Brevet FR2725037A1 — publié le 19960329

Revêtement optique. L'invention concerne des revêtements optiques pour composants optiques. I1 est connu de munir les composants optiques, qu'ils soient du type réfracteur ou réfléchissant, d'un revêtement optique destiné à améliorer la caractéristique de réflexion ou de transmission du composant en fonction de la nature de ce composant. De tels revêtements sont connus à la fois pour les bandes d'ondes visibles et thermiques infrarouges. Un problème particulier posé par les composants optiques qui transmettent dans la bande d'ondes infrarouge (et qui peuvent également transmettre simultanément dans la bande d'ondes visible) réside en ce que le matériau (ou les matériaux) formant le composant est fragile et sensible à des détériorations mécaniques telles que des fendillements et fractures lorsqu'il est soumis à des impacts répétés de projectiles. De plus la nature fragile de ces matériaux est telle que, même en l'absence de détériorations mécaniques sérieuses, les impacts répétés de projectiles donnent lieu rapidement à de sérieuses dégradations optiques.De tels composants optiques peuvent être utilisés, par exemple, pour constituer un hublot ou pare-brise d'aéronef ou de missile guidé et en tant que tels ils sont soumis à de nombreux impacts dus à la poussière ambiante, les insectes en vol, les gouttelettes d'eau, les grêlons ou la pluie qui, vu la vitesse de l'aéronef ou missile, entrent en collision avec une force vive relativeient élevée. Diverses approches ont été proposées antérieurement pour réduire la dégradation mécanique et/ou optique des compo- sants optiques due à l'impact de la pluie ou des gouttes d'eau, mais aucune n'a remédié à ce problème dans une mesure suffisante pour être applicable à ce jour à une gamme étendue de matériaux optiques, avec une perte d'absorption optique assez faible pour être acceptable, et à la connaissance de la demanderesse des dégradations mécaniques ou optiques inacceptables se produisent en des intervalles de temps de l'ordre de dizaines de secondes seulement. L'un des buts de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en munissant les composants optiques de revêtements optiques, ces revêtements étant propres à augmenter la durabilité de la combinaison composant-revêtement quand elle est soumise à des impacts répétés de projectiles multiples. Selon l'invention, on prévoit un composant optique auquel adhère un revêtement optique, ce revêtement optique comportant une couche externe mécaniquement dure et une couche interne disposée entre cette couche externe et le composant, cette couche interne étant absorbante de l'énergie. Avantageusement chacune desdites couches se présente sous la forme d'une couche distincte ayant une épaisseur de l'ordre de 10 à 100 microns. Selon une variante, les couches interne et externe peuvent faire partie d'un revêtement optique formé (en anglais "graded") mécaniquement de façon continue. Avantageusement, ladite couche interne est liée à l'un et/ou l'autre du composant optique et de la couche externe à l'aide d'une couche d'adaptation optique. Avantageusement encore, au moins la couche externe incorpore des tensions superficielles de compression en l'absence d'impact de projectile. La couche interne peut être mécaniquement élastique ou inélastique pourvu qu'elle possède des propriétés optiquement utiles après des impacts répétés de projectiles multiples. Grâce à la présente invention, les détériorations dues aux impacts de projectiles sur le composant optique revêtu sont sensiblement réduites et l'on pense que cela est dû à la présence de la couche absorbante d'énergie. Le composant optique peut être constitué en l'un au moins d'un grand nombre de matériaux appropriés pour leurs usages dans les bandes d'ondes particulières intéressées. Par exemple des matériaux utilisés dans la bande inférieure à 3 microns sont la silice et les verres conventionnels tels que le silicate de bore, la chaux sodée, etc. ; des matériaux largement utilisés dans la bande 3-5 microns sont le fluorure de magnésium, l'oxyde de magnésium, l'oxyde d'aluminium (saphir), l'oxy-nitrure d'aluminium (ALON), le nitrure de silicium, l'aluminate de magnésium, les spinelles, les verres à l'aluminate de calcium, le silicium et les halogénures d'alcalino-terreux tels que le fluorure de calcium, etc. ; des matériaux largement utilisés dans la bande de 8-12 microns sont le sulfure de zinc, le séléniure de zinc, le germanium, l'arséniure de gallium, les verres à calciogénure, les halogénures d'alcalin tels que le chlorure de potassium et les sulfures binaires et ternaires. La couche interne peut être formée en de nombreux matériaux polymériques présentant des propriétés élastiques à l'usage tels que le polyéthylène, le polypropylène, le polyisobutylène, le polybutadiène ou les polymères de néoprène, ou des copolymères tels que ceux d'éthylène/propylène ou d'éthylène/acrylate normal de butyle ; ou des composites des polymères ci-dessus ; ou les matériaux ci-dessus réticulés de façon à améliorer leurs propriétés ; ou les matériaux ci-dessus renforcés ; ou des hydrocarbures, chlorocarbures ou fluorocarbures polymérisés par plasma, des pellicules utilisant des hydrocarbures saturés tels que le méthane, l'éthane, le butane et analogues ou utilisant des hydrocarbures non saturés tels que l'éthylène et le butène ; et de nombreux autres matériaux comprenant de nombreux verres et pellicules inorganiques dont certains sont non-élastiques à l'usage. La couche mécaniquement dure peut être formée en oxyde d'aluminium, spinelle, bioxyde de zirconium, nitrure de zirconium, titanate de zirconium, oxyde de hafnium, grenat yttrium-aluminium, oxyde d'yttrium, oxyde de niobium, oxydes mélangés de zirconium, hafnium, niobium, lanthane, nitrure de bore, carbure de bore, carbure de silicium et nitrure de silicium, matériaux qui sont tous appropriés pour la bande spectrale inférieure à 5 microns et, pour ce qui est de la bande 8-12 microns, en carbone amorphe analogue au diamant tel que 1'ARG4 commercialisé par la Société BARR & STROUD Ltd, carbure de germanium, et certains sulfures de terres rares tels que le sulfure de cerium. La couche de liaison peut être en l'un quelconque des matériaux mentionnés ci-dessus appropriés à la région spectrale intéressée, étant soit un matériau mécaniquement dur, soit un matériau mécaniquement élastique, mais à titre d'exemple, lorsque la couche mécaniquement dure est en un carbone analogue au diamant tel que 1'ARG4, la couche de liaison préférée est en silicium. Le revêtement optique peut être déposé sur le com- posant optique par le procédé de dépôt à plasma dit "CVD" connu en soi, les couches individuelles ou une composition progressive du revêtement étant réalisées en faisant varier la composition gazeuse du plasma et/ou sa vitesse d'écoulement et/ou la température du substrat et/ou les conditions électromagnétiques du dépôt au fur et à mesure de la croissance du revêtement. Par exemple un gaz de plasma en forme de butane conduit à la formation d'un polymère hydrocarboné mécaniquement élastique avec une entrée de basse puissance haute fréquence et une pression de gaz élevée alors qu'une entrée de puissance accrue à haute fréquence et une pression de gaz diminuée (et/ou éventuellement l'introduction d'autres gaz tels que silane ou germane), on obtient une pellicule dure de carbone amorphe analogue au diamant (ou de carbone de silicium, ou de carbure de germanium). I1 est à noter que le revêtement, en plus de la réduction des détériorations, confère de préférence de bonnes propriétés d'antiréflexion au composant optique et en consé- quence l'épaisseur optique de chaque couche, ainsi que son indice de réfraction, doivent être choisis en fonction de l'indice de réfraction du composant optique. Par exemple, si le composant optique est constitué en sulfure de zinc (d'indice de réfraction 2,3), et que le revêtement comporte une couche mécaniquement élastique de polyéthylène (indice de réfraction 1,5) et une couche mécaniquement dure de carbone analogue au diamant (indice de réfraction 2,0) et si chaque couche a une épaisseur d'un quart de longueur d'onde (à 10 microns), la réflectance est accrue, ce qui peut n'être pas voulu.L'introduction d'une couche de liaison entre la couche mécaniquement élastique et le sulfure de zinc, ayant un indice de réfraction de 3,0 conduit à une réduction de la réflectance quand la couche de liaison a une épaisseur d'un quart de longueur d'onde. Selon la présente invention, on peut se passer des couches épaisses d'un quart de longueur d'onde et, par exemple, le fait de choisir l'épaisseur optique de chacune des couches mécaniquement dure et mécaniquement élastique de l'exemple précédent à 0,35 quart de longueur d'onde réduit la réflectivité moyenne à environ 3,5 % dans la bande d'ondes des 8-12 microns. Lorsque le composant optique est constitué en germanium (indice de réfraction 4,0) et que le revêtement consiste en une couche mécaniquement élastique de calciogénure de verre (indice de réfraction 2,9) et en une couche mécaniquement dure de carbone analogue au diamant sous la forme d'une pellicule d'ARG4 modifié (indice de réfraction 1,8), une basse réflectivité est obtenue avec seulement deux couches. A titre d'autre exemple, quand le composant optique est le sulfure de zinc, le revêtement peut prendre la forme d'une couche d'adaptation optique suivie par une couche mécaniquement élastique suivie par une couche de liaison suivie par la couche mécaniquement dure, les ordres et valeurs des indices de réfraction étant 2,3/3/1,5/3/2 et l'épaisseur optique du revêtement en termes de quarts de longueur d'onde à 10,4 microns étant 0,15/2,0/0,52/1,15, la combinaison du composant et du revêtement présente une réflectivité moyenne de 1,6 % dans la bande 8,2-11,6 microns, la réflectivité maximum étant d'environ 3 %. Dans ce cas la couche mécanique ment élastique peut être une couche polymérique, telle que le polyéthylène et la couche mécaniquement dure peut être un carbone analogue au diamant, tel que 1'ARG4. Selon un autre exemple où le composant optique est constitué en sulfure de zinc et le revêtement optique se pré- sente sous la forme d'une couche mécaniquement élastique suivie par une couche de liaison suivie par une couche mécaniquement dure ayant des indices de réfraction respectifs 1,5/3/2 et des épaisseurs optiques respectives, en termes de quarts de longueurs d'onde à 10,4 microns de 4,39/0,39/1,19, la réflectivité moyenne est de 3,8 % dans la bande 8,4-11,4 microns. Dans chacun des exemples précédents, il est préféré que la couche externe du revêtement, qui est la couche mécaniquement dure, soit déposée par le procédé CVD avec des contraintes ou tensions de compression incorporées, car il a été trouvé que, à la suite des impacts de projectiles, les contraintes induites par ces impacts dans la zone de contact sont elles-mêmes de compression alors que, dans la région annulaire bordant la zone de contact, les contraintes induites sont de tension et que la présence de contraintes de compression incorporées dans le revêtement avait tendance à annuler ces contraintes de tension induites, ce qui à son tour réduit les détériorations à la fois optiques et mécaniques de la combinaison revêtement/substrat. Une analyse de contrainte de substrats en sulfure de zinc dans leur deux formes revêtue et non revêtue est illustrée sur la figure 1 qui montre les amplitudes de contrainte à 4 microns au-dessous de la surface de sulfure de zinc à des distances différentes du centre de la zone de contact d'un projectile. Sur cette figure 1 r représente la distance à partir du centre de la zone de contact, qui a un rayon a (a est typiquement de l'ordre de 150 microns). On voit que, lorsque le substrat en sulfure de zinc n'est pas revêtu (courbe A), le niveau de la contrainte de tension est relativement élevé. En présence d'un revêtement de 2 microns d'épaisseur et constitué seulement d'un revêtement mécaniquement dur (courbe B), le niveau de la contrainte de tension est légèrement réduit. En présence d'un revêtement comprenant une couche mécaniquement élastique épaisse de 10 microns et d'une couche mécaniquement dure épaisse de 2 microns (courbe C), le niveau de la contrainte de tension est très sensiblement réduit. On peut montrer qu'une telle contrainte peut être encore réduite, approchant de zéro, quand une épaisseur accrue de couche élastique est adoptée. L'élimination de la contrainte de tension résultante selon la présente invention est importante en ce qu'une analyse des composants optiques détériorés fait apparaître que les plus sérieuses détériorations mécaniques et/ou optiques se produisent dans les régions soumises à des contraintes de tension. A titre d'exemple numérique concernant l'élasticité et la dureté mécanique des matériaux optiques, on se reportera au chapitre 7 de l'ouvrage THE INFRARED HANDBOOK (Wolfe & Zissis, GB). REVENDICATIONS 1. Composant optique en combinaison avec un revêtement optique adhérent à ce composant, caractérisé en ce que ce revêtement comprend une couche externe qui est mécaniquement dure et une couche interne disposée entre cette couche externe et le composant, ladite couche interne étant absorbante de l'énergie. 2. Combinaison selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche se présente sous la forme d'une couche distincte. 3. Combinaison selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couches interne et externe font partie d'un revêtement optique formé mécaniquement de façon continue. 4. Combinaison selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la couche interne est liée à l'un et/ou à l'autre du composant optique et de la couche externe à l'aide d'une couche d'adaptation optique. 5. Combinaison selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la couche externe incorpore des tensions superficielles de compression en l'absence d'impact de projectile. 6. Combinaison selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la couche interne est constituée en un matériau mécaniquement élastique possédant des propriétés optiques utiles après des impacts répétés de projectiles multiples.