DE112016006298T5

DE112016006298T5 - System für optischen Nachweis von Parametern

Info

Publication number: DE112016006298T5
Application number: DE112016006298.2T
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Inoguchi
Original assignee: Schott Glass Technologies Suzhou Co Ltd
Current assignee: Schott Glass Technologies Suzhou Co Ltd
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US10715749B2; WO2017127994A1; TWI730036B; JP2019514233A; TW201738548A; US20200007795A1; TW202127004A; TWI769691B; US10455167B2; CN108605101A; CN108605101B; JP6643495B2; US20180332242A1

Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Parameternachweissystem, ein Infrarot-Bandpassfilter und ein Glassubstrat für das Infrarot-Bandpassfilter sowie ein Verfahren zum Nachweisen von Parametern. Das System, Filter und Substrat dieser Erfindung können in einer Anzahl von Vorrichtungen, einschließend Smartphones, tragbare Computer, Computeruhren, Tablet-Computer, Spielvorrichtungen, Fernsehgeräte, Personalcomputer, Sprechanlagen, Haustechniksysteme, Fahrzeugsicherheitssysteme, 3D-Bildgebungssysteme, Gestensteuerungssysteme, Berührungssensoren, Fingerabdrucksensoren, diagnostische Systeme, Spielvorrichtungen, interaktive Anzeigevorrichtungen, 3D-Messsysteme, Haushaltsgeräte, Anzeigevorrichtungen, Iriserkennungssysteme und weitere, verwendet werden. Das System, Filter und Substrat dieser Erfindung können für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden, einschließend, aber nicht eingeschränkt auf Iriserkennung, 3D-Scannen, interaktive Anzeigevorrichtung, biometrischer Nachweis oder Messung von biometrischen Daten, Gestensteuerung, Spielen, Fingerabdrucknachweis.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Parameternachweissystem, ein Infrarot-Bandpassfilter und ein Glassubstrat für das Infrarot-Bandpassfilter sowie ein Verfahren zum Nachweisen von Parametern. Das System kann zum Beispiel zum Nachweisen von Parametern bei Individuen, wie Iriserkennung, 3D-Scannen, Berührungssensoren, Biometrie, interaktive Anzeigevorrichtungen, Spielen und Gestensteuerung verwendet werden.
Im Sinne dieser Erfindung ist ein „Parameternachweissystem“ ein - typischerweise elektronisches System - welches zum Messen von mindestens einem Parameter von mindestens einem Individuum oder Objekt in der Lage ist. Der Parameter, der gemessen wird, kann aus jedweden Parametern, welche unter Verwendung von optischen Mitteln gemessen werden können, ausgewählt sein. „Nachweis“ schließt Bestimmung und/oder Quantifizierung des betreffenden Parameters ein.
Stand der Technik
Gestensteuerungsvorrichtungen, Irisscanner und weitere verwandte Parameternachweisvorrichtungen sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Infrarotlichtquelle zum Beleuchten des nachzuweisenden Bereichs („Beleuchtungseinheit“). Die durch die Lichtquelle abgestrahlte Wellenlänge liegt typischerweise im Bereich von 800 bis 900 nm. Um Infrarotlicht einzufangen, welches von dem nachzuweisenden Bereich, z.B. der Person, die die Vorrichtung verwendet, zurückkommt, ist es bevorzugt, dass nur die Wellenlänge des Lichts, die die nützliche Information trägt, gemessen wird. Nur Messen der gewünschten Wellenlänge und Herausfiltern von anderen Bereichen des Wellenlängenspektrums erhöhen das Signal/Rausch (SIN)-Verhältnis. Dadurch kann die Intensität des beleuchtenden Lichts erniedrigt werden. Für diesen Zweck werden Infrarot-Bandpassfilter, die in den gewünschten Wellenlängenregionen gute Transmission aufweisen, verwendet. Die Wellenlängenregion, die das Filter passiert, wird „Durchlassbereich“ genannt.
Der Grund, warum Infrarotlicht zum Beleuchten der Szenerie verwendet wird, ist, dass das S/N-Verhältnis verbessert werden kann, insbesondere in Umgebungen mit hoher Helligkeit im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Weitere Komponenten, welche in einer solchen Vorrichtung verwendet werden können, sind eine Linse, die das Licht sammelt, welches von der Szenerie reflektiert wird, und ein Bildsensor wie eine Laufzeitkamera. Der Bildsensor misst die Zeit, die das Licht gebraucht hat, um den Weg von der Beleuchtungseinheit zu dem nachgewiesenen Objekt und zurück zurückzulegen. Folglich umfassen die Vorrichtungen normalerweise eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Bandpassfilter und einen Bildsensor.
WO 2013/010127 A2 lehrt biometrische Bildgebungsvorrichtungen und -verfahren. Die darin beschriebenen Systeme enthalten eine Lichtquelle und eine Bildgebungsvorrichtung. Ein infrarottransparentes Medium kann zum Verbergen der Bildgebungsvorrichtung vor dem Individuum verwendet werden. Das infrarottransparente Medium kann aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein und es kann eine Beschichtung umfassen. Das Dokument konzentriert sich auf die in der Bildgebungsvorrichtung verwendete Halbleitervorrichtung. Die Bildgebungsvorrichtung kann ein Infrarotfilter umfassen. Es werden keine weiteren Details erörtert.
US 8,750,577 B2 offenbart ein Verfahren und Gerät für Augenscanauthentifizierung unter Verwendung einer Flüssigkeitslinse. US 2013/02276678 A1 betrifft ein Verfahren und System zum Authentifizieren eines Verwenders einer mobilen Vorrichtung. Es wurden viele unterschiedliche Konfigurationen für Nachweissysteme von biometrischen Daten und anderen Parametern veröffentlicht. Jedoch wurde der Optimierung von Bandpassfiltern zur Verwendung in solchen Vorrichtungen wenig Gewicht beigemessen.
Unterschiedliche Substrate können für Infrarot-Bandpassfilter verwendet werden. Jedes Substrat hat bestimmte Eigenschaften, und ein Vorteil bei einer Eigenschaft kann mit einem Nachteil bezüglich einer anderen Eigenschaft des Substrats einhergehen. Die meisten Bandpassfilter umfassen ein Substrat und eine oder mehr Beschichtungen. Einige der Eigenschaften, die ein solches Filter aufweisen sollte, sind die folgenden.

- hohe Transmission im Durchlassbereich,
- sehr niedrige Transmission im Nichtdurchlassbereich,
- Kratzfestigkeit,
- Bruchfestigkeit sogar bei niedriger Dicke,
- gute chemische Stabilität, z.B. hydrolytische Stabilität,
- kompatible Wärmeausdehnung,
- optimierte optische Eigenschaften,
- niedrige Winkelabhängigkeit von optischen Eigenschaften,
- niedriger Gehalt an umweltschädlichen oder toxischen Komponenten,
- niedriges spezifisches Gewicht,
- niedrige Strahlung (Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Radioaktivität),
- niedrige Herstellungskosten,
- Verfügbarkeit in niedrigen Dicken und mit niedriger Dickenvarianz, und
- Temperaturwechselbeständigkeit.

Hohe Transmission bei der gewünschten Wellenlänge ist von besonderer Relevanz, da Lichtintensität nicht auf sehr hohe Werte erhöht werden kann. Licht von sehr hoher Intensität wird das Gewebe des Verwenders schädigen, insbesondere bei Iriserkennungssystemen. Auch erfordert Beleuchten der Szenerie mit hohen Lichtintensitäten viel Energie.
Viele Parameternachweissysteme sind in tragbaren Vorrichtungen wie Mobiltelefonen und Tablet- oder Laptop-Computern nützlich. Tragbare Vorrichtungen sind Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Zum Beispiel sollte eine mobile Vorrichtung nicht nur drinnen, sondern auch, wenn sie draußen verwendet wird, arbeiten. Während Freiluftaktivitäten (wie Skifahren) können sehr kalte Temperaturen die Vorrichtung beeinträchtigen. Auch können sehr heiße Temperaturen in Situationen, wenn eine Vorrichtung in direktem Sonnenlicht ist, auftreten. Im Allgemeinen beträgt der Temperaturbereich, innerhalb dem eine tragbare elektronische Vorrichtung - oder eine Vorrichtung für Freiluftverwendung im Allgemeinen - einwandfrei arbeiten sollte, ungefähr -40°C bis 60°C, d.h. in einem Temperaturbereich von etwa 100°C. Es wurde gefunden, dass dies bei vielen Materialien keine selbstverständliche Eigenschaft ist.
Es wurde gefunden, dass die optischen Eigenschaften nicht nur für die gewünschte Verwendung gut sein sollten, sondern dass die optischen Eigenschaften auch über den angegebenen Temperaturbereich so konstant wie möglich bleiben sollten. Während Transmission normalerweise nicht sehr stark mit sich verändernder Temperatur variiert, variiert der Brechungsindex mit sich verändernden Temperaturen in einem signifikanten Ausmaß. Es kann sogar sein, dass dies bei bestimmten optischen Systemen nicht sehr problematisch ist, wenn aber beschichtete Systeme zum Einsatz kommen, verursacht die Brechungsindexveränderung auch eine Veränderung bei der Transmission. Dies ist umso relevanter, wenn berücksichtigt wird, dass viele Parameternachweissysteme sehr empfindliche Messungen durchführen. In Iriserkennungssystemen wird zum Beispiel die Struktur der menschlichen Iris nachgewiesen. Damit es einwandfrei arbeitet, muss das System kalibriert werden. Ein System kann bei Raumtemperatur und später, wenn draußen verwendet, bei viel niedrigeren oder höheren Temperaturen kalibriert werden. Systeme mit hoher Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes werden unter schlechten Parameternachweiseigenschaften leiden, wenn die Vorrichtung z.B. bei Raumtemperatur kalibriert und bei im Wesentlichen unterschiedlichen Temperaturen verwendet wird. Eine wünschenswerte Vorrichtung sollte auch vorteilhafte Transmissionseigenschaften, Kratzfestigkeit, Filtereigenschaften, mechanische Stabilitäten sogar bei niedrigen Dicken, niedrige Winkelabhängigkeit von optischen Eigenschaften, niedrige Herstellungskosten und ausgezeichnete hydrolytische und chemische Stabilität aufweisen. Alle diese wünschenswerten Erfordernisse werden von dem hier beschriebenen Gegenstand erfüllt.
Detaillierte Beschreibung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Parameternachweissysteme, die sogar bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen zuverlässig arbeiten, bereitzustellen.
Es wurde gefunden, dass die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Substrats bei einem beschichteten Filter, das in einem Parameternachweissystem verwendet wird, so niedrig wie möglich sein sollte. Die vorliegende Erfindung stellt Systeme, Bandpassfilter und Substrate für Bandpassfilter, die einen sehr zuverlässigen Betrieb von Parameternachweissystemen bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen, bereit.
Die Erfindung stellt ein Parameternachweissystem bereit, umfassend

a) mindestens eine Lichtquelle, die zum Emittieren von Licht in der Richtung eines Objekts oder einer Person in der Lage ist,
b) mindestens ein Bandpassfilter, umfassend ein Substrat und mindestens eine Beschichtung,
c) gegebenenfalls mindestens eine optische Linse, welche zum Sammeln von Licht der emittierten Wellenlänge in der Lage ist, und
d) mindestens einen Bildsensor, der positioniert ist, Licht zu empfangen, welches von dem Objekt oder der Person reflektiert wird,

^-6

Es wurde gefunden, dass Parameternachweissysteme der vorstehend dargelegten Art in Bezug auf Temperaturtoleranz, d.h. die Fähigkeit, mit im Wesentlichen der gleichen Effizienz bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen zu arbeiten, hervorragende Eigenschaften zeigen. Die Tatsache, dass das Substrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10×10^-6/K aufweist, verleiht dem in dem System verwendeten Filter eine gute Temperaturtoleranz. In bevorzugten Ausführungsformen sollte die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Substrats niedriger als 8×10^-6/K, stärker bevorzugt niedriger als 6 ×10^-6/K, stärker bevorzugt niedriger als 4 ×10^-6/K und am stärksten bevorzugt niedriger als 2,5 ×10^-6/K in einem Temperaturbereich von -40 bis +60°C sein.
Die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes kann einfach durch Messen des absoluten Brechungsindexes eines Substrats bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden. Im Hinblick auf die vorstehend gegebenen Temperaturwerte kann der Wert einfach durch Messen des Brechungsindexes des Substrats bei -40°C und bei 60°C, d.h. über einen Bereich von 100 K, bestimmt werden. Für die Substrate dieser Erfindung gilt das Folgende: $\begin{matrix} (n_{850 nm/60 ° C} - n_{850 nm/-40 ° C}) / 100 K = 10 \times 10^{- 6} / K oder weniger & (n = Brechungsindex) \end{matrix}$
Es wurde gefunden, dass die temperaturabhängige Mittenwellenlängendrift des Filters abnimmt, wenn bei dem Substrat die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes erniedrigt wird. Bevorzugt beträgt die temperaturabhängige Mittenwellenlängendrift bei dem Filter des Parameternachweissystems dieser Erfindung weniger als 15 nm, stärker bevorzugt weniger als 10 nm und am stärksten bevorzugt weniger als 5 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C. Die temperaturabhängige Mittenwellenlängendrift wird durch Vergleichen der Mittenwellenlänge des Durchlassbereichs des Bandpassfilters bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen. Die Abweichung der Mittenwellenlänge von der Mittenwellenlänge bei Raumtemperatur (d.h. 20°C) sollte den vorstehend angegebenen Wert nicht übersteigen.
Es wurde ferner gefunden, dass eine höhere Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes zu unerwünschten Transmissionsverlusten in dem Filter führen wird, wenn die Umgebungstemperatur deutlich unterschiedlich von der Temperatur, für welche das System optimiert wurde, ist.
Die in dem Parameternachweissystem dieser Erfindung verwendete Lichtquelle kann eine passive Lichtquelle, wie Umgebungslicht sein. Im Allgemeinen kann die Lichtquelle jedwede Lichtquelle, welche Licht in der gewünschten Wellenlängenregion emittiert, sein. Ein Beispiel für eine passive Lichtquelle ist die Sonne. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle eine aktive Lichtquelle, wie eine LED.
Der Bildsensor ist bevorzugt ein Sensor, der zum Messen des ankommenden Lichts in einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1.000 nm, bevorzugt von 800 bis 900 nm geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor aus einer Laufzeitkamera, einem CCD- oder CMOS-Sensor oder einer Kombination davon ausgewählt.
Die optionale Linse kann bevorzugt eine Linse, die aus Glas hergestellt ist, sein. Sie kann zum Sammeln von Licht, welches von dem Objekt oder der Person reflektiert wird, verwendet werden. Das Bandpassfilter, der Lichtsensor und die optionale Linse können in einem Gehäuse angeordnet sein. Die Lichtquelle kann in demselben Gehäuse oder einem unterschiedlichen Gehäuse angeordnet sein. Die Elemente des Systems können in einer Vorrichtung wie einer tragbaren Vorrichtung, einschließend ein Smartphone, einen tragbaren Computer, eine Computeruhr oder einen Tablet-Computer, angeordnet sein. Jedoch kann das System auch in stationären Vorrichtungen wie Spielvorrichtungen, Fernsehgeräten, Personalcomputern, Sprechanlagen, Haustechniksystemen, Fahrzeugsicherheitssystemen angeordnet sein. Das System kann auch in 3D-Bildgebungssystemen mit Gestensteuerung verwendet werden.
Insbesondere können das System, Filter und Substrat dieser Erfindung in einer Anzahl von Vorrichtungen, einschließend, aber nicht eingeschränkt auf Smartphones, tragbare Computer, Computeruhren, Tablet-Computer, Spielvorrichtungen, Fernsehgeräte, Personalcomputer, Sprechanlagen, Haustechniksysteme, Fahrzeugsicherheitssysteme, 3D-Bildgebungssysteme, Gestensteuerungssysteme, Berührungssensoren, Fingerabdrucksensoren, diagnostische Systeme, Spielvorrichtungen, interaktive Anzeigevorrichtungen, 3D-Messsysteme, Haushaltsgeräte, Anzeigevorrichtungen, Iriserkennungssysteme und weitere, verwendet werden. Das System, Filter und Substrat dieser Erfindung können für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden, einschließend, aber nicht eingeschränkt auf Iriserkennung, 3D-Scannen, interaktive Anzeigevorrichtung, biometrischer Nachweis oder Messung von biometrischen Daten, Gestensteuerung, Spielen, Fingerabdrucknachweis. Komponenten von solchen Vorrichtungen können einschließen, sind aber nicht darauf eingeschränkt: optische oder elektrische Zwischenelemente, Dünnfilmbatterien, Beleuchtungsvorrichtungen, insbesondere OLED- oder Hintergrundbeleuchtungseinheiten, PCBs oder andere elektronische Schaltungsvorrichtung, elektronische passive Komponente (insbesondere Kondensatoren), Abdeckscheiben, Schutzschichten und/oder MEMS/MOEMS.
Parameternachweissysteme dieser Erfindung können zum Nachweisen einer im Allgemeinen nicht eingeschränkten Anzahl von Parametern verwendet werden. Ein Erfordernis jedoch ist, dass der Parameter optisch, unter Verwendung von Infrarotlicht nachgewiesen werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Parameter, der nachgewiesen wird, ein Parameter, der einen Menschen betrifft. Der Parameter, der nachgewiesen wird, kann aus der Irisstruktur eines Menschen oder Tiers, der Haltung oder Bewegung eines Menschen oder Tiers oder biometrischen Daten eines Menschen oder Tiers, wie Irisstruktur, ausgewählt sein. Biometrische Daten, die nachgewiesen werden können, d.h. unter Verwendung der Systeme dieser Erfindung gemessen werden können, schließen Parameter, die das Gesicht, die Hände, Retina, Iris, Unterschrift, Venen oder Stimme eines Probanden betreffen, ein. Die Systeme dieser Erfindung können zum Analysieren der Gesichtscharakteristika eines Probanden, der Fingerabdrücke, Handgeometrie (d.h. Gestalt der Hand, Länge von Fingern), Retina (Analyse von Kapillargefäßen auf der Rückseite des Auges), Iris, Venen (z.B. Muster von Venen auf der Rückseite der Hand oder dem Handgelenk) verwendet werden.
Diese Erfindung betrifft auch ein Infrarot-Bandpassfilter, welches zur Verwendung in einem Parameternachweissystem gemäß dieser Erfindung geeignet ist, wobei das Filter ein Substrat aus Glas und mindestens eine Beschichtung umfasst, das Filter einen Durchlassbereich in einer Wellenlängenregion von 780 nm bis 1.000 nm, bevorzugt von 800 bis 900 nm aufweist, wobei das Substrat aus Glas hergestellt ist und eine mittlere Dicke von 0,01 bis 2 mm aufweist, wobei die Beschichtung eine Dicke von mehr als 0,5 mm aufweist und wobei das Substrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K aufweist. Im Allgemeinen sollte auch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Beschichtung des Filters eingeschränkt sein. Es ist bevorzugt, dass der entsprechende Wert der Beschichtung des Filters auf Werte von niedriger als 0,001/K, bevorzugt niedriger als 12 ×10^-6/K, bevorzugt niedriger als 10 ×10^-6/K eingeschränkt ist.
Es wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, wenn die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Substrats ähnlich zu der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Beschichtung ist. Im Allgemeinen wird die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Beschichtung höher als die des Substrats sein. In bevorzugten Ausführungsformen sollte das Verhältnis der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Beschichtung zur Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Substrats 1.000 nicht übersteigen, stärker bevorzugt sollte es 800 nicht übersteigen, stärker bevorzugt sollte es 500 nicht übersteigen, am stärksten bevorzugt sollte es 100 nicht übersteigen. Die Temperaturtoleranz der Vorrichtung wird erhöht werden, wenn diese Werte eingehalten werden.
Die Beschichtung kann eine Vielzahl von Schichten umfassen. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beschichtung 10 bis 1.000 Schichten, bevorzugt 20 bis 200 Schichten, stärker bevorzugt 30 bis 80 Schichten.
Die Beschichtung kann unter Verwendung einer Anzahl von unterschiedlichen Verfahren, einschließend PVD, CVD, Flüssigphasenabscheidung, lonenstrahl-Sputterabscheidung, Magnetron-Sputtern, Plasma-Sputterabscheidung, thermische Verdampfungsabscheidung, ionenunterstütze Abscheidung, Elektronenstrahlkanonen-Verdampfung, Laserabscheidung, Molekülstrahlepitaxie, RF-Erwärmen oder Sol/Gel, aufgebracht werden. Bevorzugt werden als Beschichtungsverfahren thermisches Verdampfen, Ionenstrahlsputtern oder Plasmasputtern verwendet. Die Beschichtung dient dem Zweck, Anteile von einfallendem Licht zu reflektieren, von welchen angenommen wird, dass sie das Filter nicht passieren. Durch Verwenden von Beschichtungen, um dem Filter die gewünschten Durchlassbereichseigenschaften zu verleihen, gibt es weniger Einschränkungen bezüglich den optischen Eigenschaften des Glases, solange das Glas ausreichende Transmissionseigenschaften im Durchlassbereich aufweist.
Geeignete Beschichtungsmaterialien sind aus anorganischen und organischen Beschichtungen ausgewählt. Anorganische Beschichtungen sind bevorzugt, da anorganische Beschichtungen normalerweise bessere Langzeitstabilität aufweisen. Bevorzugte anorganische Beschichtungsmaterialien sind aus Oxiden und Fluoriden ausgewählt. Bevorzugte Beschichtungsmaterialien sind aus Nb₂O₅, TiO₂, Ta₂O₅, SiO₂, MgF₂, Al₂O₃, HfO₂ und ZnO₂ ausgewählt. Alle diese Beschichtungsmaterialien weisen eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von niedriger als 0,001/K auf. Ein bevorzugtes Beschichtungsmaterial, welches eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von niedriger als 10 ×10^-6/K aufweist, ist aus SiO₂, MgF₂, Al₂O₃ und HfO₂ ausgewählt.
Diese Erfindung betrifft ferner ein Glassubstrat, welches zur Verwendung in einem Infrarot-Bandpassfilter gemäß dieser Erfindung geeignet ist, wobei das Glassubstrat eine Transmission von mehr als 90 % bei einer Dicke von 10 mm in der Wellenlängenregion von 780 bis 1000 nm, bevorzugt von 800 bis 900 nm aufweist und wobei das Glassubstrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K aufweist.
Das Glassubstrat dieser Erfindung weist eine Transmission von mehr als 90 %, bevorzugt mehr als 95 % in der Wellenlängenregion von 780 bis 1000 nm, bevorzugt in der Region von 800 bis 900 nm bei einer Dicke von 10 mm auf. Gute Transmission des Filtersubstrats ist wichtig, da jedwede Transmissionsverluste durch Verwenden von höheren anfänglichen Lichtintensitäten kompensiert werden müssen, was das S/N-Verhältnis beeinträchtigen wird und zu höherem Energieverbrauch der verwendeten Systeme führen wird und bei bestimmten Verwendungen sogar zu gefährlichen Lichtintensitäten führen könnte.
Das Glas, welches in dieser Erfindung als das Substrat verwendet wird, weist bevorzugt eine Knoop-Härte HK0.1/20 von höher als 450 auf. Ausreichende Härte des Substrats ist wichtig, da sie die Produktgesamtlebensdauer erhöhten wird und die Bildung von Kratzern auf der Oberfläche des Filters vermeiden wird. Kratzer führen zu unerwünschten Reflexionen und folglich zu einer Abnahme bei der Nachweiseffizienz. Normalerweise ist eine sehr hohe Härte bei Filtersubstraten nicht gewünscht, da hohe Härte Polieren kostenintensiv macht. Da jedoch die Gläser dieser Erfindung mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften ohne Polieren hergestellt werden können, ist der hohe Härtewert kein Nachteil für diese Gläser.
Beim Knoop-Härtetest wird die Eindringtiefe eines Diamanten mit Rhombus-Gestalt, der mit einer definierten Kraft und Zeit auf das Material gepresst wird, gemessen. Die Diamantenoberflächen weisen definierte Schnittwinkel von 172,5° und 130,0° auf. Während dem Pressen des Diamanten in die Glasplatte findet eine elastische und plastische Verformung statt. Die Größe der permanenten Eindringung hängt von der Härte des Materials, welche durch die chemische Zusammensetzung gegeben ist, ab. Die Knoop-Härte kann aus der Diagonalgröße d der Eindringung unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden: $HK = 1,4233 \times {F/d}^{2}$
Die Norm ISO 9385:1990 beschreibt das Messverfahren für Gläser. Gemäß dieser Norm sind die Werte für die Knoop-Härte HK in den Datenblättern für eine Testkraft von 0,9807 N (entspricht 0,1 kp) und eine effektive Testdauer von 20 s aufgelistet. Der Test wurde auf polierten Glasoberflächen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Daten für Härtewerte sind auf 10 HK 0.1/20 gerundet. Die Mikrohärte ist eine Funktion der Magnitude der Testkraft und nimmt mit steigender Testkraft ab.
Das Glas des in dieser Erfindung verwendeten Substrats weist bevorzugt eine mittlere Dicke von 0,01 bis 1,2 mm, bevorzugt von 0,1 bis 0,7 mm, am stärksten bevorzugt bis zu 0,5 mm auf. Das in dieser Erfindung verwendete Glas kann in sehr dünner Gestalt hergestellt werden. Insbesondere kann das Glas sehr wirtschaftlich unter Verwendung von Ziehverfahren, wie Redraw, Down-Draw oder Overflow-Fusion hergestellt werden; wobei alternativ Float-Verfahren verwendet werden können.
Die Erfindung schließt auch ein Verfahren zum Nachweisen von mindestens einem Parameter ein, einschließend die Schritte von

a. Beleuchten eines Probanden oder eines Objekts von Interesse unter Verwendung von Licht innerhalb einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1.000 nm, bevorzugt von 800 bis 900 nm,
b. Messen von mindestens einer Eigenschaft des Lichts, welches von dem Probanden oder Objekt von Interesse reflektiert wird, in einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1.000 nm, bevorzugt von 800 bis 900 nm,

^-6

Es wurde gefunden, dass, wenn ein Glas als das Substrat des Filters in den Systemen dieser Erfindung verwendet wird, eine hohe Auslaugungsneigung zu erniedrigter Produktlebensdauer und inkonsistenten Messergebnissen führen wird. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Auslaugungseigenschaften des Glases, welches als das Substrat verwendet wird, erniedrigt werden. Bevorzugt weist das Glas eine HGB1 gemäß ISO719 auf.
Damit einheitliche Ergebnisse erhalten werden können, sollte das Substratglas eine sehr glatte Oberfläche aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die RMS-Rauheit des Glassubstrats weniger als 5 nm, bevorzugt weniger als 1 nm RMS.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) des Glases sollte nicht zu stark von den entsprechenden CTEs der Beschichtungsschichten abweichen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, ein Glas mit einem CTE von mindestens 2×10^-6/K und nicht höher als 11×10^-6 /K zu verwenden. Bevorzugt beträgt der CTE mindestens 5 ×10^-6/K und weniger als 8,5 ×10^-6/K. Glaszusammensetzungen, welche in dieser Erfindung bevorzugt verwendet werden, werden im Folgenden beschrieben.
Gläser, welche in dieser Erfindung verwendet werden, sind durch bestimmte Zusammensetzungsbereiche charakterisiert. In dieser Beschreibung beziehen wir uns auf die kationischen Zusammensetzungen der Gläser. In diesen Zusammensetzungen - wenn nicht Anderweitiges angegeben ist - bezieht sich „Silicium“ auf Si⁴⁺, „Bor“ bezieht sich auf B³⁺, „Aluminium“ bezieht sich auf Al³⁺, „Lithium“ bezieht sich auf Li⁺, „Natrium“ bezieht sich auf Na⁺, „Kalium“ bezieht sich auf K⁺, „Magnesium“ bezieht sich auf Mg²⁺, „Calcium“ bezieht sich auf Ca²⁺, „Barium“ bezieht sich auf Ba²⁺, „Zink“ bezieht sich auf Zn²⁺, „Titan“ bezieht sich auf Ti⁴⁺, „Zirconium“ bezieht sich auf Zr⁴⁺, „Arsen“ bezieht sich auf die Summe von As³⁺ und As⁵⁺, „Antimon“ bezieht sich auf die Summe von Sb³⁺ und Sb⁵⁺, „Eisen“ bezieht sich auf die Summe von Fe³⁺ und Fe⁴⁺, „Cer“ bezieht sich auf die Summe von Ce³⁺ und Ce⁴⁺, „Zinn“ bezieht sich auf die Summe von Sn²⁺ und Sn⁴⁺ und „Schwefel“ bezieht sich auf die Gesamtmenge an Schwefel in all seinen Valenzstufen und Oxidationsleveln.
Die Gläser, welche für das Filtersubstrat der vorliegenden Erfindung geeignet sind, weisen eine bestimmte bevorzugte Zusammensetzung, die nachstehend dargelegt ist, auf. Die Gläser umfassen im Allgemeinen kationische und anionische Komponenten. Die Zusammensetzung der Kationen in dem Glas wird in kationischen Prozentanteilen (Kat.-%) angegeben, d.h. es ist der Molanteil des jeweiligen Kations, relativ zur Gesamtmolmenge an Kationen in der Zusammensetzung, angegeben. Bevorzugt umfassen die Gläser die folgenden Komponenten, in Kat.-%, bezogen auf die Gesamtmolmenge an Kationen in dem Glas: Silicium 40 bis 75 Kat.-%, Bor 0 bis 23 Kat.-%, Aluminium 0 bis 20 Kat.-%, Lithium 0 bis 18 Kat.-%, Natrium 0 bis 25 Kat.-%, Kalium 0 bis 15 Kat.-%, Magnesium 0 bis 10 Kat.-%, Calcium 0 bis 9 Kat.-%, Barium 0 bis 4 Kat.-%, Zink 0 bis 7 Kat.-%, Titan 0 bis 5 Kat.-%, Zirconium 0 bis 3 Kat.-%. In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kationen in den Gläsern aus den Kationen, welche in der vorstehend erwähnten Liste erwähnt werden, in einem Umfang von mindestens 95 %, stärker bevorzugt mindestens 97 %, am stärksten bevorzugt mindestens 99 %. In am stärksten bevorzugten Ausführungsformen bestehen die kationischen Komponenten des Glases im Wesentlichen aus den erwähnten Kationen.
Als anionische Komponenten umfasst das Glas bevorzugt mindestens ein Anion, welches aus Fluor (F^-), Sauerstoff (O^2-), Chlorid (Cl^-) ausgewählt ist. Am stärksten bevorzugt bestehen die in dem Glas vorhandenen Anionen aus Sauerstoff in einem Umfang von mindestens 95 %, stärker bevorzugt mindestens 97 %, am stärksten bevorzugt mindestens 99 %. In am stärksten bevorzugten Ausführungsformen besteht die anionische Komponente des Glases im Wesentlichen aus Sauerstoff.
Eine besonders bevorzugte Glaszusammensetzung umfasst die folgenden Komponenten, in Kat.-%, bezogen auf die Gesamtmolmenge an Kationen in dem Glas: Silicium 48 bis 60 Kat.-%, Bor 10,5 bis 15,5 Kat.-%, Aluminium 2 bis 8,5 Kat.-%, Natrium 8 bis 14 Kat.-%, Kalium 5,5 bis 13,5 Kat.-%, Zink 2 bis 6, Titan 1 bis 5 Kat.-%. In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kationen in den Gläsern aus den Kationen, die in der vorstehend erwähnten Liste erwähnt werden, in einem Umfang von mindestens 95 %, stärker bevorzugt mindestens 97 %, am stärksten bevorzugt mindestens 99 %. In am stärksten bevorzugten Ausführungsformen bestehen die kationischen Komponenten des Glases im Wesentlichen aus den erwähnten Kationen.
Eine weitere besonders bevorzugte Glaszusammensetzung umfasst die folgenden Komponenten, in Kat.-%, bezogen auf die Gesamtmolmenge an Kationen in dem Glas: Silicium 45 bis 60 Kat.-%, Aluminium 14 bis 20 Kat.-%, Natrium 15 bis 25 Kat.-%, Kalium 1,5 bis 8,5 Kat.-%, Magnesium 2 bis 9, Zirconium 0,1 bis 1,3 Kat.-%, Cer 0,01 bis 0,3 Kat.-%. In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Kationen in den Gläsern aus den Kationen, welche in der vorstehend erwähnten Liste erwähnt werden, in einem Umfang von mindestens 95 %, stärker bevorzugt mindestens 97 %, am stärksten bevorzugt mindestens 99 %. In am stärksten bevorzugten Ausführungsformen bestehen die kationischen Komponenten des Glases im Wesentlichen aus den erwähnten Kationen.
Die Ausdrücke „X-frei“ beziehungsweise „frei von Komponente X“, wie hier verwendet, betreffen bevorzugt ein Glas, welches die Komponente X im Wesentlichen nicht umfasst, d.h. dass eine solche Komponente in dem Glas höchstens als eine Verunreinigung oder Kontamination vorhanden sein kann, sie jedoch nicht als eine einzelne Komponente zu der Glaszusammensetzung gegeben wird. Dies bedeutet, dass die Komponente X nicht in wesentlichen Mengen zugegeben wird. Nicht-wesentliche Mengen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Mengen von weniger als 100 ppm, bevorzugt weniger als 50 ppm und stärker bevorzugt weniger als 10 ppm. Dabei kann „X“ sich auf jedwede Komponente, wie Bleikationen oder Arsenkationen, beziehen. Bevorzugt enthalten die hier beschriebenen Gläser im Wesentlichen keine Komponenten, welche nicht in dieser Beschreibung erwähnt werden.
Die Matrix des Glases umfasst Silicium in Anteilen von 40 bis 75 Kat.-%. Silicium ist ein wichtiger Netzwerkbildner in der Glasmatrix, welcher für die Glaseigenschaften sehr wichtig ist. Insbesondere sind Siliciumkationen für die chemische Beständigkeit, Härte und Kratzfestigkeit des Glases wichtig. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 43 Kat.-% Silicium, stärker bevorzugt mindestens 45 Kat.-% Silicium, noch stärker bevorzugt mindestens 47,5 Kat.-% Silicium und am stärksten bevorzugt mindestens 48 Kat.-% Silicium. Jedoch können Gehalte an Siliciumkationen, welche zu hoch sind, in einem Anstieg der Glasübergangstemperatur resultieren, was Glasherstellung unwirtschaftlich macht. Deshalb ist es besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Siliciumkationen höchstens 75 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 70 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 65 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 60 Kat.-% beträgt.
Neben Siliciumkationen umfasst das Glas auch mindestens einen zweiten Netzwerkbildner. Die Gläser enthalten Borkationen als einen zusätzlichen Netzwerkbildner in Anteilen von 0 bis 23 Kat.-%. Durch ihre Netzwerkbildungseigenschaften unterstützen Borkationen die Stabilität des Glases wesentlich. Im Falle von Gehalten an Borkationen, welche zu niedrig sind, kann die erforderliche Stabilität in dem Glassystem nicht garantiert werden. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 0 Kat.-% Bor, stärker bevorzugt mindestens 5 Kat.-% Bor, noch stärker bevorzugt mindestens 7,5 Kat.-% Bor und am stärksten bevorzugt mindestens 10,5 Kat.-% Bor. Jedoch, im Falle von Gehalten an Borkationen in dem Glas, welche zu hoch sind, kann die Viskosität so stark verringert sein, dass eine Verringerung der Kristallisationsstabilität akzeptiert werden muss. Deshalb ist es besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Borkationen höchstens 23 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 20 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 18 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 15,5 Kat.-% beträgt.
In den Gläsern beträgt die Summe an Silicium- und Borkationen, Kat.-% bevorzugt 40 bis 95. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Summe an Silicium- und Borkationen, Kat.-% in den Gläsern mindestens 45 Kat.-%, stärker bevorzugt mindestens 48 Kat.-%, noch stärker bevorzugt mindestens 50 und am stärksten bevorzugt mindestens 60 Kat.-%. Es ist besonders bevorzugt, dass die Summe an Silicium- und Borkationen, Kat.-% in den Gläsern höchstens 95 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 85 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 75,0 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 72 Kat.-% beträgt.
Es wurde gefunden, dass die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes durch die Netzwerkbildner Aluminium, Silicium und Bor in dem Glas beeinflusst wird. Deshalb weisen die Gläser ein Verhältnis der Summe von Aluminium und Bor, relativ zur Menge an Silicium in kationischen Prozentanteilen von 0 bis 1 auf. Bevorzugt beträgt dieses Verhältnis von >0 bis 0,8, stärker bevorzugt von >0,25 bis 0,6, am stärksten bevorzugt von 0,3 bis 0,4.
In den Gläsern sind Aluminiumkationen bevorzugt in Anteilen von 0 bis 20 Kat.-% enthalten. Die Zugabe von Aluminiumkationen resultiert in verbesserten Glasbildungseigenschaften und unterstützt im Allgemeinen die Verbesserung von chemischer Beständigkeit. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 0 Kat.-% Aluminium, stärker bevorzugt mindestens 1 Kat.-% Aluminium, noch stärker bevorzugt mindestens 2 Kat.-% Aluminium und am stärksten bevorzugt mindestens 3 Kat.-% Aluminium. Jedoch resultieren Gehalte an Aluminiumkationen, welche zu hoch sind, in einer erhöhten Neigung zu Kristallisation. Deshalb ist es besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Aluminiumkationen höchstens 20 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 15 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 10 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 8 Kat.-% beträgt.
Die Gläser enthalten bevorzugt Flussmittel zum Verbessern von Schmelzeigenschaften, insbesondere umfassend Alkalimetallkationen und/oder Erdalkalimetallkationen. Bevorzugt beträgt die Summe an Flussmitteln Σ{ΣR²⁺ (R = Mg, Ca, Sr, Ba) + ΣR⁺ (R' = Li, Na, K)} bevorzugt 5 bis 40 Kat.-%. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Summe der Mengen der Flussmittel in den Gläsern mindestens 5 Kat.-%, stärker bevorzugt mindestens 7 Kat.-%, noch stärker bevorzugt mindestens 12 Kat.-% und am stärksten bevorzugt mindestens 15 Kat.-%. Wenn die Menge an Flussmitteln in dem Glas zu hoch ist, wird die chemische Beständigkeit abnehmen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Summe der Flussmittel in den Gläsern höchstens 35 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 30 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 25 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 23 Kat.-% beträgt.
Alkalimetallkationen verbessern die Schmelzbarkeit des Glases und ermöglichen so eine wirtschaftliche Herstellung. Auch können sie zum Ermöglichen von chemischem Verfestigen des Glases durch lonenaustauschbehandlung notwendig sein. Während der Herstellung des Glases dienen die Alkalimetallkationen als Flussmittel. Die Summe der Mengen der Alkalimetallkationen Lithium, Natrium und Kalium in den Gläsern beträgt bevorzugt 0 bis 35 Kat.-%. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Summe der Alkalimetallkationen mindestens 5 Kat.-%, stärker bevorzugt mindestens 7 Kat.-%, noch stärker bevorzugt mindestens 10 Kat.-% und am stärksten bevorzugt mindestens 15 Kat.-%. Wenn jedoch Gehalte an Alkalimetallkationen zu hoch sind, kann die Witterungsbeständigkeit des Glases beeinträchtigt sein, und folglich kann der Bereich von Verwendungen davon stark eingeschränkt sein. Deshalb ist es besonders bevorzugt, dass die Summe der Alkalimetallkationen höchstens 35 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 30 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 25 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 23 Kat.-% beträgt.
In den Gläsern sind bevorzugt Lithiumkationen in Anteilen von 0 bis 18 Kat.-% enthalten. Lithium dient als ein Flussmittel und weist ausgezeichnete Eigenschaften für Ionenaustauschverfestigung auf. Jedoch beeinflusst Lithium die chemische Stabilität der Gläser in einem hohen Ausmaß, so dass sein Gehalt eingeschränkt sein sollte. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Lithiumkationen höchstens 18 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 10 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 3 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 1 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Lithiumkationen.
In den Gläsern sind bevorzugt Natriumkationen in Anteilen von 0 bis 25 Kat.-% enthalten. Natrium ist eine gute Komponente für Ionenaustauschbehandlung. Aber - wie bei allen Alkalimetallionen - sollte die Menge dieser Komponente nicht zu hoch sein, da sie die chemische Stabilität erniedrigt. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 3 Kat.-% Natrium, stärker bevorzugt mindestens 5 Kat.-% Natrium, noch stärker bevorzugt mindestens 8 Kat.-% Natrium und am stärksten bevorzugt mindestens 9 Kat.-% Natrium. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Natriumkationen höchstens 23 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 22 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 20 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 15 Kat.-% beträgt.
In den Gläsern sind bevorzugt Kaliumionen in Anteilen von 0 bis 15 Kat.-% enthalten. Der negative Einfluss von Kalium auf die chemische Stabilität ist im Vergleich zu den anderen Alkalimetallionen weniger stark. Jedoch ist Kalium nicht für lonenaustauschbehandlung geeignet. Auch der Gehalt an Kalium ist bevorzugt eingeschränkt, da es Isotope enthält, die beta-Strahlen emittieren. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 1 Kat.-% Kalium, stärker bevorzugt mindestens 2 Kat.-% Kalium, noch stärker bevorzugt mindestens 3 Kat.-% Kalium und am stärksten bevorzugt mindestens 5,5 Kat.-% Kalium. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Kaliumkationen höchstens 15 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 13 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 12 Kat.-% beträgt.
Es wurde gefunden, dass die Auslaugungsneigung des Substratglases durch Verwenden von sowohl Natrium als auch Kalium in dem Glas und Halten des Verhältnisses von Natrium zu Kalium in Kat.-% in einem Bereich von bis zu 5, stärker bevorzugt bis zu 4,5, stärker bevorzugt bis zu 3,5, bevorzugt bis zu 2,0 und am stärksten bevorzugt bei niedriger als 1,6 verringert werden kann. Niedrighalten dieses Verhältnisses, d.h. das Natrium übersteigt relativ zur Menge an Kalium eine bestimmte Menge nicht, stellt Gläser mit guter Schmelzbarkeit und ausgezeichneter chemischer und hydrolytischer Beständigkeit bereit. Speziell werden solche Gläser eine HGB1 gemäß ISO 719:1989 aufweisen. Um jedoch in der Schmelze die Viskosität auf einen wünschenswerten Wert einzustellen, sollte das Verhältnis von Natrium zu Kalium höher als 0,5, bevorzugt höher als 0,7 und stärker bevorzugt mindestens 0,8 sein.
Erdalkalimetallkationen verbessern die Schmelzbarkeit des Glases und ermöglichen so eine wirtschaftliche Herstellung. Während der Herstellung des Glases dienen sie als Flussmittel. Die Summe der Erdalkalimetallkationen Magnesium, Barium und Calcium in den Gläsern beträgt bevorzugt 0 bis 15 Kat.-%. Erdalkalimetallionen beeinflussen die chemische Beständigkeit des Glases mit wenig positiven Wirkungen bezogen auf Ionenaustauschbehandlung. Folglich umfassen in dieser Erfindung die Gläser bevorzugt keine Erdalkalimetallionen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Summe der Erdalkalimetallkationen in den Gläsern höchstens 13 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 10 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 5 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 1 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Erdalkalimetallen. Darüber hinaus können Erdalkalimetallkationen und Zinkkationen zum Einstellen der Viskosität der Gläser, insbesondere der Feineinstellung des Viskosität/Temperatur-Profils verwendet werden. Darüber hinaus können Erdalkalimetallkationen und Zinkkationen - wie Alkalimetallkationen - als Flussmittel verwendet werden. Die Gläser sind bevorzugt frei von mindestens einem Kation, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Magnesiumkationen, Calciumkationen, Strontiumkationen, Bariumkationen und Zinkkationen umfasst. Bevorzugt sind die Gläser frei von Magnesiumkationen, Calciumkationen, Strontiumkationen und Bariumkationen.
In den Gläsern sind bevorzugt Magnesiumkationen in Anteilen von 0 bis 10 Kat.-% enthalten. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Magnesiumkationen höchstens 8 Kat.-%, stärker bevorzugt höchstens 6 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Magnesium. In den Gläsern sind bevorzugt Calciumkationen in Anteilen von 0 bis 9 Kat.-% enthalten. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Calciumkationen höchstens 8 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 3 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Calcium. In den Gläsern sind bevorzugt Bariumkationen in Anteilen von 0 bis 4 Kat.-% enthalten. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Bariumkationen höchstens 4 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 3 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 2 Kat.-% und am stärksten bevorzugt höchstens 1 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Barium. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Strontium.
In den Gläsern sind bevorzugt Zinkkationen in Anteilen von 0 bis 7 Kat.-% enthalten. Zinkkationen können in dem Glas als ein zusätzliches Flussmittel sowie zum Einstellen des Schmelzpunktes in einer zielgerichteten Weise enthalten sein. Durch die Zugabe des Netzwerkmodifizierers Zink kann der Schmelzpunkt des Glases verringert werden. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 1 Kat.-% Zink, stärker bevorzugt mindestens 2 Kat.-% Zink, noch stärker bevorzugt mindestens 3 Kat.-% Zink. Jedoch können Gehalte an Zinkkationen, die zu hoch sind, in einer Verringerung des Schmelzpunktes der Gläser resultieren. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Zinkkationen höchstens 6 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 5 Kat.-% beträgt.
In den Gläsern sind bevorzugt Titankationen in Anteilen von 0 bis 5 Kat.-% enthalten. Titankationen werden zu den Gläsern zum Verbessern ihrer optischen Eigenschaften gegeben. Insbesondere kann mit Hilfe von Zugaben von Titan der Brechungsindex der Gläser in einer zielgerichteten Weise eingestellt werden. So erhöht sich der Brechungsindex mit einem steigenden Gehalt an Titankationen des Glases. Die Zugabe von Titankationen ist mit einem weiteren Vorteil verbunden: durch diese Maßnahme wird die UV-Kante des Transmissionsspektrums des Glases zu höheren Wellenlängen verschoben, wobei diese Verschiebung größer ist, wenn mehr Titan zugegeben wird. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Gläser mindestens 0,1 Kat.-% Titan, stärker bevorzugt mindestens 0,5 Kat.-% Titan, noch stärker bevorzugt mindestens 1 Kat.-% Titan und am stärksten bevorzugt mindestens 2 Kat.-% Titan. Jedoch können Gehalte an Titankationen, welche zu hoch sind, in nicht wünschenswerter Kristallisation des Glases resultieren. Titankationen können den Brechungsindex der Gläser erhöhen. Insbesondere zusammen mit Zirconiumkationen können Titankationen die Transmission im blauen Spektralbereich verschlechtern, und es kann sein, dass sie so die UV-Kante zu den längeren Wellenlängen verschieben. Deshalb ist es besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Titan höchstens 5 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 4 Kat.-% beträgt.
In den Gläsern sind bevorzugt Zirconiumkationen in Anteilen von 0 bis 3 Kat.-% enthalten. Zirconiumkationen können zum Einstellen des Brechungsindexes der Gläser verwendet werden. Jedoch kann ein Gehalt an Zirconiumkationen, der zu hoch ist, die Schmelzbarkeit erniedrigen und kann insbesondere zu stärkerer Kristallisation der Gläser führen. Es ist besonders bevorzugt, dass der Gehalt an Zirconium höchstens 2 Kat.-%, weiter bevorzugt höchstens 1 Kat.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 0,5 Kat.-% beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Gläser frei von Zirconium.
Figurenliste

1 zeigt ein Transmissionsspektrum eines Substratglases dieser Erfindung.

Beispiele
Beispielglassubstrate und Beispielfilter wurden hergestellt und einige Eigenschaften wurden gemessen. Die getesteten Glaszusammensetzungen können in Tabelle 1 nachstehend gesehen werden.
Zusammensetzungsbeispiele

Die folgende Tabelle 1 zeigt beispielhafte Glaszusammensetzungen in Kat.-%, welche als Substratgläser nützlich sind, in den Zusammensetzungen dieser Erfindung. Die in Tabelle 1 gezeigten Gläser enthielten nur Oxide als die anionische Komponente, d.h. die Gläser waren oxidisch. Tabelle 1

Glas	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Silicium	55	52	65	65	57	50	48	70	60	56	54	49
Bor	16				13	14	1	20	15			3
Glas	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Aluminium	19	17			4	6	17	2	6	14	13	13
Lithium							16					<1
Natrium		21	19	15	11	10	14	7	16	22	18	24
Kalium		5	6	10	8	11	<1	<1		2	7	5
Magnesium	4	5								5	8	3
Calcium	5		8	7			<1		3	<1	<1	2
Barium	1		<1	1
Zink			2	3	4	5			<1
Titan			<1	<1	3	3
Zirconium		<1					2			<1	<1	<2
Arsen	<1
Antimon	<1		<1	<1	<1				<1			<1
Cer		<1					<1
Eisen							<1	<1		<1	<1
Schwefel							<0.6
Zinn										<1		<1
Na/K	-	>4	>3	>1	>1	<1	>14	>7	-	>11	>2	>4
(Al+B)/Si	0,6	0,3	0	0	0,3	0,4	0,4	0,3	0,35	0,25	0,25	0,3

Die vorstehenden Zusammensetzungen sind die finalen Zusammensetzungen, die in dem Glas gemessen wurden. Der Fachmann weiß, wie diese Gläser durch Schmelzen der notwendigen Rohmaterialien erhalten werden können.
Herstellen von Glassubstrat
Gläser wurden unter Verwendung von geeigneten Rohmaterialien hergestellt, wobei die finalen Zusammensetzungen, welche in Tabelle 1 gezeigt sind, erhalten wurden. Rohmaterialien wurden in einem Schmelztiegel geschmolzen. Nach Schmelzen wurde das Glas zu dünnen Glasgegenständen mit Dicken von etwa 0,3 mm geformt.
Alle vorstehend offenbarten Gläser konnten unter Verwendung des Down-Draw-Verfahrens hergestellt werden. Das Down-Draw-Verfahren ist als solches dem Fachmann bekannt. Dieses Verfahren ist ein sehr wirtschaftlicher Weg zur Herstellung von dünnen Glasgegenständen. Nicht jedes Glas kann mit dem Down-Draw-Verfahren zu dünnen Glasgegenständen verarbeitet werden. Es ist ein Vorteil der in dieser Erfindung verwendeten Gläser, dass die Glaszusammensetzungen im Down-Draw-Verfahren verarbeitet werden können. Ein alternatives Verfahren, welches auch verwendet werden kann, ist das Overflow-Fusion-Verfahren, welches dem Fachmann auch bekannt ist.
Alternativ können die Gläser auch unter Verwendung des Redraw-Verfahrens, zum Beispiel wie in US 201510274573 A1 oder US 2014/0357467 A1 beschrieben, verarbeitet werden.
Die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes wurde bei den Gläsern von Tabelle 1 gemessen. Zur Durchführung dieser Messung wurden die folgenden Schritte durchgeführt. Zuerst wurde der Brechungsindex bei -40°C gemessen. Zweitens wurde der Brechungsindex bei 60°C gemessen. Dann wurde die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes unter Verwendung der folgenden Formel berechnet: $\begin{matrix} (n_{850 nm/60 ° C} - n_{850 nm/-40 ° C}) / 100 K = 10 \times 10^{- 6} / K oder weniger & (n = Brechungsindex) \end{matrix}$
Nach Herstellen des Glases und Bilden eines dünnen Substrats wurden Beschichtungen auf das Substrat aufgebracht, um ein IR-Bandpassfilter herzustellen. Insgesamt wurden 40 Beschichtungsschichten aufgebracht. Das IR-Bandpassfilter wies vorteilhafte Eigenschaften auf, einschließend sehr gute Transmission in der Durchlassbereich-Wellenlängenregion und gute Temperaturtoleranz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/010127 A2 [0006]
US 8750577 B2 [0007]
US 2013/02276678 A1 [0007]
US 201510274573 A1 [0066]
US 2014/0357467 A1 [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 9385:1990 [0033]

Claims

Parametemachweissystem, umfassend a) mindestens eine Lichtquelle, welche zum Emittieren von Licht in der Richtung eines Objekts oder einer Person in der Lage ist, b) mindestens ein Bandpassfilter, umfassend ein Substrat und mindestens eine Beschichtung, und c) mindestens einen Bildsensor, positioniert zum Empfangen von Licht, welches von dem Objekt oder der Person reflektiert wird, wobei das Filter so positioniert ist, dass Licht, welches über den Bildsensor einfällt, durch das Filter passieren muss, bevor es von dem Bildsensor empfangen wird, wobei das Licht, welches durch die Lichtquelle emittiert wird, Infrarotlicht in einer Wellenlängenregion von 780 nm bis 1.000 nm ist, wobei das Filter einen Durchlassbereich in einer Wellenlängenregion von 780 nm bis 1.000 nm aufweist, wobei das Substrat aus Glas hergestellt ist und eine Dicke von 0,01 bis 2 mm aufweist, wobei die Beschichtung eine Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufweist, und wobei das Substrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K aufweist.
Parametemachweissystem gemäß Anspruch 1, wobei das System ferner mindestens eine optische Linse, welche zum Sammeln von Licht der emittierten Wellenlänge in der Lage ist, umfasst, wobei das Filter so positioniert ist, dass Licht, welches über die Linse und/oder den Bildsensor einfällt, durch das Filter passieren muss, bevor es durch die Linse gesammelt und/oder durch den Bildsensor empfangen wird.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle eine passive Lichtquelle, wie Umgebungslicht ist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle eine aktive Lichtquelle, wie eine LED ist.
Parameternachweissystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Parameter, der nachgewiesen wird, ein Parameter, der einen Menschen betrifft, ist.
Parameternachweissystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Parameter, der nachgewiesen wird, die Irisstruktur eines Menschen oder Tiers, die Haltung oder Bewegung eines Objekts oder biometrische Daten eines Menschen oder Tiers ist.
Infrarot-Bandpassfilter, welcher zur Verwendung in einem Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1 geeignet ist, umfassend ein Substrat aus Glas und mindestens eine Beschichtung, wobei das Filter einen Durchlassbereich in einer Wellenlängenregion von 780 nm bis 1.000 nm aufweist, wobei das Substrat aus Glas hergestellt ist und eine Dicke von 0,01 bis 2 mm aufweist, wobei die Beschichtung eine Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufweist und wobei das Substrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K aufweist.
Glassubstrat, welches zur Verwendung in einem Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 geeignet ist, wobei das Glassubstrat eine Transmission von mehr als 90 % in der Wellenlängenregion von 780 bis 1000 nm aufweist und wobei das Glassubstrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K nach Beschichten mit einer Beschichtung mit einer Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glassubstrat eine Transmission von mehr als 90 % in der Wellenlängenregion von 780 bis 1000 nm aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glassubstrat eine Transmission von mehr als 95 % bei der Wellenlänge 780 bis 1000 nm aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glas eine Knoop-Härte HK0.1/20 von höher als 450 aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei die mittlere Dicke des Glassubstrats 0,01 bis 1,2 mm beträgt.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei die mittlere Dicke des Glassubstrats 0,1 bis 0,7 mm beträgt.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glas eine Vielzahl beschichteter Schichten, gebildet durch physikalische Dampfabscheidung, aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glas beschichtete Schichten, gebildet durch ein Sol/Gel-Verfahren, aufweist.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glas durch ein Ziehverfahren, wie Redraw, Down-Draw oder Overflow-Fusion, hergestellt wird.
Parameternachweissystem gemäß Anspruch 1, Infrarot-Bandpassfilter gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrat gemäß Anspruch 8, wobei das Glas durch ein Float-Verfahren hergestellt wird.
Verwendung des Parameternachweissystems gemäß Anspruch 1, des Infrarot-Bandpassfilters gemäß Anspruch 7 oder Glassubstrats gemäß Anspruch 8 in Smartphones, tragbaren Computern, Computeruhren, Tablet-Computern, Spielvorrichtungen, Fernsehgeräten, Personalcomputern, Sprechanlagen, Haustechniksystemen, Fahrzeugsicherheitssystemen, 3D-Bildgebungssystemen, Gestensteuerungssystemen, Berührungssensoren, Fingerabdrucksensoren, diagnostischen Systemen, Spielvorrichtungen, interaktiven Anzeigevorrichtungen, 3D-Messsystemen, Haushaltsgeräten, Anzeigevorrichtungen, Iriserkennungssystemen.
Verfahren zum Nachweisen von mindestens einem Parameter, einschließend die Schritte von a. Beleuchten eines Probanden oder Objekts von Interesse unter Verwendung von Licht innerhalb einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1.000 nm, b. Messen von mindestens einer Eigenschaft des Lichts, welches von dem Probanden oder Objekt von Interesse reflektiert wird, in einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1.000 nm, wobei, bevor die mindestens eine Eigenschaft des Lichts gemessen wird, das Licht durch mindestens ein Infrarot-Bandpassfilter passiert, das Bandpassfilter ein Substrat aus Glas und mindestens eine Beschichtung umfasst, das Filter einen Durchlassbereich in einer Wellenlängenregion von 780 nm bis 1.000 nm aufweist, wobei das Substrat aus Glas hergestellt ist und eine Dicke von 0,01 bis 2 mm aufweist, wobei die Beschichtung eine Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufweist und wobei das Substrat eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bei einer Wellenlänge von 850 nm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 60°C von nicht mehr als 10 ×10^-6/K aufweist.