DD286434A5 - Reflexmindernde schicht mit geringer phasenverschiebung in transmission - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine reflexmindernde Schicht mit geringer Phasenverschiebung in Transmission, die insbesondere auf optisch wirksamen Flaechen von Polarisationsobjektiven und Kondensoren fuer den sichtbaren Spektralbereich Anwendung findet. Die erfindungsgemaesze reflexmindernde Schicht besteht aus fuenf Teilschichten, die folgenden Bedingungen genuegen: S/n1d1lo/4, n2d20,64 tlo/4, n3d30,25 lo/4, n2d40,7 lo/4, * wobei n11,64, n22,05 und n31,38 ist und t zur Variation der optischen Dicke der zweiten Teilschicht n2d2 einen Wert im Bereich von 0,75t1,2 einnimmt und w1 ist oder vorteilhaft w4t zur Variation der optischen Dicke der letzten Teilschicht betraegt. Der erfindungsgemaesze Belag zeichnet sich neben einer geringen Restreflexion R * und geringer Phasenverschiebung von Df(l)1 vor allem dadurch aus, dasz er durch die Moeglichkeit der Variation insbesondere der optischen Dicke der zweiten Teilschicht hinsichtlich dieser Parameter fuer verschiedene Anwendungsfaelle optimierbar ist.{Entspiegelungsschicht; Phasenverschiebung; Restreflexion; Farbort; Polarisationsmikroskop}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann vor allem dort angewandt warden, wo es auf eine reflexmindernde Wirkung von optischen Flächen ankommt und wo gleichzeitig eine geringe und dabei variable Phasenverschiebung Δφ zwischen parallel und senkrecht polarisierten Wellen beim Durchgang durch die optischen Flächen verlangt wird. Die Erfindung findet deshalb besonders Anwendung bei der Entspiegelung von optischen Flächen in Polobjektiven, Kondensoren und anderen optischen Systemen, in denen eine bestimmte Polarisationsrichtung und eine bestimmte Phasenverschiebung beibehalten odergezielt verändert werdensollen. Eine Nutzung als Antireflexschicht mit variablem Verlauf der Reflexion R (λ) zum Optimieren der Antireflexwirkung in optischen Geräten ist ebenfalls möglich.

Charakteristik des bekannten Standes dar Technik

In einem optischen System befinden sich eine oder mehrere optische Flächen im optischen Strahlengang. An allen optischen Grenzflächen (Übergang Luft-Substrat und umgekehrt) wird ein Teil R des einfallenden Lichtes I₀ reflektiert. Die Reflexion ist im allgemeinen bei nichtentspiegelten optischen Flächen unvertretbar groß (z.B. bei optischem Glas vom Typ BK7R = 0,042I₀). Dabei wirken sich sowohl die Reflexe als auch die Verringerung des durchgehenden Lichtes I negativ aus, vor allem, wenn mehrere optische Flächen k vorhanden sind:

I = I₀(I-R)^k

Deshalb sind in den meisten optischen Geräten die optischen Flächen mit Entspiegelungsschichten versehen. Diese Antireflexbeläge, die aus einer oder mehreren Einzelschichten bestehen, führen zu einer Verringerung, aber auch spektralen Abhängigkeit des reflektierten Lichtes R (λ). Verwendet werden niedrigbrechende λ/4-Einzslschichten mit R s 1,5% für den Spektralbereich von 400 bis 700 nm, 4-Schichten- Entspiegelungsbela'ge mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten H und L gemäß der Schreibweise S/HLHL/A,

wobei S das Substrat und Adas Außenmedium (im allg. Luft) bedeuten und die Reflexion R £ 0,75% für den Spektralbereich von 450 bis 660nm beträgt sowie e-Schichten-Entspiegelungsbelage S/HLHLHLHL/A mit R S 0,75% für 430 bis 700nm, worin keine der hoch- und niedrigbrechenden Schichten eine optische Dicke von λο/4 oder einem Vielfachen von λο/4 der

Schwerpunktwellenlänge A₀ des Anwendungsbereiches aufweist. Durch das Aufbringen solcher Antireflexbeläge auf optische Substrate wird aber auch der Polarisationszustand des

durchgehenden Lichtes verändert. Dieser Effekt ist besonders störend, wenn in dem optischen System mit polarisiertem Licht gearbeitet wird, wie z. B. bei Polobjektiven.

Die Phasenverschiebung Δφ, die an beschichteten optischen Flächen unter einem Lichteinfallswinkel U₀ zwischen senkrechter

und paralleler Komponente der Polarisation des durchgehenden Lichtes auftritt, führt zu einer Erhöhung des

Auslöschungskoeffizienten E, der das Verhältnis der Lichtintensitäten bei gekreuzten und parallelen Polarisatoren beschreibt. E (A, ß) = a² (A, β) + [Δφ (A, ß)/2]'₍wenn α, Δφ <« 1 Dabei beschreibt α die Drehung der Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Azimutwinkel β und der Apertur A. Bei Entspiegelungsbelägen mit guter Antireflexwirkung (R (λ) < 0,5%, 43Giim < λ < 700nm) überwiegt der Einfluß der Phasenverschiebung Δφ in der obigen Gleichung auf den Auslöschungskoeffizienten E. Deshalb werden bei optischen Systemen, in denen mit polarisiertem Licht gearbeitet wird, neben der Antireflexwirkung des Entspiegelungsbelages auch noch die Phasenverschiebung zur Charakterisierung eines Entspiegelungsbelages herangezogen.

Besonders gut geeignet ist ein λ/4 - λ/2 - λ/4-Wechselschichtbelag gemäß DD-WP 223540, dessen λ/2-Schicht aus ZRO₂ mit η = 2,05 gebildet wird. Problematisch hierbei ist allerdings die in der λ/2-ZrOrSchicht bei η · d « λ«/4 auftretende Brechzahlinhomogenität, die zwischen η (nd < A₀Al) « 2,05 und η (nd > A₀AJ) « 1,95 einen stetigen Übergang aufweist und die Antireflexwirkung mindert. Möglichkeiten zur Unterdrückung dieser Inhomogenität bieten eingelagerte Zwischenschichten im Abstand von nd - V8 mit einer optischen Dicke von nd = 1...6nm (GB-PS 1497636), Mischschichten aus ZrO₂ und ZrTiO₄ (Steuer, Esselborn: New materials for optical thin films, Appl. Opt, vol.15 [10] 1976, S.2315ff.),eine reaktive Bedampfungsatmosphäre (GB-PS 1466640) oder das Aktivieren dar Substratoberfläche durch lonenbeschuß (Martin, McLeod: lon-beam-assisted deposition of thin films, Appl. Opt., vol. 22 [1 ] 1983, S. 178 ff.).

Alle diese Lösungen haben entweder den Nachteil eines sehr hohen apparativen Aufwandes bei der Herstellung (Ionenquelle) oder einer starken Streuung und Absorption des entsprechend modifizierten Belages aufgrund des unregelmäßigen Aufwachsens der Schicht infolge der Beimengungen zum ZrO₂. Darüber hinaus ist bei diesen Lösungen der Verlauf der Restreflexion R (λ) und der Phasenverschiebung Δφ (λ) der hergestellten Entspiegelungsschicht eindeutig festgelegt und kann zu Optimierungszwecken nicht variiert werdon.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein reflexmindernder Belag für optisch wirksame Flächen, insbesondere von Pol-Objektiven und Kondensoren, mit einer Phasenverschiebung von Δφ (λ) s 1° bei einem Einfallswinkel von U₀ = 40" und einer Restreflexion von R (λ) :s 0,5% im sichtbaren Spektralbereich von 450 nm bis 700 nm, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, insbesondere ohne zusätzlicher apparativen Aufwand herstellbar und für verschiedene Anwendungsfälle optimierbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Autgabe zugrunde, eine reflexmindernde Schicht für optisch wirksame Flächen zu schaffen, bei der die geringe Restreflexion R (λ) im sichtbaren Spektralbereich und die minimale Phasenverschiebung Δφ (λ) zwischen der parallelen und der senkrechten Komponente des durchgehenden Lichtes spektral verschiebbar sind, um einen minimalen Auslöschungskoeffizienten E, einen günstigen Farbort und eine hohe Antireflexwirkung für ein optisches System zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine reflexmindernde Schicht mit geringer Phasenverschiebung in Transmission zwischen den parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Lichtwellen, die auf der optisch wirksamen Fläche eines optischen Bauelementes aufgebracht ist und sich aus Teilschichten verschiedener optischer Dicke η · d als Produkt aus Brechungsindex η und geometrischer Schichtdicke d, ausgedrückt in Werten von λ_ο/4 einer Schwerpun!>1wellenlänge A₀, zusammensetzt, dadurch gelöst, daß sie aus fünf Teilschichten besteht, die folgenden Bedingungen genügen:

S/n,d, = V4, n₂dj = 0,64t · A₀M, n₃dj = 0,25 W4, n₂d₄ = 0,7 λο/4, n₃d₆ = 1,07 V4/L, wobei n, = 1,64, n₂ = 2,05 und n₃ = 1,38 sind und t zur

Variation der optischen Dicke der zweiten Teilschicht n₂d₂ einen Wert im Bereich von 0,75 < t< 1,2 einnimmt und S für Substrat

und I für Luft stehen.

Mit Hilfe einer großen Versuchsreihe zur erfindungsgemäßen, aus fünf Teilschichten bestehenden reflexmindernden S rhicht,

wurde gefunden, daß bei Variation der optischen Dicke der zweiten Teilschicht durch Veränderung des Parameters t sich die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung Δφ (λ) des durchgehenden Lichtes unter einem Einfallswinkel von U₀ = 40° bei

Beibehaltung der guten Antireflexeigenschaften kontinuierlich verändern läßt. Durch eine theoretische Auswertung der

erfindungsgemäßen Antireflexschicht mit dem Rechner konnten weder der Reflexionsverlauf R (λ) noch die Phasenverschiebung Δρ (λ) nachempfunden werden.

Vermutlich sind die Brechzahlverhältnisse bei den Materialübergängen der drei mittleren Teilschichten nicht mehr mit dem

einfachen Stufenmodell zu beschreiben.

Mit de' variierbaren optischen Dicke der zweiten Teilschicht in den genannten Grenzen gestattet die erfindungsgemäße

reflexmindernde Schicht einerseits bei Anwendung in Transmission durch optimale Anpassung der Phasenverschiebung Δφ (λ) an den konkreten Einsatzfall eines polarisationsoptischen Systems die Erzielung eines minimalen Auslöschungskoeffizienten E und andererseits durch optimale Anpassung der Reflexionskurve R (λ) eine Beeinflussung des Farbortes sowie der Restreflexion des gesamten optischen Systems. Die Nutzung der erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht kommt vor allem bei

Substratbrechzahlen (n,), 1,44 < n, s 1,6, in Frage. Eventuell auftretende Asymmetrien in der Reflexionskurve, die je nach Art der Messung der Schichtdicken (SQ, Fotometrie Einzelschicht, Fotometrie Gesamtschicht) beim Verdampfungsprozeß auftreten, können vorteilhaft durch geringe Variation der

optischen Dicke der letzten, an Luft grenzenden Tbilschicht gemäß der Formet n₃d₆ = 1,07 · w · λο/4 kompensiert werden, wobei

w = ⁴vTbeträgt.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Eifindung anhand von Ausführungsbeispielon näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die kontinuierliche Veränderung der Reflexion R (λ, t) einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht Fig. 2: die Phasenverschiebung (Δφ (λ, t) einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht bei einem Einfallswinkel U₀ = 40° Fig. 3: die Korrektur des Reflexionsverlaufes eines Ao/4-MgF₂-Belages durch eine erfindungsgemäße reflexmindernde Schicht Fig.4: die Kompensation der Phasenverschiebung eines V*MgF₂-Belages bei Δφ (560ηm) durch eine erfindungsgemäße

reflexmindernde Schicht Fig. 5: die Korrektur eines Reflexionsverlaufes einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht durch zusätzliche Variation der optischen Dicke de; loteten Teilschicht

Betspiel 1

Eine erfindungsgemäße relfexmindernde Schicht für die Schwerpi/nktwellenlänge A₀ = 520 nm weist folgenden Aufbau auf:

S/n,d, = λο/4, n₂d₂ = 0,64 · t · V4, n₃d₃ = 0,25 A₀Al

n₂d₄ - 0,7 · A₀M, n₃d = 1,07 V4/L, wobei n, = 1,64 (z.B. AI₂O₃), n₂ = 2,05 (ZfO₂) und n₃= 1,38 (MgF₂) ist.

In Fig. 1, Kurven 1 a-1 d, ist der experimentell ermittelte Reflexionsverlauf R (λ) dieser reflexmindernden Schicht für t, = 0,83, t_b = 1, t« = 1,12 und t_d = 1,2 hei senkrechtem Lichteinfall (Einfallswinkel U₀ = 0°) dargestellt. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß bei den Parametern t„ t_b mit 0,83 s t S 1 im gesamten sichtbaren Spektralboreich von 430nm bis 700ηm eine sehr gute Entspiegelungswirkung erzielt wird. Die reflexmindernde Schicht mit den Parametern t« und td kann zur Kompensation des Farbortes von bekannten Entspiegelungsbelägen (s. Beispiel 3) ausgenutzt werden.

Beispiel £

Eine erfindungsgemäße reflexmindernde Schicht gemäß Beispiel 1 wurde bei Durchgang dej Lichtes unter einem Einfallswinkel von U₀ = 40° hinsichtlich der Phasenverschiebung Δφ (λ) untersucht. Die Kurven 2 a bis 2 d gemäß Fig. 2 belegen, daß durch Variation des Parameters t des erfindungsgemäßen Belages die Phasenverschiebung bei A₀ = 520nm von -0,4° bis +1° variiart werden kann. Dieser Sachverhalt kann auch zu Kompensationszwecken (s. Beispiel 4) ausgenutzt werden.

Beispiel 3

In Fig. 3, Kurve 3a, ist der Reflexionsverlauf eines bekannten λ/4 MgF₂-Entspiegelungsbelages auf einem Substrat der Brechzahl n, = 1,72 bei einer Schwerpunktwellenlänge X₀ = 560nm und einem Lichteinfallswinkel U₀ = 0° dargestellt. Dieser Belag weist im blauen Spektralbereich mit λ < 500nm und im roten SpektraSbereich mit λ > 620nm höhere Restreflexionswerte auf als im mittleren Spektralbereich. Wird oine optisch wirksame Fläche im gleichen optischen System mit einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht des A^wfbaues

S/m/d, = λο/4 n₂d₂ = 0,64 · 1,06 · λο/4, n₃d₃ = 0,25 A₀M n₂d₄ = 0,7 λο/4, n₃d₆ = 1,07 λο/4/L, wohei als

Schichtmaterialien AI₂O₃ (n_t = 1,64), ZrO₂ (n₂ = 2,05) und MgF₂ (n₃ = 1,38) verwendet werden und das Substrat eine Brechzahl von n₂ = 1,51 aufweist und A₀ = 520nm ist, versehen (Kurve 3b), so gelingt oine Farbkorrektur des reflektierten Lichtes des A₀M MgF₂-Belages. Den resultierenden Reflexionsverlauf zeigt Kurve 3 b.

Beispiel 4

In einem optischen System, bei dem auf einer optisch wirksamen Fläche eines Substrates mit n, = 1,72 eine A/4-MgF_rSchicht aufgebracht ist, die beim Durchgang des Lichtes unter einem Einfallswinkel von U₀ = 40° eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung Δφ (λ) erzeugt (s. Kurve 4a), wird eine optisch wirksame Fläche eines Substrates mit n, = 1,51 mit einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht des Aufbaues

S/n,d, = λο/4, n₂d₂ = 0,64 · 1,12 · A₀M, n₃d₃ = 0,25 A₀AJ n₂d₄ = 0,7 Ao/4, n₃d₅ = 1,07 λο/4/L für A₀ = 520nm

belegt, deren Phasenverschiebung Δφ (A) aus Kurve 4 b ersichtlich ist.

Die in Kurve 4c dargestellte resultierende Phasenverschiebung beider Beläge macht deutlich, daß für die Schwerpunktwellenlänge A₀ = 560nm eine Kompensation der Phasenverschiebung Δφ (560nm) = 0 erzielt wird. Eine Kompensation der Restreflexion R bzw. der Phasenverschiebung Δφ, wie sie in den Beispielen 3 und 4 beschrieben ist, gilt

allerdings exakt nur für planparallele optische Flächen und in guter Näherung für schwach gekrümmte optische Flächan. Für optische Flächen mit kleinen Krümmungsradien sind gesonderte Berechnungen anzustellen.

Beispiel 5 Ein reflexmindernder Belag, gemäß BeispieM mit einerdurcht - 1,1 variierten optischen Dicke der zweiten Teilschicht n₂d₂, wird

gemäß der Erfindung zusätzlich hinsichtlich der optischen Dicke de^letzten Teilschicht n₃d₅ = 1,07 · w A₀M mittels Parameter w = ⁴Vt = 1,025 abgewandelt.

Die Modifizierung der optischen Dicke der letzten Teilschicht mit dem Parameter w erfolgt vorteilhaft dadurch, daß im Aufdampfprozeß bei Messung der optischen Dicke mittels Fotometer als Abbruchbedingung für den Verdampfungsprozeß R = Rmtn gewählt wird. Aus dem Reflexionsverlauf der modifizierten erfindungsgemäßen Schicht (s. Kurve 5b) wird deutlich, daß eine Korrektur des

sonst asymmetrischen Kurvenverlaufes erreicht wurde.

Bei anderen Meßmethoden und Abbruchbedingungen (z. B. Schwingquarz, Mengenverdampfung...) muß berücksichtigt

werden, daß die alleinige Variation des Parameters t der optischen Dicke der zweiten Teilschicht zu einer geringen Asymmetric) in der Reflexionskurve (s. Kurve 5a) führt.

Claims (2)

1. Reflexmindernde Schicht mit geringer Phasenverschiebung in Transmission zwischen den parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Lichtwellen, die auf der optisch wirksamen Fläche eines optischen Bauelementes aufgebracht ist und sich aus Teilschichten verschiedener optischer Dicke η · d als Produkt aus Brechungsindex η und geometrischer Schichtdicke d, ausgedrückt in Werten von X₀M einer Schwerpunktwellenlänge X₀, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus fünf Teilschichten besteht, die folgenden Bedingungen genügen:

S/n^! = Aq/4, n₂d₂ = 0,64t · A₀M, n₃d₃ = 0,25 X₀M, n₂d₄ = 0,7 λο/4, n₃d₆ = 1,07 V4/L, wobei

n, » 1,64, n₂ « 2,05 und n₃« 1,38 sind

und t zur Variation der optischen Dicke der zweiten Teilschicht n₂d^ einen Wert im Bereich von 0,75 < t < 1,2 einnimmt und S für Substrat und L für Luft stehen.

2. Reflexmindernde Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der letzten, an Luft grenzenden Teilschicht mit n₃d₅ = 1,07 · w · λο/4 ebenfalls variabel ist, wobei

w = VFbeträgt.