Comment choisir une fenêtre optique ?

Les fenêtres optiques sont utilisées par l’industrie et les acteurs de la recherche pour des applications diverses telles que le contrôle visuel d’équipements, la surveillance de processus de fabrication, la conduite d’expériences à visée médicale ou mécanique (observation) ou encore la réalisation d’études dans le domaine de la spectroscopie. Pour répondre aux objectifs attendus, la conception d’une fenêtre optique doit tenir compte de l’environnement d’application et du domaine spectral. Ces deux critères sont essentiels pour déterminer le choix du matériau de fabrication. Dans cet article, nous vous proposons de découvrir les trois grandes familles de matériaux et les principaux critères de sélection des composants pour une fenêtre optique garante de résultats optimaux.

Une fenêtre optique aussi appelée hublot optique est une interface d’observation qui permet de séparer deux environnements tout en laissant passer la lumière choisie. Réalisé dans une matière qui peut être transparente, le hublot optique est conçu pour maximiser la transmission dans un certain spectre (ultraviolet, visible, infrarouge) tout en minimisant la réflexion et l’absorption de la lumière. Cela résulte du choix des caractéristiques mécaniques et optiques spécifiques au matériau.

Il peut être dédié à la protection d’équipements en limitant l’impact sur les signaux optiques entrants et/ou sortants. Le hublot optique peut également être utilisé pour un objectif de visualisation et/ou de mesure tout en empêchant les éléments externes comme l’eau, la poussière ou l’air d’entrer en contact avec l’intérieur de l’équipement.

Deux types de hublot optique peuvent être distingués :

• Les hublots optiques à faces parallèles : utilisés pour réduire la distorsion d’un faisceau de lumière transmis d’une longueur d’onde spécifique
• Les hublots optiques prismatiques : utilisés pour diriger la lumière transmise à un angle spécifique et réduire la réflexion arrière.

Le hublot optique peut présenter différentes formes (ronde, rectangulaire, ovale ou libre) en fonction de son utilisation et du support d’application. L’industrie (aéronautique, défense, sécurité, transport, pétrochimie etc.), les instituts de recherche, les laboratoires privés ou publics ont recours aux fenêtres optiques pour conduire des essais, réaliser des mesures, des contrôles ou mener des travaux dans le domaine de la spectroscopie (UV) et la thermographie (IR).

Pour répondre efficacement à l’usage attendu et au domaine spectral visé, la sélection du matériau est cruciale. Celui-ci sera choisi au sein de trois grandes catégories : catégories : les verres, les polymères ou les cristaux. Découvrons les principales caractéristiques de ces familles de matériaux.

Pour la création d’un hublot optique, il existe trois grandes catégories de matériaux aux propriétés différentes :

• Le verre : transparent, dur et facile à polir, le verre optique est historiquement utilisé pour fabriquer des lentilles et des miroirs optiques. Le verre possède un faible indice de réfraction (il ne dévie par la lumière visible de manière significative). Plusieurs verres existent, se différenciant par leurs principaux composants qui leur donnent leur caractéristiques mécaniques, thermiques et optiques. Parmi ces composants, on retrouve la silice ou les borosilicates classiques. Le choix des composants du verre optique dépendra notamment du domaine spectral d’application (ultraviolet, visible, infrarouge). Le principal inconvénient du verre optique est qu’il est cassant et peut se fissurer dans certaines conditions.

• Les polymères : tels que l’acétate de cellule, le polycarbonate, le polyuréthane ou l’acrylique (PMMA) sont des matériaux légers, résistants aux chocs et peu coûteux à produire. Leur indice de réfraction est inférieur à celui du verre, ce qui peut présenter un avantage pour certaines applications. A l’inverse, dans certaines conditions, les polymères se révèlent moins transparents et moins durables que le verre. Ils présentent une plus faible résistance à la chaleur.

• Les cristaux : dotés d’excellentes propriétés optiques, ils sont souvent utilisés dans des applications spécialisées comme les optiques de précision. Les cristaux, tels que le quartz ou le saphir, sont très transparents et présentent une faible dispersion (ils ne dévient pas de manière significative la lumière de différentes longueurs d’onde). Chaque type de cristal présente des propriétés propres qui entraînent une modification de la lumière qui les traverse. Ils sont plus coûteux à produire que le verre ou les plastiques.

Le choix du matériau de la fenêtre optique dépend de son application. Le verre optique est couramment utilisé pour les applications de lumière visible tandis que les cristaux (saphir,CaF2, ZnSe, ZnS, Germanium, etc.) sont préférés pour les applications UV ou IR référés pour les applications UV ou IR. Ces deux matériaux sont les plus couramment utilisés. Pour déterminer le matériau le plus adapté aux exigences de l’application attendue, il est nécessaire de considérer ses propriétés, et plus particulièrement : sa transmission, son indice de réfraction et sa dureté.

La sélection du matériau de fabrication d’une fenêtre optique, adaptée à une application donnée, repose sur plusieurs critères dont notamment : la transmission, l’indice de réfraction et la dureté Knoop.

On appelle transmission, la capacité du matériau à transmettre la lumière dans une longueur d’onde donnée. La capacité de réfléchissement et d’absorption de la lumière définissent le pourcentage de transmission. Pour des applications dans le domaine de l’imagerie ou de la spectroscopie, une transmission élevée est primordiale pour obtenir des images ou des données de qualité.

L’indice de réfraction détermine la déviation de la lumière lorsque celle-ci traverse le hublot optique. Ce critère est un élément essentiel pour la conception d’optiques telles que les lentilles ou les prismes. L’indice de réfraction va dépendre du matériau de la fenêtre et de la longueur d’onde de la lumière.

La dureté Knoop permet de mesurer la dureté du matériau. Ce paramètre est très important pour des applications d’hublot optique dans des environnements difficiles (pression, température élevée, etc.) ou des conditions abrasives. Plus la dureté Knoop d’un matériau sera élevée, plus celui-ci présentera une forte résistance mécanique ou une forte résistance aux rayures.

Ainsi, pour concevoir une fenêtre optique, il est primordial de définir au préalable un cahier des charges précis où les objectifs de l’utilisation ainsi que les conditions de l’application sont indiqués. Ceci afin de sélectionner le matériau le plus adéquat selon des critères de performance connus parmi lesquels sa transmission, son indice de réfaction et sa dureté.

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