Procédé de traitement d'un objet transparent en vue de réduire la quantité de lumière réfléchie par une surface au moins de cet objet, et objet transparent traité suivant ce procédé. La présente invention comprend un pro cédé de traitement d'un objet transparent en vue de réduire la quantité de lumière réflé chie par une surface au moins de cet objet.
Ce procédé est applicable à. toutes sortes de matières transparentes: minérales, telles que le verre, le quartz ou le mica, ou orga niques comme les feuilles de cellulose trans parente, le celluloïd, les résines artificielles ou autres matières plastiques.
Appliqué à des éléments optiques tels que des lentilles ou prismes pour longues- vues, jumelles à prismes, télescopes, micros copes, appareils photographiques, appareils de visée pour le lancement des bombes, péris copes et analogues, le procédé procure une amélioration de ces instruments d'optique, en les rendant éminemment propres à servir la nuit ou quand l'objet à observer est mal\ éclairé. Avec des éléments optiques traités sui vant le procédé que comprend l'invention, on peut réaliser des systèmes optiques com plexes dans lesquels il ne se produit pas d'images parasites.
Le procédé que comprend l'invention est également applicable avec avantage aux vi trages, verres à vitres, vitrages de cadres pour tableaux, gravures et analogues, glaces d'étalage ou de vitrines et analogues. Il sup prime dans ce cas les reflets gênants.
Des essais ont été faits antérieurement pour essayer de réduire la réflexion de la lu mière visible sur le verre. On a, en particu lier, proposé de déposer sur le verre une pel licule de stéarate de baryum. Cette pellicule était obtenue par immersion du verre dans de l'eau contenant des sels de baryum et re couverte d'une couche mince d'acide stéari que. La pellicule ainsi déposée à la surface du verre avait un indice de réfraction beau coup trop élevé et cet indice était réduit en dissolvant l'acide stéarique avec de la ben zine. On obtenait ainsi une pellicule capable de diminuer le pouvoir réfléchissant du verre, mais cette pellicule était poreuse et beaucoup trop fragile pour être d'un emploi pratique.
Des essais ont étalement été faits sur des pellicules de fluorure de calcium déposées sur du verre par évaporation dans le vide, mais ces revêtements permettaient seulement de diminuer le pouvoir réfléchissant de la surface du verre d'environ 4 à 3%, car le dépôt n'était pas contrôlé de manière à don ner aux pellicules les épaisseurs appropriées.
Le procédé de traitement que comprend l'invention est caractérisé en ce qu'on re couvre la surface dont on veut réduire la quantité de lumière réfléchie par -nue pelli cule transparente dont l'épaisseur optique (produit de l'indice de réfraction par l'épais seur géométrique) est sensiblement égale à un multiple entier et impair du quart de la; longueur d'onde de la lumière dont on veut éviter la réflexion, ce multiple n'étant toute fois pas plus grand que 9. En particulier, l'épaisseur optique de la pellicule peut être égale au quart de la longueur d'onde de la lumière considérée.
La pellicule est avantageusement consti tuée par une substance transparente. solide, et a un indice de réfraction intermédiaire entre les indices de réfraction de la matière sur laquelle elle est déposée et de l'air. En particulier, l'indice de réfraction de la pelli cule peut être sensiblement égal à la racine carrée de l'indice de la matière sur laquelle cette pellicule est déposée.
Les substances utilisées pour l'obtention de ces pellicules à la, surface des objets trans parents traités sont de préférence des sub stances solides, non métalliques, non opaques, capables d'être appliquées sur lesdites ma tières en couches minces, par exemple par évaporation. Ces substances peuvent être, par exemple: des fluorures métalliques, tels que fluorures de lithium, de magnésium, de cal- cium, de sodium, fluorure double de sodium et d'aluminium (cryolithe) ou des fluosili- cates (fluosilicate de potassium). Il est étalement possible d'utiliser un mélange de telles matières.
On peut appliquer sur la pellicule une couche transparente servant à protéger ladite pellicule. On peut. aussi, avant le dépôt de la pellicule, appliquer sur l'objet traité une couche servant ù, augmenter l'adhérence de cette pellicule.
De telles pellicules anti-réfléchissantes possèdent à la, fois les caractéristiques opti ques convenables et la solidité indispensable dans la pratique.
Le dessin annexé. donné à. titre d'exem ple, est destiné. à faciliter l'explication de la présente invention.
La fit. 1. est un graphique donnant, en fonction des longueurs d'onde, le pouvoir ré fléchissant (en % de la lumière incidente) d'une surface recouverte d'une pellicule ayant une épaisseur optique de 1250 Â.
La fi-. ? est aussi un graphique mon trant la. relation entre l'indice de réfraction d'une pellicule d'épaisseur optique À et le pouvoir réfléchissant minimum (en 7; de la lumière incidente) d'une surface de verre d'indice 1,52 revêtue de cette pellicule.
La fi-,. 3 est un autre graphique mon trant comment varie l'indice de réfraction d'une pellicule en fonction de la densité de cette pellicule (en unités arbitraires).
La, fi-. 4 est une coupe transversale agrandie d'un objet traité suivant le procédé que comprend l'invention et portant une pel licule anti-réfléchissante.
La fit. 5 montre comment s'additionnent géométriquement les amplitudes des ondes lumineuses réfléchies respectivement par la surface de l'objet et par la surface de la pel licule anti-réfléchissante.
La fig. 6 est un graphique montrant, en fonction des longueur, d'oncle de la lumière, les réflexions lumineuses respectives (en % de la lumière incidente) d'un élément opti que non traité et d'un élément optique por- tant une pellicule dont l'épaisseur optique est fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente (1250 On sait, depuis Fresnel, que, lorsque la lumière passe de l'air dans une matière transparente d'indice de réfraction n, ou in versement, une fraction de la lumière inci dente est réfléchie par la surface. Cette
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fraction de lumière réfléchie s'élève ordinairement à 4 % ou plus de la lumière incidente par surface.
Elle crée dans beau coup de cas des images parasites, qui sont gênantes dans un système optique, et elle représente toujours une quantité de lumière qui, autrement, serait transmise. Si l'on dé pose une pellicule sur une matière, il y a ré flexion à la surface séparant l'air de la pel licule et à la surface de contact entre la pel licule et la matière.
Suivant une forme d'exécution particu lière du procédé que comprend l'invention, on dépose à la surface de la matière trans parente une pellicule ayant une' épaisseur optique égale au quart de la longueur d'onde d'une certaine lumière monochromatique et un indice de réfraction égal à la racine carrée de celui de la matière, de telle sorte que la lumière réfléchie sur la surface extérieure, d'une part, et celle réfléchie sur la surface de contact, d'autre part, sont déphasées d'une demi-période et s'annulent complètement l'une l'autre.
Ainsi, si une pellicule déposée sur du verre a un indice de réfraction égal à la ra cine carrée de 1,52 (indice de réfraction du verre ordinaire) et une épaisseur optique de 1250 A, la réflexion de la lumière mono chromatique ayant une longueur d'onde de 5000 A sera supprimée. La réflexion est éga lement éliminée en pratique pour tout le spectre visible. Ce résultat ressort de la fi-. 1, dans laquelle on a négligé les ré flexions internes, pour plus de simplicité.
La fié'. 1 montre aussi qu'une pellicule ayant l'indice de réfraction indiqué et une épais seur optique de
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X 5000 R (où x égale un nombre entier impair quelconque) annule également la réflexion d'une lumière mono chromatique ayant une longueur d'onde de 5000 Â. Mais la région dans laquelle la ré flexion est pratiquement éliminée diminue lorsque x augmente. L'élimination presque complète de- la réflexion de la lumière blan che est atteinte lorsque x est égal à 1.
La substance devant constituer la pelli cule peut être appliquée à la surface à trai ter, en évaporant la substance couvrante dans le voisinage de cette surface, en atmosphère raréfiée, de la manière bien connue pour l'argenture des miroirs et analogues.
Dans une telle mise en. oeuvre du procédé, l'objet à traiter et une certaine quantité de la substance solide couvrante sont alors pla cés à une distance convenable l'un de l'autre, dans une chambre où l'on crée et maintient un vide déterminé. La substance solide de vant constituer la pellicule est chauffée à la température nécessaire pour provoquer sa vaporisation, par exemple au moyen d'un élé ment de chauffage électrique, logé également dans la chambre et connecté à une source de courant électrique. On peut utiliser une spi rale de fil résistant formant une sorte de panier, dans le double but de supporter la substance et de la chauffer électriquement jusqu'à son point de vaporisation.
La substance ainsi vaporisée passe à tra vers l'atmosphère raréfiée de la chambre et se condense en couche ou pellicule adhérente, sur la surface de l'objet qui est en regard de la source de vapeurs.
L'épaisseur optique de la couche déposée de la manière précédemment décrite est d'une importance primordiale. Elle peut être réglée par un ou plusieurs des moyens suivants: a) réglage de la température des éléments de chauffage; b) réglage de la. durée de l'opération de vaporisation; c) réglage de la distance entre l'élément de chauffage et la surface à traiter. L'épaisseur optique de là pellicule ainsi déposée est contrôlée pendant que cette pelli cule est en train de se déposer sur l'objet de verre ou autre, en observant les changements de couleur caractéristiques qui se produisent lorsque la lumière blanche frappe une sur face servant de témoin, comme il sera. expli qué ci-après.
La fig. 1 montre les lois qui interviennent alors.
La surface-témoin est placée à une dis tance appropriée de la source de vapeurs pour que l'épaisseur de la couche déposée sur elle soit plus forte que celle de la pel licule déposée sur la. surface à traiter. Il en résulte une réflexion colorée maximum, facile à discerner, de la lumière blanche frappant la surface témoin. Dans le cas oit l'évapora tion est effectuée dans le vide poussé, la. dis tance relative du témoin peut être calculée en utilisant la loi des carrés inverses. Si l'éva poration est au contraire effectuée en pré sence d'une légère pression de gaz, la, dis tance du témoin peut être déterminée empiri- quement.
L'annula.tion de la réflexion par une pel licule d'épaisseur appropriée n'est: atteinte que lorsque son indice de réfraction est la moyenne géométrique des indices de réfrac tion de l'objet en cours de traitement et de l'air ou autre gaz contigu. Cependant, la ré flexion est suffisamment réduite, pour beau coup d'usages, lorsque la, pellicule a un in dice de réfraction quelque peu plus grand. C'est ce que montre la fi-. ?, dans le cas du verre ordinaire, ayant un indice de réfrac tion de 1,52.
L'indice de réfraction du fluorure de so dium cristallin massif est 1,33. Une pelli cule ayant cet indice donnerait, dans le cas où l'air est le milieu le plus léger. une ré flexion nulle pour un verre d'indice<B>138.</B> Pour le verre ordinaire, il z- aurait. une ré flexion de<B>0.5%.</B> En réalité, les pellicules obtenues par évaporation peuvent avoir un indice plus petit que celui de la matière mas sive dont elles sont faites et cet indice peut être réglé par les facteurs suivants; 1o La nature de la surface traitée (sa composition, sa structure, son poli et sa pro preté).
?n La vitesse des particules évaporées, -tu moment où elles frappent la surface trai tée.
30 La nature du on (les gaz présents pendant l'évaporation, ainsi que leur pres sion.
4e Les dimensions internes de la chambre d'évaporation.
50 La vitesse de l'évaporation et le fait qu'elle est continue ou intermittente.
6ç) La température (le l'objet traité.
L n abaissement de la densité d'une ma tière est toujours accompagné d'une diminu tion de son indice de réfraction. Ainsi qu'il ressort de l'équation de Lorentz-Lorenz ou de l'équation (le Clansius et Mosotti, la. den sité est proportionnelle à ()i\ - 1)/(r12 -;- \?). La, fi-. 3 montre comment l'indice de réfrac tion d'une matière dépend (le sa densité. On sait que, d'autre part, la résistance mécanique d'une matière dépend de sa structure et de sa densité.
Il est donc évident qu'une trop grande diminution de la, densité conduit à une pellicule mécaniquement fragile. En con sidérant les données des fig. 3 et 3, on voit qu'il est donc préférable de choisir une ma tière de revêtement (lui a déjà un faible in dice de réfraction à. l'état massif, et de ré duire ensuite sa densité aussi peu que pos sible. afin de conserver sa. dureté.
Voici un exemple de mise en ceuvre du procédé que comprend hinvention, sur un élé ment optique (les plus simples.
La glace d'un cliîi.ssis coulissant. de lan terne de projection ayant un indice de réfrac tion (le 1,52, fut; soigneusement nettoyée et polie sur ses deux faces. Elle fut examinée avec un spectrophotomètre (le Hardy, sen sible à 0.17, prés. Elle donnait une réflexion de 7,5/'xo pour la lumière verte ayant une longueur d'onde de 5400 Â. La glace fut en suite placée dans une chambre d'évapora tion telle que celle (lui est décrite ci-dessus.
La pression de l'air dans cet appareil fut ré duite à. 11f-3 min de mercure, et l'on évapora du fluorure de lithium sur un côté de la plaque jusqu'à, ce que cette surface prit une coloration faiblement pourprée, par réflexion à la lumière du jour. Cette opération de manda environ une minute. La plaque fut ensuite retournée pour exposer son autre côté aux vapeurs de fluorure de lithium et l'on appliqua de ce côté de la plaque une autre couche de fluorure de lithium dans les mêmes conditions que la première.
La plaque, ainsi revêtue des deux côtés, fut examinée de nouveau, et l'on trouva que sa réflectivité avait été réduite à 0,4% par<B>le</B> traitement de revêtement, ce qui représente une réduction d'un peu plus de 94 % de la réflectivité. La transmission de la lumière à travers la pla que traitée fut trouvée augmentée, par le traitement de revêtement, d'une quantité égale à la diminution de la lumière réfléchie, c'est-à-dire portée à 99,6 %, l'absorption étant négligeable.
Le procédé que comprend l'invention est également prévu pour le revêtement de quartz, de mica et de nombreux types de verres, ainsi que de compositions plastiques telles que la cellulose et matières similaires et, d'une façon générale, le procédé s'appli que au revêtement de toutes les surfaces ré fléchissantes non métalliques.
Les substances de revêtement, autres que le fluorure de lithium, qui peuvent être uti lisées pour la mise en #uvre du procédé sont le fluorure de magnésium, le fluorure de calcium, le fluorure de sodium, le fluorure de sodium et aluminium (cryolite), les fluo- silicates (fluosilieate de potassium). On peut également utiliser toutes substances solides non opaques qui sont susceptibles d'être éva porées et d'être appliquées sur un support en une couche pratiquement assez mince pour réduire la réflexion de la surface dudit sup port, conformément aux indications ci-dessus.
La fig. 4 montre une vue en coupe trans versale très agrandie d'une couche de sub stance non métallique, ayant un indice de réfraction<B>NI,</B> supportée par une base en substance non métallique, ayant un indice de réfraction No.
L1 est un vecteur représentant un rayon de lumière monochromatique frappant nor malement la surface 13-14, A, est un vec- teur représentant l'amplitude de l'onde théo riquement réfléchie dans l'air, par la surface du revêtement, et Aol est un vecteur représen tant l'amplitude de l'onde théoriquement ré fléchie par la surface de contact entre la base et la couche de revêtement. Les quantités A,.. et Ao,. étant des vecteurs, pour obtenir l'amplitude de l'onde réfléchie, résultant de l'interférence de A1 et de Aol, on doit addi tionner géométriquement ces grandeurs.
L -a fig. 5 montre une telle addition, lorsque les vecteurs sont réunis. L'angle 0 est donné par l'expression:
EMI0005.0024
dans laquelle: d est l'épaisseur géométrique de la couche de revêtement, <B><I>NI</I></B> son indice de réfraction, N,d son épaisseur optique, et d la longueur d'onde de la lumière inci dente.
L'amplitude minimum de l'onde réfléchie résultante se présente lorsque les vecteurs sont dirigés en sens contraire, c'est-à-dire lorsque 0 est égale à 180 , auquel cas:
EMI0005.0027
Dans la série ci-dessus, X est un nombre entier impair positif quelconque. On cons tate que les couches de revêtement ayant une épaisseur optique supérieure au 9 de la longueur d'onde de la lumière incidente donnent un champ d'interférence trop étroit pour avoir un intérêt pratique.
Il ressort de la fig. 5 que les conditions à réaliser pour annuler la réflexion ou pro duire l'interférence complète sont réalisées lorsque Al et Aol, étant décalés de 180 , sont égaux en valeur absolue:
EMI0005.0031
En égalant A, et Aol, on obtient l'expres sion:
EMI0006.0001
d'où l'on tire: N,.2=- No.
On voit donc que pour éliminer complète ment la réflexion de l'objet revêtu, par inter férence entre l'onde lumineuse réfléchie par la surface air-revêtement et l'onde lumineuse réfléchie par la surface de contact revête ment-base, deux conditions doivent être rem plies, â savoir: a) L'épaisseur optique du revêtement doit être
EMI0006.0004
de la longueur d'onde de la lumière incidente, X étant un petit nombre entier impair.
b) L'indice effectif de réfraction de la couche de revêtement doit être la moyenne géométrique entre l'indice de réfraction de la matière de base et l'indice de réfraction du milieu plus léger, c'est-à-dire doit être la racine carrée de l'indice de réfraction de la matière de base, lorsque l'indice de réfrac tion du milieu le moins dense est l'unité.
De ces deux conditions, l'épaisseur op tique de la couche déposée est d'importance primordiale, et le contrôle de ce facteur doit être réglé de très près, si l'on doit produire des objets réfléchissant faiblement la lu mière.
On mesure l'épaisseur de la pellicule, pen dant son application sur l'objet traité, en observant les changements caractéristiques de couleur qui se produisent lorsque la lumière du jour est réfléchie par la surface revêtue de pellicule. Comme la pellicule augmente graduellement d'épaisseur, il arrive un mo ment où la lumière de longueur d'oncle la plus courte visible commence à être éliminée de la lumière visible réfléchie. Cette élimi nation des composants violets et bleus du spectre visible fait que le reste de la lumière réfléchie apparaît rougeâtre. Lorsque des longueurs d'onde progressivement plus éle vées sont éliminées par suite de l'accroisse ment de l'épaisseur de la couche, celle-ci de vient rouge d'une manière prédominante, mais moins intense.
Lorsque l'épaisseur optique de la pelli cule augmente, la courbe de la fi-. 6 se dé place de la gauche vers la droite. Quand le minimum de la courbe passe par 4000 sur l'axe horizontal du diagramme, la lu- litière violette commence à faire sa réappa rition dans le spectre réfléchi. La. lumière violette qui réapparaît se fond avec la lu mière rouge qui disparaît graduellement, ce qui donne à la pellicule une couleur pourpre caractéristique. Si l'épaisseur de la pellicule augmente davantage, la réflexion rouge se trouve presque complètement éliminée, et la pellicule apparaît bleue.
Les conditions optima pour l'élimination de la réflexion de la lumière du jour se pré sentent, dans le cas d'un verre ayant un in dice de réfraction égal â 1,52 et d'un milieu moins dense ayant un indice de réfraction égal ii l'unité, lorsque l'épaisseur optique de la pellicule est d'environ 1250 A. Dans ces conditions, on élimine pratiquement la ré flexion, et les fractions rouges et bleues réflé chies, d'intensité relativement faible, sont plus ou moins égalisées. Le pourcentage de lumière enlevée, sous forme de rouge et de bleu réfléchis à la lumière du jour tombant sur une plaque de verre qui porte une pelli cule d'environ 1250 Â d'épaisseur optique, est si petit que la lumière transmise appa raît blanche à. l'oeil.
Lorsqu'on dépose des couches anti- réfléchissantes sur des surfaces, il est à re commander d'employer un "témoin" pour suivre le cours du dépôt. Ainsi, dans le cas du traitement d'un objet en verre, par exem ple d'une plaque, un second morceau de verre témoin, de propriétés similaires si celles de l'objet à traiter, peut être placé un peu plus près de l'élément chauffant que ledit objet, à côté de celui-ci. Etant donné que le témoin est plus prés de la source de molé cules évaporée. la couche déposée sur lui est plus épaisse que la couche déposée simul tanément sur la plaque.
Le rapport de ces épaisseurs est sensiblement en proportion in verse des carrés des distances entre la source des molécules évaporéa,s et les surfaces des plaques. Pendant l'application des pellicules, celle qui est déposée sur le témoin subit ces changements caractéristiques de couleur avant celle qui est déposée sur l'objet à trai ter. Connaissant l'épaisseur de la couche sur le témoin, on peut donc, en appliquant la loi des carrés inverses, calculer l'épaisseur de la couche sur l'objet traité.
Dans le cas des éléments optiques en verre, il est bon que le témoin soit environ de 5 ô plus rapproché de l'évaporateur que l'élément optique à traiter. Lorsque l'épais seur optique de la pellicule de l'élément op tique traité atteint l'épaisseur correcte (en viron 12'S0 Â), la lumière du jour, réfléchie par lui, apparaît pourprée et@une légère aug mentation de l'épaisseur rend bleuâtre la lu mière réfléchie. Mais le témoin, qui est plus près de l'évaporateur, a dépassé la phase pourprée et paraît bleuâtre. Le changement de couleur du pourpre au bleu est facile à constater sur le témoin et, lorsque ce chan gement se produit, l'épaisseur de la couche sur l'objet traité est optimum pour le but désiré. On arrête alors le dépôt de la pelli cule.
Le témoin peut également être quelque peu plus près de l'élément chauffant et l'on peut obtenir sur lui la réflexion maximum d'une couleur bien perceptible. La distance du témoin est déterminée de telle sorte que l'épaisseur de la pellicule sur la surface trai tée soit alors celle qui convient. Si l'évapora tion est effectuée dans le vide profond, la distance peut être calculée par la loi des carrés inverses et par l'équation:
EMI0007.0004
qui est représentée par la fig. 5.
Bien entendu, on pourrait avoir recours à des méthodes par lesquelles le pouvoir ré fléchissant minimum pourrait être détecté avec des instruments électriques pendant l'évaporation.
Les surfaces optiques destinées au travail dans l'ultraviolet doivent avoir une pellicule anti-réfléchissante plus mince que les sur- faces préparées pour éliminer la réflexion dans le champ visible, tandis que, pour le travail dans l'infrarouge, la couche doit être plus épaisse. Les couches pour les ré gions invisibles du spectre peuvent être appliquées exactement dans la pratique, en plaçant l'objet à revêtir, soit plus près, soit plus loin de l'évaporateur que le témoin, sui vant la loi des carrés inverses. Lorsque la lu mière du jour réfléchie par la surface du témoin atteint une coloration déterminée, l'épaisseur de la pellicule sur l'objet est ap proximativement celle que prévoit le calcul.
Les conditions requises pour l'épaisseur optique des pellicules destinées au travail dans les régions invisibles du spectre sont les mêmes que pour les couches destinées au tra vail dans les régions visibles.
Il est également possible d'appliquer à des objets transparents des pellicules com prenant un mélange de deux ou plusieurs substances différentes, comme, par exemple, deux ou plusieurs fluorures métalliques.
On peut aussi combiner à la pellicule une ou plusieurs couches transparentes. On peut, par exemple, appliquer d'abord sur la base une pellicule de matière d'indice convenable et d'une épaisseur optique sensiblement ,égale à X d. On applique ensuite par-dessus cette pellicule une autre couche très mince d'une autre matière plus dure.
La couche superfi cielle étant mécaniquement plus résistante que la pellicule sous-jacente protège cette dernière contre les influences nuisibles et rend la pellicule composite considérablement plus durable qu'une pellicule équivalente constituée par la première matière seule. Par exemple, le dépôt d'une couche mince de zircon ou de quartz recouvrant une pellicule de fluorure de magnésium protège efficace ment celle-ci. On peut préparer de la même manière des pellicules comprenant plus de deux couches.
La pellicule anti-réflectrice peut être ren due adhérente à la surface (par exemple du verre), en opérant de la façon suivante: Après avoir convenablement nettoyé la sur face de l'objet en verre et l'avoir séché, on dispose cet objet dans la chambre d'évapora tion. On fait un vide convenable dans cette chambre, et l'on évapore du chrome à la sur face du verre, en quantité correspondant à une couche ayant l'épaisseur de quelques atomes. On fait cesser ensuite le vide de la chambre, et on laisse la couche de chrome en contact avec l'air atmosphérique. Cette cou che s'oxyde rapidement pour donner une couche transparente d'oxyde de chrome, qui adhère solidement au verre.
On fait ensuite de nouveau le vide dans la chambre, et l'on applique, sur la couche d'oxyde de chrome, de manière décrite précédemment, la pelli cule choisie pour réduire la réflexion, par exemple du fluorure de sodium et d'alumi nium, ou un équivalent. Ce traitement préa lable de la surface améliore grandement la robustesse et la durée de la pellicule. A ce sujet, on doit remarquer que la couche d'oxyde de chrome est très mince, et que son épaisseur est négligeable dans la détermina tion de l'épaisseur de la pellicule anti-réflec- trice. Cela est également vrai en ce qui con cerne la couche protectrice extérieure de quartz ou équivalent recouvrant la couche anti-réf lectrice.
Les plaques de verre ou l'équivalent traitées comme il vient d'être indiqué sont particulièrement aptes à entrer dans la cons truction de dispositifs destinés à recevoir l'énergie solaire et à la convertir en puis sance utile. Un type de ces collecteurs de chaleur solaire est constitué par un réser voir calorifugé, pourvu d'une fenêtre pour l'admission de la radiation solaire, qui est reçue par une plaque métallique noircie, située près du fond du réservoir. La tempé rature de cette plaque s'élève du fait de l'absorption de l'énergie solaire rayonnante et cette élévation de température peut être utilisée pour chauffer un fluide convenable, en contact avec la plaque noircie. La chaleur ainsi -transmise au fluide circulant peut, à son tour, être utilisée pour le chauffage, ou pour actionner une machine, etc.
Dans un tel récepteur d'énergie solaire, l'idéal serait que la fenêtre soit parfaitement transparente aux radiations, dans le champ des longueurs d'onde occupé par la radiation solaire (c'est-à-dire environ 0,3<I>à</I> 2,@ ,u.), et soit parfaitement opaque dans le champ de longueur d'onde couvert par la radiation calo rifique à brande longueur d'oncle du récep teur ( c'est-à-dire î à 9 lc). LTn simple car reau de verre (ou une feuille de cellulose transparente ou substance similaire) est for tement opaque à la radiation à. grande lon gueur d'onde, mais ne transmet pas les ondes plus courtes autant qu'il serait désirable.
Il est vrai qu'on peut choisir une bonne qua lité de verre, de façon à avoir une absorption négligeable, mais le problème de la. perte par réflexion subsiste encore, cette perte s'éle vant à environ 4 % , par surface, pour le verre ordinaire. Par exemple, une plaque de verre ordinaire transmet seulement<B>92%</B> de la lu mière incidente.
Les effets de cette mauvaise transmis sion sont multipliés par le fait que la. fenêtre doit avoir un vitrage à plusieurs couches dans le but de réduire les pertes par cou rants de convection. La division de l'espace entre la plaque noircie et la surface exté rieure de la. fenêtre, par des carreaux de verre parallèles espacés, produit des couches d'air stagnant, ce qui diminue la perte d'énergie par convection. Avec du verre ordi naire, on a trouvé qu'il convenait d'utiliser de trois à six vitrages parallèles espacés sui vant la, quantité de radiation solaire dispo nible et la température d'équilibre voulue pour le récepteur à plaque noircie.
L'em ploi de plusieurs plaques parallèles espacées, en verre non traité, réduit les pertes vers hatmosphère extérieure par convection et ra diation, mais il réduit également, et même dans une mesure plus grande, la quantité de radiation incidente arrivant à la plaque noir cie. On se rend compte qu'une telle multipli cation des surfaces réfléchissantes augmente les pertes provenant de la réflexion.
Les conditions sont améliorées quand on utilise plusieurs plaques parallèles espacées, en verre traité suivant le procédé que com prend l'invention. Ledit traitement ne change pas dans une mesure appréciable l'opacité précieuse du verre à la radiation de grandes longueurs d'onde, mais il augmente la trans mission de chaque feuille ou lame de verre jusqu'à environ 99 % ou davantage pour les ondes plus courtes. On a constaté que, par l'emploi de vitres ainsi traitées, on peut les utiliser en plus grand nombre que des vitres non traitées, et réaliser à la fois une réduc tion des pertes par convection et radiation, et une augmentation de la transmission de la radiation solaire.
Process for treating a transparent object with a view to reducing the amount of light reflected by at least one surface of this object, and transparent object treated according to this process. The present invention comprises a method of treating a transparent object with a view to reducing the amount of light reflected from at least one surface of this object.
This process is applicable to. all kinds of transparent materials: mineral, such as glass, quartz or mica, or organic such as sheets of transparent cellulose, celluloid, artificial resins or other plastics.
Applied to optical elements such as lenses or prisms for spotting scopes, prism binoculars, telescopes, microphones, cameras, sights for launching bombs, periscopes and the like, the method provides an improvement in these instruments. optical, by making them eminently suitable for use at night or when the object to be observed is badly lit. With optical elements treated according to the method that comprises the invention, it is possible to produce complex optical systems in which no parasitic images occur.
The method which the invention comprises is also applicable with advantage to windows, window glasses, glazing of picture frames, engravings and the like, display or shop windows and the like. In this case, it suppresses bothersome reflections.
Attempts have been made previously to try to reduce the reflection of visible light on glass. In particular, it has been proposed to deposit a barium stearate film on the glass. This film was obtained by immersing the glass in water containing barium salts and covered with a thin layer of stearic acid. The film thus deposited on the surface of the glass had an index of refraction far too high and this index was reduced by dissolving the stearic acid with benzine. A film capable of reducing the reflecting power of the glass was thus obtained, but this film was porous and much too fragile to be of practical use.
Tests have been carried out on calcium fluoride films deposited on glass by vacuum evaporation, but these coatings only made it possible to reduce the reflectivity of the glass surface by about 4 to 3%, since the deposit n was not controlled so as to give the films the proper thicknesses.
The treatment process that the invention comprises is characterized in that the surface is covered, the quantity of light reflected by a transparent film whose optical thickness (product of the refractive index by l 'geometric thickness) is substantially equal to a whole and odd multiple of a quarter of the; wavelength of the light whose reflection is to be avoided, this multiple not however being greater than 9. In particular, the optical thickness of the film may be equal to a quarter of the wavelength of the film. light considered.
The film is advantageously constituted by a transparent substance. solid, and has a refractive index intermediate between the refractive indices of the material on which it is deposited and of air. In particular, the refractive index of the film can be substantially equal to the square root of the index of the material on which this film is deposited.
The substances used for obtaining these films on the surface of the treated transparent objects are preferably solid, non-metallic, non-opaque substances capable of being applied to said materials in thin layers, for example by evaporation. . These substances can be, for example: metal fluorides, such as fluorides of lithium, magnesium, calcium, sodium, double fluoride of sodium and aluminum (cryolite) or fluosilicates (potassium fluosilicate) . It is also possible to use a mixture of such materials.
A transparent layer serving to protect said film can be applied to the film. We can. also, before depositing the film, apply to the treated object a layer serving to increase the adhesion of this film.
Such anti-reflective films possess both the suitable optical characteristics and the strength required in practice.
The attached drawing. give to. as an example, is intended. to facilitate the explanation of the present invention.
The fit. 1. is a graph showing, as a function of wavelengths, the reflectance (in% of incident light) of a surface covered with a film having an optical thickness of 1250 Å.
The fi-. ? is also a graph showing. relationship between the refractive index of a film of optical thickness λ and the minimum reflecting power (at 7; of the incident light) of a glass surface of index 1.52 coated with this film.
The fi- ,. 3 is another graph showing how the refractive index of a film varies as a function of the density of this film (in arbitrary units).
The, fi-. 4 is an enlarged cross section of an object treated according to the method which the invention comprises and bearing an anti-reflective film.
The fit. 5 shows how the amplitudes of the light waves reflected respectively by the surface of the object and by the surface of the anti-reflective film are added geometrically.
Fig. 6 is a graph showing, as a function of the length of the uncle of light, the respective light reflections (in% of incident light) of an untreated optical element and of an optical element carrying a film of which the optical thickness is a function of the wavelength of the incident light (1250 We know, from Fresnel, that when light passes from air through a transparent material of refractive index n, or vice versa, a fraction of the incident light is reflected from the surface.
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fraction of reflected light is usually 4% or more of the incident light per surface.
In many cases it creates stray images, which are troublesome in an optical system, and it always represents an amount of light that would otherwise be transmitted. If a film is placed on a material, there is re fl ection at the surface separating the air from the skin and at the contact surface between the skin and the material.
According to a particular embodiment of the process that comprises the invention, a film having an optical thickness equal to a quarter of the wavelength of a certain monochromatic light and a refractive index equal to the square root of that of the material, so that the light reflected on the outer surface, on the one hand, and that reflected on the contact surface, on the other hand, are out of phase by one half-period and cancel each other out completely.
Thus, if a film deposited on glass has a refractive index equal to the square root of 1.52 (refractive index of ordinary glass) and an optical thickness of 1250 A, the reflection of monochromatic light having a length of wave of 5000 A will be suppressed. The reflection is also eliminated in practice for the whole visible spectrum. This result emerges from the fi-. 1, in which internal reflections have been neglected, for simplicity.
The fie '. 1 also shows that a film having the indicated refractive index and an optical thickness of
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X 5000 R (where x is any odd integer) also cancels out the reflection of monochromatic light having a wavelength of 5000 Å. But the region in which the reflection is practically eliminated decreases as x increases. Almost complete elimination of the reflection of white light is achieved when x is equal to 1.
The substance to constitute the film can be applied to the surface to be treated, by evaporating the covering substance in the vicinity of this surface, in a rarefied atmosphere, in the manner well known for the silvering of mirrors and the like.
In such a setting. As part of the process, the object to be treated and a certain quantity of the covering solid substance are then placed at a suitable distance from each other, in a chamber where a determined vacuum is created and maintained. The solid substance before constituting the film is heated to the temperature necessary to cause its vaporization, for example by means of an electric heating element, also housed in the chamber and connected to a source of electric current. We can use a coil of resistant wire forming a kind of basket, with the double purpose of supporting the substance and of heating it electrically to its point of vaporization.
The substance thus vaporized passes through the rarefied atmosphere of the chamber and condenses into an adherent layer or film, on the surface of the object which is opposite the source of vapors.
The optical thickness of the layer deposited as previously described is of prime importance. It can be regulated by one or more of the following means: a) adjusting the temperature of the heating elements; b) adjustment of the. duration of the vaporization operation; c) adjustment of the distance between the heating element and the surface to be treated. The optical thickness of the film thus deposited is monitored while this film is being deposited on the glass or other object, observing the characteristic color changes which occur when white light strikes a serving surface. witness, as it will be. explained below.
Fig. 1 shows the laws which then intervene.
The control surface is placed at an appropriate distance from the source of vapors so that the thickness of the layer deposited on it is greater than that of the film deposited on the. surface to be treated. This results in maximum, easily discernible color reflection of white light striking the control surface. In the case where the evaporation is carried out in high vacuum, the. The relative distance of the witness can be calculated using the inverse square law. If, on the contrary, evaporation is carried out in the presence of a slight gas pressure, the distance of the witness can be determined empirically.
The cancellation of the reflection by a film of suitable thickness is only: achieved when its refractive index is the geometric mean of the refractive indices of the object being treated and of the air or other contiguous gas. However, the reflectance is sufficiently reduced for many uses when the film has a somewhat greater refractive index. This is what the fi- shows. ?, in the case of ordinary glass, having a refractive index of 1.52.
The refractive index of solid crystalline sodium fluoride is 1.33. A pelli cule having this index would give, in the case where air is the lightest medium. zero reflectance for a glass of index <B> 138. </B> For ordinary glass, it would z-. a reflectance of <B> 0.5%. </B> In reality, films obtained by evaporation may have a smaller index than that of the solid material of which they are made and this index can be adjusted by the following factors; 1o The nature of the treated surface (its composition, structure, polish and cleanliness).
? n The speed of the evaporated particles, when they hit the treated surface.
30 The nature of the on (the gases present during evaporation, as well as their pressure.
4th The internal dimensions of the evaporation chamber.
50 The rate of evaporation and whether it is continuous or intermittent.
6ç) The temperature (the treated object.
A decrease in the density of a material is always accompanied by a decrease in its refractive index. As can be seen from the Lorentz-Lorenz equation or from the equation (Clansius and Mosotti, density is proportional to () i \ - 1) / (r12 -; - \?). The, fi-. 3 shows how the refractive index of a material depends on its density. It is known that, on the other hand, the mechanical resistance of a material depends on its structure and its density.
It is therefore obvious that too great a decrease in density leads to a mechanically fragile film. Considering the data of figs. 3 and 3, it can be seen that it is therefore preferable to choose a coating material (it already has a low refractive index in the solid state, and then to reduce its density as little as possible. to retain its hardness.
Here is an example of implementation of the process that the invention comprises, on an optical element (the simplest.
The mirror of a sliding window. of a dull projection having an index of refraction (1.52, was; carefully cleaned and polished on both sides. It was examined with a spectrophotometer (the Hardy, sensitive to 0.17, pres. It gave a reflection of 7.5 µm for green light having a wavelength of 5400 Å The ice was then placed in an evaporation chamber such as that (described above.
The air pressure in this apparatus was reduced to. 11f-3 min of mercury, and lithium fluoride was evaporated on one side of the plate until this surface assumed a weak purple color by reflection in daylight. This operation took about a minute. The plate was then inverted to expose its other side to the lithium fluoride vapors and another layer of lithium fluoride was applied to this side of the plate under the same conditions as the first.
The plate, thus coated on both sides, was examined again, and it was found that its reflectivity had been reduced to 0.4% by <B> the </B> coating treatment, which represents a reduction in just over 94% of the reflectivity. The transmission of light through the treated plate was found to be increased, by the coating treatment, by an amount equal to the decrease in reflected light, i.e., increased to 99.6%. absorption being negligible.
The process which the invention comprises is also intended for the coating of quartz, mica and many types of glass, as well as plastic compositions such as cellulose and the like and, in general, the process applies. than coating all non-metallic reflective surfaces.
Coating substances, other than lithium fluoride, which can be used for carrying out the process are magnesium fluoride, calcium fluoride, sodium fluoride, sodium aluminum fluoride (cryolite) , fluosilicates (potassium fluosilieate). It is also possible to use any non-opaque solid substances which are capable of being evaporated and of being applied to a support in a layer practically thin enough to reduce the reflection of the surface of said support, in accordance with the indications above.
Fig. 4 shows a greatly enlarged cross-sectional view of a layer of non-metallic substance, having an index of refraction <B> NI, </B> supported by a base of a non-metallic substance, having a refractive index of No.
L1 is a vector representing a ray of monochromatic light normally striking the surface 13-14, A, is a vector representing the amplitude of the wave theoretically reflected in the air, by the surface of the coating, and Aol is a vector representing the amplitude of the wave theoretically reflected by the contact surface between the base and the coating layer. The quantities A, .. and Ao ,. being vectors, to obtain the amplitude of the reflected wave, resulting from the interference of A1 and Aol, these quantities must be added geometrically.
L -a fig. 5 shows such an addition, when the vectors are combined. The angle 0 is given by the expression:
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in which: d is the geometric thickness of the coating layer, <B><I>NI</I> </B> its refractive index, N, d its optical thickness, and d the wavelength of inci dent light.
The minimum amplitude of the resulting reflected wave occurs when the vectors are directed in the opposite direction, that is, when 0 is equal to 180, in which case:
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In the series above, X is any positive odd integer. It is found that the coating layers having an optical thickness greater than 9 of the wavelength of the incident light give too narrow an interference field to be of practical interest.
It emerges from FIG. 5 that the conditions to be fulfilled to cancel the reflection or produce the complete interference are fulfilled when Al and Aol, being shifted by 180, are equal in absolute value:
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By equaling A, and Aol, we obtain the expression:
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from which we derive: N, .2 = - No.
It can therefore be seen that to completely eliminate the reflection of the coated object, by interference between the light wave reflected by the air-coating surface and the light wave reflected by the coating-base contact surface, two conditions must be filled, namely: a) The optical thickness of the coating must be
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of the wavelength of the incident light, X being a small odd integer.
b) The effective refractive index of the coating layer must be the geometric mean between the refractive index of the base material and the refractive index of the lighter medium, i.e. must be the square root of the refractive index of the base material, when the refractive index of the less dense medium is unity.
Of these two conditions, the optical thickness of the deposited layer is of prime importance, and the control of this factor must be adjusted very closely, if weakly reflecting objects are to be produced.
The thickness of the film, during application to the treated object, is measured by observing the characteristic changes in color which occur when daylight is reflected from the coated surface. As the film gradually increases in thickness, there comes a time when the light of the shortest uncle length visible begins to be removed from the reflected visible light. This elimination of the purple and blue components of the visible spectrum causes the rest of the reflected light to appear reddish. When progressively higher wavelengths are removed as a result of the increased thickness of the layer, the layer becomes predominantly red, but less intense.
As the optical thickness of the film increases, the curve of the film. 6 moves from left to right. When the minimum of the curve passes through 4000 on the horizontal axis of the diagram, the purple light begins to reappear in the reflected spectrum. The reappearing violet light merges with the gradually disappearing red light, giving the film a characteristic purple color. If the film thickness increases further, the red reflection is almost completely eliminated, and the film appears blue.
Optimum conditions for the elimination of daylight reflection exist in the case of a glass having a refractive index equal to 1.52 and a less dense medium having an equal refractive index. ii unity, when the optical thickness of the film is about 1250 A. Under these conditions, reflection is practically eliminated, and the reflected red and blue fractions, of relatively low intensity, are more or less equalized. The percentage of light removed, in the form of red and blue reflected in daylight falling on a glass plate which bears a film of approximately 1250 Å optical thickness, is so small that the transmitted light appears white at. the eye.
When depositing anti-reflective layers on surfaces, it is recommended to employ a "witness" to monitor the course of the deposition. Thus, in the case of the treatment of a glass object, for example a plate, a second piece of control glass, of similar properties if those of the object to be treated, can be placed a little closer to the surface. 'heating element as said object, next to it. Since the witness is closer to the source of evaporated molecules. the layer deposited on it is thicker than the layer deposited simultaneously on the plate.
The ratio of these thicknesses is substantially in inverse proportion to the squares of the distances between the source of the evaporated molecules and the surfaces of the plates. During the application of the films, that which is deposited on the control undergoes these characteristic color changes before that which is deposited on the object to be treated. Knowing the thickness of the layer on the witness, it is therefore possible, by applying the law of inverse squares, to calculate the thickness of the layer on the treated object.
In the case of glass optical elements, it is advisable for the indicator to be approximately 5% closer to the evaporator than the optical element to be treated. When the optical thickness of the film of the treated optical element reaches the correct thickness (about 12'S0 Å), the daylight reflected by it appears purple and @ a slight increase in lightness. thickness makes reflected light bluish. But the witness, which is closer to the evaporator, has passed the purple phase and appears bluish. The change in color from purple to blue is easily seen on the control, and when this change occurs, the thickness of the coating on the treated object is optimum for the desired purpose. The deposit of the pelli cule is then stopped.
The indicator can also be somewhat closer to the heating element and the maximum reflection of a clearly perceptible color can be obtained on it. The distance from the witness is determined so that the thickness of the film on the treated surface is then the appropriate one. If the evaporation is carried out in a deep vacuum, the distance can be calculated by the law of inverse squares and by the equation:
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which is represented by FIG. 5.
Of course, methods could be used whereby the minimum reflectance could be detected with electrical instruments during evaporation.
Optical surfaces intended for ultraviolet work should have a thinner anti-reflective film than surfaces prepared to eliminate reflection in the visible field, while for infrared work the layer should be more thick. The layers for the invisible regions of the spectrum can be applied exactly in practice, by placing the object to be coated either closer or further from the evaporator than the control, following the inverse square law. When the daylight reflected by the surface of the witness reaches a determined coloration, the thickness of the film on the object is approximately that provided for by the calculation.
The requirements for the optical thickness of films intended for working in invisible regions of the spectrum are the same as for layers intended for working in visible regions.
It is also possible to apply films comprising a mixture of two or more different substances, such as, for example, two or more metal fluorides, to transparent objects.
One or more transparent layers can also be combined with the film. One can, for example, first apply to the base a film of material of suitable index and of an optical thickness substantially equal to X d. Another very thin layer of another harder material is then applied over this film.
The top layer being mechanically stronger than the underlying film protects the latter against harmful influences and makes the composite film considerably more durable than an equivalent film consisting of the first material alone. For example, the deposition of a thin layer of zircon or quartz covering a film of magnesium fluoride effectively protects the latter. Films comprising more than two layers can be prepared in the same way.
The anti-reflective film can be made adherent to the surface (for example of glass), by operating as follows: After having suitably cleaned the surface of the glass object and having dried it, this object is placed in the evaporation chamber. A suitable vacuum is created in this chamber, and the chromium is evaporated on the surface of the glass, in an amount corresponding to a layer having the thickness of a few atoms. The chamber vacuum is then stopped, and the chromium layer is left in contact with atmospheric air. This layer oxidizes quickly to give a transparent layer of chromium oxide, which adheres firmly to the glass.
The chamber is then evacuated again, and the film chosen to reduce the reflection, for example sodium fluoride and aluminum, is applied to the chromium oxide layer, in the manner described above. nium, or an equivalent. This pre-treatment of the surface greatly improves the strength and duration of the film. In this connection, it should be noted that the chromium oxide layer is very thin, and its thickness is negligible in determining the thickness of the anti-reflective film. This is also true of the outer protective layer of quartz or the like covering the anti-refecting layer.
The glass plates or the equivalent treated as has just been indicated are particularly suitable for entering into the construction of devices intended to receive solar energy and to convert it into useful power. One type of these solar heat collectors consists of a heat-insulated tank, provided with a window for the admission of solar radiation, which is received by a blackened metal plate, located near the bottom of the tank. The temperature of this plate rises due to the absorption of radiant solar energy and this temperature rise can be used to heat a suitable fluid in contact with the blackened plate. The heat thus transmitted to the circulating fluid can, in turn, be used for heating, or for operating a machine, etc.
In such a solar energy receiver, the ideal would be for the window to be perfectly transparent to radiation, in the wavelength field occupied by solar radiation (i.e. about 0.3 <I> at </I> 2, @, u.), and is perfectly opaque in the wavelength field covered by the uncle-length heat radiation of the receiver (i.e. î at 9 lc). A single layer of glass (or a sheet of transparent cellulose or similar substance) is highly opaque to radiation. long wave length, but does not transmit shorter waves as much as would be desirable.
It is true that one can choose a good quality of glass, so as to have negligible absorption, but the problem of. loss by reflection still remains, this loss amounts to about 4%, by surface, for ordinary glass. For example, an ordinary glass plate transmits only <B> 92% </B> of the incident light.
The effects of this poor transmission are multiplied by the fact that the. window should have multi-layered glazing in order to reduce losses by convection currents. The division of the space between the blackened plate and the outer surface of the. window, by spaced parallel glass panes, produces layers of stagnant air, which decreases the loss of energy by convection. With ordinary glass, it has been found suitable to use three to six parallel panes spaced apart according to the amount of solar radiation available and the desired equilibrium temperature for the blackened plate receiver.
The use of several spaced apart parallel plates of untreated glass reduces losses to the outside atmosphere by convection and radiation, but it also reduces, and even to a greater extent, the amount of incident radiation arriving at the black plate. cie. It will be appreciated that such a multiplication of the reflecting surfaces increases the losses arising from the reflection.
Conditions are improved when a plurality of spaced apart parallel plates of glass treated according to the method of the invention are used. Said treatment does not change the precious opacity of the glass to long wavelength radiation to any appreciable extent, but it increases the transmission of each sheet or slide of glass to about 99% or more for longer waves. short. It has been observed that, by using panes thus treated, they can be used in greater number than untreated panes, and achieve both a reduction in losses by convection and radiation, and an increase in the transmission of heat. solar radiation.