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Les revêtement des miroirs de télescopes
Le traitement antireflet (III) La technique la plus courante est le revêtement en couches minces dit multicouche d'un matériau réfléchissant et résistant, offrant tout à la fois une meilleure réflectivité, une protection contre l'abrasion mécanique et une réduction sensible des reflets. Rappelons que comme le revêtement diélectrique, le procédé de superposition des couches antireflets est différent selon que le substrat est utilisé en transmission ou en réflexion. Dans le cas d'un miroir, on profite de la réflexion sur chaque dioptre et de toutes les réfractions internes pour essayer d'augmenter la réflectivité; au lieu d'exploiter les interférences destructives, on exploite les interférences constructives. L'épaisseur d'une couche antireflet varie entre 70-250 nm, l'équivalent d'une feuille d'or. Tout ce joue donc à une échelle 1000 fois inférieure à celle d'un cheveux (100 microns). Une protection antireflet comprend une ou plusieurs couches HL : l'une présente un indice de réfraction inférieur à celui du verre à traiter, l'autre un indice de réfraction supérieur à celui du verre à traiter. De cette façon, tous les rayons réfléchis ont un effet cumulatif et augmenteront la quantité globale de lumière réfléchie vers le système oculaire. L'indice de réfraction (n) élevé est obtenu grâce à une couche transparente composée de l'un des matériaux suivants : - Oxyde de titane, TiO2, n = 2.61 - Sulfure de zinc, ZnS, n = 2.35 - Oxyde de zircon, ZrO2, n = 2.16 L'indice de réfraction faible est obtenu grâce à une couche transparente composée de l'un des matériaux suivants : - Oxyde de silicium, SiO2, n =1.46 - Fluorure de magnésium, MgF2, n =1.38 - Fluorure d'aluminium et magnésium, Al(MgF2), n =1.35 - Cryolithe, un fluorure à base de sodium et d'aluminium, Na3AlF6, n =1.33. Ces matériaux peuvent être utilisés seuls ou combinés à des matériaux dopants selon le substrat, l'usage et les effets attendus. Calculette : Single Layer Antireflection Coating, HyperPhysics Logiciel : RP Coating
En général, les opticiens commencent par une couche antireflet d'indice de réfraction élevé puis déposent une couche de faible indice de réfraction et ainsi de suite, pour finir par une couche d'indice de réfraction élevé, éventuellement recouverte du couche hydrophobe. Comme nous l'avons évoqué précédemment, dans le cas de l'application d'un revêtement HL diélectrique sur l'aluminium, afin que les interférences soient constructives on dépose d'abord la silice sur l'aluminium puis on dépose la couche de titane et on recommence jusqu'à obtenir la réflectivité désirée et couvrir toute la bande passante. La couche supérieure au contact de l'air est soit le titane soit une couche hydrophobe. Dans le cas d'un miroir aluminé, la couche d'aluminium (plus ou moins pur selon le choix du fabricant) mesure de 70 à 100 nm d'épaisseur et est recouverte d'une ou plusieurs couches HL comprenant chacune 2 couches d'une épaisseur de λ/4 : une couche à indice de réfraction élevé (par ex. n=2.4) d'une épaisseur de 57 nm et une couche à faible indice de réfraction (par ex. n=1.4) de 95 nm d'épaisseur. En combinant une couche d'aluminium et une seule couche HL diélectrique de SiO2+TiO2, on obtient 96% de réflectivité. Il s'agit du revêtement standard. Si on recouvre l'aluminure de 3 couches HL diélectriques de SiO2+TiO2, on obtient une réflectivité supérieure à 99% tout en réduisant les reflets au maximum. Ce revêtement est qualifié d'"aluminium renforcé" ou "enhanced aluminum" et répond aux spécifications militaires. Si on utilise d'autres matériaux que la silice et le titane et dans les mêmes quantités, la réflectivité ne dépasse pas 98%.
Comme on le voit ci-dessus, la réflectivité des couches métalliques varie légèrement en fonction de la longueur d'onde : si un revêtement standard réfléchit 96.9% de la lumière à 532 nm, sa réflectivité atteint 97.2% à 400 nm mais redescend à 96.1% à 700 nm avec un minimum de 95% entre 830-850 nm. En revanche, la plupart des revêtements absorbent entre 40 et 50% du rayonnement qu'ils réemettent sous forme d'infrarouge thermique. Ce type de revêtement ne convient donc pas à des instruments dédiés à l'infrarouge (0.1-50 μm). Un reflet ou une diffusion indésirable de la lumière dans l'épaisseur d'un seul revêtement peut diminuer la quantité de lumière réfléchie jusqu'à 4%. Il est donc essentiel de choisir un traitement antireflet de la meilleure qualité, et d'autant plus sur une optique de Newton où il n'y a pas beaucoup de degrés de liberté pour améliorer la qualité de l'image et où les bras supportant le miroir plan secondaire ajoutent déjà pas mal d'aigrettes indésirables.
Le traitement multicouche antireflet s'applique également aux lentilles comme aux lames de fermeture, d'où le qualificatif de "multicoated", "super-multicoated" ou encore "fully-multicoated" (MC, SMC, FMC, etc) et autre HMC (High Reflectivity Mirror Coating), XLT (Extra Light Transmission) ou encore UHTC (Ultra High Transmission Coating) figurant sur les optiques de qualité. Dans le cas des miroirs destinés aux astronomes amateurs, si le miroir primaire et le miroir secondaires bénéficient de ce traitement spécial, le gain de lumière par rapport à un miroir standard atteint 14-15%, ce qui augmente d'autant la puissance lumineuse de l'instrument : cela équivaut à transformer un télescope de 100 mm d'ouverture en 115 mm. Pour les miroirs équipant les télescopes amateurs, les fabricants proposent en général des revêtements offrant une uniformité supérieure à 98% mais qui dépend de l'épaisseur du film et de la longueur d'onde de travail, fixée par défaut à 550 nm pour les tests. Comme dans le cas du diélectrique, mais de façon encore plus prononcée, on ne peut pas appliquer un nombre de couches illimité sans affecter la qualité des fronts d'ondes et donc de l'image. Les revêtements classiques des miroirs comprennent généralement une seule couche HL, mais on peut déposer cinq couches HL et même un peu plus en fonction de la réflectivité désirée et de la bande passante qu'on souhaite protéger. Les reflets résiduels Si vous avez déjà observé de près une lentille, par exemple l'objectif d'appareil photo, un oculaire ou la lame de fermeture d'un télescope catadioptrique, à l'image des verres de lunettes, on aperçoit des reflets résiduels colorés, magenta, bleus, vert, jaune ou orange comme on le voit à droite. 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. Les anciennes optiques (avant 1950, parfois jusqu'en 1970) présentaient deux couleurs, bleu et majenta, rarement plus. Les optiques de dernière génération présentent des reflets multicolores.
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. L'oeil étant très sensible à la lumière bleue et jaune-verte, généralement les optiques sont traitées pour réduire les reflets par interférences destructives dans trois ou quatre bandes spectrales : < 480 nm, 480-500 nm, vers 550 nm et vers 580 nm. Ces optiques présentent donc des reflets respectivement jaunes, bleus, pourpres et verts turquoises. Enfin, puisque le revêtement antireflet est tributaire d'une longueur d'onde précise, il peut entraîner une ou plusieurs réflexions sur une autre longueur d’onde par interférence constructive. 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.
Il s'agit des revêtements "Nano Crystal Coating" (NCC) chez Nikon (appliqué depuis 2008 sur tous les 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 revêtements classiques qui réfléchissent la lumière, ces multicouches 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 antireflet car ce revêtement n'est efficace que dans le spectre visible 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 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. Traitement hydrophobe Malgré les apparences, le verre est plus ou moins poreuse à l'échelle microscopique. Sans contrainte et uniquement sous l'effet de l'infiltration et de la diffusion de l'eau ou d'autres liquides dans la masse de verre, un miroir comme une lentille peut vieillir prématurément. Mais on peut l'éviter en protégant la surface de l'humidité. Le procédé le plus performant est le revêtement de carbure de silicium tel que le propose la société allemande optoSiC pour les instruments professionnels. Plus économique et donc plus accessible aux amateurs, il y a le traitement hydrophobe qui dépose une fine couche d'une dizaine de microns sur la dernière couche antireflet.
Comme c'est souvent le cas dans l'industrie très concurrentielle de l'optique, la composition de la couche hydrophobe varie d'un fabricant à l'autre et est parfois tenue secrète, sauf si le brevet a été déposé. En parcourant les brevets existants (cf. ces sites en FR et US), on apprend que le revêtement hydrophobe peut contenir un silane (SiH4, liaisons O-Si-X), des fluorocarbones (des éléments polysiloxanes fluorés comme les silicones fluorés avec liaisons Si-O-Si et C-F) ou un groupe fluoré et un groupe Si-R (cf. ce brevet déposé par Essilor). Dans le cas de substrats contenant des polymères (à base de résine par exemple), les chimistes utilisent un monomère d'acide acrylique à 60% (cf. ce brevet déposé par Saint-Gobain), un matériau qu'on retrouve également dans les verres de vue, les lunettes de protection et les vitrages anti-buée. Le revêtement hydrophobe est appliqué sur toutes les optiques, y compris sur le miroir secondaire et l'éventuelle lame de fermeture. Grâce à sa faible tension de surface, il forme une fine pellicule flexible et dense sur la surface qui résiste à l'eau. Autrement dit, ce revêtement joue un rôle tensioactif en évitant que l'eau ne mouille la surface, empêchant la poussière et les corps gras de s'y accrocher, comme une goutte d'eau glisse sur un pare-brise sortant du carwash. Le revêtement anti-buée est peut-être moins utile dans un pays sec (sauf contre la poussière) mais il est indispensable sous les climats humides ou dans les endroits plongeant régulièrement sous 0°C car il permet de réduire les traces d'humidité, première source de moisissures. Ce traitement est proposé par la plupart des maisons d'astronomie réalisant les aluminures ou les traitements antireflets puisqu'il s'agit simplement d'ajouter un creuset contenant le produit adéquat dans la cloche sous vide. Sans empêcher la présence de buée si le choc thermique est important, notamment lors des hivers très rigoureux ou près des zones très humides, dans des conditions normales ce traitement évite d'avoir recourt à un pare-buée extérieur en matière absorbante (mais toujours utile) et quand bien même la rosée se déposerait sur l'instrument, ce revêtement réduirait son importance et la durée de mise en température. Vieillissement des revêtements Le revêtement standard d'aluminium appliqué sur un miroir n'est pas à l'abri du vieillissement, même protégé par une couche de silice. En effet, si la source d'ions n'est pas suffisamment efficace ou la technique de sublimation mal maîtrisée, il peut se former des dérivés SiOx, le revêtement présentant dans ce cas de multiples indices de réfraction et des problèmes de dureté. De plus, le revêtement peut être poreux et s'il est trop épais il va absorber les rayonnements UV et IR, deux facteurs de vieillissement prématuré qui vont dégrader le revêtement et finir par l'écailler. Combien de temps résiste un revêtement ? Il est difficile de donner la durée de vie d'un miroir aluminé car il n'y a pas d'utilisation type ou de référence, juste des échantillons-tests ayant servi au développement des revêtements. En fait, tout dépend de la qualité des revêtements et de l'usage du miroir. Pour prendre deux extrêmes, il est certain qu'un miroir d'un télescope Newtonien d'entrée de gamme exposé en plein Soleil puis dans l'humidité vieillira plus rapidement qu'un modèle haut de gamme d'un télescope à enceinte fermée uniquement utilisé de nuit dans un endroit sec. De plus, si son propriétaire ne protège pas les miroirs (primaire et secondaire) de la poussière ou ne sait pas comment les nettoyer, au premier entretien "maison" la surface risque de se rayer. Rappelons aussi que l'humidité comme de la buée répétée sur les miroirs reste l'ennemi numéro un des revêtements.
Des vendeurs ont vu des miroirs de 20 ou 30 ans dont l'aluminure n'avait pas bougé et des miroirs de 3 ans qui étaient piqués et même devenus pratiquement transparent comme on le voit ci-dessus. Entre les deux, il y a donc de la marge, mais rares sont les amateurs ayant connus des déboires avec une aluminure ou un revêtement. Ceci dit, il existe quelques cas décrits sur les forums dont celui d'Astrosurf et sur les forums anglo-saxons. En général, on conseille de réaluminer les miroirs au moins tous les 10 ans même si les professionnels le font parfois tous les 2 ans. Des essais ont montré que les UV ou la chaleur du Soleil ne détériorait pas les revêtements des miroirs. Les multicouches supportent même des températures jusqu'à 480°C avant de montrer une tension dans l'une ou l'autre couche, d'où il résulte un écaillage. Mais en principe, dans des conditions normales, les revêtements ne s'écaillent pas (contrairement aux verres de lunette traités antireflets qui s'écaillent s'ils sont exposés aux UV du Soleil). S'il y avait une seule précaution à retenir ce serait la suivante. Si l'aluminure est fraîche, il ne faut surtout pas essayer de nettoyer le miroir avec de l'acétone; ce dissolvant qu'on utilise normalement pour dissoudre le vernis fragilise la couche de silice et accélère l'oxydation de l'aluminium. Si le revêtement présente des signes de vieillissement ou si le miroir doit être repoli, il n'y a pas d'autres solution que de retirer le revêtement. Pour cela, il suffit d'utiliser une solution très alcaline comme du chlorure ferrique (attention, c'est corrosif) puis de le neutraliser avec de la soude caustique comme le montre la vidéo suivante. S'il s'agit d'un revêtement diélectrique, étant donné qu'il est très résistant, il n'est pas possible de le retirer sans repolir la surface. Mieux vaut confier ce travail à un professionnel. A
voir : Stripping
the aluminium coating from a telescope mirror Prix d'un traitement Un traitement de surface complet sous vide est une opération simple mais relativement onéreuse. A titre d'information, chez Mirro-sphère en France, dans la Nièvre (58), une aluminure avec traitement protégé renforcé hydrophobe (96% de réflectivité) revient à environ 500 € pour un miroir de 300 mm de diamètre et à moins de 40 € pour un miroir elliptique de 42 mm (non traité hydrophobe). Comparé au prix des constructeurs, cela reste malgré tout un prix concurrentiel. Par comparaison, la même entreprise propose un miroir parabolique de 300 mm f/11 Schott Suprax taillé à λ/11, aluminé et traité contre l'oxydation, avec protection ZrO2 et hydrophobe, offrant 96% de réflexion pour environ 2000 € (c'est au moins deux fois le prix d'un miroir fabriqué manuellement et traité). Chez Normand Fullum Telescope au Québec, pour des miroirs jusque 600 mm de diamètre, une aluminure avec un traitement protégé renforcé revient à 17$CAD/pouce soit environ 200 € ttc et livraison comprise pour un miroir de 300 mm. Fabriquer son propre miroir et le traiter ensuite chez un spécialiste est donc une opération qui permet de réaliser quelques économies. A propos de la bande passante Conclusion de tout ce travail, la combinaison des spécifications du verre, des couches réfléchissantes, de protection et antireflet (stabilité thermique, coefficient de transmission, homogénéité, qualité du polissage, granulosité, coefficient de réflexion, bande passante et la permittivité dans le cas des diélectriques) affecte directement la qualité de l'image ou de l'enregistrement. Si cela paraît évident, le fait de sacrifier la qualité du verre, du polissage ou du revêtement multicouche risque de compromettre le résultat de longues nuits passées à enregistrer la lumière des astres. Ce ne sera donc pas le premier amateur, ni professionnel, à devoir réaluminer ou repolir son miroir en raison de défauts de surface. En effet, si une déformation de l'image, un reflet ou une coupure spectrale ne dérange peut-être pas l'observateur occasionnel, l'effet peut être catastrophique sur une photographie ou si le travail exige des mesures de qualité scientifique.
Ainsi, rien que le fait qu'un miroir présente un faible coefficient de transmission et absorbe une partie de l'énergie lumineuse le rend impropre à la fabrication d'un interféromètre de Fabry-Perot. Concernant la photographie ou l'enregistrement de signaux dans le proche infrarouge, si le miroir est en mesure de capter ce rayonnement, les revêtements antireflets standards, notamment ceux déposés sur les lames de fermeture des télescopes catadioptriques bloquent ce rayonnement indésirable pour réduire les aberrations et les réflexions parasites que les capteurs CCD et CMOS peuvent facilement enregistrer. On peut néanmoins utiliser un revêtement d'or (Au) qui offre plus de 90% de réflexion à partir de 600 nm et pratiquement 99% à partir de 850 nm. Encore faut-il que le capteur photosensible soit transparent dans cette partie du spectre (en théorie les CCD sont sensibles de 120 à 1100 nm comme l'explique Olympus) car tous les appareils photos numériques sont équipés d'un filtre IR bloquant opaque à partir de 720 ou 750 nm qu'il convient alors de retirer physiquement.
Heureusement, certains fabricants travaillant pour l'industrie ou le monde scientifique proposent des miroirs adaptés à d'autres bandes spectrales que le spectre visible, y compris pour des applications lasers exploitant des raies spectrales spécifiques hors du spectre visible. La société américaine Newport ou la société allemande optoSiC par exemple propose différents revêtements adaptés aux instruments terrestres ou spatiaux, y compris aux applications lasers de haute puissance ainsi que des revêtements diélectriques pour la première ou à base de carbure de silicium pour la seconde. La question est toutefois beaucoup plus complexe pour les travaux en ultraviolet, y compris pour la photographie UV. Si un spécialiste souhaite par exemple utiliser un télescope pour des analyses dans le proche UV (spectroscopie Raman UV), ce n'est même pas la peine de regarder les catalogues amateurs. En effet, tous les revêtements antireflets de tous les instruments d'optique classiques perdent leurs propriétés en UV, certains présentant moins de 65% de transmission sous 400 nm. Dans ce cas, la personne doit s'orienter vers les rares instruments professionnels adaptés à ce spectre voire même le faire fabriquer sur mesure à vil prix. Espérons que les progrès rapides réalisés dans la technologie photonique viendront bientôt au secours des experts frustrés de ne pas disposer d'optiques adaptées à leur domaine spectral. Je remercie Franck Grière de Mirro-sphère, Tony Pirera de Spectrum Thin Films, Parmjeet Panchhi de VacuLayers et Tiffany Lam Wai-Sze du College of Optical Sciences de l'Université d'Arizona pour le support qu'ils m'ont apporté dans la rédaction de cet article. Pour plus d'informations Sur ce site Spécifications des verres utilisés en astronomie La fabrication du disque brut d'un miroir La fabrication d'un miroir de télescope Coatings, revêtements antireflets et dispersions (des lentilles) Nos outils pour sonder l'univers (les télescopes géants) Généralités Aluminure du miroir de 193 cm de l'Observatoire de Haute-Provence (2006) Tableau périodique des éléments, Periodic Table, Webelements, Eléments Chimiques Thin-Film Optical Filters, H.Angus Macleod, CRC Press, 2010 Vidéos Réaluminure du miroir du télescope Hale du Mont Palomar, 2006 Parcours de vie Alain Point, technicien à l'Observatoire de Haute Provence, 2015 Ion Assisted Deposition on Telescope Mirrors (aluminure), Spectrum Coatings Stripping the aluminium coating from a telescope mirror (supression de l'aluminure au chlorure ferrique), Gordon Waite Argenture dans un tube à essai L'argenture L'argenture des miroirs de télescopes, G.Boistel L'argenture, Larousse Argenture des miroirs, D.Belozisky, 1941 Drayton, Petitjean, Adolphe Martin (citations historiques à propos de l'argenture) Calculette et logiciel Single Layer Antireflection Coating, HyperPhysics (calculette) RP Coating (logiciel) Caractéristiques des revêtements Société Astronomique de Lyon (SAL) Aluminure du miroir de 193 cm de l'Observatoire de Haute-Provence, OHP Metallic Mirror Coatings, Edmund Optics Dielectric coatings, RP Photonics Encyclopedia Anti-Reflection Coatings, Majestic Coating Thin-Film-Coating, Photonics Refractive index (indice de réfraction et réflectivité des verres et autres matériaux) optoSiC Optical Coating, OptoSiC Celestron StarBright XLT High Performance Optical Coatings Outperform The Competitor's UHTC, Celestron (PDF) Mirrors vs. Dielectric vs. Prism Diagonal Comparison, William Paolini, Badder Planetarium, 2014 (PDF) Coatings Gemini's mirrors with protected silver, Gemini, 2004 Ion-assisted deposition of optical thin films low energy vs. high energy bombardment, J.R. McNeil et al., 1984 Entreprises spécialisées Mirro-sphère, France Reosc, France Zeiss (France) LPMTM, Université Paris XIII Befort-Optic, Allemagne ZAOT, Italie Angel Gilding, USA JML Optical, USA Nova Optical, Steve Dodds, USA Pacific Coast Optics, USA Reynard Corp., USA Rocky Mountain Instrument Co., USA Spectrum Thin Films, USA VacuLayer, USA Fabricants d'accessoires diélectriques Retour aux Rapports techniques
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