DE10163965A1 - Lichtsperrende Beschichtung für Projektionszwecke sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lichtsperrende, vorzugsweise auf Glassubstraten aufzubringende Beschichtung für Projektionszwecke, wobei die Beschichtung abwechselnde Folgen von hochbrechendem Beschichtungsmaterial und niedrigbrechendem Beschichtungsmaterial aufweist. Solche Beschichtungen werden bei Gobos eingesetzt. Erfindungsgemäß hat das hochbrechende Beschichtungsmaterial lichtabsorbierende Eigenschaften, so dass Interferenz und Absorption gleichzeitig genutzt werden, was zu einer geringeren Erwärmung des Gobos im Betrieb führt (Figur 1).

Description

• Die Erfindung betrifft eine lichtsperrende, vorzugsweise auf Glassubstraten aufzubringende Beschichtung für Projektionszwecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
• Mit Lichtprojektion erzeugte Bilder sind auf dem Gebiet der Bühnen- und Unterhaltungsbeleuchtung seit langem bekannt (Laterna magica). Der transparente, meist gläserne Träger ist einem Bild entsprechend an bestimmten Stellen eingefärbt oder dunkel beschichtet. Das Licht einer Projektionslampe wirft dieses Bild dann auf eine Leinwand.
• Eine modernere Lichtmustererzeugungseinrichtung ist aus der DE 195 40 840 A1 bekannt, bei der eine säuregeätzte Lichtmusterscheibe verwendet wird.
• Durch partielles Entfernen der lichtsperrenden Beschichtung mittels Laserstrahlung oder Ätzverfahren lassen sich also grafische oder fotorealistische Strukturen erzeugen. Derartige Projektionsvorlagen werden "Gobo" genannt. Die Projektion erfolgt durch geeignete Scheinwerfer, wie z. B. Projektionsscheinwerfer, Multifunktionsscheinwerfer, Profilscheinwerfer, Scanner oder dergleichen. Gobos kommen vorwiegend in der Bühnenbeleuchtung und der Werbebranche zum Einsatz.
• Allgemein bekannt sind Gobos, bei denen die Lichtsperrung durch Aufdampfen oder Sputtern einer Metallschicht auf ein Trägermaterial, insbesondere Glas ("Glasgobos") erzielt wird. Hierbei hat sich die Verwendung von Chrom bewährt.
• Durch die Entwicklung kompakterer Scheinwerfer werden inzwischen sehr kleine Gobos eingesetzt. Hierdurch steigt sowohl die Temperaturbelastung der Gobos als auch der Anspruch auf ein gutes Laserverhalten, um hohe Auflösungen zu erzielen. Diesen Anforderungen sind metallische Sperrschichten teilweise nicht mehr gewachsen; es kommt zu Überhitzungen und einer Zerstörung der Beschichtung oder des Glases, ebenso ist ein schlechtes Laserverhalten zu beobachten.
• Eine Alternative dazu bieten dielektrische Interferenzbeschichtungen, da deren Erwärmung durch Licht relativ gering ist. Ein Beispiel dafür ist in der WO 98/00670 beschrieben. Dort werden transparente Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes (z. B. TiO2 und SiO2) abwechselnd auf ein Trägersubstrat derart aufgebracht, dass eine Sperrung eines gewünschten Spektralbereichs erreicht wird, während andere Spektralbereiche durchgelassen werden. Eine solche Beschichtung aus abwechselnden Folgen von hochbrechenden und niedrigbrechenden Schichten bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Beschichtungen werden dichroitisch genannt und werden vorwiegend für Farbgobos verwendet, da sie das Licht nicht sperren, sondern färben. Jedoch ist auch eine Sperrung des gesamten Lichts möglich. Eine derartige Beschichtung wird dann als dielektrischer Spiegel oder Kaltlichtspiegel bezeichnet. Nachteilig ist jedoch, dass sehr viele Einzelschichten für eine ausreichende Lichtsperrung benötigt werden, wodurch sich Temperaturbeständigkeit und Laserverhalten verschlechtern und zusätzlich sehr hohe Produktionskosten entstehen.
• Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Beschichtung für Gobos zu entwickeln, die sehr temperaturbeständig ist, sich wenig durch Lichtstrahlung aufheizt, weiterhin ein gutes Laserverhalten hat sowie über eine hohe Lichtsperrung verfügt und sich preisgünstig produzieren lässt.
• Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß findet eine Kombination von materialabhängiger und interferenzbedingter Lichtsperrung statt, eine Kombination aus Interferenz und Absorption. Dadurch können auch teildurchlässige Beschichtungsmaterialien mit günstigen Materialeigenschaften, wie z. B. hoher Temperaturbeständigkeit, IR-Durchlässigkeit und dergleichen zur vollständigen Lichtsperrung eingesetzt werden.
• Dabei werden sowohl durch die materialbedingte Lichtsperrung als auch durch die günstigen optischen Eigenschaften (großer Unterschied der Brechungsindizes) der verwendeten Materialien wesentlich weniger Schichten als bei reinen Interferenzfiltern benötigt.
• Nach Anspruch 2 werden die beiden Mechanismen Interferenz und Absorption so aufeinander abgestimmt, dass gerade die Anteile des Lichtes, die als Resttransmission die absorbierenden Schichten durchdringen würden, durch Interferenz ausgelöscht werden.
• Nach Anspruch 3 wird als lichtsperrendes, hochbrechendes Material ein Stoff verwendet, der für IR-Strahlung durchlässig ist. Dies verringert die Aufheizung der Beschichtung im Betrieb erheblich. Besonders geeignet sind dafür Halbleitermaterialien. Diese Halbleitermaterialien sind (meist) im sichtbaren Lichtbereich je nach Schichtdicke nur geringfügig lichtdurchlässig, für Infrarot-Strahlung jedoch gut durchlässig. Sie weisen hohe Brechungsindizes auf und sind häufig auch sehr temperaturbeständig und zudem haftfest.
• Anspruch 4 gibt als bevorzugte Beschichtungsmaterialien Silizium und Quarz (SiO2) an. Beide Materialien sind preisgünstig, leicht erhältlich und sowohl zeitlich als auch thermisch sehr beständig. Verfahren zu deren Aufbringung auf Substrate oder andere Schichten sind bekannt und gut eingeführt.
• Anspruch 5 gibt eine Möglichkeit an, den Absorptionsanteil der Beschichtung durch Verbreiterung des Reflexionsbereiches herabzusetzen und somit die Aufheizung weiterhin zu verringern. Dies ist beispielsweise durch ein 2-Stack-Design, d. h. zwei nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche oder ein Design mit stetig wachsender Schichtdicke zu erreichen. Bei diesen Ausgestaltungsmöglichkeiten ist die Lichteinfallrichtung von Bedeutung, da Lichtstrahlung im kurzwelligen Bereich stärker absorbiert wird und somit kurzwellig reflektierende Schichten nur effektiv sind, wenn die Lichtstrahlung zuerst auf diese und dann auf langwellige reflektierende Schichten trifft. Sind also die Interferenzschichten auch an IR-, kurzwellige VIS- oder UV- Anteile des Lichtes angepasst, müssen diese Anteile nicht absorbiert und damit in Wärme umgewandelt werden, sondern können in vorteilhafter Weise durch Interferenz ohne thermische Wirkung ausgelöscht werden. Die Beschichtung bleibt im Betrieb kälter.
• Anspruch 6 betrifft eine Unterteilung des Beschichtungsprozesses in zwei oder mehr Schritte, um Beschichtungsfehler, wie "Lunker" bzw. Löcher in der Beschichtung, zu verringern. Wird der Beschichtungsprozess z. B. nach der Hälfte der Beschichtungslagen unterbrochen und nach Zwischenreinigung fortgesetzt, so ist die Position der Löcher der ersten und der zweiten Beschichtungsprozesshälfte verschieden, wodurch anstelle deutlicher weißer Punkte im wesentlichen nur Punkte mit geringfügig herabgesetzter Lichtsperrung entstehen, die material- und designabhängig meist rötlich sind. Zwei oder mehr Unterbrechungen des Beschichtungsprozesses durch Reinigungsschritte sind selbstverständlich auch möglich.
• Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
• Es zeigen:
• Fig. 1 Transmissions- und Reflexionskurve einer erfindungsgemäßen lichtundurchlässigen Si/SiO2 Interferenz-Beschichtung mit absorbierenden Schichten und
• Fig. 2 zum Vergleich eine reine Interferenz-Beschichtung sowie eine reine absorbierende Beschichtung jeweils als Transmissionskurven.
• In Fig. 1 sind mit durchgezogener Linie eine Transmissionskurve und eine Reflexionskurve mit einer gepunkteten Linienführung einer erfindungsgemäßen Si/SiO2 Beschichtung dargestellt. Die Abszisse gibt die Wellenlänge an, die Ordinate die Transmission bzw. die Reflexion.
• Die für die Erfindung beispielhafte Beschichtung setzt sich bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel aus 20 Einzelschichten zusammen. Aufgrund der sehr guten Haftfestigkeit auf Glas wurde mit Silizium (Si) als erster Schicht begonnen. Darauf folgen im Wechsel Quarz (SiO2) und wiederum Silizium, also in diesem Beispiel insgesamt 10 Silizium- und 10 Quarzschichten. Die Verwendung von mehr oder weniger Schichten ist im Rahmen der Erfindung möglich, solange die gewünschten Effekte der Interferenz und der Absorption erreicht werden.
• Im wesentlichen haben die Schichten gleiche optische Dicke, z. B. λ/4 für 640 nm Referenz Wellenlänge. Um eine gute Anpassung und somit hohe Transmission im Infrarotbereich zu erreichen, können die Anfangs- und die Endschichten in der Dicke in an sich bekannter Weise angepasst sein, z. B. Dicke der 1. Schicht = λ/8 und Dicke der 20. Schicht = λ/2. Es ergibt sich im Beispiel eine Gesamtschichtdicke von ca. 1,8 µm. Zur Vermeidung von lichtdurchlässigen Fehlstellen, wie Lunkern, wird der Beschichtungsvorgang nach der 10. Schicht abgebrochen. Es folgt eine Zwischenreinigung der teilbeschichteten Substrate z. B. mit Ultraschall. Abschließend erfolgt die Aufbringung der verbliebenen 10 Schichten. Durch diese Vorgehensweise sind die Fehlstellen jeder Beschichtungshälfte anderswo, also nicht lichtdurchlässig, sondern haben halbe Lichtsperrung der jeweils anderen Beschichtungshälfte.
• Der Beschichtungsprozess erfolgt durch übliche Verfahren, wie z. B. Aufdampfen im Hochvakuum oder Sputtern (CVD, PVD, thermisches Spritzen oder ähnliche Verfahren).
• Charakteristisch für die beispielhafte Beschichtung ist die in Fig. 1 deutlich zu erkennende Lichtsperrung für sichtbare Strahlung (ca. 400-800 nm) bei gleichzeitig hoher Transparenz für Wärmestrahlung (ab ca. 800 nm). Zwischen 500 und 800 nm weist die Beschichtung eine hohe Reflexion auf. Dies wird erfindungsgemäß durch Interferenz erzielt, und erhöht die Lichtsperrung in diesem Bereich, während gleichzeitig die Lichtabsorption verringert wird.
• Zum Vergleich zeigt Fig. 2 zwei nicht erfindungsgemäße Transmissionskurven. Bei der durchgezogen gezeichneten Transmissionslinie handelt es sich um die Transmission einer reinen Interferenzbeschichtung mit gleichen optischen Brechungsindizes wie Silizium und Quarz, jedoch ohne Absorptionseigenschaften. Zu erkennen ist, dass die Lichtsperrung im kurzwelligen Spektralbereich zwischen 400 und 500 nm nicht ausreichend ist. Dies wäre theoretisch durch weitere Interferenzschichten zu beheben, würde aber die Beschichtungsdicke ansteigen lassen und zu schlechteren Lasereigenschaften führen. Außerdem ist kein geeignetes, absorptionsfreies Material bekannt, das einen mit Silizium vergleichbaren Brechungsindex hätte.
• Bei der gepunkteten Transmissionslinie handelt es sich um die Transmission einer Silizium-Einzelschicht mit gleicher Dicke wie die Summe der Siliziumschichten der Beschichtung mit den Eigenschaften der Fig. 1. Hierbei wird deutlich, dass die Lichtsperrung zwischen 500 und 800 nm bei weitem nicht ausreichend ist und eine lichtundurchlässige reine Siliziumbeschichtung ein Vielfaches der Dicke aus Fig. 2 aufweisen müsste, womit wiederum höhere Produktionskosten, schlechtere Lasereigenschaften und hohe absorptionsbedingte Aufheizung verbunden wären.

Claims (6)

1. Lichtsperrende, vorzugsweise auf Glassubstraten aufzubringende Beschichtung für Projektionszwecke, wobei die Beschichtung abwechselnde Folgen von hochbrechendem Beschichtungsmaterial und niedrigbrechendem Beschichtungsmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Beschichtungsmaterial lichtabsorbierende Eigenschaften aufweist.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resttransmission des hochbrechenden Materials durch Interferenz gesperrt wird.

3. Beschichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mit lichtsperrenden Eigenschaften ein für IR-Strahlung durchlässiges Halbleitermaterial ist.

4. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hochbrechendes Beschichtungsmaterial Silizium (Si) und als niedrigbrechendes Beschichtungsmaterial Quarz (SiO2) verwendet wird.

5. Beschichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Interferenzschichten auch für lichtundurchlässige, insbesondere im kurzwelligen VIS-Bereich von ca. 400 bis 500 nm, oder unsichtbare Spektralbereiche derart angepasst sind, dass sich die Lichtabsorption der Beschichtung verringert.

6. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsvorgang von einem oder mehreren Zwischenreinigungsschritten unterbrochen wird.