DE102014106698A1

DE102014106698A1 - Optische Filtereinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102014106698A1
Application number: DE102014106698.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Biertümpfel; Steffen Reichel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: DE102014106698B4; JP2016014866A; JP6552260B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Filtereinrichtung mit einem Filterglas mit lichtabsorbierenden Bestandteilen. Filtergläser reagieren mit Wasser und sind daher feuchtigkeitsempfindlich. Um diese Gläser zu schützen, ist es bekannt, eine dielektrische Antireflex-Schicht auf dem Glas abzuscheiden. Allerdings sind solche Beschichtungen ohne Fehlstellen sehr aufwändig herzustellen. Zudem kann die Beschichtung beschädigt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, optische Filter hinsichtlich dieser Nachteile zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein optische Filtereinrichtungen zum Ausfiltern spektraler Lichtanteile. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine optische Filtereinrichtung mit einem Filterglas mit lichtabsorbierenden Bestandteilen.
Kamera-Chips weisen die Eigenschaft auf, dass die Pixel des Chips auch im Infrarot-Spektralbereich empfindlich sind. Auch weist die Optik von Kameramodulen, deren optische Komponenten aus gängigen Gläsern oder Kunststoffen gefertigt werden, im Allgemeinen noch eine gewisse Infrarot-Transmission auf. Auf den Chip gelangendes Infrarotlicht führt jedoch zu unerwünschten Farb- und Helligkeitsverfälschungen.
Aus diesem Grund werden Kameramodule typischerweise mit Infrarot-Sperrfiltern ausgestattet. Die gängigsten Infrarot-Sperrfilter sind Interferenzfilter. Bei derartigen Filtern wird ein mehrschichtiges dielektrisches Schichtsystem auf einem Substrat, typischerweise einem Glassubstrat, abgeschieden. Das mehrschichtige dielektrische Schichtsystem ist physikalisch bedingt so ausgelegt, dass es Infrarotstrahlung reflektiert, das sichtbare Licht jedoch durchlässt. Die WO 2014/029536 A1 betrifft beispielsweise eine Verbundscheibe mit elektrisch schaltbaren optischen Eigenschaften. Die Verbundscheibe umfasst eine Außenscheibe und eine Innenscheibe, die über eine Zwischenschicht flächenmäßig miteinander verbunden sind. Innerhalb der Zwischenschicht ist ein schaltbares Funktionselement mit mindestens einer aktiven Schicht und eine Infrarot-Schutzbeschichtung flächenmäßig zwischen der Außenscheibe und der aktiven Schicht angeordnet, wobei die Infrarot-Schutzbeschichtung mindestens drei funktionelle Schichten mit reflektierenden Eigenschaften für den Infrarotbereich enthält.
Diese Filter sind vergleichsweise günstig in der Herstellung, zeigen allerdings auch Nachteile. Interferenzfilter prägen der Transmissionskurve oft eine gewisse Modulation auf. Diese Modulation wirkt wie ein Kammfilter und kann einzelne Farben beeinflussen.
Außerdem haben Interferenzfilter eine viel größere Abhängigkeit der Filterkurve (Transmissionskurve) vom Lichteinfallswinkel als optisches Filterglas, welches auch als „Farbglas“ oder auch Absorptionsfilter bezeichnet wird. Kompakte Kameras haben typischerweise einen vollen Öffnungswinkel bis 30° und sind oftmals nicht telezentrisch ausgerichtet, d.h. die Lichtstrahlen treffen unter einem Winkel (mit dem vollen Öffnungswinkel) auf den Bildsensor.
Zudem wird das Infrarotlicht durch die Interferenzschicht in die Optik zurückreflektiert. Da der Interferenzfilter im Allgemeinen zumindest auch im nahen Infrarotbereich noch eine Resttransmission aufweist, können durch Mehrfachreflexionen in der Optik auf diese Weise sehr störende Geisterbilder entstehen.
Weiterhin sind dünne Oxidschichten zur Infrarotabsorption bekannt. Die EP 2 163 921 A1 beschreibt beispielsweise ein Laminat mit hitzereflektierenden Eigenschaften. Das Laminat umfasst dabei zwei Substrate und eine mit den Substraten verbundene Zwischenschicht. Zwischen der Zwischenschicht und einem Substrat sind die Wärmestrahlungs-abschirmende Wolframoxidschicht und eine Kunststoffschicht angeordnet.
Schließlich werden auch Metalle als infrarotreflektierende Schichten verwendet. Ein Beispiel hierzu beschreibt die EP 0 810 452 B1 . Als infrarotreflektierendes Material wird hier eine Silberschicht vorgeschlagen. Metalle reflektieren Licht allerdings breitbandig und beeinflussen damit auch die Transmission im sichtbaren Spektralbereich.
Eine Alternative dazu stellen Infrarotfilter in Form von Filtergläsern dar. Ein Filterglas zeigt naturgemäß weder den oben erwähnten Kammfilter-Effekt, noch Geisterbilder durch mehrfach reflektiertes Infrarotlicht, da das Infrarotlicht beim Durchgang durch das Glas absorbiert wird.
Für solche Filtergläser eignen sich besonders Phosphatgläser, unter die auch Fluorphosphatgläser fallen. Allerdings reagieren diese Gläser mit Wasser und sind daher feuchtigkeitsempfindlich. Um diese Gläser zu schützen, ist es bekannt, eine dielektrische Antireflex-Schicht auf dem Glas abzuscheiden. Allerdings sind solche Beschichtungen ohne Fehlstellen sehr aufwändig herzustellen. Zudem kann die Beschichtung beschädigt werden. Hier kommt erschwerend hinzu, dass Phosphatgläser vergleichsweise weich sind und eine entsprechend niedrige Knoop-Härte aufweisen. Damit kann auch die Antireflexschicht bei kratzenden oder puntkförmigen Belastungen leicht eingedrückt und dabei lokal so beschädigt werden, dass Feuchtigkeit eindringt und eine Korrosion in Gang gesetzt wird.
Weiterhin weisen diese Gläser typischerweise auch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dies erschwert die Halterung eines solchen Filters im Verbund mit einem optischen Silizium-Chip, dessen Ausdehnungskoeffizient bei nur 3,2 10^–6K^–1 liegt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, optische Filter hinsichtlich der oben dargelegten Nachteile zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung ein optisches Filterelement zum Ausfiltern spektraler Lichtanteile vor, umfassend

– ein scheibenförmiges Element eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases, welches
– mit lichtabsorbierenden Ionen zumindest eines der Elemente Kupfer, Kobalt, Mangan, Eisen, seltene Erden, Nickel dotiert ist, um durch das scheibenförmige Element hindurchtretendes Licht spektral zu filtern, wobei
– das scheibenförmige Element zwei gegenüberliegende, vorzugsweise planparallele Seitenflächen aufweist, und wobei
– auf zumindest einer der Seitenflächen eine Scheibe eines Dünnglases mit einer Dicke von höchstens 200 Mikrometern, vorzugsweise weniger als 100 µm angeordnet und
– mittels eines optischen Kittes mit der Seitenfläche verkittet ist, und wobei
– der thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe des Dünnglases niedriger ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmiges Elements des Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases.

Das Verfahren zur Herstellung des optischen Filterelements basiert dementsprechend darauf, dass

– das oben genannte scheibenförmige Element mit lichtabsorbierenden Ionen bereitgestellt wird, und
– auf zumindest einer der Seitenflächen eine Scheibe eines Dünnglases mit einer Dicke von höchstens 500 µm, vorzugsweise 200 Mikrometern, besonders bevorzugt weniger als 100 µm, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient niedriger ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmiges Elements angeordnet und
– mittels eines optischen Kittes mit der Seitenfläche verkittet wird.

Besonders bevorzugt werden beide Seitenflächen des scheibenförmigen Elements mit Scheiben eines Dünnglases verkittet. Bildet aber beispielsweise das optische Filterelement einen Teil eines hermetischen Gehäuses, kann auf eine innenseitige Dünnglas-Scheibe gegebenenfalls aber auch verzichtet werden.
Selbst mit einer Dicke ab 5 µm ist Dünnglas absolut dicht gegenüber Wasser. Mit dem erfindungsgemäßen Verbund wird daher ein wirksamer Schutz des Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases gegen Feuchtigkeit geschaffen. Gleichzeitig wird das Phosphat- oder Fluorphosphat-Glas wirksam vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Für letzteren Zweck ist es allgemein günstig, wenn für die Dünngläser ein Glas mit einer höheren Knoop-Härte als die des scheibenförmigen Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselements zu verwenden.
Der auf den ersten Blick nachteilig erscheinende Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten erlaubt es, das optische Filterelement insgesamt an niedrigdehnende weitere optische Komponenten oder Montageeinrichtungen anzupassen. Zudem kann der Unterschied bei der separaten Herstellung des Filterelements berücksichtigt werden, indem Temperaturunterschiede vermieden werden. Wird das Filterelement demgegenüber in einem späteren Montageschritt mit anderen Komponenten vereinigt, können Temperaturunterschiede nicht ausgeschlossen werden. Die Dünngläser bewirken hier auch einen abgedämpften Temperaturausgleich der weiteren Komponenten mit dem Filterglas.
Insbesondere bietet lassen sich die Dünngläser hinsichtlich einer höheren Schichtqualität und weniger Defekten besser beschichten.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer, auch anhand der beigeschlossenen Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Figuren jeweils auf gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
2 eine zweite Ausführungsform mit einseitiger Verkapselung des Phosphatglases,
3 eine Variante der in 2 gezeigten Ausführungsform mit überstehender Dünnglas-Scheibe.
4 die in 2 gezeigten Ausführungsform in Aufsicht,
5 eine Variante der in 1 gezeigten Ausführungsform mit überstehenden Dünnglas-Scheiben,
6 eine weitere Variante mit verschmolzenen Dünnglas-Scheiben,
7 ein Zwischenprodukt mit mehreren mit einem Dünnglas-Substrat verkitteten Filterglas-Elementen.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung. Das optische Filterelement 1 umfasst ein scheibenförmiges Element 3 eines mit lichtabsorbierenden Ionen dotierten Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases. Gerade bei Kamera-Chips ist es günstig, Licht im nahen Infrarot-Bereich auszufiltern, da die silizium-basierten Chips im infraroten Spektralbereich empfindlich sind und damit Infrarot-Anteile des auf den Chip fokussierten Lichts zu Farbverfälschungen führen. Um den Infrarot-Anteil nahe dem sichtbaren Spektralbereich auszufiltern, eignet sich beispielsweise eine Dotierung mit Cu-Ionen.
Für das scheibenförmige Element 3 geeignet sind dabei unter anderem kupferhaltige Phosphat- bzw. Fluorphosphatgläser umfassend die folgenden Komponenten in der chemischen Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):

P₂O₅: 25–80,

Al₂O₃: 1–13,

B₂O₃: 0–3,

Li₂O: 0–13,

Na₂O: 0–10,

K₂O: 0–11,

CaO: 0–16,

BaO: 0–26,

SrO: 0–16,

MgO: 1–10,

ZnO: 0–10

CuO: 1–7.
Von den oben angegebenen Erdalkali-Oxiden müssen in Abweichung der vorstehend angegebenen Zusammensetzung nicht alle Oxide enthalten sein. Vorzugsweise werden aber mindestens zwei der Erdalkalioxide CaO, BaO, SrO und MgO in der Glaszusammensetzung verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform können die folgenden Fluorphosphatgläser umfassend die folgenden Komponenten in der chemischen Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) für das scheibenförmige Element 3 verwendet werden:

P₂O₅: 25–60,

Al₂O₃: 1–13,

Li₂O: 0–13,

Na₂O: 0–10,

K₂O: 0–11,

MgO: 1–10,

CaO: 1–16,

BaO: 1–26,

SrO: 0–16,

ZnO: 0–10

CuO: 1–7.

Σ RO (R = Mg, Ca, Sr, Ba) 15–40
Σ R₂O (R=Li, Na, K) 3–18
wobei im Glas ausgehend von der genannten Zusammensetzung 1 bis 39 Mol-% der Oxidionen (O^2–) durch Fluoridionen (F^–) ersetzt sind.
As₂O₃ ist als Läutermittel optional. Bei Verwendung von As₂O₃ beträgt dessen Anteil vorzugsweise bis 0,02 Gewichtsprozent. Fluorphosphat-Gläser sind weniger feuchtigkeitsempfindlich als Fluor-freie oder Fluor-arme Gläser, allerdings wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau des optischen Filterelements ohnehin ein Kontakt des Filterglases mit Feuchtigkeit vermieden.
Auch Fluorphosphat-Gläser fallen unter die Klasse der Phosphatgläser. Im Folgenden wird daher der Einfachheit halber von Phosphatgläsern gesprochen, wobei mit diesem Begriff, sofern nicht anders erwähnt, auch Fluorphosphatgläser erfasst werden. Im Allgemeinen weisen Phosphatgläser und damit auch Fluorphosphat-Gläser einen SiO₂-Gehalt kleiner als 50 Gewichtsprozent auf.
Auf zumindest einer der Seitenflächen 31, 33 des scheibenförmigen Elements 3 ist nun eine Scheibe 5 eines Dünnglases mit einer Dicke von höchstens 500 Mikrometern, vorzugsweise höchstens 200 Mikrometern, insbesondere bevorzugt weniger als 100 µm angeordnet und mittels eines optischen Kittes 7 mit der Seitenfläche 31, 33 verkittet. Mit der aufgekitteten Dünnglas-Scheibe 5 werden mehrere positive Effekte erzielt. Insbesondere wird verhindert, dass das Phosphatglas durch Kontakt mit Feuchtigkeit korrodiert und eintrübt, da das Dünnglas eine sehr wirksame Feuchtigkeitsbarriere darstellt. Weiterhin wird die Oberfläche des scheibenförmigen Elements 3 auch vor mechanischen Beschädigungen geschützt.
Für den Kitt 7 wird allgemein, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ein möglichst wasserarmes Material bevorzugt. Geeignet sind insbesondere kunstharz-basierte optische Kitte. Dabei werden entsprechend solche Kitte nicht bevorzugt, die wasseraktiviert härten. Beispiele von Kitten 7, wie sie für die Erfindung geeignet sind, sind UV-härtende Acrylat- oder Epoxid-Klebstoffe, oder auch thermisch vernetzende Kunstharze.
Die Schichtdicke des optischen Kittes 7 ist vorzugsweise sehr dünn. Allgemein wird bevorzugt, dass die Schichtdicke des optischen Kittes 7 zwischen dem scheibenförmigen Element 3 und der jeweils eine Seitenfläche 31, 33 abdeckenden Scheibe 5, 6 eines Dünnglases weniger als 50 Mikrometer beträgt.
Um einen wirksamen mechanischen Schutz für das Filterglas, beziehungsweise das scheibenförmige Element eines Phosphatglases zu erreichen, wird es allgemein, ohne Beschränkung auf die spezielle in 1 gezeigte Ausführungsform bevorzugt, wenn das Dünnglas eine höhere Knoop-Härte als das scheibenförmige Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselement 3 aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird weiterhin im Allgemeinen auch eine höhere Biegefestigkeit des Filterelements 1 im Vergleich zum scheibenförmigen Element 3 erreicht. Gegenüber einer einfachen Filterglas-Scheibe wird durch den erfindungsgemäßen Verbund aus scheibenförmigem Element 3 und zumindest einer mittels eines optischen Kitts 7 verbundenen Dünnglas-Scheibe 5, 6 eine höhere mechanische Stabilität erzielt.
Eine geeignete Gruppe von Gläsern für die Dünnglas-Scheiben 5 sind alkalifreie Borosilikatgläser. Hier wird folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent bevorzugt: Komponente Gew%

SiO₂ >58–65

Al₂O₃ >14–25

B₂O₃ >6–10,5

MgO 0–<3

CaO 0–9

BaO >3–8

ZnO 0–<2
Diese Gläser lassen sich leicht zu sehr dünnen Glasbändern mit Dicken von 200 µm oder weniger verarbeiten. Zur Herstellung solcher Dünngläser eignen sich das Down-Draw-Verfahren, das Overflow-Fusion-Verfahren, sowie auch das Ziehen eines Glasbands aus einem erwärmten Vorkörper. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Gläser liegt typischerweise bei kleiner als 4·10^–6 K^–1.
Eine weitere Klasse dünn ausziehbarer und damit für die Dünnglas-Scheiben 5 verwendbare Gläser sind Borosilikat-Gläser. Insbesondere geeignet sind dabei Gläser mit folgenden Komponenten in Gewichtsprozent:

SiO₂ 30–85

B₂O₃ 3–20

Al₂O₃ 0–15

Na₂O 3–15

K₂O 3–15

ZnO 0–12

TiO₂ 0.5–10

CaO 0–0.1
Vorzugsweise ist in der Glaszusammensetzung noch Selenoxid (als SeO₂ oder SeO₃) zu 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent enthalten.
Diese Gläser weisen typischerweise lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten von kleiner als 8·10^–6 K^–1 auf.
Demgegenüber liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient α (20°C bis 300°C) von geeigneten Phosphat- oder Fluorphosphat-Gläsern oft bei mehr als 8·10^–6 K^–1 oder sogar mehr als 11·10^–6 K^–1.
Allgemein ist daher in Weiterbildung der Erfindung ein scheibenförmiges Element 3 vorgesehen, welches einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient α von mehr als 8·10^–6 K^–1, oder sogar von mindestens 10·10^–6 K^–1 aufweist. Mit einem hohen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Filterglases wird im Allgemeinen auch die Differenz zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des abdeckenden Dünnglases größer. Allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen, oben genannten Gläser ist daher gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Dünnglas-Scheibe 5 mindestens um einen Wert von 2·10^–6 K^–1, vorzugsweise von mindestens 3·10^–6 K^–1 kleiner als der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmigen Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselements 3 ist.
Für die Scheiben 5, 6 können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Auswahl der Komponenten der Glaszusammensetzung auch vorteilhaft Dünngläser verwendet werden, die eine sehr niedrige Alphastrahlungs-Aktivität von weniger als 0,01 Ereignissen pro Stunde und Quadratzentimeter aufweisen. Hier kommt der Erfindung zugute, dass die Auswahl der Komponenten zwar vergleichsweise aufwändig ist, andererseits aber aufgrund der kleinen Dicke und damit geringen Menge des eingesetzten Glases die Herstellungskosten nicht wesentlich erhöht werden. Eine niedrige Alphastrahlungs-Aktivität ist unter anderem günstig, um das Dunkelrauschen eines dem optischen Filterelement 1 nachgeschalteten optischen Chips nicht zusätzlich zu erhöhen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, nach welcher auch das in 1 gezeigte Beispiel ausgebildet ist, sind beide Seitenflächen 31, 33 des scheibenförmigen Elements 3 mit Scheiben 5, 6 eines Dünnglases verkittet. Damit werden durch das Dünnglas beide optischen Flächen des Filterglases vor Umwelteinflüssen geschützt.
Diese Ausführungsform der Erfindung bietet zudem auch den Vorteil, dass Temperaturänderungen in der Umgebung, etwa bei der Montage des optischen Filterelements in einer Optik mit weiteren Komponenten zu einem symmetrischen Profil thermisch induzierter Spannungen führt.
Da die Scheiben 5, 6 sehr dünn gehalten werden können, kann im Allgemeinen die Gesamtdicke des optischen Filterelements kleiner als 3,4 Millimeter gehalten werden. Weiterhin ist es vorteilhaft und im Allgemeinen ausreichend, wenn die Gesamtdicke des oder der Scheiben 5, 6 kleiner ist, als die Dicke des scheibenförmigen Elements 3. Mit anderen Worten beträgt die Dicke des scheibenförmigen Elements gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung mehr als die Hälfte der Dicke des optischen Filterelements 1. Damit wird erreicht, dass der vom optischen Filterelement 1 eingenommene Raum klein bleibt. Beispielsweise kann das scheibenförmige Element 3 eine Dicke von 1 mm aufweisen. Selbst bei der Verwendung von 200 Mikrometern dickem Dünnglas für die Scheiben 5, 6 ist damit das Filterglas dicker als die beiden Scheiben 5, 6 zusammengenommen.
Weiterhin eignen sich Gläser mit niedrigerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besser, um Beschichtungen aufzubringen. Wie bereits oben erläutert, sind zudem Beschichtungen ohne Fehlstellen nicht einfach auf Phosphatgläsern abzuscheiden. Als Beschichtungen sind insbesondere Antireflex-Beschichtungen günstig, um Reflexionsverluste an den Oberflächen des optischen Filterelements 1 zu verringern.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind dazu die Oberflächen, beziehungsweise die Außenseiten jeder der Scheiben 5, 6 jeweils mit einer Antireflex-Beschichtung 91, beziehungsweise 92 versehen. Würde aber beispielsweise eine Seite des optischen Filterelements 1 mit einem weiteren optischen oder optoelektronischen Element direkt, beispielsweise durch Verkitten verbunden, bietet es sich an, auf dieser Seite keine Antireflex-Beschichtung vorzusehen. Gegebenenfalls ist es aber günstig, eine andere Beschichtung, wie etwa eine Haftvermittler-Schicht vorzusehen, oder ein Interferenzfiltersystem, das dem Filter weitere spektrale Eigenschaften hinzufügt.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann auch eine transparente leitfähige Oxidschicht aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann als elektromagnetische Abschirmung verwendet werden. Oft strahlt beispielsweise die Elektronik einer Kamera hochfrequente elektromagnetische Wellen ab. Während sich die empfindlichen Kamerachips mit dem Gehäuse gut abschirmen lassen, können die elektromagnetischen Wellen aber durch die Optik hindurch noch zum Chip gelangen und dann Störsignale verursachen. Das Filterelement 1 bietet sich hier sehr gut an, mittels einer abschirmenden leitfähigen Oxidschicht dieses verbleibende Leck zu schließen, zumal das Filterelement 1 vorzugsweise entweder direkt auf dem Chip oder auch als Fenster am ebenfalls abschirmenden Gehäuse einer Kamera verbaut wird, so dass jedenfalls eine gute Abschirmwirkung erzielt wird.
Hier besteht auch die Möglichkeit, eine solche Schicht gut geschützt in den Schichtverbund zwischen den Scheiben 5, 6, also entweder auf einer der Scheiben auf der dem Phosphatglas-Element 3 zugewandten Seite oder auf dem Phosphatglas-Element 3 selbst abzuscheiden. In 1 ist eine solche leitfähige Oxidschicht 11, wie beispielsweise eine Fluor-dotierte Zinnoxidschicht oder eine Indium-Zinnoxidschicht auf der mit dem Phosphatglas-Element 3 verkitteten Seitenfläche der Dünnglasscheibe 6 abgeschieden. Selbstverständlich kann eine solche Oxidschicht 11 auch auf einer der anderen Seitenflächen aufgebracht sein. Ohne Beschränkung auf das in 1 gezeigte Beispiel ist daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine solche Oxidschicht 11, insbesondere auf einer der mit dem optischen Kitt 7 verkitteten Seitenflächen des Phosphatglas-Elements 3 oder einer Dünnglasscheibe 5, 6 angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine dielektrische Interferenz-Beschichtung, beispielsweise als Antireflex-Beschichtung auf einer der verkitteten Seitenflächen vorgesehen werden. Eine Antireflex-Beschichtung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Brechungsindex-Unterschied zwischen der Dünnglasscheibe oder dem Phosphatglas-Element und dem optischen Kitt 7 zu höheren Reflexionsverlusten führen würde. Allgemein wird aber bevorzugt, dass der Brechungsindex-Unterschied zwischen der Dünnglasscheibe 5, 6 und dem optischen Kitt 7, sowie von Phosphatglas-Element 3 und optischem Kitt jeweils weniger als 0,2 beträgt. Insbesondere kann eine solche dielektrische Interferenz-Beschichtung auch zur Rückreflexion von UV-Licht dienen. In Kombination mit dem Filterglas kann dann eine gezielte Ausfilterung unerwünschter spektraler Anteile mit dem optischen Filterelement 1 erzielt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine solche UV-reflektierende Beschichtung mit einer Antireflex-Beschichtung 91, 92 zu kombinieren, beziehungsweise das Schichtsystem der Antireflex-Beschichtung so auszulegen, dass dieses im ultravioletten Spektralbereich reflektiert. Ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist daher gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Scheibe 5, 6 eines Dünnglases auf ihrer Außenseite mit einer Beschichtung versehen ist. Dabei kann diese Beschichtung insbesondere eine Antireflex-Beschichtung umfassen.
2 zeigt eine vereinfachte Variante des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Variante ist nur auf einer der Seitenflächen 31, 32 (Seitenfläche 31) eine Scheibe 5 eines Dünnglases aufgebracht und verkittet. Eine solche vereinfachte Ausführung der Erfindung bietet sich dann an, wenn das optische Filterelement 1 Teil eines hermetischen Gehäuses bildet, wobei die mit der Scheibe 5 eines Dünnglases versehene Seite des Filterelements dann die Außenseite des Gehäuses bildet. Gegebenenfalls kann auf der Seitenfläche 33, welche der verkitteten Seitenfläche des Phosphatglas-Elements gegenüberliegt, noch eine Antireflexbeschichtung 92 abgeschieden werden. Dies bietet sich beispielsweise dann an, wenn das optische Filterelement 1 nicht auf dieser Seite mit einem weiteren optischen Element, wie etwa einem Kamerachip direkt verbunden wird.
Bei der in 3 gezeigten Variante ist ebenfalls nur eine Seitenfläche 31 des scheibenförmigen Glaselements 3 mit einer Dünnglasscheibe 5 verkittet. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ragt hier aber die Dünnglasscheibe 5 über die Kante 35 des scheibenförmigen Glaselements 3 hinaus. Eine solche Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise sinnvoll sein, um die durch das Hinausragen über die Kante 35 gebildeten Absätze als Montagehilfe zu nutzen.
4 zeigt die Variante gemäß 3 in Aufsicht. Wie anhand von 4 gezeigt, kann die Scheibe 5 über alle Kantenabschnitte 351, 352, 353, 354, welche eine allgemein rechteckige oder quadratische Umfangsform definieren, hinausragen. Denkbar ist aber auch, die Scheibe 5 eines Dünnglases nicht durchgängig über die gesamte Länge der Kante 35 hinausragen zu lassen. Beispielsweise kann die Scheibe 5 anders als in 4 gezeigt, über zwei gegenüberliegende Kantenabschnitte 351, 353 (oder 352, 354) hinausragen und mit den beiden anderen Kantenabschnitten bündig abschließen. Auch auf diese Weise können die gegenüberliegend angeordneten Absätze als Montagehilfe genutzt werden.
Eine entsprechende Weiterbildung des in 1 gezeigten Beispiels zeigt 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ragen beide Scheiben 5, 6 des Dünnglases über die Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3 hinaus. Damit wird eine um die Kante 35 verlaufende Nut geschaffen, die wiederum als Montagehilfe dienen kann. Auch kann in diese Nut eine Versiegelung der Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3 aufgenommen werden. Bei dem dargestellten Beispiel wird als Versiegelung der optische Kitt 7, welcher auch zum Verkitten der Scheiben 5, 6 eines Dünnglases mit dem scheibenförmigen Element 3 dient, verwendet.
Selbstverständlich kann eine Versiegelung der Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3, beispielsweise mit dem optischen Kitt 7, auch bei allen anderen hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung allgemein vorgesehen, dass die Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3 mit einer Versiegelung, z.B. mit optischem Kitt versehen ist. Vorzugsweise ist die Versiegelung der Kante 35 mit einem hydrophoben, bzw. feuchtedichtenden Kitt auszuführen, damit das Phosphatglas hermetisch gegen Feuchte geschützt wird.
Eine weitere Möglichkeit der Versiegelung der Kante 35 zeigt 6. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden Scheiben 5, 6 verwendet, deren Ränder 50, beziehungsweise 60 über die Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3 aus Filterglas hinausragen. Nach dem Verkitten (der optische Kitt 7 ist der Einfachheit halber in 6 nicht dargestellt) wird zumindest eine der Scheiben 5, 6 an dessen Rand 50, 60 erwärmt, verformt und mit dem Rand der anderen Scheibe verschmolzen. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wurde nur der Rand 50 der Scheibe 5 erwärmt und gesenkt, so dass dieser mit dem Rand 60 der Scheibe 6 verschmilzt oder verschweißt. Selbstverständlich können auch die Ränder 50, 60 beider Scheiben verformt werden.
Diese lokale Erwärmung kann mit einem Laser geschehen.
Jedenfalls wird mittels dieser Weiterbildung der Erfindung, bei welcher
– auf jeder der Seitenflächen 31, 32 des scheibenförmigen Elements 3 eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases eine Scheibe 5, 6 eines Dünnglases mittels eines optischen Kittes 7 befestigt wird, derart, dass
– die Ränder 50, 60 beider Scheiben 5, 6 über die Kante 35 des scheibenförmigen Elements 3 hinausragen,
– der Rand 50, 60 zumindest einer der Scheiben 5, 6 erwärmt und zur anderen Scheibe 6, 5 hin verformt und
– die beiden Ränder 50, 60 der Scheiben 5, 6 miteinander verschweißt, beziehungsweise verschmolzen werden,
eine besonders hermetische, vollständige Verkapselung des Filterglases in Glas erreicht.
Die Erfindung bietet noch einen weiteren Vorteil bei der Herstellung eines optischen Filterelements. Es ist nämlich problematisch, Phosphatgläser zu polieren oder dünn zu schleifen. Die Gläser sind, wie bereits oben ausgeführt, im Allgemeinen mechanisch nicht sehr stabil und können daher bei der abrasiven Bearbeitung leicht brechen. Zudem lässt sich ein Kontakt mit Wasser während des Schleifens oder Polierens kaum vermeiden. Daher sollte die Bearbeitungsdauer beim abrasiven Abtrag möglichst kurz gehalten werden. Diese Probleme verschärfen sich noch, je dünner das Filterglas im Verhältnis zu seinen lateralen Abmessungen ist. Gerade für miniaturisierte Kameramodule wären allerdings möglichst dünne Filter wünschenswert.
Um diesen Problemen zu begegnen, können nun zunächst wie in 7 dargestellt, mehrere scheibenförmige Elemente 3 mittels eines optischen Kittes 7 (in der Aufsicht der 7 nicht dargestellt) mit einem Substrat 2 eines Dünnglases verkittet werden. Die scheibenförmigen Elemente können nun dünner geschliffen und/oder poliert werden. Viele Filter auf einem gemeinsamen Glasträger lassen sich viel besser ganz dünn polieren, als einzelne Scheibchen. Das Handling ist einfacher und die Filter brechen nicht mehr so leicht beim Polieren. Der Verbund mit dem Dünnglas-Substrat 2 schafft zusätzliche Stabilität. Zudem wird die bereits verkittete Seitenfläche der Elemente 3 bereits durch die Verkittung vor der Einwirkung von Wasser geschützt.
Nach dem Schleifen und/oder Polieren können aus dem Verbund mit dem Dünnglas-Substrat 2 einzelne Scheiben 5 mit jeweils einem aufgekitteten scheibenförmigen Element 3 abgetrennt werden. In dieser Form entspricht das herausgetrennte Teil bereits der in 2 oder 3 gezeigten Ausführungsform. Es können dann auf die gegenüberliegenden Seitenflächen der scheibenförmigen Elemente 3 ebenfalls Scheiben 6 eines Dünnglases aufgekittet werden, um ein optisches Filterelement 1 gemäß den Ausführungsformen der 1 oder 5 zu erhalten. Ebenso ist es auch möglich, vor dem Abtrennen ein weiteres Substrat 2 auf die frei gebliebenen, zuvor geschliffenen und/oder polierten Seitenflächen aufzukitten und dann einzelne Teile herauszutrennen, welche dann den Ausführungsformen der 1 oder 5 entsprechen.
Bei allen diesen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden aber jedenfalls folgende Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt:

– Bereitstellen eines Dünnglas-Substrats 2,
– Verbinden einer Mehrzahl von scheibenförmigen Elementen 3 eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases mit dem Dünnglas-Substrat 2 mittels eines optischen Kittes 7, so dass die scheibenförmigen Elemente 3 wie beispielhaft in 7 dargestellt, auf dem Dünnglas-Substrat 2 nebeneinander angeordnet sind,
– abrasiver Materialabtrag (insbesondere Schleifen und/oder Polieren) von den scheibenförmigen Elementen 3, und
– Abtrennen von Scheiben 5 vom Dünnglas-Substrat 2, wobei die Scheiben 5 jeweils mit mindestens einem scheibenförmigen Element 3 verkittet sind.

Bezugszeichenliste

1: Optisches Filterelement
2: Dünnglas-Substrat
3: scheibenförmiges Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselement
5, 6: Dünnglas-Scheibe
7: optischer Kitt
91, 92: Antireflex-Beschichtung
31, 33: Seitenflächen von 3
11: transparente, leitfähige Oxidschicht
35: Kante von 3
50, 60: Rand von 5, 6
351, 352, 353, 354: Kantenabschnitte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/029536 A1 [0003]
EP 2163921 A1 [0007]
EP 0810452 B1 [0008]

Claims

Optisches Filterelement (1) zum Ausfiltern spektraler Lichtanteile, umfassend – ein scheibenförmiges Element (3) eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases, welches – mit lichtabsorbierenden Ionen zumindest eines der Elemente Kupfer, Kobalt, Mangan, Eisen, seltene Erden, Nickel dotiert ist, um durch das scheibenförmige Element (3) hindurchtretendes Licht spektral zu filtern, wobei – das scheibenförmige Element (3) zwei gegenüberliegende, vorzugsweise planparallele Seitenflächen (31, 33) aufweist, und wobei – auf zumindest einer der Seitenflächen (31, 33) eine Scheibe (5) eines Dünnglases mit einer Dicke von höchstens 500 Mikrometern, vorzugsweise weniger als 200 Mikrometer und besonders vorzugsweise weniger als 100 µm angeordnet und – mittels eines optischen Kittes (7) mit der Seitenfläche (31, 33) verkittet ist, und wobei – der thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe (5) des Dünnglases niedriger ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmiges Elements (3) des Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases.
Optisches Filterelement (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seitenflächen (31, 33) des scheibenförmigen Elements (3) mit Scheiben (5, 6) eines Dünnglases verkittet sind.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglas eine höhere Knoop-Härte als das scheibenförmige Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselement aufweist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) eine höhere Biegefestigkeit aufweist als das scheibenförmige Element (3).
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das scheibenförmige Element (3) einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient α von mehr als 8·10^–6 K^–1 aufweist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Dünnglas-Scheibe (5) mindestens um einen Wert von 2·10^–6 K^–1, vorzugsweise von mindestens 3·10^–6 K^–1 kleiner als der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmigen Phosphat- oder Fluorphosphat-Glaselements (3) ist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Scheibe (5, 6) eines Dünnglases auf ihrer Außenseite mit einer Antireflex-Beschichtung (91, 92) versehen ist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kante (35) des scheibenförmigen Elements (3) mit hydrophoben oder wasserdichten Kitt (7) als Versiegelung versehen ist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas der Scheibe (5) eines Dünnglases eine Alphastrahlungs-Aktivität von weniger als 0,01 Ereignissen pro Stunde und Quadratzentimeter aufweist.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke des scheibenförmigen Elements (3) mehr als die Hälfte der Dicke des optischen Filterelements (1) beträgt.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke des optischen Kittes (7) zwischen dem scheibenförmigen Element (3) und Scheibe (5, 6) eines Dünnglases weniger als 50 Mikrometer beträgt.
Optisches Filterelement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine transparente leitfähige Oxidschicht (11), vorzugsweise auf einer der mit dem optischen Kitt (7) verkitteten Seitenflächen des Phosphatglas-Elements (3) oder der Dünnglasscheibe (5, 6).
Verfahren zur Herstellung eines optischen Filterelements (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem – ein scheibenförmiges Element (3) eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases bereitgestellt wird, welches – mit lichtabsorbierenden Ionen zumindest eines der Elemente Kupfer, Kobalt, Mangan, Eisen, seltene Erden, Nickel dotiert ist, um durch das scheibenförmige Element (3) hindurchtretendes Licht spektral zu filtern, und welches – zwei gegenüberliegende, vorzugsweise planparallele Seitenflächen (31, 33) aufweist, und wobei – auf zumindest einer der Seitenflächen (31, 33) eine Scheibe (5) eines Dünnglases mit einer Dicke von höchstens 500 Mikrometern, vorzugsweise höchstens 200 Mikrometern, besonders bevorzugt weniger als 100 µm, – deren thermischer Ausdehnungskoeffizient niedriger ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient des scheibenförmiges Elements (3) des Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases, angeordnet und – mittels eines optischen Kittes (7) mit der Seitenfläche (31, 33) verkittet wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, bei welchem – auf jeder der Seitenflächen (31, 32) des scheibenförmigen Elements (3) eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases eine Scheibe (5, 6) eines Dünnglases mittels eines optischen Kittes (7) befestigt wird, derart, dass – die Ränder (50, 60) beider Scheiben (5, 6) über die Kante (35) des scheibenförmigen Elements (3) hinausragen, – der Rand (50, 60) zumindest einer der Scheiben (5, 6) erwärmt und zur anderen Scheibe (6, 5) hin verformt und – die beiden Ränder (50, 60) der Scheiben (5, 6) miteinander verschweißt oder verschmolzen werden.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Dünnglas-Substrats (2), – Verbinden einer Mehrzahl von scheibenförmigen Elementen (3) eines Phosphat- oder Fluorphosphat-Glases mit dem Dünnglas-Substrat (2) mittels eines optischen Kittes (7), so dass die scheibenförmigen Elemente (3) auf dem Dünnglas-Substrat (2) nebeneinander angeordnet sind, – abrasiver Materialabtrag von den scheibenförmigen Elementen (3), und – Abtrennen von Scheiben (5) vom Dünnglas-Substrat (2), wobei die Scheiben (5) jeweils mit mindestens einem scheibenförmigen Element (3) verkittet sind.