-
Verfahren zum Vergüten eines Wärinereflexionsfilters Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Vergüten eines für einen Teil des sichtbaren Spektrums
durchlässigen Wärmereflexionsfilters, das auf einer durchsichtigen Unterlage eine
einzige dünne Metallschicht aus einem Metall mit einer Leitfähigkeit von minde-StenS
5 . 104 Q-I CM-1 und einer solchen Dicke aufweist, daß der Flächenwiderstand
der Metallschicht zwischen 2 und 20 n beträgt.
-
Unter Flächenwiderstand ist der spezifische Widerstand des Schichtmaterials
dividiert durch die mittlere Dicke der Schicht zu verstehen. Der Flächenwiderstand
ist also der Widerstand einer quadratischen Schicht beliebiger Abmessung und konstanter
Dicke.
-
Derartige Wärmereflexionsfilter sollen einerseits die auf sie auffallende
Wärmestrahlung möglichst völlig reflektieren, andererseits das sichtbare Licht,
zumindest für eine Wellenlänge, möglichst völlig durchlassen. Solche Filter finden
Anwendung in Verbindung mit Lichtquellen, wie z. B. mit Natriumdampfentladungslampen,
Projektionslampen.
-
Für Filter dieser Art werden in erster Linie gut leitende Metalle
verwendet, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, welche, wenn sie in dünner Schicht
vorliegen, von Natur aus angenähert die gewünschten Eigenschaften besitzen. Die
Dicke der Metallschicht solcher Filter liegt zweckmäßigerweise zwischen
60
und 300 A. Der Träger kann aus Glas, Quarz oder auch aus für sichtbares
Licht durchlässigem Kunststoff bestehen. Die Metal%chicht kann z. B. durch Bedampfen
des Trägers im Vakuum mit dem gewünschten Metall erhalten werden.
-
Filter mit einfachen Metallschichten haben den Nachteil, daß entweder
bei guter Durchlässigkeit im sichtbaren Gebiet die Ultrarotreflexion gering ist
oder aber bei guter Ultrarotreflexion die Durchlässigkeit der sichtbaren Strahlung
infolge der Reflexionsverluste und/oder Absorptionsverluste nicht genügend hohe
Werte erreicht.
-
Es ist daher bekannt, an Stelle der einfachen Metallschicht zur Wärmereflexion
Metallinterferenzfilter oder Interferenzfilter auf der Basis dielektrischer Schichten
zu verwenden. Siehe dazu z. B. die deutsche Patentschrift 716 153, in der
zur Beseitigung der Schwierigkeiten, die bei einfachen Metallschichten auftreten,
vorgeschlagen wird, mindestens zwei metallisch reflektierende Schichten übereinander
anzuordnen unter Zwischenfügung mindestens einer nicht metallisch reflektierenden
Schicht. (Vgl. dazu auch die deutsche Patentschrift 721849.) Diese Vorschläge
haben jedoch in der Lichttechnik bisher nicht zu praktischen Anwendungen geführt.
-
Es läßt sich z. B. zeigen, daß das Metallinterferenzfilter keinen
Vorteil gegenüber einer einfachen Metallschicht bietet wenn man langwellige Ultrarotstrahlung
von sichtbarem Licht trennen möchte. Bei 95 0/" Ultrarotreflexion besitzt
ein solches Filter aus z. B. zwei Goldschichten mit dazwischenliegendem Dielektrikum
für gelbes Licht (A etwa 5900 Ä) eine Durchlässigkeit von nur
35 0/0. Mit einer einfachen Goldschicht (Schichtdicke etwa 200
A) läßt sich bei, 95 0/0
Reflexion für langwelliges Ultrarot
(5 p.m) eine Durchlässigkeit für gelbes Licht von 40 0/, erreichen.
-
Die Herstellung solcher Interferenzfilter ist weiter im Hinblick auf
die engen Schichtdickentoleranzen schwierig und kostspielig, insbesondere wenn es
sich um die Herstellung solcher Schichten in sphärischer oder zylindrischer Form,
z. B. auf Lampenkolben, handelt.
-
Die Erfindung bezweckt nun bei einem Filter, das aus einer einfachen
Metallschicht auf einem für sichtbares Licht durchlässigen Träger besteht, eine
Vergrößerung der Durchlässigkeit für sichtbares Licht, ohne daß die Reflexion der
Wärmestrahlung beeinträchtigt wird. 4
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Vereinigung der folgenden Merkmale gelöst, daß auf die Metallschicht eine Schicht
eines dielektrischen Materials mit einer Brechungszahl zwischen 1,6 und
3, vorzugsweise zwischen 1,9 und 2,5, so lange aufgetragen
wird, bis das erste Minimum der Reflexion für eine ausgewählte Wellenlänge im sichtbaren
Teil des Spektrums erreicht ist.
-
Betrachtet man als Beispiel ein Filter, das aus einer Goldschicht
mit einer Dicke von etwa 130 Ä auf einem Glasträger besteht. Fällt sichtbares
Licht von der Metallschichtseite ein, so ist das optische Verhalten
der
Metallschicht-Glasträger-Kombination durch folgende Größen gekennzeichnet: Reflexion
etwa 200/" Absorption etwa 25 0/" Durchlässigkeit etwa 55 0/" bei
A = 0,6 #Lin.
-
Da Reflexion R, Absorption A und Durchlässigkeit
D durch die Beziehung R + A + D = 1 verknüpft
sind, ist erkennbar, daß die Durchlässigkeit durch Verringerung der Reflexion angehoben
werden kann.
-
Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, durch Verwendung eines
Antireflexbelages die Reflexion im sichtbaren Spektralgebiet bei einfachen Metallfiltern
zu vermindern, ohne die Eigenschaften der Filter im nahen und weiteren Ultrarot
grundsätzlich zu ändern. Der Belag kann so gewählt werden, daß nur im nahen Ultrarot
die Eigenschaften des Filters sich geringfügig verändern. Von etwa 2 #tra aufwärts
sind einfache und nach der Erfindung vergütete Metallschichtfilter gleichwertig.
-
Um die gewünschten hchttechnischen Eigenschaften zu erreichen, muß
sowohl die Metallschicht als auch die dielektrische Deckschicht bestimmten Bedingungen
genügen.
-
Die Metallschicht, welche im wesentlichen das hohe Ultrarotreßexionsvermögen
bewirkt, muß einen Flächenwiderstand zwischen 2 und 20 Ü bei einer Leitfähigkeit
von mindestens 5 - 104 ü-1 cm-' aufweisen.
-
Die untere Grenze des Flächenwiderstandes darf nicht überschritten
werden, da erfahrungsgemäß die Durchlässigkeit der Metallschicht für sichtbares
Licht dann sehr gering wird (beispielsweise geringer als 10 0/,). Wird die
obere Grenze von 20 n des Flächenwiderstandes überschritten, so sinkt das Reßexionsvermögen
im Ultraroten auf Werte unterhalb von 80 0/" wie sie sich bereits mit Einfachschichten
auf der Basis hochdotierter Metalloxyde erreichen lassen.
-
Die Begrenzung in der Leitfähigkeit ist gleichbedeutend damit, daß
als Metallschichten nur solche aus gutleitenden Metallen in Frage kommen.
-
Die Eigenschaften der dielektrischen Deckschicht hängen wesentlich
von der Eigenschaft der unvergüteten Metallschicht-Träger-Kombination ab.
-
Die dielektrische Deckschicht bewirkt eine weitgehende oder sogar
vollkommene Entspiegelung der Metallschicht, sofern ihre Brechungszahl und Dicke
geeignet gewählt werden. Zur Entspiegelung von Metallschichten, die den obengenannten
Forderungen genügen, hat die Brechungszahl des Dielektrikums zwischen
1,6 und 3 zu liegen. Erst dadurch ist gewährleistet, daß die an der
Grenzfläche Luft-Dielektrikum und Dielektrikuni-Metallschicht reflektierten Amplituden
annähernd gleich sind, was eine der notwendigen Bedingungen für Entspiegelung ist.
Die beste Anpassung wird erreicht, wenn die Brechungszahl zwischen 1,9 und
2,5 liegt. Die Brechungszahlen, die zur Entspiegelungtder erwähnten Metallschichten
notwendig sind, liegen, wie ersichtlich, wesentlich höher als diejenigen, die z.
B. für die Entspiegelung von Gläsern mittels Ein anderer A/4-Schichten wesentlicher
gemeinhin Unterschied üblich sind gegenüber (n etwa 1,3), der Entspiegelung von
Dielektrika ist, daß die zu verwendenden optischen Schichtdicken der 0. Ordnung
stets kleiner als Al, sind, wobei A die Wellenlänge ist, für welche
maximale Entspiegelung angestrebt wird. Dies hängt zusammen mit der Phasendiehung
des reflektierten Lichtes, die von der Grenze Dielektrikum-Metall hervorgerufen
wird. Für lichttechnische Zwecke kommen aus praktischen Erwägungen nur Schichten
von 0. Ordnung in Frage, und zwar aus folgenden Gründen. Die zur
0. Ordnung gehörenden kleinen Dicken machen das Filter breitbandig, was für
die meisten Anwendungen erwünscht ist. Aber selbst, wenn Breitbandigkeit nicht verlangt
wird, wie z. B. im Falle -der Natriumlampe, ist das Arbeiten in 0. Ordnung
schon deshalb vorzuziehen, weil an die Genauigkeit der Schichtdicke wesentlich geringere
Forderungen zu stellen sind, als beim Arbeiten in höheren Ordnungen.
-
Die Antireflexschichten können z. B. aus PbC1, (n
= 2,2), Ti02 (n = 2,5), NiO (n 2,2), AgC1 (n =
2,1), SnO, (n = 2,0), Th0, (n 2,2), Zr02 (n # 2,3) oder
ZiiS (n = 2,4) bestehen.
-
Diese Schichten können z. B. durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung
auf den Metallschichten angebracht werden. Während des Aufbringens der Entspiegelungsschicht
kann die Entspiegelung visuell beobachtet werden. Wenn das gewünschte erste Minimum
der Reflexion erreicht ist, wird das Aufbringverfahren eingestellt. Die in dieser
Weise hergestellten Schichten sind im allgemeinen nicht gleich A/,
oder
Al. oder einem ganzzahligen Vielfachen davon.
-
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr an Hand dei
Zeichnung näher beschrieben. F i g. 1 zeigt das optische Verhalten einer
Goldschicht-Glasträger- und einer Antire:flexbelag-Goldschicht-Glasträger-Kombination;
F i g. 2 zeigt das optische Verhalten einer Silberschicht-Glasträger- und
einer Antiieflexbelag-Süberschicht-Glasträger-Kombination. 1. Im Vakuum wurde
auf einem Glasträger durch Bedampfen eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa
130 A, einem Flächenwiderstand von 7 f2 und einer Leitfähigkeit von
1,1 - 101.Q-Icm-1 angebiacht. Kurve R der F i g. 1 zeigt die Reflexion
dieses Filters in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Kurve D zeigt die Durchlässigkeit
dieses Filters.
-
Die Durchlässigkeit bei 0,6 [tm beträgt etwa 570/,. Es wurde
die Goldschicht mit einer Zinksulfidschicht mit einer Dicke von 320 Ä und
einem Brechungsindex n = 2,3 durch Aufdampfen im Vakuum bedeckt. Kurve RI
zeigt die Reflexion, D' die Durchlässigkeit dieser Kombination. Es zeigt sich, daß
die Durchlässigkeit bei 0,6 #tiii. auf etwa 77 0/0 gesteigert wurde,
während die Rellexion des Ultraroten nicht grundsätzlich geändert wurde.
-
Ein solches Filter kann vorteilhaft in Verbindung mit einer Na-Dampf-Lampe
verwendet werden.
-
2. Statt einer Goldschicht wurde eine Silberschicht auf einem Glasträger
durch Aufdampfen angebracht. Die Silberschicht hatte eine Dicke von etwa
110 A,
einen Flächenwiderstand von 6 n und eine Leitfähigkeit von
1,5 - 10'Q-Icm-l. Es wurde eine Süberschicht mit einer Zinksulfidschicht
mit einer Dicke von 1100 A
durch Aufdampfen im Vakuum bedeckt. Kurve R der
F i g. 2 zeigt die Reflexion dieses Filters in Abhängigkeit der Wellenlänge,
Kurve D zeigt die Durchlässigkeit des Filters ohne Antireflexbelag, Kurve
R' und D'
zeigen die Reflexion bzw. die Durchlässigkeit des Süberfilters mit
Antireflexbelag. Die Durchlässigkeit für Natriumlicht wird durch den Antireflexbelag
von 50 auf 76 0/0 erhöht. Wie aus der Figur hervorgeht, wird wie im
Falle der Goldschicht auch bei dieser Kombination das Ultrareflexionsvermögen durch
die Antirellexschicht nicht beeinträchtigt.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß im Vergleich mit den bekannten
Lösungen zur Beseitigung der
Nachteile, welche den aus einer einfachen Metallschicht bestehenden Wärmereflexionsfiltern
anhaften, in einfacher Weise eine Vergütung dieser Wärmereflexionsfilter vorgenommen
werden kann.
-
Die Wärmereflexionsfilter nach der Erfindung können vorteilhaft für
lichttechnische Zwecke, nämlich in Verbindung mit einer Lichtquelle verwendet werden.
Insbesondere in Verbindung mit Lichtquellen, die nur ein oder mehrere Teile, oder
bevorzugt ein oder mehrere Teile des sichtbaren Lichtes, ausstrahlen, können diese
Filter erfolgreich eingesetzt werden. Es können jedoch auch in Verbindung mit Normalglühlampen
sehr gute Ergebnisse erreicht werden. Im allgemeinen wird bei Einsatz der Filter
gemäß der Erfindung eine größere Leistung in Lumen pro Watt erreicht, also eine
Erhöhung des Wirkungsgrades.
-
Eine Verwendung der Filter gemäß der Erfindung in Verbindung mit Lichtquellen
kommt weiter überall dort in Betracht, wo es darum geht, lichtbestiahlte Objekte
gegen Hitzeeinfluß der Ultrarotstrahlung zu schützen, z. B. bei Projektionslampen.