DD286434B5

DD286434B5 - Reflexmindernde schicht mit geringer phasenverschiebung in transmission

Info

Publication number: DD286434B5
Application number: DD33142989A
Authority: DD
Inventors: Juergen Dipl-Phys Bauer; Hans-Juergen Dr Dipl-Ph Wagner; Peter Dipl-Phys Voigt
Original assignee: Zeiss Carl Jena Gmbh
Priority date: 1989-08-03
Filing date: 1989-08-03
Publication date: 1993-09-30
Also published as: DD286434A5

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung kann vor allem dort angewandt werden, 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 Polobjektivon, Kondensoren und anderen optischen Systemen, in denen eine bestimmte Polarisationsrichtung und eine bestimmte Phasenverschiebung beibehalten oder gezielt verändert werden sollen. 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 der 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 GK7R = 0,042I₁)). 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)^v

Deshalb sind in den meisten optischen Geraten 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-Einzelschichten mit R £ 1,5 % für den Spektralbereich von Ί00 bis 700 nm, 4-Schichten-Entspiegelungsbeläge mit abwechselnd hoch- und niocVigbrechenden 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 8-Schichten-Entspiegelungsbeläge S/HLHLHLHL/A mit R £ 0,75% für 430 bis 700nm, worin keine der hoch- und niedrigbrechenden Schichten eine optische Dicke von X₀M oder einem Vielfachen von λο/4 der Schwerpunktwellenlänge X₀ 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.H. 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 E₁ der das Verhältnis der Lichtintensitäten bei gekreuzten und parallelen Polarisatoren beschreibt.

E (A, ß) = a' (A, β) e [Δφ (A, ß)/2]² wenn α, Δφ <t 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%, 430nm £ 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 Entspiegclungsbelages auch noch die Phasenverschiebung zur Charakterisierung eines Entspiegelungsbelages herangezogen.

Besonders gut geeignet ist ein λ/4 - λ/2 - λ/4-Wechselschichtbelag gemäß DD-WP 223 540, dessen λ/2-Sciiicht aus ZRO₂ mit η = 2,05 gebildet wird. Problematisch hierbei ist allerdings die in der λ/2-ΖΓθ2-Σίοηί<:ηΐ bei η · d « λο/4 auftretende Brechzahlinhomogenität, die zwischen η (nd < V*) » 2,05 und η (nd > \j/4) =< 1,95 einen stetigen Übergang aufweist und die Antireflexwirkung mindert. Möglichkeiten zur Unterdrückung dieser Inhomogenität bieten eingelagerte Zwischenschichten im Abstand von nd = λο/8 mit einer optischen Dicke von nd = 1...6nm (GB-PS 1437636), Mischschichten aus ZrOj und ZrTiO₄ (Steuer, Esselborn: New materials for optical thin films, Appl. Opt., vol. 15 [1Oj 1976, S. 2315 ff.), eine reaktive Bedampfungsatmosphäre (GB-PS 1466640) oder das Aktivieren der Substratoberfläche durch lonenbeschuß (Martin, McLcod: lon-boam-assisted deposition of thin films, Appl. Opt., vol. 22 [1| 1983, S. 178ff.).

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 werden.

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) £ Γ 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 Aufgabe 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 Phasenveischiebung 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 Schwerpunktwellenlänge X₀, zusammensetzt, dadurch gelöst, daß sie aus fünf Teilschichten besteht, die folgenden Bedingungen genügen:

S/n,d, = V4, n₂d₂ = 0,64t · V4, M₃ = 0,25 λο/4, n₂d₄ = 0,7 V4, n₃d₅ = 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 Schicht, wurde gefunden, daß bei Variation der nptisrhen Dicke der zweiten Teilschicht durch Veränderung des Parameters t sich die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung Δφ (λ) des durchgehenden Lichtes unter einem Einfallswinkel von Uo = 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 der variierbaren optischen Dicke der zweiten Teilschicht in den genannten Grenzsn 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, < 1,6, in Frage.

Eventuell auftretende Asymmetrien in der Reflexionskurve, die je nach Art dsr Messung der Schichtdicken (SQ, Fotometrie Einzelschicht, Fotometrie Gesamtschicht) beim Verdampfungsprozeß auftreten, können vorteilhaft durch geringe Variation der optischen Dicke der letzten, an Luft grenzenden Teilschicht gemäß der Formel n₃d₆ = 1,07 · w \₀/4 kompensiert werden, wobei w = 'vT beträgt.

Ausführungsboispiel

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die kontinuierliche Veränderung der Reflexion R (λ, t) einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schichi Fig. 2: die Phasenverschiebung (Δφ (λ, t) einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht bei einem Einfallswinkel U₀ = 40³ Fig. 3: die Korrektur des Reflexionsverlaufes eines λο/4-MgFrBelages durch eine erfindungsgemäße reflexmindemde Schicht

Fig.4: die Kompensation der Phasenverschiebung eines Xo/4MgF₂-Belages bei Δφ (56Cnm) durch eine erfindungsgemäße

reflexmindfcrnde Schicht Fig. 5: die Korrektur eines Reflexionsverlaufes einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht durch zusätzliche Variation der optischen Dicke der letzten Teilschicht

Beispiel 1

Eine erfindungsgemäße relfexmindernde Schicht für die Schwerpunktwellenlänge λο = 52Gnm weist folgenden Aufbau auf:

S/n,d, = V4, M₂ = 0,64 · t · V4, M₃ = 0,25 A₀AJ, n₂d₄ = 0,7 λο/4, n₃d = 1,07 V4/L, wobei nt = 1,64 (z. B. AI₂O₃), n₂ = 2,05 (ZrO₂) und n₃= 1,38(MgF₂IiSt.

In Fig. 1, Kurven 1 a-1 d, ist der experimentell ermittelte Reflexionsverlauf R (λ) dieser reflexmindernden Schicht für t, = 0,83, tb = 1.t_c = 1,12 undtd = 1,2 bei senkrechtem Lichteinfall (Einfallswinkel Uo = 0") dargestellt. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß bei den Parametern t.,tb mit 0,83 stsi im gesamten sichtbaren Spektralbereich von 430nm bis 700 nm eine sehr gute Entspiegslungswirkung erzielt wird. Die reflexmindernde Schicht mit den Parametern U und t_d kann zur Kompensation des Farbortes von bekannten Entspiegelungsbelägen ί \ Beispiel 3) ausgenutzt werden.

Beispiel 2

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

Beispiel 3

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

S/n,/d, = λο/4 n₂d₂ = 0,64 · 1,06 · λο/4, n₃d₃ = 0,25 λ_ο/4 n₂d₄ = 0,7 λο/4. n₃d₅ = 1,07 λο/4/L, wobei als

Schichtmaterialien AI₂O₃ (n, = 1,64), ZrO₂ (n₂ = 2,05) und MgF₂ (n₃ = 1,38) verwendet werden und das Substrat eine Brechzahl von n₂ = 1,51 aufweist und λο = 520nm ist, versehen (Kurve 3b), so gelingt eine Farbkorrektur des reflektierten Lichtes des V4 MgF₂-8elages. Den resultierenden Reflexionsverlauf zeigt Kurve 3b.

Beispiel 4

In einem optischen System, bei dem auf einer optisch wirksamen Fläche eines Substrates mit n, - 1,72 eine X/4-MgF₂-Schicht aufgebracht ist, die beim Durchgang des Lichtes unter einem Einfallswinkel von Uo = 40° eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung Δφ (λ) erzeugt (s. Kurve 4 a), wird eine optisch wirksame Fläche eines Substrates mit n, = 1,51 mit einer erfindungsgemäßen reflexmindernden Schicht des Aufbaues

S/n,d, = V4, n₂d₂ = 0,64 · 1,12 · V4, n₃d₃ = ü,25 λο/4 n₂d₄ = 0,7 V4, n₃d₆ = 1,07 V4/L für X₀ = 520nm

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

Die in Kurve 4c dargestellte resultierende Phasenverschiebung beider Beläge macht deutlich, daß für die Schwerpunktwellenlänge λο - 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 Flächen. Für optische Flächen mit kleinen Krümmungsradien sind gesonderte Berechnungen anzustellen.

Beispiel 5

Ein reflexmindernder Belag, gemäß Beispiel 1 mit einer durch t = 1,1 variierten optischen Dicke der zweiten Teilschicht n₂d₂, wird

gemäß der Erfindung zusätzlich hinsichtlich der optischen Dicke der letzten Teilschicht n₃d₅ = 1,07 w · λο/4 mittels Parameter w = Vt = 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 = Rmin gewählt wird.

Aus dem Reflexionsverlauf der modifizierten erlindungsgemäßen 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 Asymmetrie in der Reflexionskurve (s. Kurve 5a) führt.

Claims

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 A₀, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus fünf Teilschichten besteht, die folgenden Bedingungen genügen:

S/n,d, = V4, n₂d₂ = 0,64t · A₀M, n₃d₃ = 0,25 λ_ο/4, n₂d₄ = 0,7 A₀M, n₃d₅ = 1,07 V4/L, wobei

ητ = 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 <ts 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 n₂d₅ = 1,07 · w · A₀M ebenfalls variabel ist, wobei w = ⁴Vf beträgt.