Coatings, revêtements antireflets et dispersions

Sur l'objectif (I)

Si vous observez avec attention la surface des lentilles et des filtres de différentes qualités, vous apercevrez des réflexions et des reflets colorés. Ces effets peuvent vous renseigner sur la qualité des revêtements utilisés pour protéger ces optiques contre les lumières parasites. Nous détaillerons dans un autre article, les revêtements des miroirs de télescopes.

Par simplification, nous considérons tout le spectre allant du proche UV au proche IR soit de 200 à 1000 nm comme assimilé à la lumière, quitte à décrire certaines particularité au besoin.

Lorsque la lumière vient frapper la surface frontale ou arrière d'une lentille, une partie est réfléchie et induit des reflets et des images fantômes. Pour les optiques peu épaisses ou les filtres une seconde réflexion peut se produire lorsque la lumière incidente frappe la deuxième surface. Une fraction de la lumière est à nouveau réfléchie, réduisant d'autant la quantité de lumière atteignant l'observateur. 

Avec une douzaine de surfaces air-verre à traverser, ce processus pour s'étendre à l'infini jusqu'à ce que la lumière soit complètement éteinte. C'est pourquoi les opticiens ont mis au point un mécanisme pour supprimer ce phénomène indésirable.

Ainsi que nous l'avons expliqué à propos du choix des oculaires, la brillance d'une image est très importante et a un impact direct sur la netteté et le contraste. Les fabricants veillent à préserver la qualité de l'image. Ils parlent de revêtements, de protection antireflet, de verres à grande dispersion ou de miroir à pouvoir de réflexion élevé. Que signifient ces termes et quels sont leurs effets sur les performances des optiques ?

De gauche à droite une lentille non traitée, enduite d'une simple couche antireflet et d'un multicouche. De la première à la troisième image la transmission de la lumière s'est améliorée de 96 à 99.5% !

De nombreux objectifs, oculaires ou objectifs photographiques sont qualifiés de "full coated" (FC) tandis que d'autres sont "multicoated" (MC) ou "fully multicoated" (FMC)... Tous, aux dires des constructeurs, sont protégés par un revêtement antireflet.

Si cela est exact, tous ces termes ne sont pas similaires et chacun type de protection représente des caractéristiques spécifiques.

La protection la plus simple contre la dispersion de la lumière et les réflexions parasites consiste à recouvrir chaque surface optique avec une fine couche de matériau antireflet afin de réduire la perte de lumière.

De la même manière que pour la fabrication des filtres interférentiels, la technique tire profit de la nature ondulatoire de la lumière. En particulier du phénomène d'interférence et d'opposition de phase de la lumière et de la dépendance du pouvoir de réflexion de l'indice de réfraction.

En couvrant une surface avec un seule couche épaisse de 1/4l les opticiens peuvent éliminer les réflexions qui se produisent à cette longueur d'onde étant donné que les deux faisceaux de lumière présentent une opposition de phase de 180°. Habituellement une lentille enduite d'une seule couche antireflet, qualifiée de "single coated", optimise le pouvoir antireflet pour la lumière jaune-verte (vers 530-560 nm) au milieu du spectre visible. C'est pourquoi en utilisant des revêtements multicouches on parvient à réduire la dispersion de la lumière à différentes longueurs d'ondes du spectre visible.

A lire : Anti-Reflection Coatings, Edmund Optics

Celestron StarBright XLT Coatings vs. Meade UHTC Coating, Celestron

Ce revêtement consiste en fait en un matériau antireflet résistant aux rayures comme le fluorure de magnésium, l'oxyde de silicium ou de titane (MgF_2, SiO, TiO). Il est appliqué par un canon à électrons sur une ou plusieurs surfaces air-verre placées dans une cloche sous vide où il se dépose après transformation sous forme de MgF₂, SiO₂ ou TiO₂.

En théorie, une surface non traité perd environ 4% de transmission par surface en réflexion et dispersion de la lumière. Ce facteur est multiplié exponentiellement avec le nombre de surfaces air-verre. Ainsi dans un oculaire disposant de 6 lentilles la transmission chute à (0.96)⁶ = 78 %.

Un simple revêtement antireflet MgF₂ peut réduire la perte de transmission à 1.3 % et des surfaces multicouches constituées de différents revêtements peuvent réduire ces pertes jusqu'à 0.25 %. La transmission lumineuse de notre oculaire de 6 lentilles atteint maintenant 98.5 %. Ceci explique pourquoi les revêtements multicouches ou "multicoated" offre le pouvoir de transmission le plus élevé et donnent les images les plus contrastées.

A gauche, un filtre non traité présente un large reflet dans la partie inférieure gauche. Au centre, le même verre traité multicouche. La transmission s'est améliorée d'environ 4 %. A droite, le traitement multicouche Scotchgard appliqué sur les verres Crizal Forte. Selon un sondage effectué auprès de 80 personnes, le procédé mis au point par Crizal rend les verres 20 % plus transparents, 20 % plus faciles à nettoyer (les salissures s'y fixent moins facilement) et attirent 2.5 fois moins de poussière qu'un verre ordinaire. Documents Dr C.K.Shene et Crizal/Essilor traduit par l'auteur.

En théorie du moins, la qualité des revêtements se définit comme suit :

- Coated ou single-coated : une seule surface air-verre est enduite d'une seule couche de matériau antireflet

- Fully coated : toutes les surfaces air-verre sont enduites d'une seule couche antireflet

- Multicoated : au moins une surface air-verre est enduite d'un revêtement multicouche, les autres surfaces sont soit enduites d'une seule couche antireflet soit tout simplement non traitées

- Fully multicoated : toutes les surfaces air-verre sont enduites d'un revêtement multicouche.

Aussi lorsque Celestron qualifie de "multicoated" les oculaires de la série Ultima ou ses Plössl enhanced, ce revêtement multicouche améliore sensiblement leurs performances si on les comparent à leurs oculaires Plössl "full coated".

Même chose pour les objectifs achromatiques. La lunette Megrez 80 SD de William-Optics était protégée par un revêtement MC. Elle n'est plus vendue et remplacée par la Megrez II 80 ED dont les lentilles sont protégées par un revêtement FMC. Selon le fabricant les réflexions internes sont réduites jusqu'à 40 %.

A gauche, le ménisque d'un télescope Maksutov-Cassegrain Celestron C90 de 1979 apparemment non traité antireflet. Au centre, un téléobjectif Nikon traité d'une simple couche antireflet que le fabricant utilisait dans les années 1950-70. A droite, un objectif plus récent : ses réflexions vertes, jaunes et pourpres nous indiquent que toutes les surfaces des lentilles sont enduites d'une protection antireflet multicouche.

En regardant de près la surface d'un oculaire "fully multicoated" (sans le démonter) vous devez apercevoir une réflexion vert foncée ou pourpre pour chaque dioptre (surface air-verre). Dans un oculaire Plössl de Tele Vue par exemple il y a quatre réflexions (4 lentilles). Ces optiques présentent des reflets bleus-ambres (single coated) ou verts-pourpres (multicoated).

La couleur du reflet représente la longueur d'onde de la lumière non corrigée ou autrement dit, la couleur complémentaire de celle traitée antireflet. Voici quelques exemples :

- Un reflet bleu : la surface est traitée pour réduire les reflets jaunes

- Un reflet pourpre : la surface est traitée pour réduire les reflets verts

- Un reflet vert : la surface est traitée pour réduire les reflets bleus et rouges (pourpre, magenta)

- Un reflet jaune : la surface est traitée pour réduire les reflets bleus.

Si vous n'apercevez pas toutes les réflexions internes c'est parce que l'interface qui solidarise les lentilles paraît plus brillant que le multicouche déposé sur leur surface. En revanche, si le reflet présente la même couleur que la lumière incidente ou est blanc, cela signifie que les surfaces du verre n'ont pas été traitées antireflets. La présence d'au moins une couleur signifie que le verre a été traité.

Cette technique présente toutefois un inconvénient. En effet, puisque le revêtement antireflet n'est efficace que pour une longueur d'onde précise, il peut entraîner une ou plusieurs réflexions sur une autre longueur d’ondes par interférence constructive. De plus, cette technique perd toute efficacité lorsque l'angle d'incidence est élevé. Selon des tests effectués par Canon, un monocouche peut même augmenter les reflets sous certains angles.

En raison de ces réflexions parasites résiduelles, Nikon puis Canon ont développé de nouvelles optiques bénéficiant d'un "micro-coating". Il s'agit d'un revêtement dont les cristaux ont une taille inférieure à la longueur d'onde de travail : ils ont une structure nanoscopique qui offre l'avantage de pouvoir modifier en permanence les indices de réfraction afin de réduire plus efficacement les reflets.

Ce sont les revêtements "Nano Crystal Coating" (NCC) chez Nikon (appliqué depuis 2008 sur tous objectifs de dernière génération) et "SubWavelength Structure Coating" (SWC) chez Canon (appliqué depuis 2009 sur les objectifs de la série USM).

A l'inverse des multicouches classiques qui réfléchissent la lumière, ceux-ci absorbent la lumière. L'avantage est que cette technique fonctionne pour toutes les longueurs d'ondes et tous les angles d'incidence. Cerise sur le gâteau, en éliminant toutes les réflexions à travers tout le spectre, la quantité de lumière traversant l'optique est également augmentée.

Notons que les filtres infrarouges (Schott RG665, Kodak W89B, Hoya R72, etc), ne sont pas traités antireflets car le revêtement n'est efficace que dans le spectre visible, généralement entre 400 et 700 nm (Astro-Physics propose des revêtements diélectriques actifs jusque 720 nm adaptés aux caméras CCD et le revêtement NCC de Nikon est actif entre 380-780 nm).

Il existe des revêtements adaptés au proche IR, transparents entre 600 et 900 nm mais ils sont très onéreux et il n'y a pratiquement pas de demande pour ce type de produit de la part du grand public.

Deuxième partie

La dispersion

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