Brevet FR2626981A1 — publié le 19890811

Lorsqu'on désire n'utiliser qu'une partie du spectre, visible ou non, de la lumière naturelle ou artificielle, on dispose, en particulier, de filtres optiques; les deux types courants sont les filtres colorés (à absorption) et les filtres interférentiels (diélectriques ou couches minces). Les catalogues des fabricants offrent de très nombreuses possibilités de l'un et de l'autre type; il est également possible d'obtenir des caractéristiques particulières sur demande. Mais aucun de ces filtres, aussi bien élaboré soit-il, ne peut correspondre à un filtre de bande idéal qui serait représenté par un créneau rectangulaire dans un diagramme à échelle linéaire, dans lequel seraient portées en abscisse les longueurs d'onde (X), prises, dans nos exemples, de 400 à 1000 nanomètres (nm), dans le sens croissant; et, en ordonnée, le coefficient de transmission relatif (T) dont le maximum serait 100 (%). Le coefficient de transmission de ce filtre idéal serait de zéro au dessous d'une longueur d'onde A1 et au dessus de X2 (que nous qualifierons de longueur d'onde de coupure); il serait de 100 entre les deux (FIG. 1). Ce filtre idéal, que nous évoquons pour clarifier la suite du texte, présenterait les avantages techniques suivants, qui représentent le but que notre invention permet d'atteindre efficacement - possibilité de choix de A2, longueur d'onde au-delà de laquelle on recherche le coefficient de transmission minimal, de façon par exemple, à ne pas interférer avec un récepteur que l'on ne veut sensible qu'au delà de cette zone. Si l'on se réfère à une valeur chiffrée (P) qui serait l'énergie parasite que le filtre laisserait passer au-delà de A2, on obtiendrait alors un optimum (zéro dans le cas présent). - possibilité du choix de X 1, ce qui permet d'obtenir pour la partie utile du créneau, une répartition spectrale à volonté, ce qui peut se traduire, dans le domaine visible, par une chromaticité dont la longueur d'onde dominante ne pourrait cependant être située qu'entre A 1 et A 2 et qui peut être calculée, à priori, grâce aux formules classiques faisant intervenir les trois stimuli des diagrammes CIE (Commission Internationale de llEclairage) : X = S vA EA TA dX Y = f y EA TA dA Z = f TA E T dA dans lesquelles :X, Y, Z sont les composantes trichromatiques, et, pour une longueur d'onde donnée, xX, YA, z, les coefficients de distribution CIE, E l'énergie de la source de lumière utilisée en amont du filtre, TA le coefficient de transmission du filtre interposé. - obtention de la meilleure efficacité lumineuse (dénommée L), quel que soit le type de source utilisé (par exemple : incandescence, électroluminescence diodes ou plaques, lampes ou tubes à lueur, à décharge, à arc, tubes cathodiques, dispositifs à plasma ou fluorescents, etc...). Cette efficacité L est proportionnelle à l'intégrale (Y) précédemment citée. Pour une source donnée, EA est imposé, la sensibilité de l'oeil (SA ) est proportionnelle à (7), le rendement L est d'autant plus grand que TAest élevé, ce qui est bien le cas du- créneau rectangulaire. Si l'on revient à l'énergie parasite P, on peut aussi définir une autre énergie parasite R qui serait l'énergie recue par un récepteur dont la sensibilité pour une longueur d'onde serait RA. R serait donné par la formule : R = S EA TA RA dA les limites de l'intégrale s'étendant à tout le domaine commun à EA et RA . Cette énergie parasite récepteur R serait également zéro dans le cas du filtre idéal. En considérant maintenant les filtres réels passe-bande ou passe-bas, on remarque les particularités suivantes - Filtres à absorption (FIG. 2) La zone correspondant à la longueur d'onde de coupure du filtre idéal (À 2) a, dans ce cas, l'allure d'une courbe descendant progressivement (C2) avec une pente qui, prise suivant la tangente à mi-hauteur, correspond à un écart évalué grossièrement à une centaine de nanomètres. Cette courbe se raccorde à 100 (%) et au voisinage de zéro d'une façon très progressive, qui peut se prolonger sur plusieurs dizaines de nanomètres, et qui varie notablement d'un modèle de filtre coloré à un autre.Pour des longueurs d'onde supérieures à la zone de raccordement voisine de zéro, elle présente un coefficient de transmission d'une valeur faible ou très faible, puis, en général, une remontée (C3) plus ou moins brutale, plus ou moins voisine du maximum, et plus ou moins éloignée de (C2). Elle est représentée en pointillé sur la figure 2, car, pour l'exemple choisi qui est un filtre en verre coloré bleu-vert à forte atténuation jusqu'à 1000 nm, elle se situe au-delà de l'échelle choisie. La zone de raccordement de la courbe (C2) vers le voisinage de zéro de ce type de filtre s'étalant toujours de façon relative- ment importante en longueur d'onde ne permet donc pas d'avoir une coupure franche similaire X 2 et énergie parasite P ou R ne devient faible qu'au-delà d'une longueur d'onde située assez loin sur la zone de raccordement. Si l'on recherche une valeur P ou R suffisamment faible pour une longueur d'onde donnée, on se heurte à l'inconvénient d'être obligé d'utiliser des filtres dont les courbes représentatives sont décalées vers la gauche, donc vers le bleu, ne permettant pas de choisir au mieux la chromaticité désirée, et dont le rendement lumineux L n'est pas le meilleur.En revanche, dans la plage située entre le raccordement de (C2) et la remontée (C3), le coefficient de transmission de certains filtres à absorption peut être très faible (il n'est jamais rigoureusement zéro); il en existe dont les valeurs peuvent atteindre 10 , 10 , 10 , 5 (%) ou même moins. Les résultats dépendent des matériaux utilisés (verres, plastiques transparents, gélatines, peintures, vernis,...), des colorants, de leur dosage... De ce strict point de vue, on peut améliorer les résultats, soit en augmentant l'épaisseur de la matière colorée, soit en superposant plusieurs filtres, mais la courbe de transmission se décale alors vers le bas, c'est à dire vers la gauche pour la partie C2, tout en conservant une allure relativement similaire. La figure 3 représente le filtre précédent (C2) ainsi que son dérivé d'épaisseur double (C2 x C2). De cette amélioration concernant l'atténuation, il résulte deux inconvénients 1. L'atténuation en tout point de la courbe (sauf à 100 (%)] augmente, et le rendement lumineux (L) diminue. 2. La courbe C2 glissant vers la gauche, la coloration obtenue glisse vers les basses longueurs d'onde; on est donc moins maître de la chromaticité. Une autre particularité des filtres colorés est la suivante : si les rayons lumineux ne traversent pas perpendiculairement la surface du filtre, on obtient des courbes de transmission égale ment décalées de façon similaire, car l'atténuation dépend de l'épaisseur de filtre traversé suivant une relation dans laquelle cette épaisseur intervient comme exposant. Cet inconvénient n'apporte cependant pas de gêne en pratique; il peut d'ailleurs être compensé en utilisant des filtres d'épaisseur variable. - Filtres interférentiels (FIG. 4) Dans la zone de transmission maximum présentant souvent une forme plus ou moins oscillante (non représentée), le coefficient a une valeur absolue relativement élevée. La courbe descendante (C'2) a une pente qui, pour une définition similaire à celle que nous avons prise pour les filtres à absorption, peut être grossièrement chiffrée à 20 nm. Le raccordement à 100 (%) et au voisinage de zéro est également beaucoup plus rapide. I1 y a aussi, pour des longueurs d'onde supérieures, une remontée (C'3) plus ou moins notable (et plus ou moins oscillante) ressemblant à des harmoniques; les longueurs d'onde où a lieu cette remontée se situent souvent bien au-dessous de celles de certains filtres à absorption particulièrement choisis. Un filtre interférentiel présente donc les caractéristiques permettant d'obtenir un excellent rendement lumineux (L) et une chromaticité plus facilement maitrisable; pour ce faire, il suffit de compléter ia courbe C'2 par la courbe C'1 (image duX X 1 idéal) au moyen d'un filtre passe-haut interférentiel (qui peut d'ailleurs être intégré sur le même support) ou à absorption. Tel est le cas de l'exemple représenté, qui correspond à un filtre interférentiel vert monopièce. En contrepartie, au-delà de C'2, et en particulier à cause de la remontée trop proche de C'3, on n'arrive pas, en pratique, à obtenir des atténuations aussi importantes qu'avec certains filtres à absorption. Cette critique subsiste même après un traitement particulier visant à reculer l'apparition de C'3 ou après correction avec un filtre interférentiel (ou traitement interférentiel complémentaire) qualifié de "bloquant" pour le proche infra-rouge. A moins de réaliser des filtres très spéciaux, donc difficilement reproductibles et très coûteux, le coefficient P ne s'avère pas excellent. Un traitement multiple (ou double face), ou la superposition de filtres interférentiels conduit à des courbes de transmission ayant toujours la même allure générale, avec un décalage vers le bas, donc vers la gauche pour C'2,.beaucoup moins important que pour les filtres à absorption. L'exemple de la FIG. 5 représente le filtre précédent doublé (C' x C'). Cette solution ne change globalement pas les phénomènes observés pour ce type de filtre. En ce qui concerne l'effet dû à des rayons lumineux non perpendiculaires à la surface du filtre, celui-ci devient très important; un glissement de C'2 vers les basses longueurs d'onde devient considérable pour des angles d'incidence assez courants (10" ou plus). Ce phénomène physique constitue un inconvénient pratique; il peut cependant être corrigé par des artifices dont le suivant (voir FIG. 6) Les zones successives du filtre interférentiel correspondant à des angles d'incidence croissant (O,al,a2,.,) doivent posséder une longueur d'onde de définition A d (à 50% de transmission par exemple), (ldowAdlAd2X*Z) qui augmente corrélativement de façon à compenser le phénomène décrit. A défaut de traitement continu, on peut procéder par juxtaposition de filtres échelonnés différents. Les deux types de filtres existants comportent donc chacun des avantages et des inconvénients pour le but que nous recherchons. Pris dans ce contexte, le filtre à absorption atténue plus loin et plus fortement les lumières parasites mais commence plus tard; le filtre interférentiel a un meilleur rendement lumineux, offre une meilleure possibilité du choix de la couleur, et commence à atténuer beaucoup plus rapidement les longueurs d'onde indésirables, mais remonte malheureusement très vite. Nos recherches nous ont permis de mettre au point une solution qui permet de conserver les avantages relatifs des deux types de filtres, tout en en excluant les inconvénients; il s'agit d'un montage complémentaire d'un ou plusieurs types de filtres à absorption avec un ou plusieurs types de filtres interférentiels. Ces filtres peuvent être matériellement juxtaposées ou combinés (dépôt de couches minces sur filtre coloré). Contrairement au décalage vers la bas (donc vers la gauche) de la partie C2 ou C'2 constaté en multipliant chacun des deux types de filtres précédents, la courbe de transmission obtenue grâce à notre invention présente des particularités d'autant plus marquées que les courbes définissant chacune des associations des types de filtres possèdent une intersection située dans la pente descendante de chacune d'elles. En prenant les deux filtres dont les courbes ont été prises comme exemple FIG.2 et FIG.4, et qui possèdent une intersection de leurs courbes descendantes non loin de leur mi-hauteur, la courbe résultante obtenue (C") n'a conservé que les avantages (que nous recherchons) des deux types précédents pris séparement (voir FIG.7) - La zone de transition (C"2) (image de A 2) est relativement franche avec une pente verticale encore meilleure que le filtre interférentiel, ce qui se traduit par un excellent rendement lumineux L - L'atténuation est très améliorée au-delà de la zone de coupure elle se poursuit en longueurs d'onde aussi loin que le filtre à absorption choisi conserve des valeurs faibles. C'est à partir de cette considération que nous tirons l'une des particularités de notre invention, car 1-a combinaison de filtre(s) interférentiel(s) et de filtre(s) à absorption dont la complémentarité ne serait pas assurée de la sorte ne peut pas donner le résultat optimum que nous recherchons; il faut pour cela que le(s) filtre(s) à absorption soit choisi (comme cela est le cas dans notre exemple, non seulement en fonction de ses propriétés colorimétriques traditionnelles, mais aussi de sa faculté de conserver le plus faible coefficient de transmission possible qui se prolonge, en longueurs d'onde, aussi loin que les récepteurs que l'on veut protéger de l'énergie parasite résiduelle continuent de rester sensibles. - La latitude du choix de la chromaticité se présente très favorablement; ainsi que décrit précédemment, les zones passebas des filtres choisis sont alors éventuellement complétées par des filtres passe-haut dont les courbes C1 et C'1 sont évidemment situées dans des longueurs d'onde inférieures à C2, C'2. Leur résultante est représentée par C"1. Ces filtres peuvent être matériellement séparés ou intégrés aux précédents. La figure 8 montre la comparaison des deux filtres utilisés (courbes C et C') et leur combinaison (C"). Tous les critères cités (énergie lumineuse L, énergie parasite P, énergie parasite récepteur R, colorimètrie de la lumière visible à partir d'une source donnée, peuvent être calculées à partir des formules classiques citées à propos du filtre idéal. Si l'on se définit aussi un certain nombre de rapports entre ces différents critères, tels que R/L, énergie parasite récepteur sur énergie lumineuse utile (ou le rapport inverse), on peut ainsi se livrer à une optimisation parmi plusieurs combinaisons de filtres possibles. Toutes les descriptions ont porté sur l'utilisation de filtres passe-bas. Bien que les critiques qui ont été faites sur ces filtres (concernant en particulier la pente relativement faible pour la courbe descendante C2 et son raccordement très progressif vers zéro des filtres à absorption), soit beaucoup moins flagrante pour les filtres passe-haut de ce type, l'opération symétrique peut être faite en inversant passe-haut et passe-bas, longueurs d'onde supérieures et longueurs d'onde inférieures. I1 existe une application pratique de ce type de filtre, objet de notre invention, qui consiste en l'utilisation avec des sources de lumière visible, qui, quel qu'en soit le type, comportent une part plus ou moins grande, et quelquefois ignorée ou imprévue, de jaune-orange-rouge et proche infrarouge, pour les rendre compatibles avec l'utilisation, par un observateur, d'optique(s) comportant un modèle de tubes intensificateurs d'images dont la réponse spectrale (voir exemple FIG. 9 courbe OPT) serait située dans le proche infra-rouge, et peut être un peu dans le visible. La figure 9 représente une synthèse effectivement réalisée : la lumière visible filtrée, avec un excellent rendement lumineux, suivant notre invention (courbe C") est visible directement ou indirectement de l'observateur dont la sensibilité visuelle peut être représentée par la courbe CIE, mais ne provoque pas de réaction parasite de l'optique (courbe OPT) comportant des tubes dont le gain est important, et qui conserve ainsi l'intégralité de ses performances pour la vision du monde non visible à l'oeil nu. La possibilité d'agir sur la chromaticité permet d'obtenir une coloration de la lumière visible à l'oeil nu très voisine de celle des phosphores généralement vert ou jaune-vert des tubes intensificateurs, ce qui améliore le confort visuel de l'observateur. REVENDICATIONS 1) Procédé permettant d'obtenir un filtre optique passe-bas à coupure franche et à très faible coefficient de transmission au-delà, caractérisé par la combinaison de filtre(s) interférentiel(s) passe-bas défini(s) en fonction de sa longueur d'onde de coupure et de filtre(s) à absorption passe-bas complémentaire(s) choisi(s) parmi les filtres de ce type qui possèdent un très faible coefficient de transm-ission dans le domaine des longueurs d'onde où le filtre interférentiel présente un niveau de transmission résiduel trop important et/ou des remontées parasites indésirables et qui se prolonge jusqu'à ce que la sensibilité du récepteur que l'on veut protéger devienne négligeable. 2) Procédé selon revendication 1 permettant d'obtenir en plus une répartition spectrale (ou une colorimétrie) désirée, caractérisé par l'adjonction supplémentaire d'un filtre interférentiel et/ou à absorption passe-haut dont les courbes de transmission représentatives sont situées dans des intervalles de longueurs d'onde inférieures à celle du filtre passe-bas, objet de la combinaison de base. 3) Procédé permettant d'obtenir un filtre optique passe-haut à coupure franche et à très faible coefficient de transmission en deçà caractérisé par la combinaison de filtre(s) interférentiel(s) passe-haut et de filtre(s) à absorption passe-haut dont les caractéristiques recherchées sont complémentaires. 4) Procédé selon revendication 3 permettant d'obtenir en plus une répartition spectrale (ou une colorimétrie) désirée caractérisé par l'adjonction supplémentaire d'un filtre interférentiel et/ou à absorption passe-bas dont les courbes de transmission représentatives sont situées dans des intervalles de longueurs d'onde supérieures à celles du filtre passe-haut, objet de la combinaison de base. 5) Procédé selon revendications 1 et 3 permettant d'obtenir un filtre passe-bande à coupures franches et à très faible coeffi cient de transmission en dehors de la bande, caractérisé par la combinaison des deux filtres objet des revendications 1 et 3. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que tout ou partie des filtres interférentiels ou à absorption peuvent être intégrés sur le même support et sont alors constitués par des filtres de bande interférentiels et/ou. à absorption et/ou des filtres à absorption revêtus de couches minces interférentielles. 7) Procédé selon l'une quelconque des recendications 1 à 5, caractérisé par le fait que tout ou partie des filtres considérés peuvent être intégrés, combinés, ou déposés sur la source de lumière elle-même. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par l'utilisation de filtres ou de couches interférentielles dont la longueur d'onde de définition varie progressivement ou par paliers en fonction de l'incidence des rayons lumineux utilisés.