DE1013089B

DE1013089B - Translucent mirror

Info

Publication number: DE1013089B
Application number: DEV6616A
Authority: DE
Inventors: Hubert Pohlack
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1953-12-09
Filing date: 1953-12-09
Publication date: 1957-08-01

Description

Lichtdurchlässiger Spiegel Anordnungen, mit denen eine Lichtstrahlung in ein durchgehendes und ein reflektiertes Teilstrahlenbündel in der Weise aufgeteilt wird, daß die Anteile in bestimmten Intensitätsverhältnissen zueinander stehen, sind bekannt und finden in der praktischen Optik vielfach Anwendung. Eine solche Strahlenteilung wird häufig durch dünne, absorbierende (meist metallische) Schichten bewirkt, die auf den Träger, z. B. eine Platte oder ein Prisma, aufgebracht werden. Diese Anordnungen werden auch oft mit einem zweiten Glaskörper verkittet. Zur Vermeidung der bei diesen Vorrichtungen auftretenden, zum Teil beträchtlichen Lichtverluste kann der absorbierende Belag in bekannter Weise auch durch interferenzfähige, nicht absorbierende Schichten ersetzt werden. Allerdings besitzen solche Schichtsysteme in der üblichen Ausführungsform den Nachteil, daß sie einen erheblichen und in den meisten Fällen störenden Farbstich verursachen. Es sind auch schon spezielle, nicht absorbierende Schichtsysteme bekanntgeworden, durch welche dieser Farbstich verringert wird. Diese Anordnungen sind jedoch vor allem in dem besonders häufig verlangten Teilungsverhältnis von 1 : 1 nicht einfach 'herzustellen. Bei der Massenfertigung wird daher in vielen Fällen die geringere Lichtausbeute absorbierender, farbsticharmer Lichtteiler an Stelle des großen Aufwandes in Kauf genommen. Andererseits besteht in der technischen Optik der Wunsch, die Lichtausbeute optischer Geräte so hoch wie möglich zu halten. Es ist daher nicht vertretbar, wenn man z. B. durch hochwertige Entspiegelung der optischen Oberflächen in einem Gerät bestrebt ist, die Lichtverluste weitestmöglich zu verringern, während an einer anderen Stelle im gleichen Gerät durch Verwendung eines Lichtteilers mit hohem Lichtverlust der Gesamtlichtverlust wieder stark vergrößert wird.Translucent mirror arrangements with which a light radiation divided into a continuous and a reflected partial beam in the way it becomes that the parts are in certain intensity ratios to each other, are known and are widely used in practical optics. Such Beam splitting is often done by thin, absorbent (mostly metallic) layers causes the on the carrier, z. B. a plate or a prism can be applied. These arrangements are also often cemented with a second glass body. To avoid the light losses that occur with these devices, some of which are considerable can the absorbent covering in a known manner by interference-capable, not absorbent layers are replaced. However, such layer systems have in the usual embodiment the disadvantage that they have a significant and in the cause an annoying color cast in most cases. They are special too, not absorbent layer systems have become known through which this color cast is reduced will. However, these arrangements are particularly frequently requested Division ratio of 1: 1 not easy to produce. In mass production Therefore, in many cases, the lower light yield is more absorbing and less color cast Light splitter accepted instead of the great effort. On the other hand, there is In technical optics, the desire to make the light output of optical devices so high as possible to keep. It is therefore not justifiable if one z. B. by high quality Anti-reflective coating of the optical surfaces in a device strives to reduce light losses as much as possible while at a different location in the same device by using a light splitter with high light loss, the total light loss is greatly enlarged again.

Gegenstand der Erfindung ist ein lichtdurchlässiger Spiegel, der gegenüber den mit nichtmetallischen Mehrfachschichten ausgerüsteten Lichtteilern einen geringeren Aufwand in der Herstellung erfordert und der den Vorteil einer guten Farbneutralität mit einer gegenüber den metallischen Lichtteilern erhöhten Lichtausbeute verbindet.The invention relates to a translucent mirror that is opposite the light splitters equipped with non-metallic multilayers have less Requires effort in production and which has the advantage of good color neutrality with an increased light output compared to the metallic light splitters.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß die von einer Metallschicht reflektierte und die durch sie hindurchgehende Lichtintensität um so höher sind, je größer der Brechungszahlenunterschied zwischen den die dünne Metallschicht einschließenden optischen Medien ist, wenn das hintere Medium (in der Lichteinfallsriehtung gesehen) gegenüber dem vorderen Medium die höhere Brechungszahl besitzt. Dieser Sachverhalt folgt aus rechnerischen Merlegungen mit Hilfe der an sich bekannten Formeln für Durchlässigkeift und Reflexionsgrad dünner, absorbierender Schichten.The invention is based on the idea that from a metal layer reflected light intensity and the higher the light intensity passing through it, the greater the difference in the refractive index between those enclosing the thin metal layer optical media is when the rear medium (seen in the direction of incidence of light) has the higher refractive index compared to the front medium. This fact follows from arithmetical calculations with the help of the formulas known per se for Permeability and reflectance of thin, absorbent layers.

Erfindungsgemäß wird bei einem lichtdurchlässigen Spiegel zur Strahlenteilung, bei dem sich auf oder zwischen lichtdurchlässigen optischen Werkstoffen eine dünne, lichtdurchlässige, absorbierende, vorzugsweise metallische Schicht und eine oder mehrere nicht oder verhältnismäßig gering absorbierende interferenzfähige dielektrische Schichten befinden, die absorbierende Schicht in Richtung des durchgehenden Lichtes vor der oder den dielektrischen Schichten angeordnet. Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, daß durch Wahl einer wesentlich höheren Brechungszahl, als diese für gebräuchliche optische Gläser zur Verfügung steht, eine erheblich stärkere Brechungszahldifferenz zwischen den beiden der Metallschicht benachbarten Medien erzielt werden kann. Dabei ist die Tatsache, daß das auf die metallische Schicht folgende Medium nicht als ausgedehntes Medium, sondern in Form einer dünnen, interferenzfähigen Schicht vorliegt, unbedenklich, wenn die optischen Schichtdicken der hochbrechenden dielektrischen Schichten geeignet gewählt werden. Es kann rechnerisch und experimentell nachgewiesen werden, daß z. B. bei Verwendung einer einzigen dielektrischen Zwischenschicht, um die angegebene Wirkung zu erzielen, diese ungefähr eine optische Dicke von )/4 besitzen muß, wenn @ die mittlere Wellenlänge des sichtbaren Spektrums ist.According to the invention, in a translucent mirror for beam splitting, in which there is a thin, translucent, absorbent, preferably metallic layer and one or several non-absorbing or relatively poorly absorbing dielectric dielectrics capable of interference Layers are located, the absorbing layer in the direction of the light passing through arranged in front of the dielectric layer or layers. Has such an arrangement the advantage that by choosing a much higher refractive index than this for common optical glasses are available, a significantly stronger refractive index difference can be achieved between the two media adjacent to the metal layer. Included is the fact that the medium following the metallic layer is not considered to be extended medium, but in the form of a thin, interference-capable layer, harmless if the optical layer thicknesses of the high refractive index dielectric Layers can be chosen appropriately. It can be proven mathematically and experimentally be that z. B. when using a single dielectric intermediate layer, to achieve the specified effect, this approximately an optical thickness of) / 4 must have if @ is the mean wavelength of the visible spectrum.

Darüber hinaus kann aber auch nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch eine bewußte Abweichung von der 2/4-Bedingung für die optische Dicke der dielektrischen Zwischenschicht bewirkt werden, daß eine etwa vorhandene wellenlängenabhängige Durchlässigkeit und Reflexion der einfachen Metallschicht durch die spektral abhängige InterferenzwiTkung der dielektrischen Zwischenschicht kompensiert wird. Einen solchen stärkeren primären Farbstich zeigt z. B. Silber als durchsichtige Schicht, dessen Verwendung als Lichtteiler wegen seiner relativ geringen Absorption an sieh besonders erwünscht ist. Zu diesem Zweck können die dielektrische Schicht oder die dielektrischen Schichten in ihrer Dicke so bemessen und/oder in ihrer- spektralen Brechungszahlabhängigkeit so ausgewählt werden, daß die spektrale Durchlässigkeit und Reflexion der absorbierenden Schicht einem konstanten Wert angenähert und damit eine Farbneutralität der Schichten in ihrer Gesamtwirkung erzielt wird.In addition, however, according to a further feature of the invention by a deliberate departure from the 2/4 condition for the optical thickness of the dielectric Interlayer causes any wavelength-dependent permeability that may be present and reflection of the simple metal layer due to the spectrally dependent interference effect the dielectric interlayer is compensated. Such a stronger primary Color cast shows e.g. B. silver as a transparent layer, its use as a light splitter because of its relative low absorption is particularly desirable is. For this purpose, the dielectric layer or the dielectric layers so dimensioned in their thickness and / or in their spectral refractive index dependence be selected so that the spectral transmission and reflection of the absorbing Layer approximates a constant value and thus color neutrality of the layers is achieved in their overall effect.

Bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten verkitteten Lichtteiler können z. B. die Schichten, in der Lichteinfallsri:chtung gesehen, die Reihenfolge Glasdurchlässige Metallschicht-hochbrechende dielektrische Schicht-Glas haben. Bei nicht verkitteten Lichtteilern kann sowohl die Reihenfolge Luftdurchlässige Metallschicht-dielektrische hochbrechende Schicht-Glas oder auch die Reihenfolge Glasdurchlässige Metallschicht dielektrische hochbrechende Schicht Luft gewählt werden. Das erste Schichtsystem wird man vorziehen, wenn das Metall widerstandsfähig ist, das zweite, wenn es weich ist oder an der Luft leicht korrodiert. In .diesem Fall ist allerdings zur Vermeidung von Doppelbildern für eine besonders hochwertige Entspiegelung der Glasoberfläche Sorge zu tragen.In a cemented light splitter designed according to the invention can e.g. B. the layers, seen in the direction of light incidence, the order Have glass-permeable metal layer-high index dielectric layer-glass. at non-cemented light splitters can be both the order air-permeable metal layer-dielectric high-index layer-glass or the sequence glass-permeable metal layer dielectric high refractive index layer air can be selected. The first shift system one will prefer if the metal is tough, the second if it is soft or is easily corroded in air. In this case, however, is to be avoided of double images for a particularly high-quality anti-reflective coating on the glass surface To take care.

Dabei ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht mit solchen bekannten _ Schichtensystemen zu verwechseln, bei denen z. B. auf einem Metallbelag eine oder mehrere dielektrische Interferenzschichten aufgebracht sind, die so nach Brechungszahl und Dicke abgestimmt sind, daß sie den lediglich interessierenden Reflexionsgrad erhöhen. In der- Praxis werden solche Anordnungen häufig bei Oberflächenspiegeln angewandt. Überträgt man derartige Systeme auf den hier interessierenden Fall der Lichtteiler mit durchlässigen absorbierenden Schichten, so findet man zwar auch eine Erhöhung der reflektierten Intensität, die jedoch wesentlich unter der mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielbaren Reflexionssteigerung liegt, und gleichzeitig ergibt sich eine beträchtliche Farbabhängigkeit -von der Wellenlänge: Bei den. erfindungsgemäßen Schichtsystemen wird eine solche stärkere Farbabhängigkeit jedoch gerade vermieden. Sie unterscheiden sich von den bekannten reflexionserhöhenden Systemen durch die Anordnung der Einzelschichten und die optischen Dicken der dielektrischen Schichten.The arrangement according to the invention is not known with such _ To confuse layer systems in which z. B. one or on a metal covering several dielectric interference layers are applied according to the refractive index and thickness are matched to reflect the reflectivity of interest only raise. In practice, such arrangements are often used with surface mirrors applied. If one transfers such systems to the case of the Light dividers with transparent absorbing layers are also found an increase in the reflected intensity, which, however, is significantly below that of the the arrangement according to the invention achievable increase in reflection lies, and at the same time there is a considerable color dependency -on the wavelength: With the. according to the invention Layer systems, however, just avoid such a stronger color dependency. They differ from the known reflection-increasing systems by the Arrangement of the individual layers and the optical thicknesses of the dielectric layers.

Die Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausbildung von Lichtteilern können . dadurch weiter verbessert werden, daß statt einer mehrere dielektrische Schichten mit geeigneten Brechungszahlen und optischen Dicken verwendet werden, wobei die Brechungszahlen und optischen Dicken der einzelnen Schichten mit Hilfe der an sich bekannten Formeln für die Durchlässigkeit und den Reflexionsgrad sowie mit den entsprechenden Überlegungen, wie sie oben für die einfache Zusatzschicht angewandt wurden, bestimmt werden können.The effects of the formation of light splitters according to the invention can . can be further improved by the fact that, instead of one, several dielectric layers with suitable indices of refraction and optical thicknesses can be used, the Refractive indices and optical thicknesses of the individual layers with the help of the per se known formulas for the transmittance and the reflectance as well as with the corresponding Considerations as applied above for the simple additional layer are determined can be.

Bei Anwendung der Erfindung erzielt man für verkittete Lichtteiler eine Erleichterung des Kittvorganges, wenn die Kittschicht zwischen der oder den dielektrischen Schichten und dem rückwärtigen Glaskörper angeordnet wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Verkittun:g des Glaskörpers mit einer in den meisten Fällen wenigef empfindlichen dielektrischen Substanz erfolgen kann, als dies häufig bei dünnen Metallschichten,-beispielsweise aus Silber, der Fall ist. Außerdem erlaubt es die Erfindung, Lichtteiler mit leicht korrodierenden Metallen längere Zeit vor dem Verkitten aufzubewahren, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Schicht »anläuft« (z. B. Silber) oder sich die Intensitätsverhältnisse auf Grund an Luft eintretender Oxydation ändern (z. B. Aluminium).Using the invention one obtains for cemented light splitters a relief of the putty process, if the putty layer between the dielectric layers and the rear glass body is arranged. Through this there is the advantage that the cementing of the glass body with one in most Cases less sensitive dielectric substance can be made than this is common is the case with thin metal layers, for example made of silver. Also allowed it the invention of light splitters with easily corrosive metals for a long time to be stored in the cement without the risk of the layer "tarnishing" (e.g. silver) or the intensity ratios due to air entering Change oxidation (e.g. aluminum).

Für die technische Realisierung der Erfind bestehen weitgehende Möglichkeiten. So können die Schichten mit Hilfe aller bekannten Aufbringungsverfahren, wie Vakuumverdampfung, Kathodenze'rstäubung u. a., aufgebracht werden; die Verfahren können auch miteinander kombiniert werden. Die praktische Feststellung der geeigneten Schichtdicken kann z. B. durch an sich bekannte Meßverfahren während des Aufbringungsvorganges erfolgen.There are extensive possibilities for the technical realization of the inventor. The layers can be applied using all known application methods, such as vacuum evaporation, Cathode atomization, inter alia, are applied; the procedures can also be interrelated be combined. The practical determination of the suitable layer thicknesses can z. B. be done by known measurement methods during the application process.

Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert, in denen der spektrale Verlauf der Durchlässigkeit und des Reflexionsgrades für verschiedene Schichten als Beispiel graphisch dargestellt ist.The invention is explained in more detail with reference to the figures in which the spectral course of the transmittance and the degree of reflection for different Layers is graphed as an example.

Abb. 1 a zeigt den Verlauf der Durchlässigkeit und des Reflexionsgrades einer einfachen Chromschicht auf einem Planglas in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, während in Abb. 1 b die gleiche Abhängigkeit für eine Chromschicht mit einer zusätzlichen hochbrechenden dielektrischen Schicht, die beispiels= weise aus Zinksulfid bestehen kann und eine ungefähre optische Dicke von d = 2/4 besitzt, dargestellt 'isst: Aus der Gegenüberstellung der Abb. 1 a und 1 b geht klar hervor, daß durch die zusätzliche: dielektrische Schicht gemäß Abb. 1 b ein starker Rückgang der Absorption und eine damit verbundene entsprechende Erhöhung der Lichtausbeute erzielt wird.Fig. 1 a shows the course of the transmittance and the degree of reflection a simple chrome layer on a plane glass depending on the light wavelength, while in Fig. 1b the same dependency for a chrome layer with an additional one high refractive index dielectric layer made of zinc sulfide, for example can and has an approximate optical thickness of d = 2/4, is shown 'eats: Off the comparison of Fig. 1 a and 1 b clearly shows that the additional: dielectric layer according to Fig. 1b a sharp decrease in absorption and a associated corresponding increase in the light output is achieved.

Abb. 2 a zeigt die gleichen Kurven für einen Lichtteiler, bestehend aus einer zwischen Glasprismen verkitteten einfachen durchlässigen Silberschicht (Abb. 2b) für einen Lichtteiler mit einer durch eine hochbrechende dielektrische Zwischenschicht erweiterten durchlässigen Silberschicht. Aus diesen Abbildengen ist die Veränderung der Spektralkurve, welche mit einer Verringerung des ursprünglich vorhandenen Farbstiches gleichbedeutend ist, durch die Wirkung der zusätzlichen dielektris.chen Schicht deutlich zu ersehen.Fig. 2a shows the same curves for a light splitter, consisting made of a simple, permeable silver layer cemented between glass prisms (Fig. 2b) for a light splitter with a through a high refractive index dielectric Interlayer expanded permeable silver layer. From these mapping genes is the change in the spectral curve that occurs with a decrease in the original existing color cast is synonymous, by the effect of the additional dielectric layer clearly visible.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Translucent mirror for beam splitting into a transmitted and a reflected radiation component, in which on or between translucent optical materials a thin, translucent, absorbent, preferably metallic layer and one or more not or relatively poorly absorbing, interference-capable dielectric layers are located, characterized in that the aibso2-bieren layer in the direction of the continuous Light is arranged in front of the dielectric layer or layers.

2. More translucent The mirror of claim 1; characterized in that a single high-index dielectric layer is provided, the optical thickness of which is approximately a quarter is the centroid wavelength of the wavelength range of interest.

3. More translucent Mirror according to claim 1, characterized in that the dielectric layer or the dielectric layers are dimensioned in their thickness and / or in their spectral Refractive index dependency are selected so that a color neutrality of the Layers in their overall effect is achieved.

4. More translucent The mirror of claim 1 wherein the layers are sandwiched between light transmissive optical Materials are, characterized in that the layers in the corresponding Sequence are applied to the front carrier material and that the last dielektrisc e layer consists of a substance that is more resistant and corrosion-resistant than is the absorbent layer. Publications considered: German Patent Nos. 718 040, 839 250, 900489.