DD233208A1

DD233208A1 - Ir-langpassfilter

Info

Publication number: DD233208A1
Application number: DD27180684A
Authority: DD
Inventors: Bernhard Anton; Peter Pfeifer
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen IR-Langpassfilter und kann in optischen Geraeten z. B. als Ordnungsfilter bei Verwendung von Echelett-Gittern angewandt werden. Die kurzwelligen Anteile einfallenden Lichtes werden bei Eintritt in das aus hochbrechendem Material bestehende Filter, das aus prismenfoermigen Koerpern zusammengesetzt ist und zwischen je zwei prismenfoermigen Koerpern ein niedrigbrechendes Medium aufweist, durch innere Totalreflexion ausgefiltert, waehrend die langwelligen Anteile das Filter passieren. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann als Filter, insbesondere Ordnungsfilter beim Arbeiten mit Echelett-Gittern in I.Ordnung und allgemein für Arbeiten mit Licht im Bereich 15-150μηη bei guter Blockung der störenden kurzwelligen Strahlung angewandt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Filter mit dem Prinzip der inneren Totalreflexion an der Grenzfläche einer relativ niedrigbrechenden dünnen Schicht zwischen zwei dazu hochbrechenden prismatischen Körper zur Sperrung werden z. B. in IT-PS 596484, in DAS 2640231, US-PS 2601806 und US-PS 3623797 beschrieben. Das die dünne Zwischenschicht bildende, niedrigbrechende Medium ist bei allen Quellen so gewählt und der Aufbau so gestaltet, daß entweder nur eine Filterwirkung in Trennung zwischen durchgelassenem Licht mit Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel derTotalreflexion und gesperrtem Licht mit Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion beabsichtigt ist oder daß auf Grund der Dispersion der Brechzahl oder durch Interferenzeffekte ein schmalbandiges Durchlaßband entsteht. Die am nächsten liegende US-PS 3623797 strebt nicht nur ein schmalbandiges Durchlaßband an, sondern verwendet als niedrigbrechende Zwischenschicht Gase und Flüssigkeiten. Filter in einem Durchlaßbereich von ca. 25μ,ητι stoßen als Interferenzschicht-Kantenfilter an die Grenzen ihrer technologischen Ausführbarkeit. Es ist eine Vielzahl von Schichten notwendig, wobei relativ große Schichtdicken für λ/4 und λ/8-Schichtdicken sowie die daraus resultierenden Haftfestigkeits- und Klimabeständigkeitsprobleme nachteilig sind.

Ab einem Wellenlängenbereich von ca. 40μηη besteht zudem ein Mangel an geeigneten hoch- und niedrigbrechenden Beschichtungsmaterialien.

Der Aufwand sowie die Problematik für Interferenzschichtfilter in diesem Bereich wird aus den von Seeley und Hunnemann in Infrared Physics, vol. 19,1979, S. 429 ff. beschriebenen Langpaßfiltern mit Übereinanderlagerung mehrerer interferenzoptischer Wechselschichtsysteme mit über 50 Schichten auf jeder der beiden Seiten eines Siliziumträgers mit Kantenlage bei 22^m und mit einem Arbeitsbereich bis knapp über 4Q^m deutlich. Auch von herkömmlichen IF-Filtern abgewandelte Lösungen, wie nach DD-WP 90876 zwischen oberflächen rauhen KRS-5-Trägern verpreßte Interferenzschichtsysteme, zeigen auf Grund der überlagerten Streuung ein unbefriedigendes Verhältnis zwischen gesperrtem und langwellig transmittiertem Licht und sind nur bis 45μΓη einsetzbar.

Langpaßfilter nach anderen technischen Lösungen zeigen meist keine ausreichende oder lückenlos gute Blockung, um sie ohne mehrfaches Hintereinandersetzen oder zusätzliche Bauteile als Ordnungsfilter in Verbindung mit geblazten Gittern einzusetzen. Hierzu zählen die mesh-interference-filters nach Holah und Smith, Journ. Phys. D: Appl. Phys., vol. 5,1972, S.496 ff. und die IR-Filter auf Basis der Einbettung streuender und absorbierender Partikel in eine im gewünschten Spektralbereich transparente Matrix, wie in CH-PS 479079 beschrieben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein IR-Langpaßfilter einfachen Aufbaus, der mit nur einer Schicht das gewünschte langwellige Licht ausfiltert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein IR-Langpaßfilter zu schaffen, der eine breitbandige Blockung der unerwünschten kurzwelligen Strahlung einer Lichtquelle auf beliebig kleine Werte gestattet und besonders im langwelligen IR-Bereich oberhalb 15μΓη geeignet ist. Auf Grund der ungünstigen Strahlung.^charakteristik der üblich verwendeten Strahlungscuellen ist bei Arbeiten ab dieser Wellenlänge teilweise Sperrung auf Transmissionsgrade τ < 10~⁷ erwünscht.

Diese Aufgabe löst ein IR-Langpaßfilter erfindungsgemäß dadurch, daß das Filter aus zwei prismatischen Körpern eines Mediums 1 besteht, die so aneinandergesetzt werden, daß zwischen ihren Hypothenusenflächen eine dünne Schicht des Mediums 2 eingeschlossen wird.

Auf die Flächen, die dem Prismenwinkel α gegenüberliegen, sind Absorptionsschichten aufgebracht und auf den Flächen des Lichteintritts bzw. -austritts sind gegebenenfalls Entspiegeiungsschichten aufgebracht.

Senkrecht auf das Filter einfallendes Licht trifft unter einem Winkel α auf die an den Hypothenusen der Prismen gebildete Grenzfläche zwischen beiden Medien.

Die unterschiedlichen Brechzahlverhältnisse

ⁿ1

kurzwellig und langwellig der Reststrahlenband-Reflexion des Mediums 2 führen zur kurzwelligen^perrung durch innere Totalreflexion bei guteriangwelligerTransmission. Das total reflektierte Licht wird in der Absorptionsschicht absorbiert. Dadurch wird verhindert, daß durch die brechzahlbedingte Grenzflächenreflexion ein entsprechender Anteil unter einem Winkel auf die Hypothenusenfläche zurückgeworfen wird unter dem er das Medium 2 passieren würde.

Die Medien und deren Anordnung müssen folgenden Anforderungen genügen: Medium 2 zeigt im betrachteten Spektralbereich eine Stelle anomaler Dispersion. Es handelt sich dabei um die Reststrahlenbandreflexion anorganischer Verbindungen, deren optische Konstanten z. B. in der Zeichnung in Fig. 4 an ZnO dargestellt sind. Die Auswahl der beiden Medien hat so zu erfolgen, daß kurzweilig der Reststrahlenbande für AA₁ die Brechzahl η₂Δλ_Ί kleiner als die Brechzahl η₁Δλ₁ des Mediums 1 ist. Diese Brechzahlbedingung ist kurzwellig bis zu einer breitbandigen Absorption — in der Regel die Eigenabsorptionskante der Elektronenabsorption des Mediums 1 —enthalten. Langwellig der Reststrahlenband-Reflexion AA₄ muß die Brechzahl n₂AA₄des Mediums 2 möglichst dicht an die des Mediums 1 heranreichen. Günstig sind die Verhältnisse zwischen

Unter diesen Bedingungen zeigt die in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellte Anordnung im Wellenlängenbereich Δλι Sperrung des einfallenden Lichtes durch innere Totalreflexion, wenn der Einfallswinkel α größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion a_G ist:

Die erforderliche Schichtdicke d₂ des Mediums 2, um eine gewünschte Sperrung des einfallenden Lichtes zu gewährleisten, kann bei gegebenen Werten für α und a_G für die maßgebenden Frequenzen berechnet werden:

4TUd

^{exp (}- >ⁱⁿ * - ^sin

Im unmittelbaren Bereich der Reststrahlenband-Reflexion tritt Sperrung durch Reflexion und Absorption ein. (Wellenlängenbereich Δλ₂ Fig.3.4)

Ab maximaler Blockung beim höchsten k-Wert steigt die Transmission zu längeren Wellenlängen hin steil an (Δλ₃ in Fig.3,4). Dort liegt die Kante des Filters. Zur Dickenreduzierung der Filter bei gleichem wirksamen Querschnitt bzw. zur beliebigen Erweiterung des vom Lichtbündel durchsetzten Querschnittes können die beiden Prismen des Mediums 1 in viele, einander gegenüberliegende, kleine Prismen aufgespalten werden (Fig.2). Erst dadurch wird es möglich, die Filterdicke im Bereich einiger Millimeter zu halten und hochbrechendes Material als Medium 1 einzusetzen, auch wenn diese nur bis zu wenigen mm Dicke ausreichende IR-Transparenz besitzen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters Fig.2 eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Filters in Linearanordnung Fig. 3 die Darstellung der Transmission und Brechzahl von Silizium der Dicke 2 mm als Beispiel für Medium 1 Fig.4 die Darstellung der optischen Konstanten η und k von ZnO als Beispiel für Medium 2.

Einfallendes Licht 3 tritt durch die Entspiegelungsschicht 2 in das Medium 1 5 ein und wird unter dem Einfallswinkel α an der Grenzschicht zum Medium 2 6 in seinem kurzwelligen Anteil reflektiert und in der Absorptionsschicht 1 aufgenommen, während der langwellige Anteil als gefiltertes Licht 7 das Filter verläßt.

Für Brechzahlverhältnisse von η-ιΔλι = 3,42, ΠιΔλ4 = 3,41 und η₂Δλ-ι = 1,85 und 3,8 a η₂Δλ4 > 2,9 wie sie zum Beispiel von Silizium (Si) als Medium 1 und Zinkoxid (ZnO) als Medium 2 für die Wellenlängenbereiche 4μτη< Δ λτ< μΓπ und 30μΐη < A₄X 50/am realisiert werden, ergibt die Berechnung des Lichtdurchganges durch das Medium 2 in Form einer9^m dicken ZnO-Schicht bei einem Einfallswinkel von 38,0° die folgenden Ergebnisse: Bei Wellenlängen von λ < 7/um besteht eine Sperrung auf Resttransmissionen von τ < 8,8 10~⁸.

Dieser Wert fällt nach leichten wellenlängenbedingtem Anstieg dann durch stark absinkende Brechzahl des Mediums 2 und im Bereich der Reststrahlenbande durch ansteigendes k₂ auf τ < 1(Γ²⁰ am maximalen k-Wert bei 23,5^m. Ab diesem minimalen Transmissionswert beginnt der steile Anstieg der Filterkante auf τ > 0,58 bei 30 μηη bei einem Absorptionskoeffizienten von ZnO von k = 0,1. In dem ab hier beginnenden Durchlaßbereich des Filters steigt die Transmission nu^noch langsam auf τ > 0,75 bei 50/zm bei gleichem k-Wert von ZnO an. In der Berechnung sind die Grenzflächenverluste an den Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen der Si-Prismen und eventuelle Absorption im Si unberücksichtigt geblieben. Ähnliche Verhältnisse ergeben sich für viele Materialien als Medium 2 mit Reststrahlen-Reflexionen im mittleren und langwelligen IR-Bereich wiez. B. den Oxiden BeO, MgO, CeO₂ oder die Halogenide LiF, NaF, CaF₂, SrF₂, BaF₂ oder die Carbide wie SiC, die eine Vielzahl von Kantenlagen ermöglicht. Da die Brechzahlen ^AA₄ der angeführten als Medium 2 geeigneten Materialien zwischen 2,3 und 4,0 liegen, sind als Medium 1 solche Materialien wie KRS-S, CdTe, ZnSe, Ge usw. geeignet.

In der praktischen Realisierung ist es ohne weiteres möglich die Schicht de? Mediums 2 in Form je einer Hälfte der errechneten Schichtdicke auf die Hypothenusenfläche zweier nach Fig.2 zueinander passender Körper des Mediums 1 durch Hochvakuum-Beschichtung aufzubringen. Beim Aneinanderpassen der beiden beschichteten Teile des Mediums 1 nach Fig.2 führt sowohl eine dünne Luftschicht als auch eine im gewünschten Bereich transparente und im Sperrbereich niedrigbrechende Kittschicht (z.B. reine Kohlenwasserstoffe bzw. entsprechende Polymere aus reinen Konlenwasserstoffen)zu nur geringfügigen Abweichungen von den berechneten Ergebnissen, wenn deren Dicke kleiner als V30 der der kurzwelligen Kante des Durchlaßbereiches der Filter ist.

Als Absorptionsschicht können eine Vielzahl der im nahen und mittleren IR gut absorbierenden Schwarzlacke verwendet werden.

—a— / ι ο uu

Als Entspiegelungsschicht der Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen bringen bereits Einfachschichtentspiegelungen mit Polymeren mit Brechzahlen von ca. 1,4-1,5 wie z. B. Polyäthylen, Polystyrol, Polypropylen, Polybutadien PTFE usw. im Bereich ihrer optischen \/4Schichtdicken eine beträchtliche Verringerung der brechzahlbedingten Reflexionsverluste an diesen Flächen der als Medium 1 in Frage kommenden Materialien. Insgesamt soll der Filteraufbau nach Fig.2 eine Dicke von 3-4mm nicht überschreiten, um die Absorptionsverluste z. B. in Silizium nicht zu groß werden zu lassen.

Claims

-1- 718 06

Patentansprüche:

1. IR-Langpaßfilter, bei dem zwischen den Hypothenusenflächen zweier gleicher, rechtwinkliger, hochbrechender Prismen eine niedrigbrechende Zwischenschicht und an den Prismenwinkel α gegenüberliegenden Flächen absorbierende Schichten vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Zwischenschicht durch einen anorganischen Feststoff mit einer Stelle anomaler Dispersion gebildet wird, derart, daß kurzwellig dieser Anomalie Brechzahlverhältnisse für innere Totalreflexion vorhanden sind, daß senkrecht durch eine Lichteintrittsfläche eines der Prismen eintretendes Licht unter einem Winkel a größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Zwischenschicht fällt, daß das Material der Zwischenschicht langwellig der anomalen Dispersion eine Brechzahl und Absorptionskonstante aufweisen, die bei gleichem Einfallswinkel α eine breitbandige Transmission des Lichtes ermöglichen.
2. IR-Langpaßfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zwei Prismen in mehrere, einander gegenüberliegende Prismen aufgespalten sind.
3. IR-Langpaßfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Transmission des Filters durch Belegen der Lichteintrittsund Lichtaustrittsfläche mit einer Entspiegelungsschicht erhöht wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen