FR2606165A1 - Procede pour faire adherer une couche de carbone dur sur une base, notamment pour elements optiques - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE CONCERNE LA FABRICATION D'UN ELEMENT OPTIQUE CAPABLE DE RESISTER AUX IMPACTS DE GOUTTELETTES D'EAU A VITESSE ELEVEE. LE PROCEDE CONSISTE A FAIRE ADHERER UNE COUCHE DE CARBONE DUR 16 SUR UNE BASE 12 CONSISTANT EN UNE MATIERE SELECTIONNEE DANS LE GROUPE CORRESPONDANT AUX MATIERES DU GROUPE II-VI OU DU GROUPE III-V. ON FORME EN OUTRE ENTRE LA BASE 12 ET LA COUCHE DE CARBONE DUR 16 UNE COUCHE 14 CONSISTANT EN UNE MATIERE SELECTIONNEE DANS LE GROUPE QUI COMPREND L'OXYDE D'YTTRIUM, L'OXYDE DE SCANDIUM ET L'OXYDE DE MAGNESIUM. APPLICATION AUX SYSTEMES D'IMAGERIE INFRAROUGE EMBARQUES A BORD D'AERONEFS.

Description

La présente invention concerne de façon générale des éléments optiques, et

elle porte plus particulièrement sur la protection contre les impacts et l'augmentation de la

résistance mécanique d'éléments optiques.

On sait que des systèmes d'imagerie optique com- prennent généralement des éléments optiques montés de façon

externe qui protègent le reste du système d'imagerie-vis-à-

vis de l'environnement externe. Par exemple, dans des systè-

mes d'imagerie infrarouge embarqués à bord d'aéronefs, un élément optique transparent pour l'infrarouge,.tel qu'une fenêtre ou un d8me, est monté sur le système embarqué à bord d'un aéronef pour isoler le reste du système d'imagerie infrarouge vis-à-vis d'environnements humides, corrosifs et abrasifs. Une exposition prolongée à ces environnements

dégrade généralement les caractéristiques optiques et physi-

ques de la matière de l'élément optique. Les conditions d'environnement les plus sévères auxquelles sont soumis ces éléments externes semblent généralement être des impacts de gouttelettes d'eau à grande vitesse qui se produisent lorsqu'un système embarqué à bord d'un aéronef traverse une

zone de pluie.

Ce problème d'impact de gouttelettes d'eau consti-

tue ce qu'on appelle plus généralement dans la technique l'érosion par la pluie. Pendant un vol à travers une zone de pluie, des gouttelettes d'eau tombent sur la surface de l'élément externe en produisant des fractures au-dessous de la surface, même à des vitesses subsoniques. Pour des

matières très fragiles, ces fractures au-dessous de la sur-

face s'amorcent au niveau de micro-craquelures préexistantes

qui se trouvent près de la surface de l'élément optique.

L'endommagement de tels éléments optiques par l'érosion par

la pluie se manifeste avant tout enlèvement de matière nota-

ble. La simple propagation de ces micro-craquelures préexis-

tantes est suffisante pour endommager l'élément optique. En

particulier, ces micro-craquelures se propagent dans l'élé-

ment optique sous l'effet de la composante de traction de l'onde de contrainte superficielle qui est créée au moment

de l'impact de la gouttelette d'eau. Une fois que les frac-

tures au-dessous de la surface sont formées, la poursuite de leur propagation dans l'élément optique produit généralement de grandes craquelures dans l'élément optique. Dans la région de la craquelure, l'énergie infrarouge incideMite est

dispersée et réfractée, ce qui produit des réflexions inter-

nes et des pertes d'énergie infrarouge accrues. Lorsque le nombre de telles craquelures est important, le pouvoir de transmission de l'élément optique est fortement réduit. En outre, lorsque des craquelures se propagent dans l'élément

optique, une défaillance totale de l'élément peut se produi-

re. Lorsque l'élément optique se brise ou se casse, les -

éléments optiques restants du système d'imagerie infrarouge sont exposés à l'environnement externe, ce qui conduit à un

risque de détérioration totale du système d'imagerie.

Les matières qui présentent la meilleure durabili-

té mécanique et les meilleures performances optiques pour des systèmes d'imagerie infrarouge, en particulier dans la

bande infrarouge de 8,um à 12 pm, sont de façon caractéris-

tique limitées à un nombre relativement faible. Les matières appropriées comprennent le sulfure de zinc, le séléniure de zinc, le germanium, l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium, le tellurure de mercurecadmium et le tellurure de

cadmium. Des sulfures ternaires tels que le sulfure de cal-

cium-lanthane, sont également développés à l'heure actuelle pour des applications en infrarouge, en particulier dans la bande 8-12 pm. Ces sulfures ternaires peuvent procurer une certaine amélioration de la durabilité, mais même ces

matières sont sensibles aux conditions d'environnement men-

tionnées ci-dessus. De façon générale, toutes les matières mentionnées cidessus sont relativement fragiles et ont une

résistance à l'endommagement relativement faible, en parti-

culier en ce qui concerne l'endommagement par l'impact de

gouttelettes d'eau à vitesse élevée.

On sait également dans la technique que lorsque de

l'énergie optique tombe sur une surface d'un élément opti-

que, une réflexion de l'énergie se produit sur cette surface si l'indice de réfraction de la matière constituant l'élé- ment optique est notablement différent de l'indice de réfraction du milieu duquel l'énergie provient. De façon générale, pour des systèmes embarqués à bord d'aéronefs, le milieu duquel l'énergie provient est l'air qui a un indice

de réfraction d'environ un. Par conséquent, il est de prati-

que courante dans l'industrie optique de former des revête-

ments de matière d'indice de réfraction approprié sur la surface d'incidence de l'élément optique, pour réduire de

telles pertes par réflexion. Aux épaisseurs déposées, qui -

sont généralement liées à une fraction d'une longueur d'onde optique, ces revêtements sont transparents dans la bande infrarouge. De tels revêtements optiques n'ont cependant été utilisés jusqu'à présent que pour réduire des pertes par

réflexion résultant d'une désadaptation d'indices de réfrac-

tion, et ils n'ont pas été utilisés pour augmenter la résis-

tance de l'élément optique aux impacts.

Il est connu dans la technique qu'une couche de carbone dur, c'est-à-dire une couche de carbone ayant des

liaisons du type du diamant et une transparence optique éle-

vée, formée sur du germanium, procure une protection limitée

pour des éléments optiques en germanium, vis-à-vis de l'en-

dommagement par des impacts qui résulte de l'érosion par la pluie. Des revêtements de carbone dur sur du germanium sont décrits dans un article intitulé "Liquid Impact Erosion Mechanisms In Transparent Materials" par J.E. Fields et

col., Rapport Final, 30 septembre 1982 au 31 mars 1983, Con-

trat N AFOSR-78-3705-D, Rapport NO AFWAL-TR-83-4101. Les

surfaces en carbone dur n'ont pas adhéré de façon satis-

faisante sur d'autres matières utilisables en infrarouge, comme le sulfure de zinc et le séléniure de zinc. En outre,

des revêtements en carbone dur sont susceptibles de se déta-

cher sous l'effet d'impacts de gouttelettes d'eau à vitesse

élevée, même sur du germanium, comme mentionné dans l'arti-

cle. Cet article explique que la force de cisaillement résultant de l'écoulement radial sous l'effet de l'impact

d'une gouttelette d'eau provoque un détachement du revête-

ment par rapport à la couche de germanium. On pense que ce phénomène de détachement augmente considérablement lorsque

l'épaisseur de la couche de carbone dur augmente. Par con-

séquent, des couches de revêtement de carbone dur plus

épaisses, qui auraient dû conduire à une meilleure protec-

tion contre les impacts pour l'élément optique, n'ont pas

donné satisfaction, à cause du problème de détachement pré-

cité. Un autre problème affectant le carbone dur consiste en

ce que son indice de réfraction est d'environ 2,45, c'est-à-

dire qu'il est notablement supérieur à l'indice de réfrac-

tion d'un grand nombre des matières optiques précitées telles que le sulfure de zinc et le séléniure de zinc. Par

conséquent, si un élément optique est revêtu avec un revê-

tement de carbone dur, les pertes par réflexion sur la sur-

face d'incidence de l'élément optique seront plus élevées

que si l'élément optique n'était pas revêtu.

Un troisième problème présent dans la technique concerne la résistance à lafracturation de ces matières. Comme

indiqué précédemment, la plupart des matières qui convien-

nent pour des fenêtres transparentes pour l'infrarouge, en particulier dans la bande de 8 pm à 12 pm, ont de faibles

résistances àl]a fmcturzation. Cette caractéristique est parti-

culièrement importante dans des applications de ces éléments dans lesquelles l'élément sépare une région à haute pression

d'une région à basse pression, c'est-à-dire dans des appli-

cations dans lesquelles l'élément est soumis à une certaine charge mécanique, statique ou dynamique. Un article intitulé "Impact Damage Threshold In Brittle Materials Impacted By

Water Drops" par A.G. Evans et col., Journal of Applied Phy-

sics 51 (5), pages 2473-2482 (mai 1980), indique à la page Z31 qu'une trempe martensitique (changements de phase) à la surface d'une matière fragile peut être utile pour tremper de telles matières fragiles. Cet article indique également qCe des contraintes de compression de surface pourraient être

avantageuses.Les auteurs ne donnent cependant aucune explica-

tion spécifique de ce qu'ils entendent par "compression de surface". Ces matières fragiles subissent une compression de surface lorsque des gouttes d'eau incidentes frappent la

surface de la matière.

Conformément à la présente invention, un élément optique capable de résister à l'impact de gouttelettes d'eau à vitesse élevée comprend une couche de base d'une

première matière ayant un premier module d'élasticité prédé-

terminé, et un revêtement d'une seconde matière ayant un

second module d'élasticité, plus élevé. La couche de revête-

ment adhère à la matière de l'élément optique et elle pré-

sente un degré élevé de résistance au détachement sous l'effet de contraintes de cisaillement qui apparaissent sous

l'effet de l'impact de gouttelettes d'eau à vitesse élevée.

Le revêtement à module d'élasticité élevé consiste de préfé-

rence en une matière ayant un indice de réfraction inférieur

à l'indice de réfraction de la matière qui constitue l'élé-

ment optique. Il est en outre préférable que la matière soit pratiquement transparente au rayonnement infrarouge et soit pratiquement insoluble dans l'eau. Avec cette structure, le revêtement constitué par la matière ayant le second module

élastique, de valeur plus élevée, protège contre l'endomma-

gement par des impacts la base constituée par la matière ayant le module d'élasticité inférieur, et en particulier contre l'endommagement par des impacts de gouttelettes d'eau à vitesse élevée. En outre, la matière de revêtement ayant une résistance élevée au détachement sous l'effet de forces

de cisaillement reste intacte sur l'élément optique en pré-

sence d'impacts de gouttelettes d'eau à vitesse élevée, et elle protège donc l'élément optique contre des effets de

l'environnement tels que l'érosion par la pluie.

Selon un aspect supplémentaire de l'invention, le revêtement consiste en un revêtement composite formé par un mélange, de préférence un mélange homogène d'une première matière et d'une seconde matière, ayant chacune un module d'élasticité au moins égal au double du module d'élasticité de la matière qui constitue la couche de base. La seconde matière a un module d'élasticité notablement supérieur à celui de la première matière, tandis que la première matière est insoluble dans l'eau et inerte vis-à- vis de l'eau, et la seconde matière est réactive vis-à-vis de l'eau. Avec cette

structure, le revêtement composite forme sur l'élément opti-

que une couche ayant un module d'élasticité supérieur au module d'élasticité qu'on obtiendrait avec seulement une couche de la première matière. Le revêtement composite aura cependant également une solubilité dans l'eau relativement faible et une réactivité avec l'eau relativement faible, en particulier si une couche de la première matière est formée

de façon à isoler le mélange par rapport à une source d'eau.

Selon un aspect supplémentaire de l'invention, la matière de la couche de base est sélectionnée dans le groupe comprenant le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium,

le phosphure de gallium, le tellurure de cadmium, le telluru-

re de mercure-cadmium, le sulfure de zinc et le séléniure de

zinc, et comprenant plus préférablement le tellurure de cad-

mium, le sulfure de zinc, le séléniure de zinc ou un sulfure

ternaire tel que le sulfure de calcium-lanthane. Plus géné-

ralement on appelle ci-après sulfure ternaire un corps ayant la formule chimique générale MN2S4 dans laquelle M est un cation sélectionné parmi les éléments du groupe 1A, N est un cation sélectionné parmi les terres rares de la série des 2-

lanthanides et S est l'anion sulfure S. La matière trans-

parente pour l'infrarouge à module élevé qui constitue la première couche de revêtement est sélectionnée dans le groupe comprenant l'oxyde d'yttrium, l'oxyde de scandium, et une

composition homogène d'oxyde d'yttrium et d'oxyde de magné-

sium, une composition d'oxyde de scandium et d'oxyde de magnésium, et une composition d'oxyde de scandium et d'oxyde d'yttrium. Avec de telles matières, on obtient un revêtement antireflet résistant aux impacts pour des éléments optiques, fonctionnant dans la bande de longueurs d'ondes de 8pm à 12 ym, rendant de tels éléments plus résistants aux dommages produits par l'érosion par la pluie ou par les impacts de

gouttelettes d'eau à vitesse élevée.

Selon encore un autre aspect de l'invention, un élément optiquement transparent, comprenant une première matière transparente pour l'infrarouge ayant un premier

module d'élasticité, est protégé contre l'impact de goutte-

lettes d'eau à vitesse élevée par un revêtement composite..

qui comprend une première couche d'une seconde matière

optiquement transparente, ayant un second module d'élastici-

té, notablement supérieur à celui de la matière de l'élément optique, et un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de la matière de l'élément optique. La matière de

la première couche de revêtement présente une bonne résis-

tance au détachement par rapport à la matière de l'élément optique, sous l'effet de contraintes de cisaillement qui résultent de l'écoulement radial de gouttelettes vers l'extérieur, sous l'effet de l'impact de gouttelettes à vitesse élevée. Une seconde couche du revêtement composite comprend une troisième matière ayant un troisième module d'élasticité relativement élevé, ce module d'élasticité

étant supérieur au module d'élasticité de la première matiè-

re qui constitue la couche de l'élément optique, et étant de préférence supérieur à celui de la seconde matière de la

première couche de revêtement. La troisième matière compre-

nant la seconde couche de revêtement est pratiquement trans-

parente au rayonnement infrarouge et elle a un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction de la seconde matière de la première couche de revêtement. La troisième matière constituant la seconde couche de revêtement présente également une bonne résistance au détachement par rapport à

la seconde matière de la première couche du revêtement com-

posite, mais elle peut avoir une résistance relativement mau- vaise au détachement par rapport à la première matière de l'élément optique. Avec une telle structure, en intercalant la première couche de matière ayant une bonne résistance au détachement par rapport à la matière de l'élément optique, sous l'effet d'un écoulement radial vers l'extérieur, et ayant également une bonne résistance au détachement par

rapport à la troisième matière de la seconde couche de revê-

tement, sous l'effet de l'écoulement radial vers l'extérieur, on obtient un revêtement composite qui présente une bonne résistance au détachement sous l'effet de l'écoulement radial vers l'extérieur et qui a en outre un module d'élasticité

supérieur à celui de la première matière. Le revêtement com-

posite permet d'augmenter l'épaisseur physique effective du revêtement de protection, ce qui procure une protection accrue, tout en préservant, ou peut-être même en améliorant, les propriétés optiques de la combinaison de la couche de

revêtement composite et de l'élément optique.

Selon un aspect supplémentaire de l'invention, la première matière de l'élément optique est sélectionnée dans

le groupe qui comprend le silicium, le germanium, l'arsé-

niure de gallium, le phosphure de gallium, le tellurure de mercurecadmium, le tellurure de cadmium, le sulfure de zinc

et le séléniure de zinc, ou un sulfure ternaire. On sélec-

tionne de préférence la matière parmi le groupe comprenant le tellurure de cadmium, le sulfure de zinc et le séléniure de zinc. On sélectionne la seconde matière de la première couche de revêtement dans le groupe comprenant l'oxyde d'yttrium, l'oxyde de scandium ou des mélanges d'oxyde

d'yttrium et d'oxyde de scandium avec de l'oxyde de magné-

sium. On sélectionne la troisième matière de la seconde cou-

che de revêtement dans le groupe comprenant l'oxyde de

cérium, l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium ou le carbo-

ne dur. Avec une telle structure, en intercalant la seconde matière constituant la première couche de revêtement qui adhère bien à la fois à la première matière de l'élément optique et à la troisième matière de la seconde couche de revêtement, en particulier la couche de carbone dur,:les

problèmes d'adhérence qui sont généralement associés au car-

bone dur pour la plupart des matières optiques utilisables dans la bande de 8-12 pm, sont éliminés. En outre, du fait

que des matières telles que le carbone dur n'ont pas l'indi-

ce de réfraction approprié pour former une couche antireflet

pour des matières telles que le sulfure de zinc, le sélé-

niure de zinc ou le tellurure de cadmium, on peut utiliser: la couche de carbone dur en combinaison avec la première

couche de revêtement ayant un indice de réfraction infé-

rieur, pour procurer une couche composite ayant un indice de

réfraction effectivement inférieur.

Selon encore un autre aspect de l'invention, un

élément optique est protégé par une couche composite compre-

nant un ensemble de couches de matière à indice faible et à module d'élasticité élevée, suivie par une matière à indice élevé et à module d'élasticité élevé, avec un empilement répétitif pour former un revêtement multicouche antireflet

résistant aux impacts. Avec une telle structure, le revête-

ment pourrait être conçu de façon à procurer des caractéris-

tiques antireflets à large bande, ou d'autres fonctions

optiques, telles qu'un filtrage, avec l'avantage qui consis-

te en ce que l'épaisseur physique totale du revêtement mul-

ticouche composite pourrait être élevée, pour procurer ainsi

une résistance accrue aux impacts. On sélectionne de préfé-

rence la matière à indice faible et à module d'élasticité élevé dans le groupe comprenant l'oxyde d'yttrium, l'oxyde de scandium ou des mélanges d'oxyde d'yttrium ou d'oxyde de scandium avec de l'oxyde de magnésium, et on sélectionne de

préférence la matière à indice élevé et à module d'élastici-

té élevé dans le groupe comprenant l'oxyde de cérium, l'oxy-

de de titane, l'oxyde de zirconium ou le carbone dur. On sélectionne la matière constituant l'élément optique dans le groupe comprenant le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium, le tellurure de cadmium, le tellurure de mercure-cadmium, le sulfure de zinc et le

séléniure de zinc, ou un sulfure ternaire.

Selon encore un autre aspect de l'invention, un élément optique trempé, résistant aux impacts, comprend une couche de base d'une matière optique ayant une résistance initiale à la fracturation. Au-dessus de la couche de base de matière optique se trouve un revêtement consistant en une couche de matière comprimée. La couche de matière comprimée: a une épaisseur totale qui est notablement inférieure à l'épaisseur de la base de la matière optique. Avec une telle structure, la couche de matière comprimée tend à atténuer les effets de la composante d'ondede ccntidntedetraction qui apparaît au moment de l'impact de gouttelettes sur des

micro-craquelures en surface, empêchant ainsi leur propaga-

tion à travers la surface de l'élément optique. Les régions

comprimées ont cependant tendance à fermer ces micro-

craquelures, empêchant ainsi leur propagation sous l'effet de la composante d'onde de contraine de traction,ce qui a pour

effet de réduire ou de compenser la composante d'onde de con-

trainte de traction; En réduisant cette cosate de contrainte

de traction, l'endommagement résultant de l'impact de gout-

telettes d'eau sur une surface de l'élément optique est atténué, ce qui fait que la matière relativement fragile comporte ainsi une surface trempée capable de résister à l'endommagement résultant de l'érosion par la pluie. Cette

surface trempée augmente de façon correspondante la résis-

tance à la fracturation de l'élément optique.

Selon encore un aspect supplémentaire de l'inven-

tion, un élément optique, trempé de façon à résister à l'en-

dommagement susceptible d'apparaître sous l'effet d'un impact à vitesse élevée, comprend une base qui comporte une matière optique sur une surface de laquelle est disposée une couche comprimée de ladite matière. La couche de matière comprimée comprend un ensemble de sillons formés dans cette couche, ces sillons sont séparés par des régions adjacentes

de la couche comprimée, et une partie de la couche de matiè-

re comprimée est disposée au-dessous des sillons.

L'épaisseur de la région comprimée de la matière optique est de préférence de 3 microns ou moins. Les sillons mesurent de façon caractéristique 1 nm à 1000 nm de

profondeur et 0,01 à 0,02 mm de largeur. Avec cette structu-

re, on obtient un élément optique trempé qui présente une

excellente résistance à l'endommagement résultant de l'im-..

pact d'un projectile à vitesse élevée.

Selon encore un autre aspect de l'invention, un

procédé pour tremper un élément optique comprend les opéra-

tions qui consistent à usiner un ensemble de sillons dans l'élément optique, ces sillons ayant une profondeur qui est

de façon générale dans la plage de 1 nm à 1000 nm,et à éta-

blir entre des sillons adjacents et sous ces sillons une

région comprimée de la matière optique. -

Selon encore un autre aspect de l'invention, un

procédé pour tremper une surface d'une matière optique com-

prend l'opération consistant à usiner l'élément optique

avec un outil à une seule pointe, pour former dans la sur-

face de l'élément optique une couche comprimée de 0,5 um à

3,0 pm d'épaisseur. La couche comprimée comprend un ensem-

ble de sillons ayant unc profondeur comprise entre 1 et 1000 nm, avec des sillons adjacents séparés par une partie

de la couche comprimée de la matière de l'élément optique.

On introduit de préférence les sillons dans la matière optique en faisant tourner l'élément optique à une vitesse prédéterminée pendant qu'un outil en diamant à une seule pointe est amené en contact avec la surface de l'élément optique tournant, cet outil étant soumis à un mouvement d'avance de façon à traverser la surface de l'élément optique

à une vitesse prédéterminée, jusqu'à ce que la couche compri-

mée précitée soit formée. Dans ces conditions, en effectuant un usinage de la surface de l'élément optique avec un outil à une seule pointe, on forme une couche comprimée de la matière de l'élément optique. Cette couche comprimée augmente la

résistance mécanique de l'élément optique et contribue à évi-

ter que l'élément optique soit endommagé par l'impact de gouttelettes à vitesse élevée, grâce à l'atténuation ou à la diminution des forces de traction au voisinage de la surface qui apparaissent au moment de l'impact de gouttelettes d'eau

à vitesse élevée.

Selon encore un autre aspect supplémentaire de l'invention, un élément optique trempé, résistant aux impacts, comprend une couche de base d'une matière optique ayant une résistance initiale à la fracturation et ayant un premier module d'élasticité prédéterminé. Une couche de

matière optique comprimée est disposée au-dessus de la cou-

che de matière de base. La couche de matière comprimée a une

épaisseur globale qui est notablement inférieure à l'épais-

seur de la base de la matière optique, c'est-à-dire en géné-

ral dans la plage de 1 à 3 microns. Au-dessus de la couche comprimée se trouve une couche de revêtement d'une seconde matière, ayant un second module d'élasticité, supérieur à celui de la matière formant la couche de base de l'élément

optique. La couche de revêtement adhère à la couche compri-

mée de matière optique et présente une résistance élevée au

détachement sous l'effet d- contraintes de cisaillement qui appa-

raissent sous l'action de l'impact de gouttelettes d'eau à vitesse élevée. Avec cette structure, la combinaison de la couche comprimée et de la couche de revêtement procure un élément optique ayant de meilleures caractéristiques de résistance mécanique et de résistance aux impacts. La couche de revêtement extérieur procure un revêtement en une matière ayant un second module d'élasticité, de valeur plus élevée, ce qui protège la couche de base sous-jacente, constituée

par la matière ayant un module d'élasticité inférieur, con-

tre l'endommagement par des impacts tels que les impacts de goutellettes à vitesse élevée. En outre; la couche de matiè-

re comprimée tend à atténuer les effets de la composante dcl-

de de contrainte de traction qui apparatt au moment de l'im-

pact de gouttelettes. La combinaison des deux techniques procure donc un élément optique ayant une résistance aux

impacts et une résistance à la fracturation notablement amé-

liorées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre de modes de réalisation et en se

référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue isométrique d'un élément optique, consistant ici en une plaque comprenant une couche de base et une couche protectrice conforme à l'invention; La figure 2 est une coupe partielle selon la ligne

2-2 de la figure 1, montrant la couche protectrice compre-

nant une seule couche de revêtement conformément à un aspect de l'invention; La figure 3 est une coupe partielle selon la ligne

3-3 de la figure 1, montrant la couche qui comprend une pai-

re de couches de revêtement conformément à un aspect supplé-

mentaire de l'invention; La figure.4 est une coupe partielle selon la ligne 4-4 de la figure 1, montrant la couche qui comprend un

ensemble de paires de couches de revêtement ayant alternati-

vement un indice de réfraction élevé et un indice de réfrac- tion faible, conformément à un aspect supplémentaire de l'invention; Les

figures 5A-5D sont une série de graphiques (correspondant à l'art antérieur) qui montrent la diminution

de la contrainte radiale en fonction de la distance normali-

* sée par rapport au centre de l'impact d'une gouttelette,

pour des revêtements ayant différents modules d'élasticité.

La figure 6 est une photomicrographie d'une surfa-

ce de ZnS non revêtue, exposée à l'effet d'une zone de pluie simulée ayant les caractéristiques suivantes: intensité de 25,4 mm par heure, vitesse de 724 km/h, angle d'impact de 900 et taille des gouttes de pluie de 2 mm;

La figure 7 est une photomicrographie d'une surfa-

ce revêtue conformément à l'invention, exposée à une zone de pluie simulée identique à celle de la figure 6; La figure 8 est une représentation graphique du facteur de transmission, en pourcentage, en fonction de la longueur d'onde, pour une plaque de ZnS revêtue de 5,1 mm d'épaisseur; La figure 9 est une coupe d'une partie d'un dôme; La figure 10 est une coupe agrandie d'une partie de la surface du dôme représenté sur la figure 11; La figure 11 est une représentation schématique en coupe d'une gouttelette de pluie tombant sur une surface d'un élément optique classique comportant un défaut de microstructure; La figure 12 est une représentation schématique en

coupe d'une gouttelette d'eau tombant sur une couche compri-

mée correspondant à un aspect supplémentaire de l'inven-

tion; La figure 13 est une représentation agrandie de la gouttelette d'eau frappant la couche comprimée qui est représentée sur la figure 12; Les figures 14A, 14B sont des photomicrographies

d'une surface de dôme polie de façon classique et d'une sur-

face de dôme trempée conformément à la présente invention; La figure 15 représente des graphiques de valeurs de dureté KNOOP en fonction de la charge pour une surface de ZnS polie classique et pour une surface d'un disque trempé en ZnS; La figure 16 est un graphique de la différence de dureté caractéristique (KNOOP) en fonction de la profondeur de pénétration dans la surface comprimée du disque trempé en ZnS;

Les figures 17A, 17B sont respectivement des pho-

tomicrographies d'une surface d'une lentille en ZnS qui a été polie de façon classique et d'une lentielle en ZnS qui a été trempée conformément à la présente invention, après exposition de chacune d'elles à une zone de pluie simulée; Les figures 18A, 18B sont des photomicrographies respectives d'une lentille en ZnS meulée qui a été polie de façon classique et d'une lentille en ZnS meulée qui a été trempée conformément à la présente invention, montrant la déformation produite par la couche de compression; et

La figure 19 est une coupe d'une partie d'un élé-

ment optique tel qu'une plaque ou un dôme comportant une

couche de matière optique comprimée et une couche de revête-

ment, conformément à un aspect supplémentaire de l'inven-

tion. En considérant maintenant la figure 1, on voit un

élément optique consistant ici en une plaque 10, qui com-

prend une couche de base 12 consistant en une matière ayant des propriétés optiques prédéterminées. Bien que l'élément optique soit décrit ici en considérant de façon spécifique une plaque, il faut noter qu'on peut remplacer la plaque 10 précitée par d'autres types d'éléments optiques tels que des fenêtres, des dômes, des lentilles, etc. La couche de base 12 aura de façon caractéristique une épaisseur d'au moins 1,27 mm, et généralement de 2,54 mm à environ 12,7 mm,

ou plus. L'lément optique peut en outre avoir des proprié-

tés optiques sélectives. L'élément optique peut par exemple consister en une matière qui est transparente pour l'énergie

optique comprise de façon générale dans les spectres infra-

rouge, visible et/ou ultraviolet. La matière peut être un diélectrique ou un semiconducteur. En particulier, pour des éléments optiques utilisés dans des systèmes d'imagerie -16 infrarouge dans la gamme de longueur d'onde de 8 Vm à 12 pm, on peut citer à titre d'exemples de matières préférées le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium, le tellurure de mercure-cadmium, le tellurure de cadmium; le sulfure de zinc, le séléniure de zinc ou l'un des sulfures ternaires. La matière sélectionnée constituant

la couche 12 peut être fabriquée par n'importe quelle tech-

nique connue, telle que l'agglomération et la densification

de poudres ou le dépôt chimique en phase vapeur. En particu-

lier, pour des applications concernant l'infrarouge, les matières sélectionnées pour la couche 12 sont généralement

caractérisées par un module d'élasticité relativement fai-

ble, qui est de façon caractéristique dans la plage de 34 x 10 Pa à 104 x 10 Pa, un facteur de transmission élevé pour l'énergie infrarouge, de façon caractéristique dans une plage de 50% à 75% sur au moins une partie de la bande de longueur d'onde infrarouge de 2,0 pm à 30 pm, et un indice de réfraction à 10 microns qui est de façon caractéristique

dans la plage de 2,2 à 4,0. Le Tableau i indique les pro-

priétés mécaniques et optiques pertinentes de certaines de

ces matières.

TABLEAU 1

Pro riétés de matières pour la couche de base 12 Coefficient Module

Indice de dilatation ther-d'élasici-

Matière à 10 Vm R% mique (10-6/ C) té (10 Pa) CdTe 2,6 0,01 5,9 34,5 ZnSe 2,4 0,25 7,7 66,9 ZnS 2,2 0,89 7,4 74,5 CaLa2S4 2,4 0,25 14,7 95,2 GaP 3, 0 0,37 5,3 142,1 GaAs 3,3 1,17 5,7 106,9 Ge 4,0 4,10 6,1 103,5 R% est la perte de réflexion par surface résultant d'un seul revêtement antireflet d'une épaisseur d'un quart de longueur d'onde, en Y203, qu'on décrira ciaprès, appliqué

sur la matière correspondante. Une couche de revêtement anti-

reflet 11, résistant aux impacts, est formée sur la base 12.

Il suffit de dire ici que la couche de revêtement 11 peut avoir l'une quelconque des structures envisagées ci-après. En considérant maintenant la figure 2, on voit que

la couche de revêtement 11 comprend une première couche pro-

tectrice 14 disposée sur la matière constituant la base 12, et de préférence directement sur cette matière. La couche

protectrice 14 est constituée par une matière ayant un modu-

le d'élasticité notablement supérieur au module de la matiè-

re de la base 12, une transparence élevée en infrarouge, avec l'épaisseur déposée, sur la bande de longueur d'onde sélectionnée de l'élément optique, et de préférence un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de la matière qui constitue la couche de base 12. En outre, la matière déposée présente une adhérence élevée à la matière de la couche 12, et présente en particulier une excellente résistance au détachement sous l'effet de contraintes de

cisaillement produites par un écoulement radial vers l'exté-

rieur sous l'effet de l'impact de gouttelettes à vitesse élevée, tel que l'impact de gouttelettes d'eau. La couche 14 peut être déposée par une technique quelconque telle que la

pulvérisation cathodique par faisceau d'ions, la pulvérisa-

tion cathodique par diode ou l'évaporation. En outre, selon une variante, on peut former la couche 14 sur la plaque 12 en plongeant la plaque 12 dans une solution comprenant un

véhicule organique et la matière à module d'élasticité éle-

vé. Après avoir plongé la plaque dans la solution d'une telle matière, on la retire de cette solution et on la place

dans un four dans lequel le véhicule organique est expulsé.

Selon une variante, on peut déposer le revêtement par pulvé-

risation, en séchant un mélange d'un véhicule et de la matière de revêtement sur la couche de base 12 chauffée à

une température prédéterminée. Avec ces méthodes de revête-

ment particulières, on dispose d'une technique relativement économique pour former une couche de revêtement 14 uniforme

sur la base 12. Pour les matières de couche de base préci-

tées, des matières de revêtement appropriées comprennent l'oxyde d'yttrium (Y203), l'oxyde de magnésium (MgO) et

l'oxyde de scandium (Sc203), ainsi que des mélanges homogè-

nes des matières précitées. Le Tableau 2 indique les pro-

priétés mécaniques et optiques pertinentes pour ces matiè-

res.

TABLEAU 2

Prop riétés de matières pour la couche 14 Plage de Coefficient transmission de dilata- Module Indice pour 1,5 Fm tion thermid'élasticité Solubilité Matière à 10 Fm d'épaisseur que (10-6/ C) (109 Pa) dans H2 Y203 1,63 0,3 - 12 Fm 7,2 173 insoluble Sc203 1,70 0,3 - 12 Fm 8, 5 179 insoluble MgO 1,70 0,3 - 12 mm 12,0 331 insoluble; réagit ave H20 Les principaux facteurs à considérer dans le choix de matières pour la couche de revêtement 14 sont liés au fait

que la matière sélectionnée doit avoir des propriétés opti-

ques appropriées pour l'utilisation prévue de l'élément optique 10, aux épaisseurs auxquelles la matière des couches de revêtement 14 est déposée. En outre, la matière de la couche de revêtement 14 doit avoir un module d'élasticité

généralement environ deux fois supérieur au module d'élasti-

cité de la matière de la couche de base 12. En outre, lorsque l'utilisation prévue de l'élément optique 10 expose la couche de revêtement 14 à l'eau, la matière de la couche

de revêtement 14 doit être insoluble et stable dans l'eau.

Pour procurer une correction antireflet, l'indice de réfrac-

tion de la matière de la couche de revêtement 14 est de pré-

férence inférieur à l'indice de réfraction de la matière de base 12. De façon générale, pour la correction antireflet entre l'air ayant un indice d'environ 1,00 et la matière de la couche de base 12, l'indice de réfraction exigé pour le revêtement (n14) est approximativement égal à la moyenne géométrique des indices de réfraction de la matière de la couche de base 12 et du milieu environnant (n14Z n-12) Comme on le sait de façon générale, pour la plupart des matières l'indice de réfraction varie sous la dépendance de

la dispersion en fonction de la longueur d'onde. Cette cor-

rection antireflet varie donc également en fonction de la

longueur d'onde.

Il est préférable de déposer la couche 14 sur la couche de base 12 en lui donnant une épaisseur physique qui

correspond au quart d'une longueur d'onde optique à la lon-

gueur d'onde particulière présentant un intérêt pour l'élé-' ment optique. En général, on définit l'épaisseur optique (to) de tels éléments par le produit de l'épaisseur physique (t) du revêtement 14 et de l'indice de réfraction (nc) de la matière du revêtement 14 (to = t. nc). L'épaisseur physique désirée pour une épaisseur optique de A/4 est donnée par

t = ( r/4)/nc, en désignant par \ la longueur d'onde pré-

sentant un intérêt particulier pour l'élément optique, et par nc l'indice de réfraction du revêtement à la longueur d'onde intéressante. Comme l'homme de l'art pourra le noter, l'épaisseur optique (to) peut être une épaisseur d'ordre supérieur, telle que 3 À/4 ou 5 A/4, et l'épaisseur physique t est alors donnée de façon générale par la relation t = [(2N+1) h /4]/nc, dans laquelle N est un entier 0,1,2, 3.... On peut ainsi augmenter l'épaisseur physique t de la couche 14, ce qui procure une meilleure protection pour la base 12 en ce qui concerne la résistance aux impacts, tout

en maintenant de bonnes propriétés antireflets et de trans-

mission optique. Pour une matière telle que Y203 ayant un indice de réfraction nc=1,63 à 10,6 microns, l'épaisseur optimale pour une seule couche en X/4 à 10,6 microns

serait d'environ 1,63 micron.

En considérant maintenant la figure 3, on voit une plaque 10 qui comprend la base 12 et la couche de revêtement 11 formée sur une première surface au moins de la base. La couche de revêtement 11 est ici une couche 15 antireflet et résistant aux impacts. La couche 15 comprend la couche de

revêtement 14 précitée de la matière à module élastique éle-

vée, ayant un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction de la matière de la base 12, et ayant de bonnes propriétés d'adhérence sur la matière de la couche de base 12. Au-dessus de cette première couche de revêtement 14 se trouve une seconde couche de revêtement 16 consistant en une seconde matière ayant un module élastique notablement plus élevé et un indice de réfraction plus élevé que ceux

des matières de la base 12 et de la première couche de reve-

tement 14. Des matières appropriées pour la seconde couche de revêtement 16 précitée comprennent l'oxyde de cérium,

l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium et le carbone dur.

Parmi ces exemples, le carbone dur est la matière préférée

du fait qu'il a le module d'élasticité le plus élevé.

Cependant, comme mentionné précédemment, le carbone dur n'adhèe pas bien au séléniure de zinc, au sulfure de zinc, etc, qui sont parmi les matières préférées pour la couche de base 12, en particulier à des longueurs d'ondes optiques

dans la plage de 8 pm à 12 jum. Le Tableau 3 indique les pro-

priétés mécaniques et optiques pertinentes de ces matières.

TABLEAU 3

Propriétes de matières our a couche 16 Coefficient Module

de dilata- d'élasti-

Indice tion thermi- cité Solubilité Matière à 10 pm que (10-6/OC) (109 Pa) dans H20 Carbone dur 2,2-2,4 - 1035 insoluble CeO 2,34 11,3 152 insoluble TiO2 2,4 8,2 304 insoluble Zr2 ZrO2 2,1 7,2 193 insoluble On peut déposer des pellicules de carbone dur par n'importe quelle technique appropriée. On peut par exemple utiliser la pulvérisation cathodique par faisceau d'ions,

ainsi que le dépôt chimique en phase vapeur faisant interve-

nir la décomposition de vapeurs contenant des hydrocarbures.

Bien que des couches de carbone dur n'aient généralement pas

bien adhéré à la plupart des matières utilisées en infrarou-

ge, comme mentionné précédemment, on pense que de telles couches en carbone dur adhéreront à des matières appropriées pour l'utilisation en tant que première couche de revêtement 14. Comme mentionné ci-dessus, des matières appropriées pour

la couche 14 comprennent MgO, Sc203 et Y203. De façon géné-

rale, le carbone dur adhère très bien à des oxydes de divers types, parmi lesquels ceux mentionnés ci-dessus. Ainsi, en intercalant la couche de revêtement 14 entre la couche 16 à module très élevé et la base 12, les avantages de résistance aux impacts des matières de la couche 16 à module très élevé procurent une couche composite 15 antireflet et ayant une excellente résistance aux impacts, destinée à protéger.la

base 12 contre l'impact de gouttelettes d'eau à vitesse éle-

vée. En considérant maintenant la figure 4, on voit un élément optique consistant ici en une plaque qui comprend la couche de base 12 et la couche de revêtement 11. La couche de -22 revêtement 11 est ici une couche de revêtement antireflet à large bande résistant aux impacts, 17, qui comporte un ensemble des couches de revêtement composites précitées 15,

antireflets et résistant aux impacts, comme décrit en rela-

tion avec la figure 3. Avec cette structure, on dispose d'un revêtement antireflet 11 très épais, ayant d'excellentes

propriétés d'adhérence sur la base 12 et une résistance éle-

vée aux impacts. En outre, en sélectionnant de façon appro-

priée les épaisseurs de l'ensemble de couches composites 15

et des couches de revêtement individuelles 14 et 16, confor-

mément aux principes optiques de conception de revêtements

multicouches, bn peut également réaliser un revêtement anti-

reflet à large bande.

En considérant maintenant les figures 5A-5D, on voit une série de graphiques extraits d'un rapport de Fields

et col., intitulé Liquid Impact Erosion Mechanisms In Trans-

parent Materials,AFWAL-TR-82-4022, qui montrent la diminu-

tion des contraintes radiales en fonction de la distance

normalisée par rapport au centre de l'impact d'une goutte-

lette. Chaque graphique présente des tracés représentatifs des contraintes radiales qui se développent sur une surface revêtue ayant un module d'élasticité supérieur à celui de la

matière des éléments optiques, en comparaison avec les con-

traintes radiales qui se développent dans une surface non revêtue. Comme le montre la figure 5D, lorsque le module

d'élasticité de la matière du revêtement est approximative-

ment égal à dix fois le module de la matière de la couche de base, les contraintes de traction qui sont induites dans la couche de base sont pratiquement égales à zéro pendant

l'impact d'une gouttelette d'eau.

En considérant maintenant les figures 6 et 7, on

voit des photomicrographies d'une surface non revêtue (figu-

re 8) et d'une surface revêtue (figure 9), après exposition

dans chaque cas à une zone de pluie simulée, avec une inten-

sité de 2,54 cm par heure, une vitesse de 724 km/h, un angle

d'incidence de 900 et un diamètre de gouttelette de 2 mm.

Comme on peut l'observer, l'importance des dommages subis

par la surface non revêtue du sulfure de zinc est notable-

ment supérieure à l'importance des dommages subis par la surface de sulfure de zinc revêtue d'oxyde d'yttrium.

En considérant la figure 8, on voit une représen-

tation graphique du facteur de transmission, en pourcentage, en fonction de la longueur d'onde, pour une plaque revêtue de 5,1 mm consistant en sulfure de zinc du type RAYTRAN (marque déposée de Rayteon Co. Lexington, Ma, E.U.A.) Le revêtement consistait en oxyde d'yttrium d'une épaisseur d'un quart de longueur d'onde à 10,0 microns. Le revêtement mesurait approximativement 2,45 microns d'épaisseur. On a sélectionné le revêtement de façon à maximiser le facteur de transmission de la surface à 10 microns, et on l'a appliqué

sur les deux surfaces principales de la plaque.

En considérant maintenant les figures 9-12, on voit une partie d'un élément optique, consistant ici en un dôme 110, qui comprend une couche 112 constituée par une matière ayant des propriétés optiques prédéterminées. Bien

que l'élément optique soit décrit spécialement ici en consi-

dérant un dôme, il faut noter que, selon des variantes, on

peut remplacer le dôme 110 précité par d'autres types d'élé-

ments optiques tels que des fenêtres, des plaques, des len-

tilles, etc. De façon caractéristique, la couche de base 112 aura la même épaisseur que la couche de base 12. L'élément

optique peut en outre avoir des propriétés optiques sélec-

tionnées. L'élément optique peut par exemple consister en une natière transparente pour l'énergie optique de façon

générale dans les spectres infrarouge, visible ou ultravio-

let. La matière de l'élément optique peut être un diélectri-

que ou un semiconducteur. Plus précisément, pour des élé-

ments optiques utilisés dans des systèmes d'imagerie tra-

vaillant en infrarouge, on peut citer à titre d'exemples de matières préférées le silicium, le germanium, l'arséniure de

gallium, le phosphure de gallium, le tellurure de mercure-

cadmium, le tellurure de cadmium, le sulfure de zinc, le séléniure de zinc ou l'un des sulfures ternaires de la forme générale MN2S4, dans laquelle M est un ion monovalent, N est un ion sélectionné dans la série des lanthanides et S est 2- l'ion sulfure S. La matière sélectionnée constituant la

couche 112 peut être fabriquée par n'importe quelle techni-

que connue, comme l'agglomération et la densification de poudres ou les dépôts chimiques en phase vapeur. En général, les matières qui sont sélectionnées pour la couche 112 sont caractérisées par un facteur de transmission relativement

élevé pour une énergie particulière, par exemple de l'éner-

gie infrarouge, le facteur de transmission étant de façon caractéristique supérieur à 50% sur une partie au moins de la bande infrarouge, et ce sont généralement des matières très fragiles et relativement rigides, ayant un module d'élasticité dans la plage de 34 x 109 à 104 x 109 Pa, mais ce sont généralement des matières assez cassantes, ayant une

résistance à la fracturation comprise de façon caractéristi-

que entre 38 x 106 et 104 x 106 Pa.

Le dôme 110 comprend en outre une couche de com-

pression 114 (figure 10) déformée de façon plastique, qui

est disposée sur la surface 112a de l'élément optique 110.

La couche de compression 114 est de préférence une partie de

la matière de la couche 112. Comme le montre plus particu-

lièrement la figure 12, la couche de compression 114 com-

prend un ensemble de sillons ou de rainures 113, avec des rainures ou des sillons 113 adjacents séparés par des régions comprimées 113a de la matière de la couche 112, et avec une couche comprimée 113b disposée sous ces sillons. Le

degré de compression de la couche 114 est fonction de l'in-

tensité des forces de compression qui sont produites pendant

le traitement du dôme 110 comme on le décrira.

En considérant maintenant les figures 11 et 12, on va décrire le mécanisme par lequel la couche de compression 114 renforce le dôme 110 et le protège contre des dommages susceptibles d'apparaître sous l'effet de l'impact d'eau à

vitesse élevée ou d'une charge mécanique.

Comme le montre la figure 11, une surface 112a, polie de façon classique, de la couche 112, reçoit une

gouttelette d'eau 115 ayant une vitesse résultante V0 nor-

male à la surface 112a. Il existe dans la surface 112a de la couche 112 une micro-craquelure préexistante 116, qui a été créée au moment de la fabrication de la surface polie ou qui est associée de toute autre manière à la morphologie de la base 112. Au moment de l'impact de la gouttelette d'eau 115 sur la surface classique 112a, il apparait une composante de traction de l'onde de contrainte de surface résultante, représentée par des flèches 118. Sous l'effet de cette force de traction 118 dans la région de la micro-craquelure 116, cette dernière se propage sous la forme d'une craquelure 116'. Si la force de traction est suffisamment élevée, la craquelure 116' peut se propager entièrement à travers la base 112 de l'élément optique 10. Avec un nombre suffisant de ces craquelures, la transparence optique de l'élément peut être fortement réduite du fait de réflexions et de réfractions internes dans la région de la craquelure. Un point encore plus important consiste en ce que l'élément

optique comportant suffisamment de craquelures est suscepti-

ble de se briser ou de se casser, exposant ainsi le reste du système optique (non représenté) à des dommages pouvant

entraîner sa destruction complète.

Comme le montrent les figures 14A, 14B et 15, et conformément à l'invention, lorsque la couche comprimée 114

est formée sur le dôme 110, les micro-craquelures préexis-

tantes 116 qui se trouvent dans la base 112 sont réparées par la compression de la matière dans la région 114. Pendant la fabrication de la couche comprimée 114, il -apparait des forces de compression opposées qui ont pour action de réduire la taille des micro-craquelures, ce qui donne de plus petites micro-craquelures 117. En outre, la matière

entourant la micro-craquelure 117 est toujours sous compres-

sion, comme l'indiquent des flèches 120 qui exercent une poussée sur la matière dans la région 113b. Au moment de l'impact d'une gouttelette d'eau, comme mentionné ci-dessus, une composante de contrainte de traction 118 est créée à l'emplacement de la micro-craquelure 117. Par conséquent, du fait que la micro-craquelure 117 est plus petite, la vitesse à laquelle la gouttelette d'eau peut frapper la couche de surface sans créer de dommage est augmentée, du fait que le seuil de vitesse est augmenté par la réduction de la taille

de la micro-craquelure. En outre, la matière reste en com-

pression après que les sillons 113 ont été formés, et la

composante de force de traction réduite 118' qui est créée-

au niveau de la micro-craquelure 117 ne se propage pas dans toute la couche de compression 114 et dans la couche de base 112, sauf si la composante de force de traction 118' peut vaincre la force de compression qui représente le degré de compression de la couche 114. Par conséquent, la couche de compression 114 procure deux mécanismes pour augmenter le seuil de vitesse auquel apparait un dommage sous l'effet d'un impact: elle réduit de façon générale l'étendue des micro-craquelures présentes dans la matière, ce qui donne lieu à une composante de traction résultante plus faible pour une vitesse d'impact donnée d'une gouttelette d'eau; et elle procure une force de compression pour réduire la propagation dans la couche comprimée 114 de la force de

traction qui est produite.

Le procédé préféré pour former la couche de com-

pression 114 consiste à usiner une partie de surface de

l'élément optique avec un outil à une seule pointe de dia-

mant. On peut de façon générale usiner la surface en deux étapes. Pour la première étape, qui est une "taille de dégrossissage", on sélectionne les paramètres d'usinage de façon à enlever des quantités importantes de la matière 119, comme le montre la figure 10, l'épaisseur de matière enlevée pouvant être de l'ordre de 25 à 125 pm ou plus. La seconde opération de taille, ou "taille de finition", peut comprendre une ou plusieurs passes au cours desquelles on enlève une faible quantité de matière, de façon caractéristique 2,5 à 12,5 pm, pour former une surface pratiquement plane mais

comportant néanmoins des sillons.

On trouvera ci-après des caractéristiques de sur-

face typiques pour la couche de compression trempée 114 qui

est représentée sur la figure 10.

Les sillons 113 peuvent avoir de façon caractéris-

tique une largeur Wf de 0,01 à 0,02 mm. Les parties de paroi latérale 113a ont de façon générale une hauteur hf de 1 nm. à

1000 nm.

On trouvera ci-après des paramètres d'usinage

caractéristiques utilisables pour usiner une couche de com-

pression 14 dans des disques de sulfure de zinc de 25,4 mm.

Paramètres d'usinage par un outil à une seule pointe, utilisable pour former des couches de surface de compression Taille de dégrossissage: Profondeur de taille = 76 pm Vitesse de rotation = 750 t/mn Vitesse d'avance = 12,7 mm/mn Rayon de l'outil = 3,18 mm Taille de finition: Profondeur de taille = 5,1 pm Vitesse de rotation = 550 t/mn Vitesse d'avance = 6,4:5 mm/mn Rayon de l'outil = 3,18 mm On a fabriqué soixante échantillons de disques de sulfure de zinc conformément aux techniques présentes. On a mesuré sur ces disques les paramètres mécaniques correspondant à la

micro-dureté Knoop (kg/mm2) et à la résistance à la fractu-

ration. La résistance à la fracturation a été de façon géné-

rale d'au moins 135 x 106 Pa, ce qui est supérieur à la résistance à la fracturation (107 x 106 Pa) d'échantillons

polis classiques. Cette technique procure donc une augmenta- tion d'environ 25% de la résistance à la fracturation.

Comme le montrent les figures'14A, 14B, la surface

polie classique est pratiquement lisse, uniforme et dépour-

vue de motif, tandis que la surface préparée conformément à l'invention présente des sillons ou des rainures espacés de

façon pratiquement régulière.

Les figures 15 et 16 montrent des tracés de micro-

dureté caractéristiques, représentant des valeurs de dureté Knoop en fonction de la charge pour des disques de sulfure

de zinc polis de façon classique et pour des disques de sul-

fure de zinc comportant la couche comprimée 114. Les

valeurs de dureté Knoop pour des disques comportant la cou-

che comprimée 114 sont de façon générale supérieures de 50 à unités aux valeurs de dureté Knoop pour des disques polis de façon classique, pour des charges de 30 grammes ou moins. En outre, comme le montre la figure 16, la différence de dureté exprimée sous la forme d'une différence des valeurs de dureté Knoop en fonction de la profondeur de pénétration dans la couche compriméell4, indique qu'on

obtient une augmentation de dureté notable pour des profon-

deurs de pénétration de 2 microns ou moins. En extrapolant ces données, on en déduit que l'effet de dureté est limité dans une partie de surface de 3 microns des échantillons usinés.

Une comparaison des figures 17A et 17B, c'est-à-

dire entre des plaques de sulfure-de zinc polies de façon

classique et usinées par un outil à une seule pointe de dia-

mant, après 5 minutes d'exposition à 724 km/h à une zone de pluie simulée d'une intensité de 25,4 millimètres par heure

avec des gouttes de 2 mm de diamètre, montre que l'échan-

tillon poli de façon classique a subi des dommages beaucoup plus importants, consistant essentiellement en fractures au-dessous de la surface; on constate au contraire des dom-' mages notablement plus faibles pour la plaque comportant la

couche comprimée formée par usinage d'un échantillon de sul-

fure de zinc avec un outil à une seule pointe de diamant (figure 17B). La comparaison des figures 18A et 18B indique que la couche 114est une couche de matière optique comprimée.On

a poli deux ébauches de lentilles en sulfure de zinc prove-

nant du même lot de sulfure de zinc. On a poli la surface d'une lentille de façon qu'elle soit optiquement plane, en utilisant des techniques de polissage classiques, tandis qu'on a usiné la surface de l'autre lentille pour la rendre plane conformément à l'invention. Après la fabrication, on a monté chaque échantillon sur une embase de meulage, avec la face traitée tournée vers le bas, et on a aminci chaque échantillon en le faisant passer d'environ 5 mm à 0,25 mm d'épaisseur, et avec une planéité d'un quart de longueur d'onde dans le spectre visible sur toute l'étendue de la surface meulée. Lorsqu'on a libéré ces échantillons des embases de meulage, une certaine déformation s'est produite dans chaque échantillon. Cette déformation apparaît sur les

topographies par interférences des figures 18A et 18B. Com-

me le montre la figure 18A, la déformation de l'échantillon poli de façon classique était minimale, donnant une surface finale irrégulière. Cependant, comme le montre la figure 18B, pour l'échantillon comportant la couche comprimée 114 conforme à l'invention, la déformation était si importante qu'elle n'a pas pu être mesurée par l'interféromètre. En outre, une fois que l'échantillon de la figure 3 a été libéré de l'embase de meulage, il s'est déformé en donnant une surface fortement concave. Cette déformation est liée aux contraintes inhérentes présentes dans les couches de

l'échantillon meulé. Il est donc clair qu'il n'existe prati-

quement aucune contrainte de compression dans l'ébauche

polie de façon classique (figure 18A), tandis que l'échan-

260 6 1 6 5

tillon représenté sur la figure 18B comporte une couche 114 fortement comprimée. On a mesuré de façon optique le rayon de la surface concave et on a utilisé ce rayon pour estimer

la valeur de la contrainte de compression présente à la sur-

face de l'échantillon usiné (figure 18B). La contrainte de compression (S) est liée au rayon (R) de la courbure de la surface par la relation suivante: E d2 S = 6 x(1-V)tR dans laquelle E est le module d'Young dont la valeur donnée est de 74,5 x 10 Pa; d est l'épaisseur de l'échantillon, estimée à 0,23 mm; R est le rayon de-courbure dont la valeur mesurée est de 129,2 x 10-2 m; t est l'épaisseur de

la couche comprimée, estimée à 1 x 10-6 m et V est le rap-

port de Poisson, estimé à 0,28. La résolution de cette équa-

tion donne S = 7,1 x 108 Pa. Par conséquent, les effets de durcissement et d'augmentation de la résistance mécanique

mis en évidence par les données précédentes résultent clai-

rement de la formation d'une couche de surface produisant une compression de surface sur les ébauches en sulfure de

zinc, pendant les opérations décrites ci-dessus. Par conse-

quent, par un choix approprié de paramètres d'usinage tels que la vitesse de l'outil, le type d'outil, la profondeur de taille, la vitesse d'avance, l'angle de l'outil, etc, on

* peut sélectionner la valeur de la couche de compression for-

mée sur la surface du sulfure de zinc, et oh peut donc déterminer également le degré de durcissement/augmentation

de résistance mécanique du sulfure de zinc.

En considérant maintenant la figure'19, on voit une partie d'un élément optique, qui est ici une plaque 130, comprenant la couche 12 qui consiste en une matière ayant des propriétés optiques prédéterminées, comme décrit ci-dessus. Au-dessus de la couche 12 se trouve une couche de matière comprimée 114, comme celle décrite en relation avec les figures 9-18B. Audessus de la couche comprimée 114 se trouve une couche de revêtement 11 constituée par l'un des revêtements monocouches ou multicouches précités, décrits

en relation avec les figures 1-8. Avec cette structure par-

ticulière, on considère que les propriétés renforcées de durcissement et de résistance à l'érosion par la pluie des

deux techniques décrites précédemment contribuaeont à procu-

rer un élément optique ayant une résistance à l'érosion par la pluie et une résistance à la fracturation notablement

améliorées.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées aux dispositifs et aux procédés décrits

et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1.- Procédé pour faire adhérer une couche de carbone dur (16) sur une base (12) consistant en une matière sélectionnée dans le groupe correspondant au matières du Groupe II-VI ou du Groupe III-V, caracté- risé en ce qu on forme entre la base (12) et la couche

de carbone dur (16) une première couche (14) consis-

tant en une matière sélectionnée dans le groupe qui comprend l'oxyde d'yttrium, l'oxyde de scandium et

l'oxyde de magnésium.

2.- Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que la matière du Groupe II-VI est sélec-

tionnée dans le groupe comprenant le sulfure de zinc, Je séléniure de zinc, le tellurure de mercure-cadmium et le tellurure de cadmium, et la matière du Groupe

III-V est sélectionnée dans le groupe comprenant l'ar-

séniure de gallium et le phosphure de gallium.

3.- Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que la base (12) de la première couche

(14) et la couche de carbone dur (16) forment un élé-

ment optiquement transparent.

4.- Procédé selon la revendication 3, carac-

térisé en ce que la première couche (14) a une épais-

seur physique (t) donnée par la relation t = (2N+1) /43/nc, dans laquelle A est une longueur d'onde intéressante, n est l'indice de réfraction de c la matière de la première couche à la longueur d'onde

et N est un entier 0,1,2,3...