DE2050650B2 - Vielschichtinterferenzlichtfilter mit einem breitbandigen spektralen Transmissionsbereich mit verminderter Bandenstruktur - Google Patents

Description

„ . , j L .. . . . . ein Maximum wird, jedoch muß man für benachbarte

Beziehung _nid< cos «, = -f genügen (wobei n_t den ^dlenHngm _meb; ^J _{oder weniger große} Abweichun-

Brechungsindex der Schichtsubstanz, d_t d'e Dicke gen in Form einer siörenden Bandenstruktur in Kauf

der Schicht, X₀ die Wellenlänge des Maximums 15 nehmen. Zur Verminderung dieser unerwünschten

des an den interessierenden Transmissionsbereich Bandenstruktur sind verschiedene Lösungen vorge-

auf der langwelligen Seite angrenzenden Re- schlagen worden. Näheres findet man in:

flexionsbereiches und &, den Winkel bedeutet, 1) Deutsche Patentschrift 902 191 (Ge ff ck en),

welchen der durch das Filter hindurchtretende 2) J. Opt. Soc. Amer., 53 (1963), November,

Lichtstrahl mit der Senkrechten zur Schichtebene 20 Nr 11, p. 1226 bis 1270 (T h e 1 e n).

in der betreffenden Schicht einschließt) und wo- 3) J. Opt. Soc. Amer., 56 (1966), November,

bei zusätzlich eine an eine niederbrechend ausge- Nr. 11, p. 1533 bis 1538 (Thei en),

bildete Außenschicht des alterniederaden Systems 4) Notes for Summer Course in Modern Methods

angrenzende lichtdurchlässige Ausgleichsschicht of Optical Design, Vol. 7, Multilayer Filters;

von solchem Brechwert« und solcher Dicke d 25 Ed.: The Inst, of Optics, University of Rochester

vorgesehen ist, daß unerwünschte Nebenmaxima (Baumeister), 1963.

oder Reflexion vermindert werden, dadurch 5) USA.-Patentschrift 2 742 819.

gekennzeichnet, daß die Dicke der Aus- 6) USA.-Patentschrift 3 410 625.

1 · u u· U* 1 · u · « j ³^ 1 ι. · 1 j· In 1) ist ein Interferenzlichtülter mit verminderter

gleichsschicht gleich urtrf= _g .-—,wobeiAdie _{3o Bandei}i_{struktur für Aufsicht oder Durchsicht vorge}.

mittlere Wellenlänge des interessierenden zu glät- schlagen worden, welches aus einer Vielzahl von

tenden Transmissionsbereiches, \ den Winkel be- nichtmetallischen Schichten besteht, wobei ein als

deutet, den der Lichtstrahl in der Ausgleichs- Innensystem bezeichnetes, mit Bandenstruktur behaf-

schicht mit der Senkrechten zu dieser einschließt, tetes Interferenzfilter von einem aus zwei Außen-

und wobei der Brechwert η der Ausgleichsschicht 35 gruppen bestehenden Außensystem optisch symme-

höher als der Brechwert der an diese angrenzen- trisch eingefaßt wird. Bei der Herstellung eines

den niederbrechenden Außenschicht des alternie- solchen Interferenzlichtfilters muß darauf geachtet

renden Systems ist. werden, daß die für die Reflexionsamplitude des

2. Vielschichtinterferenzlichtfilter nach An- Außensystems geltende Kurve in dem in Frage komspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus- 40 menden Wellenlängenbereich praktisch den gleichen gleichsschicht zwischen einer Glasplatte und dem Verlauf zeigt wie die für die Wurzel aus der meßalternierenden Schichtsystem angeordnet ist. baren Reflexion des Innensystems geltende Kurve,

wobei die Einhaltung dieser Vorschrift mit nicht unerheblichen herstellungstcchnischen Schwierigkeiten

45 verbunden ist. Es ist eines der Ziele der vorliegenden

Erfindung, demgegenüber eine einfache, mit den Erfordernissen einer rationellen Fertigung vereinbare

Es sind Interferenzlichtfilter bekannt, welche auf Lösung des Problems der Glättung der Bandcn-

einem lichtdurchlässigen Träger ein System dünner, struktur eines Interferenzlichtfilters zu finden, insbe-

lichtdurchlässiger Schichten von abwechselnd hohem 5° sondere für den Fall von zwischen Glasplatten ein-

und niedrigerem Brechungsindex aufweisen, wobei geschlossenen Filtern.

die gleichbrechenden Schichten unter sich die gleiche Ausgleichsschichten, um die Reflexion der sogeoptische Dicke besitzen; unter optischer Dicke wird nannten Seitenbänder bei Interferenzfiltern mit langhier und im folgenden das Produkt aus Schichtdicke welligem Transmissionsbereich zu verringern, sind in und Brechungsindex des Schichtmaterials verstanden. 55 5) beschrieben worden, wobei das Filter aus zwei Ein solches System wird im folgenden als alternie- verschiedenen Teilfiltern aufgebaut werden muß und rendes System bezeichnet. eine an Luft grenzende Schicht niedrigen Brechungs-Ais hochbrechende Schichten kommen z.B. TiO₂ index vorgesehen werden muß, die eine von den (n = 2,4), ZnS (n = 2,3) und andere Materialien in übrigen Schichten der beiden Teilsysteme abwei-Frage, für die niederbrechenden Schichten werden 60 chende vorgeschriebene Dicke besitzt. Die Herstelhäufig MgF₂ (;i=l,38), SiO₂ (;i=l,47) usw. vcr- lung eines solchen zusammengesetzten Filters bedeuwendet. Solche Filter können verschiedene Anwen- tet einen hohen Aufwand, weil Schichten fünf verdungen finden, vor allem werden sie als sogenannte schiedener Dicken mit großer Präzision auf eine Band- und Kantenfilter benutzt, welcln Licht be- Unterlage aufzubringen sind.

stimmter Wellenlängenbereiche hindurchtreten lassen 65 6) beschreibt ein Vielschichtinterferenzfilter mit

und den Rest reflektieren oder absorbieren. Für einem Transmissionsbereich um 0,9 nm, wobei als

Bandfilter und Kantenfilter ist die Forderung gestellt, äußerste Schicht zur Unterdrückung von unerwünsch-

daß das Transmissionsvermögen in einem größeren ten Reflexionsbändern im Transmissionsbereich eine

Schicht der Dicke ψ - * (χ « eine beliebig poä- ¹^ »«β****, * A^gfek&sscfccfat aadae*

4 κ ^v "**■ "«-"^"»«^ μ««- Glasträger angrenzen ze lassen, stellt einen besonde-

tive. ungerade Zahl kleiner ah 1S> vorgeschrieben ren Vorteil der Erfindnog bei der Herstellung von

wird. Die angegebene Fanraei für die Dicke der Aus- laterferenzliehtSftfifn dar, wefche zwecks Scautz

gleichsschicht ergibt tür ander« Wellenlängen als 5 gegen atmosphärische Einflüsse luftdkht zwischen

0.9 mn keine Lösung und gilt nur für den genannten Glasplatten eingeschlossen werden sollen.

Sonderfall. Wie die Erfindung praktisch durchgeführt werden

Die Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe kann, wird im nachfolgenden an Hand zweier Ausgestellt, eine Ausgleichsschicht anzugeben für ein fuhrangsbeispiele näher erläutert.
Wechselschichtsystetu. das aus einer Mehrzahl optisch io F i g. 1 a zeigt den Aufbau des Filters für ein erstes gleich dicker, abwechselnd hoch- und niederbrechen- Ausührangsbeispiel,

der Schichten aufgebaut ist, wobei die Schichtdicke Fig. 1 b die Abhängigkeit des Reflexionsvermögens

;. 4 eiaer beliebiges Beiugxwelleolänge im optischen desselben von der Wellenlänge.

Bereich betragen kann. Auf einer Glasunterlage nut dem Brechungsindex

Das erfindungsgemäße Vielschichtimerferenzlicht- 15 1,52 ist zunächst ein aus zehn Schichten abwechselnd filter mit einem breitbandigen spektralen Trans- aus Ti(X (« = 2,4) und SiO, (n = 1,47) periodisch missionsbereich mit verminderter Bandenstruktur, aufgebautes Interferenzlkhtfiltersystem aufgebracht welches für Strahlung von größeren Wellenlängen Die optische Dicke jeder dieser zehn Schichten bereflektierend ausgebildet ist und auf einem Träger ein trägt ein Viertel der Wellenlänge (700 nm), für welche ?!>err>ie"fndes System von abwechselnd hoch und =3 in diesem Ausführusgsbeisp:;! ein Maximum -ter niederbrechenden Schichten aufweist, wobei die Reflexion erwünscht ist. also 1⁷5 nm. Für ein solches Schichten optische Dicken besitzen, welche der Be- System ergibt sich, wie die Kurve.4₀ in Fig. Ib zeigt,

,ichung M. - λ. - i „*. ,»„bei „, *. B-. S,Xt^Ä"a^SÄ 5M ehungsindex der Schichtsubstanz. J₁ die Dicke der 25 uiid 610 nm. Daran schließt sich ein nach kürzeren Schicht, A₀ die Wellenlänge des Maximums des an Wellenlängen sich ausdehnender Transmissionsbereich den interessierenden TransmissionsbereicL auf der an. welcher jedoch eine unerwünscht starke Bandenlangwelligen Seite angrenzenden Reflexionsbereiches struktur, d. h, mehrere Maxima und Minima der und \, den Winkel bedeutet, welchen der durch das Transmission aufweist. Für das vorliegende Kanten-Filter hindurchtretende Lichtstrahl mit der Senkrech- 30 filter wurde beispielsweise angenommen, daß die mittten zur Schichtebene in der betreffenden Schicht ein- lere Wellenlänge des interessierenden Bereiches bei schließt), und wobei zusätzlich eine an eine nieder- etwa 505 nm liegt. Der Erfindung entsprechend wurde brechend ausgebildete Außenschicht des alternieren- also auf das aus zehn Schichten bestehende System den Systems angrenzende lichtdurchlässige Aus- eine Ausgleichsschicht als elfte Schicht aufgebracht, gleichsschicht von solchem Brechwert« und solcher 35 deren opt i^rie Dicke* »von 505 nm, also etwa 1¹KInIn Dicke d vorgesehen ist, daß unerwünschte Neben- beträgt. Der Wert des Brechungsindex der Ausgleichsmaxima der Reflexion vermindert werden, ist dadurch schicht 11 ist durch Von ersuche unschwer zu ermitgekennzeichnet, daß die Dicke der Ausgleichsschicht teln; er muß höher als der Wert des Brechungsindex gleich ist der an diese angrenzende niedrigbrechenden Schicht 3^ ] 40 des alternierenden Systems sein Im vorliegenden Beid ~ · . spiel wuide eine Ausgleichsschicht aus Al₂O₃ gewählt, ^{ncOb %} welche mit einem Brechungsindex von 1,61 im Va-

wobei λ die mittlere Wellenlänge des interessierenden kuuni aufgedampt werden kann, doch kann auch jede zu glättenden Transmissionsbereiches und \ den Win- andere Substanz, welche sich als stabile lichtdurchkel bedeutet, den der Lichtstrahl in der Ausgleichs- 45 lässige, möglichst absorptionsarme Schicht in der vorschicht mit der Senkrechten zu dieser einschließt, und geschriebenen Dicke aufbringen, vorzugsweise im Vawobei der Brechwert η der Ausgleichsschicht höher kuum aufdampfen läßt, für die Ausgleichsschicht verals tier Brechwert der au diese angrenzenden nieder- wendet werden, wenn sie den entsprechenden Brebrechenden Außenschicht des alternierenden Systems ehungsindex aufweist. Die Wirkung der Ausgleichsi:.t. 50 schicht zeigt die ausgezogene Kurve A der Fig. Ib; Das Vielschichtinterferenzlichtfilter gemäß Patent- die starke Schwankung im Transmissionsbereich anspruch hat den besonderen Vorteil, daß es einen wird, wie man ersieht, wesentlich verringert,
wesentlich einfacheren Aufbau zu'.äßt und trotzdem Während das Beispiel der F i g. 1 für senkrechten einen breitbandigen spektralen Durchlaßbereich mit Lichteinfall auf das filter ausgelegt ist, zeigt die verminderter Bandenstruktur erzielt. Die erfindungs- 55 Fig. 2 ein Filter, welches für einen Lichteinfallsgemäße Lösung ist nicht an eine bestimmte Konstruk- winkel von 45^r bestimmt ist. Die F i g. 2 a zeigt den lionswellenlänge (Schwerpunkt des Transmissions- Aufbau dieses zweiten Ausführungsbeispiels. Auf bereiches) gebunden, sondern läßt sich in einem wei- dem Glasträger ist zunächst wieder ein alternierendes ten Bereich optischer Filter anwenden. Dadurch, daß System von zehn Schichten aus TiCX und SiO., aufnur ein einziges alternierendes Schichtsystem erfor- 6u gebracht. Die Dicke dieser Schichten ist nach der derlich ist und das Filter nicht aus zwei oder mehr obigen Formel berechnet. Die resultierenden Schicht-Teilsystemen zusammengesetzt werden muß. wird das dicken sind in Fig. 2a eingetragen. Die Transmis-Herstellungsverfahren sehr vereinfacht. Die einzige sionskurve B_n dieses Systems diine Ausgleichsschicht erforderliche Ausgleichsschicht kann zwischen dem zeigt die Fig. 2b. Auch hier sind starke periodische alternierendem Schichtsystem und dem Träger bzw. ⁶⁵ Schwankungen im Transmissionsbereich vorhanden, einem Deckglas angebracht werden oder auf dem die erfind imgsgemäß durch eine einzige weitere Svstem als oberste an die Atmosphäre grenzende Schicht vermindert werden können. Diese weitere Schicht ausgebildet werden Schicht besieht wiederum aus AL₁O₁, und ihre Dicke

errechnet sich nach der obigen Formel zu 131 nm, wenn als mittlere Wellenlänge des Transmissionsbereiches wieder 505 nm angenommen wird.

Die vorteilhafte Wirkung der Ausgleichsschicht in diesem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt die ausgezogene KurveB in Fig. 2b. Eine starke Verminderung der unerwünschten Schwankungen ist aucl hier festzustellen. Analog wie für einen Lichteinfalls winkel auf das Filter von 45° sind die Schichtdickei auch für andere Einfallswinkel zu berechnen. De Winkel des Lichtstrahls in jeder einzelnen Schicht er gibt sich auf Grund des bekannten Brechungsgesetzes

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

vorgewählten interessierenden Bereich des Spektrums Patentansprüche: einen möglichst gleichbleibenden hohen "Wert auf weist, die graphisch dargestellte Transmissionskurve

1. Vielschichtinterferenzlichtfilter mit einem in diesem Bereich also einen möglichst glattea Verbreitbandigen spektralen Transmissionsbereich mit 5 lauf zeigt. Diese Forderung läßt sich nicht erfüllen, verminderter Bandenstruktur, welches für Strah- wenn man zum Aufbau des alternierenden Schichflung von größeren Wellenlängen reflektierend systems lauter optisch gleich dicke hoch- bzw. niederausgebildet ist und auf einem Träger ein alter- brechende Schichten verwenden will (was aus hernierendes System von abwechselnd hoch- und stellungstechnischen Gründen erwünscht wäre). Man niederbrechenden Schichten aufweist, wobei die io erreicht mit einem solchen System zwar, daß das Schichten optische Dicken besitzen, welche der Transmissionsvermögen für bestimmte Wellenlängen