Brevet FR2106431A1 — publié le 19720505

La présente invention concerne les filtres interférentiels pour l'infrarouge. On a déjà réalisé des filtres interférentiels comprenant deux couches métalliques identiques séparées par une couche unique 5 n'absorbant pas et ayant la propriété de transmettre essentiellement l'énergie à une certaine longueur d'onde. On connaît de tels filtres,couramment sous le nom de filtres Fabry-Perot,et on les utilise souvent pour isoler des bandes étroites uniques. Dans le cas de l'énergie visible, on a l'habitude d'utiliser des 10 couches d'argent métallique avec des couches de séparation de fluorure de magnésium ou de cryolite. Par exemple, les couches métalliques d'argent ont plusieurs centaines d'angstroms d'épaisseur, et on règle l'épaisseur de la couche diélectrique pour que la transmission maximale du filtre ait lieu à la longueur 15 d'onde voulue, lorsqu'on augmente l'épaisseur des couches d'argent, le filtre a tendance à transmettre une bande de longueur d'onde plus étroite avec une transmission plus faible. Lorsqu'on conçoit de tels filtres, il est possible de calculer théoriquement les courbes de réflexion et de transmission à l'aide des constantes 20 optiques fournies par la littérature pour l'argent. Au cours de la fabrication de tels filtres, on constate que leurs caractéristiques optiques réelles correspondent relativement bien aux caractéristiques calculées lorsque l'épaisseur de la couche est en général supérieure à 200 A. Cependant, on constate que/tes touches o 25 d'argent dont l'épaisseur est nettement inférieure à 200 A, par o exemple inférieure à 100 A, les caractéristiques optiques obtenues ne correspondent pas aux caractéristiques théoriques. On a expliqué ce fait par les agglomérats de particules métalliques qui forment les couches très fines, à la place des couches métalliques 30 homogènes. C'est la raison pour laquelle les caractéritiques des filtres réels comprenant de fines couches métalliques diffèrent souvent des prévisions théoriques simples. Jusqu'à présent, lorsqu'on a essayé d'utiliser des couches d'argent dont l'épais- o seur était inférieure à 130 A, on a constaté qu'on ne pouvait 35 pas régler l'épaisseur de cette couche, et qu'en général on ne pouvait pas la reproduire. De plus, on a constaté que les cons- COPY 71 32629 2 2106431 tantes optiques changeaient, si bien que les résultats n'étaient pas analogues à ceux qu'on obtenaient avec une couche d'argent suffisamment épaisse pour être opaque. En conséquence, il n'existe pas de filtre permettant d'utiliser de fines couches d'argent o 5 ayant une épaisseur inférieure à 130 A. Un filtre interférentiel réfléchissant l'infrarouge comprend un substrat ayant une surface. Le substrat est en matière qui transmet l'énergie visible avec un rendement élevé. Une très fine couche de matière adhère à ladite surface et on dépose 10 une couche d'argent sur la fine couche. La couche d'argent a une épaisseur telle qu'elle peut transmettre de façon importante l'énergie visible, tout en étant capable de réfléchir l'infrarouge . L'invention concerne de matière générale un filtre 15 interférentiel réfléchissant l'infrarouge et transmettant l'énergie visible. Un tel filtre comprend une fine couche d'argent 0 ayant une épaisseur de préférence inférieure à 130 A. Il comprend une fine sous-couche. Celle-ci modifie les caractéristiques optiques de la couche d'argent. 20 Le filtre peutfcomprendre^.eux ou plusieurs couches dié lectriques, et éventuellement des couches supplémentaires d'argent. On peut le manier et le laver sans précautions particulières. Il peut subir des essais d'abrasion et d'attaque par l'humidité. On peut, de plus, le fabriquer de façon relativement rentable. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est une coupe agrandie d'un filtre selon l'invention ; 30 la figure 2 est un diagramme donnant, en trait plein d'une part, et en trait interrompu d'autre part, les courbes de transmission et de réflexion du filtre du type représenté sur la figure 1 ; la figure 3 est une coupe agrandie d'un autre filtre selon 35 l'invention, comportant neuf couches au lieu de six, comme dans le mode de réalisation de la figure 1 ; et la figure 4 est un diagramme donnant, d'une part en trait 71 32629 3 2106431 plein, et d'autre part en trait interrompu, les courbes de transmission et de réflexion du filtre de la figure 3, les figures 2 et 4 représentant en ordonnées le pourcentage de transmission et en abscisses^la longueur d'onde en millimierons» 5 La figure 1 représente un filtre interférentiel sexon l'in vention. Oelui-ci comprend un substrat 11 ayant deux faces planes parallèles 12 et 13, la face 12 étant exposée à l'atmosphère et la face 13 portant un revêtement optique 14. Lgèubstrat peut être en toute matière convenable, mais, selon l'invention, il est 10 souhaitable qu'il soit en matière transmettant très bien l'énergie visible du spectre. Ainsi, le substrat 1 peut être -en verre dont l'indice de réfraction est d'environ 1,5. Le revêtement 14 comprend au moins deux couches, l'une 16 qui adhère à la face 13 servant de suoport ou de sous-ccuche à 15 une couche 17 d'argent déposée sur elle. La sous-couche 16 est de préférence aussi^fine que possible, de manière qu'elle n'ait que peu ou pas d'effet sur les caractéristiques optiques du substrat 11 ou de la couche 17. Ainsi, on constate que les couches 16 o ont, de préférence une épaisseur de l'ordre de 5 à 20 A. On peut 20 réaliser cette fine couche 16 en un certain nombre de matières. On constate que le nickel et le chrome donnent particulièrement satisfaction. D'autres métaux qu'on peut utiliser, sont le rhodium, le palladium, le tungstène, le "Nichrome", etc. ^e plus, on cons- r tate qu'on peut aussi utiliser certaines matières diélectriques, 25 telles que le monoxyde de titane, le monoxyde de silicium et l'alumine, ainsi que des mélanges d'oxyde métallique tels que décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 034 924 pour former une précouche satisfaisante destinée à recevoir une couche 17. L'épaisseur de cette précouche n'a pas à être déterminée avec oréciaion, pourvu qu'elle dépasse une valeur minimale yu'on o pense être de l'ordre de 5 A. L'effet de la sous-couche semble être celui d'une couche formatrice de sitei. Ainsi, elle est si fine qu'elle est inefficace pour agir sur les propriétés op-35 tiques du filtre, mais elle oblige la couche d'argent déposée sur elle à se comporter comme -une feuille homogène de m^tal. On dépose les couches 16 et 17 dans une chambre sous vide. Orçëvapore dans celle-ci la matière, par exemple le nickel utilisée pour former la fine couche. On suppose que, avant cette éva- 71 32629 4 2106431 poration, le substrat à revêtir a une transmission dans le visible qui est pratiquement égale à 10 0 $>. On dépose le nickel jusqu'à ce que la transmission soit réduite d'environ 2 c/<>. Cette dimini-tion indique le dépôt d'une fine couche de métal sur la face 5 13, cependant insuffisantq£>our modifier notablement la transmission du filtre. Ensuite, on évapore de l'argent et on contrôle à nouveau la transmission jusqu'à ce qu'elle ait diminué depuis 98 c/o jusqu'à 80 ajo environ. On constate que, lorsque la transmission a diminué de cette quantité, la couche d'argent combinée à la cou- o 10 che de nickel a une épaisseur réelle combinée d'environ 70 A. Par exemple, l'épaisseur de la fine couche de nickel peut être com- o prise entre 10 et 25 A et celle de la couche d'argent entre 55 o et 60 A. Cependant, comme on l'a vu précédemment, on peut encore obtenir des résultats satisfaisants en utilisant une couche 16 o 15 d'épaisseur comprise entre 5 et 20 A et une couche d'argent o d'épaisseur comprise entre 55 et 130 A« On peut considérer que les couches 16 et 17 forment une couche double ayant une épais- o seur combinée comprise entre 60 et 130 A. On constate qu'en plus de son action sur les propriétés 20 optiques de la couche d'argent,la sous-couche améliore très nettement les caractéristiques physiques de la couche 17 d'argent. On constate que si on utilise une couche triple, on obtient un revêtement dont la durée est nettement améliorée par rapport à celle dé la couche double. Ainsi, on peut former une fine couche 25 supplémentaire (non représentée) déposée sur la couche 1" et formée de préférence de la même matière que la couche 16, et ayant la même épaisseur. Dans le filtre représenté dans la figure 1, on utilise des couches diélectriques pour régler la largeur et la forme de 30 la bande passante du filtre, en combinaison avec la couche d'argent qui permet de régler la netteté de la coupure. Dans le mode de réalisation de la figure 1, on dépose une fine couche 18, mais sur une couche diélectrique 19 déposée directement sur la couche 17. la couche diélectrique peut être 35 en toute matière convenable, par exemple en alumine ou en fluorure de magnésium, dans le cas de matière à faible indice de réfraction et du dioxyde de titane, dans le cas de matière à indice de réfraction élevé. On constate que l'indice de réfraction de la couche diélectrique a très peu d'effet sur les caractéris- 71 32629 5 2106431 tiques du filtre. Lorsqu'on utilise une couche diélectrique à faible indice de réfraction, son rôle est de rendre légèrement plus étroite la bande passante dans le visible. Lorsqu'on utilise line couche à indice de réfraction élevé, on élargit la bande 5 passante. On dépose une autre couche d'argent 21 sur la couche 18, comme la couche 17. Cependant, on dépose une couche diélectrique supplémentaire 22 sur la couche 21. La face externe est exposée à l'atmosphère, dont l'indice de réfraction est égal à 1,0. 10 On voit sur le filtre de la figure 1 qu'on peut utiliser deux ou plusieurs couches diélectriques avec deux couches d'argent, chacune de celles-ci étant associée à une sous-couche et à une couche de revêtement. La couche 19 peut avoir une épaisseur optique égale à une fois et demie la longueur d'onde dans la 15 région de la bande passante. La couche 22 peut avoir une épaisseur optique égale à la moitié de la longueur d'onde dans la bande passante. On peut modifier ces épaisseurs jusqu'". 50 •/<> de façon à modifier la forme de la bande passante. En résumé, les couches diélectriques commandant la largeur 20 et la configuration de la bande passante et, avec la couche d'argent, la netteté de la coupure. Les couches d'argent donnent la réflexion dans 1'infrarouge et forment ainsi une barrière à l'énergie calorifique.La sous-couche métallique agit comme couche formatrice de sites qui permet la fabrication reproductible de 25 fines couches d'argent. La sous-couch^aétallique agit aussi comme couche d'adhérence placée entre l'argent et la couche diélectrique voisine, et elle améliore de plus la résistance de la couche d'argent au cours du temps. La couche de revêtement a un rôle analogue à celui d'une couche d'adhérence et elle améliore aussi 30 la résistance du revêtement au cours du temipa, de l'autre côté de la couche d'argent. La matière diélectrique utilisée peut varier sans que les caractéristiques spectrales du filtre varient beaucoup. Bien qu'il faille rendre les caractéristiques optimales après vérification 35 pratique, en général, un diélectrique d'indice de réfraction relativement faible assure une coupure nette et la formation d'une bande passante étroite. Un indice de réfraction élevé donne une bande passante relativement large et relativement écrasée, ainsi qu'une coupure relativement progressive. 71 32629 6 2106431 Lorsqu'on utilise des couches d'argent, on constate qu'il est souhaitable de disposer celles-ci sur le substrat à la température ambiante ou légèrement au-dessus. On constate que des températures jusqu'à 60°C donnent satisfaction. On constate que 5 la couche d1 argent, lorsqu'elle est déposée sous forme très fine, assure une résistance plus longue que des couches opaques. Lorsqu'on réalise un revêtement du type représenté sur la figure 1, on constate que le temps total de revêtement de diélectrique est d'environ 6 mn, alors que le temps de revêtement 10 de métal prend environ 1 mn. On constate que le revêtement réalisé satisfait à l'essai d'humidité de la norme MIL-C-675A, car il n'est pas modifié après exposition pendant 24 heures à une atmosphère dont l'humidité relative est de 95 % à une température de 49°'C. On constate aussi que le revêtement n'est pas affecté 15 par un essai d'abrasion à 50 courses, selon la norme MIL-N-13508B, au cours duquel on frotte ila surface de la couche à l'aide d'un petit patin de gaze portant un poids de 454 g. On constate qu'on peut manier et laver le revêtement sans précaution particulière. Un filtre réalisé comme représenté sur la figure 1 a les 20 caractéristiques, suivantes : Indice du milieu 1, 00 Couche - Indice de Epaisseur en Epaisseur la matière millimicrons optique 22 1,67 50,3 336,0 25 21 Argent ' 7,0 18 Nickel 0,5 19 1,67 114,0 761,5 17 Argent 7,0 16 Nickel 0,5 30 Indice du substrat : 1,52 La figure 2 est un diagramme montrant les résultats qu'on peut obtenir avec un tel filtre réalisé comme représenté sur la figure 1. On a porté les courbes de transmission et de réflexion. La transmission est très élevée entre 400 et 700 millimicrons, 35 c'est-à-dire dans la région visible du spectre, et la transmission est supérieure à 70 Elle est en fait de l'ordre de 72 Dans la région visible, la réflexion entre 400 et 700 milli- 71 32629 7 2106431 microns et de l'ordre de 10 en moyenne. On voit que dès que les courbes passent dans l'infrarouge, la transmission chute très brusquement, si bien qu'entre 700 et 2500 millimicrons, elle est en moyenne de l'ordre de 8 fô, ce qui assure la réflexion de la 5 chaleur qui n'est pas transmise. De façon analogue, la réflexion s'élève fortement dans 1'infrarouge, si bien que la plus grande partie de la chaleur est réfléchie. Bn d'autres termes, on voit que le filtre transmet la lumière et réfléchit la chaleur. On voit à partir de la figure 1 que le filtre peut com-10 prendre quatre couches spectrales plus une fine sous-couche de nickel pour chaque couche d'argent. Le filtre a un aspect neutre dans les deux sens. S'il est nécessaire de disposer d'un revêtement plus robuste, on jeut utiliser celui représenté en 26 sur la figure 15 3. Il comprend neuf couches, les couches 27, 32 et 37 étant en matière diélectrique, les couches 29 et 34 en argent et les couches 28, 31, 33 et 36 en nickel. On voit que la conception du dispositif de la figure 3 est très proche de celle du dispositif de la figure 1. On utilise deux couches d'argent et une 20 sous-couche/^nickel pour chacune des couches d'argent. De plus, il existe une couche de revêtement en nickel pour chacune des couches d'argent, qui portent les références 31 et 36. De plus, le filtre comprend une couche diélectrique 27 supplémentaire destinée à associer la première couche triple nickel-argent-25 nickel à la surface 13 du substrat 11. Comme on l'a vu précédemment, on peut utiliser diverses matières diélectriques. Cependant, on constate que l'alumine donne tout à fait satisfaction. On peut réaliser les couches de nickel en autre matière, comme décrit précédemment, et elles peuvent avoir les épaisseurs citées. 30 Les couches d'argent peuvent avoir les épaisseurs déjà citées à propos de la figure 1. On constate qu'il est possible d'éliminer la première couche 27 et de mettre une double épaisseur de la première couche 28. On constate que cette couche de nickel d'épaisseur double est suffisamment robuste pour maintenir le 35 revêtement sur le substrat, si bien que le revêtement satisfait à des essais de durée relativement sévères. Cependant, on préfère utiliser une couche d'oxyde d'aluminium au lieu de doubler l'épaisseur de la première couche de nickel, car celle-ci diminue la transmission de plusieurs pourcent et l'alumine donne une meil-40 leure résistance à la détérioration en cas de travail à tempé 71 32629 8 2106431 rature élevée. Les couches diélectriques peuvent avoir les épaisseurs citées à propos de la figure 1. On constate aussi que le revêtement de la figure 3 satisfait à l'essai d'humidité de 24 heures*à un essai au ruban adhé-5 sif et à un essai de raclage normalisé dit "20-rub" de la norme MIL-C-675A. La température maximale de fonctionnement continu du revêtement est de 275°C. On constate qu'on peut aussi l'amener à 350°C pendant deux heures et à 500°C pendant une demi-heure, sans dégradation notable. En réalité on note que la cuisson 10 améliore le filtre, car la transmissioij&ans le visible augmente de plusieurs pourcent, sans modification des caractéristiques du filtre dans 11 infrarouge. Un filtre réalisé selon la figure 3 a les caractéristiques suivantes : 15 Indice du milieu 1,00 Couche Indice de la Epaisseur Epaisseur matière en milli- optique microns 37 1 ,67 50,3 20 36 Nickel 0,5 34 Argent 7,0 33 Nickel 0,5 32 1 ,67 114,0 31 Nickel 0,5 25 29 Argent 7,0 28 Nickel 0,5 27 1 ,67 50,0 Indice du substrat 1 ,52. La figure 4 montre la transmission et la réflexion d'un 30 tel filtre. On voit que ces caractéristiques sont très analogues à celles du filtre de la figure 1. Lorsqu'on compare le filtre à six couches de la figure 1 et celui à neuf couches de la figure 3, on constate que le filtre à neuf couches résiste beaucoup plus longtemps. On constate qu'en 35 atmosphère humide, le filtre à six couches peut éventuellement s'éclaircir légèrement ou présenter un piquage au bord. Le filtre à neuf couches ne présente pas de tels phénomènes. Après 71 32629 9 2106431 cuisson pendant deux heures à 350°C, on constate que le filtre à six couches présente des centres de diffusion et se dégrade à l'oeil alors que le filtre à neuf couches reste clair. Ce dernier satisfait à l'essai d'adhérence du ruban de cellophane et à 5 l'essai normalisé d'abrasion, alors que le filtre à six couches ne satisfait pas à ces deux essais. Ce dernier présente l'avantage supplémentaire que, comme il possède un nombre de couches relativement petit, il est relativement simple à fabriquer. La description précédente montre que l'invention concerne 10 un filtre interférentiel ayant des caractéristiques très intéressantes. En particulier, il transmet la lumière visible en réfléchissant simultanément la presque totalité de l'infrarouge fourni par une source. On peut appeler cet article miroir chaud, car il réfléchit l'énergie calorifique. Il est clair qu'un tel 15 filtre a de nombreuses applications. Par exemple, on peut l'utiliser pour les projecteurs de cinématographie où. on veut protéger une pellicule ou une diapositive de la chaleur. On peut utiliser le filtre avec des projecteurs suspendus ou d'autres types lorsqu'on veut éliminer la chaleur fournie par la source 20 lumineuse de l'article observé. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre'de l'invention qui est 25 défini dans les revendications annexées. 71 32629 10 210643"! REVENDICATIONS 1. Filtre, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat ayant une face et constitué par une matière capable de transmettre l'énergie visible, et un revêtement placé sur ladite face et couche 5 comprenant une fing/de matière autre que celle du substrat et adhérant à ladite face, et une couche d'argent déposée sur la fine douche et ayant une épaisseur telle qu'elle transmet l'énergie visible et réfléchit l'énergie infrarouge, le filtre ayant, de préférencefl'aspect neutre dans les deux sens d'ob-10 servation. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que o l'épaisseur de la couche d'argent est comprise entre 55 et 130 A. 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que O l'épaisseur de la fine couche est comprise entre 5 et 20 A, celle-15 ci étant de préférence en métal, notamment en nickel. 4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement comprend une fine couche supplémentaire recouvrant la couche d'argent, et constituée de préférence par la même matière que la première fine couche. 20 5. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement comprend au moins une couche de matière diélectrique placée sur ladite face. 6. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement domprend au moins une couche d'argent et une 25 fine couche supplémentaires, cette dernière étant en matière différente de celle du substrat placé sous ladite couche supplémentaire. 7. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique se trouve entre la première couche 30 d'argent et la couche d'argent supplémentaire, le revêtement comprenant une couche diélectrique supplémentaire recouvrant la couche d'argent supplémentaire. 8. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement comprend une fine couche de matière autre que celle 35 du substrat recouvrant la première couche et la couche supplémentaire d'argent, les fines couches placées au-dessus et au- dessous des couches d'argent ayant de préférence une épaisseur o comprise entre 5 et 20 A et étant de préférence en métal. 9. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que 1 32629 n 2106431 le revêtement comprend une couche diélectrique supplémentaire placée entre la face du substrat et la fine couche placée sous la première couche d'argent, ainsi que, de préférence, une couche diélectrique supplémentaire placée sur ladite couche d'argent supplémentaire. 10. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une transmission de l'ordre de 70 c/o dans le visible entre 400 et 700 millimicrons, sa transmission étant de préférence inférieure à 10 % dans l'infrarouge entre 700 et 2500 millimicrons.