Brevet FR2739095A1 — publié le 19970328

LENTILLES OPTIQUES ET PROCEDES DE FABRICATION L'invention conceme des lentilles telles que des lentilles asphériques et leur procédé de fabrication. Bien que l'invention ne se limite pas à ce type d'application, elle sera décrite plus particulièrement en référence à la réalisation de blocs optiques d'illumination et de signalisation pour véhicules automobiles. Plus précisément encore, elle sera décrite en référence à des projecteurs ellipsoidaux dont l'un des éléments constitutifs est une lentille asphérique. Les projecteurs ellipsoidaux représentent actuellement une faible part des projecteurs de l'industrie automobile mais la demande les concemant est grandissante. En effet, les nouvelles formes des voitures et les améliorations notamment du coefficient de pénétration dans l'air de ces véhicules conduisent les constructeurs automobiles à choisir ce type de projecteurs. Les projecteurs ellipsoidaux sont d'un encombrement plus limité, tout du moins pour ce qui est de leur hauteur et offrent ainsi plus de liberté pour réaliser l'avant des véhicules et plus particulièrement la forme du capot. II est ainsi possible d'améliorer l'aérodynamisme des véhicules et de laisser évoluer les formes des véhicules selon les propositions actuelles des stylistes.Par ailleurs, la qualité d'éclairage des projecteurs ellipsoidaux est notamment supérieure à celle de projecteurs parabololques d'utilisation plus courante ; la transmission de la lumière émise est en effet nettement supérieure avec des projecteurs ellipsoïdaux. De telles lentilles ont déjà été réalisées pour des applications automobiles et plus précisément pour réaliser des projecteurs ellipsoidaux. Pour réaliser ces lentilles, il est connu d'utiliser des compositions de verre usuelles pour des applications optiques. Une composition de ce type est par exemple le verre extra blanc commercialisé par la société SCHOTT avec la référence B 270 dont les teneurs pondérales sont les suivantes: 70,3 % SiO2 9,0 % Na20 7,5% K2O 10,0% CaO 2,5 % BaO 0,2 % MgO 0,5 % Su203 De tels verres se caractérisent notamment par une transmission dans le visible supérieure à 80% et des indices de réfraction pour les différentes longueurs d'ondes proches les uns des autres.Les compositions se distinguent notamment par la présence de K20 et de BaO, ce demier oxyde permettant notamment de modifier l'indice de réfraction sans affecter le coefficient de dispersion, évitant ainsi un trouble des images tel qu'une aberration chromatique. Ces verres se caractérisent également par leur état de surface, ceuxci ayant subi un traitement du type poli-feu. De plus, ces verres ne présentent quasiment pas d'impuretés ni de bulles qui peuvent entraîner une diffraction et donc un éblouissement et la composition ne contient pas de fer celui-ci créant une absorption pour certaines longueurs d'ondes. II s'avère que la qualité de ces verres, plus particulièrement leur état de surface, nécessite des traitements spécifiques relativement coûteux. De même, la composition de ces verres et notamment les éléments contribuant plus particulièrement aux propriétés optiques sont des éléments relativement onéreux. En conséquence, le coût de ces verres optiques est très élevé ce qui limite le plus souvent l'utilisation de ces lentilles pour des projecteurs ellipsoïdaux destinés à des véhicules automobiles haut de gamme. Les inventeurs se sont donné pour mission la réalisation de lentilles présentant une bonne transmission dans le visible, c'est-à-dire supérieure à 80%, et des indices de réfraction pour les différentes longueurs d'ondes proches les uns des autres. Un autre but de l'invention est de réaliser ces lentilles avec un coût inférieur à celui des lentilles actuellement réalisées. Ces objectifs sont atteints selon l'invention par une lentille composée d'une matrice verrière comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 65 - 85 % A1203 0 - 10 % B203 0 - 20 % Li2O + Na2O + k 3 -20% CaO + MgO + BaO 0 -15% FeO + Fe2O3 0 - 0.1 %, la teneur en K20 demeurant égaie ou inférieure à 1% et la teneur en BaO demeurant égale ou inférieure à 1%. Cette matrice verrière peut également comporter des impuretés, notamment apportées par les matières premières vitrifiables, la teneur de celles-ci ne pouvant excéder 1%. Une telle matrice verrière est par exemple une matrice habituellement utilisée pour la réalisation de verre plat par la technique float . II s'agit par exemple de la matrice verrière comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 71,4% Al2O3 0, 6% Na2O 13, 7% CaO 9, 6% MgO . 4, 0% Selon une première variante de l'invention la lentille est composée d'une matrice verrière du type silico-sodo-calcique comprenant les constituants ciaprès dans les proportions pondérales suivantes:: SiO2 65 - 75 % Al203 0 -10 % Li2O + Na2O + K2O 8 -18% CaO + MgO + BaO 5 -15% FeO + Fe2O3 0 - 0.1 %, la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1% et la teneur en BaO demeurant égale ou inférieure à 1%. La silice SiO2 est l'élément principal formant le réseau vitreux. Sa teneur est donc importante et de préférence supérieure à 72%. SiO2 étant un élément difficile à fondre, la viscosité étant très importante pour de fortes teneurs, elle n'excédera de préférence pas 74%. Al203 permet de stabiliser le réseau vitreux à développer et participe à la constitution dudit réseau. La teneur est de préférence non nulle mais reste de préférence inférieure à 3%, au-delà Al203 peut devenir néfaste pour les propriétés mécaniques du verre. Les éléments alcalins favorisent notamment la fusion de la composition; on parle de fondants. On utilise principalement Na2O, notamment pour des raisons de coût, celuici étant peu onéreux. Les alcalins ont toutefois un effet négatif sur les résistances mécanique et chimique ; leur teneur sera de préférence inférieure à 16% et de préférence supérieure à 13%, ces éléments contribuant à une diminution de la viscosité. Les éléments alcalino-terreux, s'ils facilitent également la fusion du verre, agissent essentiellement comme stabilisateur de la structure du verre en augmentant les stabilités chimique et mécanique. Ces éléments contribuent également à améliorer l'intervalle de travail et donc la moulabilité : On utilise principalement CaO. Les teneurs en alcalino-terreux seront avantageusement supérieures à 8% et inférieures à 11%. La teneur en oxyde de fer (ferreux ou ferrique) est avantageusement inférieure à 0,1%, cet élément modifiant la coloration du verre. La lentille selon l'invention est ainsi avantageusement composée d'une matrice verrière du type silico-sodo-calcique comprenant les constituants ciaprès dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 72 - 74 % Al203 1 - 3 % Li20 + Na20 + K20 13 - 16 % CaO + MgO + BaO 8 - 1 1 % FeO+Fe2O3 0 - 0.1 % Selon une seconde variante de l'invention la lentille est composée d'une matrice verrière du type boro-silicate comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 65 - 85 % B203 10 - 20 % Li2O + Na20 + K20 3 - 20 % Al203 0 - 5 % la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1%. De telles lentilles sont par exemples réalisée à partir d'une des compositions A et B comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: A B SiO2 80 81 B203 13 13 Na20 4,1 3,6 Au203 2,2 2,2 Les essais réalisés ont montré que les compositions ainsi définies selon l'invention satisfont aux exigences requises pour la réalisation de lentilles et plus particulièrement de lentilles asphériques utilisées pour la réalisation de projecteurs ellipsoidaux destinés à équiper des véhicules automobiles. Une lentille réalisée à partir d'une telle composition présente notamment une transmission correspondant au spectre visible supérieure à 80%.De plus, elle présente une faible dispersion des indices de réfraction pour les différentes longueurs d'ondes. Par ailleurs, des essais en milieu confiné simulant une utilisation de ces lentilles dans un projecteur automobile ont montré que les lentilles selon l'invention présentent une bonne tenue à la corrosion. Ces compositions peuvent donc être utilisées, de façon surprenante pour fabriquer des lentilles et sont particulièrement intéressantes d'un point de vue coût notamment en ce qui conceme les compositions de type silico-sodocalcique, car les éléments onéreux tels que BaO ou K20 sont présents en très faible quantité lorsqu'ils existent. Ce type de composition habituellement utilisée pour des applications plus ordinaires telles que la fabrication, de verre plat ou bien d'articles ménagers en verre, par exemple des verres ou gobelets, ne subit d'ordinaire aucune préparation spécifique ni d'étapes de finition particulières, telles qu'un polissage. II est apparu de façon surprenante que les lentilles selon l'invention pouvaient également être réalisées, de façon ordinaire c'est-à-dire avec peu de précautions notamment lors de la fusion et ne nécessitaient pas de finition du type poli-feu au cours de l'élaboration. II s'avère que cette simplification de fabrication à l'égard des compositions précédemment évoquées contribue également à obtenir des lentilles avec un coût inférieur à celui de celles fabriquées selon l'art antérieur. L'invention propose également un procédé de fabrication des lentilles qui viennent d'être décrites. Ce procédé de fabrication de lentilles consiste à réchauffer au moins un élément de verre, dont la composition est définie par l'invention, jusqu'à la température correspondant à une viscosité en logarithme comprise entre 4,5 et 5,5, et de préférence égale à 5, et à presser ledit élément. Selon une première variante de l'invention, I'élément de verre est l'extrémité d'une barre préalablement préparée. Le procédé consiste alors à réchauffer l'extrémité de la barre de verre en plaçant celle-ci dans un four et lorsque la température voulue est atteinte, l'extrémité chaude est placée entre deux demi-moules. Le pressage est alors effectué de sorte que le verre remplisse la cavité du moule. Ensuite, afin de détacher l'élément pressé du reste de la barre, on tire sur cette barre alors que le moule est encore fermé pour créer une striction et cisailler, à l'aide de ciseaux, la barre de verre et la remettre en chauffe dans le four. Ce procédé est difficilement automatisable, la plupart des étapes devant être effectuées par un opérateur.De plus, le principe de ce procédé interdit de refermer totalement le moule lors du pressage puisque l'élément pressé constitue toujours une partie de la barre. Cette particularité entraîne une consommation de verre plus importante que celle nécessaire pour la réalisation de la lentille, une partie du verre allant déborder par l'ouverture du moule lors du pressage ; c'est-à-dire qu'il est nécessaire de prévoir un volume suffisant de l'élément de verre pressé considérant qu'une partie de celui-ci va s'écouler à l'extérieur du moule durant le pressage. De plus une étape supplémentaire est nécessaire, celle-ci consistant à élimer la bavure de la lentille pressée. Selon une autre variante préférée de l'invention, le procédé consiste à réchauffer et presser une préforme, ladite préforme étant obtenue par pressage d'une goutte de verre à l'aide d'un outil mécanique. Une telle préforme présente par exemple une forme paraboloîde avec un talon arrondi, celui-ci pouvant présenter des irrégularités formant des zones limitées sur lesquelles ladite préforme peut reposer. Ces zones peuvent permettre lors du traitement ultérieur, sur lequel il sera revenu par la suite, de limiter les points de contact avec la surface sur laquelle est positionnée la préforme. Pour réaliser ces préformes, il est possible d'utiliser tout type de techniques connues de l'homme du métier.La fusion des matières premières peut par exemple être réalisée dans un four verrier du type four en continu à boucle utilisant un hydrocarbure liquide comme apport énergétique ou bien, par exemple, un four électrique. Le verre fondu peut alors être conduit au travers d'un canal ou feeder jusqu'à une extrémité de ce canal appelé encore cuvette d'écoulement, au niveau de laquelle, par exemple, un poinçon associé à un mécanisme de cisaillement peut former une goutte de verre appelée encore paraison. Le dispositif est conçu de façon à obtenir une paraison dont le poids est celui désiré pour la préforme. Le poids et la géométrie sont définis au préalable à partir de ceux de la lentille que l'on souhaite réaliser.La paraison peut ensuite être conduite à un dispositif de moulage par exemple tel que ceux habituellement utilisés dans l'industrie de la gobeleterie ou du flaconnage. Les préformes ainsi réalisées peuvent être stockées en prévision de la fabrication de lentilles. Un mode de réalisation préféré de l'invention pour réaliser des lentilles à partir de préformes consiste à presser celles-ci après avoir chauffé lesdites préformes jusqu'à une température correspondant à une viscosité en logarithme décimal comprise entre 4,5 et 5,5. Dans le cas d'une composition du type silico-sodo-calcique, le chauffage de la préforme est par exemple réalisé en deux opérations successives ; dans un premier temps, on élève la température du verre jusqu'à une température comprise entre 300 et 600"C et de préférence égale à 500"C. Cette première opération s'étale sur une période d'environ trente minutes et permet d'éviter tout risque de dégradation de la préforme telle que la formation d'éclats dûs à un choc thermique. Dans un second temps, la préforme est chauffée pendant un temps inférieur à 10 minutes à une température comprise entre 750 et 1 1000C et de préférence égale à 890"C. Lors du chauffage des préformes, il faut veiller à éviter tout risque de collage du verre constituant les préformes notamment sur la sole du four de réchauffage. Pour cela, il est prévu d'une part des irrégularités ou zones limitées du talon sur lesquelles repose une préforme comme il I'a été décrit précédemment.D'autre part, I'invention prévoit de réaliser la sole du four ou tout autre élément en contact avec la préforme notamment au cours de la phase de réchauffage avec un ou plusieurs des matériaux suivants : oxyde de chrome, nitrure de silicium, nitrure de bore, graphite. II est également possible de prévoir une atmosphère inerte ou réductrice régnant dans l'enceinte du four pour éviter tout risque d'oxydation des matériaux. La préforme étant ainsi amenée à une viscosité en logarithme comprise entre 4,5 et 5,5, elle est pressée pour obtenir la lentille souhaitée. La lentille peut ensuite subir une étape de recuisson. Les lentilles obtenues selon ce procédé possèdent effectivement les caractéristiques requises notamment en vue d'une application pour des projecteurs ellipsoîdaux. Elles présentent notamment une bonne transmission dans le visible et des indices de réfraction peu dispersés. Par ailleurs, le procédé ne comporte pas d'étape délicate pouvant conduire à des coûts trop importants. En effet, ni la préforme ni la lentille ne subissent notamment aucune étape de polissage de coût élevé tel qu'un polissage du type poli-feu. De plus, L'étape de fusion reste des plus classiques. Seule la face arrière de la lentille, c'est-à Toutefois, selon une variante de l'invention, il est prévu d'obtenir une lentille brute de pressage, c'est-à-dire sans aucune étape de finition. Des essais et mesures ont été effectuées sur des lentilles asphériques destinées à être utilisées pour des projecteurs ellipsoidaux. Ces lentilles ont été fabriquées à partir de la composition comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 . 73, 50 % Al203 : 1, 60 % Na2O : 14,50% Cao 10, 00 % Les essais sont réalisés sur des lentilles présentant un diamètre de 64mm et un poids de 809. Pour fabriquer une telle lentille, il est prévu d'utiliser une préforme de 1009, ce qui correspond à un poids supérieur de 25% à celui de la lentille. La masse volumique du verre étant 2,50 g/cm3, il est possible de déterminer le volume de la préforme qui est de 40 cm3. II est ainsi possible de concevoir un moule pour réaliser la préforme en lui conférant la forme dont il a été fait mention précédemment. Des mesures ont été effectuées sur des lentilles ainsi réalisées. Tout d'abord, il est apparu que la transmission dans le spectre visible est supérieure à 80%. Par ailleurs, des mesures de l'indice de réfraction par rapport à celui de l'air ambiant ont été réalisées. L'indice moyen est égal à 1,51741 + 5. 108. Des mesures de l'indice de réfraction Ni ont également été effectuées pour trois longueurs d'ondes différentes ki: : hl = 480 nm N1 = 1,52378 + 5.105 2 = 589 nm N2 = 1,51716 + 5 104 3 = 644 nm N3 = 1,51500 ± 5.105 Ces résultats montrent que le verre est peu dispersif. De plus, la constringence qui permet de caractériser la dispersion d'une substance a également été mesurée; celle-ci est égale à 61 ce qui caractérise une substance peu dispersive. Ces essais et mesures montrent que la lentille réalisée selon l'invention satisfait aux exigences requises, notamment celles pour la réalisation de lentilles asphériques utilisées dans des projecteurs ellipsoidaux. Par ailleurs, la composition du verre selon l'invention permet de réaliser ces lentilles avec un coût relativement faible, les éléments choisis étant peu onéreux. De plus, les matières premières qui sont à l'origine de ladite composition peuvent comprendre partiellement voire totalement des verres recyclés, ce qui peut encore limiter les coûts. De même, le procédé de fabrication selon l'invention qui ne comprend que des étapes relativement classiques, notamment en ce qui conceme la fusion, et les étapes d'amélioration de l'état de surface, du type poli-feu, qui sont quasi inexistantes, conduisent également à limiter les coûts de fabrication de ces lentilles. REVENDICATIONS 1. Lentille composée d'une matrice verrière comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: S02 65 - 85 % A1203 0 -10% B203 0 -20% Li2O+Na2O+K2O 3 -20% CaO + MgO + BaO 0 -15% FeO+Fe203 O - 0.1 % la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1% et la teneur en BaO demeurant égale ou inférieure à 1%. 2. Lentille selon la revendication 1 composée d'une matrice verrière du type silico-sodo-calcique comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 65 - 75 % Al203 0 -10% Li2O + Na2O + K2O 8 - 18 % CaO+MgO+BaO 5 -15% FeO+Fe203 0 - 0.1 % la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1% et la teneur en BaO demeurant égale ou inférieure à 1%. 3. Lentille selon la revendication 1 ou 2, composée d'une matrice verrière du type silico-sodo-calcique comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 72 - 74 % Al203 1 - 3 % Li2O + Na2O + K20 13 - 16 % CaO + MgO + BaO 8 - 11% FeO+Fe203 0 - 0.01 % la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1% et la teneur en BaO demeurant égale ou inférieure à 1%. 4. Lentille selon la revendication 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comprend les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 : 73 ,50 % A1203 : 1 60 % Na2O : 14,50% Cao 10,00 % 5. Lentille selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 . 71,4% Au203: 0,6% Na2O : 13,7% Cao 9,6% MgO : 4,0% 6.Lentille selon la revendication 1, composée d'une matrice verrière du type boro-silicate comprenant les constituants ci-après dans les proportions pondérales suivantes: SiO2 65 - 85 % B203 10 - 20 % Li2O + N + 3-20 % Al203 0- 5% la teneur en K20 demeurant égale ou inférieure à 1%. 7. Lentille selon l'une des revendications précédentes caractérisée on ce qu'elle est asphérique. 8. Lentille selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour réaliser un projecteur ellipsoidal. 9. Procédé de fabrication de lentilles décrites selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'on réchauffe au moins un élément de verre jusqu'à une température correspondant à une viscosité en logarithme décimal comprise entre 4,5 et 5,5 et en ce que ledit élément est pressé. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'élément de verre est l'extrémité d'une barre. 11. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'élément de verre est une préforme obtenue par pressage d'une goutte de verre dosée à l'aide d'un outil, tel qu'un poinçon associé à une cuvette d'écoulement formant l'extrémité d'un feeder. 12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que la préforme présente un poids supérieur d'au moins 10% à celui de la lentille et de préférence d'au moins 15%.