DD263836A1

DD263836A1 - Mehrlinien - schmalbandpassfilter

Info

Publication number: DD263836A1
Application number: DD30468487A
Authority: DD
Inventors: Erich Hacker; Andreas Jaeger
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1989-01-11

Abstract

Das Mehrlinien-Schmalbandpassfilter dient hauptsaechlich der Selektierung mehrerer begrenzter Wellenlaengenbereiche. Es weist mehrere, symmetrisch um die Filterschwerpunktwellenlaenge l0 gelegene Passbaender auf, die eine vorgegebene Transmission besitzen. Das erfindungsgemaesse Filter besteht aus einem symmetrischen Interferenzschichtsystem, dass aus mehreren asymmetrischen Cavity-Filterschichtgruppen aufgebaut ist. Dabei sind im gleichen Abstand zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems Profilschichten vorhanden, die unterschiedlich monotone mathematische Funktionen approximieren, die bzgl. der geometrischen Mitte entweder beide ansteigen oder abfallen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter ist in optischen Anordnungen und Geräten anwendbar, in denen im ultravioletten, visuellen oder infraroten Spektralbereich eine Selektierung begrenzter Wellenlängetibereiche bzw. monochromatisierende Elemente erforderlich sind. Mehrlinienfilter sind insbesondere für die gleichzeitige Erfassung mehrerer Spektralintervalle von Interesse und finden beispielsweise in der Phctometrie, der Plasmadiagnostik, der Astrophysik sowie in der Signal- und Bildverarbeitung Anwendung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Interferenzschichtfilter haben eine herausragende Bedeutung bei der Spektralselektion von Licht erlangt, da sie eine hohe Flexibilität und Qualität bei der Erzeugung gewünschter optischer Eigenschaften gestatten und eine hohe Resistenz gegenüber äußeren Einflüssen besitzen.

Die einfachsten Filter dieser Gruppen sind Metallinterferenzfilter, die auf dem Prinzip des FABRY-PEROT-Interferometers beruhen.

Ein Hauptmangel dieser Filter besteht in der Anwendung von Metallschichten, die die Transmission stark herabsetzen. Diese Nachteile vermeiden Cavity-Filter, bei denen eine dielektrische λ/2-Abstandsschicht (Cavity) mit einer optischen Schichtdicke, die ein ganzzahiiges Vielfaches der halben Filterschwerpunktwellenlänge A₀ beträgt, von Reflektoren aus dielektrischen Wechselschichtsyotemen symmetrisch eingeschlossen wird. Zur Gestaltung bestimmter Filterdesigns wurden mehrere symmetrische Cavity-Filterschichtgruppen unter Vermittlung von Zwischenschichten gekoppelt (z.B. in „Optics of Thin Films" von Z. Knittl, John Wiley and Sons, London-New York, 1976). Die Verwendung verschiedener Filtergruppendesigns sowie Arten und Breiten der Cavities wurden in der DE-OS 3401014 zur Verbesserung von Filtereigenschaften ν orgeschlagen. Nichtsymmetrische Systeme dieser Art sind in der Beschreibung der Patentschrift GB 1270042 aufgeführt. Zur Steigerung der Transmission der Paßbandbereiche wird im WP G 02 B/302 2281 vorgeschlagen, innerhalb der Cavity-Filterschichtgruppen, vorzugsweise anstelle einer Cavity-Schicht, eine brechzahlinhomogene Schicht einzusetzen.

Die oben angeführten Lösungen zeigen jedoch lediglich die Möglichkeit, die Transmission von Bandpaßfiltern zu verbessern und störende Bandenstrukturen zu beseitigen. Sie sind für Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter aber nicht ausreichend, da unterschiedlichste spektrale Lagen und Transmissionsgrade von Paßbändern gefordert sind. Eine weitere Grenze haben die oben genannten Lösungen durch die Transmissionsbedingung der FABRY-PEROT-Filter, die ebenso auf die Cavity-Filter anwendbar ist.:

2n-n-dcos9 0, + 0_b

mn —

λ 2

mit dem Einfallswinkel Θ, der Lichtwellenlänge λ, den Phasenänderungen an den beiden Grenzflächen der Abstandsschicht (bzw. Cavity) 0_a und 0_b der Ordnungszahl m = 0, ±1, ±2, ±3,... sowie der Dicke d und der Brechzahl η der Abstandsschicht.

Auf Grund dieser Bedingung besitzen die Filter außer bei der Filterschwerpunktwellenlänge A₀ noch weitere fjurchlässigkeitsmaxima, die in ihrer spektralen Lage an gonzzahlige Teile von A₀ gebunden sind.

Die Realisierung von eng benachbarten Transmissionsbanden ist aufgrund der hohen Sperrung in den Seitenbereichen nicht möglich.

Zur Erzeugung von Zweilinienfiltern geben I.F.Hodgkinson, F.Hovowitz, H.A. Macleod, M.Sikkensund J.J.Whartonin „Birefringence in optical coatings" J.Opt.Soc.Am. Vol.73 No. 12 (1983) 1871 an, daß in einem üirkondioxid und Siliziumdioxid für X₀ = 627,8nm aufgebauten Cavity-Filter mit der Struktur:

Substrat-fHL^HHHfLH)³-^

(wobei H eine hochbrechende, L eine niedrig brechende Schicht mit einer optischen Schichtdicke von A₀M ist) nach einem speziellen Verfahren erzeugtes doppelbrechendes Zirkondioxid als Cavity-Material verwendet wird.

Der dadurch entstehende Doppelpeak zeigt jedoch nur eine geringe Sperrung zwischen den benachbarten Transmissionsmaxima. Diese Methode gestattet prinzipiell nur die Erzeugung von Zweil. lienfiltern mit geringen Möglichkeiten zur Veränderung der Paßbänder sowie daran Transmission. Sie sind außerdem technologisch aufwendig und nicht für beliebige Materialiet geeingnet.

In einer weiteren Lösung werden unmittelbar benachbarte Paßbänder im fernen infraroten Spektralbereich durch fotolithografisch hergestellte Metallmaschenstrukturen beiderseits der Abstandsschicht eines FABRY-PEROT-Filters erzeugt. Die optischen Eigenschaften sind durch die Metallstruktur einstellbar (D. D. Nolte, A. E. Lange, P. L. Richards in „For infrared dichroic bandpassfilters" Appl. Opt. Vol. 24 No. 10 (1985) 1541). Derartige Filter sind jedoh auf Anwendungen im fernen Infrarotspektralbereich beschränkt.

Ziel der Erfindung

Ziei der Erfindung sind auf einfache Weise, vorzugsweise mittels bekannter Beschichtungsverfahren herstellbare Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter mit verbesserten optischen Eigenschaften.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist ein Mehrlinienschmalbandpaßfilter, dessen bzgl. der Schwerpunktwellenlänge A₀ symmetrisch angeordneten Paßbänder eine vorgegebene Transmission aufweisen.

Dio Aufgabe wird mit einem Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem, das aus mittels Zwischenschichten gekoppelten Cavity-Filterschichtgruppen aufgebaut ist, wobei mindestens eine Schicht der Filterschichtgruppen als Profilschicht mit einem variablen Brechzahlverlauf senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet ist, dadurch gelöst, daß das Interferenzschichtsystem symmetrisch aus asymmetrischen Cavity-Filterschichtgruppen aufgebaut ist und mindestens ein Paar Profilschichten enthält, wobei die Schichten eines Paares den gleichen Abstand zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems aufweisen und deren Brachzahlverläufe entweder voneinander verschiedene stetige monoton steigende oder voneinander verschiedene stetige monoton fallende mathematische Funktionen bzgl. der geometrischen Mitte approximieren.

Durch die Anzahl der Cavity-Filterschichtgruppen wird die Anzahl der Paßbänder eines Filters bestimmt. Dabei hat eine Cavity-Filterschichtgruppe folgenden allgemeinen Aufbau:

H (LH)^k 2 mL (HL)¹ H bzw. (HL)^k 2 mH (LH)¹

mit frei wählbaren k, I = 0,1,2,...undm = 1,2,3,. ..,wobei H eine hochbrechende und L eine niedrigbrechende Schicht mit der optischen Schichtdicke von ¹A der Filterschwerpunktwellenlänge A₀ ist. Durch die Wahl von k, I und m ist die spektrale Lage der Paßbänder bestimmt. Die Transmission der einzelnen Paßbänder ist durch die mathematische Funktion des Brechzahlverlaufes und die Lage der Profilschichten im Schichtsystem bestimmt. Unter Zuhilfenahme rechentechnischer Mittel ist dabei auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Lösung eine Schichtsystemmodellierung zur Anpassung an konkrete Zielstellungen leicht möglich.

Flexible Möglichkeiten bietet dabei die Anwendung von hyperbolischen, exponentiell, linearen, quintischen, sinusoidalen und Wurzelfunktionen. Die technische Realisierung der Profilschichten kann dabei durch gesteuerte Simultan- oder Quasisimultanaufdampfbeschichtungsprozesse oder durch Approximation mittels brechzahlhomogener Einfachschichten, beispielsweise auf der Grundlage gestaffelter Brechzahlen oder Äquivalentschichten erfolgen.

Die auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Lösung realisierbaren Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter erlauben eng nebeneinanderlegende Paßbänder mit einer guten Sperrung zwischen den Bändern. Die Paßbänder sind symmetrisch um die Filterschwerpunktwellenlänge Ao gruppiert und bzgl. der Transmission über weite Bereiche mit oinem breiten Spektrum von Relationen zueinander gestaltbar. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anpassung des Designs an konkrete Aufgabenstellungen.

Das erfindungsgemäße Interferenzschichtsystem ist wenig empfindlich gegenüber fertigungstechnisch bedingter Toleranzen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungjbeispieles für ein Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter mit drei symmetrisch bzgl. einer Filterschwerpunktwellenlänge λ« angeordneten Paßbändern mit vorgebbarem Transmissionsgrad näher erläutert werden. Es zeigen dazu Fig. 1 und Fig. 2:

Die Transmission eines erfindungsgemäßen Mehrlinien-Schmalbandpaßfilters.

In einem speziellen Anwendungsfall sollen die drei Paßbänder mit steigender Lichtwellenlänge abgestufte Transmissionsgrede von ~ 20%, ~ 60% und ~ 90% besitzen, wobei sich die beide.i Seitenbänder im gleichen Abstand von der Filterschwerpunktwellenlänge λο befinden sollen und die Sperrung zwischen den Bändern < 1CT³ betragen sollen. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Filters wird ausgehend von einer asymmetrischen Cavity-Filterschichtgi uppe c'es Typs H (LH)" 2 ml (HL)¹H mit frei wählbaren k, I = 0,1,2,... und m = 1,2,3,... aus drei Filterschichtgruppen H (LH)² LL (HL)⁰H, H (LH)¹LL (HL)¹H, H (LH)⁰LL (HL)²H aufgebaut, die mittels einer Schicht L gekoppelt sind. L und H sind dabei Einfachschichten mit einer optischen Schichtdicke von ¹A der Filterschwerpunktwellenlänge A₀ und den Brechzahlen n, = 1,35 (Thoriumf luorid) und n_H = 4,2 (Germanium). Dieses Schichtsy3tem i..t auf einem Substrat S (Germanium) angeordnet und grenzt an das Außenmedium Luft.

Symbolisch kann dieses Schichtsystem folgendermaßen dargestellt werden: S - HLHLHL L HLHLHL L HLHLHL L HLHLH -1

Die Transmission dieser Schichtanordnung ist in Fig. 1 mit Kvt ve A dargestellt und beträgt ohne Berücksichtigung der Substr&trückfläche für alle drei Bänder 0,64 bei einer Inzidenz von 1.

Zur Beeinflussung der Transmission der einzelnen Paßbänder bei Wahrung der symmetrischen Lage der Seitenbänder werden erfindungsgemäß mindestens zwei, in gleichem Abstand von der geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems befindliche Schichten, die voizugsweise Cavities sind, durch Profilschichten ersetzt, die einen Brechzahlverlauf n(z) zwischen n_L und n_H aufweisen und beliebige stetige und monotone mathematische Funktionen approximieren. Diese brechzahlinhomogenen Profilschichten müssen zur Gewährleistung der symmetrischen Lage der Seitenbänder und Beeinflußbarkeit der Transmission der einzelnen Paßbänder notwendigerweise unterschiedliche Blechzahlverläufe n(z) aufweisen und so angeordnet sein, daß die Brechzahlverläufe n(z) zur geometrischen Mitte des interferenzschichtsystems entweder ansteigen oder abfallen. Im gegebenen Falle wird die substratseitige LL-Abstandsschicht (Cavity-Schlcht) durch eine Profilschicht mit einem hyperbolischen Brechzahlverlauf n(z) über die Dicke der LL-Abstandsschlcht gemäß:

n(z) = π^η/Ιπη + In₁ - n_H) z/d)

so ersetzt, daß n(z) zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems hin ansteigt.

Die luftseitige LL-Abstandsschicht wird durch eine Profilschicht mit einem Brechzahlverlauf n(z), der einen exponentiellen Anstieg gemäß:

n(z) = n_L.(n„/n_L)^I/d

zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems aufweist, ersetzt.

Die Dicke der Profilschichten, die im allgemeinen ein Optimierungsparameter zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Paßbänder ist, wurde im Ausführungsbeispiel so gewählt, daß sich für beide Profilschichten eine mittlere optische Schichtdicke

d von λο/2 ergibt.

Mit der Einführung der oben beschriebenen Profilschichten ergibt sich folgendes symbolisches Filter-Design: S - HLHLH hyp HLHLHL L HLHLH exp HLHLH -1

mit einem Anstieg beider Brechzahlverläufe n(z) zur mittleren LL-Abstandsschicht hin. Wie aus der in Fig. 1 mit Kurve Bdargestellten Transmission dieses Schichtsystems in das Substrat hinein ersichtlich ist, erfüllt dieses Schientdesign die in derspeziellen Ausfuhrungsform geforderten optischen Eigenschaften.

Änderungen der Spoktralabhängigkeit der Transmissionsgrade, beispielsweise ein Abfall mit steigender Wellenlänge bei

weitgehender Wahrung der geforderten optischen Eigenschaften lassen sich durch einfachen Platztausch der Profilschichtpngemäß:

S-HLHLH exp HLHLHL L HLHLH hyp HLHLH -1

erreichen, wobei beide Brechzahlverläufe n(z) wiederum zur LL-Schicht hin ansteigen. Fig. 2 zeigt die Transmission einesderartigen Filterdesigns ohne Berücksichtigung des Substratrückflächenreflexes.

Durch die Wahl von k = 1,1 = Oundm = 1 der Ausgangs-Cavity-Filterschichtgruppen wurde die spektrale Lage der Paßbänder

bestimmt. Die Zahl der Paßbünder wurde dabei durch die Anzahl der gekoppelten Filterschichtgruppen festgelegt. Die

Transmission der einzelnen Paßbänder kann über weite Grenzen durch die Art und Eigenschaften der Brechzahlverläufe sowie

ihren prinzipiellen Verlauf zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems (Anstieg oder Abfall) variabel gestaltetwerden.

Claims

1. Mehrlinien-Schmalbandpaßfilter, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem, das aus mittels Zwischenschichten gekoppelten Cavity-Filterschichtgruppen aufgebaut ist, wobei mindestens eine Schicht der Filterschichtgruppen als Profilschicht mit einem variablen Brechzahlverlauf senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet ist, gekennzeichnet dadurch, daß das Interferenzschichtsystem symmetrisch aus asymmetrischen Cavity-Filterschichtgmppen, aufgebaut ist und mindestens ein paar Profilschichten enthält, wobei die Schichten eines Paares den gleichen Abstand zur geometrischen Mitte des Interferenzschichtsystems aufweisen und deren Brechzahlverläufe entweder voneinander verschiedene stetige monoton steigende oder voneinander verschiedene stetige monoton fallende mathematische Funktionen bzgl. der geometrischen Mitte approximieren.

Hierzu

2 Seiten Zeichnungen