Brevet FR2177774A1 — publié le 19731109

La présente invention est relative à un filtre optique notamment pour verres de lunettes de soleil et, plus précisément, à un filtre optique à couches multiples qui comprend un filtre réflecteur en combinaison avec un filtre polarisant, de manière à réduire la quantité de lumière réflective vers l'arrière. On sait qu'un filtre réflecteur formé d'une couche d'or ou de cuivre entre deux couches de sulfure de zinc déposées sous vide sur un support de matière plastique est utile comme verre de lunettes de soleil, comme décrit dans la demande de brevet français 2 003 177. Un tel filtre a la propriété recherchée de réfléchir presque la totalité des parties ultraviolette et infrarouge des rayonnements solaires parvenant à la surface de la terre après traversée de l'atmosphère, tout en atténuant de 0,30 à 0,85 la partie visible de ces rayonnements. On entend par rayonnement solaire à la surface de la terre celui qui arrive sur la terre sur la terre par temps clair, au niveau de la mer.Or, si des verres de lunettes de soleil comprennent un tel filtre sans couche filtrante supplémentaire, il se produit une r/etrozréflexion indésirable vers les yeux du porteur de lunettes ; cette retro-réflexion provient d'une réflexion parasite par les faces postérieures des verres, qui réfléchissent la lumière leur parvenant obliquement. La demande de brevet précitée propose l'utilisation de couches minces de nickel déposées sur les verres avec une épaisseur soigneusement réglée et placées de manière que le nickel se trouve entre le filtre réflecteur et l'oeil du porteur de lunettes ; une telle couche de nickel réduit la retroréflexion à une valeur acceptable. L'invention fournit une technique plus avantageuse de réduire cette retroréflexion. Suivant l'invention, on introduit un filtre polarisant comprenant une couche mince polarisante, entre l'oeil et un filtre réflecteur à trois couches fait d'une couche mince d'or ou de cuivre placée entre deux couches de sulfure de zinc. Cette couche polarisante est plus efficace qu'un filtre neutre absorbant de même transmittance, pour réduire la rétro-réflexion en combinaison avec le filtre réflecteur. Un des buts de l'invention est de fournir un nouveau filtre multi-couche, utilisable pour des lunettes de soleil, filtrant par réflexion presque tous les rayonnements ultraviolets et infrarouges dangereux, tout en laissant passer environ 0,15 à 0,70 de la lumière visible et en réduisant la rétro-réflexion. Considérée dans toute sa généralité, l'invention a pour objet un filtre destiné à être placé entre l'oeil d'un observateur et le champ observé comprenant un filtre réflecteur fait d'une couche d'or ou de cuivre entre deux couches de sulfure de zinc et une couche supplémentaire d'un matériau antiréfléchissant placée sur la face du filtre réflecteur en regard de l'oeil de l'observateur, ce filtre optique étant caractérisé en ce que le matériau antiréfléchissant est un matériau polarisant. Un des avantages apportés par l'invention est que la rétro-réflexion est réduite sans diminution inacceptable de la transparence générale des verres. Un autre avantage résulte du fait que les rayonnements qui ont subi une réflexion spéculaire sont plus atténués que ceux ayant subi une réflexion diffuse. Un autre avantage est qu'il n'est pas nécessaire que le filtre réflecteur à trois couches et le filtre polarisant soient en contact direct ce qui permet de fabriquer des verres de lunettes de soleil efficaces, solides et résistant à l'abrasion. Au dessin annexé : -les Fig. 1 à 5 représentent, en coupe, des filtres suivant divers modes de réalisation de l'invention -les Fig. 6a et 6b représentent respectivement, en coupe, un filtre conforme à l'exemple unique ci-après, et un filtre différant du précédent par la suppression de la couche polarisante -la Fig. 7 est un graphique de la valeur relative de la transmittance, en centièmes, en fonction de la longueur d'onde, pour le filtre de l'exemple unique ; et -la Fig. 8 est un graphique montrant la réflexion de l'arrière, en centièmes pour ce même filtre. La Fig. 1 représente un verre 10 de lunettes de soleil muni d'un filtre optique. L'ensemble du verre de lunette de soleil comprend essentiellement, dans le sens de propagation de la lumière, une couche 22, servant de moyen de support, un filtre triple formé de deux couches 16,20 de sulfure de zinc séparées par une couche 18 d'or ou de cuivre, une couche 14 de matière polarisante et une seconde couche 12 servant aussi de moyen de support. Ce filtre triple formé des couches 16, 18, 20 constitue un moyen réfléchissant au moins la majeure partie des rayonnements infrarouges et ultraviolets sans affaiblir exagérément les rayonnements visibles.Les deux couches 12, 22 de support sont de avantageusement faites en une matière plastique transparente telle que/l'acéto-butyrate de cellulose, du nitrate de cellulose, de l'acéto-propionate de cellulose, de l'acétate de cellulose, de ltéthyl-cellulose, du triacétate de cellulose. Les faces extérieures des couches 12 et 22 sont avantageusement recouvertes de couches 13,23, qui résistent particulièrement bien à l'abrasion, telles que , par exemple, une couche de résine mélamine-formaldéhyde totalement polymérisée, de polymère réticulé thermodurcissable tel qu'un polyalkylèneglycol portant des substituants diéthyléniques, par exemple une couche polymère formée par polymérisation in situ de diesters de polyalkylèneglycols et d'acides carboxyliques a-p-non saturés, déposés sur la feuille de matière plastique de support 12 ou 22, etc.Ces couches 12, 13 sont des moyens de protection de l'ensemble du filtre. Les brevets des Etats-Unis 2 237 567, 2 527 400, 2 554 850, 3 081 192 et 3 097 106, par exemple, décrivent des structures stratifiées de ce type. La pellicule ou couche polarisante peut être faite de toute matière polarisante connue ; ce peut être, par exemple, une feuille d'alcool polyvinylique orientée moléculairement et teintée par de l'iode pour la rendre polarisante ; cette feuille peut aussi avoir été boratée. Ceci est décrit aux brevets des Etats-Unis 2 445 570,"Reissue"23 297 et 2 554 850. I1 est clair que les verres de lunettes de soleil représentés à la Fig. 1 comme aux autres figures, peuvent comprendre des couches de liaison non repré diverses sentées, servant à assurer une bonne adhérence entre les/couches représentées. La Fig. 2 représente un verre 24 de lunettes de soleil comprenant une première couche 26 de support, une couche 28 de pellicule polarisante, une seconde couche 30 de support, une couche 32 de sulfure de zinc, une couche 34 d'or ou de cuivre, une seconde couche 36 du sulfure de zinc et une couche 38 protectrice. Les deux verres des Fig. 1 et 2 diffèrent essentiellement en ce que celui de la Fig. 2 ne comprend qu'une couche extérieure de support et que la couche extérieure de sulfure de zinc est recouverte d'une couche protectrice. Dans le verre de la Fig. 1, le filtre triple est au contact de la couche polarisante, tandis qu'une couche 30 de support sépare le filtre triple de la couche polarisante dans le mode de réalisation de la Fig. 2. Ces deux verres conviennent parfaitement pour des lunettes de soleil à condition que la couche de pellicule polarisante soit placée entre le filtre triple et l'oeil. La Fig. 3 représente un verre 40 de lunettes de soleil comprenant un support 42 ; une face de ce support est recouverte d'une couche 44 de pellicule polarisante, et d'une couche 46 protectrice ; l'autre face du support porte une couche 48 de sulfure de zinc, une couche 50 d'or ou de cuivre, une autre couche 52 de sulfure de zinc et une seconde couche 54 protectrice. La Fig. 4 représente un verre 58 de lunettes de soleil comprenant une couche 60 de support, une première couche 62 de sulfure de zinc, une couche 64 d'or ou de cuivre, une seconde couche 66 de sulfure de zinc, une couche 68 de matière polarisante et une couche 70 protectrice. L'autre face du support 60 porte avantageusement une couche (non représentée) de matière résistant à l'abrasion. La Fig. 5 représente un verre 74 de lunettes de soleil comprenant un support 76, une couche 78 de matière polarisante, une première couche 80 de sulfure de zinc, une couche 82 d'or ou de cuivre, une seconde couche 84 d'oxyde de zinc et une couche protectrice 86. La face externe du support 76 porte avantageusement une couche résistant à l'abrasion, non représentée. Bien entendu, les verres de lunettes de soleil représentés aux Fig. 1 à 5 peuvent, dans le cadre de l'invention, comprendre des couches supplémentaires, servant de support auxiliaire, de couche colorante (pour une raison esthétique ou pour une raison fonctionnelle). Si les couches représentées aux Fig. 1 à 5 sont associées à d'autres couches, il y a évidemment lieu de supprimer une couche résistant à l'abrasion qui ne serait plus une couche extérieure ; d'autre part, on peut toujours placer une couche spéciale, résistant à l'abrasion, sur une surface externe du verre de lunettes5 quand la couche venant immédiatement sous cette couche résistante est insuffisamment dure pour résister aux diverses causes d'abrasion. On peut aussi teinter une quelconque des couches des verres de lunettes de soleil suivant l'invention. Pour fabriquer un verre de lunettes suivant l'invention, par exemple un verre représenté à l'une des Fig. 1 à 5 ou à la Fig. 6a , on peut opérer de diverses manières ; on peut, notamment, utiliser un des procédés ci-après. (1) On dépose le filtre triple (sulfure de zinc)/(or ou cuivre)/(sulfure de zinc) sur un premier support ; on applique la pellicule de matière polarisante sur un second support et on assemble le tout. Ceci peut se faire par laminage. Bien entendu, au montage des lunettes5 on dispose la pellicule polarisante de manière qu'à l'utilisation elle se trouve entre le filtre triple et l'oeil du porteur de lunettes, comme il a été dit. Ce procédé convient, notamment, pour fabriquer un verre de lunettes conforme à la Fig. 1. (2) On dépose le filtre triple directenemt sur une pellicule de matière polarisante, et on insère le tout entre deux couches de support. On peut ainsi fabriquer un verre conforme à la Fig. 1. (3) On dépose le filtre triple sur une face d'un support ; on applique la pellicule de matière polarisante sur l'autre face du même support ; on recouvre les deux faces de la feuille composite ainsi formée par une couche de protection, à base de matière polymère par exemple. Ceci permet , par exemple, de préparer un verre de lunettes de soleil conforme à la Fig. 3. D'autres modes de réalisation de l'invention et d'autres techniques pour fabriquer des verres de lunettes de soleil suivant l'invention sont bien connues. Le point essentiel est que la pellicule de matière polarisante soit placée entre le filtre triple (sulfure de zinc)/(or ou cuivre)/(sulfure de zinc) et l'oeil du porteur de lunettes. L'exemple suivant illustre encore l'invention. Exemple : Pour déposer les diverses couches, on utilise par exemple, un appareil à vide "VEM-775" fabriqué par la firme américaine Veeco Instruments, Inc., comprenant une enceinte en forme de cloche. On monte sur une pièce convenable de support une pellicule de matière polarisante, ayant 10 cm x 15 cm environ et fabriquée par exemple par la firme américaine American Polarizers, Inc., on place cette pellicule à 33 cm des creusets.Cette pellicule est, en fait, triple5 comme le montre la Fig. 6a ; elle comprend un feuillet 90 mince de matière polarisante intercalé entre deux feuilles 92, 94 d'acéto-butyrate de cellulose ; l'ensemble désigné par la référence 96 est épais de 0,76mm. Les sources de vapeurs sont disposées au voisinage l'une de l'autre ; ce sont (1) une source de vapeurs chauffée par bombardement électronique, modèle "FIH-180", fabriquée par la firme dite "Airco Temescal Division of the Air Reduction Company, Inc." ; et (2) une nacelle de tungstène chauffée par passage d'un courant électrique. On place du sulfure de zinc dans le creuset de la source chauffée par faisceau d'électrons et de l'or dans la nacelle de tungstène.On place au voisinage du support, dans le même plan, un appareil de mesure de l'épaisseur déposée à quartz oscillant, fabriqué par la firme "Sloan Instruments, Inc.". 204. îo-5 Pa. On ferme l'enceinte et on y abaisse la pression à I On dépose successivement les trois couches sans casser le vide, en chauffant successivement les deux sources de vapeur. On dépose d'abord une couche 98 de sulfure de zinc : la vitesse de dépôt est de 25 nm/s, et on dépose une épaisseur de 350 nm ; on dépose ensuite rapidement de l'or, à la vitesse d'environ 8 nm/s, de manière à former une couche 100, ayant une épaisseur d'environ 320 nm ; on dépose enfin une nouvelle couche 102 de sulfure de zinc, épaisse d'environ 350 nm. On rétablit ensuite la pression atmosphérique dans la cloche à vide. On obtient ainsi le verre de lunettes de soleil dont la coupe est représentée à la Fig. 6a. On prépare de manière analogue le verre de lunettes de soleil dont la coupe est représentée à la Fig. 6b. On dépose sur un support 106 transparent en acéto-butyrate de cellulose les trois couches du filtre triple5 respectivement désignées par les références 108, 110 et 112 ; ces couches ont pratiquement les mêmes épaisseurs et les mêmes structures que les couches du verre de lunettes de soleil de la Fig. 6a, mais il nty a pas de pellicule de matière polarisante associée au verre représenté à la Fig. 6b. On étudie les propriétés optique s de ces deux verres ; les résultats des mesures sont présentés sous forme de graphiques (Fig. 7,8). En abcisses, on a porté les longueurs d'onde, en nanomètres. Les courbes marquées A concernent le verre complet, correspondant à la Fig. 6a ; les courbes marquées B correspondent au filtre d'or seul ; la courbe marquée C correspond à la pellicule de matière polarisante seule. En ordonnées, on a porté, à la Fig. 7 la transmittance en valeur relative ; à la Fig. 8, on a porté la réflectance en valeur relative. Ces graphiques mettent en évidence l'efficacité de la couche d'or pour limiter la transmission à uniquement la fraction visible des rayonnements incidents. La transmission maximale de l'ensemble pour la lumière visible polarisée perpendiculairement au plan de polarisation de la couche polarisante est de moins de 0,01. Les épaisseurs des diverses couches autres que celles du filtre triple ne sont pas critiques et peuvent varier entre des limites relativement écartées. Néanmoins, il est avantageux qu'elles soient aussi fines que possible, pour divers motifs : prix de revient, masse, diminution de la composition spectrale ou de la réfraction de la lumière transmise. Les données suivantes ne sont que des indications nullement impératives Couches protégeant contre l'abrasion : 25R Couches transparentes de support : 0,30 à 0,35 nm Couches polarisantes : 25p Les épaisseurs des couches d'or ou de auivre dans les verres de lunettes de soleil suivant l'invention dépendent de la densité optique du filtre polarisant.Plus la densité optique du filtre polarisant est grande, plus l'épaisseur de la couche d'or ou de cuivre doit être petite, de manière que l'absorption totale atténue les rayonnements solaires arrivant à la surface de la terre de 0,30 à 0,85. I1 est avantageux que la couche d'or ait une épaisseur comprise entre environ 6 nm et environ 40 nm ou que la couche de cuivre ait une épaisseur comprise entre environ 10 nm et environ 40 nm. L'épaisseur optimale des couches de sulfure de zinc est à 0,20 près, en plus ou en moins celle d'une lame quart d'onde. Cet écart relatif de 0,20 entre l'épaisseur optimale théorique et l'épaisseur optimale réelle est attribué à un écart variable entre la densité optique théorique du sulfure de zinc et sa densité optique réelle. En pratique, l'épaisseur optimale de la couche de sulfure de zinc est celle qui rend le rapport lumière visible infrarouge + ultraviolet maximal. REVENDICATIONS 1 - Filtre optique destiné à être placé entre l'oeil d'un observateur et le champ observé comprenant un filtre réflecteur fait d'une couche d'or ou de cuivre entre deux couches de sulfure de zinc et une couche supplémen taire d'un matériau antiréfléchissant placée sur la face du filtre réflec teur en regard de l'oeil de l'observateur, ce filtre optique étant carac térisé en ce que le matériau antiréfléchissant est un matériau polarisant. 2 - Filtre optique conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le filtre réflecteur réfléchit les rayonnements infrarouges visibles et ultraviolets et transmet de 0,15 à 0,70 environ des rayonnements solaires reçus à la surface de la terre et en ce que la couche supplémentaire réduit la rétro-réflexion à moins de 0,20 environ de la lumière parasite arrivant sur la face postérieure du filtre. 3 - Filtre optique conforme à la revendication 1 ou 2 caractérisé par une couche d'or ayant une épaisseur comprise entre environ 6 nm et environ 40 nm et par une couche de cuivre ayant une épaisseur comprise entre environ 10 nm et environ 40 nm. 4 - Filtre optique conforme à la revendication 3 caractérisé en ce que l'épais seur des couches de sulfure de zinc est0,20 près en valeur relative, celle d'une lame quart d'onde. 5 - Filtre optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4 carac térisé en ce qu'il comprend des moyens de support. 6 - Filtre optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de protection des surfaces extérieures utiles. 7 - Filtre optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la couche d'or est suffisamment mince pour transmet tre de 0,15 à 0,70 environ des rayonnements solaires visibles parvenant sur terre. 8 - Application d'un filtre optique conforme à l'une quelconque des reven dications 1 à 7 à la fabrication de lunettes de soleil.