DE2658645C3 - Optisches Filter mit einer teilreflektierenden metallischen Schicht und einer teilreflektierenden dielektrischen Schicht und Verwendung eines solchen Filters - Google Patents
Optisches Filter mit einer teilreflektierenden metallischen Schicht und einer teilreflektierenden dielektrischen Schicht und Verwendung eines solchen FiltersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Filter
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Interferenzphänomene, die in Verbindung mit
dünnen Schichten auftreten, sind seit langem bekannt. Eine
Übersicht über solche Phänomene ist unter dem Titel "Optical
Interference Coatings" in der Zeitschrift "Scientific American"
Dezember 1970, Seiten 59 bis 75 erschienen. Diese Veröffentlichung
beginnt zwar mit einer Darstellung verschiedener
Farben in farbigen Abbildungen und erwähnt eine Reihe
von Farbeffekten, die in der Natur durch dünne Schichten erzeugt
werden, wie Ölfilme, Seifenblasen, Perlmutter und
Pfauenfedern, bei den verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen
von optischen Interferenzschichten, die in dieser
Veröffentlichung beschrieben werden, erfolgt jedoch keine
bewußte Produktion von sichtbaren Farbeffekten. Ein Hauptanwendungsgebiet
der dünnen Schichten in der Optik ist das
Bewirken oder Verhindern einer Reflexion im sichtbaren Spektralbereich
oder Teilen davon. Reflexionsvermindernde Schichten
werden bei vergüteten Linsen und optischen Systemen verwendet,
während bei dielektrischen Spiegeln reflektierende
Mehrfachschichten Anwendung finden. Anwendungen, die die Bevorzugung
einer speziellen Wellenlänge erfordern, haben weniger
visuelle als analytische Zwecke und erfordern das maximal
mögliche Reflexionsvermögen, z. B. bei Lasern und Fabry-Perot-Interferometern.
Bei der sogenannten Plumbicon-Bildaufnahmeröhre
wird zwar Licht in seine Primärfarbanteile
zerlegt, diese werden jedoch nicht betrachtet, sondern in
elektrische Signale umgesetzt, die dann über Trägerschwingungen
mit Frequenzen im Megahertzbereich an einen Empfänger
übertragen werden. Bei diesen bekannten wissenschaftlichen
Anwendungen optischer Interferenzschichten werden
nicht nur keine visuellen Wirkungen angestrebt, sondern
werden auch die Schichten zur Erreichung eines speziellen
Effektes derart eingesetzt, daß die betreffende optische
Einrichtung, nach dem sie einmal für den betreffenden Effekt
bemessen worden sind, nicht mehr hinsichtlich anderer Parameter
eingestellt werden kann.
Es ist auch bekannt, die spektrale Transmission
und andere Eigenschaften (Absorption, Farbe usw.) von Materialien,
wie Gläsern oder Kunststoffen, so zu beeinflussen,
daß sie sich als Sonnenbrillen eignen, die entweder Licht
absorbieren, um die Menge und Art des das Auge erreichenden
Lichtes zu reduzieren und/oder zu steuern oder die kosmetischen
Zwecken dienen. Zu diesen Verfahren gehören insbesondere
die Färbung der Grundmaterialien, das Aufbringen einer gefärbten
Schicht auf eine Oberfläche (Überfanggläser) und
das Aufbringen eines farbneutralen Filters auf eine oder
mehrere Oberflächen, die Verwendung eines polarisierenden
Materials usw.
Das Aufbringen von Interferenzschichten, die Interferenzfarben
erzeugen, erfolgte jedoch gewöhnlich nicht
für diesen Zweck. Solche Farben sind zwar von vielen Forschern
bereits bemerkt worden, sie wurden jedoch im allgemeinen nicht
für modische Zwecke ausgenützt, da es schwierig war, einen
vorgegebenen Farbton zu erreichen und da den Farben die "Tiefe"
fehlte, insbesondere auf den transparenten oder teilweise
absorbierenden Substraten, wie sie für Sonnenbrillengläser
und ähnliche Zwecke verwendet werden.
Beim Stand der Technik werden Interferenzschichten
gewöhnlich zur Herstellung von optischen
Filtern mit Bandfiltercharakteristik, und, im Gegensatz zur
Wirkung der Erfindung, bei der das durchgelassene Licht, wie
bei Sonnenbrillen und anderen lichtabschwächenden Vorrichtungen
immer herabgesetzt wird, die Menge des durchgelassenen
Lichtes (bei Linsen, Objektiven, Ferngläsern und dgl.) durch
die Verwendung von sogenannten Viertel-Wellenlängen-Antireflexfiltern,
die eine einfachere Form der oben erwähnten Filter
darstellen, zu erhöhen. Da jeder Film der optischen Dicke
λ /4 (λ bedeutet dabei die Wellenlänge der betreffenden Strahlung)
nur
im Bereich von einem einzigen Wert von λ (oder speziellen
Funktionen hiervon) wirksam ist, haben, wie noch
unten näher ausgeführt wird, solche Schichten mit λ-Werten
im sichtbaren Spektralbereich zur Folge, daß der reflektierte
und der durchgelassene Anteil des Lichtes gefärbt ist, auch
wenn das einfallende Licht weiß ist, wie es gewöhnlich bei
Sonnenbrillen, Fenstern und dgl. der Fall ist.
Durch geeignete Wahl der Schichtdicken kann man
ein breites Spektrum von Reflexionsfarben erreichen, wobei
die Farbe des durchgelassenen Lichtes dem Spektrum des einfallenden
Lichtes, normalerweise weiß, abzüglich der reflektierten
und absorbierten Anteile entspricht. Dies wurde bisher
im allgemeinen nicht zum Erzeugen von Farbeffekten verwendet und zwar in
erster Linie wegen der Schwierigkeiten bei der Steuerung
der Farbgebung und vor allem auch wegen des Mangels an Intensität
der Farbtiefe bei Verwendung auf durchsichtigen oder
teilweise absorbierenden Substraten. In der Praxis werden
solche Farben normalerweise nur als Nebenerscheinung anderer
Maßnahmen beobachtet, wie einer Antireflexionsvergütung auf
Linsen und dgl.
Der Mangel an Farbtiefe oder Farbsättigung (was
generell vielleicht als Pastelltönung bezeichnet werden kann)
ist für gewisse Zwecke annehmbar, z. B. für schwach getönte
Sonnenbrillen, für andere Zwecke ist er jedoch unerwünscht.
Ein weiterer Grund warum die Interferenzschichtentechnik
noch keine allgemeine kommerzielle Verbreitung gefunden hat,
besteht darin, daß solche Schichten auf der Außenseite von Linsen,
Fenstern und dgl. angebracht werden müssen, um die beste
Funktion oder den besten kosmetischen Effekt zu ergeben. In
der Praxis bedeutet dies, daß die Schichten selbst ziemlich
hart sein oder mit einer anderen härteren (normalerweise
transparenten) Schicht überzogen werden müssen, um ein Verkratzen
oder andere Beschädigungen zu verhindern, was die
Herstellung kompliziert. Die Verwendung von Interferenzschichten
blieb daher bisher im allgemeinen auf optische Instrumente
(Ferngläser, Spektrometer, Bandfilter
usw.) beschränkt, wo solche Faktoren relativ wenig ins Gewicht
fallen, da optische Geräte von Natur aus sorgfältig
behandelt werden und da eine Färbung nicht erwünscht oder
benötigt wird. In vielen wissenschaftlichen Instrumenten, bei
denen Interferenzeffekte für Meßzwecke oder dgl. ausgenutzt
werden, muß im übrigen auch in irgend einer Stufe monochromatisches
Licht verwendet werden, um die erforderliche Funktion
zu erreichen. Für die meisten dieser Zwecke reichen die konventionellen
Interferenzschichtentechniken aus.
Bei Kunststoff-Brillengläsern, und zwar sowohl
bei korrigierenden als auch bei reinen lichtschwächenden Gläsern,
wird jedoch ein Farbgebungsverfahren benötigt, das lebhafte
kosmetische oder Modefarben zu erzeugen gestattet, die
Oberfläche des relativ weichen Kunststoffes schützt und gleichzeitig
die Lichtreflexion und/oder Absorption ergibt, die für
eine nennenswerte Sonnenschutzwirkung ausreicht. Ein entsprechender
Bedarf liegt auch bei Kunststoff-Fenstern, Dekorationsplatten
sowie Baumaterial aus Kunststoff usw. sowie auch
bei anderen Substratmaterialien, z. B. Glas, für spezielle
Anwendungen, wie Dekorationspaneele und Spezialfenster, und
auch bei anderen Anwendungsgebieten vor. Bei manchen Anwendungen
kann lediglich ein Farbeffekt gebraucht werden, ohne
daß es auf andere Parameter, wie Lichtdurchlässigkeit, ankommt.
Bei solchen Anwendungen, wie z. B. für kratzfeste Wandplatten
aus Kunststoff, Modeschmuck, Geschirrdekor, Platten
und dgl. kann also die Erfindung lediglich zur Erzielung
eines Farbeffektes verwendet werden.
Bei Anwendungen der oben erwähnten Art müssen
die farbgebenden Interferenzschichten gewöhnlich extrem gut
haften und zwar in einem solchen Grade, wie er mit den normalen
Aufbringungsverfahren nicht zu erreichen ist. Bei der
Anwendung der vorliegenden Erfindung können zwar eine Vielzahl
geeigneter Verfahren zum Aufbringen der erforderlichen Materialien
in der gewünschten Form auf eine Substratoberfläche
Verwendung finden, als besonders zweckmäßig haben sich jedoch
Ionenstrahlzerstäubungs- und Ionenstrahlimplantationszerstäubungs-Verfahren
erwiesen. Ersteres ist z. B. in der US-PS 34 72 751
beschrieben. Das letzterwähnte Verfahren ist aus
dem Disclosure Document Nr. 0 32 867 (Anmeldungstag 5. Juni
1974) des Erfinders bekannt und kann zum Niederschlagen von
sehr fest haftenden, dauerhaften dünnen Schichten auf Kunststoffen
und anderen problematischen Substraten verwendet werden,
wobei die Schicht aus dem niedergeschlagenen Material
gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, härter ist als
das Substratmaterial.
Aus der GB-PS 6 52 858 sind ferner farbige Spiegel
bekannt, welche ein Substrat und eine auf diesem angeordnete
Schichtstruktur enthalten, die die gewünschten Farbeffekte
durch Interferenz erzeugt. Die Schichtstruktur
enthält mehrere teildurchlässige Schichten mit
unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlichem
Transmissionsvermögen einschließlich einer auf der
Rückseite der Schichtstruktur befindlichen, im
wesentlichen opaken Licht reflektierenden Schicht. Dieser
Stand der Technik läßt sich nicht ohne weiteres auf
Filter übertragen, die mit Transmission arbeiten.
Schließlich ist aus der US-PS 36 79 291, von der die
Erfindung ausgeht, ein Filter mit einer neutral transmittierenden
Mehrfachbeschichtung bekannt, das ein asymmetrisches
Reflexionsvermögen mit einer starken Farbwirkung
auf der einen Seite aufweist. Das bekannte Filter kann
eine Metallschicht und mindestens eine dielektrische
Schicht oder auch zwei Metallschichten oder absorbierende
Schichten, die jeweils mit einer oder mehreren dielektrischen
Schichten gepaart sind, aufweisen. Dieser US-Patentschrift
können jedoch keine Hinweise darauf entnommen werden,
wie eine Reflexion mit hoher Farbsättigung bei
gleichzeitig hoher Transmission erreicht werden kann, da
im wesentlichen nur Viertelwellenlängenschichten
verwendet werden und Einzelheiten zur Erzielung
bestimmter Farbeffekte nicht angesprochen werden.
Außerdem wird behauptet, daß die Farbeffekte mit zunehmender
Transmission des Filters schwächer würden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Filter anzugeben, welches eine Reflexion mit hoher
Farbsättigung bei gleichzeitig relativ hoher Transmission
aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Filter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie
vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Filters
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem vorliegenden Filter läßt sich der Farbeffekt und
die Transmission jeweils in weiten Grenzen vorge
ben.
Das Substrat ist transparent, wie es bei
Fenstern, Brillengläsern und dgl. nötig ist, in manchen
Fällen spielt die Transparenz jedoch keine Rolle, wie bei Wandplatten,
Modeschmuck usw., bei denen Farbeffekte hervorgerufen werden sollen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Farbe von reflektiertem
oder durchgelassenem Licht auf eine Weise erhöht oder
verstärkt werden kann, welche die Menge des Lichtes, das von
dem transparenten Substrat durchgelassen oder reflektiert wird,
nicht wesentlich beeinflußt wird. Gemäß der Erfindung wird
eine Farbbevorzugung oder Verstärkung durch Interferenz zwischen
Licht, das von einer halbreflektierenden Schicht auf
einem transparenten Substrat und Licht, das von der Außenseite
einer dielektrischen Schicht, welche hermetisch auf die
halbreflektierende Schicht aufgebracht ist, reflektiert wird,
erzeugt. Das Reflexionsvermögen an den jeweiligen Oberflächen
braucht nicht besonders groß zu sein, da die Farbwirkung
durch einen Differenzeffekt entsteht, wobei das Auge entweder
das Vorliegen einer verstärkenden Interferenz in einem speziellen
Wellenlängenbereich bezüglich der Hintergrundstrahlung
oder den Farbeffekt, der eintritt, wenn in einem Spektralband
Licht vom reflektierten Licht durch auslöschende Interferenz
entfernt wird, wahrnimmt. In beiden Fällen wird der
Hauptteil der Strahlung durch das Interferenzphänomen nicht
beeinflußt, so daß das Licht, das von dem transparenten Substrat
durchgelassen, reflektiert, oder absorbiert wird,
außerdem noch durch Änderung der Dicke der halb- oder teilreflektierenden
Schicht und durch andere Maßnahmen beeinflußt
oder gesteuert werden kann.
Im folgenden werden Prinzipien und Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Reihe von Schichten, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung angeordnet und ausgebildet sind;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Transmission
und Reflexion eines Lichtstrahls, welcher auf eine
an Luft angrenzende Glasschicht fällt;
Fig. 3a bis 3c graphische Darstellungen der
Überlagerung von Schwingungen mit verschiedener gegenseitiger
Phasenlage;
Fig. 4 eine Fig. 2 ähnliche Darstellung für den
Fall, daß sich die Glasschicht auf einem Kunststoffsubstrat
befindet;
Fig. 5a und 5b Ansichten entsprechend Fig. 2,
in denen die Reflexion von Lichtstrahlen, die auf eine hochreflektierende
Schicht fallen, dargestellt ist;
Fig. 6a und 6b Ansichten entsprechend Fig. 5,
in denen die Reflexion von Lichtstrahlen dargestellt ist,
die, bei dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der Erfindung
auf eine halbreflektierende Schicht fallen, und
Fig. 7 eine Ansicht entsprechend Fig. 6 für
den Fall der Verwendung eines Glases mit relativ hohem Brechungsindex.
Ausführungsformen der vorliegenden Filter haben
bei Betrachtung in reflektiertem
Licht, d. h. wenn sich der Betrachter auf der Seite befindet,
von der aus das Licht einfällt, ein "farbiges" metallisches
Aussehen, im Gegensatz zu dem üblichen neutral-metallischen
Aussehen, wie es die derzeitigen Sonnenbrillen,
Spiegel und dgl. haben. Im folgenden wird dementsprechend
angegeben, wie man optische Schichten herstellt, die die Eigenschaften
des sichtbaren Lichts und/oder anderer Strahlung
steuern, welche einen Betrachter erreichen, der sich auf der
Seite des Substrats befindet, die dem einfallenden sichtbaren
Licht und/oder der anderen Strahlung entgegengesetzt ist,
während gleichzeitig die "Farbe" der zusammengesetzten Struktur
gesteuert wird, die sich einem Beobachter auf der Einfallsseite
der Strahlung darbietet. Im folgenden wird der Begriff
"Strahlung" als Sammelbegriff für sichtbares Licht und
andere zu beeinflussende Strahlungsarten, wie z. B. UV und IR
verwendet. Ferner wird angegeben, wie zusätzlich die Menge und die
Art der einfallenden Strahlung, die im ursprünglichen Substrat
absorbiert wird, über den Grad der Reflexion der einfallenden
Strahlung von der Substratrichtung weg gesteuert
werden kann.
Fig. 1 zeigt die Struktur, die bei
dem vorliegenden Filter benötigt wird, um alle die oben erwähnten
Wirkungen zu erreichen. Das wesentliche Merkmal dieser
Anordnung ist die Kombination einer halb- oder teilreflektierenden
Schicht 1 (deren Reflexionsvermögen kleiner ist als
das einer hochpolierten oder aufgedampften opaken Metallschicht
und größer als das eines wenig reflektierenden Substrats,
wie klares Glas oder klarer Kunststoff), und einer
Schicht 2 aus transparentem oder "teilweise" absorbierendem
Material (wie klares bzw. gefärbtes Glas) mit einem Brechungsindex
und einer Dicke, wie sie erforderlich sind, um
die gewünschten Zwecke zu erreichen. Worin sich diese Kombination
von den bekannten Interferenzschichtanordnungen unterscheidet
und wie dies in der Praxis wirkt, wird unten
erläutert. Erforderlichenfalls kann auf die Interferenzschicht
2 noch eine zweite Schicht 3 aus transparentem oder teilweise
absorbierendem Material aufgebracht werden, um zusätzlich
zur Interferenzschicht 2 noch einen weiteren Schutz
und/oder weitere Farbeffekte zu erzielen. Die teilreflektierende
Schicht 1 ist ihrerseits auf ein geeignetes Substrat
4 aufgebracht.
Die Unterschiede zwischen dem vorliegenden Filter und
dem Stand der Technik lassen sich am
besten durch einen Vergleich auf der Basis der klassischen
optischen Theorie und Praxis der Interferenzen an dünnen
Schichten erläutern, was anhand der Fig. 2 bis 6 geschehen
soll.
Das einfallende Licht kann mit einem beliebigen
Einfallswinkel R von 0 bis 90° einfallen. Bei der folgenden
Diskussion soll jedoch, soweit nicht anders erwähnt, der
Einfachheit halber angenommen werden, daß das Licht senkrecht
auf die Oberfläche der Schichtstruktur auffällt, d. h. also
R =0°. In den Fig. 2, 4, 5 und 6 ist der einfallende
Lichtstrahl lediglich deshalb mit einem Einfallswinkel R ≠0°
dargestellt, um den einfallenden Strahl und die reflektierten
Strahlanteile auseinanderhalten zu können. Außerdem sind nur
die interessierenden reflektierten Strahlen dargestellt. Die
jeweils durchgelassenen Strahlkomponenten entsprechen dem
einfallenden Strahl abzüglich der reflektierten Komponente.
Wenn das Substrat absorbiert, z. B. ein Farbglas ist, muß hinsichtlich
des durchgelassenen Strahles noch der absorbierte
Anteil in Abzug gebracht werden. Soweit es nicht anderweitig
erwähnt ist, absorbieren alle dargestellten und erwähnten dielektrischen
Materialien nicht bzw.
nicht wesentlich und ihr
Brechungsindex wird im sichtbaren Spektralbereich als konstant
angesehen.
Als erstes soll eine Glasschicht 5 sehr geringer
Dicke (z. B. <1000 nm) betrachtet werden, die sich in Luft
befindet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dies ist klassischen
Seifenfilm analog, bei dem Interferenzfarben entsprechend
der diskreten Filmdicke t beobachtet werden können.
Im allgemeinen tritt ein Phasensprung von ±π
auf, wenn eine Lichtwelle, die sich in einem Medium mit vorgegebenem
Brechungsindex ausbreitet, an einer Grenzfläche
zu einem Medium mit höherem Brechungsindex reflektiert wird,
während die Phasenänderung 0 ist, wenn die Reflexion an einer
Grenzfläche zu einem Medium auftritt, das einen kleineren
Brechungsindex als das erste Medium hat. Diese Annahme gilt
zwar für viele Reflexionsbedingungen nicht streng, z. B. für
die Reflexion an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen
Medien, wie Luft-Metall-Grenzflächen, für die vorliegende
Erläuterung reicht sie jedoch aus und ist zweckmäßig.
Sie gilt für den Fall Luft-Glas-Luft, der in Fig. 2 dargestellt
ist. Bei der folgenden Diskussion der Fig. 2, 4,
5 und 6 wird immer angenommen, daß die Phasenänderung 0 oder
±π ist und wenn dies hinsichtlich der Arbeitsweise der Erfindung
zu erheblichen Abweichungen führen kann, wird darauf
eingegangen. Die Abweichungen von einer strengen Betrachtungsweise
ändern die grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung
jedoch in keinem Falle.
Da sich unter den in Fig. 2 dargestellten Verhältnissen
an der ersten Grenzfläche eine Phasenänderung
von ±π und an der zweiten Grenzfläche eine Phasenänderung
von 0 ergibt, läßt sich zeigen, daß der erste Strahl, der
von der Luft-Glas-Grenzfläche reflektiert wird, durch verstärkende
Interferenz bei der Wellenlänge λc verstärkt wird,
die durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist:
wobei
t die Dicke der Glaslamelle
ng den Brechungsindex des Glases und
R den Einfallswinkel
ng den Brechungsindex des Glases und
R den Einfallswinkel
bedeuten. Für R =0 ist cosR =1 und die Gleichung (1) vereinfacht
sich zu
(Bei allen folgenden Formeln und Betrachtungen wird R =0
angenommen).
Das Reflexionsvermögen an der Grenzfläche zwischen
zwei nicht absorbierenden Medien ist, senkrechten Lichteinfall
vorausgesetzt, durch die folgende Formel gegeben:
dabei bedeuten:
no den Brechungsindex des ersten Mediums, im vorliegenden Falle Luft,
ng den Brechungsindex des zweiten Mediums, im vorliegenden Falle des betreffenden Glases.
ng den Brechungsindex des zweiten Mediums, im vorliegenden Falle des betreffenden Glases.
Für
no = 1 (Luft) und
ng = 1,46 (geschmolzenes Siliciumdioxid oder Quarzglas) =
R = 3,5%.
ng = 1,46 (geschmolzenes Siliciumdioxid oder Quarzglas) =
R = 3,5%.
Soweit nicht besonders darauf hingewiesen wird,
soll angenommen werden, daß das Reflexionsvermögen für alle
interessierenden Wellenlängen den gleichen Wert hat, d. h. daß
ng im interessierenden Spektralbereich konstant ist.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die von der
ersten Luft-Glas-Grenzfläche reflektierte Komponente R₁
eine Intensität von 3,5% der Intensität des ursprünglichen
Strahles hat. Die verbleibenden 96,5% des ursprünglichen
Strahles werden an der rückwärtigen Glas-Luft-Grenzfläche
mit einer Intensität bezüglich des ursprünglichen Strahles
von
96,5% × 3,5% = 3,38%
reflektiert. An der Vorderseite
wird dieser innere Strahl erneut reflektiert (Reflexionsvermögen
3,5%) und zwar mit einer Intensität bezüglich des ursprünglichen
Strahles von
3,38% × 3,5% = 0,118%
und die verbleibenden
3,38% × 96,5% = 3,26%
treten als zweite Komponente
R₂ auf.
Der Anteil des ersten inneren Strahles (mit
einer Intensität von 0,118 des ursprünglichen Wertes), der
an der Vorderfläche reflektiert wird, erfährt an der rückwärtigen
Fläche eine Reflexion mit einer Intensität von
0,118% × 3,5% = 0,00413%
und tritt durch die vordere Fläche als Komponente
R₃ mit einer Intensität von
0,00413% × 96,5% = 0,0040%
aus, nachdem er einen zusätzlichen Verlust von 3,5% durch die
Reflexion an der Vorderseite erlitten hat. Die internen Reflexionen
setzen sich mit entsprechender Intensitätsabnahme
der durch die vordere Fläche austretenden Strahlen R₄, R₅, . . .
fort. Wenn der erste innen reflektierte Strahl R₂ gemäß
Gleichung (3) nach dem Austreten phasengleich mit der als erstes
reflektierten Komponente R₁ des ursprünglichen Strahles
ist, hat der zweite innen reflektierte Strahl R₃ nach dem
Austreten die entgegengesetzte Phasenlage, da die gesamte zusätzliche
Weglänge eine halbe ganze Anzahl von Wellenlängen
ist und weder an der vorderen noch an der rückwärtigen Grenzfläche
bei den internen Reflexionen eine zusätzliche Phasenänderung
eintritt. Der dritte intern reflektierte Strahl
(R₄ nach dem Austreten) ist wieder in Phase usw.
R₁ und R₂ sind phasengleich und haben eine wesentlich
größere Intensität als die anderen Strahlkomponenten,
so daß sich eine Verstärkung der der betreffenden Wellenlänge
entsprechenden Farbe ergibt, wenn die Glasdicke t einer
verstärkenden Interferenz bei einer Wellenlänge λc im sichtbaren
Spektralbereich entspricht. In erster Näherung ergibt
sich eine Verdoppelung der gemäß Gleichung (2) bei der Wellenlänge
λc reflektierten Energie, wie in Fig. 3(a) für die
ersten beiden Strahlkomponenten R₁ und R₂ dargestellt ist.
Bei anderen Wellenlängen in der Nähe der Kohärenzwellenlänge
bzw. Wellenlänge für die genau eine Verstärkung durch Interferenz
eintritt, tritt eine teilweise Erhöhung der Amplituden
ein, wie in Fig. 3(b) unter der Annahme dargestellt ist,
daß R₂ um etwa 30° bezüglich R₁ in der Phase verschoben ist.
Wenn jedoch die Phasenverschiebung zwischen R₁ und R₂ gleich
p oder nahezu gleich π ist, kann eine praktisch völlige Auslöschung
der reflektierten Komponenten bei der betreffenden
Wellenlänge eintreten, wie es in Fig. 3(c) dargestellt ist.
Die Wellenlänge λD für die maximale auslöschende Interferenz
ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Ob größere verstärkende und auslöschende Interferenzeffekte
in derselben Schicht gleichzeitig eintreten
können und bis zu welchem Grade, ist in erster Linie eine
Funktion der Schichtdicke, wie im folgenden erläutert werden
soll.
Das resultierende Ergebnis ist eine scheinbare
Färbung der dünnen Schicht, die im Falle eines Dominierens
von verstärkenden Interferenzeffekten Wellenlängen um λc
oder im Falle, daß auslöschende Interferenzeffekte dominieren,
derjenigen Farbe entspricht, die sich ergibt, wenn aus dem
ursprünglichen Wellenlängengemisch die Wellenlängen um λD
entfernt werden. Diese Farben können bei einem solchen Schichttyp
ziemlich intensiv sein, wenn auf die Rückseite der dünnen
Schicht nicht zu viel weißes Licht fällt. Da das durchgelassene
Licht ja das Komplemet des reflektierten Lichtes ist,
würden sich, wenn weißes Licht mit der gleichen Intensität
auf die Rückseite fällt wie auf die Vorderseite, die beiden
Wellenzüge einander ergänzen und bei Betrachtung von jeder
Seite weißes Licht ergeben.
Wenn jedoch das auf die vordere Seite fallende
Licht überwiegt, kann die "Differenzwirkung" des reflektierten
Lichtes ziemlich erheblich sein und zu relativ intensiven Farben
führen. Wenn beispielsweise nur verstärkende Interferenz
eintritt, haben die Wellenlängen in der Nähe von λc eine Intensität
entsprechend
R₁ + R₂ - R₃ + R₄ . . . = Ic ≈ R₁ + R₂ = 3,5 + 3,26 = 6,76%,
während die Intensität bei denjenigen Wellenlängen,
die weit von λc entfernt sind und bei denen R₂
halb in Phase und halb gegenphasig mit der Phase von R₁ ist,
die Intensität IB näherungsweise die Hälfte der Intensität von
R₁ ist, also etwa 3,5%. Ein zweckmäßiges Maß für den Differenzwert
des verstärkten Farbanteiles bezüglich des Untergrundes
ist die Differenz zwischen der verstärkten Intensität
IC und der mittleren oder statistischen Untergrundintensität
IB geteilt durch diese Untergrundintensität IB. Für den betrachteten
Fall ist diese Differenz ungefähr gleich
wenn nur die reflektierten Anteile in Betracht gezogen werden.
In der Praxis wird im allgemeinen weißes Licht
auch auf die
Rückseite fallen und der Differenzeffekt hat dann einen wesentlich
kleineren Wert als im Vorstehenden angegeben.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung kann zwar
lebhafte Farben erzeugen, sie ist jedoch für die meisten praktischen
Zwecke wegen der geringen Dicke der Glasschicht ungeeignet.
Man beachte ferner, daß die Farbwirkungen auf
der Fähigkeit des Auges beruhen, die "relativen" Amplituden
der verschiedenen Lichtkomponenten, die in das Auge fallen,
zu beobachten und auszuwerten, so daß also die Farbe um so
tiefer oder lebhafter erscheint, je größer die Differenz
der durch Interferenz verstärkten oder kohärenten Wellenlänge
λc (beispielsweise der obigen) bezüglich des Untergrundes
ist.
Die obigen Erläuterungen betreffen zwar in erster
Linie die Analyse von Beobachtungsergebnissen und sind
daher in gewisser Hinsicht selbstverständlich, sie sind jedoch
für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlich.
Fig. 4 zeigt eine weitere Anordnung, die für das
Verständnis der Erfindung von Bedeutung ist. Diese Anordnung
enthält eine dünne Glasschicht 5 mit dem Brechungsindex
ng, die auf irgend eine geeignete Weise fest und mit inniger
Berührung an einem Substrat 6 aus Kunststoff angebracht ist,
das einen Brechungsindex np hat, wobei npng ist und beide
Medien praktisch nicht absorbieren. (Die hier und beim Fortschreiten
der Erläuterung verwendeten Materialien sind willkürlich
und lassen sich durch andere geeignete Materialien
ersetzen, ohne daß dadurch die Grundlagen der Erläuterung
geändert werden.) In diesem Falle tritt eine Phasenänderung
von ±π bei der Reflexion an der Vorderseite und eine weitere
Phasenänderung von ±π bei der Reflexion an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche
ein.
Die Bedingung für eine verstärkende Interferenz
zwischen dem ersten innen reflektierten Strahl R₂ und der
anfänglich an der Luft-Glas-Fläche reflektierten Strahlkomponente
R₁ ist in diesem Falle durch die folgende Gleichung
gegeben:
Die Bedingung für auslöschende Interferenz ist durch die
folgende Gleichung gegeben:
In diesem Falle ist jedoch der Betrag des an der
Glas-Kunststoff-Grenzfläche reflektierten Lichtes gemäß
Gleichung (3) für ng=1,46 und np=1,54 (Kunststoff) nur
0,071% × 96,5% = 0,0686%
des einfallenden Lichtes und die
austretende Komponente R₂ hat eine Intensität von nur
0,0686% × 96,5% = 0,0662%.
Vom Kunststoffsubstrat 6 wird angenommen,
daß es im Vergleich zu der Glasschicht 5 sehr dick ist, da
es als Träger dient und eine entsprechende mechanische Festigkeit
haben muß, so daß keine Interferenzeffekte infolge
einer Reflexion an der rückwärtigen Kunststoff-Luft-Grenzfläche
auftreten. Die zusätzliche Komponente R₂ ergibt daher,
selbst wenn sie der Gleichung (5) genügt, nur einen Differenzeffekt
von
0,066/3,5 = 0,019 oder 1,9%
bezüglich des Untergrundes. Derartige Materialkombinationen ergeben daher
nur eine sehr schwach sichtbare Färbung. Auch in diesem Falle
wird eine etwa resultierende Färbung durch weißes Licht, das
von hinten her einfällt, stark verwaschen, da praktisch das
ganze Licht, das auf die rückwärtige Oberfläche der Schichtstruktur
fällt, als weißes Licht aus der Vorderseite austritt
und damit die Untergrundintensität auf etwa 100% erhöht.
Man beachte, daß in diesem Falle, wenn R₁ und R₂
in Phase sind, R₃ gegenphasig ist, d. h. subtraktiv mit R₁ und
R₂ interferieren wird, da bei der zweiten Reflexion an der
Glas-Kunststoff-Grenzfläche ein zusätzlicher Phasensprung
von ±π eintritt. Die zusätzliche Weglänge im Glas ist selbstverständlich
eine ganze Anzahl von Wellenlängen, da dies die
Bedingung dafür ist, daß der erste intern reflektierte Strahl
R₂ mit R₁ in Phase ist. Der dritte innen reflektierte Strahl
R₄ ist wieder in Phase, der vierte Strahl R₅ gegenphasig
usw. Dieser Faktor ist bei dem in Fig. 4 dargestellten Falle
wegen der kleinen Reflexionsfaktoren und Intensitäten bedeutungslos,
er spielt jedoch bei den neuen Anordnungen gemäß
der Erfindung eine wichtige Rolle.
Als nächstes sei eine einfache hochpolierte
opake reflektierende Metallschicht 7, wie sie in Fig. 5(a)
schematisch dargestellt ist, betrachtet (z. B. in Vakuum aus
Glas aufgedampfte Aluminiumschicht, für deren Reflexionsvermögen
für die folgende Diskussion ein im ganzen sichtbaren
Spektralbereich konstanter Wert von 90% (in der Praxis
liegt er höher) angenommen werden soll. Das Reflexionsvermögen
für ein solches opakes absorbierendes Medium für Licht,
das aus einem Dielektrikum mit dem Brechungsindex no einfällt,
ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei
nm den Brechungsindex des Metalls und
km den Extinktionskoeffizienten des Metalls
km den Extinktionskoeffizienten des Metalls
bedeuten. Diese Gleichung reduziert sich für no=l (Luft)
zu
Für manche Metalle, wie Aluminium, die im sichtbaren
Spektralbereich geeignete relative Werte von nm und km
haben, ist das Reflexionsvermögen ziemlich konstant und das
reflektierte Licht hat ein neutral graues, rein metallisches
Aussehen. Andere Metalle, wie Kupfer, haben solche relativen
Werte von nm und km, daß sich das Reflexionsvermögen R im
sichtbaren Spektralbereich ändert, z. B. hat aufgedampftes
Kupfer bei 4500 Å ein Reflexionsvermögen von etwa 58% und
bei 7000 Å ein Reflexionsvermögen von etwa 96%. Bei Kupfer
sieht das reflektierte Licht daher rötlich aus, da das Reflexionsvermögen
am roten Ende des Spektrums größer ist. Wie
noch erläutert werden wird, wird auch dieser Faktor bei der
vorliegenden Erfindung zur Farbbeeinflussung benutzt.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 5(a) sind die
Verhältnisse ganz einfach, da der Betrachter nur die von der
ersten Oberfläche reflektierten Strahlen sieht, es handelt
sich also um einen einfachen Vorderseitenspiegel. Wenn jedoch
das Metall, wie es in Fig. 5(b) dargestellt ist, mit
einer dünnen Schicht 8 aus Glas überzogen ist, ändern sich
die Verhältnisse, da bei der Anordnung gemäß Fig. 5(b) die
als erstes reflektierte Strahlkomponente wieder nur eine Intensität
von 3,5% der Intensität des einfallenden Strahles
hat. Die Phasenänderung an der Glas-Metall-Grenzfläche soll
±π betragen. Bei strengerer Betrachtung wird die Phasenänderung
ρ durch die folgende Gleichung gegeben:
in der die verschiedenen Symbole die oben angegebenen Bedeutungen
haben. Für viele Glas-Metall-Kombinationen ist
die Phasenänderung nahezu gleich π, während sie bei anderen
Kombinationen um erhebliche Faktoren abweichen kann. Etwaige
Abweichungen der bei der Reflexion eintretenden Phasenänderung
von π hat bei der Erfindung wenig Einfluß, da solche
Abweichungen nur eine geringe Verschiebung des Wertes für
die Dicke t ergeben, die für eine additive oder subtraktive
Interferenz bei einer vorgegebenen Wellenlänge erforderlich
ist, man kann diese Abweichungen also durch einen Fehlerfaktor
berücksichtigen, z. B. im Falle der additiven oder verstärkenden
Interferenz
In der Praxis bemißt man bei der vorliegenden Erfindung,
wie unten erläutert werden wird, den Wert t einfach so, daß
der Δtρ-Fehler kompensiert wird, falls er wesentlich ist.
Eine ähnliche Korrektur gibt es für Abweichungen des Reflexionsvermögens,
sie ist jedoch hier ohne Bedeutung, da
es sich dabei in erster Linie um eine Korrektion des Einflusses
des Einfallswinkels auf das Reflexionsvermögen handelt
und hier in erster Linie der senkrechte Einfall von
Interesse ist. Wie die Gleichung (1) und entsprechende Formeln
zeigen, sind auch bei nicht senkrechtem Lichteinfall
Farbeffekte durch verstärkende bzw. auslöschende Interferenz
sichtbar, die von denen bei senkrechtem Einfall abweichen,
dies ist jedoch für die Durchführung der vorliegenden
Erfindung ohne Einfluß.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 5(b) ist für einen
Phasensprung von ±π der erste innen reflektierte Strahl R₂
in Phase mit R₁ bei einem durch die Gleichung (5) gegebenen
Wert für λc und die Intensität von R₂ ist
(100 - 3,5)% × 90% × (100 - 3,5)% = 96,5% × 90% × 96,5% =83,81%
der ursprünglichen Intensität. R₃ ist gegenphasig zu R₁ sowie R₂ und hat
die Intensität
96,5% × 90% × 3,5% × 90% × 96,5% = 2,64%.
R₄ ist wieder in Phase und hat die Intensität
96,5% × 90% × 3,5% × 90% × 3,5% × 90% × 96,5% = 0,083%.
Die Summe von R₁, R₂, R₃ und R₄ (Komponenten höherer Ordnung werden vernachlässigt)
ist.
3,5 + 83,81 - 2,64 + 0,083 = 84,75%.
Die Amplituden der reflektierten Komponenten
lassen sich für andere Wellenlängen als der, bei der Phasengleichheit
bzw. Gegenphasigkeit herrscht, schwer angeben, da
sie wesentlich von der Wellenlänge, den Mate
rialien usw. abhängen. Betrachtet man jedoch R₂ wegen seiner Intensität als
Hauptstrahl, so werden (R₁+R₄) und R₃ wegen der entsprechenden
Phasenunterschiede zur Auslöschung neigen, so daß
die Intensitätsänderung nicht größer sein kann als ungefähr
83,81 ± [(3,50 + 0,083) · 2,64] = 84,75 bis 82,87
Als grobe Näherung läßt sich der maximale "Differenzeffekt"
aus dem Wert für λc abzüglich des niedrigsten
der oberen Werte, also Ic=84,75, IB=82,87 wie folgt
rechnen:
Wie unten noch erläutert werden wird, können
besondere Verhältnisse eintreten, wenn die Dicke t so gewählt
ist, daß gleichzeitig eine auslöschende Interferenz bei einer
Wellenlänge λD und eine verstärkende Interferenz bei einer
Wellenlänge λc eintreten. Wenn dies der Fall ist, sind R₂, R₃
und R₄ für λD alle phasengleich und gegenphasig zu R₁, da jeder
zusätzliche interne Reflexionsdurchgang eine zusätzliche
Phasenänderung von 2π ergibt (eine zusätzliche halbe Wellenlänge
infolge der Länge des optischen Weges zuzüglich der
Phasenänderung von π an der Glas-Metall-Grenzfläche). Die
Amplitude für einen solchen Wert von λD ist:
(83,81 + 2,64 + 0,083) - 3,5 = 83,03%
was weniger ist als der maximale Differenzeffekt, der oben
für willkürliche Wellenlängen errechnet wurde. Die auf solchen
hochreflektierenden Metallflächen auftretenden Interferenzfarben
werden also für das Auge wegen der geringen Intensitätsunterschiede
ausgebleicht oder ausgewaschen.
Mit diesen Grundlagen läßt sich nun die Arbeitsweise
der vorliegenden Erfindung leicht verstehen. Man
betrachte die Verhältnisse bei der in Fig. 6(a) dargestellten
Anordnung, die der gemäß Fig. 5(b) entspricht mit der Ausnahme,
daß die Metallschicht 9 nur ein Reflexionsvermögen von 20%
hat (das wieder im sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen
konstant sein soll). Für eine Dicke t der Glasschicht, die
einer verstärkenden Interferenz bei der Wellenlänge λc entspricht,
sind die Intensitäten und Phasen der reflektierten
Strahlen:
R₁ = 3,5% (anfängliche Reflexion), R₂ = 18,62% (phasengleich), R₃ = 0,13% (gegenphasig),
die Komponenten
höherer Ordnung sind vernachlässigbar. Die insgesamt reflektierte
Intensität bei λc ist daher
3,5 + 18,62 - 0,13 = 22%.
Im allgemeinen lassen sich für andere "normale"
Wellenlängen die Einflüsse von R₁ und R₃ (bei Betrachtung von
R₂ als den reflektierten Hauptstrahl) annähern, indem man annimmt,
daß sich die Hälfte ihrer Differenz zu R₂ addiert
(also 0,5 (3,5-0,13)=1,69%), so daß die Gesamtintensität
von
R₁ + R₂ + R₃ mit 18,62 + 1,69 = 20,31
abgeschätzt werden kann. Die Differenz zwischen λc und diesen Wellenlängen ist daher
was wesentlich größer ist als der Wert von ungefähr 2,2%, der
sich bei der opaken reflektierenden Metallschicht in Fig. 5(b)
ergab. Noch wichtiger ist, daß bei gleichzeitigem Auftreten
einer auslöschenden Interferenz bei λD für denselben Wert von
T die minimale Amplitude durch (R₂+R₃)-R₁ oder
(18,62 + 0,13) - 3,5 = 15,25%
gegeben ist. In diesem Falle ist die Differenz bezüglich des
Untergrundes (22-15,25)/15,25=0,44 oder 44%, was etwa das
Zwanzigfache des Wertes ist, der sich bei den Verhältnissen
gemäß Fig. 5(b) mit der opaken Metallschicht, deren Reflexionsvermögen
mit 90% angenommen worden war, ergab.
Zum Vergleich zeigt Fig. 6(b) die Werte für eine
Schicht 10 mit einem Reflexionsvermögen von 30%. Die Intensität
bei λc ist (R₁+R₂)-R₃ und da
R₁ = 3,5%, R₂ = 96,5% × 30% × 96,5% = 27,94% und R₃ = 96,5% × 30% × 3,5% × 30% ×96,5% = 0,29%
sind, ergeben sich
3,5 + 27,94 - 0,29 = 31,15% bei λc;
27,94 + 0,5 (3,5 - 0,29) = 29,54%
27,94 + 0,5 (3,5 - 0,29) = 29,54%
für eine mittlere,
nicht kohärente Wellenlänge λA, und
(27,94 + 0,29) - 3,50 = 24,75%
für eine Wellenlänge λD bei der auslöschende Interferenz eintritt.
für eine Wellenlänge λD bei der auslöschende Interferenz eintritt.
Es ergeben sich also folgende Differenzwirkungen
Diese Werte sind wesentlich kleiner als im Falle
der 20% reflektierenden Schicht aber immer noch größer als
der Wert von ungefähr 2,2%, der sich für das Reflexionsvermögen
von 90% oder für den einfachen Fall von Glas auf Kunststoff
ergab.
Eines der Grundelemente der vorliegenden Erfindung
besteht also in der Bemessung der Dicke des dielektrischen
Mediums (bei den Beispielen Glas), das als Interferenzschicht
verwendet wird, und des Reflexionsvermögens der teilreflektierenden
Metallschicht hinsichtlich einer Verstärkung und/oder
Optimierung des differentiellen Färbungseffektes. Wenn man
Reflexionsvermögen unter 20% verwendet, wird der Effekt noch
stärker. Bei dem Reflexionsvermögen von 10% und gleichzeitigem
Auftreten von λc und λD wird der relative Intensitätsabstand
größer als 100. Wenn das Reflexionsvermögen dagegen
über 30% ansteigt, wird die Intensität des Effekts selbstverständlich
entsprechend geringer.
Bei den ausgeführten Beispielen wurde SiO₂ (n =1,46)
als Dielektrikum für die Interferenzschicht verwendet, da mit
diesem Material umfangreiche Erfahrungen bei der Erprobung
der Erfindung vorliegen. Der Effekt läßt sich jedoch noch zusätzlich
erhöhen, wenn man andere Dielektrika mit höheren
Werten von n verwendet und dadurch das Reflexionsvermögen,
insbesondere an der Vorderseite, und schließlich den differentiellen
Effekt erhöht. In Fig. 7 ist eine Anordnung entsprechend
Fig. 6(a) mit einer 20% reflektierenden Metallschicht
dargestellt, anstelle des SiO₂ tritt jedoch TiO₂ mit einem
Brechungsindex n =2,60 als Interferenzschichtmedium. In diesem
Falle ergibt sich
R₁ = 19,753% gemäß der Gleichung (3), R₂ = 80,247% × 20% × 80,247% = 12,8792% und
R₃ = 80,247% × 20% × 19,753% × 20% × 80,247% = 0,5088%.
R₃ = 80,247% × 20% × 19,753% × 20% × 80,247% = 0,5088%.
Berücksichtigt man nur R₁,
R₂ und R₃, so ergibt sich als verstärkte Intensität
Ic = (R₁ + R₂) - R₃ = (19,753 + 12,8792) - 0,5088 = 32,1234 und als Untergrundintensität
IB = R₁ - (R₂ + R₃) = 19,753 - (12,8792 + 0,5088) = 6,3650.
Der maximale differentielle Effekt oder relative
Intensitätsabstand ist dann
was nahezu um einen Faktor 10 größer ist als bei 20% Reflexionsvermögen
und SiO₂ als Dielektrikum. Man kann daher das Reflexionsvermögen
des Metalles noch weiter reduzieren, so daß
noch mehr Licht zur Innenseite durchtritt, und trotzdem einen
sehr starken Farbeffekt erreichen. Der begrenzende Faktor wird
das zunehmende Reflexionsvermögen an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche,
wenn das Metall weniger dicht gemacht wird und die Brechungsindices
des Glases und des Kunststoffes relativ größer
werden, was zu einem erhöhten Reflexionsvermögen führt. Wie
gesagt, die Werte hängen von der jeweiligen Anwendung und den
jeweiligen Materialien ab. Der maximale Effekt tritt selbstverständlich
dann ein, wenn die Summe von R₁ und R₂ viel größer
ist als ihre Differenz, wie es oben bei Verwendung von TiO₂
der Fall ist. Im allgemeinen tritt dies ein, wenn der Brechungsindex
des Dielektrikums einen relativ (verglichen mit SiO₂)
hohen Wert hat. Ein anderes Beispiel ist Si₃N₄, dessen Brechungsindex
n =2,03 beträgt, was einen maximalen Differenzeffekt
von 503% ergibt. Andere Materialien wie SiO (n =1,95)
und Al₂O₃ (n =1,76) ergeben ebenfalls Farbeffekte, die ausgeprägter
sind als SiO₂, und weitere Materialien lassen sich
vom Fachmann ohne Schwierigkeiten finden. Die Wahl der Materialien
hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei den folgenden
Erläuterungen werden jeweils die Verhältnisse für SiO₂
zugrundegelegt.
Bei Anordnungen mit einer nicht opaken, teilreflektierenden
Metallschicht wird der Effekt durch weißes Licht,
welches auf und durch die Rückseite fällt und durch die Vorderseite
austritt, im allgemeinen abgeschwächt. Die Abschwächung
beruht in erster Linie in einer Erhöhung der Untergrundintensität,
da die Interferenzeffekte, die in der dünnen Glasschicht
auftreten, d. h. Interferenzen zwischen dem an der
Kunststoff-Metall-Grenzfläche reflektierten und dem an der
Glas-Luft-Grenzfläche reflektierten Licht) nicht kohärent mit
denen sind, die auf dem auf die Vorderseite auftreffenden
Licht sind, und selbst wenn sie auftreten, ergeben sich wegen
des viel stärkeren Untergrundes wesentlich kleinere Effekte.
Der höhere Untergrund hat seine Ursache darin, daß der Differenzeffekt
im durchgelassenen Licht das Komplement des Effektes
für das reflektierte Licht und einem viel höheren Untergrund
überlagert ist (80% Licht, das die Kunststoff-Metall-Grenzfläche
erreicht abzüglich 3,5%, die an der Glas-Luft-Grenzfläche
reflektiert werden).
Betrachtet man einmal nur die Zunahme der Untergrundintensität:
Wenn weißes Licht mit einer Intensität von
100% von I (der Intensität des weißen Lichtes, das auf die
Vorderseite fällt) auf die Rückseite der Anordnung
mit der
20% reflektierenden Metallschicht fällt, treten (nach den Verlusten
durch drei Reflexionen an den verschiedenen Grenzflächen)
etwa 74,5% durch die Vorderfläche aus. Die Wirkung
im Falle des maximalen relativen Unterschiedes (λc+λD gleichzeitig)
ist eine Verringerung von 44% auf einen Wert von
Obwohl in den meisten praktischen Anwendungen der
Erfindung, z. B. bei Verwendung für Sonnenbrillen, wesentlich
weniger als 100% von I durch die Rückseite eintritt, ist der
Differenzeffekt selbst im ungünstigsten Falle von 100% von I
wesentlich größer als der (ungefähr 2,2%), welcher im Falle
einer 90%ig reflektierenden Schicht auftritt. Der negative
Einfluß von weißem Licht, das durch die Rückseite fällt, kann
zum Teil dadurch ausgeschaltet werden, daß man das z. B. aus
Kunststoff bestehende Substrat aus einem sichtbares Licht absorbierenden
Material macht. Wenn z. B. das Kunststoffsubstrat
bei der Anordnung mit der 20% reflektierenden Schicht eine
solche Dicke und ein solches Absorptionsvermögen A hat, daß
es 50% im Sichtbaren absorbiert, hat weißes Licht, das mit
der Intensität I durch die Rückseite eintritt, beim Austritt
durch die Vorderseite noch eine Intensität von 0,371 (1×0,965×0,5×0,8×0,965)
und der maximale Differenzeffekt (λc+λD
gleichzeitig) ist dann etwa
Beim Gebrauch von Sonnenbrillen in der Praxis ist
die Intensität des von hinten einfallenden Lichtes wesentlich
geringer, beispielsweise maximal 20% von I, da nur das Licht
in Frage kommt, das am Gestell vorbei auf die Haut fällt und
von dieser reflektiert wird. Für diesen Wert ist der maximale
Differenzeffekt ungefähr gleich 22% bei Verwendung eines nichtabsorbierenden
Substrats und 29,8% für ein 50% absorbierendes
Substrat.
Da die Dicke t des Interferenzschichtmediums (bei
den Beispielen Glas), das Reflexionsvermögen R der reflektierenden
Metallschicht, das Absorptionsvermögen A des Substratmaterials
innerhalb der Grenzen zwischen minimalem Reflexionsvermögen
(kein Metall) und keinem Absorptionsvermögen (klarem
Substrat) sowie maximaler Reflexion (opakes poliertes oder
in dickerer Schicht aufgedampftes Metall) und maximaler Absorption
(stark absorbierendes Substrat) beliebig gewählt werden
können, läßt sich der Farbton und/oder die Intensität der
Struktur, die ein Betrachter auf der Vorderseite also vor der
Lichteinfallsfläche sieht und des Lichtes, das ein Betrachter
erreicht, der sich hinter der Rückseite befindet (also z. B.
den Träger einer Sonnenbrille) in einem extrem weiten Bereich
ändern. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung
kann man dadurch das Licht, das den auf der Rückseite der
Struktur befindlichen Betrachter erreicht, auf einen gewünschten
Wert, z. B. 30%, bei neutraler oder nahezu neutraler Tönung
herabsetzen, also z. B. für den Träger einer Sonnenbrille,
während sich gleichzeitig für die Betrachtung von vorne oder
außen ein gewünschter Farbton und eine gewünschte Intensität
oder Sättigung ergeben. Praktische Versuche haben gezeigt,
daß sich eine neutrale Abschwächung dadurch erreichen läßt, daß
man ein Substrat verwendet, das eine neutrale Absorption der
richtigen Stärke ergibt. Man kann dadurch Färbungseffekte beseitigen
oder abschwächen, die von dem (nicht reflektierten)
Licht, das von der Vorderseite kommt, herrühren, dieses ist ja
das Komplement des reflektierten Lichtes und daher ebenfalls
gefärbt, wenn auch wegen des viel höheren Untergrundes wesentlich
weniger intensiv als das reflektierte Licht, z. B. werden
ja im Falle der Metallschicht mit dem 20%igen Reflexionsvermögen
und dem nicht absorbierenden Substrat ungefähr 74% des
Lichtes durchgelassen. Selbstverständlich kann gewünschtenfalls
auch das Licht, das den inneren und auf der Rückseite
befindlichen Betrachter erreicht, gefärbt sein.
Die Werte von A, R und t usw. können für andere
Anwendungen, wie Bürofenster, für eine andere äußere Färbung,
Intensität usw. gewählt werden. Für diese Verwendung wurden
versuchsweise für Ausführungsformen der Erfindung als absorbierende
Substrate Gläser verwendet, wie sie von der Firma
PPG Industries, Inc. unter den Handelsnamen Solarbronze, Solargrau
und Solarex vertrieben werden. Das Reflexionsvermögen
der Metallschicht wurde so gewählt, daß die Intensität des
ins Innere durchgelassenen Lichtes einen angenehmen Wert hatte
und gleichzeitig die neutrale Charakteristik (insbesondere
bei Solarbronze und Solargrau) erhalten blieb, und daß sich
bei Betrachtung von außen die für diesen Zweck gewünschte
Farbe ergab, deren Intensität jedoch bewußt etwas geringer gehalten
wurde als normalerweise bei den Sonnenbrillen. Es sei
jedoch darauf hingewiesen, daß man für alle Anwendungen den
ganzen Bereich der externen Farben und Intensitäten zur Verfügung
hat und die Intensität des durchgelassenen Lichtes beliebig
wählen kann. Bei einer begrenzten Anzahl von Anwendungen
der Erfindung, wie Wandplatten und dgl. spielt selbstverständlich
gegebenenfalls die Intensität des durchgelassenen
Lichtes keine Rolle.
Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung besteht
darin, daß die erzeugten Farben ein extrem metallisches Aussehen
haben, d. h. eine metallische Charakteristik ähnlich wie
die, welche sich mit einem hochpolierten Metallspiegel, z. B.
aus Aluminium, erreichen läßt, jedoch mit einem tiefen Farbton,
der ein auffallend farbig-metallisches Aussehen ergibt.
Dies hat seine Ursache darin, daß der Differenzeffekt in erster
Linie auf einer Reflexion an einer sehr dünnen Schicht
beruht, ebenso wie die Reflexion an der Oberfläche eines neutral
reflektierenden Metallspiegels. Die resultierende Strahlung
ist daher sowohl räumlich als auch zeitlich kohärent
und das Auge nimmt wahr, daß das Licht von einer begrenzten
Schicht oder begrenzten Schichten herkommt. (Dies steht im
Gegensatz zu beispielsweise Farbgläsern, deren Farbe auf der
Absorption und Wiederemission von Strahlung an bzw. von vielen
räumlich getrennten Atomschichten im Glas beruht und die
daher auch kein metallisches Aussehen haben). Dieser Faktor
ergibt bei Optimierung durch richtige Anwendung der vorliegenden
Erfindung ein unverkennbares und typisches Aussehen,
wenn A, R, t usw. im Hinblick auf eine lebhafte Färbung gewählt
werden.
Die praktische Realisierung und Beherrschung der
Lehren der Erfindung lassen sich wohl am besten verstehen,
wenn man die Wirkungen der in der oben erläuterten Weise verwendeten
teilreflektierenden Metallschichten in Verbindung mit
der Tabelle 1 betrachtet, in der die Farben aufgeführt sind, die
von anderen Forschern bei thermisch gezüchteten Schichten aus
SiO₂ auf polierten (d. h. opaken, maximal reflektierenden)
Scheiben aus Silicium beobachtet wurden (Pliskin und Conrad,
IBM Journal, Januar 1964). Es handelt sich hier um den bekannten
normalen Fall, bei dem die Farbe nicht verstärkt oder
betont ist und auch kein stark metallisches Aussehen hat, wie
bei der vorliegenden Erfindung. Ähnliche, jedoch nicht genau
die gleichen Farben ergaben sich bei der praktischen Realisierung
der vorliegenden Erfindung. Der jeweilige Farbton
hängt von dem für die reflektierende Schicht verwendeten Metall
ab und ist von Fall zu Fall verschieden.
Die Tabelle 2 am Ende der Beschreibung ist speziell
für die Zwecke der vorliegenden Erfindung aufgestellt worden,
um die erhaltenen Farben zu erklären und die Arbeitsweise
im Speziellen anzugeben. Sie enthält die errechneten Wellenlängen
λc bzw. λD für eine verstärkende Interferenz
(t =mλc/2 ng) bzw. auslöschende Interferenz (t =(2 m+1)λD/4 ng)
in Verbindung mit den Farben, wie sie von Pliskin und Conrad
beobachtet wurden. Man beachte, daß für t die tatsächlichen
Werte und nicht die optische Dicke tng angegeben sind sowie
die Werte von λc und λD, die im sichtbaren Spektralbereich
wirksam sind.
Bei 50 nm gibt es keine Wellenlängen λc oder λD im
sichtbaren Spektralbereich, bei der Interferenzeffekte auftreten,
wenn die dielektrische Schicht (SiO₂) einen Brechungsindex
von etwa 1,46 hat, wie er bei der Berechnung der
Tabelle verwendet wurde. Die bräunliche Farbe, die von Pliskin
und Conrad beobachtet wurde, läßt sich wie folgt erklären:
Wenn das SiO₂ einen Mangel an Sauerstoff aufweist und
einen erheblichen Anteil an SiO mit einem Brechungsindex
von 1,95 (oder andere Sauerstoff-verarmte SiOx-Verbindungen)
enthält, wie es an der Grenzfläche zwischen einer dünnen,
thermisch gezüchteten SiO₂-Schicht auf Si der Fall sein kann,
liegt λD für eine auslöschende Interferenz (m =0) bei
390 nm, welches oberhalb der Grenze (etwa 380 nm) für eine
optische Interferenz im sichtbaren Spektralbereich liegt.
Ein Teil der violetten Anteile wird unter diesen Umständen im
reflektierten Licht ausgelöscht, so daß das restliche reflektierte
Licht die von Pliskin und Conrad beobachtete bräunliche
Farbe hat. Für einen Brechungsindex n =1,46, wie es
sich ergibt, wenn das Silicium bzw. Siliciumdioxid durch
Ionenstrahlzerstäubungs- oder Ionenstrahlimplantationszerstäubungs-Verfahren
aufgebracht wird, ist kein bräunlicher
Farbton erkennbar, wenn Schichten mit einer Dicke von 50 nm
auf hochreflektierenden Metallschichten niedergeschlagen
werden, wie opake Aluminiumschichten, die durch Ionenstrahlzerstäubung
auf einem glatten Glas- oder Kunststoffsubstrat
niedergeschlagen wurden. Solche Schichten, wenn sie dicht
sind, wie im Falle der Ionenstrahlzerstäubung, können dazu
verwendet werden, um das reflektierende Metall gegen Korrosion
usw. zu schützen, ohne daß seine optischen Eigenschaften
bei Wellenlängen über etwa 300 nm beeinflußt werden. Dies
ist im Zusammenhang mit der Erfindung einwandfrei festgestellt
worden.
Bei einer Erhöhung der Dicke auf 70 nm wird λD
gleich 408,8 nm, wodurch die (durch subtraktive Interferenz)
ausgelöschte Komponente weiter ins Blau verschoben wird und
sich ein braunes Aussehen ergibt. Bei 100 nm ist λD=584 nm
was im gelben oder mittleren Teil des Spektrums liegt. Das
reflektierte Licht enthält also Anteile von den beiden Enden
des Spektralbereichs und ist dunkelviolett bis rotviolett.
Bei t =120 nm wird das rote Ende des Spektrums unterdrückt
und der Schwerpunkt des reflektierten Lichtes liegt in der
Gegend des blauen Spektralbereiches. Diese Resultate werden
durch die Beobachtungen von Pliskin und Conrad bestätigt und
man kann annehmen, daß bei diesen dickeren Schichten die Sauerstoffverarmung
an der Grenzfläche weniger ausgeprägt ist.
Bei einer Dicke von etwa 130 nm tritt ein neuer
Effekt auf, nämlich eine verstärkende Interferenz bei 380 nm,
der erste diesbezügliche Wert in der Tabelle ist λc=438 nm
für t =150 nm. Bei diesem Wert von t beruht die Färbung
hauptsächlich auf der verstärkenden Interferenz anstatt auf
auslöschenden Effekten, so daß die Farbe (helles Blau) des
reflektierten Lichtes durch λc beherrscht wird. Vermutlich
hat sogar das Königsblau, das bei 120 nm beobachtet wird,
einen durch einen additiven Interferenzeffekt verstärkten
Anteil im tiefen Violett infolge von Wellenlängen der Nachbarschaft
von λc (siehe Fig. 3(b)) und die Erstreckung
der Verstärkungseffekte auf Werte von λ, die größer und
kleiner sind als der genaue Wert λc.
Das reflektierte Licht nimmt außerdem wegen seiner
sowohl räumlichen als auch zeitlichen Kohärenz ein metallisches
Aussehen an, das auch bei t =170 nm und 200 nm beobachtet
wird. Diese Effekte sind jedoch für opake, maximal
reflektierende Substrate, wie sie von Pliskin und Conrad verwendet
werden, sehr klein und verschwinden bei größeren Werten
von t, sie sind jedoch sehr ausgeprägt und auch bei den
größeren Werten von t vorhanden, wenn gemäß den Lehren der
vorliegenden Erfindung große differentielle Effekte erzeugt
werden, wie oben erläutert worden ist.
Bei t =200 nm beginnt ferner ein deutliches
gleichzeitiges Auftreten von λc und λD. Bei t =220 nm ist
λc=642,4 nm und λD=428,3 nm, so daß das reflektierte Licht
um λc herum verstärkt und um λD herum abgeschwächt wird;
die resultierende Farbe ergibt sich durch das Zusammenwirken
der beiden Effekte und ist ein schwach gelb-orangefarbener
Goldton. Bei Anwendung der Lehren der Erfindung resultiert
aus der Verstärkung der Farbe durch den differentiellen Effekt
und der räumlichen Kohärenz des reflektierten Lichtes
ein ausgeprägt metallisches Aussehen für alle Farben entsprechend
Dicken größer als 130 nm. Dieses metallische Aussehen
und die starke Färbung setzen sich fort, bis die Dicke
so groß geworden ist, daß sich soviele Interferenzen gleichzeitig
bei verschiedenen Werten von λc und λD ergeben
(also für verschiedene Werte von m in der Tabelle), daß das
reflektierte Licht wieder Weiß zu werden strebt. Wie die Tabelle
zeigt, gibt es beispielsweise für t =1540 nm sechs Werte
von λc entsprechend m =6, 7, 8, 9, 10 und 11 sowie sechs
Werte für λD entsprechend m = 6, 7, 8, 9, 10 und 11. Oberhalb
von 1500 nm lassen sich die Interferenzfarben von Schichten
auf opaken, maximal reflektierenden Substraten nur noch
schlecht erkennen, bei Verwendung der teilreflektierenden
Substrate gemäß der Erfindung sind sie jedoch wegen der Farbverstärkung
noch gut sichtbar.
Aus der Tabelle 1 ist ferner ersichtlich, daß es für
die Werte von t, die in der Praxis verwendet werden können,
Werte von λc und λD gibt, die Interferenzen im infraroten
(IR) und ultravioletten (UV) Spektralbereich entspre
chen. Diese Interferenzeffekte werden weiter unten im Zusammenhang
mit wichtigen Abwandlungen des Verfahrens gemäß der Erfindung
besprochen.
Die Tabelle 1 ermöglicht es dem Benutzer, die richtigen
Werte von t zu ermitteln und in Verbindung mit entsprechenden
Rechnungen bezüglich des Reflexionsvermögens die
durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Effekte
zu erreichen und zu optimieren. Für letzteres kann kein genaues
Format angegeben werden, da Parameter der jeweiligen Anwendung,
wie Lichtpegel, Farbdichte, Art und Einrichtungen
zum Niederschlagen von Materialien usw. mitspielen. Die ausgeprägtesten
Färbungen ergeben sich für eine oder zwei Ordnungen
von λc in Verbindung mit einer oder zwei Ordnungen von λD,
was im allgemeinen für t zwischen 150 nm und 600 nm der Fall
ist. Dies gilt jedoch nicht streng, da die Färbung auch noch
von anderen Faktoren, wie Reflexionsvermögen, Absorption im
Substrat, Art des reflektierenden Metalls usw. abhängt, stellt
jedoch eine gute Richtlinie für die bequemste Realisierung
der Erfindung dar. SiO₂-Schichten dieser Dicke ergeben auch
für viele Anwendungen, wie z. B. Sonnenbrillen und Fensterscheiben,
einen ausreichenden chemischen und mechanischen
Schutz für das Metall und/oder den Kunststoff, die sich darunter
befinden.
Eine weitere Maßnahme, mit der der Bereich der durch
das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Farben noch
mehr vergrößert werden kann, besteht in der Verwendung eines
absorbierenden dielektrischen Mediums für die Interferenzschicht
auf der Vorderseite. Die sich dabei ergebende Farbe
resultiert aus einer Kombination aus dem Interferenzeffekt
mit den Absorptions- und Wiederemissionseffekten in dem Interferenzdielektrikum.
Man beachte, daß das Licht, das von der
Rückseite durch ein absorbierendes Substrat fällt, die Färbung
in einem Ausmaße beeinflußt, die von der Intensität des von
hinten kommenden Lichtes und der Farbe des absorbierenden Substrats
abhängt. Letztere kann dazu dienen, die Farbe abzuändern
oder den Metallikeffekt mehr oder weniger weitgehend zu
unterdrücken, insbesondere in Anwendungen wie Fensterscheiben
für Bürogebäude.
Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin,
für das teilreflektierende Metall ein solches zu verwenden,
dessen Reflexionsvermögen R im sichtbaren Spektralbereich
nicht im wesentlichen konstant ist, sondern sich mit der Wellenlänge
ändert. Ein Beispiel ist Kupfer, dessen Reflexionsvermögen
bei 450 nm etwa 58% und bei 700 nm etwa 97% beträgt.
Solche Unterschiede im Reflexionsvermögen können ferner dazu
verwendet werden, bestimmte Farben, z. B. Rottöne, zu verstärken,
da sie infolge der Unterschiede im Reflexionsvermögen
einleuchtenderweise den Differenzeffekt verstärken. Gold,
Nickel und Messing sind andere Beispiele für solche Metalle
bzw. Legierungen. Diese Aufzählung ist selbstverständlich
nicht erschöpfend.
Eine sehr wichtige Ausgestaltung des vorliegenden Filters besteht
darin, die beschriebenen Maßnahmen auf Wellenlängen außerhalb des sichtbaren
Spektralbereichs, insbesondere auf den infraroten Strahlungsbereich
auszudehnen. Dies ist vor allem für Fensterscheiben
von Bedeutung, die Wärmestrahlung (von der Sonne, Atmosphäre
oder anderen Wärmequellen, wie anderen Gebäuden usw.), die
in das Gebäude eindringt, zu verringern oder zu steuern, um
Energie durch Entlastung der Klimaanlage zu sparen. Hinsichtlich
dieser Ersparnis ist es am besten, wenn die zur Reflexion
oder Ausschaltung der einfallenden IR-Strahlung verwendeten
optischen Schichten sich auf der Außenseite des Fensters befinden.
Wenn sie sich nämlich an der Innenseite befinden, wird
ein großer Teil der einfallenden IR-Strahlung entweder beim
ersten oder beim zweiten Durchgang nach der Reflexion in der
Glasscheibe selbst absorbiert und erwärmt dadurch die Glasscheibe.
Die Scheibe gibt dann die Wärme zum großen Teil
durch Konvektion oder Abstrahlung bei längeren Wellenlängen
in das Innere des Gebäudes ab. Außen angeordnete Reflexionsschichten
sind daher im Sommer wirksamer, sie tragen jedoch
auch im Winter erheblich zur Verringerung von Wärmeverlusten
bei, da die von inneren Objekten abgestrahlte IR-Strahlung
entweder im Glas absorbiert wird und dann durch Konvektion
usw. wieder zurück in den Raum gelangt, oder, soweit sie durch
das Glas bis zur Metallschicht gelangt, reflektiert und im
Glas absorbiert wird oder in den Raum zurückgelangt.
Durch Anwendung der obigen Lehren läßt
sich eine solche Steuerung der in das Innere eines Gebäudes
eintretenden oder es verlassenden IR-Strahlung erreichen und
gleichzeitig das in das Gebäude eintretende sichtbare Licht
sowie die externen und internen Färbungseffekte steuern. Diese
Möglichkeiten ergeben sich durch die längeren Wellenlängen
der IR-Strahlung. Durch Verringerung der Dicke der teilreflektierenden
Metallschicht läßt sich die Menge des für die Erhellung
nötigen sichtbaren Lichts, das in das Gebäude eintritt
(z. B. ungefähr 50% des einfallenden Lichtes für R ≈20% und
ein 40% absorbierendes Substrat) steuern und gleichzeitig
die Bedingungen für die Optimierung der Farbeffekte in der
oben beschriebenen Weise einhalten sowie ein hohes IR-Reflexionsvermögen
aufrecht erhalten. Es konnte in der Praxis gezeigt
werden, daß sich eine solche Kombination von Eigenschaften erreichen
läßt, wenn das teilreflektierende Metall eines mit
von Natur aus hohem IR-Reflexionsvermögen ist und durch ein Verfahren
(wie Ionenstrahlzerstäubung) aufgebracht worden ist,
welches eine gleichmäßige Verteilung des Metalles ohne nennenswerte
Agglomeration gewährleistet. Bei Dicken, für die die
Schicht für Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich
noch relativ offen oder durchsichtig aussieht, ist die
gleiche teilreflektierende Metallschicht für Strahlung mit
Wellenlängen im IR-Gebiet verhältnismäßig undurchlässig, da
infolge der größeren Wellenlänge im Mittel mehr Metallatome
erfaßt werden, was zu einer erhöhten Reflexion führt.
In der Praxis kann das Reflexionsvermögen im Sichtbaren
in den Bereich von 20 bis 50% herabgesetzt werden, während
gleichzeitig ein IR-Reflexionsvermögen von über 70% und
bis hinauf zu 95% im nahen IR (z. B. 2,5 µm) und fernen IR (z. B.
über 10 µm) aufrecht erhalten werden kann. Für die Kontrolle
der Wärmebelastung von Gebäuden ist der Wellenlängenbereich
unter 2,5 µm hinsichtlich der Klimatisierung (hauptsächlich
die Wärmezufuhr von außen) von Bedeutung, da bei der terrestrischen
Sonnenstrahlung etwa die Hälfte der Strahlungsenergie
im Sichtbaren und die andere Hälfte im nahen IR (unter
2,5 µm) liegt. Gebäude erhalten jedoch auch Strahlung mit längerer
Wellenlänge (4 bis 100 µm mit einem Intensitätsmaximum
in der Nähe von 10 µm) von der Atmosphäre, die ebenfalls zur
Wärmebelastung beiträgt. Für winterliche Verhältnisse, wo
Verluste durch Wärmestrahlung von Körpern mit Temperaturen
von ungefähr 25 bis 30°C, die sich im Inneren
des Gebäudes befinden, vermieden werden sollen, sind die Eigenschaften im
fernen IR von Bedeutung, da das Maximum der Strahlung eines
schwarzen Körpers, dessen Temperatur 28°C beträgt, bei ungefähr
10 µm liegt. Das Reflexionsvermögen soll daher im ganzen
Infrarotbereich hoch sein. Dies läßt sich nachweislich aufgrund
der Lehren der vorliegenden Erfindung erreichen, wenn
man Kupfer oder Messing als reflektierendes Metall verwendet,
die beide am langwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereichs
ein höheres Reflexionsvermögen haben als am kurzwelligen Ende.
Der Wert des Reflexionsvermögens kann dadurch so gewählt werden,
daß sich ein verhältnismäßig hohes IR-Reflexionsvermögen,
einschließlich des Bereiches von 800 nm bis zu 2,5 µm
(2500 nm) ergibt, während gleichzeitig das Reflexionsvermögen
für sichtbares Licht im Mittel niedrig ist. Man kann auch andere
Metalle, wie Kupfer und Silber, verwenden um die gewünschte
Funktion zu erreichen, diese Metalle sind jedoch verhältnismäßig
teuer und für viele Aufbringungsverfahren schwierig
zu verarbeiten.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist und oben diskutiert
wurde, treten bei Interferenzschichten, die hinsichtlich
ihrer Farbeffekte interessant sind, sowohl im IR als auch im
Sichtbaren Interferenzeffekte auf. Die Interferenzeffekte im
IR sind jedoch wesentlich weniger wichtig, da das IR-Reflexionsvermögen
(bei richtig gewählter Metallschicht) auch ohne
Interferenzeffekte hoch ist und Differenzeffekte verhältnismäßig
unwichtig sind.
Bei der Realisierung des Erfindungsgedankens wurde
mit Ionenstrahlzerstäubung und Ionenstrahlimplantationszerstäubung
gearbeitet. Selbstverständlich lassen sich auch irgendwelche
anderen Verfahren verwenden, mit denen die erforderlichen
Materialien in der gewünschten Form niedergeschlagen
oder aufgebracht werden können, ohne die Funktion der Anordnung
gemäß der Erfindung zu beeinträchtigen. Die oben erwähnten
Verfahren, die zur Realisierung der Erfindung verwendet
wurden, gestatten es auch, Materialien, wie Gold und Silber
auf Glas und/oder Kunststoff sowie anderen Materialien ohne zusätzliche
Zwischen- oder Bindeschichten aufzubringen, die bei
vielen anderen Verfahren (z. B. beim Aufdampfen) erforderlich
sind. Dies kann wichtig sein, um den erforderlichen Grad von
Reflexionsvermögen zu erreichen. Noch wichtiger ist folgendes:
Es ist unabdingbar, daß die Interferenzschicht aus Glas oder
einem anderen geeigneten relativ transparenten Dielektrikum,
die sich auf der Metallschicht befindet, diese gegen chemischen
Angriff (z. B. durch die Atmosphäre) und mechanischen Angriff
(z. B. beim Reinigen usw.) schützt sowie die erforderliche Interferenzwirkung
ergibt. Dies ist nur möglich, wenn diese Schicht
auch bei sehr geringer Dicke undurchlässig für chemische Dämpfe
und Flüssigkeiten ist sowie eine ausreichende Härte und eine
optische Qualität hat. Quarzglas oder geschmolzenes SiO₂, das
durch Ionenstrahlzerstäubung aufgebracht worden ist, erfüllt
wegen seiner einzigartigen Eigenschaften alle diese Anforderungen.
Wie gesagt ist jedoch das Verfahren, mit dem die Schichten
gebildet werden, unwesentlich, solange die Schichten und die
Schichtstrukturen die gewünschten Eigenschaften haben.
Es ist wichtig, daß die Interferenzschicht unmittelbar
und derart auf die Metallschicht aufgebracht wird, daß das
Metall nicht oxidiert oder hinsichtlich seines Reflexionsvermögens
in unerwünschter Weise beeinträchtigt wird. Wenn es sich
bei dem Metall z. B. um eine frisch niedergeschlagene Schicht
aus Kupfer handelt und diese eine nennenswerte Zeit der Luft
oder Sauerstoff ausgesetzt wird, bevor die luftdichte Interferenzschicht
(oder eine wirkungsgleiche Schicht) aufgebracht
wird, oxidiert das Kupfer und sein Reflexionsvermögen nimmt
ab, was die sichtbare Färbung, die Intensitäten des reflektierten
und durchgelassenen Lichtes sowie das IR-Reflexionsvermögen
beeinflußt. Wenn die Schicht aus Glas oder dgl. nicht
luftdicht ist, verschlechtern sich die Eigenschaften der Anordnung
mit der Zeit. Gold ist zwar ziemlich beständig, es ist
jedoch verhältnismäßig teuer und läßt sich mit manchen Verfahren
nur schwierig als dünne Schicht aufbringen.
Das Aufbringen der hermetischen Abdichtung unmittelbar
auf der reflektierenden Schicht kann verwendet werden, um
sehr dünne (50 nm oder weniger) nicht gefärbte Schutzschichten
zu erzeugen, wenn das aufgebrachte Glas oder dgl. in dünner
Schicht undurchlässig für chemische Schadstoffe ist. Wie oben
erwähnt wurde, beruht die von Pliskin und Conrad bei 50 nm beobachtete
Färbung vermutlich auf gewissen Mängeln der Glasschicht.
Bei Verwendung solcher dünner Schichten sind die Kosten
geringer als wenn man dicke Schichten (über 2 µm) verwendet,
um Farbeffekte durch Interferenz zu vermeiden. Diese
neue Maßnahme wurde praktisch erprobt und ist z. B. von Bedeutung,
um Vorderseitenspiegel ohne Beeinflussung ihrer optischen
Eigenschaften zu schützen. Solche interferenzfarbenfreie
Schutzschichten werden z. B. für spiegeloptische Instrumente,
für Einrichtungen zur Energiekonservierung und -erzeugung,
zum hermetischen Abschließen von Sonnenzellen für die Verwendung
auf der Erde usw. gebraucht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht
in der Verwendung der Schichtstrukturen auf Kunststoffsubstraten,
die bei Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich absorbieren
oder nicht absorbieren können, zum Schutz gegen Infrarotstrahlung.
Während Glassubstrate bei vielen interessierenden
Anwendungen, wie Sonnenbrillen, einen Teil der einfallenden
IR-Strahlung absorbieren, ist dies bei Kunststoffen
im allgemeinen nicht der Fall. Bei Trägern von Sonnenbrillen
mit Kunststoff-Gläsern kann daher eine Erwärmung des Auges
durch die IR-Strahlung eintreten, was zu einem Austrocknen
und zu Reizungen führen kann, selbst wenn die Brille hinsichtlich
der sichtbaren Strahlung genügt. Durch vorliegende
Erfindung lassen sich diese Mängel durch Abweisung der
unerwünschten IR-Strahlung bei gleichzeitiger Einstellung
der sichtbaren Strahlung und Färbungseffekte auf die gewünschten
Werte vermeiden. Wenn das Metall als dickere, hoch reflektierende
opake Schicht aufgebracht wird, können Kunststoffe
auch als ausgezeichnete Spiegel, Konzentratoren usw. für sichtbare
und IR-Strahlung in Sonnenöfen und Sonnenenergiegewinnungs-Anlagen
verwendet werden, wobei die Metallschicht durch
eine dünne Schutzschicht (Dicke ungefähr 50 nm) hermetisch
abgedichtet und mechanisch geschützt wird, wie oben erläutert
wurde.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Erzeugung
von Farbeffekten in Wand- und Dekorationsplatten usw.,
ohne Berücksichtigung der Transmissionseigenschaften.
Farbe | |
Dicke (nm) | |
Lohfarben, bräunlich | |
50 | |
Braun | 70 |
Dunkel- bis Rotviolett | 100 |
Königsblau | 120 |
Helles bis metallisches Blau | 150 |
Metallisches bis sehr helles Gelbgrün | 170 |
Helles Gold auf Gelb, schwach metallisch | 200 |
Gold mit schwach gelb-oranger Tönung | 200 |
Orange bis rötliches Gelb | 250 |
Rotviolett | 270 |
Blau bis Blauviolett | 300 |
Blau | 310 |
Blau bis Blaugrün | 320 |
Helles Grün | 340 |
Grün bis Gelbgrün | 350 |
Gelbgrün | 360 |
Grünliches Gelb | 370 |
Gelb | 390 |
Helles Orange | 410 |
Fleischfarben | 420 |
Violettes Rot | 440 |
Rotviolett | 460 |
Violett | 470 |
Blauviolett | 480 |
Blau | 490 |
Blaugrün | 500 |
Sattes Grün | 520 |
Gelbgrün | 540 |
Grüngelb | 560 |
Gelb bis gelblich | 570 |
Helles Orange auf Gelb bis zur Grenze von Rosa | 580 |
Fleischfarben | 600 |
Violettes Rot | 630 |
Bläulich (Übergang von Violett zu Blaugrün, sieht gräulich aus) | 680 |
Blaugrün bis Grün (ziemlich satt) | 720 |
Gelblich | 770 |
Ziemlich sattes Orange | 800 |
Lachsfarben | 820 |
Matt, helles Rotviolett | 850 |
Violett | 860 |
Blauviolett | 870 |
Blau | 890 |
Blaugrün | 920 |
Mattes Gelbgrün | 950 |
Gelb bis gelblich | 970 |
Orange | 990 |
Fleischfarben | 1000 |
Violettes Rot | 1020 |
Rotviolett | 1050 |
Violett | 1060 |
Blauviolett | 1070 |
Grün | 1100 |
Gelbgrün | 1110 |
Grün | 1120 |
Violett | 1180 |
Rotviolett | 1190 |
Violettes Rot | 1210 |
Fleisch- bis lachsfarbig | 1240 |
Orange | 1250 |
Gelblich | 1280 |
Himmelblau bis Grünblau | 1320 |
Orange | 1400 |
Violett | 1450 |
Blauviolett | 1460 |
Blau | 1500 |
Mattes Gelbgrün | 1540 |
Claims (7)
1. Optisches Filter mit einem dielektrischen transparenten Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten
teilreflektierenden aus einem metallischen Material bestehenden Schicht und einer auf der teilreflektieren
den Schicht angeordneten dielektrischen Schicht, wobei aufgrund der optischen Dicke (geometrische Dicke
t · Brechungsindex n) der dielektrischen Schicht optische Strahlung bestimmter Wellenlängen durch Refle
xion an einer ersten, der teilreflektierenden Schicht abgewandten Grenzfläche und durch Reflexion an einer
zweiten, mit der teilreflektierenden Schicht gemeinsamen Grenzfläche der dielektrischen Schicht zur Inter
ferenz gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum gezielten Erzeugen eines intensiv farbigen Aussehens bei gleichzeitig hoher Transmission in Kombination
- a) der Reflexionsgrad der ersten Grenzfläche der dielektrischen Schicht (8, 11) zwischen 1 und 25% beträgt,
- b) der Reflexionsgrad der teilreflektierenden Schicht (9, 10) kleiner als 30% ist,
- c) der Reflexionsgrad der ersten Grenzfläche und der Reflexionsgrad der zweiten Grenzfläche annä hernd gleich sind, und
- d) die optische Dicke der dielektrischen Schicht zwischen 73 und 2190 Nanometer beträgt.
2. Optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsgrad der teilreflektieren
den Schicht (9, 10) wellenlängenabhängig ist.
3. Optisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierende Schicht (9, 10) aus
Kupfer, Gold oder Messing besteht.
4. Optisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierende Schicht (9,
10) im Infraroten einen relativ hohen Reflexionsgrad hat.
5. Optisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektri
sche Substrat absorbierend ist.
6. Verwendung des optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Sonnenbrillenglas.
7. Verwendung des optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Fensterscheibe.
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