Brevet FR2079243A1 — publié le 19711112

La présente invention se rapporte aux revêtements . On applique des revêtements anti-réflexions sur des substrats transparents tels que des verres ou des lentilles optiques en vue de réduire la réflexion, sur la surface de ces substrats, de rayons 5 lumineux d'une ou plusieurs longueurs d'onde prédéterminées . Généralement, il est souhaitable de réduire la réflexion sur la surface du substrat à plusieurs longueurs d'onde par exemple, dans une bande de longueurs d'ondes données . Parmi les propositions antérieures, on trouve des revêtements 10 formés de deux ou de trois couches élémentaires; dans le revêtement à deux couches, les couches extérieure et intérieure ont des épaisseurs respectives de )v/4 etX/2 , étant une longueur d'onde appartenant à une bande dans laquelle la réflexion doit être réduite tandis que , dans le revêtement à trois couches, celles-ci ont , 15 généralement, des épaisseurs respectives de"X/4 , A/2 et 3%/4 . Toutefois, ces revêtements à deux et trois couches sont d'une utilisation limitée , principalement en raison du fait que la largeur de bande sur laquelle une faible amplitude de réflexion se produit est elle-même limitée . En outre, dans le cas de revêtement à trois 20 couches, l'épaisseur totale du revêtement est telle qu'il existe un risque appréciable d'absorption de la lumière dans ledit revêtement . Bien que certains revêtements à trois couches puissent théoriquement réduire à zéro la réflexion à trois longueurs d'onde dif-25 férentes pour une incidence normale , on constate, en pratique , qu'il se produit un phénomène d'établissement de moyenne, de sorte que les maximums et les minimums de l'amplitude réfléchie sont affaiblis par suite de l'intégration des divers rayons formant un point image et qui arrivent suivant des angles d'incidence diffé-30 rents en traversant les diverses surfaces revêtues généralement présentes dans un système optique . L'une des conséquences graves des erreurs et des tolérances qui sont inévitables en ce qui concerne le dépôt de revêtements anti-réflexions réside en ce que les caractéristiques de réfleetan-35 ce spectrale résultantes peuvent se trouver décalées dans une gamme spectrale légèrement différente de la gamme désirée . En conséquence, des effets de réflectance plus importants présentés par le revêtement dans les bandes latérales des gammes de longueur d'onde de réflectance minimale, qui théoriquement sont '40 extérieures à la gamme spectrale pour laquelle le revêtement est prévu, sont introduits dans une certaine mesure dans ladite gamme 71 03835 2 2079243 où ils compromettent la transmission spectrale et donnent lieu à des images fantômes indésirables ou recouvrent l'image d'un voile qui en diminue le contraste par réflexion sur le revêtement . Compte tenu de ce qui précède l'invention vise notamment à 5 créer un revêtement comportant une gamme spectrale étendue,dans laquelle la réflexion est maintenue à de très faibles valeurs , c'est-à-dire à faible réflexion intégrée , de sorte que les effets des erreurs de fabrication ont des conséquences beaucoup moins graves . Ces avantages sont également utiles si l'on considère les 10 décalages spectraux analogues résultant d'une variation d'uniformité du revêtement sur des surfaces fortement incurvées ou de grandes superficies , ainsi que dans le cas où il se produit une variation importante de l'angle d'incidence, que le revêtement soit ou non uniforme . 15 L'invention prévoit un revêtement anti-réflexions comprenant une couche intérieure déposée sur un substrat transparent , une couche extérieure, et au moins trois couches intermédiaires d'indices de réfraction progressivement décroissants interposées successivement entre les couches intérieure et extérieure, revêtement 20 dans lequel les épaisseurs optiques des couches extérieure et intérieure sont toutes deux de l'ordre de ^/4, tandis que l'épaisseur optique totale du revêtement est sensiblement égale à ^ étant une longueur d'onde de référence située dans une gamme de longueurs d'onde dans laquelle la réflexion doit être réduite. 25 Le nombre de couches intermédiaires peut être très grand , auquel cas elles peuvent être constituées en fait par un unique dépôt composite hétérogène présentant un indice de réfraction progressivement décroissant . En conséquence, sous un autre aspect de l'invention, celle-ci 30 prévoit un revêtement anti-réflexions comprenant une couche intérieure déposée sur un substrat transparent, une couche extérieure et une couche intermédiaire hétérogène à indice de réfraction graduel qui décroît progressivement entre la couche intérieure et la couche extérieure, revêtement dans lequel l'épaisseur optique de 35 chacune des couches extérieure et intérieure est de l'ordre de )\/4 et l'épaisseur optique totale du revêtement est sensiblement égale à "X,étant une longueur d'onde de référence située dans une gamme de longueur d'onde dans laquelle la réflexion doit être réduite . Le revêtement suivant l'invention se prête à une fabrication 40 plus souple que les revêtements anti-réflexions antérieurement 71 03835 3 2079243 connus , du fait que les limitations imposées aux indices de réfraction des couches sont moins impératives. En outre, une construction donnée quelconque peut être utilisée en combinaison avec un substrat d'un indice de réfraction quelconque susceptible 5 d'être rencontré dans les systèmes à lumière visible, par simple modification de l'indice de la couche immédiatement adjacente au substrat .On a trouvé, en outre, que les indices de réfraction et les épaisseurs des couches peuvent s'écarter des valeurs optimales dans line mesure relativement grande- . Compte tenu de la 10 largeur de bande plus grande, on obtient ainsi des revêtements qui, à la fois, jouissent de tolérances de fabrication moins impératives et peuvent fonctionner dans des conditions variables. Enfin, l'épaisseur totale du revêtement est réduite à une seule longueur d'onde, ce qui diminue les risques d'absorption. 15 Généralement, la longueur d'onde de référence précitée est égale ou sensiblement égale à la moyenne harmonique de la gamme de longueurs d'onde . La couche extérieure doit avoir ion indice de réfraction compris entre 1,25 et 1,45. 20 Dans un mode de réalisation préféré, l'indice de réfraction de la couche intérieure est sensiblement égal à n n étant g Lo S 1 ' indice de réfraction du substrat et ru. , 1 ' indice de réfraction a de la couche extérieure . En pratique, l'indicé de réfraction de 1 1 la couche intérieure est compris entre 0,9 n 2.n. ^ 1,1 n 2,il g L0 g \ 25 inclus . On peut prévoir N couches intermédiaires désignées par L^, L ,..., L,j , en partant de la couche intermédiaire la plus extérieure L^, immédiatement adjacente à la couche extérieure Lq . De préférence , les couches intermédiaires la plus extérieure et ■30 la plus intérieure ont des indices de réfraction respectifs nT L1 et n^ tels qu'on ait : 71 03835 4 2079243 3,5(l,2nT - 1,0) -f- 0,02N>. nT > 2,8 (l,2nT - 1,0) o " % +0,02N L0 (1) ■ où 5), N) 2 ou 3,33(l,24nl - 1,00)}, n ) 2,72(1,241^ - 1,00) 0 où N ^ 5 ; 0 (2) 5 3,5(1,2^ - l,0-)-0,02N)/nL >/ 2,8(1,21^ -1,0)-0,02N où 5 n y 2 (3) ou 3,55(ljl6nT - 1,00)) nT > 2,90(1,l6nT - 1,00) 0 L1 " L0 où N) 5 ; (4) N(17-N) . n? ) (n - nT ) V. N(l7-N)jt3T 500 0 TI 1 3000 0 10 où5>, N)2 (5) ou °,3°>/K - "L ) >, °'°5 - 1 où N) 5 (6) Les indices de réfraction des couches intermédiaires reçoivent des valeurs nominales telles que la différence d'indice 15 de réfraction entre des couches intermédiaires adjacentes quelconques soit toujours sensiblement la meme. Si l'épaisseur optique de chaque couche est Tt. , on a alors, d'après la définition ci-dessus : i= N + 1 s* •>> i - 0 20 . L'épaisseur optique de chacune des deux couches extérieure et intérieure Tr et Tt,t .. , respectivement, a une valeur nominale JL» JLiN+J- • . de X/4 et celle de chacune des couches intermédiaires Tt ...Tt . L1 ^ a une valeur nominale de A/2N. • " -Les valeurs d'indice de réfraction du revêtern'ent suivant l'in- 25 vention ne sont pas aussi critiques qu'il s'était avéré nécessaire dans la technique antérieure . Par exemple , l'espacement numérique effectif des indices n» à n, inclus des couches intermédiaires . n -4 n'est pas nécessairement uniforme et il n'est pas non pius nécessaire que les épaisseurs correspondantes Tt à Tt comprise soient N -L1 71 03835 5 2079243 égales, à condition qu'on ait : nT v nT N . , X nr ; ce qui N • Hl-l7 / L1 est particulièrement important, c'est la différence d'indice (n_ - nT ) . Une autre caractéristique avantageuse peut également N 1 être obtenue . Si l'on ne dispose pas d'un matériau ayant une va-5 leur appropriée nT , il est alors possible d'utiliser un rn+i matériau, d'un indice plus élevé ou plus faible de quelques pour- cents , à condition que la gamme nr à nT soit élevée à un plus N L1 haut niveau et élargie, ou abaissée et rétrécis , respectivement, dans une mesure qui est d-éduite empiriquement ; les performances 10 sont alors maintenues . Les équations ci-après donnant des valeurs des indices de réfraction préférés pour les couches intermédiaires la plus intérieure et la plus extérieure ont été déduites d'études théoriques: pour N Z- 5 ■v 3,750 nT 0 - 3,125-t-N(l7-N).n3L0 1560 (i) 15 et %= 3,750 n, ^0 - 3,125 - N(l7-N).n^LQ (ii) 1 1560 pour N) 5 il 3,750 nT 0 - 3,025 (iii) et nT = L1 3,750 nT • 0 - 3,225 (iv) Théoriquement, on peut utiliser toute valeur de N supérieure à 2 jusqu'à une limite établie par les épaisseurs de couches ten-20 dant vers des dimensions moléculaire ( N ^250) .Toutefois, pour N^5, on atteint un état de plafonnement comme on peut le voir d'après les équations (iii) et (iv) qui sont indépendantes dé N. Les spécialistes de la technique comprendront aisément que les problèmes pratiques sont plus difficiles à résoudre lorsque N croît 25 et que, du fait que le changement d'indice d'une couche donnée à • la suivante décroît , les diverses couches distinctes peuvent être considérées comme une unique couche hétérogène., dont l'indice varie graduellement avec l'épaisseur, toujours conformément aux condi -tions ci-dessus . Ainsi, l'augmentation apparente de complexité 2o pratique pour de grandes valeurs de N offre, en fait, un mode possible de mise en oeuvre pratique de 11 invention .Par exemple , certains matériaux tels que 11 oxyde de titane TiO peuvent 'être déposés en phase vapeur dans des conditions variées de manière à assurer un indice de réfraction graduel .Selon une variante , on 35 peut utiliser des techniques de dép'dt simultané en phase vapeur à 71 03835 6 2079243 partir de deux sources, auquel cas on fait varier les vitesses de dépôt à partir de ces deux sources pour obtenir la gradation désirée . Les exemples ci-aprês mettront en évidence le niveau de per-5 formance spectrale de revêtements types suivant l'invention . Ces revêtements sont destinés à assurer une suppression de la ré- O flexion dans la gamme de longueurs d'onde de 3200 à 7200 A , qui est une gamme spectrale qui, si l'on dispose des possibilités voulues, peut être utilisée dans des systèmes optiques fonctionnant 10 dans la gamme de longueurs d'onde visible, par exemple, de 4000 à 7000 A . EXEMPLE 1 Indice de Epaisseur Matériau de pellicule réfraction optique possible 15 20 25 30 Substrat(air) Couche Iq (extérieure) J7 ■*8 J10 11 (intérieure) substrat Exemple 2 Comme dans l'Exemple 1, Lj2(intérieure) Substrat 1.0 1,38 1,95 1,97 1,99 2.01 2,03 2,05 2,07 2,09 2,11 2,13 2,15 1,66 1,45 sauf: 1,86 1,81 Massive 0,25 A 0,0455 A > 0,0455 A 0,0455A 0,0455 A 0,0455 A 0,0455A 0,0455 A 0,0455À 0,0455 A 0,0455 A 0,0455A 0,25 A Massive A = 495 no 0,25 A massive MgPr y TiO (déposé en phase vapeur dans des conditions variables ) AI2O3 35 Nd2°3 A = 495 an 71 03835 7 2079243 EXEMKE t Indice de réfraction épaisseur Matière en pel- optique licule possible superstrat (air) 1,0 Massive Couche Lq(couche) 1,3b 0,25 A MgPp L1 2,0» 0,3«5A > 2,10 o,385\ \ s 2,12 0,3«5A i j l4 2,14 0,385 A ■ 2,16 0,3»5A H 2,18 0,3«5X TiO h 2,20 0,3&5 A (déposé en phase 0,3»5h s vapeur dans des ■JjQ 2,22 conditions va ' 0,385 X riables) b 2,24 L10 2,26 0,3«5\ *11 2,28 0,3»5\ L12 2,30 0,3»5A L13 2,32 0,385 A ✓ L^2j. ( intérieure ) 1,75 0,25 A MgO Substrat 1,52 Massive Â= 195 nm Exemple 4 Indice de réfraction épaisseur Matière en pellicule possible Superstrat (air) 1,0 Massive Cpuche LQ(extérieure) 1,3» 0,25 A MgFg h 1,97 0,556 A F 1,98 0,556 A h 1,99 0,556 A h 2,00 0,556 A Zr°2 L5 2,01 0,556 A (déposé en phase 2,02 0,556 A vapeur dans des conditions variables) L7 2,03 0,556 X h 2,04 0,556x 2,05 0,556 A , L10(intérieure) 1,66 0,25 A AI2O3 Substrat 1,52 Massive X = 495 nm 71 03835 » 2079243 EXEMPLE ri Indice de réfraction épaisseur Matière en pel- optique licul-e possible superstrat (air) 1,0 Massive 5 Couche L^(extérieure) 1,3» 0,25 X MgF^ Lx 1,9» 0,14 \ Ce02 L2 2,05 0,1» \ Zr02 2,12 0,1» A TiO L^(intérieure) 1,75 0,25X , MgO 10 Substrat 1,60 Massive A = 495 nm Dans l'exemple 1, le nombre de couches intermédiaires est grand (N=ll) et ces couches forment, en fait, une unique couche hétérogène L'indice de réfraction ru de la couche extérieure extrême o Lq est 1,38 et celui du substrat est 1,45. 15 L'indice de réfraction de la couche intérieure (N + 1) est obtenu d'après la relation : *Vl ~ ns2-ni0 (v) on à donc : 1 ûLïï+l ~ nl12 ^ l»U5a. 1' 38 = 1*66 20 valeur qui est située dans la gamme : * * - * l»X*nT .n " • à 0.9 nT .n o Lo S Les indices de réfraction des couches intenhédiaires sont obtenus d'après les équations (iii) et(iv) : =3,75. l,3»-3,025 = 2,15 - ru = 3,75.1,38-3,225 = 1,95 •"1 qui satisfont aux équations (2) et (4). O Dans cet exemple, on a \ = 4950 A , valeur contenue dans la O largeur de bande de fonctionnement de 38OO à 7200 A . •jq Les couches intermédiaires peuvent être considérées comme une série de couches distinctes d'indice de réfraction progressivement 25 71 03835 9 2079243 variable de la manière indiquée, par exemple, dans l'Exemple 1. Selon une variante, les couches intermédiaires peuvent être considérées comme une unique couche hétérogène d'indice de réfraction continuellement graduel couvrant une gamme totale (n_ - n_ ) N 1 5 de part et d'autre d'un indice de réfraction central . En conséquence, dans l'exemple 1, les couches intermédiaires peuvent être représentées par une unique couche hétérogène d'une gamme d'indice de réfraction de 2,05 - 0,10. On peut démontrer qu'une structure de revêtement donnée quel- 10 conque est valable pour tous les indices de réfraction du substrat compris dans la gamme de 2,00},ng^l,40, en modifiant seulement 11 indice n,. de la couche intérieure extrême conformément à N+l l'équation (v) sans compromettre les performances .Ceci est démontré dans l'Exemple 2 où la'structure de base de l'Exemple 1 15 est appliquée à un substrat d'un indice de réfraction beaucoup plus grand (l,bl) . D'après l'équation (v) , la nouvelle valeur de n^ est 1,86. L'exemple 3 met en évidence une autre caractéristique de l'invention . Pour utiliser une gamme d'indices de réfraction 20 graduels disponible en pratique mais plus élevée que celle que prescrivent les équations (iii) et (iv), on utilise la technique consistant à augmenter convenablement la valeur de nl^+^ au-dessus de celle qui est prescrite par l'équation (v) . D'après l'équation (v), on a : oc n- =1,70 - en fait, porté théoriquement à 1,75 14 D'après l'équation (iii) , on a : n, =2,15- porté en fait par commodité pratique à 2,32. 13 Enfin, d'après l'équation (iv) on a : n^ = 1,95 - porté en fait par commodité pratique à 2,0b. ^0 En outre, la gamme ^ est ®larSie de 0>20 à 0,24 . L'exemple 4 est relatif au cas inverse du cas envisagé dans l'exemple 3» ce qui correspond à un abaissement et un rétrécissement de la gamme d'indice de réfraction graduel et à une réduction convenable de nT N+l Dans ce cas particulier, la gamme nT - nT est ramenée de nt L1 0,20 à 0,08, diminution plus grande que l'abaissement total de la 71 03835 10 2079243 gamme dont le centre est ramené de 2,05 à 2,01 de sorte que la valeur effective de n^ est, en fait, légèrement augmentée . Toutefois , toutes les valeurs tombent dans les gammes définies par les inéquations (2), (4) et (6). 5 L'exemple 5 correspond à une application, avec N = 3, où les couches intermédiaires sont des couches individuelles séparées . Cet exemple montre également que les épaisseurs de ces couches intermédiaires peuvent ne pas être nominalement égales sans que cette inégalité ait des effets appréciables sur les performances. 10 D'une manière analogue, on peut faire varier l'uniformité des indices sans réduction de performances . Les caractéristiques spectrales favorables des exemples 1 à 5 ci-dessus du revêtement anti-réflexions suivant 1'invention ainsi que les valeurs de réflexion intégrées relatives à ces 15 exemples sont données sur les F±g. 1 à 5, respectivement, des dessins annexés .A titre de comparaison, on a inclus des grapes équivalents de la réflectance R pour des revêtements achromatiques optimaux (courbes en trait interrompu): ces derniers revêtements ont des couches présentant des épaisseurs respectivement de \/4, 20 ^/2 et 3^/4. Il est à noter qu'il n'existe aucune solution achromatique possible dans le second exemple (Fig.2) , du fait que les indices de réfraction de la seconde couche sont trop grands pour être utilisables en pratique . 71 03835 -TÏ 2079243 REVENDICATIONS 1- Revêtement anti-reflexions comprenant une couche intérieure déposée sur un substrat transparent, une couche extérieure et des couches intermédiaires, caractérisé en ce qu'au moins trois couches intermédiaires d'indice de réfraction progressivement décroîssant 5 sont interposés successivement entre les couches intérieure et extérieure et en ce Que les épaisseurs optiques des couches intérieure et extérieure sont égales entre elles et d'une valeur de l'ordre de X/4, tandis que l'épaisseur optique totale du revêtement est sensiblement égale à A, Xétant une longueur d'onde de référence 10 située dans me gamme de longueurs d'onde dans laquelle la réflexion doit être réduite. 2- Revêtement suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un grand nombre de couches intermédiaires formant, en fait, un unique dépôt composite hétérogène, d'indice de réfrac- 15 tion progressivement décroîssant. 3- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur d'onde de référence est égale ou sensiblement égale à la moyenne harmonique de la gamme de longueuis d'onde. 20 4- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que la couche extérieure présente un Indice de réfraction compris entre 1,25 et 1,45. 5- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la différence entre les indices de ré- 25 fraction de deux couches intermédiaires adjacentes quelconques est sensiblement toujours la même. 6- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche intérieure est sensiblement égal à ou ng est l'indice de réfrac 30 tion du substrat et nLQ, l'indice de réfraction de la couche extérieure, et est de préférence, compris dans la gamme de(0,9 à l,l) ■ng2,nLo* 7- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est prévu N couches intérmédiaires dési- 35 gnées par .. Ljj, en partant de la couche intermédiaire la plus extérieure immédiatement adjacente à la couche extérieure LqJ les couches intermédiaires la plus extérieure et la plus intérieure ayant des indices de réfraction respectifs et de telle façon qu'on ait : 71 03835 2079243 3,5(1,2nT - 1,0) 4- 0,Q2N\ nT S 2,8 (l,2nT - 1,0) O ' hl * +0,02N L0 où 5 ^ N y 2 ou 3,33(l,24nT - 1,00) \ nT V 2,72(l,24n' -1,00) o Liy/ . n\ CL0 ou N) 5 3,5(l,2nL - l,0)-0,02îîj>/ nL \ 2,8(l,2nL -1,0) -0,02N où 5>^ N ) 2 ou 3,55(l,l6nT - 1.00)\ nT \ 2,90(1,l6nT - 1,00) L0 // h." 0 où N ) 5 N(17-N) .n3 \ (n - nL ) V N(l7-N).n3L 500 0 " "TI .1 . 3000 0 où 5)M)2 ou 0,30\ (n- - n£ ) S 0,05 ^ 1 où N>5 8- Revêtement anti-reflexions.comprenant une couche intérieure "déposée sur un substrat transparent, une couche extérieure et une couche intermédiaire, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire est hétérogène et présente un indice de réfraction graduel qui décroît progressivement entre la couche intérieure et la couche extérieure, les épaisseurs optiques des couches extérieure.et intérieure étant égales entre elles et ayant une valeur de l'ordre de X/4 et l'épaisseur optique totale du revêtement étant sensiblement égale à A,A étant une longueur d'onde de référence située dans une gamme de longueur d'onde dans laquelle la réflexion doit être réduite, 9- Revêtement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué sur un substrat dont l'indice de réfraction est compris entre 1,40 et 2,00. (D (2) (3) (4) (5) (6)