Optisches Gerät mit mindestens einem Spiegel. Bei den meisten optischen Geräten, in denen man auf die Verwendung starker Lichtintensitäten angewiesen ist, besteht die Aufgabe, die schädliche Wirkung der bei den üblichen Lichtquellen unvermeidlichen Wärmestrahlen zu beseitigen.
Man hat zu diesem Zweck bisher üblicher weise Sondergläser, welche die Wärmestrahlen bevorzugt absorbieren, in den Strahlengang eingeschaltet. Derartige Wärmeschutzgläser haben neben dem oft erheblichen Licht verlust und der Farbänderung des durch gegangenen Lichtes den Nachteil, dass sie sich durch die aufgenommene Wärmeenergie er hitzen und damit der Gefahr des Springens unterworfen sind.
Einen wesentlichen Fortschritt brachte daher die Einführung der Mehrfachinterfe- renzschichten, welche es ermöglichen, nahezu ohne Beeinflussung der sichtbaren Strahlen die ultraroten Strahlen durch Spiegelung zu. rückzuhalten. Aber auch bei dieser Art von Filtern lässt sich die Reflexion der gesamten Wärmestrahlen nicht wesentlich über 55 bis 60 % steigern, ohne dass nicht auch im sicht baren Bereich ein entsprechender Licht verlust in Kauf genommen werden muss.
Handelt es sich darum, eine noch weiter gehende Abschwächung der ultraroten Strah len zu erzielen, so lässt sich dies gemäss der Erfindung dadurch erreichen, dass mindestens ein Spiegel im Strahlengang des Gerätes liegt, welcher für ultrarote Strahlen durchlässig ausgebildet ist. Das optische Gerät kann da bei einen oder mehrere Umlenkspiegel auf weisen.
Als Spiegelbelag eignen sich bei gerin geren Ansprüchen an die Lichthelligkeit Stoffe, deren Absorptionsgrenze in der Nähe des roten Endes des sichtbaren Spektral- bereiches liegt, z. B. metallisches Selen oder Silizium.
Will man jedoch eine hohe Licht ausbeute erzielen, so bietet- die.- Anwendung von Mehrfachinterferenzschichten einen be sonderen Vorteil, wenn sie so ausgebildet sind, dass ihr Reflexionsvermögen zwischen dem violetten und roten Ende des SpektrLuns bei steilen Flanken gross (vorzugsweise über 80 vom Hundert) ist, wogegen es im an schliessenden Ultrarot möglichst niedrig (vor zugsweise unter 20 vom Hundert) liegt. Man erreicht dies weitgehend z.
B. durch An ordnung abwechselnd hoch- und niedrig brechender, nicht- bis schwachabsorbierender Schichten auf durchlässiger Unterlage, deren optische Dicken etwa ein Viertel der mitt leren Wellenlänge des sichtbaren Spektrums betragen. Jedoch muss man bei dieser ein fachsten Art von Mehrfachinterferenzschich, ten nach einem oder beiden Enden des Spek trums noch mit einer gewissen Restdurch lässigkeit für das sichtbare Licht rechnen, was einen leichten Farbstich für das reflek tierte Licht bewirken kann.
Günstiger wir- ken Stoffe, die im kurzwelligen Teil des sicht baren Spekti-L.uns absorbieren, wie z. B. Anti- monsulfid, wobei man die Schichtdicken ent sprechend grösser wählen kann, um das Re- flexionsmaximum mehr nach dem Roten zu verlegen.
Man erzielt hierbei schon mit einer geringen Anzahl von Schichten im Sichtbaren ein Gesamtreflexionsvermögen von 90 bis 95 /o, während man im nahen Ultrarot, soweit es die von normalem Glas durchgelassenen Wärmestrahlen enthält, eine Durchlässigkeit bis zu 90 % erreichen kann. Auch zwei der- artige Schichtsysteme mit teilweise absorbie renden oder absorptionsfreien Schichten;
deren optische Dicken etwas voneinander ab weichen und zwischen denen eine durch sichtige Schicht von mindestens dreifacher Dicke einer Einzelschicht liegt, liefern gute Spiegel im Sinne der Erfindung.
Die beschriebene Anordnung erweist sich als besonders zweckmässig in all den Fällen, in denen man von vornherein auf die Verwen dung von Umlenkspiegeln angewiesen ist. Dazu ist man u. a. vielfach dann genötigt, wenn man den Strahlengang in einem Gerät aus Gründen der Raumersparnis knicken muss, z. B. in Lesegeräten.
Eine weitere An- -%i-endung der Erfindung ergibt sich beispiels- weise beim Spiegelbelag von Reflektoren für Projektionslampen, Scheinwerfer, Operations lampen und dergleichen, wobei eine schäd liche Überlastung der Lampen (durch die zu rückgestrahlte Wärme) vermieden werden kann. Die Verwendung von Interferenzschich- ten als Spiegelbelag schliesst ferner die Mög- lichkeit ein, bei der Reflexion am Umlenk- spiegel gleichzeitig linear polarisiertes Licht zu erzeugen.
Man hat zu diesem Zweck die Schichten so zu wählen, dass in einem be stimmten Einfallswinkelbereich die resultie rende Amplitude Rk der Reflexionsvektoren möglichst klein wird, wobei der Index besagt, dass es sich entweder um die parallel oder senkrecht zur Einfallsebene schwingende Komponente handeln kann.
Die Forderung lautet mathematisch: Rk = -fiel -f- rs 6-i. <B><I>W,</I></B> -I-- ... -i(o1+e3+-.+om) rW- r2 e -#- rge <I>= 0</I> wobei i = @ -1, 4i gleich ist der Phasen differenz, ri gleich ist dem Reflexionskoeffi zienten der fiten Schicht gegen die (i -I- 1)
te Schicht und r,. gleich ist dem Reflexions koeffizienten der Unterlage gegen die letzte (mte) Schicht. Der Einfallswinkel für den Umlenkspiegel ist in diesem Fall zweckmässig so gross zu wählen, dass für die andere Pola risationskomponente Rk! ein genügend hoher Wert resultiert, das heisst mindestens etwa 50 (Einfallswinkel).
Die Zeichnung erläutert beispielsweise Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung, und zwar zeigen Fig. 1 :die schematisch gehaltene Darstel lung einer Spiegelschicht mit Mehrfaehinter- ferenzschichten im Querschnitt, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform mit Mehrfachinterferenzschichten, Fig. 3 die Reflexion R bzw.
die Durch lässigkeit D eines derartigen Systems in Ab hängigkeit von der Wellenlänge in AE. In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet 10 den Trägerkörper, der aus lichtdurchlässigen oder sonstwie geeigneten Stoffen bestehen kann. Nur ziem Zwecke der Darstellung sei angenommen, 10 bestände aus einem durch sichtigen oder optischen Glaskörper. Auf dem lichtdurchlässigen Grundkörper sind abwech selnd nichtabsorbierende oder schwachabsor bierende Schichten hoher und niederer Brech- zahl aufgebracht.
Die Schichten hoher Brech- zahl sind mit 11, die Schichten niederer Brech- zahl sind mit 12 bezeichnet. Jede der Schich ten 11 und 12 besitzt eine optische Dicke von etwa einem Viertel der mittleren Wellen länge :des sichtbaren Spektrums, also etwa ein Viertel von 5500 AE. Bei diesem gmund- sätzlich einfachen Aufbau eines Mehrschieh- tenbelages muss jedoch berücksichtigt werden, dass eine geringe Resttransparenz für sieht:
bares Licht an dem einen Ende oder an bei den Enden des sichtbaren Spektrums ver bleibt, die einen leichten Farbschatten des reflektierten Lichtes hervorzurufen vermag. Geeignet sind daher Stoffe, die im kurz welligen Teil des sichtbaren Spektrums ab sorbierend wirken, wie Antimonsulfid oder Cadmiumselenid, wobei die Schichtdicke etwas verstärkt werden kann, um das Re flexionsmaximum ziun Rot zu verschieben.
Wenige Schichten genügen, um im sichtbaren Spektriun einen Reflexionsgrad von 90 bis 95 vom Hundert zu erreichen, während in dem benachbarten Ultrarotgebiet eine Durchlässig keit bis zu 90 vom Hundert erreichbar ist, so weit das Ultrarot Wärmestrahlen enthält, die durch gewöhnliches Glas hindurchgehen. Die mit 11 bezeichneten Schichten können aus Antimonsulfid bestehen, während gryolith die Schichten 12 zu bilden vermag. Der aus den Schichten 11 und 12 gebildete Belag wird durch Schichten 11 aus Sb2S3 begrenzt.
So wohl die Antimonsidfid- als auch die Kryolith- schichten haben dabei je eine optische Dicke von einem Viertel der Wellenlänge für Grün, wobei die oberste Antimonsulfidschicht vor teilhaft auch etwas dünner ausgebildet sein kann. Die Reflexion eines nach Fig. 1 aus gebildeten Spiegels ist 90 vom Hundert, wo bei sein Durchlass für weisses Licht 1 bis 3 vom Hundert beträgt, gemessen mit einer Photozelle von spektraler Augenempfindlich keit.
Wenn eine zusätzliche gryolithschicht 12 und eine Antimonsulfidschicht 11 in dem Belag derart vorgesehen sind, dass ein Neun schichtenbelag entsteht, ist die Transparenz des Ultrarotgebietes, das durch den Glaskör per 10 durchgelassen. wird, mindestens 85 vom Hundert. Blickt man durch einen der artigen Filter, so erscheint er dunkelrot bis pururfarben. Der Belag widersteht Tempe raturen bis zu 200 C, ist aber noch. kratz empfindlich. Auf der Glasseite ist die Re flexion etwas geringer.
Die Oberfläche kann jedoch eine Schutzschicht aufweisen, etwa aus Lacken, wie sie bei 13 veranschaulicht ist. Vorzugsweise kommen farblos einbrennende Lacke in Betracht. Um die Reflexion im kurz welligen Teil des Spektrums zu verstärken, können Stoffe metallischen Charakters mit Absorption im sichtbaren Teil des Spektrums zur Anwendung kommen, wie Thalliumsulfid oder Silizium oder Cadmiumtelluride. Sie kommen vorzugsweise zum Aufbau der ersten Schicht in Betracht,
deren Dicke so bestimmt sein soll, dass- die Durchlässigkeit für weisses Licht nicht kleiner ist als 1 vom Hundert.
Die letzte hochbrechende Schicht kann auch durch eine Schutzschicht aus Magne- siumfluorid (M9F2), Thoritunöxyfluorid (ThOF2) oder aus andern niedrigbrechenden Stoffen mit der Dicke von etwa der halben mittleren Wellenlänge des sichtbaren Lichtes bewehrt sein, wobei diese Schicht wieder mit 13 bezeichnet sein mag;
sie bringt gleichzei tig den Vorteil einer noch verbesserten Durch lässigkeit im Ultraroten mit sich. Fig. 3 zeigt die charakteristischen Reflexions- und Durch lasseigenschaften eines solchen erfindungs gemäss ausgebildeten Achtachichtenspiegels.
Unempfindlichkeit gegen hohe Tempera- euren in Verbindung mit grossem mechani schem Widerstand und guten optischen Eigenschaften, da der Spiegel völlig frei von Farbschatten wird, können mit einem Spie gelaufbau nach Fig. 2 verwirklicht werden.
In dieser Figur bezeichnet 10' den Glaskör per, auf dem abwechselnd vier Schichten 14 aus einem Stoff hoher Brechzahl wie Zink sulfid (ZnS oder TIJ) und drei Schichten 15 aus einem Stoff niederer Brechzahl wie Kryolith oder MgF2 vorgesehen sind.
Jede der Schichten 14 und 15 hat eine optische Dicke von etwa einem Viertel der mittleren Wellenlänge des sichtbaren Spektrums. Auf diesen sieben Schichten liegt eine Schicht 16 niederer Brechzahl wie etwa MgF2, deren optische Dicke mindestens gleich ist dem Dreifachen eines Viertels der genannten mitt leren Wellenlänge. Auf Schicht 16 \folgen wieder sieben Schichten mit der optischen Dicke eines Viertels der mittleren Wellen länge des sichtbaren Lichtes, die den erst erwähnten sieben Schichten ähneln.
Es be zeichnen wieder 17 die Schichten hoher Brechzahl, wie ZuS oder TIJ und die Schich ten 18 bestehen aus Stoffen niederer Brech- zahl wie @l1gF2. Um kleinere Durchlassbereiche oder -banden zu unterdrücken, die bei der- artigen Systemzusammenstellungen immer auftreten können, besteht die Möglichkeit, die Viertelwelle-längendicken des ersten Wech selsystems, also die Schichten 14 und 15,
von denen des zweiten Systems, also 17 und 18, um 10 bis 20 vom Hundert unterschiedlich zu gestalten. Dabei ist es als besonderer Vorteil des Belagaufbaues nach Fig. 2 anzusehen, dass die Reflexion an der Glasseite nahezu dieselbe ist wie an der Luftseite.
Optical device with at least one mirror. In most optical devices, in which one is dependent on the use of strong light intensities, the task is to eliminate the harmful effects of the heat rays that are unavoidable with conventional light sources.
For this purpose, special glasses that preferentially absorb the heat rays have hitherto been switched into the beam path. In addition to the often considerable loss of light and the change in color of the light that has passed through, such heat protection glasses have the disadvantage that they heat up due to the thermal energy absorbed and are therefore subject to the risk of jumping.
The introduction of multiple interference layers, which make it possible to apply the ultra-red rays by reflection almost without influencing the visible rays, therefore brought about a significant advance. to hold back. But even with this type of filter, the reflection of the total heat rays cannot be increased significantly by more than 55 to 60% without a corresponding loss of light also having to be accepted in the visible area.
If the aim is to achieve a further weakening of the ultrarot radiation, this can be achieved according to the invention in that at least one mirror is located in the beam path of the device, which is designed to be permeable to ultrared rays. The optical device can have one or more deflecting mirrors.
Substances whose absorption limit is close to the red end of the visible spectral range are suitable as mirror coverings for low light brightness requirements, e.g. B. metallic selenium or silicon.
However, if you want to achieve a high light yield, the application of multiple interference layers offers a particular advantage if they are designed in such a way that their reflectivity between the violet and red end of the spectrum is large (preferably over 80 percent) with steep edges ), whereas in the subsequent ultra-red it is as low as possible (preferably below 20 percent). This is largely achieved z.
B. by to order alternating high and low refractive index, non-absorbent to weakly absorbent layers on a transparent substrate, the optical thicknesses of which are about a quarter of the mitt sized wavelength of the visible spectrum. However, with this simplest type of multiple interference layers, one or both ends of the spectrum still has to reckon with a certain residual permeability for the visible light, which can cause a slight color cast for the reflected light.
Substances that absorb us in the short-wave part of the visible spectrum are more favorable, such as B. antimony sulfide, whereby the layer thicknesses can be chosen to be correspondingly greater in order to move the reflection maximum more towards the red.
A total reflectivity of 90 to 95 / o is achieved with a small number of layers in the visible, while in the near ultra-red, as far as it contains the heat rays transmitted by normal glass, a transmission of up to 90% can be achieved. Also two such layer systems with partially absorbent or absorption-free layers;
the optical thicknesses of which differ somewhat from one another and between which there is a transparent layer of at least three times the thickness of an individual layer, provide good mirrors for the purposes of the invention.
The arrangement described proves to be particularly useful in all cases in which one is dependent from the outset on the use of deflection mirrors. For this one is u. a. often required when you have to bend the beam path in a device to save space, z. B. in readers.
A further addition to the invention results, for example, in the mirror covering of reflectors for projection lamps, headlights, operating lamps and the like, it being possible to avoid damaging overloading of the lamps (due to the reflected heat). The use of interference layers as a mirror coating also includes the possibility of simultaneously generating linearly polarized light when it is reflected on the deflecting mirror.
For this purpose, the layers must be chosen so that the resulting amplitude Rk of the reflection vectors is as small as possible in a certain angle of incidence range, the index indicating that it can be either the component oscillating parallel or perpendicular to the plane of incidence.
Mathematically, the requirement is: Rk = -fiel -f- rs 6-i. <B><I>W,</I> </B> -I-- ... -i (o1 + e3 + -. + Om) rW- r2 e - # - rge <I> = 0 </ I > where i = @ -1, 4i is equal to the phase difference, ri is equal to the reflection coefficient of the fit layer against the (i -I- 1)
te layer and r ,. is equal to the reflection coefficient of the base against the last (mth) layer. In this case, the angle of incidence for the deflecting mirror should expediently be selected so large that Rk! a sufficiently high value results, that is to say at least about 50 (angle of incidence).
The drawing explains, for example, possible embodiments of the invention, namely: FIG. 1: the schematic representation of a mirror layer with multiple interference layers in cross section, FIG. 2 another embodiment with multiple interference layers, FIG. 3 the reflection R or
the permeability D of such a system as a function of the wavelength in AE. In Fig. 1 of the drawing, 10 denotes the carrier body, which can consist of translucent or otherwise suitable materials. For the purposes of illustration only, it is assumed that 10 consists of a transparent or optical glass body. Alternately non-absorbing or weakly absorbing layers of high and low refractive index are applied to the translucent base body.
The layers of high refractive index are designated by 11, the layers of lower refractive index are designated by 12. Each of the layers 11 and 12 has an optical thickness of about a quarter of the mean wavelength: of the visible spectrum, i.e. about a quarter of 5500 AU. With this generally simple structure of a multi-layer covering, however, it must be taken into account that there is little residual transparency for:
real light at one end or at the ends of the visible spectrum remains, which is able to produce a slight color shadow of the reflected light. Substances that have a sorbent effect in the short wavy part of the visible spectrum, such as antimony sulfide or cadmium selenide, are therefore suitable, and the layer thickness can be increased somewhat in order to shift the maximum re flexion to red.
A few layers are sufficient to achieve a reflectance of 90 to 95 per cent in the visible spectrum, while in the neighboring ultra-red area a permeability of up to 90 per cent can be achieved, as far as the ultra-red contains heat rays that pass through ordinary glass. The layers labeled 11 can consist of antimony sulfide, while gryolite is able to form the layers 12. The covering formed from layers 11 and 12 is delimited by layers 11 made of Sb2S3.
Both the antimony sulphide and cryolite layers each have an optical thickness of a quarter of the wavelength for green, with the topmost antimony sulphide layer also being able to be made somewhat thinner. The reflection of a mirror formed according to FIG. 1 is 90 per cent, where its passage for white light is 1 to 3 per cent, measured with a photocell of spectral eye sensitivity.
If an additional gryolite layer 12 and an antimony sulfide layer 11 are provided in the covering in such a way that a nine-layer covering is created, the transparency of the ultra-red area through the glass body is per 10. becomes, at least 85 per cent. If you look through one of these filters, it appears dark red to purple in color. The covering can withstand temperatures of up to 200 C, but is still. scratch sensitive. The reflection is slightly lower on the glass side.
However, the surface can have a protective layer, for example made of paint, as illustrated at 13. Colorless stoving paints are preferred. Substances of a metallic character with absorption in the visible part of the spectrum, such as thallium sulfide or silicon or cadmium telluride, can be used to increase the reflection in the briefly wavy part of the spectrum. They are preferably used to build up the first layer,
whose thickness should be determined in such a way that - the permeability for white light is not less than 1 percent.
The last high-index layer can also be reinforced by a protective layer made of magnesium fluoride (M9F2), thoritune oxyfluoride (ThOF2) or other low-index materials with a thickness of about half the mean wavelength of visible light, whereby this layer may again be denoted by 13 ;
it also has the advantage of even better permeability in the ultra-red. Fig. 3 shows the characteristic reflection and transmission properties of such a fiction according to trained eight-density mirror.
Insensitivity to high temperatures in connection with great mechanical resistance and good optical properties, since the mirror is completely free of colored shadows, can be realized with a mirror structure according to FIG.
In this figure, 10 'denotes the glass body on which four layers 14 made of a substance with a high refractive index such as zinc sulfide (ZnS or TIJ) and three layers 15 made of a substance with a low refractive index such as cryolite or MgF2 are provided.
Each of the layers 14 and 15 has an optical thickness about a quarter of the center wavelength of the visible spectrum. On top of these seven layers is a layer 16 with a low refractive index such as MgF2, the optical thickness of which is at least equal to three times a quarter of the aforementioned average wavelength. Layer 16 \ is followed by seven layers with the optical thickness of a quarter of the mean wavelength of visible light, which are similar to the first seven layers mentioned.
17 again denote the layers of high refractive index, such as ZuS or TIJ, and layers 18 consist of materials with a low refractive index such as @ l1gF2. In order to suppress smaller transmission areas or bands, which can always occur with such system combinations, it is possible to change the quarter-wave length thicknesses of the first alternating system, i.e. layers 14 and 15,
of those of the second system, i.e. 17 and 18, to make 10 to 20 percent different. It is to be regarded as a particular advantage of the covering structure according to FIG. 2 that the reflection on the glass side is almost the same as on the air side.