DE10304381A1

DE10304381A1 - Material mit spektral selektiver Reflexion

Info

Publication number: DE10304381A1
Application number: DE10304381A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Lotz; Peter Sauer
Original assignee: Applied Films GmbH and Co KG
Current assignee: Applied Materials GmbH and Co KG
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2003-08-14
Also published as: US20030156326A1; US7106516B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material mit spektral selektiver Reflexion in den Primärvalenzen von Rot, Grün und Blau. Dieses Material wird vorzugsweise auf Laser-Projektionswänden aufgebracht, um eine Projektion auch bei Tageslicht zu ermöglichen. bei einer ersten Lösung wird auf ein Substrat, z. B. Glas oder Kunststoff, eine erste Schicht auf Aluminium aufgebracht, der eine zweite Schicht aus SiO¶2¶ folgt, auf der sich wiederum eine Schicht aus NiCr befindet. Letztere steht mit Luft in Verbindung. Eine zweite Lösung weist fünf Schichten auf, von denen die erste aus TiO¶2¶, die zweite aus SiO¶2¶, die dritte aus TiO¶2¶, die vierte aus SiO¶2¶ und die fünfte aus TiO¶2¶ besteht. Die erste Schicht ist hierbei mit dem Substrat verbunden, während die fünfte Schicht mit Luft in Verbindung steht. Die erste Lösung ist sehrt viel einfacher als die zweite Lösung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Material mit spektral selektiver Reflexion nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.
Materialien mit speziellen optischen Eigenschaften werden auf zahlreichen technischen Gebieten benötigt. So werden spezielle Schichten auf Kunststoffe aufgebracht, um Spiegeleigenschaften zu erzeugen (DE 39 27 087 C2), oder es werden Mehrschicht-Systeme auf Fensterscheiben aufgebracht, um einen Wärmeschutz herbeizuführen (DE 197 45 881 A1).
Auch bei Flüssigkristall-Displays werden Mehrschicht-Filtersysteme eingesetzt, die spezielle Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften haben (WO 95/17690). Diese Filtersysteme weisen z. B. in jedem Pixelbereich Filter für rot, grün und blau auf, wobei jedes Filter einen gemeinsamen dielektrischen Breitbandspiegel aufweist. Der Unterschied zwischen den Filtern besteht in der Abstimmungsdicke zwischen den Spiegeln für jedes Filter. Die Verwendung des gemeinsamen dielektrischen Breitbandspiegels vereinfacht das Verfahren der Herstellung von Mosaik-Arrays im RGB-Filter.
Es ist weiterhin eine Farbfiltergruppierung für einen Flächen-Bildsensor bekannt, der mehrere Farbfilter auf dem Sensor aufweist, die selektiv verschiedene Farben ausfiltern (US 4 979 803). Jedes Farbfilter weist am Boden eine semitransparente und teilweise reflektierende Silberschicht auf. Auf dieser Silberschicht befindet sich eine transparente und absorptionsfreie dielektrische Schicht, die eine Dicke aufweist, die so ausgewählt ist, dass sie den Wellenlängen des Lichts entspricht, das auf den Bildsensor fallen soll.
Ein weiteres bekanntes optisches Filter weist zwei Spiegelschichten auf, die einen optischen Resonanzraum bilden, wobei zwischen diesen Spiegelschichten eine dielektrische Schicht angeordnet ist (US 5 726 805).
Ein anderes Filter mit variablen Wellenlängen vom modifizierenden Etalon-Typ weist wenigstens zwei reflektierende Oberflächen auf, deren Abstand voneinander nicht konstant ist, sondern monoton vom Abstand in eine gewählte Richtung in einer lichtempfänglichen Ebene des Etalon zunimmt oder abnimmt (EP 0 442 738 A2).
Interferenzflltergruppierungen, die auf einem dünnen Metallfilter basieren und wenigstens eine dielektrische Schicht zwischen zwei Metallschichten aufweisen, sind auch aus der US 6 031 653 bekannt. Die beiden Metallschichten haben dabei eine Dicke, die geringer ist als die Eindringtiefe der Strahlung.
Weiterhin ist ein optisches Filter bekannt, bei dem mehrere optische Schichten aufeinander angeordnet sind, die abwechselnd aus einem hochbrechenden Material, TiO₂, und einem niedrigbrechenden Material, SiO₂, bestehen (US 5 731 898).
Keines der vorstehend erwähnten Filter reflektiert spektral selektiv in den Primärvalenzen von Rot, Grün und Blau, sodass die Filter für eine Laser-Projektionsleinwand nicht geeignet sind.
Projektionsleinwände müssen besondere optische Eigenschaften haben, um eine brillante Bilderdarstellung zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die Laserprojektion, bei der ein ablenkbarer Laserstrahl, in den die Primärfarben Rot, Grün und Blau eingekoppelt sind, die Leinwand abtastet (vgl. lDE 196 40 404 A1). Die Projektionsleinwände müssen hierbei Reflexionsmaxima in den Rot-Grün-Blau-Längenwellen von ca. 629 nm, 532 nm und 447 nm besitzen. Außerdem muss ein breitbandiges Hintergrundlicht absorbiert werden, beispielsweise in einer unterliegenden schwarzen Schicht.
Eine weitere Forderung an die Eigenschaften von Laser-Projektionswände besteht darin, dass es sich bei der Reflexion nicht um eine spiegelnde Reflexion, sondern um eine diffuse Reflexion in einem vorwählbaren Raumwinkelbereich handeln muss, damit eine Betrachtung der projizierten Bilder von verschiedenen Orten aus möglich ist. Hierbei sind Reflexionen in einem Raumbereich, in dem sich keine Beobachter aufhalten, zu vermeiden, um Intensitätsverluste zu minimieren. Die Leinwand darf also kein Lambertstrahler sein, bei dem die Leuchtdichte nach allen Richtungen eines Halbraums konstant ist. Nach der DIN-Norm 19045, Bereich Betrachtungsbedingungen, sollte die Reflexion bis +/-40° in der Horizontalen, gemessen von der Projektionsachse, und +/-10° in der Vertikalen, gemessen von der Sehachse des mittleren Betrachters, betragen. Des Weiteren sollte auch die zu beobachtende Verschiebung der Reflexionscharakteristik mit verändertem Reflexionswinkel - der so genannten Farbflop - weitgehend unterdrückt werden.
Schließlich sollten Projektionsleinwände die Forderung erfüllen, dass auch in nicht abgedunkelten Räumen eine gute Erkennbarkeit der projizierten Bilder gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Material für Bildwände zu schaffen, das für die Laserprojektion geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.
Die Erfindung betrifft somit ein Material mit spektral selektiver Reflexion in den Primärvalenzen von Rot, Grün und Blau. Dieses Material wird vorzugsweise auf Laser- Projektionswänden aufgebracht, um eine Projektion auch bei Tageslicht zu ermöglichen. Bei einer ersten Lösung wird auf ein Substrat, z. B. Glas oder Kunststoff, eine erste Schicht aus Aluminium aufgebracht, der eine zweite Schicht aus SiO₂ folgt, auf der sich wiederum eine Schicht aus NiCr befindet. Letztere steht mit Luft in Verbindung. Eine zweite Lösung weist fünf Schichten auf, von denen die erste aus TiO₂, die zweite aus SiO₂, die dritte aus TiO₂, die vierte aus SiO₂ und die fünfte aus TiO₂ besteht. Die erste Schicht ist hierbei mit dem Substrat verbunden, während die fünfte Schicht mit Luft in Verbindung steht. Die erste Lösung ist sehr viel einfacher als die zweite Lösung.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass unter Verwendung von nur drei Schichten, einer metallischen Schicht und zwei dielektrischen Schichten, die oben genannten Forderungen in einer Laser-Bildwand erfüllt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die metallische Schicht kostengünstig z. B. durch Aufdampfen in Folienbeschichtungsanlagen hergestellt werden kann. Im Vergleich zu Sputterprozessen kann die Metallschicht mit ca. 10- bis 100facher Geschwindigkeit aufgebracht werden. Die dielektrische Schicht kann alternativ mit der kostengünstigen Aufdampfungstechnik oder der Sputtertechnik aufgebracht werden. Die Forderungen werden alternativ auch mit Hilfe eines Fünf-Schicht-Systems aus dielektrischen Materialien mit einem hohen Brechungsindex erfüllt, wobei jedoch die Herstellung des Fünf-Schicht-Systems wesentlich aufwändiger ist als die Herstellung des Drei-Schicht-Systems. Beide Schichtsysteme können mittels eines Gleichstrom- oder eines Mittelfrequenz-Sputterverfahrens leicht großflächig hergestellt werden. Es entfällt somit die bisher übliche teure Herstellung der voll-dielektrischen Schichtsysteme. Die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke und der Brechungsindices ist dabei besser als 1%.
Es versteht sich, dass ein Projektionsbetrieb unter Tageslichtbedingungen eine gewisse Entsättigung der Farben mit sich bringt. Das Tageslicht enthält einen Anteil im RGB-Bereich. Ist der Laser ausgeschaltet und fällt nur Tageslicht auf die beschichtete Leinwand, erscheint die Leinwand weiß, weil, der reflektierte Tageslichtanteil im RGB-Bereich durch eine additive Farbmischung die Farbe Weiß ergibt. Dieses Weiß überlagert sich den Laserfarben, sodass die Farbsättigung im Vergleich zu reinen Spektralfarben etwas abnimmt. Die Abnahme der Farbsättigung ist jedoch geringer als bei der üblichen weißen Leinwand, weil ein großer Teil des Tageslichtspektrums, der außerhalb der RGB-Maxima liegt, absorbiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Reflexionskurve eines aus drei Schichten bestehenden Materials;
Fig. 2 die Reflexionskurve eines aus fünf Schichten bestehenden Materials.
In der Fig. 1 ist die Reflexionskurve eines aus drei übereinander angeordneten Schichten bestehenden Materials, das auf einem Substrat, z. B. auf Glas oder auf einer Kunststofffolie aufgebracht ist. Die erste Schicht dieses Materials, die unmittelbar auf dem Substrat angeordnet ist, ist eine ca. 100 nm dicke Schicht aus Aluminium, die zweite Schicht, die sich auf dem Aluminium befindet, ist eine ca. 1030 nm dicke Schicht aus SiO₂, und die dritte Schicht, die auf dem SiO₂ aufgebracht ist und mit Luft in Berührung steht, ist eine etwa 30 nm dicke Schicht aus NiCr. Bei der ersten Schicht handelt es sich also um eine über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts hochreflektierende Schicht, während es sich bei der zweiten Schicht um eine über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts im Wesentlichen nicht absorbierende Schicht handelt, die sich auf der ersten Schicht befindet. Die dritte Schicht ist schließlich eine über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts teildurchlässige Schicht, die sich auf der zweiten Schicht befindet. Diese dritte Schicht liegt über den anderen Schichten; das zu reflektierende Licht trifft direkt auf diese dritte Schicht.
Wie man aus der Fig. 1 erkennt, besitzt das Drei-Schichten-Material Reflexionsmaxima bei ca. 445 nm, bei 525 nm und bei 629 nm. Diese Wellenlängen entsprechen recht genau den Primär-Wellenlängen für Blau, Grün und Rot. Bei der Lösung gemäß Fig. 1 wird die Eigenschaft metallischer Schichten ausgenutzt, mit denen sich in Kombination mit einer dielektrischen Schicht Reflexionsspektren erzeugen lassen, die selektiv bei verschiedenen Wellenlängen reflektieren.
Die Lage der Kurve im Spektrum lässt sich leicht durch Veränderung der Schichtdicke der dielektrischen mittleren Schicht verändern. Die mittlere Schicht wirkt wie ein Spacer in einem Fabry-Perot-Filter, wobei die Schichtdicke so gewählt ist, dass die höheren Ordnungen die zusätzlichen Peaks erzeugen. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Hauptreflexion im Infraroten liegt, d. h. bei der Grundfrequenz, die Reflexion der Primärvalenzen aber in den Nebenreflexionen, den so genannten höheren Ordnungen. Ein Vakuum-Spacer ohne Absorption könnte auch verwendet werden. Die Farben Rot, Grün und Blau werden dann reflektiert, wenn man die höhere Ordnung der Spacerschicht wählt, bei der die Reflexionspeaks oder -maxima bei den Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau liegen.
Die erste Schicht auf dem Substrat hat idealerweise eine möglichst hohe Reflexion im sichtbaren Bereich. Als geeignete Materialien bieten sich Aluminium und Silber an. Würde man z. B. als erste Schicht NiCr wählen, nähme die Höhe des Reflexionspeaks drastisch auf 30 bis 40% ab. Die Teildurchlässigkeit der dritten Schicht, die oben vorgesehen ist, liegt etwa bei 50% Transmission und ca. 25% Reflexion. Vermindert man die Dicke der NiCr-Schicht von 30 nm auf 20 nm, erhöht sich die Reflexion in den Maxima, aber auch in den Minima. Wenn man die Dicke der NiCr- Schicht von 30 nm auf 50 nm erhöht, vermindert sich die Reflexion in den Maxima stark und in den Minima weniger.
Es gibt also ein Optimum der Schichtdicke in der oberen Schicht, bei dem gleichzeitig eine hohe Reflexion in den Maxima und eine möglichst niedrige Reflexion in den Minima erzielt wird.
Die optimale Schichtdicke ist materialabhängig. Bei unterschiedlichen Metallen ergeben sich in der obersten Schicht unterschiedliche Schichtdicken.
Die Fig. 2 zeigt eine weitere Reflexionskurve, die ihre Maxima an der gewünschten RGB-Stelle des Spektrums hat. Diese Reflexionskurve gibt die optischen Eigenschaften eines Materials wieder, das aus fünf Schichten besteht. Die erste Schicht, die unmittelbar mit dem Substrat - z. B. Glas oder Kunststoff - in Verbindung steht, besteht aus einer etwa 468 nm dicken TiO₂-Schicht. Auf dieser TiO₂-Schicht befindet sich eine etwa 127 nm dicke SiO₂-Schicht, auf der wiederum eine 468 nm dicke TiO₂- Schicht angeordnet ist. Die letztgenannte TiO₂-Schicht wird gefolgt von einer 72 nm dicken SiO₂-Schicht, auf der sich wiederum eine 483 nm dicke TiO₂-Schicht befindet. Diese letzte TiO₂-Schicht steht mit Luft in Berührung.
TiO₂ besitzt einen hohen Brechungsindex, ca. 2,35, ähnlich hohe Brechungsindices besitzen auch Bi₂O₃, Ta₂O₅ oder TiO_xN_y oder Diamant C oder Silberbromid oder Silberjodid oder Cadmiumsulfid. SiO₂ besitzt einen niedrigen Brechungsindex von ca. 1,45. Ähnlich niedrig liegen die Brechungsindizes von Flussspat oder Opal. Der Brechungsindex ist wellenlängenabhängig und wird oft bei 589 nm gemessen, was der Wellenlänge von gelbem Natriumlicht entspricht. Titandioxid liegt in den Modifikationen Anatas (Brechungsindex 2,49-2,56) und Rutil (Brechungsindex 2,61-2,90) vor.
Das Aufbringen dieser Schichten auf dem Substrat erfolgt mittels einem Sputterverfahren, das z. B. mit einer 6-Kathoden-Sputteranlage durchgeführt wird. Bevorzugt wird das Hochraten-Mittelfrequenz-Magnetronsputterverfahren eingesetzt.
Mit einer solchen Anlage können beispielsweise Kunststofffolien bis zu einer Dicke von 100 µm beschichtet werden.
Die Haftung der Schichten aufeinander und der untersten Schicht auf dem Substrat ist sehr gut, sodass es keiner besonderen Haftschichten bedarf.
Als Substratmaterial werden vorzugsweise starre Kunststoffsubstrate und feste Verbundmaterialien eingesetzt.

Claims

1. Material mit spektral selektiver Reflexion in den Primärvalenzen von . Rot, Grün und Blau, gekennzeichnet durch folgende Schichten:

1. 1.1 eine erste über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts hochreflektierende Schicht;

2. 1.2 eine zweite über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts im Wesentlichen nicht absorbierende Schicht, die sich auf der ersten Schicht befindet und deren optische Dicke zwischen etwa 600 nm und 900 nm liegt, wobei die optische Dicke zu 4.n.d defniert ist und n der Brechungsindex und d die geometrische Dicke bedeuten;

3. 1.3 eine dritte über den ganzen Bereich des sichtbaren Lichts teildurchlässige Schicht, die sich auf der zweiten Schicht befindet, wobei die dritte Schicht eine geometrische Dicke von etwa 20 bis 80 nm aufweist.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus Aluminium, die zweite Schicht aus SiO₂ und die dritte Schicht aus NiCr besteht.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht auf einem Substrat angeordnet ist.

4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht mit Luft in Verbindung steht.

5. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus Aluminium etwa 100 nm dick ist.

6. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht aus SiO₂ etwa 1030 nm dick ist.

7. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht aus NiCr etwa 30 nm dick ist.

8. Material mit spektral selektiver Reflexion in den Primärvalenzen Rot, Grün und Blau, gekennzeichnet durch folgende Schichten:

1. 8.1 eine erste Schicht aus einem Material mit hohem Brechungsindex, z. B. TiO₂, Ta₂O₅, TiO_xN_y oder Bi₂O₃, die etwa 400 bis 600 nm dick ist;

2. 8.2 eine zweite Schicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex, z. B. SiO₂, die etwa 127 nm dick ist und die sich auf der ersten Schicht aus TiO₂, Ta₂O₅, TiO_xN_y oder Bi₂O₃ befindet;

3. 8.3 eine dritte Schicht aus einem Material mit hohem Brechungsindex, z. B. TiO₂, Ta₂O₅, TiO_xN_y oder Bi₂O₃, die etwa 400 bis 600 nm dick ist und die sich auf der zweiten Schicht aus SiO₂ befindet;

4. 8.4 eine vierte Schicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex, z. B. SiO₂, die etwa 72 nm dick ist und die sich auf der dritten Schicht aus TiO₂, Ta₂O₅, TiO_xN_y oder Bi₂O₃ befindet;

5. 8.5 eine fünfte Schicht aus einem Material mit hohem Brechungsindex, z. B. TiO₂, Ta₂O₅, TiO_xN_y oder Bi₂O₃, die etwa 400 bis 600 nm dick ist und die sich auf der vierten Schicht aus SiO₂ befindet.

9. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht auf einem Substrat angeordnet ist.

10. Material nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Glas ist.

11. Material nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Kunststoff ist.

12. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Schicht mit Luft in Verbindung steht.

13. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von TiO₂ die Dicke der ersten Schicht 468 nm beträgt.

14. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von TiO₂ die Dicke der dritten Schicht 468 nm beträgt.

15. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von TiO₂ die Dicke der fünften Schicht 483 nm beträgt.