Brevet FR2000849A1 — publié le 19690912

La présent* invention concerne un filtre à interférence dit de Perot-Fabry, qui est propre à laisser traverser la lumière dans un domaine de longueurs d'onde prédéterminé comprenant une pair* d* couches réfléchissantes. J Le8 filtres à interférence sont des dispositifs connus et utilisés dans de noabreux domaines, dispositifs qui laissent traverser des doaaines d* upectree déterminés de lumière, tandis qu'en aise temps ils renvoient d'autres domaines de spectre de lumière* Bien que l'expression "filtre à interférence" soit un peu 10 impréoiss, parce qu'en réalité divers types différents de filtres fonctionnant avec des phénomènes d'interférence» l'expression est généralement employée pour désigner des filtres à interférence du type Perot-ïabry qui sont formés essentiellement par deux surfaces hautement réfléchissantes, disposées à distance l'une de l'autre. 1$ Les deux surfaces peuvent être de simples films métalliques ou des systèmes ouiticouches de matières diélectriques. Lorsque 1m lumière blanche est envoyé# à travers le filtre et ensuite décomposée spsctraleaent, on voit un spectre de bandes. 8rf.ee à des moyens de filtrage supplémentaires connus, il est pos-20 sibls, d'éliminer toutes les bandes, sauf une, parmi toutes les bandes de transmission, lorsqu'on le désire. La distance entre les deux surfaces réfléchissantes détermine la distance et la largeur des bandes de transmission. Cette distance d'espacement est de l'ordre de grandeur de quelques dorons. Lorsque oette distance 25 est rendue plus grande, les bandes de transmission sont disposée*, plus près l'une de l'autre et plus étroites. La aietanoe entre les 69 01596 2 2000849 un amoindri 8s*m*nt de Xa transparence de pointe de là bande de transparence. On connaît différentes techniques pour la construction de filtrea à interférence. Conformément à l'une de ces techniques» Isa deux surfaces 5 réfléchissantes sont disposées sur des sous-couches particulières, qui sont séparées l'une de l'autre par un espace d'air «t elles Bont saintenues, par des moyens mécaniques, tels que des bagues toriques ou des broches ou analogues, à la distance désirée. Bien que, théoriquement, de grandes distances d'espacement, c'est-à-10 dire 75 ou 100 colorons peuvent fttre atteintes, il sst extraordi-nalrement difficile d'aligner au départ une telle disposition, et ensuite de la maintenir. Pans une autre technique connus, les deux surfaces réfléchissantes sont formées sur les faces opposées dAun* feuille mine* 15 de niea. Bien que cela soit suffisant pour une distance d'espacement d'environ 10 microns, les propriétés optiques du nies s'opposent à son utilisation lorsqu'on désire des espacements plu» grands. In outre, il est extrsordinairement difficile d'obtenir une petite feuille de mica qui possède «ne surface suffisamment 20 grande. Ainsi le mica n'est utilisable, par nature, que pour des filtres de petites dimensions, dans lesquels les surfaces réfléchissantes se trouvent environ à 10 microns l'une de l'autre* L'invention a pour but de réaliser un, nouveau filtre à interférence amélioré et un procédé pour sa fabrication, notamment 25 un filtre à interférence à bande étroit*. Le filtre de l'invention est caractérisé en ce que les couches réfléchissantes sont disposées chacune sur une sous-couche transparent* *t sur chaque face d'une plaque d'*spao*m*nt en verr*, dont l'épaisseur est déterminée pour la distanc* entre couches 50 réfléchissantes qui est nécessaire pour la transparenc* pour la lumière dans le domaine de longueur d'onde prédéterminé en question. Le filtre à interférence de l'invention est extraordinaireaent rigide et extraordinairement insensible aux changement de température* Il n'exige auoun mastic ou pièces mécaniques pour la liaison entre 35 les différents éléments et 11 est de fabrication peu coûteuse. Le filtre possède une largeur d* baride d* transmission d**nvl- 69 01596 3 2000849 ron un demi-angstrSm. Les d«ux couches réfléchissantes sont essentiellement concordantes et maintenues à distance correcte l'une de l'autre. L'invention s'étend également à un procédé de fabrication des filtres à interférence, procédé caractérisé par dee points suivants» s} On fabrique trois corps massifs en verre avec plans 5 optiques à surfaces planes et parallèles. b) On apporte sur les faces antérieures de deux des corps massifs en verre des couches de recouvrement hautement réfléchissantes. e) On rslie la faoe antérieure de l'un des deux corps massifs 10 de verre recouverts, avec la faoe arrière du troisième corps massif en verre* d) On modifie l'épaisseur du troisième corps massif de verre de telle manière que la oouohe de recouvrement hautement réfléchissante rapportée sur sa faoe antérieure, en coopération avec la 1$ couche de recouvrement hautement réfléchissante de sa face postérieure, assure une transparence à la lumière dans un domaine de longueur d'onde prédéterminé* e) On assemble la faoe antérieure recouverte de l'autre des deux oorps massifs en verre aveo la faoe antérieure du troisième 20 oorps massif en verre* JBn résumé, le filtre se oompose de deux couches hautement réfléchissantes concordantes, qui sont séparées l'une de l'autrs par une plaque d'espacement en verre massif* Les recouvrements sont déposés sur des sous-couches séparées en verre massif, qui sont en 25 oontaot optique aveo les faoes d'extrémité de la plaque d'espacement* La filtre est fabriqué en déposant tout d'abord les deux couohes de recouvrement hautement réfléchissantes et concordantes sur des sous-coucheb individuelles. On amène alors en contact 30 optique une faoe d'extrémité de le plaque d'espacement aveo la faoe d'extrémité recouverte d'une des sous-couches. L'autre faoe d'ex-trémlté de la plaque d'espaeement est alors travaillée jusqu'à obtention de la distance d'espaeement précise nécessaire (épaisseur)* Une fois que oette dimension est atteinte, cette faoe d'extrémité 55 de la plaque d'espacement est amenée en oontaot optique aveo la faos d'extrémité reoouverte de l'autre sous-couche* 1 r- r\ / ov J 1 o9o 4 2000849 Un» caractéristique de l'invention réaide en ce qu'on réalise une plaque d'espacement ayant la dimension précise exigée, par le fait que la plaque d'espacement est usinée à la dimension approximative qui est déterminée avec la même précision que l'épaisseur correspondantetaprès quoi une couche d'accord est appliquée sur une face d'extrémité de la plaque d'éspaoement pour produire la 5 grandeur précise désirée. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le procédé d'assemblage des éléments constitutifs du filtre. On voit que, avec l'invention, 11 est possible de réaliser un filtre à interférence extraordlnairement rigide, qui présente 10 deux couches réfléchissantes concordantes qui sont disposées à n'importe quelle distance réciproque désirée, par exemple de 100 microns. Le dessin annexé représente, vu en coupe fortement agrandie, un mode de réalisation d'un filtre construit conformément h 1*inven-15 tion, donné à titre d'exemple non limitatif et expliqué dans la description suivante. Le filtre désigné dans son ensemble par la référence XI *• compose de deux couches hautement réfléchissantes Jj£ et concordantes. La couche d* recouvrement JT2 est disposée sur la fac* 20 arrière d'une sou&eouche Jj£ en verre massif et la oouche de recouvrement X2 est disposée sur la faoe antérieure d'une sous-couche 12, également en verre massif. On peut utiliser n'importe quel type de verre qui soit transparent pour la lumière à transmettre. SI» par exemple, le filtre doit être utilisé dans la partie visible du 25 spectre, le verre peut être en silicate fondu. Si le filtre doit être utilisé dans l'infrarouge, on prévoit un verre approprié en germanium. Les faces antérieures et postérieures des deux sous-couches 14 et 15 sont planes du point de vue optique. Les couches de recouvrement 12 et 15 peuvent être constituées par ua fila 30 diélectrique multlcouche. Bile s sont déposées sur les sous-oouohes 14 et 15 par une technique connue quelconque, par exemple par vaporisation. Un exemple typique d'une telle couche de recouvrement est constitué par une série de couches alternées de matières à Indice 35 de réfraction plus élevé et plus bas, chaque couche possédant une 69 01596 5 2000849 épaisseur optique égal* au c>uart de la longueur d'onde en question. Le filtre H contient, en outre, une plaque d'espacement l£ en Terre massif, qui eet placée entre les deux couches de recouvrement 1£ et 12» La matière utilisée pour cette plaque d'espacement peut être la même que pour les deux sous-couche b J_£ et 15. La plaque d'espacement 16 a une dimension telle qu'elle assure la séparation désirée entre les deux couches de recouvrement haute-5 ment réfléchissantes !£ et 12» Les faces terminales de la plaque d'espacement 16 sont, du point de vue optique, planes et parallèles. La'face antérieure de la plaque d'espacement 16 présente un recouvrement supplémentaire 12 en une matière dont l'indice de réfraction est le même que celui de la plaque d'espacement. Le but 10 de ce recouvrement supplémentaire sera expliqué dans la suite. La face terminale postérieure de la sous-couche 1£ qui contient la couche hautement réfléchissante 12 est en contact optique avec la faoe antérieure de la plaque d'espacement 16. La faoe antérieure de la sous-couohe 15, qui contient la couche hautement réfléchis-15 santé XI «a contact optique avec la face postérieure de la plaque d'espacement 16. Enfin le filtre H peut encore présenter une autre couche de recouvrement supplémentaire 18. qui peut être constituée par un fila diélectrique oultioouohe, appliqué sur la face non recouverte 20 de la sous-couohe 14. Le but de ce recouvrement 18 est d'éliminer les bandes latérales indésirables, de sorte que seule la bande désirée traverse le filtre. Le recouvrement J8 peut naturellement être prévu ou non, et 11 ne constitue pas une partie essentielle de la présente invention. Il peut être appliqué par une technique connue 25 quelconque, par exemple par vaporisation* Le procédé de fabrication du filtre de l'Invention est le suiTant i on prépare d'abord trois corps de Terre massifs, qui sont désignés dans la suite par éléments B et C et qui possèdent l'indice de réfraction nécessaire, ainsi que la section transversale 30 et l'épaisseur nécessaires, pour servir à réaliser les deux sous-couohe s et la plaque d'espacement du filtre. Ces bloos de verre sont moulés sur leurs faces antérieure et postérieure pour être plans du point de vue optique. Insulte on forme, sur les faces antérieures des éléments £ et B, c'est-à-dire les éléments qui doivent être 69 01596 6 2000849 35 utilisée comme sous-couches, des couches de recouvrement R. et M.0 . «JL —A hautement réfléchissantes et concordantes. Une vole pour produire oee couches d^tecouvresient concordantes consiste à les vaporiser simultanément en disposant les deux éléments £ et B daxito une ohambrs à vide unique et en réalisant le recouvrement simultanément à partir d'une source commune de matière vaporisable. Une autre technique consiste à recouvrir un corps de verre unique et à le couper ensuite en deux moitiées pour former les deux éléments A et £• 5 On place ensuite la face recouverte de l'élément £ oontaot optique avec la face postérieure de l'élément fi» cet élément devant servir de plaque d'espacement» La face antérieure de cet élément fi est alors polie par meulage, de sorte que son épaisseur corresponde approximativement à la distance qui est nécessaire entre les deux 10 couche t, hautement réfléchissantes et Rg, afin de laisser passer la lumière dans une bande de longueur d'onde particulière* On dépose alort sur la faoe antérieure de l'élément £, provisoirement» une couche de matière réfléchissante 2» qui pourra être ensuite facilement enlevée» par exeaple de l'argent* La couche 15 ci'argent coopère avec la couche de recouvrement hautement réfléchissante R^, qui se trouva & une distanoe égale à l'épaisssur d» l'élément £» pour former un filtre à interférence* On enregistre alors la transparence Bpectrale à l'aide d'un epectrophotoaètre d'exploration à résolution élevée* 20 fin utilisant les données relatives à l'angle de phase du vecteur de réflexion pour l'argent, on peut prévoir les positions des bandes de transmission pour un filtre dans lequel le recouvrement d'argent T serait remplacé par la couche de recouvrement hautement réfléchissante IL,* Au lieu de cela, on peut également 25 utiliser, au lieu de la couche d'argent £, un recouvrement provisoire aveo une matière électrique molle facilement éliminable» auquel cas la correction de l'angle de phase du vecteur de réflexion ne serait plus nécessaire* Ohaque erreur relative à la position de la bande de transmis-30 sion (c'est-à-dire la différence entre l'endroit du spectre où la bande se produit en réalité et l'endroit où elle est désirée) peut être corrigée, four cela» on ajoute à l'une des faces l'élément fi la quantité nécessaire de matière M ayant le même Indice de réfraction que l'élément g, de sorte que l'épaisseur, et par conséquent 69 01596 7 2000849 35 l'espacement entre lee deux couahes réfléchissantes soit augmentée* La formule à utiliser pour déterminer la quantité de matière de correction qui doit être ajoutée à l'élément C, de sorte qu'on obtienne l'épaisseur correcte précise est la suivante t • -M» (v2-wt) dans laquelle et sont les bandes de transmission avec emploi de la couche de recouvrement provisoire en argent, est la bande 5 d* transmission aveo emploi de deux oouches diélectriques raulti-oouches, hautement réfléchissantes, concordantes, est la longueur d'onde désirée et 0 désigne une fraction quelconque d'une demi-longueur d'onde, pour une longueur d'onde égale & W2 + W^* 2 10 Lorsque la quantité de matière qui doit être ajoutée à l'élément £ * été ainsi déterminée, pour lui donner l'épaisseur désirée, oa enlève la couche d'argent et on applique la matière g sur la faoe antérieure* La faoe recouverte de l'élément B est alors placée en oontaot optique avec la faoe antérieure de l'élé-15 Beat £• Gi-aprèa est donné un exemple de la manière par laquelle un filtre conforme à l'invention peut être construit, pour laisser passer une lumière de longueur d'onde particulière, par exemple 5890 angstrtfa. On choisit d'abord trois oorps massifs en verre de 20 grosseur appropriée pour âtre utilisés pour les deux éléments de sous oouches A* et B' et pour la plaque d'espacement C*. et qui sont transparents pour la lumière à 5890 angstrfa* Par exemple les corps massifs B' et 0* peuvent être en silicate fondu (n « 1,45) •t posséder un diamètre de seotion transversale de 15 om. et une 25 épaisseur de 3,75 om. • Les faoes terminales des éléments A* « B' et SL sont meulées et rendues optiquement planes jusqu'à 1/200 d'une longueur d'onde de lumière verte* Les éléments AJL et sont alors pourvus sur leurs faces antérieures de couches de recouvrement hautement réfléchissantes concordantes et R^» Ces oouches 30 peuvent être constituées en oxyfluorure de thorium (n » 1,45} et sulfure de sine (n * 2,3), la couche la plus proche de la sous-oouohe étant de 1'oxyfluorure de thorium. La faoe terminale recouverte de l'élément est alors plaoé en oontaot optique avec la tv 01596 8 2000849 face postérieure de l'élément 0'» 35 On usine alors la face antérieure de l'élément C'. de telle sorte que son épaisseur soit environ de 80 microns et qu'elle soit optiquement plane et parallèle avec la couche de recouvrement Rj hautement réfléchissante reliée à l'autre face. Une couche de recouvrement T1 en argent d'environ 350 angstro® d'épaisseur est alors déposée sur la face antérieure de l'élément C*« Léo positions dss bandes spectrales de transmission sont alors déterminées au moyen d'un spectrophotomètre. 5 Si l'on admet que lee deux bandes de transmission se pro duisent pour 5881 et 5397 angstrfcm, on peut déterminer par des ealoulB connus, que le remplacement de la couche d'argent 21 P&r 2 une couche diélectrique R? qui concorde avec la oouche de revê-tement R^ d» l'autre face, eura pour effet de produire use bande 10 de transmission à 5686 angstros. La quantité de matière g qui doit en conséquence être ajoutée sur la plaque d'espacement, pour obtenir une distance qui produit une bande de transmission à $890 angstr&m est alors déterminée en utilisant la formule i dans laquelle 0 est une fraction quelconque d'une demi-longueur d'onde. Four les valeurs I>2 « 5890 angstrëm, Wj « 5881 angstr&s, vr2 * 5"97 angstrfta et m 3886 angstrSa, on obtient 0 « 1/4* La quantité de matière qui doit être ajoutée à la plaque d'espa-20 cernent s'élève par conséquent, pour une longueur d'onde de $889 angstrSm, à un huitième de longueur d'onde dans le sens de l'épaisseur optique* On retire alors la couche de recouvrement en argent de la faoe antérieure de l'élément 02, et on apporte sur la faoe anté-25 rieure de l'organe £1 une couche de recouvrement de l/8ème de la longueur d'onde en oxyde de silicium I£. La face recouverte de l'élément BJ. est alors amenée en contact optique avec la face antérieure de l'élément 0'. Enfin, on rapporte sur la face non recouverte de l'élément 30 une couche de recouvrement supplémentaire £ destinée à éliminer les bandes latérales. Cette couche peut être constituée en un recouvrement multicouche de matières diélectriques qui est représentée par 69 01596 9 2CC0849 la foraul* : 2 [(HL)3 H10 (LH)3 £| 35 dans laquelle H est une couche de matière à Indice de réfraction élevé telle que le sulfure de zinc (n * 2,3), qui a une épaisseur optique égale à A/4, L est une couche de matière à faible indice de réfraction, par exemple de la cryolite (n « 1,35), d'une épaisseur optique de A/4, et A «at la longueur d'onde en question (5830 angatrS»). Sa. accoru areo ce qui précède, différentes variantes et «odificatio&s sont évidemment possibles sans sortir pour autant du 9 cadre de l,invention. 69 01596 ie 2000849 - R K V E M D I 0 A T I 0 U S - 1.- Filtre à interférence dit de Perot-iabry, qui laisse passer la lumière dans un domaine de longueur d'onde prédéterminé, constitué par une paire ae couches réfléchissantes - caractérisé 5 en ce que les couches réfléchissantes sont disposées chacune sur une sous-couche transparente et sur chaque faoe d'une plaque d'espacement en verre, dont l'épaisseur est déterminée pour imposer la distanoe entre couches réfléchissantes qui est nécessaire pour assurer la transparence du filtre pour la lumière comprise dans le 10 domaine de longueur d'onde prédéterminé en question* 2.- Filtre à interférence conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les couches réfléchissantes soat constituées par des films diélectriques multicouches qui sont formés directement sur les sous-couches* 15 3.- Filtre à interférence conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les sous-couches sont en contact optique avec les faoes terminales de la plaque d'espaeement* 4.- Filtre à interférence conforme à la revendication 3» caractérisé en ce que les films multicouohes sont construits pour 20 concorder entre eux* 5.- Filtre à interférence conforme à la revendication 4, caractérisé an ae que la plaque d'espacement porte, sur ses faoes un recouvrement aveo une matière, de telle sorte que son épaisaavr totale soit exactement celle qui est nécessaire pour une traversée 25 de la lumière dans le domaine de longueur d'onde prédéterminé* 6.- Filtre à interférence conforme à la revendication 5, caractérisé en oe que, sur l'une des sous-oouches, est appliqué un recouvrement supplémentaire par lequel les domaines de longueur d'onde, astres que celui prédéterminé, sont éliminés* 30 7.- Procédé pour la fabrication de filtres à interférence dits de Perot-Fabry conformes à la revendication 1, caractérisé par les opérations successives suivantes i a) - on fabrique trois corps massifs en verre ayant des faces . optiquement planes et parallèles, 35 b) - on dépose sur les faces antérieures de deux blocs de verre massifs des oouches de recouvrement hautement réfléchissantes concordantes, 69 01596 ii 2000849 a) - on relie la face antérieur® d'un des corps de verre massifs ainsi recouvert avec la face arrière du troisième corps de verre, d) - on modifie l'épaisseur du troisième corps de verre, de telle sorte qu'une couche de recouvrement hautement réfléchissante 5 appliquée sur sa face antérieure, en coopération avec la couche de recouvrement hautement réfléchissante appliquée sur la face arrière, assure la traversée de la lumière dans un domaine de longueur d'onde prédéterminé, •) - on relie la face antérieure recouverte de l'autre des 10 deux oorps de verre massifs aveo la faoe antérieure du troisième oorps de verre massif. 8.- Procédé conforme k 1p revendioatioh 7, caractérisé en ce qu'oc réalise les oouches de revêtement hautement réfléchissantes et oonoordantes sur les deux corps de verre massifs, par une vapo-15 rlsatioa simultanée* 9*- Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ee que les deux oorps de verre massifs qui portent les couohes de revêtement hautement réfléchissantes sont réunis au troisième corps de verre massif par oontaot optique* 20 1§*—Procédé conforme à la revendioatlon 7, caractérisé en oe qu'on réalise la modification de l'épaisseur du troisième oorps de verre oasslf par les opérations suooessives suivantes i a) on usine la faoe postérieure du troisième corps massif de verre jusqu'à oe que son épaisseur corresponde approximativement & 25 la valeur nécessaire* h) on apporte sur la face postérieure une coucha de recouvrement réfléchissante provisoire, e) on procède à un essai du filtre ainsi formé pour déterminer la quantité dont l'épaisseur du troisième corps de verre doit 30 être augmentée pour obtenir l'espacement nécessaire entre les deux couohes hautement réfléchissantes, d) on es&ève la couche de recouvrement réfléchissante provisoire et on rapport* but le troisième oorps de verre la quantité de matière qui est nécessaire poui réaliser l'épaisseur désirée de la 35 plaque d'espacement*