Les verres optiques

Petite histoire des verres et de leurs procédés de fabrication

Il était une fois…

Les premiers “verres” sont en fait des cristaux taillés pour former des lentilles. Assez rapidement, cependant, du verre a pu être obtenu par fusion de sable avec des matériaux alcalins. Le verre ainsi formé est alors soufflé pour former des objets du quotidien, tels que des vases ou des vitres.

Avec l’utilisation scientifique de systèmes optiques (lunettes astronomiques et microscopes), les limites des verres à vitre apparaissent rapidement et les fabricants consacrent de plus en plus d’efforts à leur amélioration dans un but de recherche. Les verres disponibles se diversifient au XVII^e siècle avec l'apparition du verre au plomb inventé dans la manufacture de George Ravenscroft. Ce type de verre est le premier “flint”.

Aux XVIII^e et XIX^e siècles, les fours pour la fabrication du verre sont améliorés progressivement afin de permettre une production plus régulière et une moindre consommation en combustible. Le physicien Michael Faraday travaille également à la création de verres borosilicates à des fins scientifiques. Il faudra pourtant attendre Otto Schott et la fondation de sa manufacture en 1884 pour qu'une recherche extensive sur les types de verres soit menée.

Contrôle de qualité des verres Schott au XIX^e siècle. Source Zeiss.

Quelles différences avec les verres standards ?

Du point de vue optique, ce que l’on attend d’un verre, c’est qu’il se comporte de la même manière pour tous les rayons lumineux. On attend donc des verres très homogènes et dotés de peu d’impuretés. Les verres antérieurs au XIX^e siècle souffraient d'une agitation imparfaite (les oxydes ajoutés n'étaient pas parfaitement mélangés) et d'une température mal contrôlée. Les techniques développées par la suite ont permis une production plus homogène et donc de meilleure qualité.

Les paramètres physiques du verre (à savoir les indice de réfraction et nombre d’Abbe) doivent être identiques pour l’ensemble de la lentille confectionnée, quel que soit l'angle, et proches des valeurs utilisées pour la simulation. Certaines contraintes mécaniques ont conduit à la création de verres adaptés à des besoins optiques. C'est le cas, par exemple, du verre Zerodur, inventé en 1968 et dont la dilatation thermique est nulle, le rendant performant pour des applications astronomiques où ce phénomène peut être désastreux dans le cas de miroirs de télescopes de plusieurs mètres de diamètre.

Fonte d'un support en verre Zerodur à dilatation thermique nulle. Source Schott/ESO.

Verres et photographie

Au XIX^e siècle, la fabrication de verre optique passe progressivement de l’échelle artisanale à une production industrielle. En Europe, Otto Schott s’associe à Carl Zeiss et au physicien Ernst Abbe pour produire des systèmes optiques de grande qualité. Une grande partie de ce succès provient de l'utilisation de verres de grande facture et régularité. En Asie, plusieurs grands fabricants s'imposent au Japon, notamment Ohara (fondé en 1935), puis Hoya (1972), autorisant la production en grande quantité de verres optiques à application photographique. Depuis les années 1970, la recherche en verres optiques se concentre sur les verres spéciaux à faible dispersion et/ou haut indice de réfraction.

Paramètres des verres

Indice de réfraction

L’indice de réfraction est une propriété optique du verre qui permet de caractériser l’influence de ce dernier sur les rayons lumineux. Si deux lentilles ont la même forme, mais des indices différents, celle possédant l’indice le plus élevé déviera alors davantage les rayons lumineux et aura une focale plus courte.

Voici quelques indices pour des matériaux transparents dans le visible. Il convient de signaler que cet indice change avec la température (ici, nous livrons les valeurs pour des températures de l'ordre de 20°C). C'est cette variation de l'indice avec la température qui est responsable, par exemple, des phénomènes de mirages.

Matériau	Indice
Vide	1
Air (20°C)	1.003
Eau	1.33
Verre à vitre	Environ 1.5
Verre optique	De 1.4 à 2.0
Diamant	2.4

Nombre d’Abbe

Le nombre d’Abbe est une mesure de la variation de l’indice de réfraction pour différentes couleurs. En effet, l’indice de réfraction n’est pas identique pour toutes les longueurs d'onde et c’est à cause de ce changement que les phénomènes de dispersion se produisent. Prévoir les phénomènes de dispersion est vital pour corriger les aberrations chromatiques.

Variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde. Source Thorlabs.

Pour calculer le nombre d'Abbe, trois couleurs très précises sont utilisées (une longueur d'onde rouge, jaune et bleue d'une lampe à mercure). Plus le nombre d'Abbe est élevé, plus la dispersion est faible (soit moins de chromatisme). Il est cependant intéressant d'avoir des verres qui présentent un nombre d'Abbe faible pour pouvoir compenser le chromatisme et former des systèmes achromatiques ou apochromatiques.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont très importantes pour des objectifs utilisés dans des conditions de températures variées. Avec la chaleur, les verres se dilatent et cette dilatation a une influence sur les performances optiques. Les ingénieurs sont particulièrement attentifs à la dilatation des verres présents dans des doublets. Lorsque deux verres sont collés (on parle alors de cémentation), la dilatation des deux verres doit être suffisamment similaire pour ne pas provoquer un décollement.

Résistance mécanique

Les propriétés mécaniques intéressent les constructeurs principalement pour la lentille frontale de l’objectif. On évite de mettre en position frontale un verre trop fragile ou facilement rayable.

Coût

Difficile de chiffrer le coût d'un verre optique à l'unité puisque les prix sont discutés en fonction des volumes commandés. Pour se forger tout de même une idée, les ingénieurs utilisent des coûts relatifs. Parce que c’est l’un des verres les plus utilisés et les moins onéreux à produire, le BK7 – ou ses équivalents – sert de référence pour le coût des verres. Les verres spéciaux sont parfois produits sur commande et représentent un fort surcoût pour un système optique.

Quels verres et quel impact sur la qualité optique ?

Les concepteurs optiques choisissent les verres qui répondent aux paramètres optiques et mécaniques, mais doivent souvent se limiter à un seul fournisseur pour des raisons économiques. Un fournisseur tel que Schott propose jusqu’à 200 types de verres, procurant tout de même un vaste choix.

Stocks de verre. Source Schott.

Les familles de verres

Les verres sont divisés en deux grandes catégories : les crowns et les flints. Cette division est établie par rapport au nombre d'Abbe. Les crowns ont des nombres d'Abbe élevés (faible dispersion) tandis que les flints ont des nombres d'Abbe faibles. Cette séparation est faite sur un critère optique.

Du point de vue chimique, les verres sont classés en familles en fonction des additifs utilisés avec la silice. Le baryum, le lanthane, le potassium et le fluor sont autant d'additifs qui vont former des familles de verres.

Carte des familles de verres. Source Hikari/Nikon.

Les verres spéciaux

En observant la carte des verres, on se rend compte que certains types sont plus rares que d’autres. En ce qui concerne les indices, les verres d’indice faible (< 1.5) et ceux d’indice très élevé (> 1.9) se comptent sur les doigts de la main. Les verres à dispersion faible (Abbe > 70) sont aussi assez rares. Du point de vue de la conception optique, les verres à indice élevé et à dispersion faible sont les plus intéressants. Ils permettent notamment de réduire l’encombrement des téléobjectifs à longue focale du fait de l’indice élevé, tout en améliorant les performances liées au chromatisme.

Ces verres ont fait l’objet d’une recherche intense et d’une compétition entre les fabricants. Cela dit, ces derniers les emploient avec parcimonie à cause de leur prix élevé, tout en les indiquant le plus souvent dans les formules optiques. Certains constructeurs comme Canon et Nikon tentent depuis quelques années de les remplacer sur certains objectifs avec des technologies diffractives qui permettent de compenser les aberrations chromatiques.

Constructeur	Verre faible dispersion	Verre très faible dispersion	Verre haut indice
Canon	UD	ULD / Fluorite
Fujifilm	ED
Leica	ED	UED
Nikon	ED	ELD
Olympus	ED	Super ED	HD
Panasonic	ED		UHR
Pentax	ED		HR
Samyang	ED		HR
Sigma	SLD	FLD
Sony	ED	Super ED
Tamron	LD	XLD	XR
Zeiss	Special Glass

Les constructeurs ne donnent malheureusement pas de définitions scientifiques précises de cette séparation entre faible dispersion et très faible dispersion. Il est d'ailleurs probable que ces définitions varient d'une marque à l'autre.

Formule optique avec indication des verres “spéciaux”. Source Tamron.

Quid des plastiques optiques ?

Dans certaines applications, notamment les smartphones, les opticiens sont contraints pour des raisons de solidité et de coût d'utiliser des matériaux plastiques. Par rapport au verre, le plastique présente en effet l'avantage d'autoriser la fabrication de lentilles asphériques par moulage pour un coût inférieur à celui d'un équivalent en verre.

Types de matériaux et performances optiques. Source Schott.

Bien que l'intérêt économique du plastique soit évident, les performances optiques, elles, sont loin de celles du verre. En particulier, les plastiques de haut indice n'existent tout simplement pas à l'heure actuelle. Un autre inconvénient du plastique réside dans sa mauvaise résistance au vieillissement. De nombreux plastiques jaunissent (d'où un changement des couleurs perçues) après quelques années seulement. Difficile d'envisager pour ces raisons que les plastiques remplacent le verre dans les objectifs photographiques haut de gamme.

Pour aller plus loin…

→ Une petite histoire des verres (en français).
→ Les verres spéciaux, article du site B&H (en anglais).
→ Le catalogue de verres Nikon (en anglais, après quelques pages de japonais).
→ Le catalogue de verres Schott (en anglais).