DE3902456A1

DE3902456A1 - Verbundstruktur optischer materialien

Info

Publication number: DE3902456A1
Application number: DE3902456A
Authority: DE
Inventors: Shiro Sasaki; Takahashi Kaimioka
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1989-08-03
Also published as: JPH01280703A; DE8915969U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur optischer Materialien, bei der ein Mehrschichtfilm aus Schichten mit einem hohen Brechungsindex und Schichten mit einem niedrigen Brechungsindex auf einem Substrat angeordnet ist und ein damit zu verbindendes Material mit der Oberseite des Mehrschichtfilms mittels eines organischen Klebstoffes verbunden ist.

Eine Verbundstruktur dieser Art ist beispielsweise als Strahlenteiler bekannt, der aus zwei Prismen besteht, deren jedes eine unter einem Winkel von 45° geneigte Fläche hat und die mit einem Bindemittel wie Balsam, Epoxiharz und so weiter zu einer kubusartigen Anordnung miteinander verbunden sind. Eine Schrägfläche des einen Prismas ist mit einer Filmschicht versehen, die aufgedampft ist und einen einfallenden Lichtstrahl teilt.

Dieser Film ist im allgemeinen ein Mehrschichtfilm aus Schichten mit hohem Brechungsindex und Schichten mit niedrigem Brechungsindex, die abwechselnd gestapelt sind. Der Mehrschichtfilm zeichnet sich dadurch aus, daß mit zunehmendem Unterschied der Brechungsindizes der Schichten die Schichtenzahl zur Strahlteilung kleiner wird. Deshalb benötigt man zur Vereinfachung der Schichtstruktur und der Vakuumaufdampfung ein Material mit höherem Brechungsindex.

Als Material mit hohem Brechungsindex wurde bisher im allgemeinen ZnS verwendet. In jüngerer Zeit wird jedoch TiO₂ vorzugsweise eingesetzt, wozu Ti₂O₅ als Ausgangsmaterial verwendet wird. Der Brechungsindex von TiO₂ ist bei Vakuum 2,3 und in der Atmosphäre 2,46 für einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm.

Das TiO₂ kann bei einer höheren Temperatur als ZnS beschichtet werden und hat eine viel höhere physikalische Festigkeit. Ferner treten Alterungsänderungen nach der Beschichtung innerhalb einer Zeit von mehreren Tagen (eine Woche bei Verkleben unmittelbar nach dem Beschichten) bei ZnS auf, während TiO₂ kürzere Alterungsänderungen zeigt und somit stabiler ist.

In der japanischen Zeitschrift Nikkei Sangyo Shinbun vom 22. September 1988 wurde jedoch auf Seite 3 von der Firma Osaka-shi Kogyo Kenkyusho dargelegt, daß TiO₂ eine katalytische Wirkung für eine organische Substanz hat und daß diese bei Berührung mit TiO₂ zerfällt.

Andererseits ist es bekannt, daß infolge der Porosität des durch Vakuumablagerung gebildeten Films leicht eine Feuchtigkeitsaufnahme, Oxidation und so weiter auftreten kann, wenn der Film aus dem Vakuum nach dem Aufdampfen in die Atmosphäre gebracht wird. Dadurch können sich die optischen Eigenschaften des Films ändern.

Bei Berücksichtigung dieser Sachlage muß bei Verwendung von TiO₂ als Filmschicht, die das Bindemittel berührt, damit gerechnet werden, daß das Bindemittel als organische Substanz in den porösen, durch Vakuum aufdampfen aufgebrachten Film eindringt und durch das TiO₂ zerfällt.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung konnte eine Erscheinung festgestellt werden, die sich in einer starken Absorption von Licht innerhalb des sichtbaren Bereichs bis fast zum infraroten Bereich äußert und höchstwahrscheinlich auf die Reaktion zwischen einem Bindemittel und TiO₂ bei Einsatz in einem verklebten Strahlenteiler zurückzuführen ist.

Diese Absorption konnte mit einer Wellenlänge von 750 nm für verklebte Strahlenteiler der folgenden Ausführungen festgestellt werden:

(1) G/B/G
(2) G/H₁/B/G
(3) G/H₂/B/G
(4) G/H₂/H₁/B/G
(5) G/H₁/H₂/B/G
(6) G/M/H₁/L/H₂/H₁/H₂/B/G

Die Materialien der verschiedenen Beispiele sind in ihrer Reihenfolge von der Lichteinfallsseite aus angegeben. Im einzelnen bezeichnen die Symbole folgende Bestandteile:

In diesen Beispielen wird als Bindemittel B ein Epoximaterial verwendet, das durch Einwirkung ultravioletter Strahlen leicht aushärtet. Die Absorption vor dem Verkleben ist in jedem der vorstehend genannten Fälle 0%. In den verschiedenen Materialien selbst wurde keine Absorption durch Einwirkung ultravioletter Strahlen festgestellt.

Zunächst wurde die Absorption des Beispiels 1 geprüft, bei dem nur eine Bindemittelschicht zwischen Prismen vorgesehen ist. Obwohl diese Anordnung einen winzigen Absorptionsanteil im Bereich von 400 nm oder weniger zeigte, war sie bei einer Wellenlänge von 750 nm transparent (Absorption 0%).

Die Anordnung (2), bei der TiO₂ und ein Bindemittel direkt miteinander in Berührung stehen, zeigte eine Absorption von 6,7%.

Die Anordnung (3), bei der Ta₂O₅ und ein Bindemittel kombiniert sind zeigte eine Absorption von 0%.

Die Anordnung (4) hatte eine Absorption von 6,5% und stimmt daher praktisch mit der Anordnung (2) überein.

Die Anordnung (5), bei der das Ta₂O₅ der Anordnung (4) durch TiO₂ ersetzt ist, zeigte eine Absorption von 5,0%.

Die Anordnung (6), bei der ein Bindemittel und TiO₂ mit einer Zwischenschicht aus Ta₂O₅ ähnlich wie bei der Anordnung (5) vorgesehen sind, zeigte eine Absorption von 6,0%.

Das Auftreten einer Absorption durch Reaktion zwischen dem Bindemittel und TiO₂ wurde also durch die vorstehend beschriebenen Anordnungen (2) und (4) bestätigt. Da eine Absorption bei den Anordnungen (5) und (6), jedoch nicht bei der Anordnung (3) auftrat, war anzunehmen, daß das Bindemittel in die Schicht aus Ta₂O₅ eingedrungen war und die Schicht aus TiO₂ erreicht hatte.

Man kann ein Verhältnis nA/nV aus dem Brechungsindex nv bei Vakuum und dem Brechungsindex nA in der Atmosphäre als Referenz für die Packungsdichte eines aufgedampften Films bilden. Dieses Verhältnis ist für TiO₂ 1,057, für Ta₂O₅ 1,042 und SiO₂ 1,019, während es für Al₂O₃ 1,005 ist. Deshalb hat Al₂O₃ eine kleinere Änderung des Brechungsindex als andere Materialien, und Al₂O₃ hat eine gegenüber diesen anderen Materialien hohe Dichte.

Aus den Ergebnissen der Anordnungen (5) und (6) kann man entnehmen, daß bei niedriger Dichte die Infiltration eines Bindemittels vergleichsweise leicht auftritt. Bei einer Schicht aus einem Material hoher Dichte wie beispielsweise Al₂O₃ und so weiter, die mit einem Bindemittel in Berührung steht, ist zu erwarten, daß die Möglichkeit des Eindringens des Bindemittels in einen Mehrschichtfilm geringer ist.

Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, daß bei einer Verbundstruktur eingangs genannter Art der Mehrschichtfilm zwischen einer ausgewählten Schicht und dem organischen Klebstoff mindestens eine Schicht aus einem Material hoher Dichte enthält.

Bei einer in dieser Art aufgebauten Verbundstruktur kann auch bei Verwendung von TiO₂ für die ausgewählte Schicht verhindert werden, daß das Bindemittel in den Mehrschichtfilm eindringt. Dadurch wird die Lichtabsorption wesentlich verringert beziehungsweise vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 den Querschnitt der Bindung eines verklebten Strahlenteilers

Fig. 2 die Seitenansicht eines verklebten Strahlenteilers mit einem Ausführungsbeispiel einer Verbundstruktur nach der Erfindung

Fig. 3 eine graphische Darstellung der spektralen Eigenschaften des Strahlenteilers nach Fig. 2 und

Fig. 4 die Seitenansicht eines Spiegels mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Verbundstruktur nach der Erfindung.

Die folgende Beschreibung nimmt Bezug auf einen Strahlenteiler, der an einem medizinischen Lichtleiter- Betrachtungsgerät befestigt ist, bei dem ein Lichtanteil abgezweigt und einem Okular zugeführt wird.

Wie die Figuren zeigen, besteht der Strahlenteiler 10 aus zwei Glasprismen 11 und 12, die jeweils ein gleichschenkeliges Dreieck als Grundfläche haben, aus Bk 7 bestehen und miteinander durch ein Bindemittel 13 verbunden sind, so daß sich eine kubusartige Anordnung ergibt.

Die Schrägfläche des Prismas 11 ist mit einem aufgedampften Mehrschichtfilm 14 versehen und teilt einen Lichtstrahl, der auf die in Fig. 2 linke Fläche auftrifft, entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis. Der Mehrschichtfilm 14 besteht, wie Fig. 1 zeigt, aus sechs Schichten 14 a bis 14 f. Der spezielle Aufbau ist für zwei Beispiele in den folgenden Tabellen 1 und 2 angegeben, dabei ist das Verhältnis Rm/Tm = 40%/60%. Die Größe Rm bezeichnet die mittlere Reflexionsfähigkeit für zwei polarisierte Lichtstrahlen, die Größe Tm die mittlere Durchlässigkeit für zwei polarisierte Lichtstrahlen.

Tabelle 1

Wenn die sechste Schicht 14 f, die die Bindemittelschicht 13 berührt, aus Al₂O₃ besteht und somit eine Schicht hoher Dichte bildet, so zeigt diese Schicht den Effekt, daß sie das Eindringen des Bindemittels 13 in den Mehrschichtfilm 14 verhindert. Eine Absorption durch Reaktion zwischen dem Bindemittel 13 und der fünften Schicht aus TiO₂ kann somit nicht auftreten. Dadurch wird die Absorptionsfähigkeit für einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 750 nm auf 0,31% verringert.

Die Funktion des Al₂O₃ kann bestätigt werden, indem der Aufbau gemäß Tabelle 1 mit demjenigen der zuvor beschriebenen Anordnung (6) verglichen wird. Der Unterschied des Aufbaus dieser beiden Beispiele zeigt sich nur darin, daß die Schicht aus Al₂O₃, die mit dem Bindemittel nach Tabelle 1 in Berührung steht, bei der Anordnung (6) von dem Bindemittel einen Abstand hat. Die übrige Anordnung stimmt mit derjenigen nach der Tabelle überein.

Fig. 3 zeigt die Eigenschaften eines verklebten Strahlenteilers mit dem vorbeschriebenen Aufbau. Dabei bezeichnen T _p, T _s und T _m jeweils eine Lichtdurchlässigkeit, während R _p, R _s und R _m eine Reflexionsfähigkeit bezeichnen. Der Index p gibt einen Wert bezüglich einer P-Polarisationskomponente an, der Index s gibt einen Wert bezüglich einer S- Polarisationskomponente an, und der Index m gibt einen Mittelwert dieser beiden Werte an. Die Absorptionsfähigkeit Am ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Die Figur zeigt, daß die Absorptionsfähigkeit im gesamten Bereich der dargestellten Wellenlängen sehr gering ist.

Die folgende Tabelle 2 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schichtstruktur.

Tabelle 2

Bei diesem Aufbau befindet sich TiO₂ in der dritten Schicht, so daß es von dem Bindemittel 13 einen Abstand hat. Ferner sind zwischen der TiO₂-Schicht und dem Bindemittel 13 zwei Al₂O₃-Schichten vorgesehen. Dadurch ist die Möglichkeit der Reaktion zwischen TiO₂ und dem Bindemittel verringert, verglichen mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Absorptionsfähigkeit ist 0,03% für einen Lichtstrahl der Wellenlänge 750 nm.

Obwohl die Erfindung vorstehend für einen kubusförmigen Strahlenteiler mit zwei Glasprismen beschrieben wurde ist darauf nicht beschränkt, sondern sie kann in gleicher Weise auch auf Strahlenteiler angewendet werden, die aus drei oder mehr miteinander verklebten Prismen bestehen.

Wie zuvor beschrieben, kann ein Bindemittel an seinem Eindringen in einen Mehrschichtfilm gehindert werden, wodurch sich beschichtete Produkte mit nur geringer Alterungsänderung nach dem Verkleben herstellen lassen. Entsprechend können die vor dem Verkleben festgestellten optischen Eigenschaften nach dem Verkleben beibehalten werden. Da ein Beschichtungsmaterial vor dem Verkleben ausgewertet werden kann, wirkt sich die Erfindung auf die Herstellung der optischen Elemente sehr vorteilhaft aus.

Da ferner hinsichtlich der Alterung stabile Produkte erhalten werden, ermöglicht die Erfindung die Herstellung eines Strahlenteilers sehr hoher Genauigkeit, wie er für optische Aufnahmevorrichtungen in photo- elektromagnetischen Wiedergabegeräten erforderlich ist, bei denen es erforderlich ist, nicht nur die Durchlässigkeit und Reflexionsfähigkeit mit vorgegebenen Werten zu erzielen, sondern auch den Phasenunterschied zwischen Polarisationskomponenten zu begrenzen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verbundstruktur nach der Erfindung, die bei einem Schnellspringspiegel einer einäugigen Spiegelreflexkamera angewendet ist.

Dieser Spiegel hat ein Substrat 20, auf dem ein Mehrschichtfilm 21 angeordnet ist. Der Mehrschichtfilm 21 kann beispielsweise vorgesehen sein, um einen hohen Reflexionsgrad zu erzielen.

Eine Schutzschicht 22 wird auf diesen Spiegel aufgeklebt, wenn er in einer Kamera montiert wird, um Schäden an dem Mehrschichtfilm zu verhindern. Die Schutzschicht 22 ist an dem Mehrschichtfilm 21 mit einem Bindemittel 23 befestigt, das auf die Rückseite der Schutzschicht 22 aufgebracht ist und abgezogen wird, nachdem der Spiegel in der Kamera montiert ist.

Wenn der Mehrschichtfilm den Aufbau der zuvor beschriebenen Anordnungen (4), (5) und (6) hat, wobei sich kein Material hoher Dichte zwischen der TiO₂-Schicht und der Bindemittelschicht befindet, son kann ein aus einer organischen Substanz bestehendes Bindemittel in den Film eindringen und mit ihm reagieren, wodurch es sehr schwierig wird, die Schutzschicht 22 nach dem Montieren des Spiegels in der Kamera abzuziehen.

Durch mindestens eine Schicht mit hoher Dichte, beispielsweise eine Schicht aus Al₂O₃ und so weiter, zwischen der TiO₂-Schicht und dem Bindemittel wird verhindert, daß das Bindemittel in den Mehrschichtfilm eindringt. Daher kann die Schutzschicht 22 von dem Mehrschichtfilm 21 nach Montage des Spiegels in der Kamera leicht abgezogen werden.

Claims

1. Verbundstruktur optischer Materialien, bei der ein Mehrschichtfilm aus Schichten mit einem hohen Brechungsindex und Schichten mit einem niedrigen Brechungsindex auf einen Substrat angeordnet ist und ein damit zu verbindendes Material mit der Oberseite des Mehrschichtfilms mittels eines organischen Klebstoffs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtfilm (14) zwischen einer ausgewählten Schicht und dem organischen Klebstoff (13) mindestens eine Schicht aus einem Material hoher Dichte enthält.

2. Verbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Schicht als Hauptkomponente ein Material enthält, das mit einer organischen Substanz reagiert.

3. Verbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer organischen Substanz reagierende Material TiO₂ ist.

4. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Dichte Al₂O₃ ist.

5. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat und als damit zu verbindendes Material jeweils ein Prisma vorgesehen ist.

6. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Spiegel und als damit zu verbindendes Material eine Schutzschicht für einen Spiegel vorgesehen ist.