Brevet FR3147388A1 — publié le 20241004

Elément optique antireflet Elément optique (30) comprenant : - un substrat transparent (32), - au moins une couche poreuse (36) s’étendant sur au moins une surface optique (34) du substrat (32), la couche poreuse (36) comprenant une pluralité d’éléments allongés (40) s’étendant depuis la surface optique (34), caractérisé en ce que les éléments allongés (40) présentent des formes hélicoïdales, chaque élément allongé (40) s’étendant le long d’un axe central (H) sensiblement perpendiculaire à la surface optique (34) et présentant un diamètre global (D), mesuré perpendiculairement à l’axe central (H), ledit diamètre global (D) étant inférieur ou égal à 100 nm. Figure à publier avec l’abrégé : 3 Elément optique antireflet Domaine technique de l’invention L’invention concerne un élément optique présentant des propriétés antireflets. L’invention concerne également un dispositif optronique comprenant au moins un tel élément optique, ainsi qu’un aéronef comprenant au moins un tel dispositif optronique. En outre, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un tel élément optique. Etat de la technique antérieure L’ajout d’un revêtement antireflet sur un élément optique, tel qu’une lentille ou un hublot, permet de réduire la part de lumière réfléchie lorsqu’un faisceau lumineux traverse la surface revêtue, et améliore ainsi la transmission de lumière à travers l’élément optique. Cela est particulièrement important pour les dispositifs comprenant plusieurs éléments optiques traversés successivement par un faisceau lumineux, et comprenant chacun deux surfaces traversées par ledit faisceau, comme des dispositifs optroniques. Deux types de revêtements antireflets sont connus de l’état de la technique, respectivement par interférences et par gradient d’indice optique. La illustre un élément optique 10 connu de l’état de la technique, comprenant un substrat transparent 12 et un revêtement antireflet 14 par interférence. Le revêtement antireflet 14 est un revêtement multicouche comprenant une pluralité de couches 14a, 14b minces denses alternées, comprenant des couches à bas indice optique 14a et à haut indice optique 14b. Les couches 14a, 14b sont empilées sur une surface principale 16 du substrat 12, le long d’un axe optique A de l’élément optique 10. Les couches 14a, 14b successives présentent des épaisseurs, mesurées le long de l’axe optique A, et des indices optiques déterminés afin de minimiser l’intensité lumineuse réfléchie par un phénomène d’interférences destructives. Ce type d’antireflet bénéficie d’une bonne résistance aux conditions environnementales, mais il est limité par les indices optiques des matériaux denses utilisables pour les couches minces 14a, 14b, ainsi que par la plage de longueur d’onde de fonctionnement. Les éléments à gradient d’indice optique visent à mettre en œuvre une transition d’indice optique progressive, de manière discrète ou continue, de l’indice du substrat jusqu’à l’indice du milieu environnant, généralement de l’air. Une méthode connue pour obtenir ce type de résultat est une nano-structuration de la surface externe de l’élément par exemple suivant un procédé de gravure, permettant la formation de reliefs présentant des dimensions transverses de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, qui améliorent fortement les performances optiques de l’élément. Une autre méthode de fabrication d’un anti-reflet permettant une nano-structuration de la surface optique est le dépôt sous incidence oblique ou rasante ( glancing angle deposition en anglais, abrégé en GLAD, ou oblique angle deposition en anglais, abrégé en OAD), décrite plus en détail dans la demande FR 3103314. La représente un élément optique 20 comprenant un substrat transparent 22 et un revêtement antireflet 24 par gradient d’indice obtenu selon une telle méthode. Ce revêtement antireflet 24 comporte plusieurs couches poreuses 24a, dont les indices diminuent progressivement depuis le substrat 22 selon l’axe optique A, pour permettre une transition moins abrupte entre l’indice optique de l’air et celui du substrat 22, réduisant ainsi l’intensité lumineuse réfléchie. La densité d’ensemble de chacune des couches poreuses 24a est modifiée par les paramètres du dépôt sous incidence oblique, notamment l’angle d’incidence du faisceau de dépôt et la vitesse de rotation azimutale du substrat. Ces éléments optiques présentent des propriétés optiques très satisfaisantes, grâce aux très faibles indices optiques obtenus pour les couches en surface. Cependant, les dimensions des objets formant les couches externes, qui sont du même ordre de grandeur que les longueurs d’onde de la lumière utilisée, engendrent des phénomènes de diffusion non-négligeables en transmission directe, notamment dans les basses longueurs d’onde telles que du bleu et le proche ultraviolet. Cette perte est d’autant plus élevée que la bande spectrale visée est large. En effet, pour les antireflets à gradient d’indice, plus les épaisseurs des couches poreuses sont élevées, plus l’effet antireflet sera important sur une large gamme spectrale. Un compromis doit alors être trouvé entre trois aspects : un faible indice de réfraction des couches poreuses, donc une forte porosité, une épaisseur importante de la couche poreuse pour la largeur spectrale, et des pertes par diffusion engendrées par les éléments nanométriques formant la couche poreuse. Présentation de l’invention L’invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant un revêtement anti-reflet à hautes performances sur une large bande spectrale et présentant de faibles pertes par diffusion. A cet effet, l’invention a pour objet un élément optique comprenant : - un substrat transparent, - au moins une couche poreuse s’étendant sur au moins une surface optique du substrat, la couche poreuse comprenant une pluralité d’éléments allongés s’étendant depuis la surface optique, caractérisé en ce que les éléments allongés présentent des formes hélicoïdales, chaque élément allongé s’étendant le long d’un axe central sensiblement perpendiculaire à la surface optique et présentant un diamètre global, mesuré perpendiculairement à l’axe central, ledit diamètre global étant inférieur ou égal à 100 nm. L’élément optique peut être, par exemple, une lentille ou un hublot. Un tel élément optique présente des propriétés anti-reflet sur une large bande spectrale, par exemple s’étendant entre 400 nanomètres et 1800 nanomètres de longueur d’onde, ainsi que de faibles pertes optiques par diffusions sur cette bande spectrale. La porosité de la couche poreuse peut être comprise entre 5% et 70%. De telles valeurs de porosité permettent d’obtenir un indice bas pour permettre l’effet anti-reflet. La porosité d’un milieu est le rapport du volume non-occupé par un solide sur le volume total. Le diamètre global peut être inférieur ou égal à 80 nm, préférentiellement inférieur ou égal à 50 nm et encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 30 nm. Cette caractéristique permet de réduire les pertes optiques par diffusion, notamment aux basses longueurs d’onde. Chaque élément allongé peut comprendre une pluralité de spires successives selon la direction de l’axe principal, deux spires voisines étant séparées par un pas constant, ledit pas étant supérieur ou égal à 50 nm. Une telle caractéristique permet de réduire encore les pertes optiques par diffusion. Le pas peut être supérieur ou égal à 100 nm, préférentiellement supérieur ou égal à 200 nm, plus préférentiellement supérieur ou égal à 400 nm et mieux supérieur ou égal à 600 nm. De telles valeurs de pas permettent de réduire encore plus les pertes optiques par diffusion. Le pas peut être inférieur ou égal à 1000 nm. Une telle caractéristique permet de conserver un nombre de spires suffisant pour que l’élément allongé garde sa forme hélicoïdale et le comportement optique associé. Chaque élément allongé peut être formé d’une branche inclinée, enroulée autour de l’axe principal et présentant un diamètre de branche, mesuré perpendiculairement à une direction locale d’allongement de la branche, ledit diamètre de branche étant inférieur ou égal à 60 nm, notamment inférieur ou égal à 40 nm, et préférentiellement inférieur ou égal à 20 nm. Une telle caractéristique permet de réduire encore plus les pertes optiques par diffusion. Les éléments allongés peuvent être formés par un matériau à bas indice, comme par exemple SiO2, Al2O3, ou encore MgF2. Une telle caractéristique permet d’avoir un indice bas de la couche poreuse, favorisant l’effet anti-reflet, et confère une bonne tenue aux éléments allongés. L’invention concerne également un dispositif optronique comprenant au moins un élément optique comme décrit plus haut, disposé(s) le long d’un même axe optique. Un tel dispositif peut fonctionner avec de faibles pertes optiques sur une bande large de longueurs d’onde, même avec plusieurs dioptres successifs. Un flux lumineux destiné à traverser l’élément optique peut comprendre un rayonnement présentant au moins une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 550 nm. Une telle caractéristique permet de profiter de l’effet de réduction des pertes optiques par diffusion, qui est plus important pour les basses longueurs d’onde. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un élément optique comme décrit plus haut, comprenant des étapes de : - fourniture d’un substrat et mise en place du substrat dans un dispositif de dépôt, et - dépôt de la couche poreuse sur une surface optique du substrat, selon une méthode de dépôt sous incidence oblique, dans lequel un angle d’incidence d’un faisceau de dépôt, mesuré par rapport à une normale locale à la surface optique, est supérieur ou égal à 45°, et préférentiellement sensiblement égal à 80°, et dans lequel, au cours de l’étape de dépôt de la couche poreuse, le substrat est maintenu en rotation azimutale à une vitesse de rotation comprise entre 0,05 tour par minute et 0,5 tour par minute, préférentiellement sensiblement égale à 0,125 tour par minute. Un tel procédé permet d’obtenir une couche poreuse micro-structurée comme décrit plus haut, comprenant des éléments allongés hélicoïdaux et bénéficiant à la fois d’un effet anti-reflet et de faibles pertes optiques par diffusion. Brève description des figures la est une vue en coupe schématique d’un élément optique de l’état de la technique, comprenant un revêtement antireflet multicouche interférentiel, la est une vue en coupe schématique d’un second élément optique de l’état de la technique, comprenant un revêtement antireflet à gradient d’indice, est une vue en coupe schématique d’un élément optique selon l’invention, comprenant un revêtement anti-reflet présentant de faibles pertes optiques par diffusion, est une représentation graphique des coefficients d’extinction obtenus sur une plage de longueurs d’onde, pour différentes formes des éléments allongés de la couche poreuse, sont des représentations graphiques des pertes optiques obtenues sur la plage de longueur d’onde et pour les différentes formes de la , et est une représentation schématique d’un élément allongé hélicoïdal du revêtement de la . Description détaillée de l’invention Un élément optique 30 selon l’invention est représenté sur la . L’élément optique 30 comprend un substrat 32 transparent définissant au moins une surface optique 34, ainsi qu’un revêtement anti-reflet 36 s’étendant sur ladite surface optique 34 du substrat 32. L’élément optique 30 est par exemple une lentille ou un hublot, et présente un axe principal A, perpendiculaire à la surface optique 34. L’axe principal A est par exemple l’axe optique de l’élément, si celui-ci est une lentille. L’élément optique 30 est destiné à faire partie, par exemple, d’un dispositif optronique, notamment d’un dispositif optronique embarqué sur un aéronef. Ledit dispositif optronique peut par exemple comprendre une pluralité de tels éléments optiques, alignés selon un même axe optique. Le substrat 32 est constitué d’un matériau transparent, organique ou minéral, notamment un verre à hautes performances optiques. La surface optique 34 est l’une des surfaces fonctionnelles du substrat 32, destinée à être traversée par un ou plusieurs flux lumineux. La surface optique 34 est par exemple sensiblement plane. La surface optique peut également, dans d’autres modes de réalisation, être courbée, comme dans le cas d’une lentille, et présenter un profil convexe, ou alternativement concave. Le revêtement anti-reflet 36 est formé par une couche poreuse formée d’une pluralité d’éléments allongés 40, s’étendant depuis la surface optique 34. Une telle couche poreuse est réalisée suivant un procédé de nano-structuration de la surface optique par dépôt sous incidence oblique ou rasante ( glancing angle deposition en anglais, abrégé en GLAD, ou oblique angle deposition en anglais, abrégé en OAD). Le matériau composant la couche poreuse a un indice optique compris entre 1,4 et 1,9 en couche dense, mais la porosité de la couche poreuse permet à ladite couche poreuse de présenter un indice inférieur à 1,4 et de préférence inférieur à 1,3, réduisant ainsi les réflexions lumineuses à l’interface avec l’air. Le matériau composant les éléments allongés 40 de la couche poreuse est par exemple un matériau à bas indice, comme par exemple MgF2, Al2O3, ou préférentiellement SiO2. Selon les paramètres de dépôt choisis, il est possible de donner aux éléments allongés 40 des formes de colonnes sensiblement rectilignes, perpendiculaires à la surface optique (colonnes normales) ou inclinées par rapport à cette surface optique (colonnes inclinées), ou encore des colonnes hélicoïdales ou bien des colonnes présentant des sections transverses allongées selon une direction transverse commune (colonnes anisotropes). Les propriétés optiques de chacune de ces structures des éléments allongés 40 ont été étudiées par le biais de l’ellipsométrie spectroscopique. Cette méthode permet d’obtenir les indices de réfraction réel et complexe n et k de l’élément optique 30 dans différentes configurations des éléments allongés 40, mais également des données morphologiques telles que l’épaisseur et la porosité de la couche poreuse formant le revêtement anti-reflet 36. Les résultats obtenus sont représentés à la . La représente les coefficients d’extinction k’ x et k’ y mesurés selon les axes transverses X et Y en fonction de la longueur d’onde λ, sur une bande spectrale s’étendant entre 400 nanomètres et 1800 nanomètres, respectivement pour des éléments allongés en colonnes normales (courbes NC), en colonnes inclinées (courbe TC), en colonnes hélicoïdales (courbes HC) et en colonnes anisotropes (courbes ANC). Il en résulte que la perte optique par diffusion est très inférieure dans le cas des éléments allongés en forme de colonnes hélicoïdales, à porosité et épaisseur constante. Cet écart est notamment sensible pour les basses longueurs d’onde, par exemples inférieures à 550 nm, comme dans le bleu, le violet et le proche UV. Ce résultat a été confirmé par des mesures de spectrophotométrie (mesure de transmission et de réflexion permettant de remonter aux pertes optiques), de même que par des simulations par éléments finis de type « Finite Difference Time Domain ». Les résultats expérimentaux par spectrophotométrie sont représentés à la et les résultats de simulation sont représentés à la , avec des notations identiques à celles utilisées précédemment. Les figures 5 et 6 représentent les variations du coefficient de pertes optiques (OL) par diffusion, en pourcentage, en fonction de la longueur d’onde, pour chacune des géométries des éléments allongés 40 considérées. De plus, les simulations par éléments finis ont montré que la faible diffusion des colonnes hélicoïdales ne provient pas de leur faible volume de matière mais de leur géométrie. En effet, à volume de matière identique, des courbes de diffusion différentes ont été obtenues et les colonnes hélicoïdales engendrent nettement moins de pertes optiques par diffusion que toutes les autres géométries. Ainsi, selon l’invention, les éléments allongés 40 sont des colonnes hélicoïdales sensiblement perpendiculaires à la surface optique 34 localement, de manière à minimiser les pertes optiques par diffusion. Les paramètres géométriques des colonnes hélicoïdales influent sur la quantité de pertes optiques par diffusion, ce qui a entraîné des travaux d’optimisation de ces paramètres décrits ci-après. Comme représenté à la , chaque élément allongé 40 est une colonne hélicoïdale, ou hélice, qui comprend une branche 42 inclinée, solide, enroulée en spirale autour d’un axe central H de l’hélice, à l’intérieur d’une enveloppe externe E sensiblement cylindrique d’axe H. Les paramètres considérés comprennent un pas P, mesuré selon la direction de l’axe central H entre deux spires successives de l’hélice, un diamètre global D, mesuré perpendiculairement à l’axe central H entre deux points diamétralement opposés de l’enveloppe E, un diamètre de branche d de la branche 42, mesuré perpendiculairement à la direction locale d’étendue de la branche 42, et un angle d’inclinaison ϴ local de la branche 42, mesuré par rapport au plan local de la surface optique. Plusieurs combinaisons de ces paramètres P, D, d, ϴ montrent des quantités de pertes optiques par diffusion différentes, avec des influences variables d’un paramètre à l’autre. Le diamètre global D des hélices influence considérablement leur diffusion. En effet, plus les éléments allongés 40 sont larges, plus leur diffusion est importante. Ainsi, afin de réduire les pertes par diffusion optique, le diamètre global D est choisi inférieur ou égal à 100 nm (nanomètres), notamment inférieur ou égal à 80 nm, préférentiellement inférieur ou égal à 50 nm et mieux inférieur ou égal à 30 nm. Le second paramètre par ordre d’influence est le pas P, qui fixe le nombre de spires de chaque hélice. Plus ce nombre de spire est élevé, plus les partes par diffusion sont importantes. Ainsi, afin de réduire encore les pertes par diffusion, le pas P est choisi supérieur ou égal à 50 nm, notamment supérieur ou égal à 100 nm, préférentiellement supérieur ou égal à 200 nm, plus préférentiellement supérieur ou égal à 400 nm et mieux supérieur ou égal à 600 nm. Le pas P est par exemple choisi inférieur ou égal à 1000 nm, de façon à conserver un nombre suffisant de spires, par exemple au moins 5 spires, et un caractère hélicoïdal de l’élément allongé 40 afin de se distinguer suffisamment du cas des colonnes rectilignes. L’angle d’inclinaison ϴ est fixé par le choix du pas P et du diamètre global D, de sorte qu’avec les valeurs précédentes, l’angle d’inclinaison ϴ est compris entre 10° et 80°. Enfin, le troisième paramètre en termes d’influence sur la diffusion est le diamètre de branche d, avec un faible diamètre de branche d qui réduit les pertes par diffusion. Ainsi, afin de réduire encore les pertes par diffusion optique, le diamètre de branche d est choisi inférieur ou égal à 60 nm, notamment inférieur ou égal à 40 nm, et préférentiellement inférieur ou égal à 20 nm. Un tel élément optique présente des propriétés anti-reflets sur une large bande spectrale, par exemple s’étendant entre 400 nanomètres et 1800 nanomètres de longueur d’onde, ainsi que de faibles pertes optiques par diffusions sur cette bande spectrale. Un procédé de fabrication de l’élément optique 30 va maintenant être décrit. Le procédé comprend une étape préliminaire de fourniture du substrat 32, et de mise en place dudit substrat dans une chambre de dépôt, telle que celle décrite dans la demande FR 3103314 A1. Préférentiellement, toutes les étapes suivantes du procédé de fabrication sont conduites dans la chambre de dépôt sans avoir à ouvrir celle-ci, de façon à prévenir toute pollution de la chambre et de son contenu. Le substrat 32 est positionné dans la chambre de dépôt et le revêtement antireflet 36 est déposé sur la surface optique 34. La couche poreuse formant ledit revêtement antireflet 36 est déposée au moyen d’un faisceau de dépôt sous incidence oblique, par exemple un faisceau de particules de SiO2. On entend par là que le faisceau de dépôt forme un angle de dépôt non nul avec une normale locale à la surface optique 34. L’angle de dépôt est par exemple supérieur à 45°, et avantageusement sensiblement égal à 80°. L’angle de dépôt est maintenu constant au cours de toute l’étape de dépôt de la couche poreuse. Afin d’obtenir des éléments allongés 40 présentant des formes hélicoïdales, le substrat est soumis à un mouvement de rotation azimutale lente. L’axe de rotation pour une rotation azimutale est sensiblement parallèle à l’axe optique A, et avantageusement confondu avec l’axe optique A. La vitesse de rotation azimutale est par exemple choisie comprise entre 0,05 tour par minute et 0,5 tour par minute, préférentiellement sensiblement égale à 0,125 tour par minute. La vitesse de dépôt de la couche poreuse 42 est par exemple comprise entre 0,1 nanomètre par seconde et 1 nanomètre par seconde, selon la direction de l’axe optique A. Le procédé décrit permet ainsi de fabriquer l’élément optique 30 à haute performance de manière fiable et répétable, et permet de modifier simplement la porosité et la microstructure de la couche poreuse en fonction des résultats désirés. Elément optique (30) comprenant : - un substrat transparent (32), - au moins une couche poreuse (36) s’étendant sur au moins une surface optique (34) du substrat (32), la couche poreuse (36) comprenant une pluralité d’éléments allongés (40) s’étendant depuis la surface optique (34), caractérisé en ce que les éléments allongés (40) présentent des formes hélicoïdales, chaque élément allongé (40) s’étendant le long d’un axe central (H) sensiblement perpendiculaire à la surface optique (34) et présentant un diamètre global (D), mesuré perpendiculairement à l’axe central (H), ledit diamètre global (D) étant inférieur ou égal à 100 nm. Elément optique (30) selon la revendication précédente, dans lequel le diamètre global (D) est inférieur ou égal à 80 nm, préférentiellement inférieur ou égal à 50 nm et encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 30 nm. Elément optique (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque élément allongé (40) comprend une pluralité de spires successives selon la direction de l’axe principal (H), deux spires voisines étant séparées par un pas (P) constant, ledit pas (P) étant supérieur ou égal à 50 nm. Elément optique (30) selon la revendication précédente, dans lequel le pas (P) est supérieur ou égal à 100 nm, préférentiellement supérieur ou égal à 200 nm, plus préférentiellement supérieur ou égal à 400 nm et mieux supérieur ou égal à 600 nm. Elément optique (30) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le pas (P) est inférieur ou égal à 1000 nm. Elément optique (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque élément allongé (40) est formé d’une branche (42) inclinée, enroulée autour de l’axe principal (H) et présentant un diamètre de branche (d), mesuré perpendiculairement à une direction locale d’allongement de la branche (42), ledit diamètre de branche (d) étant inférieur ou égal à 60 nm, notamment inférieur ou égal à 40 nm, et préférentiellement inférieur ou égal à 20 nm. Elément optique (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les éléments allongés (40) sont formés par un matériau à bas indice, comme par exemple SiO2, Al2O3, ou encore MgF2. Dispositif optronique comprenant au moins un élément optique (30) selon l’une des revendications précédentes, disposé(s) le long d’un même axe optique. Dispositif optronique selon la revendication précédente, dans lequel un flux lumineux destiné à traverser l’élément optique (30) comprend un rayonnement présentant au moins une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 550 nm. Procédé de de fabrication d’un élément optique (30) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant des étapes de : - fourniture d’un substrat (32) et mise en place du substrat (32) dans un dispositif de dépôt, et - dépôt de la couche poreuse (36) sur une surface optique (34) du substrat (32), selon une méthode de dépôt sous incidence oblique, dans lequel un angle d’incidence d’un faisceau de dépôt, mesuré par rapport à une normale locale à la surface optique (34), est supérieur ou égal à 45°, et préférentiellement sensiblement égal à 80°, et dans lequel, au cours de l’étape de dépôt de la couche poreuse (36), le substrat (32) est maintenu en rotation azimutale à une vitesse de rotation comprise entre 0,05 tour par minute et 0,5 tour par minute, préférentiellement sensiblement égale à 0,125 tour par minute.