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@ COUCHES D'INTERFERENCE OPTIQUE
Les couches dinterférence optique en matière diélectrique servant actuellement à diverses applications, par exemple à empêcher l'éblouissement, à filtrer,polariser et combiner des faisceaux lumineux avec ou sans diffé- rentiation spectrale.
Dans certains cas, ces couches sont appliquées sur les surfaces de leur support de façon à permettre de négliger les propriétés opti- ques dudit supporta si elles ont été utilisées jusqu'à présent d'une manière ne permettant pas de négliger le supporte en les enfermant par exemple entre des corps ou masses de verre, cette application n'a donné lieu à aucune dif- ficulté probablement parce que les conditions qui provoquent l'apparition de phénomènes nuisibles sont négligeables.Cependant,, il aêté constaté que cer- tains phénomènes prennent une importance considérable lorsqu'on incorpore des couches d'interférence optique enfermées.:
, ou d'une manière générale des couches déposées sur des supports de certains types, à des appareils qui doi- vent remplir des conditions de fonctionnement particulièrement précises, en ce qui concerne la transmission et la réflexion de la lumière avec un minimum de perte d'intensité et une uniformité aussi parfaite que possible sur une surface de grande étendue.
L'invention a notamment pour objet : - des couches d'interférence optique de grande efficacité et con- venant à diverses applications quelle que soit la structure du support sur lequel elles sont appliquées; des dispositifs qui réfléchissent ou transmettent la lumière avec un minimum de perte d9intensité due à des phénomènes indésirables de réflexion ou de polarisation, ces dispositifs consistante suivant une forme de réalisation particulièrement utiles en dispositifs de combinaison de fais- ceaux comportant des couches enrobées à utiliser dans la photographie en cou- leurs.,
dans la télévision en couleurs et les appareils analogues.. ces disposi- tifs étant construits de façon à réfléchir en quantités choisies à volonté et
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atteignant en principe la valeur maximum théorique la lumière dans cer- taines bandes ou régions séparées du spectre optique et à transmettre de la même manière la lumière dans d'autres régions; des systèmes de cette natures permettant d'obtenir une saturation ou une pureté de la couleur supérieures à celles qu'on a pu obtenir jusque présenta et aussi en particulier dans le faisceau transmis;
des systèmes de combinaison des faisceaux convenant à l'analyse des couleurs ainsi quà la synthèse dans les appareils photographiques,, de télévision et'analogues,9 qui transmettent aussi exactement que possible ou qu'on le désire la totalité de la lumière dans une région nettement dé- finie du spectre optique, tandis qu9ils réfléchissent de la même manière la lumière dans toute détendue d9une autre région spectrale immédiatement voisine de la première ;
un système de cette nature qui comporte dans un corps optique -cubique un ensemble de couches multiples en diverses matières diélectriques d9épaisseurs définies par des fractions ou multiples de longueur d'onde, et de nature à pouvoir être appliquées pratiquement par des procédés applica- bles dans l'industrie,9 dont la forme et les autres caractéristiques convenant particulièrement aux applications précitées peuvent être réglées et qui sont compatibles entre elles en ce qui concerne leurs propriétés physiques et chi- miques;
des dispositifs divisant Et combinant la lumière du type précitée qui combinent un faisceau de lumière en principe blanche avec des faisceaux élémentaires colorés convenant particulièrement à la photographie et à la télévision en couleurs,9 c'est-à-dire dans les gammes spectrales du bleu, du vert et du rouge ou leurs combinaisons ; des couches d'interférence optique destinées à des applications spéciales telles que des couches complexes susceptibles de réfléchir jusqu'à plus de 90% de la lumière bleue et rouge, tout en transmettant la presque to- talité de la lumière vertes ou des couches d'interférence optique à absorption réglée,,, s'appliquant aussi particulièrement à des prismes à couches se courant.
Le système optique suivant l'invention comporte un corps de support qui exerce une influence sur le trajet géométrique des rayons lumineux qui le traversent et porte sur une surface précédée et suivie par ledit corps dans le trajet des rayons lumineux plusieurs couches dinterférence optique super- posées de matières à indice de réfraction alternativement différents,
au mods à peu près égaux ou supérieurs à l'indice de réfraction du corpsSuivant une autre caractéristique 19invention concerne un système optique destiné à com- biner des faisceaux contenant une image et comprenant un corps de transmission de la lumière d'un indice de réfraction donné comportant des surfaces extérieu- resd'admission et démission des faisceaux et des surfaces intérieures justa- posées inclinées par rapport à une surface d'admission et entre les surfaces intérieures une ou plusieurs couches d9interférence optique formées par des manières qui possèdent des indices de réfraction alternativement différents, 1?indice d9une de ces matières étant en principe égal ou supérieur à celui du corps et celui de l'autre matière étant supérieur à celui de la première matière.
Suivant une autre caractéristique importante de l'invention l'une des matières est le fluorure de plomb et l'autre le sulfure de zinc ces deux matières pouvant être remplacées par un groupe de deux autres matières dont 1-lune a un indice de réfraction en principe égal ou supérieur à celui du corps de support et 19 autre un indice de réfraction supérieur à celui de la premiè- re matièreo Par exemple, le bioxyde de titane peut remplacer le sulfure de zinc.
En ce qui concerne les matières spécialement désignées ci-dessus, on suppose que le corps est en verre., par exemple en crown glass léger au baryum à in- dice de réfraction de 1,5725, lequel est sensiblement égal à l'indice de la couche de fluorure de plomba tel qu'il est déterminé suivant 1?invention ou légèrement inférieur. Mais il doit être bien entendu que les indices de ré-
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fraction des couches appliquées par évaporation peuvent varier entre certai-
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nes limites, suivant 1?origine de la matière et le mode d9applications et que ces matières doivent être choisies conformément aux principes de 18.n. ventions diaprés 19indice de réfraction du corps de support et le mode de fabrication.
Suivant une autre caractéristique de l'invention on applique sur une surface intérieure d'un corps optique une couche réfléchissant 80% ou davantage de la lumière incidente non polarisée d'une région bien distincte
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de longueurs daondea et on lui superpose une autre couche qui réfléchit 80% ou davantage de la lumière incidente non polarisée dune autre région bien distincte de'longueurs d'onde.
Le corps peut avoir sensiblement une forme cubique à surfaces de séparation intérieures dirigées en diagonale entre deux sommets opposés du cube. Tou- tes les couches peuvent être appliquées sur l'une des surfaces,, puis collées
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sur l'autreo ou bien on peut appliquer une couche sur une surface et 1?autre couche sur une autre surface, puis coller les corps de façon que les couches soient en contact.
Des surfaces d'intersection peuvent être recouvertes de
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la même manière de couches d9interférence optique, étant toujours bien entez- du qu'aucune des couches n'y un indice de réfraction en principe inférieur à celui du corps de support.
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- tront au cours de l'exposé donné ci-après de sa base théorique et de la des- cription de diverses formes de réalisation dans la pratique qui en font res- sortir les caractéristiques.
avec les dessins ci-joints à 19 appuis, sur les- quels les fige 1 et 2 sont des diagrammes indiquant certains trajets des rayons venant de l'air et du verre respectivement pour entrer ou sortir
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de la matière des couches,> la fige 3 est un diagramme indiquant les phénomènes de réflexion totale et de polarisation par réflexion qui se produisent suivant l'invention les figs. 4 et 5 sont des diagrammes indiquant le phénomène de
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réflexion totale qui se produit suivantllînvention, les figo 6 et 7 sont des coupes schématiques de prismes comportant des réflecteurs sélectifs,, tels que ceux de la fig. 2 et indiquant le rè- glage de la réflexion totale suivant l'invention la fig.
8 est un diagramme semblable à la fig. 5, indiquant le
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phénomène de polarisation tel qu9i1 se produit suivant 19invention, les figo 9 et 10 sont des coupes schématiques de prismes tels que ceux des fig. 6 et 7 respectives,,, indiquant le réglage de la polarisation
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par réflexion suivant 19invention la figo 11 est une coupe schématique d'une forme de réalisation spéciale de 1?invention la figo 12 est une coupe schématique semblable aux fige 7 et 10, indiquant le réglage de la réflexion totale et de la polarisation dans une
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autre forme de réalisation de 19invention> la fig.
13 est un diagramme comparatif des caractéristiques de fonctionnement,\)
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la frigo 14 est une coupe transversale schématique d9-an prisme dichroique suivant 1?invention et la fige 15 est un diagramme indiquant le fonctionnement du prisme de la fig.14.
Certaines expressions serviront à désigner les notions suivantes au cours des considérations théoriques et de la description des formes de réalisation de 19inventiono
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Une "couche d'interférence optique" (ou "couche" pour abréger) con-
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siste en deux couches d9interférence au moins de matières transparentes d'in- dices de réfraction différents.
Les couches sont appliquées sur une ou des surfaces d'un support ou "corps de support" en une matière optiquement appro- priée constituant un "élément dense antérieur" ou "postérieur" et ont pour ef- fet de combiner plusieurs faisceaux lumineux de propriétés optiques différen-
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tes,, telles que la longueur d'onde par exemple; un exemple de ces couches est celui d9une couche spect2^alement sélective qui combine un faisceau de lumiè- re blanche avec plusieurs faisceaux de couleur, soit en divisant le faisceau de lumière blanche comme dans un appareil photographiques soit en combinant des faisceaux de couleur comme dans un appareil de projection.
Le terme "enregistrement" désigne des reproductions ou représenta-
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tions d9images ou symboles tangibles sur une matière quelconque telle que 1" argent métallique un colorante une encore, ou définies par une modification
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moléculaire ou atomique., telles que les enregistrements d9â.mages latentes d'halogénure deargent9 vectog,ammes8 couches fluorescentes,, y compris les émetteurs ..commandés par un faisceau électroniques et les dessins de capaci- téo L'expression "image" désigne d'autre part la contre-partie optique d9un objet quelconque obtenue par un dispositif optique" (Webster). Il doit être bien entendu que dans les considérations qui suivent la notion de "formation
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d'une image" neest pas limitée à cette formation dans une seule direction,,,
mais désigne aussi l'image d'un modèle superposée à une autre dans les deux
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directions et formée par un "faisceau porteur d9i.mage" Le mot "surface" a son sens géométrique ordinaire et désigne un plan ou un espace courbe à deux dimensions.Une "interface" est une surface qui sépare deux milieux autres que Pair et d9indices de réfraction différents.
L'expression "surfa-
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ce de3mage" désigne une surface sur laquelle un enregistrement ou une image au sens précité apparait et peut être détecté ou est efficace de toute au- tre manière; elle s9applique à un écran de projection, à des enregistrements
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sur pellicule photographique,, aux écrans des images des dispositifs d9explom ration électronique tels que les tubes d9émission ou de réception de télévi- sione et aux champs des images réelles. Une "surface de combinaison" associe soit par combinaison, soit par analyse, plusieurs faisceaux porteurs d9images.
Le mot "spectre" désigne non seulement des portions continues, ban- des ou lignes du spectre visible telles que les gammes de bleu, de rouge et de vert de la photographie ou de la télévision en couleurmais encore les gammes invisibles dans la mesure où elles peuvent être utilisées dans les systèmes du type général décrit,,, telles que les gammes infra-rouge et ultra-
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violettes;ce spectre est donc désigné sous le nom de "spectre optique".
Les couches d'interférence optique portées par des surfaces planes c9estàd.ie des plaques à surfaces parallèles, sont commodes dans certains cas,,, mais elles ne donnent pas satisfaction dans certaines applications uti- les proposées pour ces couches.Ces applications sont par exemple 1?analyse et la synthèse des couleurs en photographie, télévision et autres domaines dans lesquels les dispositifs de combinaison des faisceaux doivent transmettre au- tant que possible la totalité de la lumière d9une région nettement délimitée du spectre optique tandis qu9ils réfléchissent autant que possible la to- talité de la lumière dans une autre région immédiatement adjacente.
Les cou-
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ches d9interférence de combinaison des faisceaux du type des miroirs décou- verts ne conviennent pas dans certains cas à ces applications et à d9autres car parmi dautres raisons,, elles font parcourir des trajets inégaux dans le
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verre et ne donnent pas satisfaction au point de vue mécanique les r,-ot c.o1"'- optiques comportant des couches intérieures d'interférence optique Pelisses par rappcr port à une surface d9admission de la lumière doivent être préférées aux sur- faces planes ou aux plaques, lorsqu?on désire obtenir des images de haute précision et de qualité parfaite.
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Cependant, 1?on a constaté que les couches d9interférence destinées à des plaques ne donnent pas de bons résultats si on les applique sur des supports autres que des plaques,,, par exemple si on les enrobe dans des corps cubiques,,, et que même dans certains de ces cas elles sont inutilisables.
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Bien qu'on ait reconnu que les couches d9interfërence optique â. incidence en principe libre dans 1?air d'une part et à incidence à travers
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des corps en verre à?autre part (par exemple appliquées sur des plaques et des prismes respectivement) ne sont pas équivalentes on a supposé jusquà .
présent que les moyens qui sont nécessaires pour les faire fonctionner de la même manière dans les deux cas consistent simplement à faire varier 1' épaisseur et le nombre de couches;, et que les indices de réfraction les plus avantageux des couches sont indépendants de la nature du milieu et de la forme du corps qui porte les couches. La demanderesse a constaté que cette hypothèse n'est pas soutenable pour les raisons suivantes.
Ainsi qu'il est connu et que l'indique la fig. l, un rayon rasant Ra incident à 90 dans l'air sur une face A d'un corps B à indice de réfrac-
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tion n,s correspond au point de vue optique dans le corps B à un rayon Rg incident suivant un angle LP g beaucoup plus petit à travers un milieu plus dense G tel que le verre à indice de réfraction n . La relation entre les angles est déterminée par les indices de réfraction relatifs respectifs 1/nbet
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ng7nb On peut supposer à titre d'exemple fige 2, qu'une couche d'interférence op- tique C est enrobée dans le prisme Pl, P2 d'un appareil photographique ordi- naire comportant un objectif L suivant le brevet des Etats-Unis n 2 072 091
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du 2 mars 1937. L'angle ID est dans cet exemple d'environ 40 .
Le rayon Rg, fig.l coupe dônc une ligne S parallèle à l'axe du dispositif suivant un angle d'environ 5 . Si l'on considère que le rayon Rest optiquement équi-
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valent au rayon rasant Ra dans l'air fig. 19 il en g résulte que le compor- tement d'une couche d'interférence sous l'effet de rayons incidents sous des angles lf g (fig. 1) de plus de 40 dans un dispositif cubique suivant la fig. 2 ne peut pas nécessairement se répéter avec la même couche déposée sur une plaque., car des angles plus grands que f g dans le verre peuvent
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correspondre à des angles imaginaireso dans l'air.
Les angles de plus de 40 dans le verre peuvent donc parfaitement comprendre le faisceau axial passant par l'objectif et'le corps cubique et parallèle à 1-'axe S. Tous les angles de rayons qui pénètrent suivant un angle dans la face d'entrée d'une couche d'interférence enrobée dans le verre deviennent donc beaucoup plus grands en fonction des angles correspondants dans une couche au contact de l'air. Par conséquente les phénomènes qui dépendent des angles d'inciden- ce et de réfraction sont forcément différents en principe dans les courbes au contact de Pair et du verre respectivement.
En effet les couches d'in-
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terférence optiqueqgi"donnent toute staisfaction au contact de l'air peuvent être et sont souvent défectueuses pour les rayons incidents dans le verre suivant des angles qui seraient par ailleurs avantageux ou prescrits par le dispositif optique dans lequel la couche est incorporée.
En ce qui concerne le comportement comparatif de couches d'inter- férence enrobées suivant un certain angle et de celles qui sont portées par une plaqueil ne faut pas oublier que le comportement dune surface plane recouverte reste le même quelle que soit la face de la plaque sur laquelle la couche est appliquée. Il est sans importance que la lumière traverse la plaque après (première surface de miroir) ou avant (seconde surface de miroir) sa rencontre avec la couche,, tant que les faces de la plaque sont parallèles.
Le même raisonnement s'applique aux masses enrobant ou enfermant des couches . aires suivant l'invention; elles exercent une influence sur le compor- tement de la couche appliquée sur ou enrobée dans la mesure où la nature de la matière et les angles géométriques du corps exercent une influence sur le trajet des rayons dans la couche.
L'invention est basée sur le fait reconnu que le comportement des couches appliquées sur les corps de support autres que des plaques dépend dans une large mesure de certains phénomènes qui impliquent des angles spé- cifiques des rayons déterminés par les indices de réfraction des couches d'interférence ainsi que de ces corps.
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Ces phénomènes consistent principalement en réflexion totale et polarisation sur les interfaces de réflexion et de réfraction, dite pola- risation par réflexiono Les rayons qui subissent une réflexion totale sont ceux qui passent d'un milieu à grand indice de réfraction dans un milieu
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à faible indice et sont situés en dehors d9un cône délimité par ,
'il'angle d? incidence critiqué"la polarisation par réflexion affecte la lumière réflé- chie ainsi que la lumière réfractée en passant d'un milieu à faible indi- ce de réfraction dans un milieu à indice plus grande ainsi que d'un milieu à grand indice dans un milieu à indice plus faible. Ces phénomènes quoi- que bien connus des spécialistes retiennent particulièrement Inattention dans leur application quelque peu inhabituelle à 1-'invention et seront donc
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brièvement exposés 2a cet effet avec la fig. 3 à 12appui.
Suivant la figo 3, un rayon R passe d'un milieu dense Mh à indi-
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ce de réfraction nh dans un milieu moins dense Ml à indice nl, Il se réflé- chit au point h suivant un angle d9incidence 9 et se réfracte suivant un angle .
Lorsque q 9tend vers '-P pour le rayon Re la réflexion -totale commence pour tous les rayons en dehors du cône délimité par 19angle d9mcidence cri- tique et est totale pou t c 9po I,9angle critique est défini par la relation sin n9/n9 dans laquelle ne désigne 19indice de réfraction du milieu le moins dense et nez l'indice relatif. L9angle critique diminue donc lorsque n augmente ou que n-' diminue, d9une manière générale lorsque la différence entre n et n' aug- mente. La réflexion totale ne se produit pas lorsque le rayon passe du mi-
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lieu plus dense, par exemple au point lfl fig. 3, où sin est toujours plus petit que limité.
De plus,,, fige 3, un rayon R de lumière non polarisée incident au point 1 se réfléchit sur Mh suivant un angle Çet se réfracte dans Mh sui-
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vant un angleki90 Sauf dans le cas oùw s 0 9 les deux rayons réfléchis et réfractés se polarisent partiellement dans un plan., comme lindiquent les points et les traits transversaux des plans de vibration perpendiculaires et
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parallèles respectivement au plan d9incidenae (plan du papier). Lorsque l'an- gle d9încîdence du rayon R tend "19angle de polarisation8l b (déterminé par la loi de Brewster) comme 1 indique le rayon Rb le rayon réfléchi se pola- riae davantage.
Pour cet angle,, la totalité de la lumière réfléchie se pola- rise perpendiculairement au plan d9ineidencea On remarquera que l'angle de polarisation est compris dans l'angle critique, fîg. 3. L'angle de polari- sation est défini par la relation tg fb - n9/n,g dans laquelle n désigne tou- jours 19îndice du milieu d9incidence (le premier) etn9 19indice de réfrac- tion du milieu de réfraction (le second)Cette relation est satisfaite lors- que 1?angle entre les rayons réfléchi et réfracté est égal à 90 .En combi- nant l'expression ci-dessus qui définit la polarisation sur chaque intervaoe
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avec la loi de Snellg on peut obtenir une expression qui représente la rela- tion entre 19angle de polarisation dans le milieu de support et les indices de réfraction des deux substances.
Cette expression est la suivante s
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Î b " ne/n 9 n ne 2, dans laquelle ainsi qu'il a déjà été dit, n9désigne 19indice e réfraction du milieu faisant suite au milieu dindice n.
On peut voir qu'en général on peut augmentera, en augmentant l'indice de réfraction de l'une ou l'autre substance.Le diagramme de la fig.3 représen- te les courbes de polarisation dans chaque interface$ les courbes marquées h concernant la réflexion sur une Interface d'un milieu à grand indice dans
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un milieu à faible indice telle que 1-linterface h et les courbes marquées 1 concernant la réflexion sur 19înterface d9un milieu à faible indice dans un milieu à grand Indice, telle que 1?interface 1.
Les angles correspondants
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sont désignés par bh et blo Chaque courbe comporte deux branches corres-
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pondant aux deux plans de polarisation indiqués par des points et des traits transversaux, correspondant à ceux qui figurent sur les rayons de la portion' supérieure de la figure. La relation entre l'angle de polarisation et lés in- dices est indiquée par des flèches ondulées sur les diagrammes "1" et "h".
Le diagramme marqué "hc" concerne la réflexion totale sur l'interface h.
Les phénomènes précités n'exercent pas d'influence nuisible sur les couches d'interférence optique appliquées sur des plaques. Les angles de réfraction de ces plaques ont une valeur qui rend la réflexion totale impossible et l'angle de polarisation très aigu. Par suite, ni la réflexion totale, ni la polarisation par réflexion complète n'exercent d'influence sur les couches d'interférence optiques portées par des plaques. Mais pour les raisons données plus haut, l'incldence dans un corps dense tel qu'un pris- me rend réels les cônes délimités par l'angle critique #c et par l'angle de polarisation # et beaucoup plus petits respectivement, et les conditions limites se modifient notablement et entrainent les conséquences expliquées avec les fig. 4, 5 et 8 à l'appui.
Suivant la fig. 4, Ig désigne une interface entre un corps en ver- re (tel que Pl de la fig. 2) et une couche d'interférence optique Ch rela- tivement dense. Une autre interface Ich sépare la couche Ch à grand indi- ce de réfraction en une couche d'interférence optique C d'une couche C1 à faible indice. L'interface Ici sépare la couche C1 d'une autre couche à in- dice élevé Ch et ainsi de suite. Les couches d'interférence optique sont du type courant, l'indice des couches Cl étant plus petit que celui du corps en verre P1, comme l'indique symboliquement le prolongement du côté gauche de la fig. 4. Un rayon R fait avec la perpendiculaire à Ig un angle # Le rayon R se réfléchit et se réfracte sur Ig puis sur Ich.
Il ne peut se produire de réflexion totale sur Ig car l'indice ,de Ch est plus grand que celui de P1, mais étant donné que l'indice de réfraction de la couche C1 est beaucoup plus petit que celui de Ch, l'angle #'tend vers l'angle critique lorsque #" tend vers 90 . Par suite (-ainsi que l'indique aussi la fig. 4 par la li- gne Ra parallèle au -rayon R dans le corps en verre Pl) une couche moins den- se à indice plus petit que celui du verre peut provoquer une réflexion tota- le d'un rayon qui traverse l'interface Ig entre le verre et une première cou- che plus dense Ch qui, comme d'habitude pour d'autres raisons,, est générale- ment la couche à fort indice.
Suivant l'invention, l'indice de réfraction des couches moins den- se Clg est au moins aussi grand que celui du corps en verre Pl fig. 5. Sur cette figure, # désigne comme précédemment l'angle critique de réflexion totale. Il est évident, en comparant les fig. 4 et 5, que l'angle critique que les rayons les plus inclinés, les plus défavorables, arrivant dans le verre n'atteigent pas, ne peut jamais être atteint dans la couche d'inter- férence C et que la réflexion totale est ainsi évitée avec certitude. Le seul rayon susceptible de subir une réflexion totale est celui qui en entrant dans le dispositif rencontrerait une couche dont l'indice de réfraction serait in- férieur à celui du corps cubique en verre lui-même.
Il doit être bien enten- du que l'égalité des indices du corps Pl et des couches Clg n9est pas une con- dition absolument critique, et que si l'on se rappelle que le choix des milieux des couches diélectriques est limité, on peut souvent éviter avec certitude la réflexion totale en constituant les couches Clg à faible indice par une ma- tière à indice légèrement inférieur à celui du corps antérieur. Sur la fig.
5, le bord du côté gauche de la coupe des couches indique comme précédemment les relations entre les indices. Il est évident que, bien qu'en augmentant l'indice des couches moins denses suivant l'invention, on augmente l'angle critique et par suite le champ visuel, la variation de l'indice des couches plus denses n'exerce aucune influence sur les propriétés de réflexion totale du dispositif d'interférence optique comportant un support dense, tel que le prisme P1, P2 de la fig. 2.
Les fig. 6 et 7, qui correspondent respectivement aux fig. 4 et 5,
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représentent des formes de réalisation dans la pratique des couches d'in-
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terférence d9un type antérieur (figo6) et suivant l9invent.on (figo7)a Sur la figo 6 les couches Ch sont en sulfure de zinc et les couches Cl en cry- oliteo Un rayon R incident suivant un angle à9environ 5. sur la première interface Ig subit une réflexion totale sur la seconde interface Ich et si la couche suivante est assez épaisse, il est complètement supprimé et ne
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peut continuer à progresser dans la couche C de sorte que la sélection d'3.n- terférence est supprimée.
Sur la fig. 7, le fonctionnement dans la pratique
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d-'un dispositif suivant 19invention est indiqué par un rayon R comme sur la fig. 5, ainsi que par un rayon inverse hypothétique Ri engendré dans une pel- licule à couches multiples qui subirait une réflexion totale par le verre lui-
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même avant d'atteindre un angle de 90 dans la couche Clg à faible indice", laquelle dans ce cas est une couche de fluorure de plomb dont l'indice de réfraction est légèrement supérieur à celui du prisme de verre P1, ainsi qu' on le verra en détail plus loino
Les conséquences nuisibles de la polarisation sont exposées ci- après.
En se reportant aux fig. 2 et 3, on voit que pour améliorer l'angle
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de champs l'angle de polarisation <P , doit être aussi grand que possible et qu'il est plus important que l'angle critique,. car il est plus près de 1' axe optique du dispositif dont le corps dense de support consiste dans 1' élément antérieur d'un prisme cubique. On voit en outre diaprés la fig. 3.
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que lorsque 19angle tend vers l'angle de po1arisationÇ la lumière vibrant perpendiculairement au plan d9îneidence se réfléchit de moins en moins au fur et à mesure que le rayon progresse.
Il existe donc pour l9angle b une valeur limite ou de plafond de 50%,pour un nombre infini de couches de la réflexion de pointe de la lumière non polarisée dans une région étendue de longueurs d'ondeo Bien quea d9une manière générale., une augmentation du nombre de couches fas- se augmenter l'intensité de la réflexion cette valeur de plafond existe quel que soit le nombre de couches. Ceci est dû au fait exposé ci-dessus avec la figo 3 à l'appui que le facteur de réflexion est égal à zéro dans toutes les
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interfaces pour le plan de Isolément d'incidence des rayons à 1-langle de po- larisation.
Ce phénomène se répète simplement dans toute l'épaisseur de la couche, de sorte qu'une augmentation de l'épaisseur ou du nombre de couches n9exerce aucun effet sur lui.
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Cette situation ressort encore de la figea 80 Un rayon R arrive sur la couche C suivant un angle se réfléchit sur 19interface Ig, se réfracte vers Ich et ainsi de suite jusqu9à ce qu'il sorte par l'interface Ihg. L9an- ale A est donné par la relation
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dans laquelle n9, reh et ni sont respectivement les indices du verre, de la substance à grand indice et de la substance à faible indice. Cet angleeb est 19angle de B'1"""'Wster pour le rayon incident dans le verre sur la face Ig. Si donc on choisit 1'acag7..e 9 de façon que et i soient toujours plus petits que #b, le faisceau réfléchi contiendra toujours de la lumière réfléchie comportait une composante non polarisée., les proportions exactes de polarisation dans les plans respectifs étant déterminées diaprés la fige 3.
Des exemples pratiques de ces conditions sont représentés schéma-
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tiquement sur les frigo 9 et 10.1) qui correspondent aux figs. 6 et 7 qui icc-présentent sentent les conditions de la réflexion totale.
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Sur la fig. 9a les couches ordinaires Ch et Cl sont comme pré- cédemment des couches de sulfure de zinc et de cryolite respectivement.
Le rayon R se réfracte sur la première interface et se réfléchit sur la seconde interface suivant un angle de 28 .Le rayon réfracté sort de cette interface
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suivant un angle de 62 , de sorte que l'angle entre les rayons réfléchi et réfracté sur cette seconde interface est égal à 91 , se traduisant par une polarisation à peu près complète du rayon réfléchi sur cette interface et les suivantes, avec le plafond nuisible de réflexion de pointe décrit ci-dessus.
Sur la fig. la les couches sont disposées de la même manière que sur la fig. 7. les couches de fort et de faible indice étant en sulfure de zinc et en fluo- rure de plomb respectivement..et l'angle entre les rayons réfléchi et réfrac- té est d'environ 73 ,c'est-à-dire suffisamment différent de 90 ,angle qui d'après la loi de Brewster donne lieu à la polarisation totale.
L'angle de polarisation est fonction des deux substances de fort et faible indice., ainsi qu'il a déjà été dit et dans la mesure où la forme géométrique des corps de support détermine les angles dans la couche, il dé- pend dans une faible mesure '.de l'indice du verre. Suivant l'invention, on augmente l'angle de polarisation pour améliorer le champ dont on dispose, en choisissant d'une manière appropriée les indices de réfraction des couches d'interférence. Ainsi qu'il a été dit à propos de la fig. 3, l'augmentation de l'indice de l'une ou l'autre des couches dense et soins dense, ou des deux, fait augmenter l'angle de polarisation)?, .
Ainsi que l'indique l'équation cidessus de la valeur de sin b, l'amélioration de beaucoup la plus forte qu'on peut réaliser entre les limites dont on dispose est obtenue en augmentant 1' indice de la substance à faible indice. En général, si l'indice de la substan- ce à faible indice est beaucoup plus grand que celui du prisme en verre, la réflexion peut être complètement supprimée, ainsi qu'il a déjà été dit, et l'angle de polarisation peut être augmenté au-delà de l'angle de champ utile entre les limites duquel on désire obtenir de fortes réflexions de pointe.
Toutefois, l'augmentation de l'indice de la substance à faible indice fait diminuer la réflexion pour un nombre donné de couches, de sorte qu'à moins d' augmenter la différence entre les indices des deux milieux adjacents en aug- mentant aussi l'indice de la substance à fort indice, il est nécessaire d' augmenter le nombre de couches. Sinon, et indépendamment du fait qu'il y a lieu de rendre le nombre de couches aussi faible que possible,, on peut dimi- nuer la polarisation théoriquement en augmentant soit le faible indice, soit le fort indice. Mais pour réduire le nombre de couches, il est plus avanta- geux dans certains cas de donner au faible indice une valeur juste suffisan- te pour supprimer la réflexion totale et d'augmenter le fort indice pour réa- liser les conditions de polarisation les plus avantageuses.
Il existe une li- mite dans la pratique à l'augmentation du fort indice du fait des propriétés chimiques et physiques des substances diélectriques dont on dispose, de sor- te que si la quantité dont le faible indice doit être augmenté pour éviter la réflexion totale fait prendre à l'indice relatif n'/n une faible valeur dé- favorable et si cet indice devient ainsi moins avantageux, il devient néces- saire d'augmenter le nombre de couches,élémentaires.
En d'autres termes,, 1' augmentation du faible indice, bien qu'important, a un inconvénient. L'avan- tage consiste en ce que plus le faible indice est supérieur à celui du verre, moins la difficulté qui résulte de la polarisation est gênante; l'inconvénient de l'augmentation du faible indice consiste en ce qu'elle rend plus étroite la marge entre les deux indices et par suite fait augmenter le nombre de cou- ches qui sont nécessaires pour obtenir un degré donné de réflexion.
Par suite, ainsi qu'il a déjà été dit., il est plus avantageux d'une manière générale de rendre le faible indice aussi voisin que possible de celui du verre,, dans la mesure juste nécessaire pour remédier à la difficulté de la réflexion totale, et de rendre la substance à fort indice aussi dense que possible pour remédier à la difficulté de la polarisation.
On peut réaliser une amélioration dans la mesure qu'on désire en augmentant l'indice du milieu dense autant que le permettent les substances dont on dispose. Certaines de ces substances (telles que le sulfure d'an- timoine) donnent satisfaction d'une manière générale mais elles possèdent des bandes d'absorption qui empêchent de les utiliser dans le spectre visi- ble. La demanderesse a trouvé que le sulfure de zinc donne toute satisfac- tion à titre de milieu à fort indice et le fluorure de plomb à titre de
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milieu à faible indice.
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Le choix de cette dernière substance, c9est'a=d e du fluorure de plomb à titre de milieu à faible indice, est basé sur le fait nouvelle- ment découverte dans le cadre de 19invention que son indice de réfraction efficace est denviron 196$g c9es.t-à-dire a une valeur trois voisine de celle de 19inàice du verre qui convient parfaitement à la confection des prismes du type courant utilisés dans la forme pratique de réalisation dé- crite plus loin. L'indice du fluorure de plomb à 19état cristallin est compris entre la$ et 1,9 et par suite ce composé était considéré comme une substance à fort indice.
Son emploi à ce titre a en effet été préconisé à plusieurs reprises antérieurement, Mais la demanderesse a découvert que son indice de réfraction n'est que -de, 1,68 environ à 19état obtenu par évapora-
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tion9 a'est-à-dire lorsqu'on-19applique sous forme de couche d'interférence9 et que par suite il peut servir de substance à faible indice.
Il convient particulièrement à cette application dans de nombreux cas de la pratique, car il est compatible avec le sulfure de zinc,, et on réalise des conditions assez avantageuses avec ces deux substances,\) comme d9indiquent les fige 7 et 10.
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La fig. 11 donne les détails essentiels dela construction dun prisme de réflexion sélectif suivant 19invention servant à partager un faisceau de lumière blanche en un faisceau élémentaire réfléchi de lumière bleue et rouge et d'un peu de lumière verte., et un faisceau élémentai-
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retransmis de lumière verte.
Les substances telles que le sulfure de zinc et le fluorure de
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plomb peuvent être remplacées d9une manière appropriée. Par exemple., le bi- oxyde de titane peut remplacer le sulfure de zinc et le monoxyde de sili- cium le fluorure de plombAvec la combinaison du fluorure de plomb et du bioxyde de titane on obtient une amélioration encore plus nette queavec celle du sulfure de zinc et du fluorure de plomb. Les couches de fort indice en bi- oxyde de titane et les couches de faible indice en fluorure de plomb font disparaître complètement non seulement l'angle critique, mais encore l'angle de polarisation,, ainsi que lindique la fige 12, laquelle est semblable aux fig. 7 et 10.
Pour cette combinaison de couches d'interférence optique1'
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angle de polarisation dans le verre est de 8705. Etant donné que 19angle cri- tique entre l'air et la surface de verre d'un cube est de 40 comme dans la force de réalisation décrite plus haut (voir fige 2), un rayon complètement polarisé réfléchi par la pellicule rencontrerait la face du cube sous un angle de 2 , 5 plus grand que 1'angle critique sur cette surface; c'est ce qu'indique un rayon hypothétique ri (fig.12) partant de¯l'intérieur de la couche. La lumière ne peut donc pas pénétrer dans le cube ni en sortir sui- vant l'angle de polarisation.
De plus,, étant donné que l'indice de la couche de fluorure de plomb de fai- ble indice est encore un peu plus grand que celui du verre,il ne se produit pas de réflexion totale interne aux interfaces des couches. En employant des couches de bioxyde de titane et de fluorure de plomba on supprime donc les deux facteurs qui limitent l'angle de vision des couleurs saturées dans le cube optique.
Il avait été préconisé antérieurement de former la couche à fort indice par le sulfure de zinc ou le fluorure de plomb et la couche à faible indice par la cyryolite ou le fluorure de magnésium. Toutes ces combinaisons ne donnent pas satisfaction en ce qui concerne la réflexion totale ainsi que la polarisation. En particulier,, si l'on constitue la couche à fort in- dice en fluorure de plomba ainsi qu9il est indiqué dans le brevet des Etats-
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Unis n 2 392 978 du 15 Janvier 1946 au lieu de constituer par ce composé la couche à faible indice suivant l9inventionm angle de réflexion totale reste sans changement, tandis que l'angle de polarisation au lieu de deve- nir plus aigu varie dans le mauvais sens, de sorte que tandis que la réfle- xion est limitée à 50% à 8 d9un côté du champs la transmission est limitée à zéro à 14 de 19autre coté.
Ceci constitue probablement le cube optique donnant les plus mauvais résultats que l'on peut concevoir du point de vue
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de la formation de champs de couleur à peu près saturés.
Pour démonter encore les résultats obtenus avec les formes de cors - truction suivant l'invention,on va décrire succinctement ci-après les proprié= tés de réflexion de quelques formes pratiques de réalisation et les comparer avec celles d9une couche partageant la lumière du type courant.
Sur la figo 13 ; on a porté les valeurs de réflexion de pointe de couches de réflexion sélectives dans les primes en fonction du nombre de couches (impair car dans ces exemples une couche à fort indice est en contact avec chaque face de verre voisine) pour trois combinaisons différentes de subs- tancesLa courbe ZC représente la combinaison du sulfure de zinc avec la cryo- lite des figo 6 et 9,dans laquelle l'indice des couches moins denses (cryoli- te) est inférieur à celui du verre,,, et les courbes TL et ZL représentent deux combinaisons suivant l'invention.
La courbe TL concerne la forme de construc- tion de la fig. 12 dont les couches à fort et à faible indice sont formées respectivement par le bioxyde de titane et le fluorure de plomb.La courbe ZL correspond à la forme de réalisation des figo 7, 10 et 11 comportant des cou- ches de sulfure de zinc et de fluorure de plomb.
On remarquera que la courbe de réflexion de pointe de la combinaison de sulfure de zinc et de fluorure de plomb monte beaucoup plus vite que celle de la combinaison de sulfure de zinc et de cryolite, bien que la différence entre ses indices soit moindre.Etant donné que l'angle de polarisation de la combinaison de sulfure de zinc et de cryoli- te est de 45 ,5 et que ces courbes sont tracées pour des rayons lumineux pa- rallèles à l'axe de l'objectif la courbe de la combinaison de cryolite conti- nue à monter lentement au delà de 50%, mais avec 27 couches elle n9atteint que 55%,
tandis que la combinaison du fluorure de plomb réfléchit plus de 90% de la lumière avec 17 couches.De plusa les valeurs de la réflexion de pointe des cubes formés avec la combinaison de fluorure de plomb et de sulfure de- zinc sont sensiblement constantes entre des limites raisonnables de 1 Sangle de vision, tandis que celles du cube comportant des couches de cryolite sont complètement différentes au voisinage de l'angle de polarisation.La combinaison de bioxyde de titane et de fluorure de plomb est encore meilleure elle est complètement exempte de polarisation et permet d90btenir un maximum de réfle- xion avec un nombre de couches beaucoup moindre.
On voit donc que, bien que les formes de construction du type géné- ral considérée avec des couches en une substance courante donnent satisfac- tion dans certaines applications dans lesquelles on peut employer des supports en forme de plaques planes ou dans lesquelles on peut limiter à certaines va- leurs l'angle sous lequel la couche est enrobée dans des dispositifs du type à prisme., les couches d'interférence suivant l'invention sont supérieures du fait que.:, non seulement elles permettent d'obtenir de grands angles de champ, mais encore une meilleure sélectivité des couleurs,, en augmentant notablement la pointe de réflexion pour un nombre donné de couches d'interférence.
Ces résultats ressortent de la fig.14, qui représente un réflecteur dit de cou- leur magenta, avec couches ou groupes de couches élémentaires superposées ré- fléchissant le rouge et le bleuo Cette forme de construction constitue grâ- ce à 1?invention un perfectionnement considérable par rapport à des disposi- tifs analogues connus, en particulier du fait que les caractéristiques des formes de construction antérieures des couches appliquées sur des prismes ne sont valables que pour certains angles d'enrobage, tandis que celles des cou- ches suivant l'invention sont valables entre des limites d'angle géométrique de Champ relativement très étendues., entre lesquelles les substances de for- mation des couches antérieurement préconisées ne donnent pas satisfaction.
La fig. 14 représente un obsjectif L et un cube se composant de deux éléments prismatiques Pl et P2 qui comportent des surfaces extérieures pl, P2 et P3 de transmission de la lumière et une surface intérieure C de par- tage de la lumière qui se compose de deux groupes de couches Cwl et Cw2 du type décrit à propos de la fig. llo Le faisceau transmis y enregistre l'ima- ge de couleur verte sur une émulsion G déposée sur un support Sv, tandis que les faisceaux réfléchis b et r enregistrent les Images de couleur bleus et rouge sur des émulsions respectives B et R supportées par des supports Sb
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et Sr.
Une plaque Q d'un quart de longueur d90nde est intercalée de préfé- rence entre l'objectif et les prismes.Des filtres Fl et F2 peuvent être in- tercalés respectivement entre le prisme et les ouvertures s'il parait avan- tageux de modifier la sélectivité de couleur ou la longueur d'onde de coupure de la gamme spectrale dans les faisceaux correspondantso
La fig. 15 représente les caractéristiques optiques améliorées du dispositif de la figo 14 et obtenues avec un angle de champ convenant parfai- tement aux lentilles d'objectif en usage dans la:pratique de la cinématogra- phie en couleurs.
Sur cette figurée les valeurs de la transmitance de la lu- mière non polarisée sont portées en fonction de la ongueur d9onde et on re- marquera que ce comportement se compare très avantageusement avec celui des dispositifs antérieurement connus du même type général.
Alors que les formes de réalisation décrites ci-dessus employées dans les dispositifs optiques de formation des images sont enrobées dans des corps de support de même indice de réfraction, les couches étant disposées à 45 de 1?axe optiqueil doit être bien entendu que dans certaines appli- cation, par exemple celle des dispositifs optiques ne formant pas d'images, les indices peuvent être différents et dans ce cas l'indice des couches de faible indice du groupe de couches doit être en principe égal à l'indice plus grand du supporta et également que la couche peut être coupée sous des- an- gles différents par les surfaces extérieures des corps de support.
Bien entendu 1?invention ne doit pas'être considérée comme limi- tée aux formes de réalisation représentées et décrites, qui n9ont été choi- sies qu'à titre d'exemple.