentille barreau. Ensuite, la lentille barreau est retirée du moule.
La lentille barreau ainsi produite est formée d'une seule pièce de façon homogène, c'est-à-dire d'un seul tenant, avec sa partie formant fût et sa partie formant lentille. La partie lentille a une surface sphérique ou presque sphérique de qualité polie au feu. Le terme "qualité polie au feu" signifie que la rugosité de surface est extrêmement faible. Par exemple, la rugosité quadratique moyenne (aléatoire) est de 0,1 pm, la rugosité moyenne (aléatoire) est de 80,5 nm, et la rugosité de crête à creux est de 398 nm.
La partie fût peut avoir une forme prismatique ou cylindrique ronde, avec une section transversale constante du barreau. Toutefois, il est également possible que la partie fût présente la forme d'une pyramide tronquée, de manière facultative même avec une base hexagonale, ou bien la forme d'un cône tronqué. Dans ce cas, la lentille barreau a une section transversale qui diminue ou une section transversale qui s'élargit.
Pour faciliter le retrait de la lentille barreau du moule, il est avantageux que le matériau du moule présente un coefficient de dilatation thermique plus petit que le coefficient de dilatation thermique de la lentille barreau produite. Ainsi, pendant le refroidissement, la lentille barreau produite se contracte plus que le moule.
Au lieu de moules réalisés d'une seule pièce, il est possible d'utiliser des moules en deux ou plusieurs parties, ce qui peut être envisagé notamment lorsque l'on souhaite produire des lentilles barreaux présentant une section transversale qui s'élargit, vu depuis la partie lentille en direction de la base de la partie fût.
Pour le matériau du moule, il est possible d'utiliser du graphite, de la céramique, du verre, de la vitrocéramique et du métal. L'invention sera décrite plus en détail ci-après à l'aide de quelques modes de réalisation cités à titre d'exemples et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : -la figure 1 illustre le principe de fabrication de la lentille barreau; -la figure 2 représente la fabrication sur la base d'un corps de départ en verre rugueux; -la figure 3 représente la fabrication d'une lentille barreau comprenant un fût ayant la forme d'une pyramide tronquée; -la figure 4 représente la fabrication d'une lentille barreau semblable à celle de la figure 3, mais avec un pied; -la figure 5 représente un réseau de lentilles barreaux dans un arrangement matriciel; -la figure 6 représente des photographies d'un corps en verre brut, en tant que matériau de départ, et d'une lentille barreau produite, après le recuit; -la figure 7 représente un graphique de la rugosité de surface d'un corps en verre brut; -la figure 8 représente un graphique de la rugosité de la surface de lentille barreau; et -la figure 9 représente des illustrations du contour de surface d'une lentille barreau.
Partant d'un corps en verre brut 1, la figure 1 illustre de façon schématique la fabrication d'une lentille barreau 10 comportant une partie formant lentille 11 convexe et une partie formant fût 12. Un corps en verre brut 1 est inséré dans une cavité d'un moule 2 d'une manière telle qu'une partie du corps en verre brut dépasse du moule, laquelle partie définira la partie lentille 11 après la fabrication. La fabrication de la lentille barreau 10 à partir du corps en verre brut 1 est réalisée par traitement thermique dans le moule 2, et ce à une température telle que le corps en verre brut 1 entre en fusion et a la possibilité d'adopter sa surface de corps minimale. En conséquence, une forme de dôme sphérique avec une surface sphérique ou sensiblement sphérique est formée. La qualité de surface de cette surface sphérique est extrêmement élevée et est désignée comme "qualité polie au feu".
Pendant sa réalisation, la lentille barreau est supportée par le moule 2, alors qu'elle est toujours pâteuse/liquide. Afin d'éviter des fissures de contrainte et des stries, on laisse refroidir lentement la lentille barreau qui est toujours chaude, ce qui est en général réalisé dans une arche de recuisson ou un four de recuit. Au cours du refroidissement, aussi bien la lentille barreau 1 que le moule 2 subissent un retrait, mais dans une mesure nettement moindre pour le moule que pour la lentille, ce qui est obtenu par le fait que le matériau du moule 2 présente un coefficient de dilatation thermique qui est inférieur à celui de la lentille barreau 10. Par conséquent, dès que la lentille barreau 10 a suffisamment refroidi, elle peut être retirée facilement de la cavité du moule 2.
La figure 2 montre un corps en verre brut 1 qui présente une certaine rugosité de surface, engendrée par exemple lorsque le corps en verre brut est découpé dans un bloc. Une certaine rugosité subsiste également après un meulage. Lorsqu'un tel corps en verre brut 1 est placé dans la cavité du moule 2, une certaine quantité d'air subsiste entre la surface du corps en verre brut 1 et la surface intérieure du moule 2. Toutefois, lorsque le corps en verre brut 1 entre en fusion, il se dilate jusqu'à atteindre la paroi du moule 2 et déplace généralement ainsi l'air enfermé. De ce fait, la partie fût 12 adopte une finition de surface qui correspond à la qualité de surface du moule 2. Indépendamment de cela, la qualité de surface de la partie lentille 11 est définie par la formation d'une peau par rapport à l'air ambiant ou par rapport au gaz environnant, ce qui donne une surface sensiblement sphérique.
La figure 3 représente la fabrication d'une lentille barreau 10 comportant une partie fût 13 qui s'élargit en section transversale. Cette partie fût 13 peut avoir la forme d'une pyramide tronquée, de manière facultative avec une base hexagonale, mais il est également possible de prévoir la forme d'un cône tronqué. Le moule 2 est adapté à la forme de la lentille barreau et comporte initialement un espace libre 3 qui se remplit lorsque le corps en verre brut 1 entre en fusion, et qui constitue une sorte de contre-dépouille en termes de forme d'outil. Par conséquent, le moule sera réalisé en deux ou plusieurs parties pour faciliter le retrait de la lentille barreau finie du moule.
La figure 4 montre une variante du mode de réalisation de la figure 3, dans laquelle la cavité du moule 2 comporte en outre un évidement de paroi 4 dans lequel on peut verser un pied 14 de la lentille barreau 10. Un tel pied 14 peut être particulièrement utile en vue d'une fixation.
La figure 5 montre un arrangement matriciel de lentilles barreaux 10 qui forment un réseau et sont ancrées avec leurs parties fûts 12 dans un support 30.
La figure 6 représente un résultat du procédé de fabrication de lentilles barreaux à partir d'un corps en verre brut. Le matériau de départ avait une longueur de 6,3 mm et un diamètre de 5,8 mm. Après le recuit, la lentille barreau présentait une longueur de 7 mm, avec un diamètre de 5,8 mm de la partie fût. Le rayon de la surface sphérique était de 3 mm.
La figure 7 montre un graphique de la rugosité mesurée à la surface du matériau de départ. Ce graphique permet de dériver une rugosité quadratique moyenne (rms) (aléatoire) de 0,40 pm, une rugosité moyenne (Ra) (aléatoire) de 326,43 nm, et une rugosité de crête à creux (PV) de 2064,43 nm. Les valeurs mesurées étaient obtenues en utilisant un interféromètre à lumière blanche.
La figure 8 représente la rugosité, telle qu'elle a été mesurée à la surface d'une lentille barreau et déterminée en utilisant un interféromètre à lumière blanche. La rugosité quadratique moyenne (rms) (aléatoire) est de 0,10 pm, la rugosité moyenne (Ra) (aléatoire) est de 80,52 nm, et la rugosité de crête à creux (PV) est de 397,68 nm.
La figure 9 représente des illustrations du contour de surface d'une lentille, telle qu'elle a été déterminée en utilisant un interféromètre à lumière blanche. La surface sphérique a un rayon de 3 mm.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication de lentilles barreaux qui sont formées d'une seule pièce de façon homogène et comportent chacune une partie formant fût et une partie formant lentille convexe, comprenant les étapes suivantes : a) mise en place d'au moins un corps en verre brut, à partir duquel une lentille barreau doit être formée; b) mise en place d'un moule pour recevoir et supporter le corps en verre brut, de manière à ce que la partie du corps en verre brut destinée à former la partie lentille dépasse du moule; c) fusion du corps en verre brut à une température telle que la partie du corps en verre brut qui dépasse du moule se déforme dans l'air ou dans un gaz pour adopter la forme d'un dôme ayant une surface sphérique ou sensiblement sphérique; d) refroidissement de la lentille barreau ainsi produite; e) retrait de la lentille barreau du moule.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) inclut la mise en place de moules en deux parties ou en plusieurs parties, et en ce que l'étape e) implique l'utilisation de moules en deux parties ou en plusieurs parties.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule comprend un matériau sélectionné dans un groupe comprenant du graphite, de la céramique, du verre, de la vitrocéramique et du métal.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau du moule présente un coefficient de dilatation thermique qui est plus petit que celui de la lentille barreau produite, de sorte que la lentille barreau se détache du moule pendant l'étape d).
  5. 5. Lentille barreau produite par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la lentille barreau comportant une partie fût et une partie lentille est formée de façon homogène d'une seule pièce, et en ce que la partie lentille a une surface sphérique ou quasiment sphérique de qualité polie au feu.
  6. 6. Lentille barreau selon la revendication 5, caractérisée en ce que la partie fût présente une forme prismatique ou cylindrique ronde, avec une section transversale ronde du barreau.
  7. 7. Lentille barreau selon la revendication 5, caractérisée en ce que la partie fût présente la forme d'une pyramide tronquée, de manière facultative avec une base hexagonale, ou la forme d'un cône tronqué.
  8. 8. Arrangement matriciel de lentilles barreaux selon l'une quelconque des revendications 5 à 7.
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