WO2014136043A1 - Procédé de fabrication d'une structure optique segmentée monolithique en verre - Google Patents

Procédé de fabrication d'une structure optique segmentée monolithique en verre Download PDF

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WO2014136043A1
WO2014136043A1 PCT/IB2014/059418 IB2014059418W WO2014136043A1 WO 2014136043 A1 WO2014136043 A1 WO 2014136043A1 IB 2014059418 W IB2014059418 W IB 2014059418W WO 2014136043 A1 WO2014136043 A1 WO 2014136043A1
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glass substrate
gel material
glass
ablation
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PCT/IB2014/059418
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Olivier Dellea
Nicolas DREUILLES
Pascal Fugier
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • C03C2218/11—Deposition methods from solutions or suspensions
    • C03C2218/113—Deposition methods from solutions or suspensions by sol-gel processes

Definitions

  • the present invention relates to methods for preparing segmented optical structures and more particularly to Fresnel lenses.
  • a Fresnel lens consists of a lenticular central part generally surrounded by structures forming concentric rings (spherical or aspherical lens) or linear shapes (cylindrical lens).
  • a Fresnel lens may have a smaller thickness compared to a conventional convergent lens and therefore advantageously a higher transmission optical coefficient with equal intercept surface. It also has a lower weight compared to a conventional convergent lens.
  • the optical quality of a Fresnel lens depends, among other things, on the shape of the Fresnel zones, the surface condition, the material and the vertical flanks separating two consecutive zones.
  • Fresnel lenses are now highly valued in the photovoltaic field.
  • Fresnel lenses are formed from a polymeric film (eg silicone or polymethylmethacrylate PMMA).
  • the Fresnel structures are obtained by hot printing this film and are then placed on the inside of the tempered glass plates closing the module.
  • the most common failures seen with these lenses are essentially yellowing, deformation (generating a defocus), a cracking and delamination of this polymer film.
  • Glass is indeed a particularly interesting material with regard to its intrinsic properties, namely improved optical properties compared to a polymer film as described above, as well as stability, reliability, longer service life. for a lower maintenance cost.
  • the present invention aims to meet this need by proposing a manufacturing method for considerably reducing the roughness of the surface of a Fresnel lens obtained by structuring a glass substrate by laser ablation.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a segmented optical structure from a monolithic glass substrate comprising at least the steps of
  • peak-to-valley gap also referred to as the “peak-to-valley” difference in Anglo-Saxon, refers to the difference measured between the deepest hollow and the peak. the highest level of relief in 3 dimensions, created during laser ablation, necessary for the realization of microprisms.
  • the peak-to-hollow gap is measured on the surface of the microprisms.
  • the peak-to-valley gap can be measured by AFM or tactile profilometer.
  • glass is an effective material for developing monolithic segmented optical structures in the image of Fresnel lenses with significantly improved efficiency provided that it is transformed according to the aforementioned method.
  • the optical structures obtained according to the invention are advantageously monolithic. As a result, they are in no way subject to the phenomenon of detachment likely to occur at the level of a lens formed by the application of a polymer film to a glass substrate. Moreover, glass is not very sensitive to UV, unlike polymer films. This results in a longer stability over time in this respect. Similarly, the monolithic glass optical structures obtained according to the invention are also not affected by temperature variations.
  • the present invention also relates to a monolithic segmented optical glass structure having a profitability or efficiency greater than 40%, especially greater than 50%, in particular greater than
  • the segmented optical structure obtained according to the method also has improved anti-reflection characteristics, making it possible to reduce the proportion of light reflected and to increase the share of light transmitted. This results in a complementary gain in efficiency of the lens.
  • the process requires, as starting material, a glass substrate whose transformation according to the invention will lead to the expected optical structure.
  • This substrate is a monolithic glass substrate.
  • this glass can be chosen from soda-lime-silica glasses, ceramic glasses, borosilicate glasses or even lead glasses.
  • borosilicate glass particularly interesting in view of its low coefficient of expansion.
  • it is a toughened glass, particularly interesting with regard to mechanical properties reinforced in terms of resistance to external aggression.
  • tempered glass As an example of a tempered glass, it can be called tempered glass marketed under the name "Low IRON FLOAT GLASS USED FOR SILICONE-ON-GLASS LENS PARQUETS" of the company Reflexite.
  • the refractive index gradient of the glass at ambient temperature and pressure can range from 1.4 to 1.9 and is preferably about 1.5.
  • the substrate may be of any shape, in particular circular or polygonal, for example square or rectangular.
  • the size of the substrate in particular its diameter, may be between a few mm and several tens of cm, for example between 1 mm and 100 cm.
  • substrate size By “substrate size”, one must understand the largest dimension of the substrate.
  • the size of the substrate generally depends on the application for which the segmented optical structure according to the invention is intended.
  • the method according to the invention is particularly advantageous insofar as it lends itself to the production of large-area Fresnel lens.
  • the thickness of the substrate may, for example, be between a few tens of microns and several tens of mm.
  • the face of the substrate dedicated to be shaped according to the invention to carry the microprisms is advantageously flat.
  • the face of the substrate may be non-planar, for example curved convex.
  • the laser used to structure the substrate is advantageously a laser with ultra-short pulses, whose duration can be of the order of femtosecond, nanosecond or picosecond, and preferably is of the order of femtosecond.
  • the usual sources of laser to obtain ultra-short pulses include an Nd: Yag laser at a wavelength of approximately 266, 355, 532 or 1060 nm or a Ti: sapphire laser at a wavelength of about 400 or 800 nm.
  • the pulses can be emitted at a power of a few mW to several tens of W, for example from 5 mW to 50 W, and preferably less than 2.5 W, at a frequency of a few Hz to several tens of kHz, or even of the order of MHz, for example from 5 Hz to 50 kHz, and preferably about 5 kHz.
  • the laser beam may be of the Gaussian type, for example of constant profile
  • Top-hat or linear variant, circular, polygonal or elliptical, and preferably has a beam diameter of 0.5 to 40 ⁇ , in particular about 20 ⁇ .
  • the depth etched by ablation according to the laser parameters applied such as the power, speed and scanning mode, beam shaping, number of passage, is validated generally beforehand by a calibration.
  • the realization of this preliminary calibration is clearly within the skill of the person skilled in the art.
  • the structuring of the outer surface of at least one face of the glass substrate by laser ablation is intended to engrave a segmented optical structure thereon.
  • the profile of this structure can be close to the theoretical profile of a lenticular structure such as the Fresnel lens. This adjustment to the theoretical profile of a lenticular structure is also clearly within the expertise of the skilled person.
  • the microprisms preferably have a height of between 10 micrometers and 300 micrometers, more preferably between 100 and 250 micrometers.
  • the laser beam can be mobile or stationary.
  • the substrate When the laser beam is mobile, the substrate may be movable or stationary, and is preferably stationary.
  • the laser and the substrate are both mobile.
  • the substrate is advantageously mobile.
  • the structuring is carried out using a mobile laser beam, preferably following rectilinear trajectories, or moving along concentric circles while said glass substrate is stationary.
  • the laser beam can be moved linearly by crossing the passages at certain angles (for example 0, 36, 72, 108 and 144 °) while the substrate is stationary, in order to obtain a smoothest machined surface and uniform possible
  • the structuring can also be performed using a stationary laser beam, the glass substrate being movable and preferably being rotated about its central point.
  • the glass substrate can also be moved along rectilinear paths by crossing the passages at certain angles (for example 0, 36, 72, 108 and 144 °).
  • the beam of a stationary laser can be focused by an x20 lens.
  • the structuring of the surface can be performed by one or more lasers per substrate.
  • a laser is used by segmented optical structure to be etched.
  • the structuring can be performed by a single laser, for example with a mobile laser and a rotating substrate.
  • the structuring can be performed by at least one mobile laser structure to be engraved on a stationary substrate.
  • the space between the lines scanned by the laser beam can range from 0.1 to 30 ⁇ and is preferably about 15 ⁇ .
  • the scanning speed of the laser beam or the displacement of the substrate may be constant or varied, and is preferably constant. This speed can range from a few mm / s to several m / s, for example from 5 mm / s to 5 m / s, and is preferably about 75 mm / s.
  • the outer surface treated is thus provided with a three-dimensional etching. However, there may remain ablation residues in and around the ablation area that it is desirable to discard before any subsequent treatment of the 3-D structured or etched surface.
  • the method according to the present invention thus advantageously comprises an operation to rid the surface of these ablation residues, if present.
  • the surface can be advantageously freed of the ablation residues without altering the protective properties of the glass surface, in particular the part of the glass which had not been structured during step (2).
  • the etched surface obtained at the end of step (2) is, prior to step (3), freed of the ablation residues by acid treatment.
  • this acid treatment comprises at least bringing said at least one surface obtained at the end of step (2) into contact with a solution of hydrofluoric acid.
  • the hydrofluoric acid solution can have a concentration between 10 and 60%, preferably between 15 and 50%, and can be brought into contact with said surface obtained at the end of step (2) during 1 at 60 min, preferably for 3 to 40 min, at a temperature between 20 and 50 ° C, especially about 30 ° C.
  • the surface, treated in (2), or even freed of ablation residues has a "peak-to-hollow gap" of the order of 0.1 to 4 ⁇ , preferably 1 ⁇ , and in particular of 2 ⁇ , represented by inequalities of surfaces present on the external surface of the microprisms created.
  • the obtaining of an optical structure according to the invention requires subsequent to the etching step (2) and, where appropriate, after the step previously described to clean the treated surface if necessary. of any ablation residues, a planarization step.
  • the planarization is to be distinguished from such a leveling step.
  • step (3) aims to significantly reduce the inequalities that may be generated during the laser engraving operation on the surface of the relief or the microprisms created during step (2).
  • this step (3) must not alter the 3-dimensional relief that was precisely generated during the 3D structuring and which must be preserved to guarantee an optical efficiency to the expected monolithic segmented structure.
  • This planarization of the structured surface in step (2) is carried out according to the invention by forming a film of a sol-gel material on the surface of the asperities present in the microprisms constituting the etching or the 3D pattern of the face. engraved with the monolithic glass substrate.
  • This film is made as detailed below, from a precursor composition of a sol-gel material.
  • sol-gel material for planarizing the structured surface in step (2) is advantageous for two reasons. On the one hand, it effectively smoothes the asperities present and on the other hand to give the surface, thus treated, an anti-reflective function.
  • sol-gel material from such a composition is clearly within the skill of those skilled in the art.
  • sol-gel process which makes it possible to obtain sol-gel materials such as glassy materials, ceramics and organo-mineral hybrids, is based on the use of a succession of hydrolysis-condensation reactions with moderate temperature to prepare oxide networks.
  • the reaction is initiated by hydrolysis of the metal species allowing the formation of M-OH groups.
  • the precursor composition of a sol-gel material is a prehydrolysed metal oxide solution.
  • This prehydrolysed metal oxide solution may be in advance of step (3) prepared from metal salts in aqueous solution or from metal alkoxides in organic solution.
  • the prehydrolysed metal oxide solution may contain prehydrolysed silica.
  • the surface treated in step (2) and freed of the ablation residues undergoes, prior to its contact with the precursor composition of a sol-gel material, a surface activation conducive to the generation hydroxyl functions.
  • This activation is intended to enhance the penetration and attachment of the sol-gel precursor in the porosity of the structured surface. This improvement can in particular be obtained via the generation of surface hydroxyl functions.
  • This activation can be carried out by exposing said treated surface in (2) and freed from the ablation residues to UV irradiation, a plasma torch, an acidic and oxidative solution, and preferably a sodium hydroxide solution.
  • the formation of a film of a sol-gel material is made from a precursor composition of a sol-gel material which is applied in the form of a layer whose thickness is precisely adjusted to obtain the desired level of planarization according to the invention on the external surface of the microprisms constituting the relief.
  • said precursor composition of a sol-gel material may advantageously be deposited during step (3) with a layer thickness adjusted to reduce the peak-to-hollow gap of the external surface of the microprisms forming the relief by a factor of at least 4, preferably at least 10, and in particular at least 20.
  • the deposition of the precursor composition of a sol-gel material can be carried out by known methods, such as drawing or "spray-coating".
  • the precursor composition layer of a sol-gel material may be formed by drawing, in step (3), at the surface of the glass substrate.
  • said glass substrate can be immersed, preferably vertically, in a vessel containing a precursor composition of a sol-gel material and can be extracted therefrom, the drawing speed and the viscosity of said composition. being adjusted to deposit a thickness of the precursor composition of a sol-gel material, adjusted to reduce the peak-to-hollow gap of the treated surface in (2) and cleared of the ablation residues.
  • the speed of the print may be of the order of 5 cm / min when the viscosity of the precursor composition of a sol-gel material is less than 50 centipoise.
  • the draft can be performed vertically, forming an angle of 80 to 100 ° relative to the surface of the precursor composition of a sol-gel material, and is preferably carried out in the normal direction relative to the surface.
  • the formation of the layer of sol-gel material requires the application of a heat treatment to densify the layer of the precursor composition deposited in step (3) and evaporate the residual solvents and residual precursors.
  • the heat treatment of step (4) is conducted at a temperature of at least 100 ° C and in particular at about 200 ° C, for at least 1 h and in particular for about 2 hours.
  • This heat treatment can be carried out by known means, for example by thermal annealing in an oven or oven.
  • the layer of the sol-gel material thus densified advantageously has a thickness sufficient to smooth in part the surface roughness microprisms of the relief created in step (2), typically of the order of 1 to 2 microns.
  • the refractive index of said layer of densified sol-gel material is lower than that of the glass on which it is deposited.
  • the thickness of the layer of the densified sol-gel material resulting from step (4) is advantageously less than the peak-to-hollow gap characterizing the reliefs generated in step (2).
  • this thickness makes it possible to obtain a peak-to-hollow gap after step (4) of less than 300 nm, in particular at 200 nm and better still at 100 nm.
  • the thickness of the layer of the sol-gel material deposited and densified can be measured by methods known to those skilled in the art, for example the AFM or the tactile profilometer.
  • the thickness of the layer of the deposited and densified sol-gel material also makes it possible to confer an anti-reflection function.
  • the combination of laser and sol-gel film technologies makes it possible to combine the desired concentration function with an anti-reflection function, which is conducive to increasing performance.
  • the steps of laser structuring and possible acid treatment can take place in an enclosure whose temperature is generally adjusted to a value ranging from 3 ° C to 50 ° C.
  • the steps of laser structuring, possible acid treatment, eventual surface activation, planarization and heat treatment may, for example, take place in an enclosure in which there is a pressure of between atmospheric pressure and several tens of bars.
  • the steps of laser structuring, possible acid treatment and eventual surface activation can take place in a chamber in which a relative humidity of between 10% and 70%, preferably between 20 and 55%, prevails.
  • the planarization step may take place in an enclosure in which a relative humidity of between 10% and 40% prevails.
  • relative humidity it is necessary to understand the ratio of the partial pressure of water vapor present in the enclosure, said enclosure having a temperature and a given pressure, on the saturation vapor pressure of water at said temperature and pressure. of the enclosure.
  • the surface temperature of the substrate does not exceed the glass transition temperature of the substrate, so that the process does not damage the surface mechanical properties when the substrate is glass tempered.
  • FIG. 1 The geometry of a variant of the segmented optical structure that can be obtained according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the monolithic optical segmented glass structure obtained according to the invention may have a size of at least 10 mm and in particular several tens of centimeters, for example about 26 or 34 cm.
  • size of the segmented optical structure is meant the dimension of the largest structure, for example the diameter for a circular structure.
  • the focal length (s) may range from a few centimeters to several tens or even hundreds of centimeters, for example from 5 cm to 500 cm, and is / are preferably about 240 mm for a 160 mm lens. of diameter.
  • the focal length (s) may be in particular about 1.5 times the size of the corresponding segmented optical structure.
  • the monolithic segmented optical glass structure manufactured by the method of the present invention may consist of a lenticular central portion surrounded by concentric annular segments.
  • the monolithic segmented optical glass structure may be a lenticular structure, and is preferably a Fresnel lens.
  • the monolithic optical segmented glass structure obtained according to the invention advantageously has a profitability greater than 40%, especially greater than 50%, in particular greater than 60% or even at least 70%.
  • the segmented optical structure obtained according to the method of the invention also advantageously has anti-reflective characteristics making it possible to reduce the proportion of reflected light by 2% and to increase the transmitted light portion by 2%. This property thus makes it possible to increase also the effectiveness of the lens.
  • FIG. 1 schematically represents a variant of the segmented optical structure seen from the side
  • FIGS. 2A, 2B and 2C as well as 3A, 3B and 3C represent photographs of the Fresnel lenses obtained in Examples 1 and 2, respectively.
  • the photographs at 2A and 3A show the lens as obtained at the end of step b) (acid treatment), in front of a non-recognizable pattern through the translucent lens; photographs 2B and 3B show the same installation with the lens as obtained at the end of step f), the pattern being clearly visible; and photographs 2C and 3C show the on-screen focusing of a white light beam of the lens as obtained at the end of step f).
  • FIGS. 4A to 4D show schematically the surface state of the microprisms created by the laser structuring, comprising a magnification of the surface, at the different stages of the method according to the invention:
  • FIG. 4A shows the surface state of the microprisms as obtained at the end of step (1), the frosted surface having a peak-to-hollow gap 1 and comprising ablation residues 2 ;
  • FIG. 4B shows the surface state of the microprisms as obtained at the end of step (2), the surface of which has been freed of the ablation residues, before the eventual activation of the surface;
  • FIG. 4C shows the surface state of the microprisms as obtained at the end of step (2), whose surface 3 has been activated;
  • FIG. 4D shows the surface state of the microprisms as obtained at the end of step (3), planarized with a sol-gel material 4, the peak-to-hollow gap 1 being reduced .
  • Example 1 Glass substrate type BK7
  • a substrate is available in the form of a type BK7 glass plate marketed by the company ACM of dimensions 5x5 cm 2 and 1.2 mm thick.
  • Laser ablation is performed with a femtosecond laser of the type Ti: Sa (Bright Raymax Lasers, at a wavelength of 800 nm, a maximum power of 2.5 W and a pulse frequency of 5 kHz) with a Gaussian beam (beam diameter of 20 ⁇ ) for a Fresnel pattern having a diameter of 10 mm, a constant height of 100 ⁇ , and a focal length of 17 mm (corresponding to a number of Fresnel zones of 10).
  • Sa Blu Raymax Lasers, at a wavelength of 800 nm, a maximum power of 2.5 W and a pulse frequency of 5 kHz
  • Gaussian beam beam diameter of 20 ⁇
  • a Fresnel pattern having a diameter of 10 mm, a constant height of 100 ⁇ , and a focal length of 17 mm (corresponding to a
  • this laser is moved in concentric circles with a scanner whose working area is 34x34mm, and the substrate is held fixed.
  • the space between the lines scanned by the scanner is 15 ⁇ .
  • the peak-to-hollow gap present on the external surface of the microprisms of the generated relief is evaluated at about 2.2 ⁇ measured by tactile profilometer.
  • the substrate obtained at the end of step a) is immersed in a 40% (v / v) hydrofluoric acid bath at 30 ° C. for 3 minutes with stirring by ultrasound.
  • the substrate obtained at the end of step b) is immersed in a solution of sodium hydroxide (0.7 g of sodium hydroxide diluted in 100 ml of ethanol and 75 ml of water) in order to create OH bonds to the surface of the glass and to increase the wettability of the substrate and the homogeneity of the deposit of the Sol-Gel solution on the surface.
  • sodium hydroxide 0.7 g of sodium hydroxide diluted in 100 ml of ethanol and 75 ml of water
  • a precursor solution of the Sol-Gel material is prepared by (i) pre-hydrolyzing for 1 hour at room temperature with stirring a solution containing:
  • the viscosity of the precursor composition of the Sol-Gel material is less than 50 centipoise. e) Planarization of the lens
  • the activated surface lens obtained after step c) is immersed in a tank containing the solution prepared in step d) and the precursor composition of the Sol-Gel is deposited by vertical drawing of the substrate of the reaction vessel. a speed of 5 cm / min.
  • Thermal annealing of 200 ° C. for 2 hours was applied to the planar structured lens from step e) in order to densify the deposited layer and evaporate the solvents and precursors remaining in the material.
  • Example 1 The procedure described above for Example 1 was repeated by replacing the BK7 type glass substrate with a substrate in the form of a tempered glass plate marketed under the name "Low IRON FLOAT GLASS USED FOR SILICONE". - ON-GLASS LENS PARQUETS "of the company Reflexite dimensions 5x5 cm 2 and thickness 6 mm.
  • the peak-to-hollow gap measured by tactile profilometer is evaluated at 2.2 ⁇ after step a) of laser structuring and before step b), and at 0.29 ⁇ after step f) of treatment thermal.
  • the surface of the non-planarized lens is diffusing and conceals a pattern at the back of the lens (Photographs 2A and 3A). A projected shadow of the lens appears on the screen behind the lens.
  • planarized lens Photographs 2B and 3B
  • a focal point of the lens is present on the screen
  • planarized Fresnel lenses of Examples 1 and 2 were then characterized using a HeNe laser emitting at 633 nm.
  • the collimated beam passes beforehand in a beam expander in order to illuminate the entire surface of the lens (diameter 10 mm).
  • a detector is placed at the focal point of the lenses (17mm).
  • the planarized Fresnel lens of Example 1 was then observed by atomic force microscopy (AFM) in order to measure the peak-to-hollow gap before and after the treatment of the lens according to the method of the invention.
  • AFM atomic force microscopy
  • the peak-to-hollow gap measured before treatment is 2.2 ⁇ . After depositing the Sol-Gel solution of approximately 2 ⁇ , the measured peak-to-hollow difference is 295 nm. The roughness of the surface has been reduced by a factor of 10.
  • the planarized lens has a transmission and reflection gain of 2%, related to the difference between the refractive indices of the type BK7 glass plate and the planar sol-gel solution layer.
  • the expression "about” or “of the order of” indicates a degree of tolerance of ⁇ 30%, better than ⁇ 20%, and still more preferably ⁇ 10% of a given value.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure optique segmentée à partir d'un substrat monolithique en verre comportant au moins les étapes consistant à -(1) disposer d'un substrat de verre, -(2) structurer en 3 dimensions par ablation laser, notamment par ablation laser femtoseconde, tout ou partie de la surface externe d'au moins une des faces dudit substrat de verre, -(3) planariser la surface externe des microprismes formant le relief généré en (2) et débarrassée des résidus d'ablation, avec une composition précurseur d'un matériau sol-gel, ladite composition étant déposée avec une épaisseur de couche ajustée pour réduire l'écart crête-à-creux de ladite surface externe, -(4) imposer au moins à ladite surface revêtue de ladite couche un traitement thermique propice à la formation et densification d'une couche d'un matériau sol- gel.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE OPTIQUE SEGMENTÉE
MONOLITHIQUE EN VERRE
La présente invention concerne des procédés de préparation de structures optiques segmentées et plus particulièrement de lentilles de Fresnel.
Une lentille de Fresnel est constituée d'une partie centrale lenticulaire généralement entourée de structures formant des anneaux concentriques (lentille sphérique ou asphérique) ou de formes linéaires (lentille cylindrique).
Une lentille de Fresnel peut présenter par rapport à une lentille convergente classique une épaisseur plus faible et donc avantageusement un coefficient optique de transmission supérieur à surface d'interception égale. Elle possède également un poids inférieur par rapport à une lentille convergente classique.
La qualité optique d'une lentille de Fresnel dépend, entre autres, de la forme des zones de Fresnel, de l'état de surface, du matériau et des flancs verticaux séparant deux zones consécutives.
Les lentilles de Fresnel sont aujourd'hui très valorisées dans le domaine photovoltaïque.
Toutefois, les modules photovoltaïques à haute concentration et qui mettent à profit ces lentilles de Fresnel ne possèdent qu'un rendement de l'ordre de 26 % avec des cellules dont l'efficacité est proche de 35 %. Les pertes sont principalement imputées aux imperfections de focalisation des lentilles de Fresnel utilisées dans la plupart des systèmes.
Une approche envisageable pour accroître le rendement de ces modules photovoltaïques serait donc de minimiser significativement voire s'affranchir de ces imperfections. Qui plus est, il est clair qu'en augmentant la concentration de la lumière du soleil, sur une surface plus réduite de cellules photovoltaïques requises pour l'élaboration d'un panneau solaire, le coût final du module, s'en trouvera avantageusement réduit.
Le plus souvent, les lentilles de Fresnel conventionnelles sont formées à partir d'un film polymère (par exemple silicone ou de polyméthylmethacrylate PMMA). Les structures de Fresnel sont obtenues par impression à chaud de ce film puis sont disposées sur la face intérieure des plaques de verre trempé fermant le module. Les défaillances les plus courantes constatées avec ces lentilles sont pour l'essentiel un jaunissement, une déformation (générant une défocalisation), un craquellement et un délaminage de ce film polymère.
Afin d'améliorer l'efficacité de ces lentilles, il a été déjà considéré d'optimiser le matériau polymère pour le rendre plus performant. Toutefois une autre approche, consisterait à fabriquer des structures optiques uniquement en verre.
Le verre s'avère en effet un matériau particulièrement intéressant au regard de ses propriétés intrinsèques à savoir notamment des propriétés optiques améliorées comparativement à un film de polymère tel que décrit ci-dessus, de même qu'une stabilité, fiabilité, durée de vie supérieures pour en outre un coût de maintenance moindre.
Malheureusement, la fabrication des structures optiques intégralement en verre soulève des problèmes de réalisation directement liés à la nature physique du matériau. Le verre étant amorphe, dur et non-ductile, il ne peut pas être usiné à l'aide des moyens conventionnels d'usinage utilisés notamment pour les métaux.
Certes, il est connu, par exemple de Hansen et al. (CIRP Annals - Manufacturing Technology 60 (2011) 695-714), qu'une réplication des géométries micro- et nanométriques en surface du verre, présentant une rugosité de surface propice aux applications optiques, peut être réalisée par moulage sous presse à haute température, le forgeage, ou bien moulage par micro-injection. Toutefois, ces procédés ont le désavantage d'amener obligatoirement le substrat au-delà de sa température de transition vitreuse, souvent entre 300 et 800 °C. Or, ces températures sont préjudiciables aux propriétés mécaniques intrinsèques du verre trempé. Par ailleurs, la contraction subite par le substrat lors de son refroidissement à la température ambiante est une source importante des imperfections au niveau de la structure obtenue. De surcroit, le verre présente, même à l'état liquide au-delà de sa température de transition, une forte viscosité peu compatible avec le moulage des motifs micrométriques comportant des angles obtus et aigus comme dans les lentilles de Fresnel.
Des études récentes proposent l'ablation laser pour obtenir de tels motifs. Tseng et al. (Optics and Lasers in Enginering 45 (2007) 975-992) par exemple ont fabriqué sur un substrat de verre des motifs micrométriques tels que des micro-trous et des sillons de géométrie variée à l'aide d'un laser excimer. Les avantages de cette méthode consistent en l'interaction laser-matière peu thermique et en une action d'ablation très localisée, sans endommagement des zones non-traitées. Toutefois, les surfaces obtenues par ablation laser présentent une rugosité trop importante pour être compatible avec une application optique.
Enfin, des procédés de fabrication des lentilles de Fresnel moins conventionnels ont été proposés, par exemple en utilisant la lithographie (Lin et al, Electronic Letters 30 (1994) 5 448-449) ou bien la photopolymérisation à deux photons (Guo et al, Optics Express 14 (2006) 2 810-816). Pour des raisons évidentes, ces procédés ne sont pas adaptés à la fabrication d'une lentille de grande taille ou à un développement à une échelle industrielle.
Il existe donc un besoin de disposer d'un procédé de mise en œuvre relativement simple pour fabriquer des structures optiques segmentées en verre, notamment trempé, avec une efficacité optique accrue.
Il existe également un besoin de disposer d'un tel procédé pour fabriquer des structures optiques segmentées en verre, notamment trempé, de grande taille, compatible avec une mise en œuvre à l'échelle industrielle.
II existe également un besoin de disposer d'un procédé pour fabriquer des structures optiques segmentées en verre ne nécessitant pas des températures supérieures à la température de transition vitreuse du substrat.
La présente invention vise à répondre à ce besoin en proposant un procédé de fabrication permettant de réduire considérablement la rugosité de la surface d'une lentille de Fresnel obtenue par structuration d'un substrat en verre par ablation laser.
Ainsi, selon un premier de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure optique segmentée à partir d'un substrat monolithique en verre comportant au moins les étapes consistant à
- (1) disposer d'un substrat de verre,
- (2) structurer en 3 dimensions par ablation laser, notamment par ablation laser femtoseconde, tout ou partie de la surface externe d'au moins une des faces dudit substrat de verre,
- (3) planariser la surface externe des microprismes formant le relief généré en (2) et débarrassée des résidus d'ablation, avec une composition précurseur d'un matériau sol-gel, ladite composition étant déposée avec une épaisseur de couche ajustée pour réduire l'écart crête-à-creux de ladite surface externe, - (4) imposer au moins à ladite surface revêtue de ladite couche un traitement thermique propice à la formation et densification d'une couche d'un matériau sol- gel.
Au sens de l'invention, on qualifie par « écart crête-à-creux », également dénommé comme l'écart « peak-to-valley » en anglo-saxon, l'écart mesuré entre le creux le plus profond et le pic le plus haut au niveau du relief en 3 dimensions, créé lors de l'ablation laser, nécessaire à la réalisation des microprismes.
Ainsi selon l'invention, l'écart crête-à-creux est mesuré en surface des microprismes.
L'écart crête-à-creux peut être mesuré par AFM ou profilomètre tactile.
Contre toute attente, les inventeurs ont constaté que le verre s'avère un matériau efficace pour élaborer des structures optiques segmentées monolithiques à l'image de lentilles de Fresnel à rentabilité significativement améliorée sous réserve qu'il soit transformé selon le procédé précité.
Ainsi, par opposition à une lentille à film polymérique, les structures optiques obtenues selon l'invention sont avantageusement monolithiques. De ce fait, elles ne sont aucunement sujettes au phénomène de décollement susceptible d'intervenir au niveau d'une lentille formée par apposition d'un film de polymère sur un substrat de verre. Qui plus est, le verre s'avère peu sensible aux UV contrairement aux films de polymère. Il s'en suit donc une stabilité prolongée dans le temps à cet égard. De même les structures optiques de verre monolithique obtenues selon l'invention ne sont également pas affectées par des variations de température.
Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne également une structure optique segmentée monolithique en verre présentant une rentabilité ou encore efficacité supérieure à 40 %, notamment supérieure à 50 %, en particulier supérieure à
60 %, voire au moins égale à 70 %, et plus particulièrement possédant au moins une surface obtenue selon le procédé tel que défini ci-dessus.
Avantageusement, la structure optique segmentée obtenue selon le procédé possède en outre des caractéristiques anti-reflets améliorés, permettant de diminuer la part de lumière réfléchie et d'augmenter la part de lumière transmise. Cela se traduit par un gain complémentaire en efficacité de la lentille. PROCEDE DE PREPARATION SELON L'INVENTION.
Comme énoncé ci-dessus, le procédé requiert à titre de matériau de départ, un substrat en verre dont la transformation selon l'invention va conduire à la structure optique attendue.
Ce substrat est un substrat en verre monolithique. D'une manière générale, ce verre peut être choisi parmi les verres silico-sodo-calciques, les verres céramiques, les verres borosilicates ou encore les verres au plomb.
Dans le cadre de la présente invention, il est privilégié l'usage d'un verre borosilicate, particulièrement intéressant au regard de son faible coefficient de dilatation.
Plus particulièrement, il s'agit d'un verre trempé, particulièrement intéressant au regard de propriétés mécaniques renforcées en termes de résistance aux agressions extérieures.
Comme exemple d'un verre trempé, on peut nommer le verre trempé commercialisé sou le nom « Low IRON FLOAT GLASS USED FOR SILICONE-ON-GLASS LENS PARQUETS » de la société Reflexite.
Le gradient d'indices réfractifs du verre à température et pression ambiantes peut varier de 1,4 à 1,9 et est de préférence d'environ 1,5.
Le substrat peut être de toute forme, notamment circulaire ou polygonale par exemple carrée ou rectangulaire.
La taille du substrat, notamment son diamètre, peut être compris entre quelques mm et plusieurs dizaines de cm, par exemple entre 1 mm et 100 cm.
Par « taille du substrat », il faut comprendre la plus grande dimension du substrat.
La taille du substrat dépend généralement de l'application à laquelle est destinée la structure optique segmentée selon l'invention.
Comme suggéré précédemment, le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux dans la mesure où il se prête à la réalisation de lentille de Fresnel de grande surface.
L'épaisseur du substrat peut, par exemple, être comprise entre quelques dizaines de microns et plusieurs dizaines de mm.
La face du substrat dédiée à être façonnée selon l'invention pour porter les microprismes est avantageusement plane. Alternativement, la face du substrat peut être non-plane, par exemple courbée convexe.
Comme précisé précédemment, le façonnage des microprismes, est réalisé par
Laser.
Le laser utilisé pour structurer le substrat est avantageusement un laser aux impulsions ultra-courtes, dont la durée peut être de l'ordre du femtoseconde, nanoseconde ou encore picoseconde, et de préférence est de l'ordre du femtoseconde.
Les sources usuels de laser pour obtenir des impulsions ultra-courtes sont notamment un laser Nd :Yag à une longueur d'onde d'environ 266, 355, 532 ou 1060 nm ou encore un laser Ti : saphir à une longueur d'onde d'environ 400 ou 800 nm.
Les impulsions peuvent être émises, à une puissance de quelques mW à plusieurs dizaines de W, par exemple de 5 mW à 50 W, et de préférence inférieure à 2,5 W, à une fréquence de quelques Hz à plusieurs dizaines de kHz, voire de l'ordre du MHz, par exemple de 5 Hz à 50 kHz, et de préférence d'environ 5 kHz.
Le faisceau du laser peut être de type Gaussien, par exemple de profil constant
(« top-hat ») ou variant linéairement, de forme circulaire, polygonale ou elliptique, et présente de préférence un diamètre du faisceau de 0,5 à 40 μπι, notamment d'environ 20 μπι.
Avantageusement, la profondeur gravée par ablation en fonction des paramètres laser appliqués tels que la puissance, vitesse et mode de balayage, mise en forme du faisceau, nombre de passage, est validée généralement au préalable par un étalonnage. Pour des raisons évidentes, la réalisation de cet étalonnage préliminaire relève clairement des compétences de l'homme du métier.
La structuration de la surface externe d'au moins une face du substrat de verre par ablation laser a pour objectif d'y graver une structure optique segmentée. Le profil de cette structure peut se rapprocher du profil théorique d'une structure lenticulaire telle que la lentille de Fresnel. Cet ajustement au profil théorique d'une structure lenticulaire relève également clairement de l'expertise de l'homme du métier.
Les microprismes ont de préférence une hauteur comprise entre 10 micromètres et 300 micromètres, de préférence encore comprise entre 100 et 250 micromètres. Pour réaliser la structuration en 3 dimensions afin d'obtenir une structure optique segmentée monolithique en verre, le faisceau laser peut être mobile ou immobile.
Quand le faisceau laser est mobile, le substrat peut être mobile ou immobile, et est de préférence immobile.
Selon une variante, le laser et le substrat sont tous les deux mobiles.
Quand le faisceau laser est immobile, le substrat est avantageusement mobile.
Selon une variante, la structuration est réalisée à l'aide d'un faisceau laser mobile, de préférence suivant des trajectoires rectilignes, ou se déplaçant suivant des cercles concentriques pendant que ledit substrat de verre est immobile.
Selon cette variante, le faisceau laser peut être déplacé linéairement en croisant les passages à certains angles (par exemple 0, 36, 72, 108 et 144°) pendant que le substrat est immobile, afin d'obtenir une surface usinée la plus régulière et uniforme possible
Selon une autre variante, la structuration peut être également réalisée à l'aide d'un faisceau laser immobile, le substrat de verre étant mobile et de préférence étant en état de rotation autour de son point central.
Lorsque le faisceau laser est immobile, le substrat de verre peut également être déplacé suivant des trajectoires rectilignes en croisant les passages à certains angles (par exemple 0, 36, 72, 108 et 144°).
Le faisceau d'un laser immobile peut être focalisé par un objectif x20. La structuration de la surface peut être réalisée par un ou plusieurs laser(s) par substrat. Avantageusement, un laser est utilisé par structure optique segmentée à graver.
Lorsqu'une seule structure est considérée, la structuration peut être réalisée par un seul laser, par exemple avec un laser mobile et un substrat en rotation.
Lorsque plusieurs structures optiques sont considérées simultanément sur un substrat, la structuration peut être réalisée par au moins un laser mobile par structure à graver sur un substrat immobile.
L'espace entre les lignes balayées par le faisceau laser peut aller de 0, 1 à 30 μπι et est de préférence d'environ 15 μπι.
La vitesse de balayage du faisceau laser ou de déplacement du substrat peut être constante ou variée, et est de préférence constante. Cette vitesse peut aller de quelques mm/s à plusieurs m/s, par exemple de 5 mm/s à 5 m/s, et est de préférence d'environ 75 mm/s. A l'issu de cette étape, la surface externe traitée est donc dotée d'une gravure en trois dimensions. Toutefois, il peut y demeurer des résidus d'ablation dans et sur le pourtour de la zone d'ablation dont il est souhaitable de se débarrasser avant tout traitement consécutif de la surface structurée en 3 dimensions ou encore gravée.
Le procédé selon la présente invention comprend donc avantageusement une opération pour débarrasser la surface de ces résidus d'ablation, si présents.
Selon cette opération, la surface peut être avantageusement débarrassée des résidus d'ablation sans altérer les propriétés protectrices de la surface du verre, notamment de la partie du verre qui n'avait pas été structurée lors de l'étape (2).
Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, la surface gravée obtenue à l'issue de l'étape (2) est, préalablement à l'étape (3), débarrassée des résidus d'ablation par un traitement acide.
De préférence, ce traitement acide comprend au moins la mise en contact d'au moins ladite surface obtenue à l'issue de l'étape (2) avec une solution d'acide fluorhydrique.
En particulier, la solution d'acide fluorhydrique peut avoir une concentration entre 10 et 60 %, de préférence entre 15 et 50 %, et peut être mise en contact avec ladite surface obtenue à l'issue de l'étape (2) pendant 1 à 60 min, de préférence pendant 3 à 40 min, à une température entre 20 et 50 °C, notamment d'environ 30 °C.
D'une manière générale, la surface, traitée en (2), voire débarrassée des résidus d'ablation, possède un « écart crête-à-creux » de l'ordre de 0,1 à 4 μηι, de préférence de 1 μπι, et notamment de 2 μηι, figurée par des inégalités de surfaces présentes sur la surface externe des microprismes créés.
Comme précisé ci-dessus, l'obtention d'une structure optique selon l'invention requiert postérieurement à l'étape de gravure (2) et, le cas échéant, postérieurement à l'étape décrite précédemment visant à nettoyer si nécessaire la surface traitée de tous résidus d'ablation, une étape de planarisation.
Dawson et al. (US 4,417,790) ont suggéré pour les lentilles ophtalmiques simples, issues d'une manufacture habituelle et présentant des aspérités en surface non- propices aux applications optiques, de traiter la surface trop rugueuse avec une finition de vernis afin d'affranchir le polissage usuel pour éliminer les aspérités. Ce procédé utilise une épaisseur de couche de l'ordre 10*Ra, où Ra est la rugosité arithmétique, et impose donc de couvrir complètement la surface à des fins de la lisser.
Selon l'invention, la planarisation est à distinguer d'une telle étape de nivellement.
Elle vise à atténuer significativement les inégalités, susceptibles d'être générées lors de l'opération de gravure par laser en surface du relief ou encore des microprismes créé(s) lors de l'étape (2). Pour des raisons évidentes, cette étape (3) ne doit pas altérer le relief en 3-dimensions qui a précisément été généré lors de la structuration 3D et qui doit être préservé pour garantir une efficacité optique à la structure segmentée monolithique attendue.
Cette planarisation de la surface structurée en l'étape (2) est réalisée selon l'invention en formant un film d'un matériau sol-gel en surface des aspérités présentes au niveau des microprismes constituant la gravure ou encore le motif 3D de la face gravée du substrat de verre monolithique.
Ce film est réalisé comme détaillé ci-après, à partir d'une composition précurseur d'un matériau sol-gel.
La mise en œuvre d'un matériau sol-gel pour planariser la surface structurée en l'étape (2) est avantageuse à deux titres. D'une part, elle permet de lisser efficacement les aspérités présentes et d'autre part de conférer à la surface, ainsi traitée, une fonction anti- reflet.
La réalisation d'un matériau sol-gel à partir d'une telle composition relève clairement des compétences de l'homme de l'art.
Il sait que le principe du procédé sol-gel, permettant l'obtention des matériaux sol-gel tels que des matériaux vitreux, céramiques et hybrides organo-minéraux, repose sur l'utilisation d'une succession de réactions d'hydrolyse-condensation à température modérée pour préparer des réseaux oxydes.
La réaction est initiée par hydrolyse des espèces métalliques permettant la formation de groupes M-OH.
Donc, selon un mode de réalisation, la composition précurseur d'un matériau sol-gel est une solution d'oxyde métallique préhydrolysée. Cette solution d'oxyde métallique préhydrolysée peut être au préalable de l'étape (3) préparée à partir de sels métalliques en solution aqueuse ou à partir d'alcoxydes métalliques en solution organique.
Selon un aspect, la solution d'oxyde métallique préhydrolysée peut contenir de la silice préhydrolysée.
L'homme du métier sait ajuster les conditions de la préhydrolyse pour préparer la composition précurseur d'un matériau sol-gel afin d'arriver à une viscosité souhaitée.
Selon une variante préférée, la surface traitée en l'étape (2) et débarrassée des résidus d'ablation subit, préalablement à sa mise en contact avec la composition précurseur d'un matériau sol-gel, une activation de surface propice à la génération de fonctions hydroxyles.
Cette activation a pour objectif de renforcer la pénétration et l'accroche du précurseur sol-gel dans la porosité de la surface structurée. Cette amélioration peut notamment être obtenue via la génération de fonctions hydroxyles de surface.
Cette activation peut être réalisée par exposition de ladite surface traitée en (2) et débarrassée des résidus d'ablation à une irradiation UV, une torche à plasma, une solution acide et oxydative, et de préférence une solution de soude.
Ces prétraitements permettent également d'éliminer les éventuelles matières organiques physisorbées à la surface.
Comme précisé ci-dessus, la formation d'un film d'un matériau sol-gel est réalisée à partir d'une composition précurseur d'un matériau sol-gel qui est appliquée sous forme d'une couche dont l'épaisseur est précisément ajustée pour obtenir le niveau de planarisation recherché selon l'invention en surface externe des microprismes constituant le relief.
Pour ce faire, ladite composition précurseur d'un matériau sol-gel peut avantageusement être déposée lors de l'étape (3) avec une épaisseur de couche ajustée pour réduire l'écart crête-à-creux de la surface externe des microprismes formant le relief par un facteur d'au moins 4, de préférence d'au moins 10, et notamment d'au moins 20.
Le dépôt de la composition précurseur d'un matériau sol-gel peut être réalisé par des méthodes connues, telles que le tirage ou le « spray-coating ». Dans un mode de réalisation, la couche de composition précurseur d'un matériau sol-gel peut être formée par tirage, lors de l'étape (3), en surface du substrat de verre.
Dans ce mode de réalisation, ledit substrat de verre peut être immergé, de préférence verticalement, dans une cuve contenant une composition précurseur d'un matériau sol-gel et peut en être extrait par tirage, la vitesse du tirage et la viscosité de ladite composition étant ajustée(s) pour déposer une épaisseur de la composition précurseur d'un matériau sol-gel, ajustée pour réduire l'écart crête-à-creux de la surface traitée en (2) et débarrassée des résidus d'ablation.
Par exemple, la vitesse du tirage peut être de l'ordre de 5 cm / min lorsque la viscosité de la composition précurseur d'un matériau sol-gel est inférieur à 50 centipoises.
Notamment, le tirage peut être effectué verticalement, formant un angle de 80 à 100° relatif à la surface de la composition précurseur d'un matériau sol-gel, et est de préférence effectué en direction normal par rapport à la surface.
La formation de la couche de matériau sol-gel requiert l'application d'un traitement thermique pour densifier la couche de la composition précurseur déposée en l'étape (3) et évaporer les résidus de solvants et les précurseurs résiduels.
Selon un mode de réalisation particulier, le traitement thermique de l'étape (4) est conduit à une température d'au moins 100 °C et en particulier à environ 200 °C, pendant au moins lh et notamment pendant environ 2 heures.
Ce traitement thermique peut être réalisé par des moyens connus, par exemple par un recuit thermique dans un four ou étuve.
La couche du matériau sol-gel ainsi densifiée présente avantageusement une épaisseur suffisante pour lisser en partie les aspérités de surface des microprismes du relief créé en étape (2), typiquement de l'ordre de 1 à 2 micromètres.
De préférence l'indice de réfraction de ladite couche de matériau sol-gel densifiée est inférieur à celui du verre sur lequel elle est déposée.
L'épaisseur de la couche du matériau sol-gel densifiée issue de l'étape (4) est avantageusement inférieure à l'écart crête-à-creux caractérisant les reliefs générés en étape (2). D'une manière avantageuse, cette épaisseur permet d'obtenir un écart crête-à-creux après l'étape (4) inférieur à 300 nm, notamment à 200 nm et mieux encore à 100 nm. L'épaisseur de la couche du matériau sol-gel déposée et densifiée peut être mesurée par des méthodes connues à l'homme du métier, par exemple l'AFM ou le profilomètre tactile.
L'épaisseur de la couche du matériau sol-gel déposée et densifiée permet en outre de conférer une fonction anti-reflet.
Contre toute attente, l'association des technologies laser et film sol-gel permet d'associer à la fonction concentration recherchée une fonction anti-reflet, propice à l'augmentation des performances.
Conditions opératoires
Les étapes de structuration laser et de traitement acide éventuel peuvent avoir lieu dans une enceinte dont la température est généralement ajustée à une valeur variant de 3 °C à 50 °C.
Les étapes de structuration laser, de traitement acide éventuel, d'activation de surface éventuelle, de planarisation et de traitement thermique peuvent, par exemple, avoir lieu dans une enceinte dans laquelle règne une pression comprise entre la pression atmosphérique et plusieurs dizaines de bars.
Les étapes de structuration laser, de traitement acide éventuel et d'activation de surface éventuelle peuvent avoir lieu dans une enceinte dans laquelle règne une hygrométrie relative comprise entre 10 % et 70 %, de préférence entre 20 et 55 %.
L'étape de planarisation peut avoir lieu dans une enceinte dans laquelle règne une hygrométrie relative comprise entre 10 % et 40 %.
Par « hygrométrie relative », il faut comprendre le rapport de la pression partielle de vapeur d'eau présente dans l'enceinte, ladite enceinte ayant une température et une pression donnée, sur la pression de vapeur saturante de l'eau auxdites température et pression de l'enceinte.
Avantageusement, à chacun des étapes du procédé selon l'invention, la température en surface du substrat ne dépasse pas la température de transition vitreuse du substrat, de sorte que le procédé n'endommage pas les propriétés mécaniques en surface lorsque le substrat est en verre trempé. STRUCTURE OPTIQUE SEGMENTEE OBTENUE SELON L'INVENTION
La géométrie d'une variante de la structure optique segmentée susceptible d'être obtenue selon l'invention est représentée schématiquement dans la Figure 1.
La structure optique segmentée monolithique en verre obtenue selon l'invention peut présenter une taille d'au moins 10 mm et notamment de plusieurs dizaines de centimètres, par exemple d'environ 26 ou 34 cm. Par « taille de la structure optique segmentée » on entend la dimension de la structure la plus grande, par exemple le diamètre pour une structure circulaire.
Elle peut présenter un ou plusieurs point(s) focal(s), et présente de préférence un point focal. La ou les focale(s) peu(ven)t aller de quelques centimètres à plusieurs dizaines voire centaines de centimètres, par exemple de 5 cm à 500 cm, et est/sont de préférence d'environ 240 mm pour une lentille de 160 mm de diamètre. La ou les focale(s) peu(ven)t notamment être d'environ 1,5 fois la taille de la structure optique segmentée correspondante.
La structure optique segmentée monolithique en verre fabriquée par la méthode de la présente invention peut être constituée d'une partie centrale lenticulaire entourée par des segments annulaires concentriques.
En particulier, la structure optique segmentée monolithique en verre peut être une structure lenticulaire, et est de préférence une lentille de Fresnel.
Lorsque la structure correspond à la structure d'une lentille de Fresnel, ces segments annulaires concentriques sont appelés « zones de Fresnel ».
La structure optique segmentée monolithique en verre obtenue selon l'invention présente avantageusement une rentabilité supérieure à 40 % notamment supérieure à 50 % en particulier supérieure à 60 % voire au moins égale à 70 %.
La structure optique segmentée obtenue selon le procédé de l'invention présente également avantageusement des caractéristiques anti-reflet permettant de diminuer la part de lumière réfléchie de 2% et augmenter la part de lumière transmise de 2%. Cette propriété permet ainsi d'augmenter également l'efficacité de la lentille.
Description des figures
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente schématiquement une variante de la structure optique segmentée vue du côté,
- les figures 2 A, 2B et 2C ainsi que 3 A, 3B et 3C représentent des photographies des lentilles de Fresnel obtenues dans les exemples 1 et 2, respectivement. Les photographies en 2A et 3A montrent la lentille telle qu'obtenue à l'issue de l'étape b) (traitement acide), devant un motif non-reconnaissable à travers de la lentille translucide ; les photographies 2B et 3B montrent la même installation avec la lentille telle qu'obtenue à l'issue de l'étape f), le motif étant bien visible ; et les photographies 2C et 3C montrent la focalisation sur écran d'un faisceau en lumière blanche de la lentille telle qu'obtenue à l'issue de l'étape f).
- les figures 4 A à 4D représentent schématiquement l'état de surface des microprismes créés par la structuration laser, comprenant un grossissement de la surface, aux différentes étapes du procédé selon l'invention :
- la figure 4A rend compte de l'état de surface des microprismes tels qu'obtenus à l'issue de l'étape (1), la surface dépolie présentant un écart crête-à-creux 1 et comportant des résidus d'ablation 2 ;
- la figure 4B rend compte de l'état de surface des microprismes tels qu'obtenus à l'issue de l'étape (2), dont la surface a été débarrassée des résidus d'ablation, avant l'activation éventuelle de surface ;
- la figure 4C rend compte de l'état de surface des microprismes tels qu'obtenus à l'issue de l'étape (2), dont la surface 3 a été activée ;
- la figure 4D rend compte de l'état de surface des microprismes tels qu'obtenus à l'issue de l'étape (3), planarisée avec un matériau sol-gel 4, l'écart crête-à- creux 1 étant réduit.
Préparation d'une lentille de Fresnel
Exemple 1 : Substrat en verre de type BK7
a) Structuration du substrat par ablation laser
On dispose d'un substrat se présentant sous la forme d'une plaque de verre de type BK7 commercialisé par la société ACM de dimensions 5x5 cm2 et d'épaisseur 1,2 mm. L'ablation laser est réalisée avec un laser femtoseconde de type Ti :Sa (Bright Raymax Lasers, à une longueur d'onde de 800 nm, une puissance maximale de 2,5 W et à une fréquence des impulsions de 5 kHz) avec un faisceau Gaussien (diamètre du faisceau de 20 μιη) pour un motif de Fresnel présentant un diamètre de 10 mm, une hauteur constante de 100 μπι, et un focale de 17 mm (correspondant à un nombre de zones de Fresnel de 10).
Pendant l'ablation, ce laser est déplacé suivant des cercles concentriques avec un scanner dont la zone de travail est 34x34mm, et le substrat est maintenu fixe. L'espace entre les lignes balayées par le scanner est de 15 μπι.
L'écart crête-à-creux présent en surface externe des microprismes du relief généré est évalué à environ 2,2 μπι mesuré par profilomètre tactile.
b) Traitement acide pour débarrasser les résidus d'ablation
Le substrat obtenu à l'issue de l'étape a) est immergé dans un bain d'acide fluorhydrique de 40 % (v/v) à 30 °C pendant 3 minutes sous agitation par ultrasons.
c) Activation de surface
Le substrat obtenu à l'issue de l'étape b) est immergé dans une solution d'hydroxide de sodium (0,7g de soude diluée dans 100 ml d'éthanol et 75 ml d'eau) afin de créer des liaisons OH à la surface du verre et pour augmenter la mouillabilité du substrat et l'homogénéité du dépôt de la solution Sol-Gel sur la surface.
d) Synthèse de la composition précurseur du matériau Sol-Gel
Une solution précurseur du matériau Sol-Gel est préparée par (i) pré-hydrolyse pendant 1 heure à température ambiante sous agitation d'une solution contenant :
- 4 mL de Tetramethylorthosilicate,
- 16 mL de Trimethoxymethylsilane,
- 1,32 mL d'acide chlorhydrique (0,6 M),
(ii) ajout de 1,23 mL de H20 à la solution issue de (i), et (iii) vieillissement à température ambiante sous agitation pendant 72 heures.
La viscosité de la composition précurseur du matériau Sol-Gel est inférieure à 50 centipoises. e) Planarisation de la lentille
La lentille à surface activé obtenue à l'issue de l'étape c) est immergée dans une cuve contenant la solution préparée en l'étape d) et la composition précurseur du Sol- Gel est déposée par tirage vertical du substrat de la cuve à une vitesse de 5 cm / min.
f) Traitement thermique
Un recuit thermique de 200 °C pendant 2 heures a été appliqué à la lentille structurée et planarisée issue de l'étape e) afin de densifier la couche déposée et évaporer les solvants et précurseurs restant présents dans le matériau.
L'écart crête-à-creux en surface externe des microprismes figurant le relief est évalué à 0,29 μπι, mesuré par profilomètre tactile. La rugosité de la surface a donc été réduite par un facteur de 2,2 / 0,29 = 7,5.
Exemple 2 : Substrat en verre trempé
La procédure décrite ci-dessus pour l'exemple 1 a été répétée en remplaçant le substrat en verre de type BK7 par un substrat se présentant sous la forme d'une plaque de verre trempé commercialisé sous le nom « Low IRON FLOAT GLASS USED FOR SILICONE- ON-GLASS LENS PARQUETS » de la société Reflexite de dimensions 5x5 cm2 et d'épaisseur 6 mm.
L'écart crête-à-creux mesuré par profilomètre tactile est évalué à 2,2 μπι après l'étape a) de structuration laser et avant l'étape b), et à 0,29 μπι après l'étape f) de traitement thermique. La rugosité de la surface a donc été réduite par un facteur de 2,2 / 0,29 = 7,5.
Exemple 3 : Caractérisation des propriétés optiques
Les lentilles de Fresnel obtenues dans les exemples 1 et 2 ont été d'abord caractérisées visuellement. Des photographies de ces deux lentilles sont présentées dans les figures 2A à 2C (exemple 1) et 3A à 3C (exemple 2).
La surface de la lentille non-planarisée est diffusante et dissimule un motif se trouvant à l'arrière de la lentille (photographies 2A et 3A). Un ombre projetée de la lentille apparaît sur l'écran placé derrière la lentille.
En revanche, le même motif est bien visible quand il se trouve derrière la lentille planarisée (photographies 2B et 3B). Un point focal de la lentille est présent sur l'écran (photographies 2C et 3C). Les lentilles de Fresnel planarisées des exemples 1 et 2 ont ensuite été caractérisées à l'aide d'un laser HeNe émettant à 633nm. Le faisceau colimaté passe au préalable dans une expanseur de faisceau afin d'éclairer en totalité la surface de la lentille (diamètre 10mm). Un détecteur est placé au point focal des lentilles (17mm).
A partir de ces résultats, l'efficacité de ces lentilles a été déterminée comme l'intégralité du flux arrivant sur le détecteur par rapport au flux initial en assumant que le détecteur intègre la partie spéculaire et diffuse du faisceau traversant la lentille, et présent une valeur de 72% pour l'exemple 1 et 78% pour l'exemple 2.
La lentille de Fresnel planarisée de l'exemple 1 a ensuite été observée par microscopie à force atomique (AFM) afin de mesurer l'écart crête-à-creux avant et après le traitement de la lentille selon le procédé de l'invention.
L'écart crête-à-creux mesuré avant traitement est de 2,2 μπι. Après dépôt de la solution Sol-Gel d'environ 2 μπι, l'écart crête-à-creux mesuré est de 295 nm. La rugosité de la surface a été réduite d'un facteur 10.
Les caractéristiques anti-reflet de la lentille de Fresnel planarisée de l'exemple
1 ont ensuite été analysées par comparaison des résultats obtenus en transmission et en réflexion sur une gamme de longueurs d'onde comprise entre 250 et 2400 nm.
L'analyse montre que :
- les bandes spectrales en réflexion et en transmission ne sont pas modifiées par le procédé de l'invention ; et
- la lentille planarisée présente un gain en transmission et en réflexion de 2 %, lié à la différence entre les indices de réfraction de la plaque de verre de type BK7 et de la couche de solution sol-gel planarisante.
Sauf mention contraire, l'expression « comportant/comprenant un(e) » doit être comprise comme « comportant/comprenant au moins un(e) ».
Sauf mention contraire, l'expression « compris(e) entre ... et ... » doit s'entendre comme bornes inclues.
Sauf mention contraire, l'expression « environ » ou « de l'ordre de » indique un degré de tolérance de ± 30 %, mieux de ± 20 %, et encore mieux de ± 10 % d'une valeur donnée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une structure optique segmentée à partir d'un substrat monolithique en verre comportant au moins les étapes consistant à
- (1) disposer d'un substrat de verre,
- (2) structurer en 3 dimensions par ablation laser, notamment par ablation laser femtoseconde, tout ou partie de la surface externe d'au moins une des faces dudit substrat de verre,
- (3) planariser la surface externe des microprismes formant le relief généré en (2) et débarrassée des résidus d'ablation, avec une composition précurseur d'un matériau sol-gel, ladite composition étant déposée avec une épaisseur de couche ajustée pour réduire l'écart crête-à-creux de ladite surface externe,
- (4) imposer au moins à ladite surface revêtue de ladite couche un traitement thermique propice à la formation et densification d'une couche d'un matériau sol- gel.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la structuration est réalisée à l'aide d'un faisceau laser mobile, de préférence suivant des trajectoires rectilignes, ou se déplaçant suivant des cercles concentriques pendant que ledit substrat de verre est immobile.
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la structuration est réalisée à l'aide d'un faisceau laser immobile, le substrat de verre étant mobile et de préférence étant en état de rotation autour de son point central.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, préalablement à la planarisation de l'étape (3), la surface obtenue à l'issue de l'étape (2) est débarrassée des résidus d'ablation par un traitement acide.
5. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le traitement acide comprend au moins la mise en contact d'au moins ladite surface obtenue à l'issue de l'étape (2) avec une solution d'acide fluorhydrique.
6. Procédé selon la revendication précédente dans lequel ladite solution d'acide fluorhydrique a une concentration entre 10 et 60 %, de préférence entre 15 et 50 %, et est mise en contact avec ladite surface obtenue à l'issue de l'étape (2) pendant 1 à 60 min, de préférence pendant 3 à 40 min, à une température entre 20 et 50 °C, notamment d'environ 30 °C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la surface traitée en (2) et débarrassée des résidus d'ablation subit, préalablement à sa mise en contact avec la composition précurseur d'un matériau sol-gel, une activation de surface propice à la génération de fonctions hydroxyles.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ladite activation est réalisée par exposition de ladite surface traitée en (2) et débarrassée des résidus d'ablation à une irradiation UV, une torche à plasma, une solution acide et oxydative, ou une solution de soude, et de préférence une solution de soude.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la composition précurseur d'un matériau sol-gel est une solution d'oxyde métallique préhydrolysée.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la viscosité de la composition précurseur d'un matériau sol-gel est inférieure à 50 centipoises.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la couche de composition précurseur d'un matériau sol-gel est formée par tirage, lors de l'étape (3), en surface du substrat de verre.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la vitesse de tirage est comprise entre 1 et 20 cm/min.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le traitement thermique de l'étape (4) est conduit à une température d'au moins 100 °C et en particulier à environ 200 °C, pendant au moins lh et notamment pendant environ 2 heures.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la structure optique segmentée monolithique en verre est une structure lenticulaire.
15. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la structure optique segmentée monolithique en verre est une lentille de Fresnel.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la structure optique segmentée monolithique en verre présente une taille d'au moins 10 mm et notamment d'environ 26 ou 34 cm.
17. Structure optique segmentée à partir d'un substrat monolithique en verre possédant au moins une surface obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 16.
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