DD226742A3

DD226742A3 - Interferenzfilter mit einem durchlassband

Info

Publication number: DD226742A3
Application number: DD24948883A
Authority: DD
Inventors: Erich Dummernix; Ulrich Weiland
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-04-04
Filing date: 1983-04-04
Publication date: 1985-08-28
Also published as: HU189042B; GB8407916D0; FR2543696A1; BG49135A1; GB2137769A; DE3401914A1; FR2543696B1; HUT35856A; GB2137769B

Abstract

Die Erfindung betrifft Interferenzfilter mit einem Durchlassband zur Verwendung in optischen Anordnungen und Geraeten fuer den UV-, VIS- und NIR-Bereich. Ziel der Erfindung ist es, die Qualitaet dieser Interferenzfilter zu erhoehen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Interferenzfilter mit verminderter Absorptionsbandenstruktur und dadurch erhoehter Transmission im Durchlassbereich bei gleichzeitig hoher Sperrwirkung der Seitensperrbereiche zu schaffen. Sie wurde durch ein Interferenzschichtsystem dadurch geloest, dass in mindestens einer aeusseren Filterschichtgruppe des Interferenzschichtsystems gegenueber mindestens einer inneren Filterschichtgruppe die Anzahl der Einzelschichten um die aeusseren Schichten verringert ist und/oder die optische Schichtdicke der mittleren Einzelschicht von mindestens einer aeusseren Filterschichtgruppe geringer als die optische Dicke der mittleren Einzelschicht von mindestens einer inneren Filterschichtgruppe ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Interferenzfilter mit einem Durchlaßband mit einer Bandbreite von 3 bis 30% der zentralen Wellenlänge des Durchlaßbandes.

Derartige Filter dienen der Selektierung begrenzter Spektralbereiche und finden daher Anwendung in optischen Anordnungen und Geräten für den UV-, VIS- und NIR-Bereich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Interferenzfilter mit einem Durchlaßband bestehen bekanntlich aus einem Schichtsystem mit metallischen und nichtmetallischen oder nur nichtmetallischen Schichten, die auf einer lichtdurchlässigen Unterlage übereinander aufgebracht sind und in der Regel durch ein aufgekittetes Deckglas mit eventuell zusätzlicher Blockfilterfunktion gegen äußere Einwirkungen geschützt werden.

Aus der DP 716153 sind Interferenzfilter mit lichtdurchlässigen metallischen und nichtmetallischen Schichten bekannt. Ein Mangel dieser Filter besteht darin, daß die Transmission in dem Durchlaßbereich durch eine hohe Lichtabsorption in den Metallschichten stark herabgesetzt ist. In der DE-PS 913005 sind Interferenzfilter mit Schichtsystemen aus lichtdurchlässigen, nichtmetallischen und alternierend hoch- und niedrigbrechenden Schichten beschrieben. Derartige Filter besitzen aufgrund einer geringen Absorption der nichtmetallischen Schichten eine sehr hohe Maximaltransmission im Durchlaßbereich. Für viele Anwendungen ist es jedoch von Nachteil, daß der Bereich hoher Transmission nur auf ein schmales Wellenlängenband beschränkt bleibt.

Eine konstruktive Verbreiterung des Durchlaßbereiches dieses Filtertyps durch Verringerung der Schichtenzahl führt zu einer für Anwendungszwecke unzulässig hohen Lichtdurchlässigkeit in den Sperrbereichen und einer Verschlechterung der Steilheit der das Durchlaßband begrenzenden Spektralkanten.

Durch periodisches Hintereinanderschalten mehrerer solcher gleicher Filterelemente mit geringer Schichtenzahl und somit verbreitertem Durchlaßbereich erhält man die sogenannten „Multiple cavity Filter" mit geringer Lichtdurchlässigkeit in den Sperrbereichen und einem spektral steil begrenzten, breitem Durchlaßbereich.

(Knittel „Optics of Thin Films"

John Wiley & Sons, London-New York 1976)

Bei der notwendigen Hintereinanderschaltung von mehr als 3 Filterelementen besteht jedoch ein wesentlicher Nachteil solcher Filter darin, daß im Filterdurchlaßband eine Absorptionsbandenstruktur auftritt, die eine Verminderung der Transmission bewirkt. Außerdem reagiert diese Bandenstruktur ungewöhnlich empfindlich auf fertigungsbedingte Schichtdickenfehler. Weiterhin ist bekannt. Interferenzfilter mit einem Durchlaßband dadurch herzustellen, daß ein Filter mit einem ausgedehnten kurzwelligen Durchlaßbereich mit einem zweiten Filter mit einem ausgedehnten langweiligen Durchlaßbereich kombiniert wird, so daß die sich überlappenden Durchlaßbereiche der zwei Filter ein Wellenlängenband begrenzen.

(H.A.Madeod „Thin Films optical Filters"

Adam Hilger LTD, London 1969, S. 154 ff.)

Ein Hinweis auf eine derartige Anordnung ist auch bereits in der DD-PS 6369 enthalten.

Derartig aufgebaute Interferenzfilter zur Ausfilterung eines spektralen Durchlaßbereiches besitzen den Nachteil, daß zu ihrer Realisierung zwei verschiedene Filter mit unterschiedlichen Schichtsystemen erforderlich sind und dadurch ein erhöhter technischer Aufwand entsteht. Außerdem ist die spektrale Maßhaltigkeit durch die Überlagerung fertigungsbedingter Mängel von zwei Filtern unbefriedigend.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Qualität von optischen Interferenzfiltern mit einem Durchlaßband zu erhöhen. Die Nachteile der bekannten technischen Lösungen sollen beseitigt werden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische Interferenzfilter mit einem Durchlaßband zu schaffen, die durch eine weitestgehende Beseitigung der Bandenstrukturen im Filterdurchlaßband eine hohe Transmission ermöglichen, ohne dabei die vorteilhaften Filtereigenschaften, wie entsprechende Bandbreite des Durchlaßbandes und die gute Sperrwirkung in den Seitensperrbereichen, zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch ein Interferenzfilter mit einem Durchlaßband, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem, das auf einem lichtdurchlässigen Träger aufgebracht ist und durch ein aufgekittetes Deckglas abgeschlossen sein kann und sich aus mehreren übereinander angeordneten, symmetrischen aufgebauten Filterschichtgruppen, z.B. mit der Schichtstruktur g2H, Hg2NH, HNg2HNH oder HNHg2NHNH usw., zusammensetzt, die jeweils durch eine Zwischenschicht N miteinander verbunden sind, wobei die lichtdurchlässigen nichtmetallischen Einzelschichten H, N bzw. g2H, g2N, der Filterschichtgruppen unterschiedliche Brechzahlen n_H und n_N und eine optische Schichtdicke von ¹A der zentralen Filterwellenlänge λ₀ bzw. ein ganzzahliges Vielfaches g mit g = {1,2,3} des 2fachen Wertes von ¹AX₀ besitzen, dadurch gelöst, daß in einer oder mehreren äußeren Filterschichtgruppen des Interferenzschichtsystems die Anzahl der Einzelschichten gegenüber der Anzahl der Einzelschichten in einer bzw. mehreren inneren Filterschichtgruppen um die äußeren Einzelschichten H bzw. N reduziert ist und/oder in einer oder mehreren äußeren Filterschichtgruppen des Interferenzschichtsystems die optische Schichtdicke der jeweils mittleren Einzelschicht g2H bzw. g2N geringer als die optische Schichtdicke der jeweils mittleren Einzelschicht in einer bzw. mehreren inneren Filterschichtgruppen ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Einzelschichten N bzw. g2N gegenüber den Einzelschichten H bzw. g2H eine niedrigere Brechzahl besitzen.

Es ist aber auch möglich, daß die Eineelschichten N bzw. g2N gegenüber den Einzelschichten H bzw. g2H eine höhere Brechzahl besitzen.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Brechzahl n_N der Zwischenschichten N mit der Brechzahl n_T des Trägers und bei aufgekittetem Deckglas mit der Brechzahl n_K des Deckglaskittes übereinstimmt.

Andernfalls kann bei unterschiedlicher Brechzahl der Zwischenschicht N, des Trägers und des Deckglaskittes eine zusätzliche Zwischenschicht N zwischen dem Träger und dem Interferenzschichtsystem und/oder zwischen dem Interferenzschichtsystem und dem ggf. aufgekitteten Deckglas angeordnet sein. Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß in dem Interferenzschichtsystem der erfindungsgemäßen Interferenzfilter mindestens eine äußere Filterschichtgruppe sich von einer inneren oder von mehreren inneren Filterschichtgruppen gleicher Schichtstruktur in der Anzahl der Einzelschichten H bzw. N oder der optischen Dicke der mittleren Einzelschichten oder in beiden Merkmalen unterscheiden.

Und zwar soll die Anzahl der Einzelschichten H oder N bzw. die optische Dicke der mittleren Einzelschicht g2H bzw. g2N in mindestens einer äußeren Filterschichtgruppe geringer als einer bzw. mehreren inneren Filterschichtgruppen sein.

Unter den äußeren Filterschichtgruppen werden dabei insbesondere die unterste, auf dem Träger angeordnete und die oberste, dem Außenmedium, z. B. einem Deckglas, zugewandte Schichtgruppe verstanden, aber auch z. B. zusätzlich die zweitunterste und zweitoberste Filterschichtgruppe usw. Es ist vorteilhaft, wenn die äußeren Filterschichtgruppen gegenüber den inneren Filterschichtgruppen mit gleicher Schichtstruktur um jeweils nur die äußeren zwei A₀/4-Einzelschichten H bzw. N dieser Filterschichtgruppen reduziert sind oder wenn jeweils die mittlere Einzelschicht g2H bzw. g2N der äußeren Filterschichtgruppen um 2H- bzw. 2N-Schichten und damit um λ_ο2/ in der optischen Dicke gegenüber den inneren Filterschichtgruppen verringert ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Interferenzschichtsysteme besteht darin, daß die störenden Bandenstrukturen im Filterdurchlaßbereich beseitigt bzw. stark eingeschränkt sind und dadurch eine höhere Transmission erreicht wird. Die anderen Filtereigenschaften, wie Bandbreite und Sperrwirkung in den Seitensperrbereichen, bleiben weitgehend erhalten.

Als Schichtträger und Deckgläser können übliche Glasplatten oder auch bekannte Filtergläser, mit denen zusätzlich an sich bekannte Filterwirkungen erzielt werden, eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend soll die Erfindung anhand von 4 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In den dazugehörigen Zeichnungen veranschaulichen Fig. 2,4,5 und 6 die spektrale Transmission T der in den Ausführungsbeispielen 1,2,3 und 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Interferenzfilter und Fig. 1 und 3 zum Vergleich die spektrale Transmission T für ein Interferenzfilter mit einem, dem Stand der Technik gemäßen Schichtsystem.

Die spektralen Darstellungen wurden in Wellenzahlen λ_ο/λ vorgenommen und sind jeweils auf die zentrale Filterwellenlänge λ_ο des Filterdurchlaßbereiches bezogen, die gleichzeitig als Maßwellenlänge für die Einzelschichten dient, denn H und N sind Schichten mit einer optischen Schichtdicke von ¹A λ_ο. Dadurch sind die Darstellungen sehr umfassend. Durch Festlegung einer gewünschten Wellenlänge X₀ für die zentrale Filterwellenlänge sind auch das Wellenlängenspektrum und die optische Dicke jeder Einzelschicht festgelegt. In den Figuren 2,4 und 6 wurde zur Anschaulichkeit die Wellenlängenskala für den Fall X₀ = 550 nm mit eingetragen. In diesem speziellen Fall haben alle Einzelschichten H und N eine optische Dicke von ¹AX₀ = 137,5 nm und die mittlere Einzelschicht g2H undg2N eine um den Faktor 2 g größere optische Dicke, wobei der Wert 2 g (g = ganze Zahl) jeweils in den Beispielen angegeben ist.

Ausführungsbeispiel 1

Ausführungsbeispiel 1 geht von einem mit Mängeln behafteten Interferenzfilter bekannter Schichtanordnung aus, die erfindungsgemäß verändert wird.

Das bekannte Schichtsystem besteht aus 7 gleichen Filterschichtgruppen der Struktur G₂ = H2NH, die auf einem Glasträger übereinander angeordnet sind, durch N-Schichten miteinander verbunden sind und durch ein aufgekittetes Deckglas geschützt sind. Symbolisch kann das Schichtsystem wie folgt gekennzeichnet werden:

GIaSZNG₂NG₂NG₂NG₂NG₂NG₂NG₂NZGIaS aufgekittet.

Dabei bedeuten N Einzelschichten bzw. Zwischenschichten aus Kryolith mit der Brechzahl n_N = 1,30 und H Einzelschichten aus Zinksulfid mit der Brechzahl n_H = 2,36. Die optische Schichtdicke der Einzelschichten H und N beträgt ¹A X₀, die der mittleren Einzelschichten 2N in den G₂-Gruppen 2 χ ¹AX₀, wobei X₀ die zentrale Wellenlänge im Filterdurchlaßbereich bedeutet, die je

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nach Anwendungserfordernissen beliebig festgelegt werden kann, z. B. X₀ = 550 nm. Die spektrale Transmission dieses bekannten Interferenzschichtsystems ist in Fig. 1 dargestellt und zeigt den Mangel einer Bandenstruktur im Durchlaßband, die bis unter T = 0,5 abfällt.

Diese bekannte Anordnung wird erfindungsgemäß dadurch verändert, daß die beiden äußeren Filterschichtgruppen G₂ des Schichtsystems jeweils durch die einfachste Schichtgruppe G-i = 2H, die eigentlich eine Einzelschicht mit der optischen Schichtdicke von V2 \_odarstellt, ersetzt werden, und somit relativ zu den 5 innern Filterschichtgruppen G₂ = H2NH, die eine optische Dicke von λ_ο besitzen und aus 3 Einzelschichten bestehen, eine um die zwei äußeren Einzelschichten (H) geringere Anzahl Einzelschichten besitzt. Das erfindungsgemäße Interferenzschichtsystem wird durch die symbolische Kennzeichnung GIaSZNG₁NG₂NG₂NG₂NG₂NG₂NG₁NZGIaS aufgekittet

charakterisiert. In Fig. 2 ist die spektrale Transmission dieses Interferenzschichtsystems dargestellt. Es ist ersichtlich, daß bei den erfindungsgemäßen Interferenzschichtsystem die störende Bandenstruktur weitestgehend beseitigt ist, während die andern Filtereigenschaften, wie Bandbreite, Sperrwirkung und dergleichen, erhalten geblieben sind.

Ausführungsbeispiel 2

Unter Zugrundelegung der eingangs in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen geht Ausführungsbeispiel 2 von dem bekannten, mit einer Bandenstruktur behafteten Interferenzschichtsystem mit der symbolischen Kennzeichnung

GIaSZNG₃NG₃NG₃NG₃NG₃NZGIaS aufgekittet aus, das aus 5 gleichen Filterschichtgruppen mit G₃ = HN2HNH besteht

Es wurden die gleichen Schichtmaterialien wie in Beispiel 1 verwendet.

Fig.3 zeigt hierzu die spektrale Transmission und die nachteilige Bandenstruktur im Filterdurchlaßbereich. Erfindungsgemäß werden in diesem Schichtsystem die beiden äußeren Gruppen G₃ jeweils durch die Gruppe G₂ = H2NH ersetzt, in der wiederum die Anzahl der Einzelschichten von 5 auf 3 Einzelschichten durch Wegfall der beiden äußeren Einzelschichten (H) gegenüber G₃ verringert ist

Das neue Interferenzschichtsystem kann symbolisch wie folgt gekennzeichnet werden GIaSZNG₂NG₃NG₃NG₃NG₂NZGIaS aufgekittet.

Aus der Darstellung der Filterkurve in Fig.4 ist ersichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Interferenzschichtsystem die nachteilige Bandenstruktur beseitigt wurde.

Ausführungsbeispiel 3

Analog zu den Beispielen 1 und 2 wird ein weiterer erfindungsgemäßer Interferenzfilter mit der symbolischen Kennzeichnung GlasZG₃NG₄NG₄G₃ZGIas aufgekittet

betrachtet, dessen Interferenzschichtsystem aus den zwei inneren Filterschichtgruppen G₄ = HN4HNH und den beiden äußeren Filterschichtgruppen G₃ = ΉΝ2ΗΝΗ und den jeweils dazwischen befindlichen Einzelschichten N mit den in Beispiel 1 genannten Schichtmaterialien besteht.

Hierin besitzen in den beiden äußeren Filterschichtgruppen G₃ erfindungsgemäß jeweils die mittlere Einzelschicht 2H eine um den Betrag V2 A₀ geringere optische Dicke als jeweils die mittlere Einzelschicht der zwei inneren Gruppen G₄. Die hierzu in Fig. 5 dargestellte Filterkurve weist im Filterdurchlaßbereich keine nachteilige Bandenstruktur auf.

Ausführungsbeispiel 4

Unter Verwendung der gleichen Schichtmaterialien wie in den vorliegenden Beispielen wird ein Interferenzfilter mit der symbolischen Kennzeichnung

GIaSZG₃NG₃NG₅NG₃NG₃ZGIaS aufgekittet angegeben.

Die vier äußeren Filterschichtgruppen G₃ mit G₃ = HN2HNH, sind jeweils aus 5 Einzelschichten zusammengesetzt, während die innere Schichtgruppe G₅ mit G₅ = HNH2NHNH aus 7 Einzelschichten besteht

Die in Fig. 6 dargestellte Filterkurve dieses Interferenzfilters zeigt im Filterdurchlaßbereich keine störende Bandenstruktur.

Claims

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Erfindungsansprüche:

1. Interferenzfilter mit einem Durchlaßband, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem, das auf einem lichtdurchlässigen Träger aufgebracht ist und durch ein aufgekittetes Deckglas abgeschlossen sein kann und sich aus mehreren übereinander angeordneten, symmetrisch aufgebauten Filterschichtgruppen, z. B. mit der Schichtstruktur g2H, Hg2NH, HNg2HNH oder HNHg2NHNH usw., zusammensetzt, die jeweils durch eine Zwischenschicht N miteinander verbunden sind, wobei die lichtdurchlässigen nichtmetallischen Einzelschichten H, N bzw. g2H, g2N der Filterschichtgruppen unterschiedliche Brechzahlen n_H und n_N und eine optische Schichtdicke von ¹A der zentralen Filterwellenlänge λ₀ bzw. ein ganzzahliges Vielfaches g mit g = {1,2,3} des 2fachen Wertes von ¹AA₀ besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oder mehreren äußeren Filterschichtgruppen des Interferenzschichtsystems die Anzahl der Einzelschichten gegenüber der Anzahl der Einzelschichten in einer bzw. mehreren inneren Filterschichtgruppen um die äußeren Einzelschichten H bzw. N reduziert ist und/oder in einer oder mehreren äußeren Filterschichtgruppen des Interferenzschichtsystems die optische Dicke der jeweils mittleren Einzelschicht g2H bzw. g2N geringer als die optische Dicke der der jeweils mittleren Einzelschicht in einer bzw. mehreren inneren Filterschichtgruppen ist.
2. Interferenzfilter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten N bzw. g2N gegenüber den Einzelschichten H bzw. g2H eine niedrigere Brechzahl besitzen.
3. Interferenzfilter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten N bzw. g2N gegenüber den Einzelschichten H bzw. g2H eine höhere Brechzahl besitzen.
4. Interferenzfilter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl n_N der Zwischenschicht N mit der Brechzahl n_T des Trägers und bei aufgekittetem Deckglas mit der Brechzahl n_K des Deckglaskittes übereinstimmt.
5. Interferenzfilter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unterschiedlicher Brechzahl der Zwischenschichten, des Trägers und des Deckglaskittes eine zusätzliche Zwischenschicht N zwischen dem Träger und dem Interferenzschichtsystem und/oder zwischen dem Interferenzschichtsystem und dem ggf. aufgekittetem Deckglas angeordnet ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen