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Filtre de lumière à interférence.
Les filtres de lumière généralement connus ou bien absorbent la lumière indésirable (écran d'absorption), ou ils la dispersent (écran de dispersion). Les écrans d'absorption présentent l'incon- vénient d'anéantir inutilement l'énergie rayonnée des longueurs d'ondes absorbées, ce qui produit en même temps un échauffement souvent très indésirable du filtre ; en outre, il est très diffi- cile d'obtenir des écrans à forte transparence pour une bande étroite de longueurs d'ondes et avec une chute rapide des deux cô- tés, surtout dans l'ultra-violet et l'ultra-rouge. Les écrans de dispersion par contre exigent certains accessoires optiques, ce qui rend leur emploi impossible dans un certain nombre de cas.
Dans une troisième espèce d'écrans ou filtres, l'effet est basé sur des phénomènes d'interférences. Ainsi par exemple par l'application alternative de couches transparentes à indices varia- bles de réfraction, on a réalisé des écrans réfléchissant une bande
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étroite de longueurs d'ondes, tout en laissant passer toute la lumière restante sans autre affaiblissement que quelques pertes d'absorption ; cet effet provient du fait que,par suite des indices alternatifs de réfraction,des phénomènes d'interférence prennent naissance. De tels écrans ne peuvent être employés que dans des limites très étroites, leurs courbes de transparence ne présentant que des minima très étroits et sans profondeur, parce que la réflexion est même trop faible pour les longueurs d'ondes réfléchies avec la plus grande intensité.
Si la direction d'incidence de la lumière sur les couches est oblique, il est vrai que la proportion des rayons réfléchis augmente, mais ce procédé ne peut être employé que si les rayons incidents sur l'écran sont parallèles entre eux, les phénomènes d'interférence dans le cas d'une incidence oblique étant fonction de l'angle d'incidence.
Suivant l'invention, on obtient un écran coloré à interférence d'une grande efficacité et avec une bande étroite de transparence, s'il est constitué par au moins deux couches transparentes à réflexion métallique, disposées à une distance, qui est tout au plus égale à dix fois la longueur d'onde de la lumière traversant l'écran avec la plus forte intensité, cette distance étant remplie par au moins une couche intermédiaire à réflexion non-métallique.
Les deux couches extérieures à réflexion métallique peuvent être enduites d'une ou de plusieurs couches transparentes extérieures, servant à obtenir des effets supplémentaires ou servant de protection. En outre, on peut fixer le filtre sur un support transparent, telle qu'une plaque en verre.
Dans un écran suivant l'invention, les rayons transmis par les couches à réflexion métallique et les rayons réfléchis plusieurs fois par ces couches sont en interférence, produisant ainsi un renforcement pour certaines longueurs d'onde et un affaiblissement pour d'autres ; en effet, l'écran laisse passer le plus facilement les longueurs d'ondes qui sont réfléchies le plus faiblement et inversement. Un avantage des écrans suivant l'invention réside en
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premier lieu dans le fait que pour eux, ainsi que pour les écrans à interférence en général, une faible quantité d'énergie seulement est perdue par absorption.
Ensuite ce n'est que depuis l'emploi des couches à réflexion métallique, qu'il est possible d'obtenir certains écrans qui ne peuvent être obtenus avec des couches à réflexion non-métallique, notamment des écrans à bandes étroites de transparence, dans lesquels la transparence des deux côtés tombe brusquement à presque zéro.
L'épaisseur des couches intermédiaires est, comme spécifié, tout au plus égale à quelques longueurs d'ondes ; l'épaisseur des couches à réflexion métallique est même sensiblement inférieure.
Pour la réflexion métallique conviennent surtout les matières dont le pouvoir absorbant pour la longueur d'onde à transmettre est réduit à un minimum. Ceci est le cas pour les métaux présentant une réflexion très élevée à l'état compact. Dans la lumière visible par exemple l'argent convient très bien. Pour des longueurs d'ondes inférieures à 500 m , on emploie de préférence des alliages d'aluminium avec une faible ajoute d'argent ou de silicium.
L'or convient plus spécialement pour l'ultra-rouge ; pour des longueurs d'ondes plus grandes, il convient d'employer le cuivre et le nickel, l'aluminium pour l'ultra-violet. La réflexion des métaux s'améliorant pour des longueurs d'ondes plus grandes, on peut obtenir des écrans très efficaces pour l'ultra-rouge. De même les matières dans lesquelles la réfraction et l'absorption sont sensiblement fonction de la longueur d'onde dans les limites de la longueur d'onde transmettable, peuvent être particulièrement utilisables dans certains cas. C'est en l'espèce le cas pour l'argent dans les limites de 320 m , de même pour les métaux alcalins dans l'ultrarouge.
De même des combinaisons non-métalliques, présentant un maximum d'absorption très élevé, combiné à une réflexion métallique, en proximité de la longueur d'onde respective, comme les oxydes ou les sulfures de certains métaux, tels que l'oxyde de nickel et l'oxyde de plomb et certaines matières organiques, peuvent être
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employées dans la lumière visible et dans l'ultra-violet, ainsi que le quartz, la fluorine et le sel de cuisine dans la bande des rayons ultra-rouges.
Il est à noter que les métaux. ne présentent une bonne réflexion métallique que s'ils constituent une couche continue, c'est-à-dire non pas à l'état-de particules colloïdales séparées ; dans le cas d'une séparation colloïdale, l'interférence recherchée n'existe pas, mais la lumière est affaiblie sur toute la bande des longueurs d'onde, ainsi qu'il est connu par la plaque photographique.
Comme support transparent, on peut employer de préférence par exemple du chlorure de potasse ou du chlorure de sodium; pour la bande de l'ultra-violet, c'est le quartz ou la fluorine ,qui est employé de préférence ; dans d'autres cas, le verre et les matières organiques conviennent le mieux. Pour les couches intermédiaires, ainsi que pour les couches extérieures, on peut employer en l'espèce des oxydes et des oxyhydrates du silicium, de l'aluminium, du titane, des fluorures de faible solubilité, du calcium, du lithium et de l'aluminium par exemple ainsi que des matières organiques, telles que le collodion.
Il va de soi que dans le choix des matières pour les couches transparentes, il faut tenir compte des constantes optiques de ces matières, étant donné qu'à la limite de deux matières, la réflexion est fonction des constantes optiques des matières limitrophes.
Les couches réflectrices ainsi que les couches transparentes peuvent être obtenues suivant des procédés connus, en l'espèce par l'évaporation dans le vide, par atomisation cathodique, par la décomposition thermique ou chimique de combinaisons volatiles, par précipitation des métaux de solutions de sels métalliques, par éclaboussure de solutions colloïdales et autres. Naturellement il faut prendre soin que les différents procédés soient effectués sous des conditions n'admettant pas des modifications défavorables des couches métalliques, par exemple par recristallisation, par diffusion, par oxydation etc., la compacité des couches métalliques
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étant d'une importance essentielle.
Aussi bien dans la lumière transmise que dans la lumière réfléchie, les écrans suivant l'invention peuvent être utilisés dans la bande des longueurs d'onde, dans laquelle il existe pour les couches transparentes des matières d'une transparence suffisante, en l'espèce d'environ 130 m (fluorine) jusqu'à au moins 20 (.chlorure de potasse). En renonçant à un support d'appui et en employant des couches intermédiaires organiques, il devrait être possible de pénétrer encore beaucoup plus loin dans la bande de l'ultra-rouge.
La théorie des écrans à interférence a beaucoup de ressemblance avec celle de l'interféromètre de Fabry-Pérot ; cependant dans celui-ci, les deux couches métalliques transparentes sont séparées par une couche d'air relativement épaisse. Dans les couches minces de séparation, nécessaires à la fabrication d'écrans colorés suivant l'invention, la théorie précitée, à cause du changement des constantes optiques de chacune des matières en fonction de la lon- gueur d'onde, est nécessairement soumise à une modification. Ceci est surtout le cas, si on emploie des matières présentant dans les limites de la longueur d'onde, pour laquelle l'écran doit être efficace, des propriétés optiques anormales.
Dans ce cas, il y a une superposition particulière de phénomènes d'interférences et d'absorption, produisant selon la position des endroits d'anomalie des rétrécissements ou des élargissements de la bande transmise ou réfléchie de longueurs d'ondes ou des modifications dans la raideur de la chute. Une représentation exacte des phénomènes, obtenus est possible à l'aide des méthodes connues de l'optique des ondes.
Ainsi, pour le cas d'un écran composé de deux couches égales métalliques, séparées par une couche intermédiaire transparente, on peut établir la formule suivante pour la transparence de l'écran :
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Dans cette formule, t est la transparence (c'est-à-dire la
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partie transmise de la lumière incidente par rapport à la totalité de la lumière incidente) d'une seule couche métallique, m est la réflexion à la limite entre la couche intermédiaire et le métal et est l'angle de phase qui,au premier degré d'approximation, est proportionnel à l'épaisseur de la couche intermédiaire et inversement proportionnel à la longueur d'onde.
Pour les valeurs maximum et minimum de d, il y a
EMI6.1
d max.. = t2 2 et dmin. - t2 (i - 1 (1 + m) S'il y avait des métaux avec t + m = 1, alors indépendamment de la valeur spéciale de m et t, la valeur Dmax serait toujours = 1, c'est-à-dire la transparence maximum serait de 100 %. En réalité, la transparence maximum atteinte jusqu'à présent avec l'argent dans un dispositif d'écran dans la lumière visible est de 50 % environ.
Dans ce cas, la transparence t de chacune des couches d'argent était à peu près de 0,12 et la réflexion m environ 0,83, par conséquent t + m = 0,95 pour une épaisseur de la couche d'argent de 30 m .
La transparence minimum pour ce dispositif est de 0,66 % et est par conséquent assez petite pour beaucoup d'emplois. En présence de couches d'argent plus minces, la transmission augmente dans le minimum, mais dans le maximum, elle reste pratiquement égale ou elle diminue. Ceci provient de ce que les constantes optiques de couches minces sont différentes de celles de couches épaisses. Les impuretés provenant de matières non-métalliques, tels que des oxydes ou des produits de décomposition de matières organiques, sont surtout nuisibles, du fait qu'elles troublent probablement la cohésion des couches métalliques.
La superposition de l'effet de plus de deux couches réfléchissantes est d'une importance capitale et en dehors d'autres couches réfléchissantes métalliques, on peut encore employer des couches réfléchissantes non-métalliques, si celles-ci ne présentent pas en général le même indice de réfraction, produisant par conséquent des réflexions partielles, c'est-à-dire si des couches intermédiai-
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res contiguës ou des couches extérieures superposées ne présentent pas le même indice de réfraction, ou si une couche contiguë au support de l'écran présente un indice de réfraction différent de celui du support.
En présence de la superposition, d'effets, il faut distinguer deux cas, suivant que les couches à réflexion métallique constituent des groupes, à l'intérieur desquels leurs distances respectives ne sont que très réduites, tandis qu'au contraire, la distance réciproque des groupes est sensiblement plus grande, ou bien que cette différence de grandeur dans les distances n'existe pas.
Dans le premier cas (dans lequel deux ou plusieurs écrans sont réunis de manière telle que la distance réciproque de deux écrans est sensiblement plus grande que la distance réciproque des couches à réflexion métallique), il n'est pas besoin de prendre en considération les rapports des phases des différents groupes.
La transparence p (c'est-à-dire le rapport de la partie transmise de la lumière incidente de la longueur d'onde en question à la quantité totale de la lumière incidente) d'un assemblage de deux groupes distincts avec la transparence dl resp. d2 (fonction de la longueur d'onde) et avec les réflexions r1 resp. r2, aucune absorption n'existant dans la couche intermédiaire épaisse entre les deux groupes, est alors donnée par l'équation :
EMI7.1
Pour d1 = d2 = 1, donc pour r1 = r2 = 0, la valeur p devient = 1.
Pour des valeurs décroissantes de d1 et d2, la valeur p, à cause du dénominateur décroissant constamment, décroît moins rapidement qu'il faudrait s'y attendre d'après la loi Lambert, qui exigerait que p =, d1 + d2, La différence devient d'autant plus grande que r1 + r2 s'approche davantage de la valeur 1 ; la protection contre des petites quantités d'une partie indésirable de la lumière incidente est difficile de cette manière. On peut éviter ces difficul- tés en disposant les différents systèmes à angle aigu l'un par rap-
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port à l'autre. Mais alors, on obtient beaucoup de rayons déviés à côté du rayon non-dévié.
En outre, il est possible d'affaiblir les dernières parties restantes de lumière au moyen d'écrans colorés d'absorption additionnels, en colorant par exemple une ou plusieurs des couches à réflexion non-métallique ou en utilisant comme support une plaque d'une absorption convenable, telle qu'une plaque en verre de couleur. En présence d'un support absorbant, il sera préférable de disposer l'écran de manière que la lumière tombe en premier lieu sur les couches réfléchissantes et ensuite seulement sur le support, afin d'empêcher un échauffement inutile de l'écran.
Si on introduit ensuite un second écran dans le chemin des rayons, alors la loi Lambert est valable, les réflexions de retour au premier écran étant supprimées par le support absorbant ; on peut donc obtenir des combinaisons très efficaces.
Les circonstances sont quelque peu différentes dans le second des deux cas précités, c'est-à-dire si la distance entre les différents groupes du système devient à peu près égale aux distances dans les groupes mêmes. Dans ce cas, on peut obtenir additionnellement des interférences entre les différents systèmes qui, le cas échéant, agissent favorablement sur la forme de la courbe de trans- parence.
Le dessin annexé explique l'invention par quelques exemples et par des courbes de transparence obtenues suivant ces exemples pour une incidence verticale de la lumière ; pour une incidence oblique, les écrans pratiquement agissent comme si l'épaisseur des couches à réflexion non-métallique était égale à leur épaisseur réelle, multipliée par cos. v, v représentant dans ce cas l'angle constitué sur la couche en question par les rayons lumineux et la normale de la surface, la relation entre v et l'angle d'incidence étant déterminée par la loi de réfraction. Les écrans du dessin sont représentés à une échelle sensiblement agrandie.
Fig.l est une coupe d'un écran, et
Fig. 2 est la courbe correspondante de transparence.
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Fig.3 est une coupe d'un deuxième écran et
Fig. 4 la courbe correspondante de transparence, Fig.5 est une coupe d'un troisième écran et
Fig.6 la courbe correspondante de transparence,
Fig.7 est une coupe d'un quatrième écran,
Fig.8 est une coupe d'un cinquième et Fig.9 d'un sixième écran.
L'écran représenté dans la figure 1 comporte deux couches d'argent al et a2, chacune d'une épaisseur de 20 m , séparées par une couche de collodion b de 200 Dans la figure 2, l'axe des abscisses indique la longueur d'onde en m et la coordonnée la transparence en pourcents. La courbe en traits pleins de la figure 2 représente la transparence de l'écran correspondant.
La courbe pointillée (coïncidant à ses extrémités avec celle en traits pleins) représente la transparence qu'on obtient, si les deux couches d'argent sont placées directement l'une sur l'autre, pour former une couche d'argent homogène d'une épaisseur de 40 m , Ainsi qu'il résulte du dessin,, par suite de l'intercalage de la couche intermédiaire, la transparence de l'écran suivant figure 1 est accrue dans la bande bleue, mais surtout dans le violet et l'ultra-violet, par rapport à la transparence d'une couche homogène en argent.
, L'écran représenté par la figura 3 comporte deux couches d'argent cl et c2, d'une épaisseur de 30 m chacune, séparées par une couche de collodion d de 910 ni,,4' d'épaisseur. Ainsi qu'il résulte de la figure 4, la transparence pour les longueurs d'ondes de 454 (bleu) et de 606 (jaune) présente un maximum d'une hauteur de 40 %, tombant brusquement des deux côtés. jusqu'à presque zéro.
En utilisant cet écran comme écran de réflexion, on obtient un spectre approximativement complémentaire avec larges maxima d'à peu près 100 % et des minima étroits, pratiquement égaux à zéro.
Par réflexion multiple sur différents écrans convenables ou bien par réflexion sur le même écran sous des angles différents, on
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réussit à augmenter encore davantage la région du spectre de la lumière retenue.
L'écran représenté par la figure 5 est 'constitué par deux couches d'argent el et e2 , elles aussi d'une épaisseur de 30 m , séparées par une couche de collodion f de 1220 m . Ainsi qu'il ressort de la figure 6, par suite de l'épaisseur plus grande de la couche de collodion, l'un des maxima se trouve à nouveau dans les environs de 606 (jaune), mais par contre l'autre s'est déplacé vers 485 (bleu).
L'écran représenté par la figure 7 comporte quatre couches d'argent gl, g2, g3 et g4, séparées par trois couches de collodion hl, h2 et h3. Chacune des couches gl, g2, g3 et g4 présente une épaisseur de 30 le 8 couches h1 et h2 sont d'une épaisseur de 910 m/ chacune et la couche h3 est d'une épaisseur de 1220 m .
Cet écran peut être considéré comme composé par un écran suivant figure 3 et un autre écran suivant figure 5, ces deux écrans étant séparés par une couche h2 en collodion. L'effet de cet écran est le suivant : Etant donné que chacun des deux écrans gl, h1, g2 et g3, h3, g4 est pratiquement sans réflexion aux positions de sa plus grande transparence, aucune réflexion ne peut avoir lieu entre les deux écrans simples, pour les longueurs d'ondes, pour lesquelles l'un des deux écrans simples présente un maximum de transparence ; par conséquent, la loi Lambert est valable pour ces longueurs d'ondes.
Pour les longueurs d'ondes par contre, pour lesquelles la transparence des deux écrans simples est très réduite (c'est-à-dire en considérant ensemble les figures 4 et 6, pour les longueurs d'ondes entre 500 et 591), l'effet de chacun des deux écrans simples est à peu près égal à l'effet d'une couche métallique homogène.
Etant donné que l'épaisseur de la couche h2 est égale à l'épaisseur de la couche d de l'écran suivant figure 3, et que chacun des écrans simples gl, hl, g2 et g3, h3, g4 agit à peu près comme une couche métallique homogène, c'est-à-dire comme les couches cl et c2 de l'écran suivant figure 3, la position des maxima est identique à
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celle de la figure 4. Par conséquent, l'écran suivant figure 7, ainsi que l'écran suivant figure 3, présente deux maxima, l'un pour 454 (bleu) et l'autre pour 606 (jaune), pour les autres parties, la transparence étant presqu'égale à zéro.
De ces deux maxima cependant, celui de 454 est sensiblement plus faible que celui de 606, les deux écrans simples ne présentant un maximum de transparence que pour 606, tandis que pour 454, l'écran simple g1, h1,g2 présente bien un maximum de transparence, par contre l'écran simple g3, h3, g4 est d'une transparence presqu'égale à zéro. Pratiquement, il n'existe donc que le maximum en 606.
Tandis que l'écran suivant figure 3 présentait une bande étroite de transparence aussi bien dans le bleu que dans le jaune, l'écran suivant figure 7 ne présente qu'une bande étroite de transparence dans le jaune. une étude théorique plus exacte, tenant compte également de la superposition des effets dans des régions dans lesquelles les deux écrans présentent une transparence moyenne, démontre que la forme de la courbe de transparence est influencée favorablement du fait que la bande d'une transparence très élevée est quelque peu élargie, tandis que la chute latérale devient encore plus raide. Si l'on veut réduire encore davantage la petite partie de lumière bleue, transmise en 464, on peut atteindre ce but, en ajoutant par exemple un coloris convenable à la couche h2 de collodion.
L'écran représenté en figure 8 est constitué de la même maniè- re que l'écran représenté en figure 7. Il comporte quatre couches d'argent i1,i2,i3 et i4, séparées par trois couches de collodion j1, j2 et j3. La couche i4 est appliquée sur une plaque k en verre de couleur; Ces couches en argent ont également une épaisseur de 30 m , par contre,des couches en collodion,la couche jl a une épaisseur de 910 m et les couches j2 et j3 chacune une épais seur de 1220 m . Pour les mêmes motifs, pour lesquels dans l'écran suivant figure 7, les maxima de transparence sont situés aux mêmes positions que dans la figure 4, les maxima de l'écran suivant figure 8 occupent la même position. que. dans la figure 6,
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c'est-à-dire en 485 (bleu) et en 606 (jaune).
De même, dans ce cas, il existe seulement le maximum en 606, le maximum en 485 étant sensiblement plus faible. La petite quantité de lumière bleue, transmise encore en 485, est retenue par absorption dans la plaque en verre de couleur k, à l'exception d'une petite quantité absolument nég ligeable.
En réduisant progressivement dans un écran suivant figure 7 l'épaisseur de la couche h2 ou dans un écran suivant figure 8 l'épaisseur de la couche j2 jusqu'à leur disparition complète, on obtient une transition continue vers un écran avec trois couches en argent. En modifiant logiquement les raisonnements ci-dessus, on reconnaît qu'avec de tels écrans également tous les maxima à l'exception d'un seul, peuvent être supprimés.
L'écran représenté en figure 9 comporte cinq couches à ré- flexion métallique /1, t2, t3, t4 et t5, séparées par quatre couches transparentes m1, m2, m3 et m4. Sur la face extérieure de la couche T1, on a appliqué une couche transparente n1 et sur la face extérieure de la couche t5 une couche transparente n2. En outre, la couche transparente n2 est appliquée sur une plaque o en verre. Chacune des couches transparentes peut être composée de plusieurs couches, différentes par rapport à leur matière consti- tuante.
REVENDICATIONS.
1. Filtre de lumière, à interférence comportant plusieurs couches superposées, transparentes à la lumière, caractérisé en ce qu'il est constitué par deux couches transparentes à réflexion métallique, à distances réciproques tout au plus égales à dix fois la longueur d'onde de la lumière transmise avec la plus grande intensité, cette distance étant remplie par une couche intermédiaire à réflexion non-métallique.