of 30/30
CAHIERS D’OPTIQUE OCULAIRE 1. Les matériaux

Essilor, les materiaux

  • View
    272

  • Download
    27

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Matériaux utilisés

Text of Essilor, les materiaux

  • CAHIERS DOPTIQUE OCULAIRE

    1.Les matriaux

  • INTRODUCTION 2

    CARACTRISATION DES MATRIAUX

    I

    SOMMAIRE

    II

    III

    Proprits optiques 6

    Proprits mcaniques 12

    Proprits thermiques 13

    Proprits lectriques 13

    Proprits chimiques 13

    A

    B

    C

    D

    E

    LE VERRE OPHTALMIQUE DE BASE

    Les matriaux minraux 14

    Les matriaux organiques 18

    A

    B

    LA FABRICATION DES VERRES

    Fabrication des verres minraux 24

    Fabrication des verres organiques 26

    CONCLUSION 28

    A

    B

    1

  • INTRODUCTION

    2

    Ce volume des Cahiers dOptique Oculaireest consacr ltude des Matriauxutiliss dans la fabrication des verresophtalmiques. Par matriaux nous enten-dons toutes les matires servant cons-truire cest--dire lensemble des matiresentrant dans la constitution du verreophtalmique et qui, faonnes selon unegomtrie prcise, lui procurent sa fonc-tion dioptrique de correction (dtailledans les autres volumes de cette srie).

    Le prsent Cahier se compose de trois par-ties : un inventaire des proprits physiqueset chimiques utilises pour caractriserles matriaux, suivi dune analyse struc-turelle et fonctionnelle des matiresemployes et, enfin, dune descriptionsuccincte des techniques mises en uvrepour la fabrication des verres correcteurs.

    LES MATRIAUX

    INTR

    OD

    UCT

    ION

  • LES MATRIAUX

    3

    Le verre ophtalmiqueest un systme complexeAvant daborder la description analytique des matriaux,il est bon de souligner le fait que le verre ophtalmiqueest aujourdhui un produit trs labor et complexepuisquil rsulte de limbrication de Matriaux variset de nombreux Traitements aux fonctions spcifiques(figure 1).

    Le Matriau nest donc quun des lments constitutifsdu verre : son rle est, non seulement de participer crer la fonction correctrice du verre, mais, galementde servir de support lempilement dun ou plusieurstraitements. Ltude des matriaux est donc tout faitindissociable de celle des traitements qui leur serontassocis.

    Figure 1 : Un verre organique trait est un systme complexe.

    LES

    MAT

    RIA

    UX

    Figure 1

    STRUCTURE DU VERRE TRAIT

    REVTEMENTHYDROPHOBE

    COUCHE DURCISSANTE

    REVTEMENTANTI-CHOC

    COLORATION

    SUBSTRAT

    AR

  • 1 H1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    Li

    Na

    K

    Rb

    CsFr

    3

    11

    19

    37

    55

    87

    Be

    MgCaSrBa

    Ra

    4

    12

    20

    38

    56

    88

    ScY

    La

    Ac

    21

    39

    57

    89

    Ti

    Zr

    Hf

    22

    40

    72

    V

    Nb

    Ta

    23

    41

    73

    CrMo

    W

    24

    42

    74

    Mn

    Tc

    Re

    25

    43

    75

    Fe

    Ru

    Os

    26

    44

    76

    CoRh

    Ir

    27

    45

    77

    Ni

    Pd

    Pt

    28

    46

    78

    CuAgAu

    29

    47

    79

    Zn

    CdHg

    30

    48

    80

    B

    Al

    GaIn

    Ti

    5

    13

    31

    49

    81

    CSiGeSnPb

    6

    14

    32

    50

    82

    N

    P

    As

    SbBi

    7

    15

    33

    51

    83

    OSSeTe

    Po

    8

    16

    34

    52

    84

    F

    ClBr

    I

    At

    9

    17

    35

    53

    85

    He2

    Ne

    Ar

    Kr

    Xe

    10

    18

    36

    54

    86

    1

    2

    3

    4

    5

    6Rn

    III b IV b V b VI b VII b VIII i b II b

    I a II a III a IV a V a VI a VII a O

    CeTh

    58

    90Pr

    Pa

    59

    91Nd

    U

    60

    92Pm

    Np

    61

    93SmPu

    62

    94Eu

    Am

    63

    95GdCm

    64

    96Tb

    Bk

    65

    97Dy

    Cf

    66

    98Ho

    Es

    67

    99Er

    Fm

    68

    100Tm

    Md

    69

    101Yb

    No

    70

    102

    Lr

    71

    103

    6

    7

    Lu

    Lanalyse des aspects structurels des matriaux faitappel quelques notions de Physique et de Chimieconcernant la nature de la matire, dont une brvervision est propose ici.

    La Physique moderne est construite sur le fait que,dans lensemble de lUnivers, tout corps matriel estconstitu datomes. Ce sont des corpuscules animsdun mouvement perptuel et eux-mmes constitusde particules lmentaires accoles, les protons et lesneutrons, autour desquelles gravitent, distance,dautres particules plus petites, les lectrons.

    Le rayon des atomes est de 1 2.10-10 m - autrementdit, voisin de 1 (Angstrm). Les atomes sont lesmatriaux de construction de tous les corps matriels;les Physiciens ont trouv quil nen existait pas plusdune centaine dans tout lUnivers. Mendlev en avaitprdit la liste en les classant sous forme dun tableau,avant quils aient t tous dcouverts : cest la clas-sification priodique des lments (figure 2).

    Figure 2 : Classification priodique des lments (tableau de Mendlev).

    4

    CO

    MP

    LM

    ENT

    :R

    AP

    PEL

    S SU

    R L

    A N

    ATU

    RE

    ET L

    A S

    TRU

    CTU

    RE

    DE

    LA M

    ATI

    RE

    Pour constituer les corps matriels, les atomessassemblent en difices plus ou moins complexes, queles chimistes ont dcrits de la faon suivante :

    - Corps Simples, constitus dune seule espce datome :Hydrogne, Oxygne, Carbone, Fer, Silicium, Baryum,Titane...,

    - Corps Composs, constitus dune seule espce demolcule, qui est elle-mme un assemblage rigoureusementquantifi datomes dtermins : eau (H2O), chlorure desodium (NaCl), alcool thylique (C2H6O), silice (SiO2).

    Les Corps Simples et les Corps Composs sont appels

    Corps Purs. Ils sont caractriss en particulier par destempratures de changement dtat - Fusion, Vaporisation -rigoureusement prcises, qui sont, en fait, desconstantes physiques de la matire.

    - Mlanges, constitus de proportions non strictementdfinies de Corps Simples et de Corps Purs, et doncimpossibles reprsenter par une formule chimiqueprcise : air, acier, verre, caoutchouc, miel, sang, ptrole...Leurs tempratures de Fusion et de Vaporisation ne sontpas prcises et varient en fonction de leur composition.

    COMPLMENTRAPPELS SUR LA NATURE

    ET LA STRUCTURE DE LA MATIRE

    Figure 2

  • Dans notre environnement terrestre, il a t dfini uneclassification macroscopique des matriaux en serfrant leurs constituants atomiques essentiels. Nouspouvons ainsi distinguer :

    - les matires minrales, comprenant les Corps Purset Mlanges qui constituent les roches de la croteterrestre - appeles SIAL et constitues essentiellement de SIlicium et dALuminium - ainsi que leurs drivs.Leurs molcules sont des combinaisons varies dunpetit nombre datomes (de un une vingtaine)appartenant lensemble de la classification deslments. Dans le domaine de lOptique Ophtalmique,les lments essentiellement rencontrs sont reprsentspar la zone verte de la figure 2.

    - les matires organiques, comprenant les Corps Purset Mlanges qui constituent essentiellement les rgnesvgtal et animal, ainsi que leurs corps drivs,carburants fossiles et matriaux de synthse de laChimie Organique. Les matires organiques, trsnombreuses et complexes (les organismes vivantssont des matires organiques), ont des molculesconstitues souvent dun nombre important datomes(jusqu plusieurs milliers) mais prlevs sur quelquesespces atomiques trs peu nombreuses : essen-tiellement C, H, O et N (zone rose de la figure 2). LeCarbone C, est en quelque sorte le squelette de lamatire vivante, H, O et N, tant les lments delatmosphre permettant la vie.

    Les trois tats de la Matire.

    Prenons lexemple dune goutte deau constitue demolcules H2O, comprenant 2 atomes dHydrognecombins un atome dOxygne. la tempratureambiante ces molcules sagitent en permanence touten restant agglutines, car elles exercent les unes surles autres une attraction qui maintient la cohsion dela goutte deau - cest ltat LIQUIDE. Lagitation estproportionnelle la temprature : si celle-ci augmente,le mouvement sacclre et les distances entremolcules augmentent. une certaine temprature,les forces dattraction deviennent insuffisantes pourmaintenir les molcules ensemble : celles-ci vont sedisperser en tous sens dans lespace - cest ltat deVAPEUR ou GAZ. nos yeux la goutte disparat envapeur deau invisible, mais est toujours constitue demolcules H2O. linverse si lon refroidit la gouttedeau, le mouvement se ralentit, puis tout coup lesmolcules cessent de glisser les unes par rapport auxautres et lensemble se fige : cest la glace, tatSOLIDE de leau. On observe dans la glace unestructure rgulire priodique, qui constitue le rseaucristallin. Dautres matires, le verre par exemple,prsentent ltat solide une structure non priodique,appele amorphe.

    5

    COMPLMENTRAPPELS SUR LA NATURE

    ET LA STRUCTURE DE LA MATIRE

    Figure 3 Figure 4

    Figure 3 : Changement dtat liquide-gaz : vaporation de leau.Figure 4 : Etat solide : glace.

  • 6Loptique ophtalmique a pour objet de restaurer unevision nette aux personnes amtropes par linterposition,entre lobjet regard et lil, dun verre correcteurdont la fonction dioptrique est rgie par :- des caractristiques gomtriques : rayon de courbure,gomtrie de surface...,- des paramtres physico-chimiques : indice de rfraction,constringence...

    Lobtention et le contrle de ces paramtres physico-chimiques constituent le cur de la recherche menesur les Matriaux. Dautre part, les outils et techniquesutiliss pour la fabrication des verres imposent deconnatre avec prcision les caractristiques des matiresutilises. Aussi est-il ncessaire davoir une connaissancetendue de ces matires dans les domaines suivants :- proprits optiques, pour le calcul de la fonctiondioptrique et le contrle des performances optiques,- proprits mcaniques et thermiques, pour dcrireles aspects dimensionnels et la rsistance auxdformations des verres,- proprits lectriques, pour caractriser physi-quement les matriaux,- proprits chimiques, pour rendre compte du compor-tement des matriaux face aux agents chimiquesextrieurs.

    A/ Proprits optiques

    Proprits essentielles du matriau, elles agissent surla lumire et permettent, en premier lieu, de produireleffet correcteur recherch. Elles correspondent auxdiffrents phnomnes optiques qui se produisent auniveau du verre : rfraction de la lumire travers lessurfaces, rflexion sur chaque face, absorptionventuelle par le matriau et galement diffusion etdiffraction. Dtaillons ces phnomnes et carac-trisons les proprits des matriaux qui leur sontassocies.

    Figure 5 : Rfraction de la lumire et dispersion chromatique.

    CA

    RA

    CTR

    ISAT

    ION

    DES

    MAT

    RIA

    UX

    I

    I CARACTRISATIONDES MATRIAUX

    Figure 5

  • Les rayons lumineux traversantle verre subissent une rfraction -ou dviation - au niveau des deux

    dioptres que constituent ses faces avant et arrire.Lamplitude de ces dviations est dtermine par lepouvoir de rfraction du matriau et lincidence desrayons sur chaque dioptre.

    a) Indice de rfraction

    Lindice de rfraction dun milieu transparent est lerapport n = c / v de la vitesse de propagation de lalumire dans le vide (c) et de la vitesse de propagationde la lumire dans ce milieu (v). Cet indice est unnombre - sans unit et toujours suprieur 1 - quiquantifie le pouvoir rfractant du milieu : plus lindicede rfraction est lev, plus la dviation dun faisceaulumineux passant de lair ce milieu est forte.

    Au niveau dun dioptre sparant lair dun milieutransparent dindice de rfraction n, la rfractionseffectue selon la loi de Snell / Descartes qui stipule(figure 5) : 1 - que le rayon rfract se situe dans le plan dfinipar le rayon incident et la normale la surface aupoint dincidence, 2 - que les angles dincidence i et de rfraction r quefont respectivement les rayons incident et rfract avecla normale la surface sont tels que :

    sin (i) = n sin (r)

    Comme la vitesse de propagation de la lumire dansun milieu transparent varie avec la longueur donde,on donne toujours la valeur de lindice de rfractionpour une longueur donde de rfrence : en Europe etau Japon on utilise la radiation le = 546.07 nm (raieverte du Mercure) et aux tats-Unis la radiation ld =587.56 nm (raie jaune de lHlium) ; notons que cettedistinction na deffet rel que sur la 3e dcimale de lavaleur de lindice...

    Les indices de rfraction des matriaux aujourdhuiutiliss en optique ophtalmique stendent approxi-mativement de 1.5 pour les matriaux minraux etorganiques traditionnels 1.9 pour les plus rcentsmatriaux minraux.

    b) Dispersion chromatique, Constringence ounombre dAbbe (*) :

    La variation de lindice de rfraction avec la longueurdonde de la lumire est lorigine du phnomne dela dispersion chromatique de la lumire blanche lorsde la rfraction. En effet, lindice de rfraction tantplus lev pour les courtes longueurs donde, il seproduit un talement de la rfraction de la lumirevisible du rouge vers le bleu (figure 5).

    Pour caractriser le pouvoir de dispersion dunmatriau, on utilise une quantit appele constringenceou nombre dAbbe (*). Cest un nombre inversementproportionnel la dispersion chromatique, dfini enEurope et au Japon par ne et aux Etats-Unis par ndselon les formules respectives :

    avec :ne : indice pour le = 546.07 nm (vert Hg)nd : indice pour ld = 587.56 nm (jaune He)

    nf : .................. lf = 479.99 nm (bleu Cd)nf : .................. lf = 486.13 nm (bleu H)

    nc : .................. lc = 643.85 nm (rouge Cd)nc : .................. lc = 656.27 nm (rouge H)

    La constringence varie gnralement en optiqueophtalmique entre 60 pour les matriaux les moinschromatiques et 30 pour les plus chromatiques. Dunemanire gnrale, mais non systmatique, plus lindicede rfraction dun matriau est lev, plus sadispersion chromatique est forte et donc sa cons-tringence faible (voir tableau 2, page 17).

    La dispersion chromatique est une caractristiqueimportante mais non essentielle pour loptiqueophtalmique. Elle existe dans tous les verres, esttoujours ngligeable en leur centre et ne savrerellement sensible quen priphrie des verresfabriqus dans des matriaux trs dispersifs. Elle semanifeste, dans ce cas, par la perception duneirisation colore du contour des objets lors du regardlatral. Lexprience montre que le chromatisme desverres ophtalmiques est sans effet sensible pour lagrande majorit des porteurs.

    (*) Voir complment ci-aprs.

    ne - 1 nd - 1 ne = ou nd =nf - nc nf - nc

    7

    CARACTRISATIONDES MATRIAUX

    1/ Rfraction de la lumire

  • Figure 6 : Rfraction, rflexion et absorption de la lumire dansun verre ophtalmique (verre indice 1.5 dabsorption 15 %).

    Simultanment la rfraction, seproduit toujours sur chaque facedu verre un phnomne de rfle-

    xion de la lumire, source de perte de transparencepour le verre et de reflets indsirables pour le porteur.La quantit de lumire perdue par rflexion estdautant plus importante que lindice de rfraction duverre est lev :

    Indice :

    1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

    Lumire totale rflchie :

    7.8 % 10.4 % 12.3 % 15.7 % 18.3 %

    Cette rflexion parasite peut tre quasi totalementsupprime au moyen du traitement antireflet (voirCahier dOptique Oculaire sur les Traitements).

    La lumire qui traverse un verrepeut subir une attnuation due labsorption par le matriau :

    dans le cas dun verre ophtalmique blanc celle-ci estngligeable; dans le cas dun verre teint ouphotochromique elle constitue la fonction du verre.Labsorption dun verre ophtalmique est caractrisepar son absorption interne cest--dire par la proportionde la lumire absorbe entre ses faces avant etarrire. Ainsi, lorsque lon parle dune absorption de,par exemple 15 %, cela signifie quune rductioninterne du flux lumineux de 15 % se cumule celledj apporte par la rflexion de la lumire sur lessurfaces du verre blanc. Labsorption dun verrerpond la loi de Lambert et varie exponentiellementen fonction de son paisseur (voir complment ci-aprs).

    Lumire transmise par un verre ophtalmique

    La lumire transmise par un verre nest autre que lalumire qui nest ni rflchie, ni absorbe par le verre.Ainsi, le flux lumineux ft qui atteint lil correspondau flux f incident sur la face avant du verre attnudu flux fr rflchi par les 2 surfaces et du flux faventuellement absorb par le matriau et ce tel queft + fr + fa = f. La perception qua le porteurrsulte de la combinaison de 3 lments : lintensitet la composition spectrale de la lumire incidente,labsorption et la slectivit spectrale du verre et enfinla sensibilit de lil aux diffrentes radiationsvisibles (voir figures 6 et 7 et le complment ci-aprs, pages 10 et 11).

    8

    2/ Rflexion de la lumire

    3/ Absorption de la lumire

    CARACTRISATIONDES MATRIAUXC

    AR

    ACT

    RIS

    ATIO

    N D

    ES M

    ATR

    IAU

    X

    I

    I

    1 = 4,0% 2 =

    3,2%

    ex =

    81,0%

    t = 77,

    8%

    in =

    96,0%

    = 100%

    Figure 6

  • a) Diffusion La diffusion est un phnomne dermission de la lumire danstoutes les directions. Elle se

    produit la surface de tout corps et dans lpaisseurdes matriaux transparents. Dans un verre ophtalmique,la diffusion de surface nexiste thoriquement paspuisque le surfaage du verre - et plus particu-lirement son polissage - vise lliminer. Elle apparaten revanche ds que des pollutions externes ousalissures grasses sont tales sur ses surfaces. Ladiffusion dans lpaisseur du verre est, elle aussi, trslimite : elle peut, dans certains cas, donner au verreun aspect jaune ou laiteux. La quantit de lumirediffuse par un verre ophtalmique reste trs faible ;elle est gnralement considre comme ngligeable.

    b) Diffraction La diffraction est un phnomne de modification dedirection de propagation des ondes lumineuses qui seproduit quand celles-ci rencontrent des obstacles depetites dimensions (de lordre de quelques longueursdonde). Ce phnomne revt une importancecertaine en optique ophtalmique car il agit comme unrvlateur des ventuelles irrgularits de surface desverres et, tout particulirement, des rayures dusage.

    9

    4/ Diffusion et diffraction de la lumire

    (nm)

    100

    80

    60

    40

    20

    0380 400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (%)

    (nm)

    100

    80

    60

    40

    20

    0380 400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (%)

    (nm)

    60

    40

    20

    0380400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (nm)

    60

    40

    20

    0380400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    v

    (nm)

    60

    40

    20

    0380 400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (nm)

    60

    40

    20

    0380 400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (nm)

    100

    80

    60

    40

    20

    0380 400 450 500 550 600 650 700 780750

    d

    (%)

    W.m

    -2 .h

    m -1

    W.m

    -2 .h

    m -1

    W.m

    -2 .h

    m -1

    W.m

    -2 .h

    m -1

    CARACTRISATIONDES MATRIAUX

    Figure 7

    Figure 7 : Transmission dun verre ophtalmique.

  • Caractrisation du chromatisme :constringence ou nombre dAbbe ?

    Par abus de langage, la constringence est souventappele nombre dAbbe. Pourtant leurs dfinitionssont en toute rigueur, lgrement diffrentes. En effet,le nombre dAbbe utilise la mme formule que celle dela constringence nd mais avec pour raie jaune derfrence, le milieu D du doublet du sodium delongueur donde lD = 589.29 nm au lieu de la raiejaune de lHlium de ld = 587.56 nm. Les diffrencesentre nd et nD (et mme ne ) sont cependant faibles etpeu significatives en optique ophtalmique puisquellesnaffectent que la premire dcimale de la valeur de laconstringence.

    Caractrisation de la transmission dunverre ophtalmique :

    Facteur de transmission

    t = ft / fIl caractrise les proprits de transmission dun verrepar le rapport du flux lumineux ft mergeant de sasurface de sortie et du flux lumineux f incident sur sasurface dentre (figure 6). En gnral, le facteurspectral de transmission tl du verre est dterminpour chaque longueur donde l de la lumireincidente.

    Courbe de transmission

    Elle dcrit les proprits physiques du filtre de lumirequest le verre en prsentant la variation de sonfacteur spectral de transmission tl en fonction de lalongueur donde (figure 7). Cette courbe permetdobserver la slectivit spectrale du filtre et dedterminer le facteur de transmission physique t duverre sur toute plage de longueurs donde l1 l2par la formule

    l2f l.tl dl

    l1tl =l2

    fl. dll1

    avec fl = flux spectral incident.

    Facteur relatif de transmission dans le visible tvCe facteur est spcifique de loptique ophtalmique ; ilrsume les proprits physiologiques du filtre en unnombre unique : le rapport du flux de lumire mer-geant du verre et du flux de lumire incident sur leverre tels quils sont perus par lil cest--direpondrs pour chaque longueur donde, par lefficacitlumineuse relative spectrale Vl de lil. Ce facteur secalcule selon la formule suivante :

    780

    fl.tl Vl dl380

    tv = 780

    fl.Vl dl380

    avec tl = facteur spectral de transmission, fl = fluxspectral incident, Vl = efficacit lumineuse relativephotopique spectrale de lil (voir illustration dtaillede la figure 7). Cest ce coefficient tl qui est utilispour la description et la classification des verressolaires.

    Coupure U.V.

    Loptique ophtalmique, sintresse plus particuli-rement aux proprits dabsorption des ultraviolets :pour caractriser la coupure U.V. du verre ondtermine, sur la courbe de transmission du verre, lalongueur donde en de de laquelle le verre transmetmoins de 1 % de la lumire.

    NB : Les caractristiques de transmission des verresophtalmiques sont le plus souvent tablies pour desverres dpaisseur 2.0 mm et sous incidence normale.

    CO

    MP

    LM

    ENT

    : C

    AR

    ACT

    RIS

    ATIO

    N D

    ES P

    ERFO

    RM

    AN

    CES

    DU

    N V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E

    10

    COMPLMENTCARACTRISATION DES PERFORMANCES OPTIQUES DUN VERRE OPHTALMIQUE

  • Caractrisation de la rflexion dun verreophtalmique :

    Facteur de rflexion

    r = fr / fIl caractrise la rflexion linterface de deux milieuxpar le rapport du flux lumineux rflchi fr et du fluxlumineux incident f (figure 6). En gnral, on dter-mine le facteur spectral de rflexion rl pour chaquelongueur donde l de la lumire incidente.

    Au niveau dun dioptre sparant lair dun milieutransparent dindice de rfraction n, le facteur derflexion est donn par la formule suivante tablie parFresnel :

    n - 1 2r =( )n+1sous incidence normale de la lumire. Ce facteur repr-sente le frein au passage de la lumire travers ledioptre et sutilise comme un coefficient attnuateurappliqu au flux incident de lumire : ainsi, un fluxlumineux f traversant un dioptre de facteur derflexion r se voit amput dune fraction dintensit fret devient donc f.(1 - r) aprs franchissement dudioptre. Dans le cas dun verre ophtalmique, lephnomne de rflexion se produit la fois sur la faceavant et sur la face arrire du verre et le flux rflchitotal est donn par fr = f . r .(2 - r) en labsencedabsorption.

    Facteur relatif de rflexion dans le visible rvCe facteur est utilis en optique ophtalmique, pourcaractriser leffet visuel de la rflexion par le rapportdu flux de lumire fr rflchi et du flux de lumireincidente f tels quils sont perus par lil cest--direpondrs pour chaque longueur donde, par lefficacitlumineuse relative spectrale Vl de lil. Ce facteur secalcule selon la formule suivante :

    780

    rl fl Vl dl380

    rv = 780

    fl Vl dl380

    avec rl = facteur spectral de rflexion, fl = fluxspectral incident, Vl= efficacit lumineuse relativephotopique spectrale de lil.

    11

    COMPLMENTCARACTRISATION DES PERFORMANCES OPTIQUES DUN VERRE OPHTALMIQUE

    Caractrisation de labsorption dun verreophtalmique :

    Facteur dabsorption

    ai = fa / finIl caractrise labsorption dun verre par le rapport duflux lumineux fa = fin - fex absorb entre les facesdentre et de sortie du verre et du flux lumineux fin ayant pntr le verre (voir figure 6). Silabsorption du verre varie avec la longueur donde, lefacteur spectral dabsorption interne ai l du verre estdtermin de la mme manire pour chaque longueurl de la lumire incidente.

    La quantit de lumire absorbe au cours de latraverse dun matriau est donne par la loi deLambert qui stipule que des couches de matriaudgales paisseurs produisent une absorption delumire gale (en %) quelle que soit lintensit de la lumire. Ainsi, il est possible den dduire que le fluxlumineux fex atteignant la surface de sortie du verreest donn par la formule fex = fin . e-k.x avec k le coefficient dextinction spcifique du matriau et x lpaisseur de matriau traverse par la lumire.Le facteur dabsorption interne est donn par ai = 1 - e-k.x; il sapplique comme un coefficient attnua-teur tel que fex = fin. (1- ai ).

    Application : calcul du flux lumineux transmis par un verre

    Soit un flux lumineux incident f qui atteint la surfacedun verre : - aprs rflexion partielle sur le premier dioptre, le fluxqui pntre dans le verre est : f . (1 - r),- ce flux subit une attnuation au cours de la traversedu verre et devient : f. (1 - r)( 1 - ai ) quand il atteintla deuxime face du verre,- une nouvelle rflexion se produit alors et le flux quimerge du verre est : ft = f (1 - r)2 .(1 - ai ).

  • 12

    CARACTRISATIONDES MATRIAUX

    B/ Proprits mcaniquesCes proprits, caractristiques de ltat solide desmatriaux dfinissent les grandeurs relatives lamasse, au volume et aux dimensions, ainsi que larsistance la dformation et au choc. On utilisegnralement les caractristiques suivantes :- masse volumique (g.cm-3 ou kg.m-3) ou densit(nombre sans dimensions, gal au rapport de lamasse d1 m3 du matriau considr la masse de1m3 deau, sous conditions normales),- duret mesure dans des systmes instrumentsbien dfinis, dnomms Knoop, Rockwell, Barcol...,- module dlasticit E (ou module dYoung) : rapportentre une contrainte et la dformation correspondantedans le domaine o le matriau reprend sa formeinitiale lorsque la contrainte cesse (en Pascal : Pa),- rsistance au choc : conformit au test de la chutedune bille de 16 g depuis une hauteur de 1,27 m -test tabli aux USA par la Foods & Drug Admi-nistration (FDA),- rsistance la rupture : conformit au test CEN 100 Newtons de dformation statique - il sagitdexercer une pression croissant vitesse constantejusqu une valeur de 100 Newtons ( ltude au seindu Comit Europen de Normalisation),- contrainte de rupture en traction, en compression,en flexion (Pa),

    CA

    RA

    CTR

    ISAT

    ION

    DES

    MAT

    RIA

    UX

    I

    I

  • CARACTRISATIONDES MATRIAUX

    C/ Proprits thermiquesElles caractrisent les changements dtat et lesinteractions de la matire avec la temprature. Nousdonnerons essentiellement :- la conductivit thermique (W.m

    -1.K

    -1),

    - la chaleur spcifique : quantit de chaleur quil fautfournir lunit de masse pour lever sa tempraturede 1 (J.Kg

    -1.K

    -1),

    - le coefficient de dilatation linaire : donn sur uneplage de temprature dfinie (10

    -7/K),

    - la temprature de fusion (dC) - constante physiquepour les Corps Purs - pour le verre : dfinie par lavaleur pour laquelle le verre prsente une viscosit de10

    2,5poises,

    - la temprature de vaporisation (dC) une pressiondonne - par exemple, pour les matriaux utiliss entraitement antireflet on pourra donner la tempraturedvaporation sous vide pouss (~ 10

    -6mbar),

    - la temprature de contrainte TC (pour le verre) : cestla temprature pour laquelle la viscosit atteint lavaleur de 10

    14,5poises,

    - la temprature de transition vitreuse TG pourlaquelle la viscosit du verre prsente une valeur de 10

    13,3poises.

    D/ Proprits lectriquesElles caractrisent les interactions de la matire avecles ondes lectromagntiques et llectricit. Lesinteractions de la matire avec les ondes lectro-magntiques sont rgies par des lois complexes quirelient les proprits optiques des corps aveccertaines de leurs proprits lectriques. Danscertaines fiches techniques de fabricants de matiresfigure ainsi la mention des paramtres suivants :- la rigidit dilectrique (V.m-1),- la tangente de langle de pertes (tg d x 10

    4), des

    frquences dfinies.

    E/ Proprits chimiquesElles caractrisent le comportement des Matriauxface aux substances chimiques habituellementrencontres dans la fabrication des verres, la viequotidienne, et certaines conditions extrmes quipermettent dacclrer le vieillissement des matirespour en prouver la fiabilit. Il sagit essentiellementde leau - chaude et froide, sale et douce - desacides, des bases, et de divers solvants organiques.Enfin, dans les normes internationales, il estgalement prvu de mesurer la rsistance au feu desmatriaux utiliss dans la fabrication des verresophtalmiques.

    13

  • 14

    A/ Les matriaux minrauxLe verre minral est un matriau solide et amorphe,dur et cassant temprature ambiante et qui prendun tat visqueux haute temprature. Il est obtenupar la fusion environ 1500 C dun mlangedoxydes comme ceux de Silicium, Calcium, Sodium,Potassium, Plomb, Baryum, Titane, Lanthane, etc. Leverre minral na pas une structure chimique rgulireet, en consquence, pas de point de fusion net auquelil passe brutalement de ltat solide ltat liquide. Deplus, avec llvation de la temprature, le verre seramollit, sa viscosit diminue et il passe trs pro-gressivement de ltat solide ltat liquide par untat dit vitreux caractris par labsence de cristaux.Cette particularit exclusive en permet le travail chaud et donc le moulage. Deux proprits le rendentintressant pour loptique ophtalmique : il transmet lalumire visible et sa surface peut tre polie pour trerendue transparente et non diffusante.

    Le verre minral dindice1.5 est le matriau tradi-tionnel de loptique ophtal-mique. Il est constitu

    60-70 % doxyde de Silicium et pour le reste decomposants divers comme les oxydes de Calcium,Sodium et Bore. Le verre minral dindice 1.6 tend devenir aujour-dhui le nouveau standard de loptique ophtalmique.Son indice plus lev est obtenu par ladjonction dansle mlange dune proportion significative doxyde deTitane.

    On a pour habitude de classifier les matriaux en 2 catgories, selon leur composition chimique (voir tableau 1) :- les matriaux Sodocalciques contenant desproportions significatives de Sodium et de Calcium :ce sont les matriaux traditionnels de loptique.Leur indice de rfraction est peu lev (ne = 1.525 / nd = 1.523) et leur dispersion chroma-tique est faible (constringence de lordre de 60),- les matriaux Borosilicates forte teneur en Bore :ce sont les matriaux plus rcents utiliss pour lafabrication des photochromiques et les verresminraux moyens indices (ne = 1.604 / nd = 1.600).

    La coloration dans la massedes matriaux minraux estobtenue par lincorporationdans leur composition de

    sels mtalliques aux proprits dabsorptionspcifiques : par exemple, des sels de Nickel et Cobalt(pourpres) ; Cobalt et Cuivre (bleus) ; Chrome (vert) ;Fer, Cadmium (jaune) ; Or, Cuivre, Slnium (rouges),etc. Ces matriaux teints masse sont utilissessentiellement pour la fabrication de srie des verresafocaux solaires ou de protection. Il existe aussiquelques matriaux faiblement teints masse - enbrun, gris, vert ou rose - et spcifiquement filtrants quisont utiliss pour la fabrication des verres correcteursmais leur usage est aujourdhui en net dclin. Ilsprsentent en effet linconvnient doffrir uneintensit de teinte fonction de lpaisseur du verre.

    LE V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E D

    E B

    ASE

    II

    II

    1/ Les matriauxminraux standards(1.5 et 1.6)

    2/ Les matriauxminraux teintsmasse

    LE VERREOPHTALMIQUE DE BASE

  • 15

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    Le photochromisme est laproprit dun matriau ragir lintensit du rayon-nement solaire par une

    modification de ses proprits dabsorption de lalumire. Son principe de base - commun aux mat-riaux photochromiques minraux et organiques - estde sobscurcir sous leffet du rayonnement U.V. et desclaircir sous leffet de la chaleur ambiante et ce, demanire indfiniment rversible.

    Ce phnomne est obtenu par lactivation demolcules de substances photochromiques incor-pores dans le matriau. Labsorption du matriau estdtermine tout instant par lquilibre entre lenombre de molcules photosensibles actives par lastimulation U.V. et le nombre de molculesdsactives par la chaleur.

    Les premiers matriaux minraux photochromiquessont apparus vers 1962 et ont sans cesse tamliors depuis avec les diffrentes gnrations deverres qui se sont succdes. Ils sont obtenus parlintroduction dans la matire de cristaux dhalo-gnure dArgent qui, ragissant aux ultraviolets,provoquent lassombrissement du verre. Au niveauatomique, le mcanisme fondamental de ce photo-chromisme est un change dlectrons entre latomedArgent - prsent par exemple sous forme deChlorure dArgent (figure 9) - et son environnement.En labsence de lumire, la liaison Argent-Chlore estionique et lion Argent est transparent : le verreconserve un tat clair. En prsence de rayonnementU.V., llectron instable quitte lion Chlore pourrejoindre lion Argent qui devient mtallique etabsorbe alors la lumire : le verre prend un tat assombri.

    Lorsque le rayonnement U.V. diminue, llectronmobile quitte latome dArgent et retourne verslatome de Chlore et le verre revient progressivement sa teinte initiale.

    Figure 8 : Principe gnral du photochromisme.Figure 9 : Principe du photochromisme minral.

    Figure 8

    Figure 9

    3/ Les matriauxminrauxphotochromiques

    Chlore (Cl)

    lectron

    Argent (Ag)

  • Les verriers cherchent depuisde nombreuses annes toujours lever lindice derfraction des matriaux touten maintenant le chromatisme

    un niveau faible. Pour cela, des lments chimiques nouveaux ont trgulirement introduits dans la composition desmatriaux. Ainsi sont apparus, vers 1975, les verresau Titane dindice 1.7 et constringence 41, puis vers1990, les verres au Lanthane dindice 1.8 etconstringence 34 et enfin, vers 1995, les verres auNiobium dindice 1.9 et constringence 30. Cesmatriaux permettent de raliser des verres de plusen plus minces mais sans rduction trs significativedu poids. En effet, laccroissement de lindice derfraction du matriau saccompagne dune augmen-tation de sa densit qui minore le gain de lgretattendu de la rduction du volume du verre.

    Tableau 1 : Composition chimique pondrale indicative des principaux matriaux minraux

    16

    4/ Les matriauxminraux hauts indices (1.7, 1.8 et 1.9)

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    LE V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E D

    E B

    ASE

    II

    II

    TYPE DE VERRE

    Composant Oxyde Sodocalcique Borosilicate Titane Titane/ Lanthane/NiobiumLanthane

    1.5 blanc 1.5 teint 1.5 photo1.6 photo 1.6 blanc 1.7 blanc 1.8 blanc 1.9 blanc

    Silicium SiO2 70 71 57 48 56 36 29 7

    Aluminium AI2O3 1 - 6 - 1 - - -

    Bore B2O3 1 - 18 15 6 10 2 17

    Sodium Na2O 11 12 4 1 9 2 - -

    Potassium K2O 5 6 6 5 8 - - -

    Lithium Li2O - - 2 2 4 6 4 -

    Magnsium MgO 1 - - - - - - -

    Calcium CaO 9 11 - - - 9 15 14

    Baryum BaO 2 - - 6 - - - -

    Zirconium ZrO2 - - 5 7 1 5 5 8

    Titane TiO2 - - 2 6 15 6 9 9

    Niobium Nb2O5 - - - 8 - 9 15 21

    Lanthane La2O3 - - - - - 14 21 24

    Strontium SrO - - - 2 - 3 - -

    Fer Fe2O3 - 1 - - - - - -

  • Tableau 2 : Caractristiques des principaux matriaux

    17

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    MATRIAUX ORGANIQUES

    ThermodurcissablesThermo-

    plastiques

    Indice traditionnel Moyen indice Haut indice Haut indice

    blanc photochromique photochromique blanc photochromique photochromique blanc polycarbonate

    gris brun gris brun

    Marque Essilor Orma Orma Orma Ormex Ormex Ormex OrmilTransitions Transitions Transitions III Transitions III

    Plus Eurobrown

    Indice de rfraction ne 1,502 1,502 1,502 1,561 1,559 1,559 1,599 1,591

    nd 1,500 1,500 1,500 1,557 1,557 1,557 1,595 1,586

    Constringence ne 58 58 58 37 37 37 36 31

    nd 59 59 59 37 38 38 36 30

    Densit 1,32 1,28 1,28 1,23 1,20 1,20 1,36 1,20

    Coupure U.V. 355 nm 370 nm 370 nm 370 nm 390 nm 390 nm 380 nm 380 nm

    MATRIAUX MINRAUX

    Indice traditionnel Moyen indice Haut indice

    blanc photochromique photochromique blanc photochromique photochromique blanc blanc

    gris brun gris brun

    Marque Essilor 15 blanc 15 Isorapid 15 Isorapid 16 blanc 16 Isorapid 16 Isorapid 17 18gris brun gris brun

    Indice de rfraction ne 1,525 1,525 1,525 1,604 1,604 1,604 1,705 1,807

    nd 1,523 1,523 1,523 1,600 1,600 1,600 1,701 1,802

    Constringence ne 59 57 56 41 42 45 41 34

    nd 59 57 56 42 42 46 42 35

    Densit 2,61 2,41 2,41 2,63 2,70 2,80 3,21 3,65

    Coupure U.V. 330 nm 335 nm 335 nm 335 nm 345 nm 345 nm 335 nm 330 nm

  • B/ Les matriaux organiques

    Les matires organiques peuvent tre divises en 2 groupes :- les matires thermodurcissables qui ont la propritde se durcir sous laction de la chaleur et de ne pluspouvoir tre ramollies par la suite ; ce groupe ap-partiennent la plupart des rsines utilises en optiqueophtalmique et en particulier le CR 39,- les matires thermoplastiques qui ont la propritde se ramollir sous laction de la chaleur et de pouvoirtre formes chaud ou moules par injection : lepolycarbonate en est un bon exemple.

    (1) CR 39 est une marque dpose par PPG Industries.(2) Orma est une marque dpose par Essilor International.

    Le Dithylne Glycol bis(Allyl Carbonate), plus connusous le nom de CR 39 (1), estle matriau organique de

    base utilis pour la fabrication de la trs grandemajorit des verres organiques vendus aujourdhui. Dcouvert, dans les annes 40, par les chimistes de laColumbia Corporation (division de la socitamricaine PPG ou Pittsburg Plate Glass) il en tire sonnom puisquil fut la Columbia Resin n 39 dunesrie de polymres tudis par ces chimistes pourlUS Air Force. Il fut appliqu la fabrication desverres correcteurs dans les annes 55-60 (par lasocit LOS ou Lentilles Ophtalmiques Spciales,lune des socits lorigine dEssilor), et permitlintroduction des verres Orma (2), les premiersverres la fois lgers et rsistants aux chocs.

    Le CR 39 est une rsine thermodurcissable poly-mrisable cest--dire quil se prsente la base sousla forme dun liquide (le monomre) qui est durci parpolymrisation sous leffet de la temprature et duncatalyseur. La polymrisation est une ractionchimique qui consiste en lenchanement de plusieursmolcules identiques (du monomre) pour donnernaissance une nouvelle molcule (le polymre) dedimensions et proprits diffrentes. Dans le cas duCR 39, ce polymre est rticul (cest--dire constitudun rseau tridimensionnel) ce qui a pour parti-cularit de le rendre infusible, insoluble, rsistant auxsolvants et dimensionnellement stable.Le CR 39 prsente pour loptique ophtalmique uncertain nombre de caractristiques qui sont loriginede son succs : un indice de rfraction de 1.5 (prochede celui du verre minral standard), une densit de1.32 (prs de la moiti de celle du minral) et uneconstringence de 58-59 (donc un trs faible chroma-tisme), une grande rsistance aux chocs, uneexcellente transparence et de multiples possibilits decoloration. Son dfaut majeur par rapport au verreminral est sa faible rsistance labrasion.

    Figure 10 : Molcule de CR 39 : monomre et polymre.

    18

    1/ Le matriauorganique standard (CR 39)

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    LE V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E D

    E B

    ASE

    II

    II

  • 19

    Figure 10

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

  • Les matriaux organiquesteints masse sont exclu-sivement utiliss pour la fabri-cation des verres afocaux

    solaires. Ils sont obtenus par ladjonction de colorantsavant la polymrisation et permettent de produire engrande srie des verres plans de toutes teintes etintensits. Dans ces matriaux sont gnralementincorpors des absorbeurs U.V. amliorant la pro-tection contre ces radiations.

    Les premiers matriauxorganiques photochromiquessont apparus vers 1986mais nont pris leur essor

    rel qu partir de 1990 avec lapparition despremiers verres Transitions (3). Leffet photochromiquey est obtenu par lintroduction dans la matire decomposs photosensibles qui, sous laction deradiations ultraviolettes spcifiques, subissent unchangement de leur structure qui provoque unemodification des proprits dabsorption de lamatire. Lintroduction des composs est raliseselon deux procds principaux : soit avant la poly-mrisation, par mlange avec le monomre liquide ;soit aprs la polymrisation, par imprgnation ensurface (cas des verres Transitions). Plusieurs famillesde molcules sont utilises pour gnrer le photo-chromisme. Les modifications de structure quellessubissent peuvent tre de plusieurs types : la figure 11

    Figure 11 : Principe du photochromisme organique (cas dunemolcule de Spiro-Oxazine).

    20

    (3) Transitions est une marque dpose par Transitions Optical Inc.

    Figure 11

    2/ Les matriauxorganiquesteints

    3/ Les matriauxorganiquesphotochromiques

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    LE V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E D

    E B

    ASE

    II

    II

    TAT ASSOMBRI

    TAT CLAIRCI

  • 21

    Les matriaux organiques moyen (n < 1.56) et hautindice (n > 1.56) connaissentdepuis quelques annes ungrand essor. Par rapport au

    CR 39 traditionnel, ils permettent de fabriquer desverres plus minces et encore plus lgers. Ils ont dunemanire gnrale une densit proche de celle du CR 39 (entre 1.20 et 1.40), un chromatisme pluslev (constringence < 45), une plus grande sensi-bilit la chaleur et offrent en gnral une meilleureprotection contre les U.V. (voir tableau 2). Cesmatriaux prsentent linconvnient dtre sensibles la rayure au point dexiger un traitement antirayuresystmatique de leur surface. Ils peuvent, le plussouvent, tre colors et traits antireflet. Aujourdhuien plein dveloppement, ces matriaux sont promis un grand avenir.

    a/ Rsines thermodurcissables

    La plupart des matriaux organiques moyen et hautindices disponibles aujourdhui sont des rsines thermo-durcissables. Laugmentation de lindice de rfractiony est obtenue selon lune des deux techniquessuivantes : - soit par modification de la structure lectronique dela molcule de dpart avec, par exemple, lintroductionde structures aromatiques,- soit par introduction dans la molcule de dpartdatomes lourds comme ceux des halognes (Chlore,Brome...) ou de Soufre.Le principe de fabrication des verres en ces matriauxest similaire celui dcrit plus haut pour le CR 39.

    illustre lexemple dune molcule de Spiro-Oxazinedont la partie droite subit une rotation sous leffet dela lumire ultraviolette provoquant ainsi lassom-brissement du verre. Le photochromisme des ma-triaux organiques est gnralement obtenu parlintroduction de plusieurs colorants ; leffet photo-chromique global rsulte de la combinaison des effetsphotochromiques associs chacun dentre eux.

    4/ Les matriauxorganiques moyen et hautindices

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

  • 22

    Le polycarbonate est un matriau relativement ancien - il fut dcouvert vers 1955 - qui ne connatune relle utilisation en optique ophtalmique quedepuis quelques annes. Grce aux nombreusesamliorations dont il a fait lobjet - en particulier pourson utilisation dans lindustrie du disque compact - iloffre aujourdhui une qualit optique tout faitcomparable celle des autres matriaux organiques. Du point de vue chimique, le polycarbonate est unpolymre linaire thermoplastique structureamorphe dont le squelette carbon est constitudune succession de radicaux Carbonate (-CO3) etPhnol (-C6H5OH) (figure 12). Il est le plus souventfabriqu selon la raction chimique suivante,dnomme polycondensation :

    Le polycarbonate prsente des avantages qui lerendent particulirement intressant pour loptiqueophtalmique : une excellente rsistance aux chocs(plus de 10 fois celle du CR 39), un indice derfraction lev (ne = 1.591, nd = 1.586), une grandelgret (masse volumique = 1.20 g/cm3), uneprotection efficace contre les ultraviolets (coupureU.V. 380 nm) et une grande rsistance la chaleur(point de ramollissement suprieur 140 C).Comme tous les matriaux organiques dindice lev,le polycarbonate est un matriau tendre qui doit tresystmatiquement revtu dun vernis antirayure. Saconstringence est relativement faible (ne= 31, nd= 30),mais sans effets sensibles pour la majorit desporteurs. Ses possibilits de coloration et de traitementantireflet approchent aujourdhui celles des autresmatriaux organiques : le polycarbonate tant diffici-lement teintable, la coloration est gnralementobtenue par imprgnation dun revtement colorabledpos sur la face arrire du verre; le traitementantireflet est ralis de manire analogue celle desautres matriaux.

    Figure 12 : Molcule de Polycarbonate : monomre et polymre.

    b/ Rsines thermoplastiques :le polycarbonate

    Utilises dans les annes 50 pour la fabrication despremiers verres organiques, les matires thermo-plastiques - comme le Plexiglas ou PMMA - se sontavres trop peu rsistantes labrasion et furentrapidement supplantes par le CR 39. Elles con-naissent aujourdhui un nouvel essor avec le dvelop-pement du polycarbonate.

    LE V

    ERR

    E O

    PH

    TALM

    IQU

    E D

    E B

    ASE

    II

    II LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

    HO C

    CH3

    CH3

    OH C

    CH3

    CH3

    O Cn

    nOII -

  • 23

    Figure 12

    LE VERREOPHTALMIQUE

    DE BASE

  • Selon les matriaux utiliss, la technique defabrication du verre de base diffre grandement maisson principe gnral reste le mme : le verre estfabriqu soit directement ltat dit fini que nous luiconnaissons, soit en un tat intermdiaire dit semi-fini, sorte de verre trs pais dont la face convexe esttermine et dont la face concave sera ultrieurementsurface, la demande, pour obtenir la correctionvoulue.

    A/ Fabrication des verres minrauxQuel que soit le type de matire, la fabrication dunverre minral consiste en un surfaage des faces avantet arrire dun palet de verre minral fourni parlindustrie verrire. Ce palet est fabriqu par moulagedu verre encore incandescent la sortie du four danslequel a t ralise la fusion de ses divers compo-sants. Il se prsente sous la forme dun verre trspais dont les surfaces sont irrgulires et lacomposition interne parfaitement homogne. Sesfaces avant et arrire sont ensuite surfaces descourbures adquates pour donner naissance au verrefinal.

    Le surfaage de chacune des deux faces du verrecomprend trois phases distinctes :

    - phase 1 : lbauchage consiste usiner le verreavec un outil diamant pour lui donner son paisseuret ses rayons de courbure. Aprs bauchage, le verrea dj sa forme quasi dfinitive mais prsente encoreune surface rugueuse et seulement translucide.

    - phase 2 : le doucissage consiste affiner le grainde la surface du verre sans modifier ses rayons decourbure. Pour cela, le verre, solidement maintenu,est amen au contact dun outil surface abrasivedont le rayon de courbure est exactement celui duverre raliser (figure 13). Le verre et loutil sontchacun anims dun mouvement et arross dunmlange lubrifiant. A la fin de lopration qui dure quel-ques minutes, le verre est trs exactement lpaisseur et aux rayons de courbure souhaits maissa surface nest pas encore parfaitement polie.

    - phase 3 : le polissage est lopration de finitiondonnant au verre sa transparence dfinive. Cest uneopration similaire la prcdente avec lutilisationdun polissoir plus souple et dune solution abrasivede grain trs fin.

    Industriellement, le surfaage des faces avant desverres (de tous types : sphriques, asphriques,bifocales ou progressives) est ralis en srie tandisque le surfaage des faces arrire (qui sont seulementsphriques ou toriques) est ralis en srie ou lapice selon leur frquence dutilisation.

    Figure 13 : Principe du surfaage (convexe et concave).

    24

    LAFA

    BR

    ICAT

    ION

    DES

    VER

    RES

    III

    III LA FABRICATIONDES VERRES

  • LA FABRICATIONDES VERRES

    25

    Figure 13

    - 1 -Ebauchage

    - 2 -Doucissage

    - 3 -Polissage

  • B/ Fabrication des verres organiquesConsidrons successivement la fabrication des verresorganiques en matires thermodurcissables etthermoplastiques qui font appel des techniques trsdiffrentes.

    Prenons lexemple du CR 39. Le monomre estapprovisionn de lindus-trie chimique sous la forme

    liquide et suivent alors les tapes de fabricationsuivantes :- prparation du monomre : filtrage, dgazage etadjonction dun catalyseur,- assemblage des moules : ils comportent deux paroisen verre ou mtal qui sont assembles soit par appuisur un joint circulaire et serrage par un clip, soit aumoyen dun ruban adhsif,

    - remplissage : lespace vide cr entre les deux paroisdu moule est rempli de monomre liquide,- polymrisation : les moules remplis sont placs dansdes tuves o ils sont soumis pendant plusieursheures un cycle de tempratures - ou, pour certainesmatires, soumis un rayonnement ultraviolet dequelques minutes - qui provoquent le durcissementprogressif de la rsine,- dmoulage : le joint ou ruban et les parois du moulesont spars pour librer le verre.

    Cette procdure est utilise aussi bien pour lafabrication des verres finis que semi-finis, seule la forme du moule change de lun lautre. Elle estglobalement la mme pour la majorit des matriauxorganiques thermodurcissables utiliss aujourdhui enoptique ophtalmique.

    Figure 14 : Principe de fabrication des verres en rsinesthermodurcissables.

    26

    Figure 14

    1/ Matiresorganiquesthermodurcissables

    LA FABRICATIONDES VERRES

    LAFA

    BR

    ICAT

    ION

    DES

    VER

    RES

    III

    III

    UV

    t

  • Prenons lexemple du poly-carbonate. Le matriau debase se prsente sous laforme de granuls qui

    sont ramollis par chauffage pour tre injects dansdes moules la forme des verres. La technologieconsiste fluidifier le matriau de base par chauffageet lenvoyer, laide dun piston, dans des moules enmtal ou en verre. Une vis dextrusion opre laplastification du matriau dans le cylindre dinjectionet joue en mme temps le rle de piston, poussant lamatire chaude par plusieurs canaux dans la cavitdes moules. Aprs linjection et un temps derefroidissement, les moules, composs de 2 parties,sont ouverts et librent les verres (figure 15).

    Les diffrentes oprations de la fabrication sont lessuivantes :- prparation du matriau : schage des granuls parair chaud et chargement sur la presse,- rglage de la presse : mise en place des moules,rglage pression, temprature du moule, tempsdinjection de refroidissement, chauffage de la matire( environ 300 C),

    - injection : moulage sous pression du matriau fondu,- refroidissement : solidification du matriau parconduction travers les moules,- dmoulage : par ouverture de la presse et du blocsupport des moules.

    Cette technologie permet de fabriquer des verres detoutes gomtries en fonction des moules qui sontinsrs dans la presse. Ces verres sont soit finis ettraitables en ltat, soit semi-finis et surfacsultrieurement sur leur face arrire par des techniquessimilaires celles utilises pour les autres matriaux.

    Figure 15 : Principe de fabrication des verres polycarbonate.

    27

    Figure 15

    2/ Matiresorganiquesthermoplastiques

    LA FABRICATIONDES VERRES

  • Essilor International mars 1997

    Tous droits de reproduction, de traduction et dexcution rservs pour tous pays.

    28

    CONCLUSION

    Depuis leur apparition, les matriaux or-ganiques nont cess de se dvelopper etde se substituer progressivement aux mat-riaux minraux. Ils reprsentent aujour-dhui la majorit des verres vendus dansles pays industrialiss. Leur succs, essen-tiellement fond sur leurs qualits delgret et de rsistance aux chocs sestvu renforc par la leve successive desfreins leur dveloppement : amliorationde leur rsistance aux rayures, dvelop-pement du photochromisme, augmen-tation de leur indice de rfraction, miseau point de multiples traitements. Lesmatriaux organiques possdent aujour-dhui les atouts ncessaires la poursuitede leur conqute du march mondial desverres ophtalmiques. Les matriaux mi-nraux - grce leur meilleure rsistance la rayure et leurs indices de rfractionplus levs - continueront constituer unesolide alternative et ce, afin doffrir lensemble des porteurs un confort devision toujours amlior.

  • mieux voir le monde

    ES

    SILO

    R IN

    TER

    NA

    TIO

    NA

    L -

    R.C

    .PA

    RIS

    B 7

    12

    04

    9 6

    18

    - S

    ER 1

    45

    - E

    ditio

    n 0

    3/9

    7 -

    Pri

    nted

    in F

    ranc

    e -

    Cr

    atio

    n P

    ista

    che

    Les matriaux - Cahiers d'optique oculaire EssilorSommaireIntroductionCaractrisation des matriauxA/ Proprits optiquesB/ Proprits mcaniquesC/ Proprits thermiquesD/ Proprits lectriquesE/ Proprits chimiques

    Le verre ophtalmique de baseA/ Les matriaux minrauxB/ Les matriaux organiques

    La fabrication des verresA/ Fabrication des verres minrauxB/ Fabrication des verres organiques

    Conclusion