Lentille optique : guide d’achat

Quand on mentionne l’optique, les lentilles optiques sont le premier composant auquel on pense et en effet les lentilles sont partout dans notre vie quotidienne. Dans ce guide nous allons voir les différents types de lentilles, les procédés de fabrication et leurs différentes applications.

Définition d’une lentille optique

Une lentille optique est un composant d’optique passive qui est transparent sur certaines longueurs d’ondes dans le spectre optique (de l’UV profond à l’IR lointain) et qui agira sur le chemin de la lumière soit en convergent ou en divergent le signal.

Les lentilles optiques le plus communes sont fabriquée à partir de verre optique, dont les principaux fournisseurs sont Schott, Corning, Ohara ou CDGM. Mais elles peuvent également être fabriquée à partir de métaux (Germanium) ou d’autres matières (céramiques, Silicium, Séléniure de zinc, saphir, polymères etc.)

La qualité d’une lentille optique est définie par sa capacité à reproduire une forme nominal et la qualité de son polissage.

Procédés de fabrication des lentilles optiques

Il y a trois procédés principaux pour la fabrication d’une lentille optique :

1. Moulage:

   La matière est coupée en une préforme de dimension spécifique, cette préforme sera ensuite chauffée et pressée dans un outillage chaud.  La pièce est ensuite démoulée et la finition est réalisée. La finition comprend le meulage des bords et un éventuel polissage final en fonction de la qualité de l’outillage et de la sévérité des spécifications.

2. Meulage et polissage:

   Ce procédé est également appelé travail à froid, consiste à de l’enlèvement de matière avec une meulage mécanique et l’application de polissoirs avec un liquide chargé de microparticules.  Le procédé est long, il dure en général plusieurs heures et peut être partiellement automatisé. Les polissoirs sont changés plusieurs fois pendant le process avec un grain de polissage de plus en plus petit afin d’atteindre la qualité de poli voulu. Plus la qualité de polissage voulue est élevée, plus long sera le procédé de polissage. Le procédé de polissage peut être réalisé en série, les pièces peuvent donc être fabriquées par batch.

3. Usinage à tête diamantée:

   L’usinage a tête diamantée est principalement utilisé pour les formes complexes et ne nécessite pas de phase complémentaire de polissage. L’équipement est similaire à un centre d’usinage CNC où les lentilles sont fabriquées une par une.

4. Pours et contres des différentes méthodes de fabrication des lentilles

   Méthode de fabrication de lentille	Pours	CONtreS
   Moulage de lentille	Prix unitaire bas pour les grandes séries	Pas intéresant pour les petites séries car un outillage est à mettre en place. Limité également sur certaines dimensions et matières ( nécessite un point de fusion bas)
   Meulage et polissage des lentilles	Plusieurs lentilles peuvent être fabriquées ensemble, équipements de fabrication robustes et peu cher.	Longue durée de fabrication, ne convient pas à de très grandes quantités de commande.
   Usinage à tête diamantée	Très bonne qualité optique	Cher car demande un équipement moderne complexe et les lentilles sont fabriquées une par une.

5. Traitement et finition des lentilles

   Afin d’améliorer les propriétés optiques d’une lentille, des traitements de surface optiques sont souvent appliqués. Ces traitements consistent au dépôt de couches minces d’éléments chimiques qui réduisent la réflexion de la lumière sur certaines longueurs d’ondes, ces traitements sont appelés traitements antireflets ou simplement AR.

Types de lentilles optiques

Retrouvez les différentes catégories de lentilles optiques dans l’index ci-dessous:

Type de lentille	Détail de forme	USAGE
lentille PCX	Lentille plan-convexe	focalise la lumière sur un point ou agrandi une image
lentille PCV	Lentille plan-concave	focalise la lumière sur un point ou agrandi une image
Lentille biconcave ou biconvexe	concave-concave ou convexe-convexe	focalise la lumière sur un point ou agrandi une image
Lentille ménisque	Fine lentille concavo-convexe	focalise la lumière sur un point ou agrandi une image
Lentille sphérique	Forme définie par un centre virtuel et un rayon de courbure fixe	Facile à designer et à fabriquer
Lentille asphérique	Forme définie par un centre virtuel et un rayon de courbure changeant selon une équation conique	Meilleur qualité d’image, moins d’aberration sphérique
Lentille cylindrique	Forme définie par un axe central et un rayon de courbure fixe le long de cet axe	focaliser la lumière sur une dimension (ligne)
Lentille torique	Forme définie par deux différents rayons de courbures orthogonaux	utilisés pour les simulations de cornées
Lentille achromatique	Lentilles doublet ou triplet: deux ou trois lentilles complémentaires collées ensemble	compense les aberration chromatiques (différences de points focaux selon la longueur d’onde)

Design d’une lentille optique

Le design d’une lentille optique peut être effectuée avec des logiciels, Zemax est le plus connu. Il est préférable de les faire réaliser par des designers optiques ayant une bonne compréhension des matières optiques, des formes optiques ainsi que des contraintes de fabrication optiques.

Les spécification optiques étant complexe nous recommandons de fournir au fournisseurs d’optique de précision des spécifications selon la norme ISO10110 afin de faciliter la remise de prix et éviter les incompréhensions.

Applications

Les lentilles optiques se retrouvent dans de nombreux domaines:

• Astronomie (télescopes)
• Equipement électronique (téléphones portables)
• Sécurité (caméras)
• Défense (systèmes de visée)
• Vision (contrôle de production ou contrôle qualité)
• Transport  (système LIDAR)
• Autres applications Photoniques

Coût d’une lentille optique

Le coût d’une lentille optique dépends de nombreux facteurs, il est donc nécessaire d’analyser ses besoins en détail pour pouvoir effectuer une bonne estimation :

• Matière première
• Quantités, la fabrication de lentilles optiques est un procédé long, mais certains procédés peuvent être réalisés en parallèle et donc une augmentation de quantité de fabrication peut mener à une forte réduction du prix unitaire d’une lentille.
• Forme
• Spécification optiques, plus la spécification optiques et élevée plus le prix va être élevé, l’augmentation de prix peut avoir un rapport exponentiel avec le resserrement des spécifications optiques.
• Traitement de surface
• Dimensions : les optiques de très grande taille ainsi que les micro optiques nécessitent une attention particulière et un un outillage spécial, ce qui les rend plus onéreux que les optiques plus « classique » (dans le champs des centimètres).