DE102017004828A1

DE102017004828A1 - aSi:H Bandpass mit hochbrechendem Zweitmaterial und zweitem Bandpass als Blocker

Info

Publication number: DE102017004828A1
Application number: DE102017004828.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Eisenhammer
Original assignee: OPTICS BALZERS AG
Current assignee: OPTICS BALZERS AG
Priority date: 2017-05-20
Filing date: 2017-05-20
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-05-21
Also published as: CN110622049B; DE102017004828B4; US11022733B2; CN110622049A; TWI741118B; TW201901194A; US20200408977A1; WO2018215044A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Filter mit einem Substrat, das einen primären Bandpass zumindest vorwiegend auf Interferenzbasis und einen sekundären Bandpass zumindest vorwiegend auf Interferenzbasis umfasst. Beide Bandpässe sind so ausgestaltet, dass sie im erwünschten spektralen Transmissions-Wellenlängenintervall über den gesamten benötigten Winkelbereich ausreichend transmittieren. Der primäre Bandpass zeichnet sich aber dadurch aus, dass er den vom Gesamtsystem geforderten geringen Winkelshift aufweisst. Er hat ausserdem ein, durch die Anforderungen der jeweiligen Anwendung gegebenes, möglichst kleines spektrales Transmissions-Wellenlängenintervall, das durch schmale blockierende Bänder begrenzt ist. Der sekundäre Bandpass ist so ausgestaltet, dass sein Transmissions-Wellenlängenintervall durch eine kurzwellige und eine langwellige Kante begrenzt wird und ist derart auf den primären Bandpass abgestimmt, dass seine Kanten über dem geforderten Winkelbereich lediglich innerhalb der blockierenden Bänder des primären Bandpasses schieben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Filter mit geringem Winkelshift. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf unterschiedliche und bevorzugte Ausführungsformen.
Mehrschichtsysteme auf der Basis von wasserstoffhaltigem und grossteils amorphem Silizium (aSi:H) sind seit einiger Zeit Stand der Technik und werden zusammen mit niedrigbrechenden Materialien wie SiO₂ oder Siliziumnitrid Si₃N₄ als optische Filter im nahen Infrarot-Bereich eingesetzt. Ein Beispiel für einen Bandpassfilter mit hoher Transmission für einen Spektralbereich von ca. 800nm-1000nm, bestehend aus einem Langpassfilter für Wellenlängen grösser als ca. 800nm auf der einen und einem Kurzpassfilter für Wellenlängen kleiner als ca. 1000nm auf der anderen Seite eines transparenten Substrates, findet sich in Tsai et al. US5398133 . Das niedrigbrechende Material ist in diesem Fall Si₃N₄ mit einem Brechwert von ca. 1.78 in diesem Spektralbereich. Weitere Beispiele für Bandpassfilter mit hoher Transmission im Spektralbereich über 800nm finden sich in Hendrix et al. US9354369 . Die dort vorgestellten Bandpässe benutzen SiO₂, typisch mit einem Brechwert von ca. 1.47 in diesem Spektralbereich, als niedrigbrechendes Material. Anwendungen dieser Filter liegen zum Beispiel im Bereich der Abstandsmessung. Hierbei wird die Umgebung mit einem Infrarot-Strahler mit einer Wellenlänge typischerweise im Bereich 850-950nm gepulst ausgeleuchtet. Die von Objekten zurück gestreute oder reflektierte Strahlung wird von einem Sensor empfangen und die Zeitverzögerung zwischen Aussenden und Empfang des Pulses zur Bestimmung des Abstands gemessen. Um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Sensors zu verbessern, wird der Sensor mit einem Bandpassfilter für den Spektralbereich des Emitters abgedeckt, so dass vom Sensor möglichst nur die Strahlung der Infrarotquelle detektiert wird. Eine weitere Anwendung betrifft Infrarotsensoren in „Lichtvorhängen“, die als Sicherheitselemente zur Anlagenabschaltung bei Unterbrechung des Lichtvorhangs verwendet werden.
Vorteile des aSi:H in dieser Anwendung sind der grosse Brechwert und die hohe Absorption des aSi:H für Wellenlängen unterhalb der Bandpass-Transmission, welche zusammen einfache Filterdesigns ermöglichen. Gemäss Standardliteratur beträgt der Brechwert bei 827nm n=4.13, wobei dieser Wert zum Beispiel auf Grund von Verunreinigungen durch insbesondere Sauerstoff häufig jedoch nicht erreicht wird, so dass Brechwerte bei dieser Wellenlänge eher im Bereich 3.4-3.9 liegen. Auf Grund des grossen Brechwerts tritt bei Verwendung eines entsprechenden niedrigbrechenden Materials im Filterschichtsystem ein grosser Brechwert-Sprung auf, welcher es ermöglicht, mit weniger Schichten einfachere und dünnere Schichtdesigns für die Bildung des Transmissions-Wellenlängenintervalles mit steilen Kanten umzusetzen im Vergleich zu Filterdesigns, deren hochbrechendes Material einen kleineren Brechwert aufweist (zum Beispiel Nb₂O₅ mit einem Brechwert von ca. 2.25-2.3 bei 800nm). Für Materialkombinationen ohne Absorption muss zur Blockung eines weiten Spektralbereiches von typisch 300-800nm ein aufwändiges Schichtsystem verwendet werden, um Strahlung sämtlicher Wellenlängen und für einen grossen Winkelbereich zu reflektieren. aSi:H hingegen absorbiert bei ausreichender Materialdicke und abhängig von den detaillierten Materialeigenschaften einen grossen Teil der Strahlung im Spektralbereich unter ca. 700nm und typischerweise unter 600nm die Strahlung nahezu komplett, so dass weniger Schichten zur Erzeugung der Blockung in diesem Spektralbereich nötig sind. Diese auf Absorption beruhende Blockung ist zusätzlich im Wesentlichen unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung.
Weiterhin ist es bekannt, dass hochbrechende Materialien Filter mit nur schwacher Abhängigkeit der spektralen Eigenschaften vom Einfallswinkel ermöglichen (z.B. Macleod, Thin Film Optical Filters, 3.Auflage 2001, Kapitel 7.2.4 und insbesondere Graphik 7.12 auf Seite 287), wodurch ebenfalls einfachere Filterdesigns möglich sind, sofern grosse Einfallswinkelbereiche gefordert sind. Bei Beispielen solcher Filter ist das niedrigbrechende Material meist wiederum SiO₂. Hendrix et al. US9354369 berichten einen Winkelshift von im optimalen Fall 12.2nm für den Winkelbereich von 0° bis 30°.
Hendrix et al. US9354369 berichten ausserdem von aSi:H mit sehr niedrigem k <0.0005 im Spektralbereich über 800nm. Der Bandpass wurde auf der einen Glasseite aufgetragen, während auf der anderen Seite des Substrates nur eine Antireflex (AR)-Schicht aus SiO₂ und Ta₂O₅ aufgebracht wurde. Diese AR-Schicht hat keine Blockungsfunktion, so dass im Spektralbereich zwischen ca. 600nm und dem Spektralbereich des Bandpasses (je nach Design zwischen 810 und 840nm) die Blockung der Strahlung grossteils durch Interferenz im aSi:H / SiO₂ - Bandpassfilter erfolgt.
Wünschenswert für viele Anwendungen ist es jedoch, den Winkelshift weiter zu reduzieren oder für noch grössere Winkel als 30° oder 40° sehr gute Transmission innerhalb des Spektralbereichs des Bandpasses bei gleichzeitig sehr guter Blockung der Strahlung ausserhalb des Spektralbereiches des Bandpasses zu ermöglichen. Bandpässe werden häufig auf der Basis von Fabry-Perot-Filtern aufgebaut, die aus einer oder mehreren Anordnungen, bestehend aus einer zwischen Spiegelschichten angeordneten Kavitäten (auch Abstandshalter oder Spacer genannt), aufgebaut sind. Als Fabry-Perot-Filter im Sinne der vorliegenden Beschreibung sollte jede Kombination aus Spiegelschichten und dazwischen angeordneten Abstandshaltern verstanden werden, egal, wie die Spiegel letztlich realisiert sind. Oftmals werden die Spiegelschichten auf der Basis von aus Einzelschichten aufgebauten Interferenzschichten realisiert. Die Kavitäten sind dann dicker als die Einzelschichten der Spiegelschichten zwischen denen sie angeordnet sind, siehe z.B. Macleod, Thin Film Optical Filters, 3.Auflage 2001, Kapitel 7.2.4.
In der üblichen Notation zur Beschreibung von Filtern wird eine hochbrechende Schicht mit der optischen Dicke eines Viertels der Designwellenlänge mit „H“, und analog eine niedrigbrechende Schicht mit der optischen Dicke eines Viertels der Designwellenlänge mit „L“ bezeichnet. Der einfachste Fabry-Perot-Filter mit einer Kavität aus dem hochbrechenden Material ist daher Substrat / HL-2H-LH, wobei die Kavität die doppelte Dicke aufweist wie die Spiegelschichten. Komplexere Designs mit mehreren und dickeren Kavitäten sowie mehr Spiegelschichten sind möglich, z.B. Substrat / HL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LH. In Macleod sind einfache Formeln für die Berechnung des Winkelshift solcher Designs angegeben. Der Filter wird üblicherweise mit einem „effektiven Brechwert“ n* beschrieben und der Winkelshift des Bandpasses mit einer Zentralwellenlänge λ₀ kann als umgekehrt proportional zum Quadrat von n* gemäss folgender Formel (1) abgeschätzt werden $Δ λ = λ_{0} (1 - \sqrt{1 - \frac{{(s i n φ)}^{2}}{n *^{2}}}) \approx \frac{1}{2} λ_{0} \frac{{(s i n φ)}^{2}}{n *^{2}}$
Um den Winkelshift zu minimieren, muss also n* maximiert werden. Es ist bekannt, dass die Kavität aus dem hochbrechenden Material hergestellt werden muss, um den Winkelshift zu minimieren. Aus der folgenden Formel (2) für die Berechnung von n* für hochbrechende Kavitäten $n * = n_{H} {(\frac{m - (m - 1) (\frac{n_{L}}{n_{H}})}{(m - 1) - (m - 1) (\frac{n_{L}}{n_{H}}) + (\frac{n_{H}}{n_{L}})})}^{\frac{1}{2}}$
ist ersichtlich, dass der Winkelshift reduziert wird, wenn die Brechwerte sowohl des hochbrechenden als auch des niedrigbrechenden Materials maximiert werden und weiterhin die „Ordnung“ der Kavität(en) erhöht wird, wobei die Ordnung m=1 für eine Dicke 2H, m=2 für eine Dicke 4H, m=3 für eine Dicke 6H und so weiter ist.
Formel 2 erlaubt den effektiven Brechwert für bestimmte Filteraufbauten zu errechnen. Allerdings kann diese Formel manchmal nicht zur Anwendung kommen, beispielsweise u.a. wenn ein Bandpassfilter Kavitäten unterschiedlicher Ordnung umfasst. In diesem Fall soll im Rahmen dieser Beschreibung als effektiver Brechwert derjenige verstanden werden, der sich in Anlehnung an Formel 1 aus folgender Formel 2a mit einem Einfallswinkel von 30° ergibt, wobei Δλ(30°) vorzugsweise der gemessene oder, falls dieser nicht direkt messbar ist, der mit Hilfe von Dünnschichtkalkulationsprogrammen bestimmte Winkelshift bei einem Einfallswinkel von 30° ist: $n * = \sqrt{\frac{λ_{0}}{2 Δ λ (30 °)}} sin (30 °)$
Der Brechwert des hochbrechenden Materials ist begrenzt durch die Verfügbarkeit entsprechender Materialien. aSi:H ist als Material gut geeignet für das hochbrechende Material bei Anwendungen im Spektralbereich um 800-1100nm oder auch darüber hinaus, der Brechwert ist jedoch auf ca. 3.6-3.9 beschränkt für industrielle Produktionsverfahren. Die Dicke der Kavität ist begrenzt durch die Genauigkeit der Produktionsverfahren, insbesondere im Hinblick auf die Gleichmässigkeit der Schichtdicke auf der Substratfläche, so dass häufig Kavitäten mit m=2 oder maximal m=3 verwendet werden.
Um den Winkelshift eines Bandpasses weiter zu reduzieren, kann also nur noch der Brechwert des niedrigbrechenden Materials erhöht werden. Für ein einfaches Beispiel eines solchen Filters mit dem Aufbau Substrat (n=1.5) / HL-4H-LHLHL-4H-LH zeigt die 1 den mit dem Dünnschichtkalkulationsprogramm Filmstar berechneten spektralen Verlauf der Transmission. Der Brechwert des hochbrechenden Materials n_H wurde zu 3.65 gewählt, die Designwellenlänge ist 860nm. Der Brechwert des niedrigbrechenden Materials n_L wurde variiert mit den Werten 1.5 (durchgezogene Linie), 2.0 (gestrichelte Linie), 2.5 (gepunktete Linie) und 3.0 (strich-punktierte Linie). Absorption und Dispersion wurden hierbei vernachlässigt. Bei n_L=1.5 wird eine sehr gute Blockung, ausschliesslich durch Interferenz, da die Materialien keine Absorption aufweisen, von ca. 660 bis 840nm erreicht. Deutlich erkennbar ist, dass mit steigendem n_L der spektrale Blockungsbereich immer schmaler und die Blockung auch immer schlechter wird, womit gemeint ist, dass auch im Blockungsbereich die Transmission auf knapp 10% ansteigt. Selbstverständlich kann die Situation durch Designoptimierung leicht verbessert werden. Bei hohem Brechwert des niedrigbrechenden Materials von z.B. n_L=3.0 ist der von Interferenz verursachte Blockungsbereich jedoch immer stark begrenzt, wie die 2 anhand eines weiteren schon deutlich komplexeren Beispiels zeigt: Substrat (n=1.5) / HL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LH. Es wird nur ein enger Spektralbereich von ca. 60-80nm um den Bandpass herum durch Interferenz geblockt, was für die oben beschriebenen Anwendungen nicht ausreicht.
Bei einer Kombination aus n_H=3.65 und n_L=3.0 ist der Winkelshift von 0° bis 30° bei einer Zentralwellenlänge von 860nm jedoch ca. 9nm, was für die Anwendung ein interessanter sehr kleiner Winkelshift ist. Mit diesen Werten und unter Verwendung der oben angegebenen Formeln (1) und (2) ist n*=3.36 (bei m=2) und damit der vorhergesagte Winkelshift 9.5nm, in guter Übereinstimmung mit der Berechnung mit dem Dünnschichtkalkulationsprogramm.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Bandpass-Filter anzugeben, der in einem erwünschten spektralen Transmissions-Wellenlängenintervall, das irgendwo zwischen 300nm und 1100nm liegt, einen kleinen Winkelshift, vorzugsweise bei Einfallswinkeln φ von 0° bis 20° von kleiner 0.6%, besonders bevorzugt kleiner 0.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 30° kleiner 1.2%, besonders bevorzugt kleiner 1.0%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 50° kleiner 3.0%, besonders bevorzugt kleiner 2.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses aufweist, wobei eine sehr gute Blockung der Strahlung im Spektralbereich von 450nm, vorzugsweise von 420nm und besonders bevorzugt von 300nm bis zur kurzwelligen Seite des Bandpasses realisiert sein muss und eine sehr guten Blockung der Strahlung im Spektralbereich ab der langwelligen Seite des Bandpasses bis 1100nm realisiert sein muss. Als Zentralwellenlänge wird der Mittelwert der Wellenlängen $λ_{H}^{50 %} und λ_{L}^{50 %}$
und an der kurzwelligen und der langwelligen Seite des Bandpasses, bei denen die Transmission beim Einfallswinkel 0° gleich 50% ist, verstanden.
Als Transmissions-Wellenlängenintervall oder Bandbreite des Bandpasses BP wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung derjenige spektrale Bereich definiert, dessen untere Intervallgrenze durch folgender Formel festgelegt ist: $λ_{L}^{B P} = λ_{L}^{50 %} + 0.1 (λ_{H}^{50 %} - λ_{L}^{50 %}),$
und dessen obere Intervallgrenze durch folgende Formel festgelegt ist: $λ_{H}^{B P} = λ_{H}^{50 %} - 0.1 (λ_{H}^{50 %} - λ_{L}^{50 %}),$
wobei $λ_{H}^{50 %} und λ_{L}^{50 %}$
und die obere (langwellige) und untere (kurzwellige) Wellenlängen des Bandpasses mit einer Transmission von jeweils 50% sind.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Substrat gelöst, das einen primären Bandpass zumindest vorwiegend auf Interferenzbasis und einen sekundären Bandpass zumindest vorwiegend auf Interferenzbasis umfasst. Beide Bandpässe sind so ausgestaltet, dass sie im erwünschten spektralen Transmissions-Wellenlängenintervall über den gesamten benötigten Winkelbereich ausreichend transmittieren. Der primäre Bandpass zeichnet sich aber dadurch aus, dass er den vom Gesamtsystem geforderten geringen Winkelshift aufweisst. Er hat ausserdem ein, durch die Anforderungen der jeweiligen Anwendung gegebenes, möglichst kleines spektrales Transmissions-Wellenlängenintervall, das durch schmale blockierende Bänder begrenzt ist, und zwar ein kurzwelliges schmales blockierendes Band und ein langwelliges schmales blockierendes Band. Die spektrale Funktion des primären Bandpasses ausserhalb desjenigen Wellenlängenintervalls, das durch die schmalen blockierenden Bänder und das erwünschte spektrale Transmissions-Wellenlängenintervall gebildet wird, spielt zunächst eine untergeordnete Rolle.
Der sekundäre Bandpass ist so ausgestaltet, dass sein Transmissions-Wellenlängenintervall durch eine kurzwellige und eine langwellige Kante begrenzt wird und ist derart auf den primären Bandpass abgestimmt, dass seine kurzwellige Kante über den geforderten Winkelbereich lediglich innerhalb des kurzwelligen schmalen blockierenden Bandes des primären Bandpasses schiebt und seine langwellige Kante über den geforderten Winkelbereich lediglich innerhalb des langwelligen schmalen blockierenden Bandes des primären Bandpasses schiebt. Ausserdem ist der sekundäre Bandpass so ausgestaltet, dass er im geforderten Wellenlängenbereich unterhalb des kurzwelligen schmalen blockierenden Bandes des primären Bandpasses effizient blockiert und im geforderten Wellenlängenbereich oberhalb des langwelligen schmalen blockierenden Bandes des primären Bandpasses effizient blockiert.
Der sekundäre Bandpass gleicht also die Blockungsdefizite des primären Bandpasses unterhalb des kurzwelligen schmalen blockierenden Bandes und oberhalb des langwelligen blockierenden Bandes aus, während der primäre Bandpass aufgrund seiner schmalen blockierenden Bänder den Winkelshift des sekundären Bandpasses als für das Gesamtsystem optisch unwirksam erscheinen lässt.
Somit kann dem sekundären Bandpass ein relativ grosser Winkelshift gestattet werden und dementsprechend kann dieser aus einem Wechselschichtsystem aus Schichten mit grossem Brechwertunterschied und damit über grosse Wellenlängenbereiche effizienter Blockung aufgebaut sein.
Bevorzugt umfasst dementsprechend der primäre Bandpass ein Wechselschichtsystem aus zumindest zwei Schichtmaterialien mit unterschiedlichem Brechwert (n_PL für den niedrigen und n_PH für den hohen Brechwert). Der primäre Bandpass weist einen primären effektiven Brechwert n_p* gemäss der oben angegebenen Formel (2) falls anwendbar, ansonsten gemäss Formel (2a), auf, der so hoch ist, so dass der Winkelshift bis zum geforderten Winkel φ so klein ist, wie für die entsprechende Anwendung erforderlich. Hierfür ist es nötig, dass die Brechwerte der Materialien bei der Zentralwellenlänge des Bandpasses, aus denen der primäre Bandpass aufgebaut ist, beide hoch liegen, mindestens über 2.5, bevorzugt über 2.8 und besonders bevorzugt über 3.0. Hierdurch ist der effektive Brechwert gross und dementsprechend der Winkelshift wie gefordert klein.
Der sekundäre Bandpass umfasst bevorzugt ein Wechselschichtsystem aufgebaut aus zumindest einem Schichtmaterial mit hohem Brechwert n_SH bei der Zentralwellenlänge und zumindest einem weiteren Schichtmaterial mit Brechwert n_SL bei der Zentralwellenlänge mit n_SL < 0.66 n_SH, wodurch der für die optimale Ausbildung der Blockierung vorteilhafte grosse Brechwertunterschied gewährleistet ist. Weiterhin ist es selbstverständlich notwendig, dass Materialien mit solchen Brechwerten überhaupt existieren, was derzeit die realistischen Brechwerte auf den Bereich 1.35 bis 4.1 beschränkt. Wie oben ausgeführt, ist es zusätzlich nötig, dass der Winkelshift des sekundären Bandpasses nicht zu gross wird, so dass die Funktion der beiden Bandpässe wie oben ausgeführt für alle Winkel von 0° bis φ erhalten bleibt. Für den effektiven Brechwert des sekundären Bandpasses n_S* muss nach einfachen Berechnungen auf der Basis der Formeln (1) und (2) (oder falls notwendig auf der Basis der Formel (2a)) sowie unter der Bedingung, dass der Winkelshift des sekundären Bandpasses den Winkelshift des primären Bandpasses um nicht mehr als 3% der Zentralwellenlänge übersteigen darf, gelten: $n_{p}^{*} > n_{s}^{*} \geq \frac{n_{p}^{*} s i n φ}{\sqrt{{(s i n φ)}^{2} + 0.06 n_{p}^{* 2}}}$
Dabei kann das Zusammenwirken beider Bandpässe ausserhalb des gewünschten spektralen Transmissions-Wellenlängenintervalls zusätzlich vorteilhaft genutzt werden. So ist beispielsweise mitunter gar nicht erforderlich, dass die Blockungswirkung des primären Bandpasses innerhalb der schmalen Blockungsbänder sehr effizient ist, da der sekundäre Bandpass in diesem Bereich durchaus auch noch zur Blockung beitragen kann. Eine Transmission von 30%, entsprechend einer Reflexion von ca. 70% (bei vernachlässigbarer oder geringer Absorption im Spektralbereich nahe dem Transmissions-Wellenlängeninterval) kann durchaus akzeptable Eigenschaften des Gesamtsystems aus beiden Bandpässen ermöglichen. Andererseits ist es beispielsweise möglich, dass der primäre Bandpass im Bereich unterhalb von ca. 650 - 700nm beispielsweise durch Absorption wesentlich zur Blockung beiträgt.
Die Erfindung wird nun anhand von unterschiedlichen Beispielen optischer Filter und Materialien mit Hilfe der Figuren beispielhaft im Detail erläutert.

1 zeigt die spektrale Transmission eines Filters für unterschiedliche niedrigbrechende Materialien.
2 zeigt die spektrale Transmission eines Filters mit „niedrigbrechendem“ Material mit relativ hohem Brechwert.
3a zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts eines aSi:H-Materials hergestellt nach einem Verfahren.
3b zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts eines aSiN_x:H-Materials hergestellt nach einem weiteren Verfahren.
4a zeigt den Schichtaufbau eines primären Bandpasses für einen erfindungsgemässen optischen Filter.
4b zeigt die Transmission des primären Bandpasses gemäss 4a auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie).
5a zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses für einen erfindungsgemässen optischen Filter.
5b zeigt die Transmission des sekundären Bandpasses gemäss 5a auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie).
6 zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 4a auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 5a auf der anderen Seite des Glassubstrates.
7 zeigt den Schichtaufbau eines primären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca.860-900nm optimiert wurde.
8a zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts eines aSiN_x:H-Materials hergestellt nach einem weiteren Verfahren, wobei der Brechwert auf ca. 2.55 bei einer Wellenlänge von 950nm reduziert wurde.
8b zeigt den Schichtaufbau eines primären Bandpasses mit n_PL aus 8a, der für eine Transmission bei ca. 930-970nm optimiert wurde.
8c zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts eines aSiN_x:H-Materials hergestellt nach einem weiteren Verfahren, wobei der Brechwert auf ca. 2.95 bei einer Wellenlänge von 950nm reduziert wurde.
8d zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses mit n_SH aus 8c, der für eine Transmission bei ca. 930-990nm optimiert wurde.
8e zeigt die Transmission des primären Bandpasses gemäss 8b auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie), 30° (gestrichelte Linie) und 50° (gepunktete Linie).
8f zeigt die Transmission des sekundären Bandpasses gemäss 8d auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie), 30° (gestrichelte Linie) und 50° (gepunktete Linie).
8g zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie), 30° (gestrichelte Linie) und 50° (gepunktete Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 8b auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 8d auf der anderes Seite des Glassubstrates.
9a zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca.855-925nm optimiert wurde.
9b zeigt die Transmission des sekundären Bandpasses aus 9a auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 25° (gestrichelte Linie).
9c zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 25° (gestrichelte Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 4a auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 9a auf der anderes Seite des Glassubstrates.
10a zeigt den Schichtaufbau eines Beispiels für einen primären Bandpass mit reduzierter Bandbreite, der für eine Transmission bei ca. 865-890nm optimiert wurde.
10b zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 10a auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 5a auf der anderes Seite des Glassubstrates.
11a zeigt den Schichtaufbau eines Beispiels für einen primären Bandpass in Kombination mit einem sekundären Bandpass, die sich alle auf einer Seite des Substrates befinden.
11b zeigt die Transmission die Schichtsystems aus 11a auf Glas und ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie).

Sämtliche der im Folgenden diskutierten Beispiele sind der Einfachheit halber mit unpolarisierter elektromagnetischer Strahlung gerechnet. Es wäre dem Fachmann ein Leichtes, dies auf in beliebiger Weise polarisierte Strahlung zu übertragen.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem Wechselschichtsystem mit sich abwechselnden Schichten die Rede ist, so ist damit ein Schichtsystem gemeint, in dem sich hochbrechende Schichten mit niedrigbrechenden Schichten abwechseln, wobei die sich abwechselnden Schichten nicht unmittelbar aufeinander folgen müssen, sondern zwischen den sich abwechselnden Schichten unter Umständen auch noch andere Schichten vorgesehen sein können.
Es ist von besonderem Vorteil, dass beide Bandpässe mit demselben Material als hochbrechendem Material realisiert werden können. Beide Bandpässe können beispielsweise mit aSi:H als hochbrechendem Material realisiert werden. Für das niedrigbrechende Material des sekundären Bandpasses kommen u.a. konventionelle Materialien wie beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄ in Frage.
Das niedrigbrechende Material im primären Bandpass wird demgegenüber besonders bevorzugt ebenfalls auf der Basis von aSi:H realisiert, wobei der Brechwert durch Beimischen von wahlweise Stickstoffatomen, Sauerstoffatomen oder Kohlenstoffatomen reduziert wird. Diese Materialien wurden häufig untersucht und der Brechwert des Mischmaterials kann kontinuierlich zwischen dem Brechwert von aSi:H und den Brechwerten von stöchiometrischem Si₃N₄, SiO₂ bzw. SiC variiert werden. Es ist beispielsweise bekannt, dass für aSiN_x:H bei einem Anteil des Stickstoffs x von ca. 0.1 bis 0.4 ein Brechwert von ≈3 erzielt werden kann, wobei der Stickstoffanteil für diesen Brechwert kleiner wird, je mehr Wasserstoff eingebaut wird. Mit steigendem Stickstoffanteil wird auch die Absorption zu kleineren Wellenlängen geschoben, wobei auch bekannt ist, dass die Absorption zu kleineren Wellenlägen geschoben werden kann, indem der Wasserstoffdruck bei der Abscheidung von aSi:H erhöht wird. Somit ist gewährleistet, dass ein niedrigbrechendes Material mit einem Brechwert n_PL≥2.5 und hinreichend kleiner Absorption für den Spektralbereich der Transmission des Bandpasses hergestellt werden kann.
Dies lässt sich beispielsweise durch folgendes Verfahren realisieren: Bei der in den Beispielen verwendeten Sputter-Beschichtungsanlage handelt es sich um eine Trommelanlage. Die Substrate sind auf eine Trommel mit der zu beschichtenden Seite nach aussen befestigt. Die Trommel rotiert mit einer Rotationsfrequenz von ca. 0.5Hz, so dass die Substrate alle ca. 2s an den Targets vorbeifahren. Die Sputtertargets befinden sich in einem Abstand von 5 bis 10cm zu den Substraten und sind rechteckig ausgeführt, je nach Ausführung der Anlage ca. 12cm breit und ca. 50cm oder mehr lang. Die Sputterquellen sind vom Magnetron - Typ. Für das Sputtern von aSi:H wird entweder eine gepulste DC-Quelle verwendet, oder, falls 2 Targets zum Sputtern von aSi:H verwendet werden, auch eine Mittelfrequenz-Powersupply (typisch 40kHz), bei der die Spannung abwechselnd auf den zwei Targets angelegt wird. Als Sputtergas für aSi:H wird ein Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff, in einem Verhältnis von typisch 4:1, verwendet, wobei der Wasserstoffanteil auch deutlich niedriger und deutlich höher (im Bereich 15:1 bis 1.5:1) gewählt werden kann, je nach geforderter spektraler Lage des Transmissions-Wellenlängenintervalles des optischen Filters. Der Gesamtfluss der Gase beträgt im Beispiel bei der Verwendung von 2 Targets ca. 150-250sccm, wodurch ein Sputterdruck in der Nähe der Targetoberfläche von ca. 5 bis 15 × 10^-3 mbar erzeugt wird. Die Sputterspannung liegt typisch im Bereich von 700-800V bei einer Sputterleistung von typisch 4.5kW je Target. Die gemittelte Abscheiderate beträgt um 0.25nm/s. Für einen Brechwert von n_L≥2.5 bei der Abscheidung von aSiN_x:H wird ein relativ niedriger Stickstoffanteil x von ca. 0.05 bis 0.45 benötigt, da der Wasserstoffanteil für hinreichend niedrige Absorption hoch gewählt wurde. Hierzu wird typischerweise der Argonfluss im Bereich von 3-45% reduziert und durch einen Stickstofffluss in der ungefähr entsprechenden Menge ersetzt. Gleichzeitig hat es sich in manchen Fällen als vorteilhaft erwiesen, den Wasserstofffluss deutlich (um einen Faktor 1.5-3) zu steigern. Durch diesen erhöhten Wasserstofffluss wird die Absorption, insbesondere im für die Transmission relevanten Spektralbereich von 800nm bis 1100nm, reduziert. Bei hohem Wasserstofffluss ist die Höhe des zur Brechwertreduktion benötigten Stickstoffflusses reduziert.
Eine grossflächige Abscheidung auch für grosse Substrate mit einem Durchmesser von zum Beispiel 300mm ist mit diesem Anlagentyp möglich. Zur Verbesserung der Homogenität kann eine Phasenmodulation der Sputterleistung, wie in US6572738 beschrieben, verwendet werden.
Ohne Heizung der Substrate stellt sich durch den Energieeintrag bei der Beschichtung eine Substrattemperatur von ca. 80-90°C ein, gemessen mit einem Schleppthermometer. Mit zusätzlicher Heizung der Substrate kann die Temperatur erhöht werden. Für die vorliegenden Beispiele wurde eine Substrattemperatur von ca. 170°C verwendet, wobei es auch möglich ist, bei niedrigerer oder bei höherer Temperatur abzuscheiden. Falls nötig, kann das Schichtsystem durch nachträgliches Tempern bei Temperaturen bis ca. 300°C nachgetempert werden, wodurch die Absorption im Transmissions-Wellenlängenintervall reduziert werden kann.
3a zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts des aSi:H-Materials bei einer Beschichtung gemäss dem oben beschriebenen Verfahren bei einer Substrattemperatur von ca. 170°C und bei einem Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff mit einem Verhältnis von 4:1 sowie einem Gesamtfluss von 150sccm. Der Imaginärteil des Materials liegt bei Wellenlängen unter ca. 700nm über 0.01 und bei Wellenlängen von über 800nm unter 0.001. 3b zeigt Realteil (n) und Imaginärteil (k) des komplexen Brechwerts des aSiN_x:H-Materials bei einer Beschichtung gemäss dem oben beschriebenen Verfahren bei einer Substrattemperatur von 170°C und bei einem Gasgemisch aus Argon, Stickstoff und Wasserstoff mit einem Verhältnis von 0.5:0.06:0.44 sowie einem Gesamtfluss von 200sccm. Der hohe Wasserstofffluss wird benötigt, um ein Material zu erzeugen, das sehr kleine Absorption insbesondere im relevanten Spektralbereich von 800nm bis 1100nm aufweist, wobei auf Temperung verzichtet werden kann.
4a zeigt den Schichtaufbau eines primären Bandpasses aus den beiden Materialien aus 3a und 3b, der für eine Transmission bei ca. 860-900nm optimiert wurde. Der Grundaufbau ist vergleichbar dem theoretischen Design aus 2, wobei die Schichtdicken der einzelnen Schichten mit Filmstar nachoptimiert wurden. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 2480nm. 4b zeigt die Transmission des primären Bandpasses ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie). Der Winkelshift, hier definiert als die gemittelte Differenz der kurz- und langwelligen 50%-Punkte für die beiden Winkel, beträgt 8.5nm. Für Wellenlängen kürzer als ca. 600nm wird die Transmission durch Absorption im aSi:H nahezu komplett unterdrückt. Die Blockung ist für alle anderen Wellenlängenbereiche unzureichend und nur für einen Spektralbereich von ca. 40nm links und rechts vom Bandpass überhaupt vorhanden. Mit den oben angegebenen Formeln (1) und (2) und den Brechwerten bei der Zentralwellenlänge von 880nm n_PH = 3.56 und n_PL= 3.05 ergibt sich n_p* zu 3.33 (mit m=2) und daraus der Winkelshift bis 30° zu 1.1% der Zentralwellenlänge oder 9.7nm, in guter Übereinstimmung mit dem oben angegebenen Wert von 8.5nm.
5a zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca. 850-920nm optimiert wurde. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Das hochbrechende Material ist aSi:H, hergestellt wie oben beschrieben (siehe 3a), das niedrigbrechende Material ist SiO₂ mit einem Brechwert von ca. 1.47 bei 800nm. Der Grundaufbau besteht aus aSi:H - Kavitäten (m=1) und Spiegelschichten aus wechselnden hochbrechenden und niedrigbrechenden Schichten und Schichtdicken, wobei die Schichtdicken mit Filmstar optimiert wurden. Teilweise sind die SiO₂-Schichten auch sehr dick, dennoch ergeben die oben angegebenen Formeln gute Werte. Der Winkelshift ist mit 23.4nm von 0° bis 30° relativ gross. Mit den Formeln (1) und (2) kann der effektive Brechwert n_s* zu 2.29 und daraus der Winkelshift bis 30° zu 2.4% oder 21.4nm berechnet werden. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 2940nm. 5b zeigt die Transmission des sekundären Bandpasses ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie). Für Wellenlängen kürzer als ca. 600nm wird die Transmission durch Absorption im aSi:H komplett unterdrückt. Die Blockung ist für alle anderen Wellenlängenbereiche bis nahe an den Bandpass sehr gut, da die Materialkombination mit n_SL ≈ 0.41 n_SH wegen der grossen Differenz der beiden Brechwerte eine sehr gute Blockung erlaubt. Selbstverständlich sind auch andere Designs für den sekundären Bandpassfilter möglich, die z.B. weniger Winkelshift, steilere Flanken oder eine noch bessere Blockung im Blockungsbereich aufweisen.
6 zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 4a/b auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 5a/b auf der anderen Seite des Glassubstrates. Der kleine Winkelshift für den Winkelbereich von 0° bis 30° wird durch den primären Bandpass definiert, während die Blockung im Spektralbereich ausserhalb des Transmissions-Wellenlängenintervalles des primären Bandpasses durch die Blockung des sekundären Bandpasses erreicht wird. Der Winkelshift des sekundären Bandpasses von 23.4nm ist ausreichend gering, da n_s* gemäss Formel (3) über 1.74 liegen muss, was gut erfüllt ist.
Falls gewünscht, kann die Abschlussschicht auch beim primären Bandpass aus einem rein oxidischen Material wie SiO₂ hergestellt werden. Vorteil ist, dass das oxidische Material chemisch sehr stabil ist und die Umweltstabilität des primären Bandpasses erhöht. 7 zeigt den Schichtaufbau eines primären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca.860-900nm optimiert wurde. Der Grundaufbau ist vergleichbar dem Design aus 4a, wobei eine SiO₂-Abschlussschicht mit einer Schichtdicke von 50nm hinzugefügt und die anderen Schichtdicken mit Filmstar nachoptimiert wurden. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 2530nm. Die spektralen Eigenschaften dieses Schichtsystems sind fast nicht von den Eigenschaften des Designs aus 4a/b zu unterscheiden und werden daher nicht gezeigt. Es ist selbstverständlich möglich, nicht nur die letzte Schicht aus einem anderen Material, wie hier SiO₂, herzustellen, sondern auch andere Schichten aus weiteren Materialien hinzuzufügen. Neben SiO₂ wäre die Verwendung von Si₃N₄ als Schichtmaterial vorteilhaft möglich, da in der Beschichtungsanlage dieses Gas bereits zur Verfügung steht und nur die Prozessparameter so eingestellt werden müssen, so dass entsprechende niedrigbrechende Materialien hergestellt werden können.
Kleine Winkelshifts und eine auch bei sehr grossen Winkeln wie 50° kaum veränderte spektrale Charakteristik des primären Bandpasses können auch mit dickeren Kavitäten und niedrigerem Brechwert des niedrigbrechenden Materials erreicht werden. Durch Erhöhen des Stickstoffflusses und des Wasserstoffflusses (zur Reduktion von Absorption), so dass die Gase Ar:N₂:H₂ im Verhältnis 0.54:0.14:0.32 stehen, wobei der Gesamtfluss 180sccm beträgt, wurde der Brechwert des aSiN_x:H-Materials auf ca. 2.55 bei einer Wellenlänge von 950nm reduziert, siehe 8a. Ein primärer Bandpass auf der Basis des Designs aus 2, allerdings mit erhöhten Kavitätsdicken (entsprechend m=3) und einer weiteren (vierten) Kavität wurde realisiert, wobei die Schichtdicken der einzelnen Schichten mit Filmstar nachoptimiert wurden. 8b zeigt den Schichtaufbau dieses primären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca. 930-970nm optimiert wurde. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 4100nm. Mit den oben angegebenen Formeln (1) und (2) und den Brechwerten bei der Zentralwellenlänge von 950nm n_PH = 3.52 und n_PL= 2.55 ergibt sich n_p* zu 3.15 (mit m=3) und daraus der Winkelshift bis 50° zu 3.0 % der Zentralwellenlänge oder 29nm. Für den sekundären Bandpass wurde ein Material ähnlich zu dem Material aus 3b entwickelt, allerdings mit leichter Reduktion des Brechwertes und Erhöhen der Absorption im Spektralbereich um 600-800nm. Im Vergleich zu den Gasflüssen bei der Herstellung von aSi:H wurde der Stickstofffluss erhöht und der Wasserstofffluss konstant gehalten, so dass die Gase Ar:N₂:H₂ im Verhältnis 0.67:0.13:0.2 stehen, wobei der Gesamtfluss 150sccm beträgt, so dass ein relativ niedriges n_SH von ca. 2.95 bei 950nm erzielt wurde, siehe 8c. 8d zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca. 930-990nm optimiert wurde. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Das niedrigbrechende Material ist wiederum SiO₂ mit einem Brechwert von ca. 1.47 bei 950nm und weist damit eine grosse Differenz im Brechwert zum hochbrechenden Material auf. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 4600nm. 8e, f, g zeigen jeweils die Transmission des primären Bandpasses, die Transmission des sekundären Bandpasses und die Transmission des Gesamtsystems mit primärem Bandpass auf der einen Seite und dem sekundären Bandpass auf der anderen Seite des Glassubstrates bei Einfallswinkeln von 0° (durchgezogene Linie), 30° (gestrichelte Linie) und 50° (gepunktete Linie). Der Winkelshift, hier definiert als die gemittelte Differenz der kurz- und langwelligen 50%-Punkte für die entsprechenden Winkel, beträgt 9nm bis 30° und 25nm bis 50°, jeweils ab den Eigenschaften bei 0° Einfallswinkel, in guter Übereinstimmung zu den aus den Formeln (1) und (2) bestimmten Werten. Der Winkelshift des sekundären Bandpasses von 49nm gemäss den Formeln (1) und (2) bis 50° ist ausreichend gering, da n_s* gemäss Formel (3) über 2.22 liegen muss, was mit einem n_S* von 2.41 erfüllt ist.
Der sekundäre Bandpass kann auch mit noch niedriger brechenden Materialien hergestellt werden. 9a zeigt den Schichtaufbau eines sekundären Bandpasses, der für eine Transmission bei ca.855-925nm optimiert wurde. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben, in der dritten Spalte wird das Schichtsystem weiter fortgesetzt. Das hochbrechende Material ist Nb₂O₅, das niedrigbrechende Material ist SiO₂ mit einem Brechwert von ca. 1.47 bei 800nm. Der Grundaufbau besteht aus sechs Nb₂O₅ - Kavitäten und Spiegelschichten aus wechselnden hochbrechenden und niedrigrechenden Schichten, wobei die Schichtdicken mit Filmstar optimiert wurden. Da das hochbrechende Material Nb₂O₅ einen Brechwert von nur ca. 2.25 bei einer Wellenlänge von 890nm aufweist, ist n_s* bei m=2 nur 1.91. Der aus den Formeln (1) und (2) bestimmte Winkelshift ist mit 22nm von 0° bis 25° relativ gross. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 8380nm, also ein Vielfaches des sekundären Bandpasses aus 5a/b, weil die Differenz der Brechwerte relativ klein ist und n_SL = 0.65 n_SH gilt und damit die Blockung schwerer zu erreichen ist. 9b zeigt die Transmission des sekundären Bandpasses ohne Antireflex-Schicht auf der Rückseite des Glases bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 25° (gestrichelte Linie). Die Blockung wurde im kurzwelligen Spektralbereich von ca. 830nm. bis 600nm optimiert, da der primäre Bandpass unterhalb von 600nm durch Absorption ausreichende Blockung aufweist. 9c zeigt die Transmission bei einem Einfallswinkel von 0° (durchgezogene Linie) und 25° (gestrichelte Linie) eines Systems aus primärem Bandpass aus 4a/b auf der einen Seite eines Glassubstrates in Kombination mit dem sekundären Bandpass aus 9a/b auf der anderen Seite des Glassubstrates. Der kleine Winkelshift von 7.7nm für den Winkelbereich von 0° bis 25° wird durch den primären Bandpass definiert. Ein grösserer Winkelbereich ist nur schwer abzudecken, da auf Grund des grossen Winkelshifts des Nb₂O₅-basierten sekundären Bandpasses der Blockungsbereich des sekundären Bandpasses in das Transmissions-Wellenlängenintervall hinein wandert. Gemäss Formel (3) muss der sekundäre Blocker ein n_s*>1.53 aufweisen, was erfüllt ist. Es wird deutlich, dass ein sekundärer Bandpass auf der Basis von niedriger brechenden Materialien möglich ist, bessere Ergebnisse aber mit einem höher brechenden Material erzielt werden können.
Es sind auch Bandpässe mit anderer Bandbreite möglich, indem die Bandbreiten des primären Bandpasses und gegebenenfalls des sekundären Bandpasses an die jeweils geforderten Eigenschaften angepasst werden. 10a zeigt den Schichtaufbau eines Beispiels für einen primären Bandpass mit reduzierter Bandbreite, der für eine Transmission bei ca. 865-890nm optimiert wurde. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben. Im Vergleich zum Schichtsystem aus der 4a/b wurde die Zahl der Spiegelschichten erhöht, indem die fett gedruckten Schichten jeweils 3mal in das Design eingebaut wurden. Weiter wurde keine Optimierung der Schichtdicken vorgenommen. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 3010nm. 10b zeigt die Transmission dieses primären Bandpasses auf der einen Seite und dem sekundären Bandpass aus 5a/b auf der anderen Seite des Glassubstrates bei Einfallswinkeln von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie). Selbstverständlich könnten die Eigenschaften des Schichtsystems weiter mit Filmstar optimiert werden, um zum Beispiel den leichten Anstieg der Transmission bei ca. 940nm für den Einfallswinkel 0° zu reduzieren. Der Winkelshift, hier definiert als die gemittelte Differenz der kurz- und langwelligen 50%-Punkte für die entsprechenden Winkel, beträgt wiederum 8.6nm bis 30° und es gelten für die Brechwerte der beiden Bandpässe die gleichen Aussagen wie im Beispiel aus den 4 und 5.
Die gemittelte Transmission im Blockungsbereich liegt bei 1% oder darunter. Hierbei ist der Blockungsbereich definiert als der Spektralbereich, der von U bis 20nm an den kurzwelligen 50%-Punkt der Transmission heranreicht sowie der Spektralbereich ab 20nm oberhalb des langwelligen 50%-Punktes der Transmission bis V. Hierbei ist U maximal 480nm, bevorzugt ist U maximal 420nm und besonders bevorzugt liegt U bei 300nm. Ausserdem ist V mindestens 980nm, bevorzugt mindestens 1050nm und besonders bevorzugt liegt V bei 1100nm.
Ein Vorteil des Systemaufbaus mit beidseitiger Beschichtung ist die Möglichkeit von Stresskompensation. In vielen Fällen ist eine Beschichtung auf relativ grossen Substraten (200mm Kantenlänge oder Durchmesser oder grösser) notwendig. Für viele Sensoranwendungen ist ein dünnes Substrat notwendig, um zum Beispiel in Anwendungen für Kameras in der Mobilfunk-Telefonie die Bauhöhe des Sensors gering zu halten. Durch die immer noch relativ grossen Schichtdicken kommt es bei diesen Substraten leicht zu Verbiegungen von 5mm und mehr. Werden die Schichtsysteme so ausgelegt, dass der Schichtstress auf beiden Seiten ungefähr gleich gross ist, wird die Verbiegung des Substrates durch Kompensation des Stresses minimiert.
In manchen Anwendungen mag es aber auch gefordert sein, dass das Schichtsystem komplett auf einer Substratseite beschichtet werden muss. Zum Beispiel wird es in manchen Anwendungen gefordert, dass die Beschichtung direkt auf das Sensorelement abgeschieden wird. Der Ansatz mit einem primären und einem sekundären Bandpass ist auch in diesem Fall möglich, wobei die Situation komplizierter wird, weil sämtliche Schichten von beiden Bandpässen durch Interferenz miteinander wechselwirken können. Trotzdem ist es möglich, auf der Basis der oben beschriebenen Ideen Schichtdesigns zu entwickeln, die sehr gute spektrale Eigenschaften und sehr kleinen Winkelshift aufweisen. 11a zeigt den Schichtaufbau eines Beispiels für einen primären Bandpass in Kombination mit einem sekundären Bandpass, die sich alle auf einer Seite des Substrates befinden. Die erste Schicht befindet sich auf dem Substrat und die Schichtdicken sind in Nanometer angegeben, in der dritten und vierten Spalte wird das Schichtsystem weiter fortgesetzt mit einem Wechsel von aSiN_x:H aus 3b zu SiO₂ als niedrigbrechendem Material. Sämtliche Schichtdicken wurden mit Filmstar neu angepasst. Im Vergleich zum Schichtsystem aus der 4a/b weist der Anteil des Schichtsystems, der dem primären Bandpass entspricht, sehr ähnliche Schichtdicken auf. Im Vergleich zu 5a/b weist der Anteil des Schichtsystems, der dem sekundären Bandpass entspricht, sehr ähnliche Schichtdicken auf, wobei hier jedoch die Zahl der Kavitäten auf fünf erhöht wurde. Die Gesamtschichtdicke beträgt ca. 7920nm. 11b zeigt die Transmission dieses Schichtsystems ohne Antireflexschicht auf der anderen Seite eines Glases bei Einfallswinkeln von 0° (durchgezogene Linie) und 30° (gestrichelte Linie). Der Winkelshift, hier definiert als die gemittelte Differenz der kurz- und langwelligen 50%-Punkte für die entsprechenden Winkel, beträgt wiederum nur 9.3nm bis 30° und es gelten für die Brechwerte der beiden Bandpässe die gleichen Aussagen wie im Beispiel aus den 4 und 5.
Dem Experten im Feld ist es klar, dass viele Designs neben den gezeigten Beispielen möglich sind und die Aufgabe wie beschrieben im Sinne der Erfindung lösen. Zum Beispiel kann die Wellenlänge des Bandpasses geschoben, die Steilheit der Kanten durch Erhöhen der Zahl der Kavitäten erhöht oder die Breite des Bandpasses durch veränderte Anzahl von Spiegelschichten verändert werden. Auch lassen heute zur Verfügung stehende Designprogramme die Realisation von Designs zu, deren Schichtdicken nicht auf der Basis der oben beschriebenen H und L Schichten gewählt sind. Gleichwohl kann auch diesbezüglich das erfindungsgemässe Konzept des primären und sekundären Bandpassfilters sowie (dann auf Formel 2a beruhend) des effektiven Brechwertes angewendet werden.
In den ersten Abschnitten der vorliegenden Beschreibung wurden unterschiedliche Anwendungen angesprochen. Die erfindungsgemässen optischen Filter lassen sich vorteilhaft in diesen Anwendungen nutzen. Entsprechende Anwendungen, welche die Filter nutzen, sind natürlich wiederum als erfinderisch einzustufen.
Es wurde ein optischer Filter beschrieben mit einem Substrat, auf dem ein primärer und ein sekundärer Bandpassfilter vorgesehen ist,

- wobei der primäre Bandpassfilter zumindest auch und bevorzugt vorwiegend auf dem Interferenzprinzip eines primären Wechselschichtsystems beruht, und sich im primären Wechselschichtsystem Schichten aus einem Material M_PL mit einem Brechwert n_PL mit Schichten aus einem anderen Material M_PH mit Brechwert n_PH abwechseln, wobei bei der Zentralwellenlänge des primären Bandpasses gilt $n_{min} \leq n_{PL} < n_{PH},$
- wobei n_min2.5, bevorzugt 2.8 und besonders bevorzugt 3.0 ist und
- der effektive Brechwert n_p* des primären Bandpassfilters mindestens 3.1, bevorzugt mindestens 3.2 und besonders bevorzugt mindestens 3.3 ist,
- wobei der primäre Bandpassfilter aufgebaut ist, dergestalt, dass für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung von 0° bis φ, mit φ mindestens 20°, seine spektrale Charakteristik ein primäres Transmissions-Wellenlängenintervall umfasst, in welchem der primäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils transmittiert und sich sowohl auf der kurzwelligen als auch auf der langwelligen Seite des primären Transmissions-Wellenlängenintervalls primäre Reflexions-Wellenlängenintervalle anschliessen, in denen der primäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung zu mindestens 70% reflektiert, und
- wobei der sekundäre Bandpassfilter zumindest auch und bevorzugt vorwiegend auf dem Interferenzprinzip eines sekundären Wechselschichtsystems beruht und sich im sekundären Wechselschichtsystem Schichten aus einem Material M_SL mit einem Brechwert n_SL mit Schichten aus einem anderen Material M_SH mit Brechwert n_SH abwechseln, wobei für den effektiven Brechwert des sekundären Bandpassfilters für die Zentralwellenlänge des sekundären Bandpasses gilt $n_{p}^{*} > n_{s}^{*} \geq \frac{n_{p}^{*} s i n φ}{\sqrt{{(s i n φ)}^{2} + 0.06 n_{p}^{* 2}}}$
und weiterhin gilt, dass 1.35 < n_SL < 0.66 n_SH < n_SH < 4.1 und
- wobei der sekundäre Bandpassfilter aufgebaut ist, dergestalt, dass für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung von 0° bis φ seine spektrale Charakteristik ein sekundäres Transmissions-Wellenlängenintervall umfasst, in welchem der sekundäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils transmittiert und sich sowohl auf der kurzwelligen als auch auf der langwelligen Seite des sekundären Transmissions-Wellenlängenintervalls sekundäre Reflexions-Wellenlängenintervalle anschliessen, in denen der sekundäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils reflektiert und/oder absorbiert, wobei das sekundäre Transmissions-Wellenlängenintervall das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall vollständig umfasst und die Übergänge vom sekundären Transmissions-Wellenlängenintervall zu den sekundären Reflexions-Wellenlängenintervallen für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf das Substrat von 0° bis φ jeweils innerhalb der primären Reflexions-Wellenlängenintervallen liegen.

Gemäss einer Ausführungsform kann φ mindestens 30°, bevorzugt mindestens 40° und besonders bevorzugt mindestens 50° betragen.
Es kann n_PH gleich n_SH sein und bevorzugt ist M_PH gleich M_SH.
Es kann M_PH wasserstoffhaltiges amorphes Silizium (aSi:H) ist.
Es kann M_PL amorphes Silizium (aSi:H) sein, in dem Stickstoffatome und/oder Kohlenstoffatome und/oder Sauerstoffatome beigemischt sind.
Der primäre Bandpass kann an einer ersten Oberfläche des Substrates angeordnet sein und der sekundäre Bandpass kann an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates angeordnet sein.
Es können sowohl primärer als auch sekundärer Bandpass an derselben Oberfläche des Substrates realisiert sein und an der dieser Oberfläche gegenüberliegenden Substratoberfläche kann bevorzugt eine Antireflexschicht vorgesehen sein.
Das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall beim Einfallswinkel von 0° kann so realisiert sein, dass es weniger als 50nm breit ist.
Das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall kann so realisiert sein, dass es beim Einfallswinkel von 0° mehr als 100nm breit ist.
Der optische Filter kann so aufgebaut sein, dass im Blockungsbereich die gemittelte Transmission beim Einfallswinkel von 0° unter 1% und bevorzugt niedriger ist.
Der optische Filter kann so aufgebaut sein, dass im Bereich des primären Transmissions-Wellenlängenintervalls die gemittelte Transmission beim Einfallswinkel von 0° mehr als 80%, bevorzugt mehr als 85% und besonders bevorzugt mehr als 90% beträgt.
Der optische Filter kann so aufgebaut sein, dass das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall beim Einfallswinkel von 0° zumindest teilweise im Spektralbereich 800nm bis 1100nm liegt.
Der optische Filter kann so aufgebaut sein, dass der Filter einen kleinen Winkelshift, vorzugsweise bei Einfallswinkeln von 0° bis 20° von kleiner 0.6%, besonders bevorzugt kleiner 0.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 30° kleiner 1.2%, besonders bevorzugt kleiner 1.0%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 50° kleiner 3.0%, besonders bevorzugt kleiner 2.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses aufweist.
Es wurde ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters mit einer oder mehrere oder alle der oben genannten Eigenschaften vorgestellt, wobei zumindest eines der Materialien aus der Gruppe M_PL, M_PH, M_SL und M_SH mittels Magnetronsputtern hergestellt wird, vorzugsweise jedoch alle so hergestellt werden.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass M_PL und M_PH von demselben Target gesputtert wird, zur Herstellung von M_PL in die Beschichtungsanlage während des Sputterns Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas eingebracht wird, wobei zur Herstellung von M_PH weniger Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas und bevorzugt kein Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas eingebracht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5398133 [0002]
US 9354369 [0002, 0004, 0005]
US 6572738 [0028]

Claims

Optischer Filter mit einem Substrat auf dem ein primärer und ein sekundärer Bandpassfilter vorgesehen ist, - wobei der primäre Bandpassfilter zumindest auch und bevorzugt vorwiegend auf dem Interferenzprinzip eines primären Wechselschichtsystems beruht, und sich im primären Wechselschichtsystem Schichten aus einem Material M_PL mit einem Brechwert n_PL mit Schichten aus einem anderen Material M_PH mit Brechwert n_PH abwechseln, wobei für die Zentralwellenlänge des primären Bandpasses gilt $n_{min} \leq n_{PL} < n_{PH},$
- wobei n_min2.5, bevorzugt 2.8 und besonders bevorzugt 3.0 ist und - der effektive Brechwert n_p* des primären Bandpassfilters mindestens 3.1, bevorzugt mindestens 3.2 und besonders bevorzugt mindestens 3.3 ist, - wobei der primäre Bandpassfilter aufgebaut ist, dergestalt, dass für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung von 0° bis φ, mit φ mindestens 20°, seine spektrale Charakteristik ein primäres Transmissions-Wellenlängenintervall umfasst, in welchem der primäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils transmittiert und sich sowohl auf der kurzwelligen als auch auf der langwelligen Seite des primären Transmissions-Wellenlängenintervalls primäre Reflexions-Wellenlängenintervalle anschliessen, in denen der primäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung zu mindestens 70% reflektiert, und - wobei der sekundäre Bandpassfilter zumindest auch und bevorzugt vorwiegend auf dem Interferenzprinzip eines sekundären Wechselschichtsystems beruht und sich im sekundären Wechselschichtsystem Schichten aus einem Material M_SL mit einem Brechwert n_SL mit Schichten aus einem anderen Material M_SH mit Brechwert n_SH abwechseln, wobei für den effektiven Brechwert des sekundären Bandpassfilters für die Zentralwellenlänge des sekundären Bandpasses gilt $n_{p}^{*} > n_{s}^{*} \geq \frac{n_{p}^{*} s i n φ}{\sqrt{{(s i n φ)}^{2} + 0.06 n_{p}^{* 2}}}$
und weiterhin gilt, dass 1.35 < n_SL < 0.66 n_SH < n_SH < 4.1 und - wobei der sekundäre Bandpassfilter aufgebaut ist, dergestalt, dass für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung von 0° bis φ seine spektrale Charakteristik ein sekundäres Transmissions-Wellenlängenintervall umfasst, in welchem der sekundäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils transmittiert und sich sowohl auf der kurzwelligen als auch auf der langwelligen Seite des sekundären Transmissions-Wellenlängenintervalls sekundäre Reflexions-Wellenlängenintervalle anschliessen, in denen der sekundäre Bandpassfilter die elektromagnetische Strahlung grösstenteils reflektiert und/oder absorbiert, wobei das sekundäre Transmissions-Wellenlängenintervall das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall vollständig umfasst und die Übergänge vom sekundären Transmissions-Wellenlängenintervall zu den sekundären Reflexions-Wellenlängenintervallen für jeden Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf das Substrat von 0° bis φ jeweils innerhalb der primären Reflexions-Wellenlängenintervallen liegen.
Optischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass φ mindestens 30°, bevorzugt mindestens 40° und besonders bevorzugt mindestens 50° beträgt.
Optischer Filter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass n_PH gleich n_SH ist und bevorzugt M_PH gleich M_SH ist.
Optischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass M_PH wasserstoffhaltiges amorphes Silizium (aSi:H) ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass M_PL amorphes Silizium (aSi:H) ist, in dem Stickstoffatome und/oder Kohlenstoffatome und/oder Sauerstoffatome beigemischt sind.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Bandpass an einer ersten Oberfläche des Substrates angeordnet ist und der sekundäre Bandpass an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates angeordnet ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl primärer als auch sekundärer Bandpass an derselben Oberfläche des Substrates realisiert sind und an der dieser Oberfläche gegenüberliegenden Substratoberfläche bevorzugt eine Antireflexschicht vorgesehen ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall beim Einfallswinkel von 0° weniger als 50nm breit ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall beim Einfallswinkel von 0° mehr als 100nm breit ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Blockungsbereich die gemittelte Transmission beim Einfallswinkel von 0° unter 1% und bevorzugt niedriger ist.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des primären Transmissions-Wellenlängenintervalls die gemittelte Transmission beim Einfallswinkel von 0° mehr als 80%, bevorzugt mehr als 85% und besonders bevorzugt mehr als 90% beträgt.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Transmissions-Wellenlängenintervall beim Einfallswinkel von 0° zumindest teilweise im Spektralbereich 800nm bis 1100nm liegt.
Optischer Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter einen kleinen Winkelshift, vorzugsweise bei Einfallswinkeln von 0° bis 20° von kleiner 0.6%, besonders bevorzugt kleiner 0.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 30° kleiner 1.2%, besonders bevorzugt kleiner 1.0%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses und/oder bei Einfallswinkeln von 0° bis 50° kleiner 3.0%, besonders bevorzugt kleiner 2.5%, der Zentralwellenlänge des Bandpasses aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Materialien aus der Gruppe M_PL, M_PH, M_SL und M_SH mittels Magnetronsputtern hergestellt wird, vorzugsweise jedoch alle so hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass M_PL und M_PH von demselben Target gesputtert wird, zur Herstellung von M_PL in die Beschichtungsanlage während des Sputterns Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas eingebracht wird, wobei zur Herstellung von M_PH weniger Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas und bevorzugt kein Stickstoff, Sauerstoff und/oder stickstoffhaltiges, sauerstoffhaltiges oder kohlenstoffhaltiges Gas eingebracht wird.