Brevet FR2742884A1 — publié le 19970627

REJECTEUR SPECTRAL GRAND CHAMP ANGULAIRE ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention conceme un rejecteur spectral grand champ angulaire pour la protection de certains systèmes optiques ou des yeux d'utilisateurs contre l'agression à certaines longueurs d'ondes. Par exemple, un tel rejecteur est utilisable dans une salle d'exposition aux rayonnements UV pour protéger les yeux du patient contre ces rayonnements UV. Le système de l'invention doit réaliser une bonne protection contre une ou plusieurs longueurs d'ondes déterminées Âo, c'est-à-dire limiter la transmission à ces longueurs d'ondes, tout en permettant la transmission aux autres longueurs d'ondes et ce pour un ensemble d'angles d'incidence appelé champ angulaire du composant A0. Par exemple, le système de l'invention monté sur des lunettes de vision, empêchera l'utilisateur de percevoir la ou les longueurs d'ondes nocives tout en lui assurant la vision normale du paysage environnant. Les performances recherchées sont donc les suivantes: - une réflectivité du composant R(x) très importante pour #o mais la plus faible possible pour les longueurs d'onde voisines de kO. - on définit la densité optique D par T = i 0-D T transmission du composant - densité optique Do du composant à la longueur d'onde kO pour un champ angulaire A0: D(o) 2 Do pour o compris dans la bande [00-AO O+0] pour x =xo On sait réaliser une telle fonction à l'aide d'un réseau de Bragg en réflexion. Un réseau de Bragg en réflexion est un matériau dont l'indice de réfraction est modulé sinusoïdalement dans l'épaisseur avec une période A. Ce réseau réfléchit la longueur d'onde #o d'un faisceau incident selon la direction normale au support du matériau si son pas A vérifie A=kO/2n n indice moyen du matériau (condition de Bragg). Par exemple, pour se protéger d'un faisceau à la longueur d'onde ho = 532 nm émis par un laser YAG doublé, on prévoit de mettre sur chaque verre d'une paire de lunette de vision, une couche d'un matériau formant un réseau de Bragg tel que le faisceau de longueur d'onde ho à incidence normale sur le plan du réseau soit réfléchi. Dans le cas d'un réseau épais de type Bragg, les variations de la densité optique D en fonction de l'angle d'incidence O et de la longueur d'onde incidente # sont principalement fonction de l'épaisseur d du matériau et de sa modulation d'indice An. D'une façon générale, pour un composant fonctionnant en réflexion: - le point de fonctionnement du matériau, exprimé sous la forme du couple (An-modulation d'indice, d-épaisseur du matériau), permettant d'obtenir une densité donnée Do à #o et pour une incidence donnée O0 est du type An.d = cste. Pour avoir une transmission du composant maximale pour les longueurs d'ondes voisines de Ao (réflectivité R(A) en fonction de la longueur d'onde étroite), on a intérêt à se placer à un point de fonctionnement correspondant à l'épaisseur d la plus grande possible, et donc une modulation d'indice An la plus faible possible. - le champ angulaire AO au voisinage de l'incidence moyenne Oo, correspondant à la protection laser recherchée (D(0) # Do) est proportionnel à An. La bande passante ## de la réflectivité spectrale R(#) pour e = e0, varie également de la même manière. II est donc contradictoire de rechercher un réseau de Bragg avec champ angulaire AO important et une bande passante AA étroite. A titre d'exemple, on donne en figure 2 pour d = I 100 pm les courbes D(0) de densité optique D en fonction de l'angle d'incidence O où # = au = 0,532 pm et pour des modulation d'indices An = 0,1 et An = 0,04. La figure 3 donne également pour d = 100 Clam, et des modulations d'indices An = 0,1 et An = 0,04 les courbes à incidence nulle (0 = 0o = 0 ), R(A) de réflectivité en fonction de la longueur d'onde autour de la longueur d'onde centrale(0,532 pm). La courbe D(O) plafonne à D = 7 pour une meilleure lisibilité de la courbe.Les angles d'incidence O sont donnés dans le milieu d'indice n = 1,5. On résume ci-dessous les valeurs du champ angulaire AO tel que D (o) # 4 pour deux points de fonctionnement ainsi que la bande passante ## de la réflectivité spectrale. (100 Wum.An = 0.04): ## = # 14 air ## = 15 nm (100 pm.An = 0.08): AO = +200 air ## = 40 Le point de fonctionnement (100 pm.An = 0.08) satisfait bien la condition de champ angulaire (AO 2 I 20 ) mais sa réflectivité spectrale AA est beaucoup trop élevée, elle perturberait considérablement la vision des couleurs dont les longueurs d'ondes sont situées de part et d'autre de la longueur d'onde à éliminer. Au travers de cet exemple, on a montré qu'il n'y a donc pas de solution satisfaisante avec une configuration à un miroir de Bragg classique lorsque le champ angulaire demandé est élevé. L'invention permet de résoudre ce problème en foumissant un dispositif qui permet de rejecter la lumière d'une longueur déterminée qui est incidente sur le dispositif selon un grand champ angulaire et ce avec une réflectivité R(A) plus étroite que dans les dispositifs connus. L'invention concerne donc un rejecteur spectral comprenant un support transparent à une large gamme de longueurs d'ondes muni d'une couche d'un matériau comportant un premier réseau de Bragg réflecteur à une longueur d'onde déterminée, caractérisé en ce que les strates de ce réseau sont inclinées selon une premier inclinaison par rapport au plan du support et en ce qu'il comporte au moins un deuxième réseau de Bragg dont les strates ont une deuxième inclinaison différente de celle du premier réseau. L'invention conceme également un procédé de fabrication d'un rejecteur spectral caractérisé en ce qu'il prévoit de fabriquer des réseaux dans des films de matériaux photosensibles et d'accoler ensuite ces films pour constituer un empilement de réseaux. Un autre procédé selon l'invention comporte une première étape de réalisation d'un premier réseau sur un substrat transparent consistant en un dépôt d'une couche d'un matériau photosensible, inscription d'un réseau de strates d'indice par interférence de faisceaux optiques1 fixation des réseaux inscrits; puis réalisation de la même manière d'un dépôt de couche et d'un deuxième réseau sur le premier réseau et ainsi de suite. Un autre procédé prévoit de faire interférer dans une même couche de matériau polymère successivement plusieurs faisceaux optiques d'incidences différentes; les réseaux sont ainsi multiplexés dans une même couche. Un autre procédé prévoit de faire interférer dans une même couche de matériau photosensible, un faisceau de rayons parallèles avec un faisceau de rayons issus d'un diffuseur. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un dispositif à réseau de Bragg connu dans la technique; - les figures 2 et 3, des courbes de fonctionnement du dispositif de la figure 1; - la figure 4, un exemple de dispositif rejecteur grand angle selon l'invention; - les figures 5a et 5b, un exemple de réalisation du dispositif rejecteur de la figure 4; - les figures 6a, 6b et 7, le fonctionnement du rejecteur des figures 5a et 5b; - les figures 8 à 10, des courbes de fonctionnement; - les figures lia et Il b, une variante de réalisation selon l'invention. L'invention consiste à combiner au moins deux composants holographiques dont les strates d'indice sont inclinées par rapport à la direction d'incidence moyenne de la lumière. La figure 4 représente un tel rejecteur. II comporte sur un substrat S deux réseaux holographiques Hi, H2 dont les strates d'indice sont indinées par rapport au plan du substrat. De façon préférentielle, mais cela n'est pas obligatoire, les indinaisons des strates d'un réseau sont symétriques de celles de l'autre réseau par rapport à la normale au plan du substrat. Les réseaux sont fabriqués pour être réflecteur à une longueur d'onde. Le substrat est transparent à une large gamme de longueurs d'ondes et de façon courante cette gamme de longueurs d'ondes englobe toutes les longueurs d'ondes du visible. De façon générale, les deux réseaux sont conçus de façon à réfléchir la lumière incidente globalement selon des directions D1, D2 symétriques par rapport à la normale N au plan du substrat. Pour mieux comprendre le fonctionnement détaillé de ces réseaux on va décrire leur réalisation en se reportant aux figures 5a et 5b. Selon ces figures, les deux réseaux sont enregistrés indépendamment dans deux films photosensibles ou dans le même film, soit séquentiellement, soit simultanément. Chaque réseau H1 et H2 est enregistré par deux ondes planes non symétriques par rapport à la normale au plan du film photosensible. Les réseaux d'indice obtenus sont alors inclinés par rapport au support. Pour un réseau de Bragg enregistré avec deux faisceaux FI, F2 à la longueur d'onde Ao, la réflectivité du composant est maximale à Ao pour les deux directions de faisceaux F1, F2.En choisissant correctement les angles d'enregistrement des deux réseaux H1 et H2, il est possible de juxtaposer leur densité angulaire D(o), de façon à agrandir la densité D(O) de l'ensemble, sans augmenter Ak. La réalisation de ces composants s'effectue de manière aisée dans des photopolymères ayant une modulation d'indice maximale de An = 0.06 et une épaisseur maximale d'environ 50 pm. En effet, contrairement à la gélatine bichromatée dont le traitement humide rend plus délicate l'enregistrement de strates inclinées, ceux-ci ne nécessitent pas de contraintes particulières pour maintenir la direction inclinée des strates d'indices. A titre d'exemple, le réseau H1 est enregistré (voir figure 5a) par l'interférence dans le milieu photosensible d'un premier faisceau F1 (à une longueur d'onde Ao) faisant un angle de 2" avec la normale N et d'un deuxième faisceau F2 (à la même longueur d'onde Âo) faisant un angle de 10 avec le premier faisceau, ces deux faisceaux se propagent en sens inverse mais du meme côté par rapport à la normale N. Le réseau H2 est enregistré (figure 5b) à l'aide de deux faisceaux F'1 et F'2 (de longueurs d'ondes Ao) symétriques respectivement des faisceaux F1 et F2 par rapport à la normale N. Cette symétrie n'est pas obligatoire mais peut être avantageuse. L'utilisation de ces réseaux se fait de la manière suivante. Le réseau H1 présente deux maxima de réflexion pour les directions LI et L2 (figure 6a). De meme, pour le réseau H2 (figure 6b) la réflexion est maximum pour la lumière incidente selon l'une ou l'autre des directions L'1, L'2. Les directions L1, L2, L'1, L'2 correspondent aux directions des faisceaux d'enregistrement F1, F2, F'1, F'2 respectivement. Bien entendu, ces réseaux fonctionnent à la même longueur d'onde Ao que celle des faisceaux d'enregistrement. En accolant les deux films H1 et H2 ainsi enregistrés comme cela est représenté en figure 7, on obtient un dispositif présentant quatre directions d'incidence de la lumière pour lesquelles la réflexion est maximale à la longueur d'onde Ao. Les deux courbes D(0) de chaque composant du rejecteur sont décrites sur la figure 8 pour des réseaux ayant d = 50 pm An = 0.023. On voit que la densité optique est supérieure à 4 sur un champ angulaire AO = + 13 milieu = + 20 air. La réflectivité R(A) correspondant à un des réseaux est donnée figure 9. L'angle d'incidence correspond à une incidence de Bragg par exemple O = -2" dans le milieu (onde plane). La bande passante spectrale n'est ici que de 10 nm, à comparer avec les 40 nm pour la configuration classique et dans les mêmes conditions de lecture, An est plus faible (0,023 En effet, puisque l'on peut augmenter la densité angulaire D(O) par juxtaposition de deux réseaux inclinés à faible An, la bande passante angulaire initiale de chaque réseau est bien inférieure au champ angulaire spécifié, par exemple AO = + 20 . Cette levée de contrainte sur la densité angulaire permet d'enregistrer les réseaux élémentaires H1 ou H2 avec un point de fonctionnement comportant une modulation d'indice An plus faible que dans le cas classique, et à une modulation d'indice plus faible correspond une réflectivité spectrale R(#) plus étroite. En pratique, la lumière éclaire le composant selon un champ angulaire AO (jumelle, épiscope, intensificateur d'image ...). II convient d'intégrer la réflectivité R(#) sur tous les angles d'incidence potentiels. La courbe résultante en juxtaposant les deux réseaux H1 et H2 est donnée figure 10 pour un champ angulaire AO = 1200 air. D(A) correspond donc à la densité optique du composé rejecteur en fonction de la longueur d'onde, intégrée sur l'ensemble du champ angulé AO = 1200 air. On voit que pour # = ##, D(#) # 4 sur l'ensemble du champ angulaire, ce qui est le résultat souhaité. D'autre part, la densité optique chute ensuite très vite autour de Âo. La bande passante AA rejectée par le composant est de hA 20 nm. L'utilisation de deux réseaux H1, H2 dont les strates sont inclinées de façon complémentaire permet ainsi de garantir une réflexion avec une densité optique donnée sur un grand champ angulaire. Cependant, ce système fonctionne dans le plan d'incidence, c'est-à-dire le plan contenant les deux faisceaux (F1, F2 d'une part et F'I, F'2 d'autre part) utilisés lors de l'enregistrement des réseaux. Pour couvrir l'ensemble de l'espace, il convient d'associer deux réseaux identiques aux réseaux HI, H2 mais tournés de JC/2 autour de la normale au support. Selon une variante, on peut également, pour augmenter le champ angulaire, associer plus de deux réseaux. Par exemple, on peut prévoir tout d'abord un réseau fonctionnant à incidence normale (strates parallèles au plan du support) de façon à rejecter le champ angulaire AO autour de la normale. On peut aussi associer d'autres réseaux enregistrés avec des faisceaux inclinés de façon à rejecter Ao sur le champ angulaire de part et d'autre de la normale. On peut également prévoir des réseaux dont les courbes de fonctionnement sont situées de part et d'autre des courbes de la figure 8. Selon une autre variante, on peut associer plusieurs réseaux enregistrés avec des longueurs d'ondes différentes et réfléchissant ces longueurs d'ondes. Le rejecteur assurera donc une protection contre plusieurs longueurs d'ondes. La réalisation pratique d'un tel rejecteur spectral peut être obtenue par juxtaposition de réseaux Hi et H2. Elle peut être également obtenue par: - dépôt d'une couche d'un matériau photosensible (photopolymère par exemple), sur un substrat transparent; - réalisation d'un réseau H1 par interférence lumineuse (faisceaux F1, F2); - insolation et éventuellement chauffage pour fixer les strates d'indice du réseau H1 - dépôt d'une autre couche de matériau photosensible; - réalisation du réseau H2 par interférence lumineuse (faisceaux F'1, F'2); - insolation et éventuellement chauffage pour fixer le réseau de strates H2; et ainsi de suite pour la réalisation d'autres réseaux. II est également possible dans une même couche de matériau photosensible, de réaliser une première interférence lumineuse (avec les faisceaux FI, F2) puis une deuxième interférence lumineuse (avec les faisceaux F'1, F'2). Cela est possible en tenant compte du fait que la somme des différences d'indice An et A'n créées par les deux interférences doit être inférieure à la variation d'indice maximum que l'on peut induire dans la couche photosensible. On obtient ainsi un multiplexage de réseaux. Une variante de rejecteur consiste comme cela est illustré par la figure lia, à faire interférer, dans le matériau photosensible H, un premier faisceau F2 d'une direction déterminée (par exemple perpendiculaire au plan de la couche de matériau photosensible) et un deuxième faisceau divergent F3 obtenu par transmission de ce faisceau au travers d'un diffuseur DIF par exemple. Le faisceau F3 comporte un ensemble de faisceaux d'angles différents. Une multitude de réseaux correspondant aux différents angles est enregistrée dans le matériau. Le champ angulaire du composant rejecteur est donc augmenté. De plus, on peut envisager d'utiliser la méthode des deux réseaux inclinés décrite plus haut non plus avec, pour l'enregistrement de deux faisceaux type onde plane, mais avec un des faisceaux type diffuseur. Cette variante est représentée par la figure Il b où l'on prévoit l'interférence d'un faisceau diffusant F3 avec d'une part un faisceau F1 incliné selon une certaine incidence et, d'autre part, un faisceau F'1 présentant une autre incidence. Dans ce qui précède, pour faciliter les explications, on a considéré que les longueurs d'ondes utilisées pour l'enregistrement des réseaux étaient celles de la longueur d'onde à rejecter. En réalité, les longueurs d'ondes d'enregistrement peuvent être différentes de celles de l'utilisation. Dans ce cas, les directions pour lesquelles les rejections seront maximales, ne correspondront pas aux directions des ondes d'enregistrement. REVENDICATIONS 1. Rejecteur spectral comprenant un support transparent à une large gamme de longueurs d'ondes muni d'une couche d'un matériau comportant un premier réseau de Bragg (H1) réflecteur à une longueur d'onde déterminée, caractérisé en ce que les strates de ce réseau (H1) sont inclinées selon une première inclinaison par rapport au support du réseau en ce qu'il comporte au moins un deuxième réseau (H2) de Bragg dont les strates ont une deuxième inclinaison différente de celle du premier réseau. 2. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième inclinaisons sont symétriques par rapport à la normale. 3. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième réseaux (Hi, H2) comportent chacun deux directions d'incidence selon lesquelles les réflexions sont maximales. 4. Rejecteur spectral selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les directions d'incidence pour lesquelles les réflexions sont maximales pour un réseau (H1) sont symétriques de celles de l'autre réseau (H2) par rapport à la normale au plan des réseaux. 5. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième réseau dont les strates sont parallèles au support. 6. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plus de deux réseaux, les différents réseaux présentant des strates inclinées différemment d'un réseau à l'autre. 7. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents réseaux sont inscrits dans des couches de matériaux juxtaposés. 8. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents réseaux sont inscrits dans une même couche de matériau photosensible. 9. Rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de réseaux permettant la réflexion diffuse d'une onde plane incidente. 10. Procédé de fabrication d'un rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de fabriquer des réseaux dans des films de matériaux photosensibles et d'accoler ensuite ces films pour constituer un empilement de réseaux. 11. Procédé de fabrication d'un rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de réalisation d'un premier réseau sur un substrat transparent consistant en un dépôt d'une couche d'un matériau photosensible, inscription d'un réseau de strates d'indice par interférence de faisceaux optiques, fixation des réseaux inscrits ; puis réalisation de la même manière d'un deuxième réseau sur le premier réseau et ainsi de suite. 12. Procédé de fabrication d'un rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de faire interférer dans une même couche de matériau polymère successivement plusieurs faisceaux optiques d'incidences différentes. 13. Procédé de fabrication d'un rejecteur spectral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de faire interférer, dans une même couche de matériau photosensible, un premier faisceau de rayons parallèles (F2) avec un faisceau de rayons (F3) issu d'un diffuseur. 14. Procédé selon l'une des revendications 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que chaque réseau est inscrit dans une couche de matériau photopolymère par interférence de deux faisceaux dont les directions correspondent aux directions d'incidences pour lesquelles le réseau doit présenter des taux de réflexion maximum. 15. Procédé de fabrication d'un rejecteur spectral selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier faisceau de rayon parallèle est incliné par rapport à la normale au plan du support, et qu'il prévoit de faire interférer, dans une même couche de matériau photosensible, le faisceau de rayons issus du diffuseur avec un deuxième faisceau de rayons parallèles inclinés par rapport à la normale au plan du support différemment de l'inclinaison du premier faisceau de rayons parallèles.