Brevet FR2857659A1 — publié le 20050121

La présente invention concerne un verre optique utilisé notamment pour la fabrication de composants optiques de transmission ayant un encombrement ou un volume important. Les verres optiques antérieurs présentent certes une bonne homogénéité, de bonnes propriétés de transmission dans le domaine spectral souhaité et des coefficients d'Abbe avantageux, mais la fabrication de composants optiques de transmission, comme des 10 lentilles, des prismes et des fenêtres de grandes dimensions, par exemple avec un diamètre de 0,5 mètre ou de 1 mètre, une épaisseur de 50 millimètres, de 100 millimètres ou plus est quasiment impossible du point de vue pratique. Pour tester la qualité du polissage de miroirs astronomiques de haute précision, notamment pour les miroirs secondaires convexes, dans les dispositifs de contrôle interférométriques habituellement utilisés, des lentilles de référence, appelées matrices, sont 20 souvent utilisées. Il s'agit habituellement, par exemple, de lentilles biconvexes avec au moins une surface de forme fortement asphérique. Le matériau de ces lentilles doit respecter de sévères exigences en ce qui concerne la faible quantité d'impuretés et 25 l'homogénéité de l'indice de réfraction. De préférence, un matériau avec un faible coefficient de dilatation est utilisé. De plus, pour les longueurs d'ondes laser habituelles de 633 nm, une transmission la plus importante possible est souhaitée. Jusqu'à présent, pour ces applications, des verres optiques, comme le BK7 ou le FK5, sont utilisés. La fabrication de composants de cette taille, comme des lentilles d'un diamètre de 1 à 1,5 m ou avec une épaisseur de 100 ou 150 millimètres, n'est cependant pas possible avec ces matériaux, au moins en ce qui concerne les coûts. L'objectif de la présente invention est donc de créer un verre optique approprié pour la fabrication de 5 composants optiques de transmission, comme des lentilles, des prismes, des fenêtres et autres, avec une dimension maximale dans le sens transversal d'au moins 0,5 ou 1 m ou une épaisseur d'au moins 50 mm ou 100 mm et qui permet la fabrication économique de 10 composants homogènes du point de vue optique et de haute qualité. Le verre concerné doit, en outre, présenter un coefficient de dilatation thermique le plus faible possible et, plus particulièrement dans le domaine optique visible, présenter une transmission 15 pure suffisante. En outre, une utilisation d'un tel verre optique ainsi qu'un procédé de fabrication de composants optiques de transmission de grandes dimensions doivent être obtenus. Cet objectif est atteint, selon l'invention, grâce à une verre optique avec la composition suivante (en % en poids) : SiO2 35-75 A1203: 17-35 B203: 0-5 P205: 1-17 SnO2 + ZrO2 + TiO2: 0,1-8 Na2O + K20 + Cs2O + Li2O: 0,1-8 CaO + MgO + SrO + BaO + ZnO:0,1-8 30 des agents d'affinage comme Sb203, As203, SnO2, CeO2, des liaisons sulfates ou halogénures: L'objectif de l'invention est ainsi complètement atteint. Le verre optique de l'invention permet la fabrication de composants optiques de transmission de grandes dimensions, par exemple la fabrication de lentilles avec des diamètres de 1,5 m ou plus. Le verre optique de l'invention permet la fabrication de tels 15 composants optiques de manière économique à l'aide d'un procédé de coulage. Le verre optique est de préférence fondu dans une installation de fusion discontinue, refroidie de manière contrôlée, puis travaillé mécaniquement, notamment scié, poncé, rodé et poli, 20 afin de fabriquer des composants optiques de transmission comme des lentilles, des prismes, des fenêtres et autres de grandes dimensions. Un tel verre optique est plus particulièrement approprié pour la fabrication d'optiques de contrôle 25 pour de grands miroirs asphériques ou des segments de ces miroirs, par exemple pour la fabrication de lentilles biconvexes avec au moins une surface de forme fortement asphérique et un diamètre de 1,5 m ou plus. Une composition similaire du verre est déjà 30 décrite dans le document DE-PS 1 596 860 ou dans le document DE-AS 19 02 432, cependant il s'agit d'un verre initial pour la fabrication d'une céramique vitreuse, distribué par la demanderesse sous le nom commercial Zerodur . Une telle céramique vitreuse n'est cependant pas utilisable en tant que verre optique, car, du fait des nombreux centres de dispersion constitués par les inclusions cristallines, la transmission est fortement 5 réduite, ce qui rend impossible une utilisation dans des composants de grandes dimensions. Par le terme verre optique , dans le sens de cette demande, on entend un verre particulièrement pur approprié pour des composants optiques de transmission, 10 avec une transmission la plus importante possible dans le domaine visible du spectre, et qui est le plus possible exempt d'inhomogénéités et de contraintes. Le verre optique de l'invention n'est donc pas proche des céramiques vitreuses déjà connues, car l'homme du 15 métier ne considère pas une telle composition comme un verre optique. Le verre initial utilisé pour la fabrication de ces céramiques vitreuses ne présente pas la pureté nécessaire et présente généralement une coloration légèrement jaunâtre, qui ne convient pas à 20 une utilisation en tant que verre optique. Dans un développement avantageux de l'invention, le verre optique présente la composition suivante: SiO2: 35-70 A1203: 17-35 P205s: 3-17 Li2O: 2-6 MgO: 0,5-4 ZnO: 0,5-3 CaO: Dans un autre développement de l'invention, le verre optique présente la composition suivante: SiO2: 50-60 A1203: 20-30 P205: 3-12 Li2O: 3-4 MgO: 0,5-2,5 ZnO: 0,5-3 CaO: Avec de tels domaines de composition, des valeurs de transmission particulièrement avantageuses peuvent être obtenues. Afin d'améliorer encore la transmission, il est préférable que des impuretés colorantes, des métaux 25 nobles et des halogénures, notamment Fe203, PbO, Pt, Rh, C1- et F- soient présents à hauteur de 500 ppm maximum. Il est, en outre préférable que le verre optique de l'invention présente une teneur en Fe203 de 120 ppm maximum, de préférence environ 80 ppm. Cela est avantageux pour garantir, même pour des épaisseurs importantes, une transmission pure suffisante, notamment dans le domaine optique souhaité et plus particulièrement à la longueur d'onde de contrôle de 633 nm. Le verre optique de l'invention présente, de préférence, dans le domaine de température de 0 à 50 C, un coefficient de dilatation thermique de 4,1. 10-6 /K maximum, de préférence de 3,5.10-6 /K maximum, encore plus de préférence d'environ 3.10-6 /K. Grâce à ce coefficient de dilatation particulièrement faible, le verre optique de l'invention est particulièrement adapté à la fabrication de composants optiques de transmission de 10 grandes dimensions. Grâce au faible coefficient de dilatation thermique, l'apparition de contraintes et de fissures est considérablement réduite par rapport aux verres optiques antérieurs dont le coefficient de dilatation thermique est généralement 2 4,4.10-6 /K. 15 Les erreurs de reproduction dues aux variations de température sont ainsi également réduites. Le verre optique de l'invention présente, de préférence un indice de réfraction nd de l'ordre de 1,42 En outre, le verre optique de l'invention présente, de préférence un coefficient d'Abbe Vd de l'ordre de 53 Le verre optique de l'invention se trouve ainsi, dans le diagramme d'Abbe, au niveau des verres à couronne, 25 mais présente cependant une autre composition chimique. La transmission pure du verre optique de la présente invention est, pour un élément de contrôle de 100 mm de longueur, dans le domaine de longueur d'onde entre 500 et 750 nm d'au moins 0,55, dans le domaine de 30 longueur d'onde entre 550 et 750 nm d'au moins 0,7 et dans le domaine de longueur d'onde entre 600 et 750 nm d'au moins 0,8. Le verre optique de l'invention présente, en outre, de préférence, un maximum de transmission pure dans le 35 domaine de longueur d'onde entre 600 et 750 nm. L'objectif de l'invention en ce qui concerne le procédé de fabrication d'un composant optique de transmission de grandes dimensions est atteint grâce au fait qu'un verre ayant la composition mentionnée ci5 dessus est fondu, de préférence dans une installation de fusion discontinue, refroidi de manière contrôlée, puis travaillé mécaniquement, plus particulièrement scié, poncé, rodé et poli. Il convient de noter que les caractéristiques 10 mentionnées ci-dessus peuvent être utilisées non seulement avec la combinaison indiquée mais également dans d'autres combinaisons ou de manière isolée sans sortir du cadre de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de 15 l'invention sont mentionnés dans la description suivante d'un exemple de réalisation préféré en référence à la figure. La seule figure montre une comparaison de la transmission pure d'un verre de l'invention avec une 20 transmission pure de la céramique vitreuse Zerodur de même composition en fonction de la longueur d'onde. EXEMPLE Un verre de la composition suivante (en % en poids) 25 a été fondu: SiO2: 57,2 A1203: 25,3 P205: 6,5 Li20: 3,4 MgO: 1,0 ZnO: 1,4 Na20: 0,2 K20: 0,4 As203: 0,5 TiO2: 2,3 ZrO2: 1,8 Grâce à l'utilisation de matières premières et de matériaux de creuset particulièrement purs, les impuretés, notamment colorantes, les métaux nobles et 5 les halogénures, sont limités à 500 ppm maximum. La teneur en Fe203 était d'environ 80 ppm. Le processus de fusion a été réalisé à environ 1500 à 1600 C, moyennant quoi, pour l'affinage, la température a été élevée à environ 1600 C. Pendant 10 l'homogénéisation, la température a été abaissée à environ 1400 C. Pour la formation d'une lentille avec un diamètre de 1,5 m, la masse en fusion a été coulée dans un moule bien isolé, qui a été préchauffé à environ 1200 C. Ensuite, un refroidissement le plus 15 rapide possible a été réalisé, jusqu'à une température supérieure à la température de transformation vitreuse Tg, donc par exemple jusqu'à environ 700 C pendant plusieurs heures. La cristallisation a ainsi été minimisée pendant la phase de refroidissement. Dans 20 une deuxième étape, un refroidissement contrôlé jusqu'à la température ambiante avec une vitesse de refroidissement suffisamment faible pour éviter des formations de fissures et de contraintes, selon le diamètre du bloc de verre, une vitesse de 25 refroidissement de 1,0 K/min maximum a été utilisée, dans le cas présent environ 0,1 K/min a été utilisée. Un tel bloc de verre peut être travaillé mécaniquement afin de fabriquer des composants optiques de transmission, par exemple une lentille biconvexe 30 avec au moins une surface de forme fortement asphérique avec un diamètre de 1,5 m. Au niveau du bloc de verre fabriqué, le coefficient de dilatation thermique (CTE) entre 0 et 50 C a été déterminé à 3,02.10-6 /K, tandis que celui35 ci a été déterminé, entre -30 C et 70 C, à 2,97.10-6 /K. La densité du verre optique était de 2452,7 kg/m3. La température de transformation du verre Tg a été estimée à environ 675 C. Pour l'indice de réfraction nd, une valeur de 1,526 a été déterminée pour un coefficient d'Abbe Vd de 58,12. La transmission pure mesurée pour un corps de contrôle de l'invention de 100 mm de longueur est indiquée sur la figure 1 en fonction de la longueur d'onde (la transmission pure est, contrairement à la 10 transmission, une pure propriété du matériau, car les pertes de réflexion du corps de contrôle qui interviennent dans la transmission à l'entrée et à la sortie de la lumière sont éliminées dans la transmission pure). Pour une comparaison, sur la figure 1, est également indiquée la transmission pure mesurée pour un deuxième corps de contrôle de 100 mm de longueur en céramique vitreuse Zerodur selon l'état de la technique en fonction de la longueur d'onde. Il s'avère que le verre de l'invention lui-même, qui, pour une épaisseur de 100 mm, dans le domaine entre 600 et 750 nm, présente une transmission pure supérieure à 0,8, se distingue donc particulièrement pour le domaine de longueur d'onde de 633 nm d'un laser 25 He-Ne utilisé habituellement, par un maximum approximatif de la transmission pure. Par comparaison, la céramique vitreuse Zerodur présente, pour la même composition, une transmission pure plus faible dans le domaine spectral concerné. Notamment lorsqu'on prend en 30 compte des dimensions plus importantes comme des épaisseurs jusqu'à 500 millimètres ou plus, la supériorité du verre de l'invention est visible car la transmission pure diminue exponentiellement avec l'augmentation de l'épaisseur. En plus de l'utilisation préférée comme optique de contrôle pour des télescopes astronomiques à miroir, d'autres utilisations sont envisageables comme lentilles dans des systèmes de caméra astronomiques et 5 des optiques de correction, ainsi que des prismes dans ces télescopes avec des dimensions correspondantes. REVENDICATIONS 1. Verre optique qui contient les composants suivants (en % en poids) : SiO2 35-75 A1203: 17-35 B203: 0-5 P205: 1-17 SnO2 + ZrO2 + TiO2: 0,1-8 Na2O + K20 + Cs2O: 0,1-8 CaO + MgO + SrO + BaO + ZnO:0,1-8 agents d'affinage comme Sb203, As203, SnO2, CeO2, liaisons sulfates ou halogénures: 2. Verre optique selon la revendication 1, qui contient les composants suivants (en % en poids) : 20 SiO2: 35-70 A1203: 17-35 P205: 3-17 Li2O: 26 MgO: 0,5-4 ZnO: 0,5-3 CaO: 3. Verre optique selon la revendication 1 ou 2, avec la composition suivante (en % en poids) : SiO2: 50-60 A1203: 20-30 P205: 3-12 Li2O: 3-4 MgO: 0,5-2,5 ZnO: 0,5-3 CaO: 4. Verre optique selon l'une des revendications précédentes qui contient des impuretés colorantes, des 20 métaux nobles et des halogénures, notamment Fe203, PbO, Pt, Rh, Cl- et F-, avec 500 ppm maximum pour chacun. 5. Verre optique selon l'une des revendications précédentes qui contient une teneur en Fe203 de 120 ppm maximum, de préférence d'environ 80 ppm. 6. Verre optique selon l'une des revendications précédentes qui, entre 0 et 50 C, présente un coefficient de dilatation thermique de 4,1.10-6 /K maximum, de préférence de 3,5.10-6 /K, encore plus de préférence d'environ 3.10-6 /K. 7. Verre optique selon l'une des revendications précédentes, dont l'indice de réfraction nd est de l'ordre de 1,42 8. Verre optique selon l'une des revendications 35 précédentes, dont le coefficient d'Abbe Vd est de l'ordre de 53 9. Verre optique selon l'une des revendications précédentes, dont la transmission pure dans le domaine 5 de longueur d'onde entre 500 et 750 nanomètres est d'au moins 0,55 pour un corps de contrôle de 100 millimètre de longueur. 10. Verre optique selon la revendication 9, dont la transmission pure dans le domaine de longueur d'onde 10 entre 550 et 750 nanomètres est d'au moins 0,7 pour un corps de contrôle de 100 millimètres de longueur. 11. Verre optique selon la revendication 9, dont la transmission pure dans le domaine de longueur d'onde entre 600 et 750 nanomètres est d'au moins 0,8 pour un 15 corps de contrôle de 100 millimètres de longueur. 12. Verre optique selon l'une des revendications 9 à 11, dont le maximum de transmission pure se trouve dans le domaine de longueur d'onde entre 600 et 750 nanomètres. 13. Utilisation d'un verre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 pour la fabrication de composants optiques de transmission, notamment pour la fabrication de lentilles, de prismes, de fenêtres avec une épaisseur maximale d'au moins 25 50 millimètres, de préférence d'au moins millimètres. 14. Utilisation d'un verre optique selon la revendication 13 pour la fabrication d'optiques de contrôle pour des télescopes à miroirs, notamment pour 30 des miroirs asphériques ou des segments de ceux-ci. 15. Procédé de fabrication de composants optiques de transmission, notamment pour la fabrication de lentilles, de prismes, de fenêtres avec une épaisseur maximale d'au moins 50 millimètres, de préférence d'au 35 moins 100 millimètres, dans lequel un verre selon l'une des revendications 1 à 12 est de préférence fondu dans une installation de fusion discontinue, refroidi de manière contrôlée puis travaillé mécaniquement, notamment scié, poncé, rodé et poli.