Les matériaux plastiques et le moulage par injection sont à la base de la miniaturisation des lentilles. La structure d'une lentille en plastique comprend le matériau de la lentille, le fût, la monture, l'entretoise, le filtre anti-UV, le matériau de la bague de pression, etc.

Il existe plusieurs types de matériaux pour les lentilles en plastique, tous essentiellement des plastiques (polymères à haut poids moléculaire). Ce sont des thermoplastiques, des plastiques qui se ramollissent et deviennent plastiques sous l'effet de la chaleur, durcissent en refroidissant, puis se ramollissent à nouveau lorsqu'ils sont chauffés. Il s'agit d'une transformation physique réversible entre l'état liquide et l'état solide par chauffage et refroidissement. Certains matériaux sont anciens, d'autres sont relativement récents. Certains sont des plastiques d'usage général, tandis que d'autres sont des plastiques optiques spécialement développés, utilisés dans des domaines spécifiques de l'optique.

En conception optique, on rencontre fréquemment les nuances de matériaux utilisées par différents fabricants, telles que EP8000, K26R, APL5015, OKP-1, etc. Il s'agit de matières plastiques, parmi lesquelles les plus courantes sont présentées ci-dessous. Nous les classerons par ordre chronologique :

Les lentilles en plastique

• l PMMA/Acrylique :Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), également appelé plexiglas ou acrylique, est un matériau couramment utilisé comme substitut du verre grâce à son faible coût, sa haute transmittance et sa grande résistance mécanique. La plupart des plastiques transparents, tels que les assiettes, les cuillères et les petites LED, sont fabriqués en PMMA. Sa production en masse a débuté dans les années 1930.
• P.-S. :Le polystyrène est un thermoplastique incolore et transparent, ainsi qu'un plastique technique, dont la production de masse a débuté dans les années 1930. De nombreuses boîtes en mousse blanche et boîtes à lunch courantes dans notre vie sont fabriquées en polystyrène.
• PC :Le polycarbonate est un thermoplastique amorphe incolore et transparent, également un plastique d'usage courant. Son industrialisation a débuté dans les années 1960. Le PC présente une excellente résistance aux chocs et est couramment utilisé pour la fabrication de seaux de distributeurs d'eau, de lunettes de protection, etc.
• l COP et COC :Le polymère d'oléfine cyclique (COP), également appelé copolymère d'oléfine cyclique (COC), est un polymère amorphe et transparent à structure cyclique, caractérisé par des doubles liaisons carbone-carbone. Les hydrocarbures cycliques sont obtenus à partir de monomères d'oléfine cyclique par autopolymérisation (COP) ou par copolymérisation (COC) avec d'autres molécules (comme l'éthylène). Les caractéristiques du COP et du COC sont quasiment identiques. Ce matériau, relativement récent, était initialement destiné à des applications optiques. Il est aujourd'hui largement utilisé dans les industries du film, des lentilles optiques, des écrans et du médical (emballages). La production industrielle du COP a débuté vers 1990, tandis que celle du COC a été achevée avant 2000.
• l O-PET :La fibre optique en polyester (O-PET) a été commercialisée à Osaka dans les années 2010.

Lors de l'analyse d'un matériau optique, nous nous intéressons principalement à ses propriétés optiques et mécaniques.

Optique ppropriétés

• Indice de réfraction et dispersion

Indice de réfraction et dispersion

Ce schéma récapitulatif montre que les différents matériaux plastiques optiques se répartissent principalement en deux catégories : d’une part, les matériaux à indice de réfraction et dispersion élevés ; d’autre part, ceux à indice de réfraction et dispersion faibles. En comparant les options d’indice de réfraction et de dispersion des matériaux en verre, on constate que celles des matériaux plastiques sont très limitées, tous présentant un indice de réfraction relativement faible. De manière générale, le choix des matériaux plastiques est restreint, avec seulement une dizaine à une vingtaine de qualités disponibles sur le marché, ce qui limite considérablement la liberté de conception optique.

L'indice de réfraction varie avec la longueur d'onde : l'indice de réfraction des matériaux plastiques optiques augmente avec la longueur d'onde, l'indice de réfraction diminue légèrement et globalement, il reste relativement stable.

Variation de l'indice de réfraction avec la température (Δn/ΔT) : Le coefficient de température de l'indice de réfraction des plastiques optiques est 6 à 50 fois supérieur à celui du verre, soit une valeur négative. Cela signifie que l'indice de réfraction diminue lorsque la température augmente. Par exemple, pour une longueur d'onde de 546 nm, entre -20 °C et 40 °C, la valeur de Δn/ΔT du matériau plastique est de -8 à -15 × 10⁻⁵ °C⁻¹, tandis que celle du verre NBK7 est de 3 × 10⁻⁶ °C⁻¹.

• Transmission

La transmittance

Comme le montre cette image, la plupart des plastiques optiques présentent une transmittance supérieure à 90 % dans le spectre visible. Ils offrent également une bonne transmittance dans les bandes infrarouges de 850 nm et 940 nm, couramment utilisées en électronique grand public. La transmittance des matières plastiques diminue toutefois avec le temps. Ce phénomène est principalement dû à l'absorption des rayons ultraviolets du soleil par le plastique. La chaîne moléculaire se rompt, se dégrade et se réticule, entraînant des modifications de ses propriétés physico-chimiques. Le jaunissement du plastique en est la manifestation macroscopique la plus visible.

• Biréfringence de contrainte

Réfraction des lentilles

La biréfringence de contrainte est une propriété optique des matériaux. L'indice de réfraction d'un matériau dépend de l'état de polarisation et de la direction de propagation de la lumière incidente. Les matériaux présentent différents indices de réfraction selon leur état de polarisation. Pour certains systèmes, cette variation d'indice est très faible et n'a pas d'incidence majeure sur leur fonctionnement. En revanche, pour certains systèmes optiques spécifiques, cette variation peut entraîner une dégradation importante de leurs performances.

Les matières plastiques intrinsèquement ne présentent pas de caractéristiques anisotropes, mais le moulage par injection induit une biréfringence de contrainte. Celle-ci est principalement due aux contraintes générées lors du moulage et à l'organisation des macromolécules de plastique après refroidissement. Les contraintes se concentrent généralement à proximité de l'orifice d'injection, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Le principe général de conception et de production vise à minimiser la biréfringence de contrainte dans le plan optique effectif, ce qui requiert une conception appropriée de la structure de la lentille, du moule d'injection et des paramètres de production. Parmi les différents matériaux, les matériaux PC sont plus sujets à la biréfringence de contrainte (environ 10 fois supérieure à celle des matériaux PMMA), tandis que les matériaux COP, COC et PMMA présentent une biréfringence de contrainte plus faible.