Traitement antireflet

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Schéma de principe d'une traitement antireflet. On observe un phénomène d'interférence dans la couche de traitement d'une épaisseur de λ/4.

Un traitement antireflet est un traitement appliqué à une surface de façon à modifier les propriétés optiques de l'objet et diminuer la part de lumière réfléchie et donc augmenter la part transmise. Certains traitements consistent à déposer une à plusieurs couches de différents matériaux en surface, d'autres à effectuer une corrugation de la surface du matériau, les deux techniques visant à diminuer voire annuler le coefficient de réflexion sur un spectre donné de longueurs d'onde[1]. Les traitements antireflets sont appliqués dans de multiples domaines de l'optique, de l'optique ophtalmique aux lasers.

Historique[modifier | modifier le code]

Le sujet du traitement des verres est survenu au XIXe siècle lorsque Lord John William Strutt Rayleigh observa en 1887 que les vieilles plaques de verres étaient moins réflectives que les récentes[2]. Harold Dennis Taylor, expert en optique à Thomas Cooke and Sons of York un fabricant de télescopes de York, découvrit pareillement en 1886 que des lentilles ternies par le temps avaient une meilleure transmission que des lentilles polies récemment[2] et en déduisit que l'indice de réfraction de la surface terne devait être moins grand que celui du verre de la lentille, d'où une réduction du coefficient de réflection donc une augmentation de la transmission. Taylor fit breveter en 1904 une technique chimique d'altération de la surface des lentilles, destinées à produire un ternissement augmentant la transmission. Néanmoins le manque de répétabilité de la méthode n'en fit pas une technique de traitement efficace[3].

Un premier traitement antireflet fut breveté en 1935 par un des membres de l'équipe de Carl Zeiss, Aleksander Smakula. Ce traitement améliora la transmission des optiques pour atteindre jusqu'à 80 % de transmission. Jusqu'en 1940, le développement des traitements antireflets demeura un secret militaire. À partir de 1990, les laboratoires Zeiss atteignirent des transmissions de 90 % pour leurs traitements, et parvinrent aussi à créer des traitements corrigeant le déphasage en 1988[4]

Principe[modifier | modifier le code]

La lumière incidente sur un dioptre subit plusieurs phénomènes divisant l'énergie d'origine en plusieurs parties :

La distribution de l'énergie dans ces différentes parties dépend essentiellement des caractéristiques du matériau et de la surface, la diffusion dépend ainsi essentiellement de l'état de surface. On peut déduire la réflectivité d'un matériau d'après son indice de réfraction, dans le cas d'une onde transverse électrique on a :

(1) r_{TE} = \frac{n_1 \cos{(\theta _1)} - n_2 \cos{(\theta _2)}}{n_1 \cos{(\theta _1)} + n_2 \cos{(\theta _2)}},

et pour une onde transverse magnétique :

(2) r_{TM} = \frac{n_2 \cos{(\theta _1)} - n_1 \cos{(\theta _2)}}{n_2 \cos{(\theta _1)} + n_1 \cos{(\theta _2)}},

où :

  • r_{TE} et r_{TE} sont les coefficients de réflexion de Fresnel,
  • n1 et n2 les indices du milieu d'origine d'incidence et de réfraction respectivement,
  • θ1 et θ2 les angles d'incidence et de réfraction respectivement.

En prenant ces coefficients en compte, dans le cas d'une couche mince déposée entre le milieu incident et le matériau considéré, on observe que pour un angle d'incidence normale[5] :

(3) R=\frac{(k_1 k_3 - k_2^2 ) \cos{(k_2 a)}^2 + k_2^2 (k_3 - k_1)^2 \sin{(k_2 a)}^2 }{(k_1 k_3 + k_2^2 ) \cos{(k_2 a)}^2 + k_2^2 (k_3 + k_1)^2 \sin{(k_2 a)}^2 },

où :

  • k_i = \frac{2 n_i \pi}{\lambda}
  • a est l'épaisseur de la couche mince
  • les indices désignent :
  1. Le milieu incident
  2. La couche mince
  3. Le milieu réfractant

La réflexion ne peut alors s'annuler que si le numérateur de (3) s'annule sachant que les milieux 1 et 3 sont différents, d'où :

\begin{align} (4) (k_1 k_3 - k_2^2 ) \cos{(k_2 a)}^2 + k_2^2 (k_3 - k_1)^2 \sin{(k_2 a)}^2 = 0 & \Leftrightarrow \begin{cases} (k_1 k_3 - k_2^2 ) \cos{(k_2 a)}^2 = 0 \\ k_2^2 (k_3 - k_1)^2 \sin{(k_2 a)}^2 = 0 \end{cases} \\
\ & \Leftrightarrow \begin{cases} k_1 k_3 = k_2^2 & (4.1) \\ \sin{(k_2 a)}^2 = 0 & (4.2) \end{cases} \end{align},

On déduit de ceci deux conditions de fonctionnement d'un traitement antireflet :

  • (4.1) n_1 n_3 = n_2^2 ,
  • (4.2) \forall p \in \N, \frac{2n_2\pi}{\lambda}a = p\pi \Leftrightarrow a = \frac{p \lambda}{2 n_2}.

Types d'antireflets[modifier | modifier le code]

Monocouche[modifier | modifier le code]

Les traitements antireflets les plus simples sont des traitements constitués d'une seule couche de matériau déposé à l'interface entre deux milieux, d'épaisseur \frac{\lambda}{4} et d'indice le plus proche possible de la moyenne géométrique des indices des deux milieux[6]. Dans le cas d'un traitement monocouche, la longueur d'onde sélectionnée est λ = 500nm. Elle est la longueur d'onde la plus sensible pour l’œil humain. Le revêtement deviens ainsi efficace pour les longueur d'onde du visible proche de cette valeur et perd de son utilité au fur et à mesure que l'on s'éloigne de cette valeur. C'est pour cette raison que nous pouvons observer une coloration violette ou verte sur les lentilles traitées de la sorte.

Multicouche[modifier | modifier le code]

Les traitements antireflets multicouche permettent justement d'éviter la perte des propriétés antireflet au voisinage des longueur d'onde proche des infrarouges (λ>800nm) et des UV(λ<400nm). En effet, c'est l'alternance de couches d'épaisseur et d'indice différents qui va permettre d'étaler les propriétés d'antireflet sur toute la gamme du visible.

À gradient d'indice[modifier | modifier le code]

Corrugation[modifier | modifier le code]

Applications[modifier | modifier le code]

Optique ophtalmique[modifier | modifier le code]

Les traitements antireflets déposés à la surface des lunettes de vue réduisent également la salissure et les rayures, grâce à des propriétés hydrophobe et oléophobe. Le traitement est réalisé à partir d'une couche mince de silice SiO2 d'environ 500 nm.

D'un point de vue esthétique, les interlocuteurs d'une personne qui porte des verres antireflets voient beaucoup mieux ses yeux. D'autre part, les verres antireflets évitent l'effet miroir bien visible sur les photos. Cet effet indésirable est dû aux fortes réflexions sur des verres sans antireflets.

Les traitements antireflets sont recommandés pour tous et sur tout type de verres, y compris les lunettes de soleil, les verres polarisants et verres photochromiques. Néanmoins, ils sont fragiles, une source de forte chaleur (plage arrière de voiture, posé en plein soleil au bord d'une piscine etc) peuvent faire craquer la couche d'antireflet, puisque la silice est un matériau très rigide, et le verre organique une résine thermodurcissable plus tendre, qui peut légèrement jouer sous l'effet de la chaleur. Actuellement, les antireflets sont plus résistants, car multicouches, ce qui crée une sorte d'amortisseur entre les deux.

Une lunette de soleil n'aura un antireflet que sur la face interne, pour éliminer les reflets provenant de derrière nous, mais pas devant : d'une part pour des raisons esthétiques, d'autre part parce que le but d'une solaire est de diminuer la transmission des rayons lumineux pour diminuer l'éblouissement, ce qui est contradictoire avec la présence d'un antireflet, qui, lui, permet une meilleure transmissibilité de la lumière.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. R. Taillet 2009, p. 122
  2. a et b J. A. Savage 1985, p. 201
  3. R. Kingslake 1989, p. 16
  4. (en)Martin C. Cohen, « Carl Zeiss - A History Of A Most Respected Name In Optics », sur Southwest Museum of Engineering,Communications and Computation (consulté le 1 octobre 2012)
  5. R. Taillet 2006, p. 118
  6. Optoéléctronique térahertz sur Google Livres

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Ouvrages en français

Ouvrages en anglais

Article connexe[modifier | modifier le code]