Brevet FR2219983A1 — publié le 19740927

La présente invention concerne les polariseurs de lumière et plus particulièrement, un procédé pour fabriquer une matière de pola irisation de la lumière et le produit qui en résulte. Les polariseurs de lumière sont généralement classés en polariseurs à prisme, à reflexion ou à feuille. Les polariseurs à prisme et les polariseurs à reflexion sont extrêmement efficaces mais leur utilisation est limitée par le fait qu'ils sont encombrants, que leur superficie est souvent restreinte et que leur ouverture angulaire est étroite. Les avantages des polariseurs à feuille sont universellement reconnus depuis l'introduction des polariseurs à pellicule Polaroïd. Le procédé Polaroid, qui consiste à orienter des cristaux dichroïques microscopiques dans une pellicule, est décrit dans la revue Journal of the Optical Society of America, Vol. 41, page 957, 1951. tes polariseurs de ce type donnent de bons résultats dans la région visible du spectre et un Polaroïd de type HR peut etre utilisé pour l'infra-rouge proche.Ce procédé présente, en général, l'inconvénient de nécessiter une pellicule et de ne-pouvoir être appliqué directement à la surface d'un élément optique. in outre, du fait qu' il s'agit d'un polariseur chimique, la stabilité thermique est déterminée par celle de la pellicule et de la matière chimique dichroique. On a pu établir, en particulier, que le Polaroïd HR se détériorait rapidement à des températures supérieures à 550 C. En raison de la transmission de la matière, la longueur Ct' d'onde utile du Polaroïd KR se situe entre 0,8 et 2,2 microns et il n'existe pas de Polaroïd pour des longueurs d'onde supérieures. Un autre procédé de fabrication de polariseurs à feuille est celui qui utilise une grille de fils, telle que décrite dans la revue Journal of the Optical Society of America, Vol. 50, page 72, 1960. Le principe utilisé à l'origine par Hertz pour polariser les ondes radio-électriques est fondé sur l'utilisation de fils ayant une longueur supérieure et un diamètre et un ecartement infXrieurs à la longueur d'onde du rayonnement à polariser. Lorsque le vecteur électrique de lumière est parallèle à la direction du fil, il est réfléchi, et lorsqu'il est perpendiculaire, il est transmis.Le brevet des tata-Unis d'Amérique XT , 046 839 décrit une grille de dif- fraction transparente ayant une section transversale en dents de scie, dans laquelle on a déposé de l'or sur la pointe des dents de cle pour constater des bandes d'or parallèles continues. Ces gril les sont des polariseurs efficaces dans la région de l'irfra-rouge. Les grilles métalliques, fabriquées jusqu'à présent soulèvent un certain nombre de problèmes. Tout d'abord, les grilles utilisées pour la région de l'infra-rouge et qui présentent une maille sufi, samment fine pour produire une bonne polarisation, nécessitent des substrats transparents sur lesquels on doit pouvoir appliquer un dessin de grille avant d'y déposer la grille métallique. Ces substrats sont réalisés en matières plastiques souples qui présentent des bandes d'absorption indésirables, ou en d'autres matières qui se déforment à froid et se détériorent à chaud. h mesure que les longueurs d'onde approchent du spectre visible, la maille requise de la grille est si petite qu'il devient difficile de déposer du métal suivant l'écartement voulu, ainsi qu'il ressort de la dégradation des résultats pour des longueurs d'onde inférieures. Un autre procédé consiste à tracer effectivement le dessin de la grille sur une surface qui transmet des rayons infra-rouges, au moyen d'un appareil de traçage du type décrit par J.B. Young et al., dans Applied Optics, Vol. 4, page 102), 1965. Néanmoins, la tâche fastidieuse qui consiste à tracer chaque filtre de polarisation, proscrit, de toute évidence, la production de grosses quantités de polariseurs. Un procédé de fabrication de polariseurs en feuille par enduisage, consiste à appliquer une couche d'une solution polarisante sur une surface orientée, puis à la laisser sécher, ainsi qu'il a été décrit dans la revue Journal of the Optical Society of America, Vol. 57, page 985, 1947. Ces couches peuvent être appliquées sur des surfaces dépolies de verre ou de matière plastique; cependant, ces dispositifs ne peuvent fonctionner qu'à partir de la région des ultraviolets du spectre, jusqu'à 7000#. L'invention vise donc à créer - un polariseur qui présente un excellent degré de polarisation -sur une large gamme de longueurs d'onde, allant de la région visible du spectre à celle des infra-rouges; - une matière de polarisation de 1 lurière, pouvant être formée par application, sur une surface lisse et transparente quelconque, d'une fine couche composée de birbes qui peuvent être métalliques; - une couche polarisarte oui olp-rise aussi Lien la lumière réfléchie que la lumière transmise par ladite couche; - un polariseur qui peut être fabriqué sous forme de feuille, ou appliqué en couche sur des éléments optiques;; - un polariseur qui présente une plus grande stabilité thermique et une bande spectrale plus large que les polariseurs classiques, ainsi que des caractéristiques dichroïques comparables; - un procédé de fabrication d'une matière polarisante qui présente une densité de revêtement uniforme; - un procédé de fabrication de polariseurs,-relativement facile et peu onéreux à utiliser, dont la mise en application peut être commandée de façon à azurer une qualité régulière et qui, de ce fait, se prête à la production en grosses quantités. L'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de 19 description qui va suivre, faite uniquement à titre d' exemple, et par référence aux dessins annexés, sur lesquels la Fig. 1 est une vue latérale, od certains éléments sont représentés partiellement en coupe transversale, montrant l'opération qui consiste à déposer un métal par vaporisation sur une surface et qui fa.it partie du procédé conforme à l'invention; la Fig. 2 est une vue agrandie des barbes de métal formées à la surface de la matière de support, à la suite de l'opération représentée à la Fig. 1;; la Fig. 3 représente l'opération qui consiste à appliquer une couche protectrice sur la matière polarisée résultant des opérations précédentes, et montre le degré de polarisation de la lumière à travers cette matière polarisante; la Fig. 4 est une image, vue au microscope électronique, d'une surface enduite conformément à l'invention; la Fig. 5 est un schéma qui représente une autre vue latérale où certains éléments sont représentés partiellement en coupe transversale, qui montre comment obtenir des revêtements plus uniformes sur une surface en utilisant un procédé conforme à l'invention; ; la Fip'. 6 est une vue grossie dela matière polarisante obtenue par le procédé de la Fig. 5, et qui montre l'orientation relative des barbes de nétel; la Fig. 7 est un graphique qui indique la densité des barbes par rapport à leur distance au-dessus de la surface, lorsqu'elles ont été formées par le procédé illustré à la Fig. 5. Sur la Fig. 1, une surface lisse 10, placée sur un substrat 12 est montée sur un porte-substrat 14 dans une cloche 16. Avant le montage du substrat 12 dans la cloche 16, on nettoie et/ou on enduit la surface 10 du substrat 12. te substrat 12 peut être fabriqué, par exemple en verre, en matière plastique, ou en une matière qui trans- met les rayons infra-rouges, et peut être un élément optique tel qu' une lentille, un miroir ou un séparateur de faisceau. Le substrat 12 peut être transparent ou opaque. Il est fixé au porte-substrat 14 par un dispositif approprié quelconque, tel ave des vis ou une matière adhésive. Le porte-substrat 14 est fixé à une potence 18 par une goupille 20 qui permet au porte-substrat 14 et au substrat 12 d'osciller ou de tourner par rapport à la potence 18.Un élément de chauffage 22 comporte un récipient 24 destiné à recevoirls matière ou, dans le mode préféré de réalisation, le métal 26 qui doit être déposé par vaporisation. L'élément de chauffage 22 est connecté à des électrodes de chauffage 28 et 30 qui sont elles-mêmes connectées à une source d'alimentation (non représentée). Entre la source de métal 26 et la surface 10, est placé un appareil collimateur 52 muni d'une fente ou d'une ouverture de collimation 34. te procédé conforme à l'invention consiste tout d'abord à nettoyer et/ou à enduire la surface 10 du substrat 12, puis à monter ce dernier sur le porte-substrat 14. Un vide poussé approprié est obtenu, dans l'enceinte de la cloche 16, à l'aide d'un procédé connu. On fait ensuite passer un courant dans les électrodes de chauffage 28 et 50 pour chauffer la source de métal 26 et produire ainsi un courant de métal vaporisé qui passe par la fente de collimation 34. La fente de collimation 54 ne permet le passage que d'une quantité prédéterminée de métal vaporisé 36; cette quantité prédéterminée se limite à des jets parallèles de métal vaporisé qui vont frapper directement la surface 10, avec un angle d'incidence Q par rapport à l'axe 58 perpendiculaire à la surface 10. Pour que le métal vaporisé 36 recouvre de façon appropriée la surface 10, l'angle d'incidence Q est normalement compris entre 8G et 900 par rapport à l'axe 38.La source 26 peut être constituée par une matière ou un métal quelconque qui soit réfléchissant à la longueur d'onde de la lumière à po polariser; l'aluminium, le cuivre et des métaux nobles tels que l'or et l'argent, sont des exemples types de m.taux pouvant etre utilisés. Lorsque Tp. scurce 26 est chauffée dans l'enceinte sous vide 16, le méal vaporisé 56 vient heurter la surface 10, produisant ainsi des atomes de métal qui viennent initialement se fixer en divers points de la surface 10. A mesure que le métal vaporisé 36 continue à frapper la surface 10, un grand nombre de barbes métalliques 40 (représentées sur la vue agrandie de ia Fig. 2) se forment sur la surface lisse transparente 10. Dans ce contexte, le terme "barbe" désigne un élément en saillie, fixé par l'une de ses extrémités et dont T1 autre extrémité est libre.A mesure que le dépôt se poursuit, les barbes métalliques se forment aux points initiaux, dans le sens de déplacement du métal vaporisé incident 36, jusqu'à ce qu'une couche constituée rar ces barbes métalliques 40, réparties. de façon uniforme, couvre le surface exposée 10 du substrat transparent 12. Pendant le processus de formation des barbes, l'axe longitudunal des barbes métalliques 40 qui se forment sur Ta surface est à peu pres parallèle au sens de déplacement du métal vaporisé 36, et d.ans l'alignement de ce dernier, et les projections 44 sur la surface 10, des axes longitudinsux 42 des barbes métalliques 40 sont parallèles les unes aux autres.Il va de soi que Tes barbes 4C peuvent aussi être formées à la surface 10 à partir d'une matière diélectrique et rendues ultérieurement réfléchissantes à la longueur d'onde de la lumière a polariser, par des procédés chimiques ou d'évaporation. tans le mode préféré de réalisation, on laisse s'allonger les barbes 40 jusqu'. ce que leur longueur soit au moins égale ou supérieure à celle de la longueur d'onde de la lumière à polariser et le diamètre des barbes 40, ainsi que la distance qui les sépare les uns des autres, sont petits en comparaison avec la longueur d'oncle de la lumière à polariser; du fait de ces caractéristiques, la couche de métal joue le rôle d'un polariseur linéaire, tant pour la lumière réfléchie que pour la lumière transmise. Sur la Fig. 5, une couche optique transparente 46 pouvent être, par exemple, de l'oxyde de silicium (SiC) ou du fluorure de magne- sium (MgF2), peut être appliquée sur la surface métallisée 10 pour améliorer les propriétés optiques, la stabilité thermique et assurer la protection physique de cette dernière. Lors de l'utilisation de ce dispositif comme polariseur ae lumière, une lumière non pola- risée 48 tombe à peu près perpendiculairement sur ce polariseur, la composante réfléchie de cette lumière étant parallèle à l'axe ion- gitudinal des barbes métalliques 40 et la composante transmise 52 de cette lumière étant perpendiculaire à l'axe longitudinal des barbes C.Si le substrat 12 est opaque (en verre noir, par exemple), on a alors un Polariseur de lumière réfléchissant car la lumière oui vient frapper ce polariseur est absorbée par le substrat 12, ne laissant que la composante réfléchie 50. La lumière transmise par un polariseur construit conformément l'invention était polarisée linéairement, avec un degré satisfaisant de polarisation. Au cours d'une expérience réelle, le métal utilisé était ae l'or et la matière transparente était une ébauche de verre optique poli ayant un pouvoir de transmission de 96 % pour une longueur d'onde de 1 ,C8 micron. image au microscope électroni- que, de la couche formée au. cours de cette expérience suivant le procédé conforme à l'invention, est représentée à la. Fig. 4, avec indication du sens de déplacement du métal vaporisé.L'image est grossie 14 20û fois. la lumière non polarisée peut être décomposée en deux composantes perpendiculaires avec des coefficients de transmlssion k1 (lumière transmise) et k2 (lumière éteinte). our la lumière non polarisée k1 = k2 = 1,00. te tableau ci-dessous donne des valeurs types de transmission pour ce polariseur, évaluées à des longueurs d'onde comprises entre la région visible du spectre et.la région de l'infra-rouge @proche:: Longeurs d'onde (en microns) k1 k2 0,5500 0,37 0,14 1,0630 0,77 0,04 1,3000 0,79 0,02 1,8900 ,73 C,02 Les polariseurs construits suivant le procédé conforme à l'invention ont un revêtement superficiel satisfaisant et une densité uniforme. ta Fig. 5 représente une variante du procédé pour former un revêtement polarisant sur une surface lisse transparente 10, qui permet d'améliorer encore davantage la régularité de la densité de ce revêtement sur toute l'éntendue de la surface 10. L'appareil représenté à la rig. 5 est semblable à celui de la Fig. , excepté tue le dispositif de vaporisation ae métal placé sous le cloche 16 se compose de deux parties identiques opposées. L'enceinte 16 comprend des éléments de chauffage 2@a et 22b connectés à des électrodes de chauffage28a, 28b et 30a, 30b. Les sources de métal 26a et 26b sont incluses à l'intérieur des- éléments de chauffage 22a et 22b.Des éléments de collimation 32a et 32b sont placés entre les éléments de chauffage 22a et 22b et la surface 10 à recouvrir. le vide est obtenu dans la cloche 16 à l'aide de techniques courantes et les électrodes de chauffage 28a, 28b et 30a, 30b sont traversées par un courant pour chauffer les sources de métal 26a et 26b et produire des jets de métal vaporisé 36a et 36b, respectivement.Les fentes de collimation 34a et 34b sont placées de telle façon que les jets de métal vaporisé 36a et 36b viennent frapper la. surface 10 suivant un angle d'incidence à peu près identique par rapport à l'axe 38 per pendiculaire à la surface 10; en d'autres termes, l'angle Q est a pratiquement égal à l'angle 0b, De meme que dans le mode de réalisa tion représenté à la Fig. 1, Q et Q sont compris, dans le mode pré a b féré de réalisation, entre 80 et 900. La surface 10 est tout d'abord exposée au jet de métal vaporisé 36a pour que des barbes métalliques 40a (Fig. 6) se forment sur la surface 10 de la façon décrite en référence à la Fig. 1. Ce processus se poursuit jusqu a ce qu'une densité de barbes définie par la courbe A soit obtenue à la surface 10. On-remarquera, d'après la Fig. 7, et d'après la courbe A en particulier, que la partie de la surface 10 qui se trouve le plus près de la source de métal 26a, sera recouverte par une couche de plus forte densité (par exemple 55 %) que la partie la plus éloignée de la source 26a (45 %); comme on le voit sur la figure, la couche de barbes métalliques formée par le jet de métal vaporisé 36a crée une différence d'environ 10 ato dans la densité de barbes recouvrant toute la surface 10. La surface 10 est ensuite soumise à un second jet de métal vaporisé 36b, suivant pratiquement le même angle d'incidence que pour le jet de métal vaporisé 36a, afin que des barbes métalliques 40b (Fig. 6) se forment sur la surface 10, l'axe longitudinal 42b de ces barbes métalliques 40b, étant à peu près parallèle au jet de métal vaporisé 35b et les projections 44a et 44b, sur la surface 10, des axes longitudinaux 40a. et 40b, respectivement, étant à peu près pa rallèles les unes aux autres. il ressort de la Fig. 7, que le jet de métal vaporisé 36b produit une courbe B qui correspond à l'inverse de la courbe de densité de barbes produite par le jet de métal 36a. La densité totale de barbes sur toute la surface 10 est la somme des courbes A et 2, cette somme étant représentée par la courbe C qui est pratiquement uniforme sur toute la largeur de la surface 10. Un autre procédé pour obtenir la même densité uniforme de barbes sur toute l'étendue de la surface 10, peut être obtenu gracie à l'appareil représenté à la Fig. 1. Si l'on se réfère de nouveau à la Fig. 1, après avoir soumis la surface 10 au métal vaporisé 36 pour produire les barbes métalliques 40 illustrées à la Fig. 2, on peut ensuite faire tourner la surface 10 de 1800 autour de l'axe perpendiculaire 38, puis soumettre de nouveau la surface 10 au jet de métal vaporisé 36. On obtiendra ainsi un second groupe de barbes métalliques, identiques à celles qui sont illustrées à la Fig. 6 et présentant les mêmes caractéristiques de densité que celles qui sont indiquées par les courbes de la Fig. 7. Sur les figures, la surface 10 est représentée, pour des raisqns d'ordre pratique, comme ayant une largeur définie, mais il va de soi que cette surface peut être constituée par une matière flexible continue et que des parties successives de cette matière peuvent être présentées et soustraites au jet de métal vaporisé pour former des polariseurs en feuille. Naturellement, l'un des principaux avantages de la matière polarisante produite selon l'invention vient du fait qu'elle n'est plus tributaire d'une feuille ou d'un substrat dont les propriétés optiques limitent la plage.spectrale utile du dispositif.Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, certains polariseurs de fabrication actuelle sont limités par la réponse spectrale du support-de matière plastique et des matières chimiques qui constituent la matrice de molécules dichroiques. Quant aux polariseurs à grille de fils, ils sont tributaires des matières sur lesquelles il est possible d'imprimer une grille. Dans la région de 1' infra-rouge proche (8 0û0 à 35 COO AO), les principaux polariseurs en feuille sont des polariseurs à grille. A l'heure actuelle, ce type de polariseur donne de moins bons résultats au-dessous de 12 000 A. Au-dessus' de la région de l'infrarouge proche, les polariseurs produits suivant le procédé conforme à l'invention, donnent de meilleurs résultats que les polariseurs à grille de fils existants et peuvent être utilisés, par exemple, pour des applications militaires et policières, dans des appareils pour voir la nuit utilisant des longueurs d'onde de l'infra-rouge proche. Au cours de ces dix dernières années, des efforts importants cnz été accomplis or produire des polariseurs en feuille à infra- rouge (3,5 à 20 microns). Des polariseurs à grille ont été utilisés cette partie du spectre mais les matières employées comme suba- trat étaient généralement limitées à des matières plastiques transparentes et - d'autres matières qui se déforment à froid; en consée, ces polariseurs présentent des caractéristiques thermiques médiocres etjou des bandes mortes dans les régions du spectre pour lesquelles ils sont prévus.Le polariseur construit conformément au proche selon 7'invention permet de former des revêtements sur de vastes surfaces de matière transparente telle que de l'lrtran (sulfure de zinc pressé), du silicium, du germanium, ou n'importe quelle matière lisse transmettant les infra-rouges, et son procédé de fabrication est simple et peu onéreux en comparaison avec la technique qui consiste à tracer des grilles dans de l'Irtran. Dans T région visible du spectre, u; polariseur en couche mince teut être obtenu à l'aide du procédé conforme à l'invention, si l'on utilise un métal qui soit réfléchissant dans le région visible du spectre, ce celui permettrait également d'obtenir un élément unique pouvant fonctionner depuis la région des ultra-violets proches jusqu'à la région des infra-rouges, sous réserve d'utiliser un substrat présentant les caractéristiques de transmission appropriées. Dans la région visible du spectre, le polariseur selon l'invention peut être utilisé dans des lunettes de soleil (et présente alors l'avantage supplémentaire qu'il permet d'appliquer le revêtement directement aux verres correcteurs) dans du verre à vitre, afin de rejeter la chaleur produite, par exemple, par des rayonnements infra-rouges, et éliminer la réflexion de la lumière, éblouissante pour les yeux, dans l'industrie automobile (pour polariser le faisceau lumineux des pro ecteurs et obtenir ainsi un filtre polarisent pour les conducteurs), et dans les dispositifs d'affichage à cristaux liquides qui utilisent des filtres polarisants transparents et/ou réfléchissants Revendications 1 - Procédé pour produire une matière améliorée de polarisation de la lumière, présentant des caractéristiques de polarisation pour des longueurs d'onde comprises entre la partie visible du spectre et l'infra-rouge, caractérisé en ce ou'il consiste à fixer une.sur- lace lisse dans une enceinte sous vide dans laquelle on a placé un métal pouvant être vaporisé par un dispositif de chauffage et collimaté en un jet de métal par un appareil collimateur, ladite surface étant montée de façon à former un angle d'incidence par rapport audit jet de métal, à faire le vide dans ladite enceinte et à chauffer ledit métal de facon à produire un jet de métal vaporisé qui vient frapper directement ladite surface et détermine la formation, sur ladite surface, de barbes métalliques dont l'axe longitudinal est à peu près parallèle au sens de déplacement du métal vaporisé, et les projections sur ladite surface desdits axes longitudinaux étant à peu près parallèles les unes aux autres. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé, en outre, en ce que ladite surface est transparente. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé, en outre, en ce que ladite surface est opaque. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé, en outre, en ce que ledit angle d'incidence est compris entre 80 et 900 environ. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal est un métal noble. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est en un matière qui transmet les infra-rouges. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est un élément optique. 8 - Procédé selon la revendicatIon 1, caractérisé en ce que la longueur des barbes métalliques est au moins égale à la longueur d' onde de la lumière à polariser et er, ce que le diamètre et la distance de séparation des birbes sont inférieures à une longueur d'onde. 9 - Procédé selon la revendication 1, caractéris en ce que ladite surface se présente sous forme o'une matière souple continue et en ce que des parties successives de ladite matière sont présentees et soustraites audit métal vaporise. 10 - Procédé selon la revendication i , caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à zlpliquer un revêtement optique transparent à la surface métallisée. Il'- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à faire tourner ladite surface de 1800 autour de l'axe perpendiculaire à ladite surface, et à diriger de nouveau ledit premier jet de métal vaporisé directement sur ladite surface, après la rotation de cette aernière, pour former d'autres barbes métalliques qui sont fixées par l'une de leurs extrémités à ladite surface et dont l'axe longitudinal est pratiquement parallèle au sens de déplacement dudit premier jet de métal vaporisé, les projections, sur ladite surface, des premières et desdites autres barbes métalliques étant pratiquement parallèles les unes aux autres. 12 - Matière de polarisation de la lumière, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une surface lisse et par une multitude de barbes métalliques qui sont fixées à ladite surface par une extrémité et dont les axes longitudinaux sont pratiquement parallèles les uns aux autres. 13 - Matière selon la revendication 12, caractérisée en ce que la longueur desdites barbes est au moins égale à la longueur d'onde de la lumière à polariser et en ce que le diamètre et la distance de séparation desdites barbes sont petits en comparaison avec cette longueur d'onde.