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PROCEDE PERMETTANT DE REDUIRE OU D'ANNULER LA. REFLEXION DE LA LUMIERE.-
La présente invention a trait à un procédé de réduction du pouvoir réfléchissant d'une surface lisse quelconque. Le fait que des surfaces trans- parentes par exemple possèdent le poli spéculaire est un inconvénient dans bien des cas. 0'est ainsi qu'une vitre de fenêtre peut, dans certaines circons- tances, éblouir l'observateur et par conséquent réduire son acuité visuelle, Dans certains cas, dans celui de lentilles ou prismes par exemple, il y a non seulement diminution appréciable de la lumière transmise du fait de la perte par réflexion, mais aussi formation d'images secondaires gênantes.
Il est possible de réduire le pouvoir réfléchissant d'un corps donné en y appliquant un revêtement diffusant; mais ces méthodes employées jusqu'alors ne sont efficaces que sous réserve de consentir à une dispersion
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de la lumière par la surface et sont donc Inapplicables dans les cas où s'im-- posent la transparence et l'absence de dispersion.
La présente invention a pour objet de réduire la réflexion super- ficielle, grâce à des moyens qui accroissent en même temps la transmission de lumière. Comme on le verra par la suite, ce résultat est obtenu en appliquant, sur la pièce transparente, une couche mince ayant des propriétés particulières en ce qui concerne ses dimensions et ses qualités optiques.
L'invention est susceptible de très larges applications et peut avantageusement être utilisée sur un corps quelconque transparent, Indépendam- ment de ses dimensions et de sa nature,
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description sui@ante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels :
La fig,l représente schématiquement les phénomènes d'interférence auxquels donnent naissance des rayons lumineux qui se réfléchissent sur des surfaces multiples;
La Fig. 2 est un graphique où l'on a porté,en fonction de l'indice de réfraction, le pouvoir réflecteur d'une pellicule dont on a revêtu une surface donnée afin d'en réduire la réflexion;
La Fig. 3 est un graphique où l'on a porté le pouvoir réflecteur en fonction de l'épaisseur de la pellicule;
La Fig.4 est un graphique où l'on a porté le pouvoir de transmis- sion en fonction de la longueur d'onde de la lumière;
La Fig.5 représente schématiquement les phénomènes d'interférence produits par des rayons lumineux qui se réfléchissent sur un certain nombre de lames transparentes superposées;
Les Fig. 6 et 7 représentent un instrument de mesure dans lequel on a appliqué l'invention;
La Fig.8 représente un système de lentilles où l'on a appliqué l'invention.
Avant de décrire l'invention en détail, on rappellera brièvement certaines considérations théoriques, On sait que la surface de séparation de deux milieux transparents d'indices de réfraction différents réfléchit une certaine quantité de lumière. Si ces deux milieux continus ont les Indices de réfraction respectifs !il et n2 et si leur surface de séparation est éclairée
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sous l'incidence normale, la quantité de lumière réfléchie est la fraction n1-n2/n1+n2 de la quantité de lumière incidente.
Pour une lame de verre dont 1+n2 l'indice est de l'ordre de 1,52, l'intensité de la lumière réfléchie (carré de l'amplitude) par chacune des faces, est sensiblement égale à 4,25 % de l'intensité de la lumière incidente; la réflexion est donc de 8,5 % environ., Dans un système de lentilles, la quantité de lumière réfléchie est importante et constitue une perte appréciable. Dans le cas d'une fenêtre, la lumière réfléchie provoque un certain ébbuissement et d'autres effets gênants et réduit ainsi la visibilité des objets qui sont de l'autre côté de la dite fenêtre,
Conformément à la présente invention, on peut pallier ces incon- vénients en appliquant, à la surface du corps transparent, un revêtement ayant certaines propriétés physiques particulières.
Il est tout d'abord nécessaire que l'indice de réfraction du revêtement soit dans un certain rapport avec celui du corps transparent et avec celui du milieu dans lequel ce corps trans- parent est situé. En second lieu, l'épaisseur du revêtement doit être dans un certain rapport déterminé avec la longueur d'onde de la lumière incidente.
La fig.l permet de comprendre les principes à la base de l'inven- tion on y voit en coupe un corps transparent 10 à indice de réfraction n3, recouvert d'une couche 11 d'une matière transparente dont l'indice de réfrac- tion est n2. Cette couche 11 est en contact avec un troisième milieu 12, l'air .par exemple, dont l'indice de réfraction sera désigné par ni. On supposera que l'épaisseur de la couche 11 est de l'ordre d'un quart d'onde de la lumière in- cidente et que son indice de réfraction est compris entre celui du milieu 12 et.celui du milieu 10.
Dans ces conditions, un rayon lumineux a arrivant sous une inci- dence sensiblement normale, est réfléchi suivant a', ladquantité de lumière réfléchie étant une fractionn-, n1-n2/n1+n2 de la lumière incidente. De même, un n1+n2 autre rayon b , qui a traversé la couche 11 et atteint la surface séparant la dite couche du milieu 10, se réfléchit suivant b' , la quantité de lumière re- fléchie étant la fraction n2-n3 de la lumière incidente apportée par le n2+n3 rayon B.
Du fait que le trajet bb', qui est d'une demi-longueur d'onde plus long (si l'épaisseur de la couche 11 est un quart d'onde) ce rayon arrive au point X avec un déphasage de 180 par rapport au rayon a', En conséquence, il se produit une interférence et l'amplitude de a' qui quitte la surface de sé- @
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-paration de la couche 11, en X est diminuée de la quantité b". D'autre part, la quantité de lumière contenue dans le rayon a' est réduite du fait des ré- flexions multiples d'autres rayons analogues à b à l'intérieur de la couche 11, rayons qui sortent également au point X.
On constate que la quantité de lumiè- re réfléchie résultante est nulle quand l'indice de réfraction n2 de la couche 11 est la moyenne géométrique des indices nl du milieu 12 et n3 du milieu 10.
De plus, comme la couche et le milieu transparent n'absorbent pas de lumière par hypothèse, toute la lumière, sauf celle qui quitte la face supérieure de la couche 11, doit être transmise à travers la dite couche et le corps 10. On conçoit par conséquent que la présence de la couche 11 diminue simultanément la réflexion et accroit la transmission en ce qui concerne le corps 10.
Tout ce qui précède sera mieux compris en se référant à l'exemple particulier dans lequel le corps 10 est du verre et le milieu 12 de l'air. Si l'indice de réfraction du verre est 1,52 ,celui de la couche doit être 1,233 environ pour obtenir les meilleurs résultats à l'indidence normale.
Les phénomènes indiqués ci-dessus se manifestent, bien qu'à des degrés variables, pour une valeur quelconque de l'indice de réfraction de la couche 11, comprise entre celui du corps 10 et celui du milieu 12. La fig.2 représente la nature de ces variations de la quantité de lumière réfléchie R en % par une surface de verre en fonction de l'indice n2 de réfraction du revêtements Elle ae réfère au cas où l'épaisseur du revêtement est égale à un quart d'onde de la lumière incidente.
On voit que l'utilisation d'une couche du type spécifié ayant une valeur intermédiaire d'indice de réfraction, améliore considérablement la transmission de la lumière.
Du point de vue de la réduction d'éblouissement, les propriétés de l'oeil humain sont telles que seules de grandes variationshont une signifi- cation pratique. C'est ainsi que la région de la courbe située au-dessous de la ligne yy est la plus importante. A l'intérieur de toute cette région, l'in- dice de réfraction de la couche 10 peut être considéré comme approximativement égal à la moyenne géométrique de l'indice de l'air et de l'indice du verre.
Pour une certaine valeur donnée de l'indice de réfraction n2, l'épaisseur de la couche 11 peut également varier considérablement sans que diminue l'effet utile de suppression de la réflexion. Les résultats de telles variations de l'épaisseur sont représentés sur la fig.3 où l'on voit que l'in-
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-tensité R de la lumière réfléchie est fonction de "l'épaisseur optique" de la couche, c'est-à-dire de l'épaisseur réelle multipliée par l'indice de réfrac- tion et mesurée sur cette figure en multiples de quarts d'onde.
On voit que la réflexion de la lumière passe par un minimum quand l'épaisseur optique de la couche correspond à un quart d'onde de la lumière in- cidente; elle présente un maximum quand l'épaisseur est nulle et aussi quand elle correspond à deux quarts d'onde. Si l'épaisseur augmente encore, on cons- tate des nouveaux maxima et minima pour des multiples impairs et pairs de quarts d'onde. Il est toutefois préférable d'utiliser une pellicule d'un quart d'onde plutôt qu'un multiple impair de quarts d'onde pour les raisons indiquées par la suite.
Dans cet ordre d'idées, il est rappelé que le spectre visible comporte diverses longueurs d'ondes s'échelonnant entre 4.000 et 7.000 Angstrom.
On comprend donc que l'épaisseur d'un "quart d'onde" qui correspond à une cer- taine radiation composante de la lumière visible ne convient pas aux autres composantes. biais pratiquement, cette considération n'est pas de grande impor- tance lorsque l'épaisseur de la couche Il est choisie de manière à correspon dre à un quart d'onde d'une radiation du spectre visible située au milieu de ce dernier. Dans beaucoup d'applications, cette longueur d'onde moyenne doit être de préférence celle pour laquelle la sensibilité de l'oeil est maxima, c'est-à-dire de 5.500 Angstrom environ. Pour certaines autres applications, en photographie par exemple, il peut être indiqué de choisir une autre épais- seur, mieux.appropriée à la sensibilité de l'émulsion par exemple.
Dans les systèmes où il s'agit de transmettre des radiations invisibles, telles que l'ultra-violet, l'épaisseur de la couche à appliquer au milieu de transmission, au quartz par exemple, peut être déterminée par la longueur d'onde de la ra- diation particulière en question.
Lorsque l'épaisseur de la couche 11 est choisie conformément à l'Intention de façon à correspondre optiquement à un quart d'onde de la radia- tion choisie, la réflexion des rayons normaux peut être rendue nulle pour un système à une seule surface et pratiquement nulle pour un système à plusieurs surfaces traversées par la lumière, De plus, la réflexion des autres longueurs d'onde peut être très faible : c'est ce que montre la courbe A de la fig.4 qui représente la transmission de lumière en % en fonction de la longueur d'onde, dans le cas d'une pièce de verre dont les deux surfaces sont revêtues d'une couche non absorbante, l'épaisseur optique du revêtement étant d'environ
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1375 Angstroms (c'est-à-dire sensiblement le quart de 5.500) pour un indice de réfraction d'environ 1,22.
La courbe B représente, à titre de comparaison, la transmission d'un verre non revêtu.
On voit que, pour le verre revêtu, la perte due à la réflexion est très faible au milieu de la courbe et augmente légèrement aux extrémités du spectre visible. On conçoit également que la réflexion des grandes et des courtes longueurs d'ondes est relativement de faible importance par suite de la diminution de la sensibilité de l'oeil pour ces régions du spectre.
Si l'épaisseur de la couche 11-est portée à trois quarts d'onde ou à un autre multiple impair de /4 la suppression de la réflexion est pratiquement inchangée, mais la réflexion des autres longueurs d'onde est considérablement accrue. Pour cette raison, il est préférable, comme indiqué ci-dessus, de choisir une épaisseur égale à un seul quart d'onde.
Ce qui a été dit précédemment s'applique théoriquement à l'inci- dence normale, mais il en est sensiblement ainsi pour des angles d'incidence supérieurs à 45 environ. Si on désire supprimer la réflexion de la lumière sous un angle d'incidence quelconque, il suffit de choisir judicieusement, pour la direction d'incidence donnée, l'épaisseur et l'indice de réfraction de la couche de revêtement suivant les moyens de la présente invention et en tenant compte des règles bien connues de l'optique. Il n'est pas indispensable que le revêtement qui supprime la réflexion soit constitué par une seule cou- ohe ou une seule matière.
C'est ainsi que, dans la fig.5, on a représenté un système optique dans lequel un corps transparent 20 est revêtu de deux couches non absorbantes 21 et 22, la couche externe se trouvant en contact avec le milieu 23 qui baigne le corps transparent, en l'espèce l'air. On supposera que l'épaisseur optique de la couche 21 est d'un quart d'onde et celle de la couche 22 d'une demi-longueur d'onde de la même ,radiation, On a indiqué à titre d'exemple les valeurs particulières des indices de réfraction des di- verses matières représentées sur le desain : ce sont celles qui conviendraient au corps transparent 20 dont l'indice de réfraction serait 1,52.
Dans le système représenté, un rayon Incident a est susceptible de se réfléchir suivant a' , l'intensité de la lumière réfléchie étant liée aux indices de réfraction n1 et n2. On sait que l'onde réfléchie qui corres- pond au rayon a' est déphasée de 180* (car on se trouve dans le cas particu- lier où la lumière incidente passe d'un milieu moins réfringent dans un mi- lieu plus réfringent). Un autre rayon b, après avoir pénétré dans la couche 22
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se réfléchit suivant b à la surface limitant les deux couches 21 et 22 et revient vers la face supérieure de la couche 22 suivant un chemin optique qui diffère d'une longueur d'onde de celui qu'a suivi le rayon aa'.
En conséquence du fait du déphasage de 180 du rayon a', il y a Interférence entre l'onde correspondant à ce rayon et celle correspondant à b' issu de la face supé- rieure de la couche 22.
De même, un rayon qui atteint la couche supérieure du corps 20, se réfléchit suivant c' et une partie de ce dernier atteint la surface de la couche 22 en un point correspondant à l'impact du rayon,±! . Comme le rayon cc' parcourt en totalité un chemin dont la longueur optique équivaut à une longueur d'onde et demie et, comme le rayon ce'est déphasé de 180 du fait de sa ré- flexion sur la surface du corps 20, il arrive à la surface supérieure du corps 22 dans une phase telle qu'il interfère avec le rayon a'. Il en résulte que la totalité de la lumière réfléchie qui quitte la surface du corps 22,.est égale à la différence entre l'amplitude de l'onde correspondant au rayon a' et les amplitudes additionnelles des ondes correspondant aux rayons b' et c' issus de la dite surface.
En choisissant correctement les indices de réfraction des couches 21 et 22, on peut rendre cette différence égale à zéro pour une cer- taine longueur d'onde, Ce résultat est pratiquement atteint dans l'exempte représenté fig.5.
D'après ce qui a été dit précédemment, il résulte que la condition à remplir pour supprimer totalement la réflexion par la surface d'un corps constitué par plusieurs couches, est que la somme vectorielle des composantes réfléchies par les surfaces de différentes couches, soit au point d'émergence égale à zéro, En tenant compte des principes exposés ci-dessus, on peut évi- demment trouver de nombreuses combinaisons pour remplir cette condition totale- ment ou partiellement.
Il autre aspect important de l'invention a trait à la constitution et à la fixation de revêtements appropriés rapportés ou formés sur des corps transparents et offrant des indices de réfraction de l'ordre de celui du verre.
Comme indiqué précédemment, de telles substances doivent avoir un Indice de réfraction compris entre celui de l'air et celui du verre et de préférence entre 1,2 et 1,3. Cette substance doit aussi être telle qu'elle n'aboBbe ni ne diffuse une quantité appréciable de lumière.
La meilleure valeur de l'indice de réfraction d'une matière ap- pliquée sur du verre ordinaire d'indice de réfraction voisin de 1,52 est
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sensiblement inférieure à celle qui caractérise les substances solides connues.
Il est important de noter qu'un indice de réfraction compris dans la gamme voulue peut être obtenu en créant par exemple une pellicule par le procédé décrit dans le brevet belge N 428.558 du 11 Juin 1938* Les pellicules de ce genre sont caractérisées par la présence dans leur structure d'un grand nombre de parties vides dont les dimensions sont de l'ordre de la molécule.
Une méthode de préparation de ces pellicules est décrite dans le brevet précité et on rappellera qu'elle consiste tout d'abord à former une pellicule solide constituée par deux ou plusieurs constituants dont on élimine une partie par dissolution par exemple, ce qui laisse subsister une structure moléculaire discontinue, analogue à celle d'un réseau cristallin.
Pour obtenir une pellicule de dimensions faciles à déterminer d'une faqon précise et d'épaisseur uniforme, on peut employer par exemple la méthode décrite dans le brevet sus-mentionné et qui consiste à former, sur la surface d'un corps servant de support, une pellicule constituée par plusieurs couches monomoléoulaires successivement déposées à partir d'une surface de support liquide sur laquelle ses couches ont été préalablement formées,
A titre d'exemple, on citera l'arachidate de cadmium, On peut former une couche monomoléculaire de ce corps en répartissant de l'acide ara- chidique sur la surface d'eau comportant en solution un sel de cadmium, Le corps sur lequel on veut appliquer le revêtement est successivement trempé et retiré de la solution précédente,
de telle sorte qu'au cours de chaque opéra- tion s'ajoute une nouvelle couche monomoléculaire. On peut ainsi constituer une pellicule d'épaisseur voulue et, dans le cas particulier de l'arachidate de cadmium, il est indiqué de déposer ainsi environ 40 couches,
La pellicule d'arachidate de cadmium est ensuite soumise à l'action d'un solvant. Par exemple une pellicule d'arachidate de cadmium, formée sur la surface d'une solution d'un sel de cadmium de concentration molaire de 10-4 et de pH égal à 5,7, contient environ 50 % d'arachidate de cadmium et 50 % d'acide arachidique. Quand une pellicule de ce genre est plongée pendant 1 à 5 minutes dans un solvant tel que l'alcool ou l'acétone, la constitution de cette pellicule est considérablement modifiée.
Ceci est dû à la dissolution de l'acide arachidique, l'araczidate de cadmium subsistant comme trame avec des vides correspondant aux régions occupées par l'acide araehidique, La Société demanderesse a constaté qu'une pellinule ainsi trai- tée a un indice de réfraction d'environ 1,25 qui est voisin de la moyenne
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géométrique de 1*indice de réfraction de l'air et de celui du verre, L'épais- seur est très uniforme, l'absorption et la dispersion de la lumière étant né- gligeables,
L'arackidate de calcium qui n'a été indique qu'à titre d'exemple peut évidemment être remplacé par un grand nombre d'autres substances :
c'est ainsi par exemple que la Demanderesse a utilisé le palmitate de baryum , le stéarate de calcium, l'araohidate de plomb ou autres saponifications d'acides gras*. Dans chaque cas, le nombre des couches monomoléculaires dépend des ca- ractéristiques de la substance choisie. Comme exemple d'une matière différente, on peat citer le silicate dtéthyle qui, hydraté et polymérisé par mélange avec l'eau et laissé pendant 1%temps dans cet état peut être réparti sur une cou- che d'eau et ensuite appliqué à la surface à traiter. On peut obtenir des cou- chas d'épaisseur uniforme par immersion et émersion successives et de manière aussi régulière que possible.
Pour transformer ce revêtement en une structure à trame discon- tinue, on peut le chauffer à environ 500 , ce qui élimine l'eau et les carburer il ne reste alors qu'une structure moléculaire poreuse dont les proprités sont gouvernées par les proportions et le degré de polymérisation de la solution initiale, les dites propriétés pouvant d'ailleurs être modifiées dans des li- mites relativement larges. Comme l'Indice de réfraction de cette pellicule tend à augmenter du fait de l'humidité de l'air, il convient de donner primi- tivement à la pellicule un indice de réfraction un peu Inférieur, Qn peut stabiliser les propriétés réfringentes de cette pellicule en appliquant, sur sa surface externe, une couche très mince monomoléculaire par exemple de verre ou d'une autre substance suspeptible de boucher les pores de la pellicule.
Les pellicules ainsi constituées possèdent une résistance appré- ciable à l'abrasion, Elles sont particulièrement utiles quand on désire ré- duire le pouvoir réfléchissant de certains verres à indice de réfraction élevé, tels que le crown et le flint, souvent employés dans les Instruments d'optique.
Il est à noter que les exemples ci-dessus, relatifs à la oonsti- tution et à la formation des pellicules minces, ne sont nullement limitatifs.
On peut égalements les former par toute voie électrolytique, mécanique, chi- mique ou autre procurant des dépôts d'épaisseur, d'indice et de transparence appropriés.
Sur les fige 6 et 7, on a représenté à titre d'exemple une appli- cation de l'invention à un appareil de mesure (ampèremètre ou voltmètre par
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exemple) comportant une enveloppe 30, un cadran 31 et une aiguille 32. Pour protéger l'aiguille et le cadran, on les recouvre d'une fenêtre transparente 33.
L'opérateur est souvent gêné par l'éblouissement dû à la réflexion sur la glace 33. Cette difficulté peut être palliée, grâce à l'invention, en appliquanty en 34 et 35, sur les faces externe et interne de la glace, un re- vêtement du genre de ceux décrits précédemment; leur épaisseur est considéra- blement exagérée sur le dessin.
Comme le montre la fig.6, la partie de droite non revêtue donne l'impression de n'être que partiellement transparente, en particulier si l'appareil est fortement éclairé. La partie revêtue est au contraire absolument claire et ne crée aucun éblouissement.
L'invention peut évidemment être appliquée aux cadrans de montres, aux glaces de cadres, aux pare-brise, aux lentilles, aux vitrines, aux devan- tures, etc...
Sur la Fig.8, on a représenté l'application de l'invention aux dispositifs tels que les objectifs photographiques dans lesquels elle permet non seulement d'améliorer le rendement lumineux, mais aussi, ce qui est parti- culièrement important, de faire disparaître les images parasites gênantes. Sur cette figure, on voit un objectif qui comporte par exemple une lentille plan- convexe 40, une lentille bi-concave 41, ainsi qu'un système achromatique 42-43.
Ces lentilles sont constituées par des verres d'indices de réfraction diffé- rents dans le but de supprimer l'aberration chromatique. L'obturateur est représenté en 44 et le diaphragme en 45.
On voit que dans l'exemple représenté, le système optique compor- te six surfaces séparant le verre de l'air sur lesquelles peuvent se produire des réflexions. En supposant qu'une perte de lumière d'environ 4 % se produise par réflexion sur chacune de ses faces, la perte totale peut être d'un ordre de grandeur gênant. De plus, la présence d'un grand nombre de surfaces courbes entraine la production d'images parasites qui affectent la qualité de l'image obtenue.
Conformément à l'invention, on peut recouvrir ces lentilles d'un revêtement approprié qui peut être constitué par exemple par une pellicule d'araohidate de cadmium ou de substances équivalentes ayant des épaisseurs et des indices de réfraction appropriés. Du fait de l'indice élevé du orown et du flint, l'indice de réfraction de la couche de revêtement doit être d'envi- renn
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-ron 1,3 ou un peu moindre,
On notera que les lentilles 42 et 43 sont représentées collées l'une à l'autre; elles doivent par conséquent être taillées soigneusement et réunies par une colle appropriée, ce qui accroît considérablement leur prix de revient.
Ce sont ces difficultés que permet de pallier la présente invention puisque le revêtement des lentilles, à la manière sus-indiquée, supprime pra- tiquement les Inconvénients engendrés par les phénomènes optiques qui se pro- duisent sur les surfaces limitant deux milieux. Les deux lentilles peuvent donc avoir des courbures différentes et être espacées de la quantité voulue, c'est-à-dire réalisées dans les conditions optima au point de vue optique.
L'invention s'applique évidemment aux lentilles des télescopes, des jumelles, des microscopes, des speotographes et tous autres instruments de laboratoire. On voit donc que l'invention apporte des perfectionnements appréciables dans la construction des appareils d'optique de toute nature; elle est également applicable aux miroirs constitués par une surface de verre re- vêtue d'une couche de métal.
Les images secondaires peuvent être éliminées en appliquant le revêtement sur la face avant,
On peut également, en déposant les couches appropriées sur le dos de plaques ou de films photographiques, en améliorer les propriétés "anti-halo" et améliorer d'une manière analogue les images de films gaufrés,,
L'invention s'applique, bien entendu, non seulement au verre, mais aussi à toute substance transparente telle que les celluloses, les ma- tières plastiques synthétiques tels que le métaorylate de méthyle et les subs- tances minérales comme le quartz. On conçoit que l'invention s'applique en outre au domaine des radiations invisibles.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisa- tion de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces for- mes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractè- re restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.