DE1472068B1 - Infrarotdurchlaessiger filter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen infrarotdurchlässigen förmiger absorbierender Materialien unter Zugabe

Filter, bestehend aus einem für lange Wellen durch- von hochraffiniertem Mineralöl zu einer sahneähn-

lässigen Streufilter und einem Absorptionsfilter mit liehen homogenen Mischung gemischt werden, wobei

einer im Durchlässigkeitsänderungsbereich des Streu- mindestens das eine der absorbierenden Materialien

filters liegenden Absorptionsbande. 5 die Neigung hat, in feinem pulverförmigen Zustand

Ein solcher Filter ist beispielsweise aus der Zeit- zusammenzubacken, und daß die Mischung erhitzt

schrift »Journal of the Optical Society of Amerika«, und gepreßt wird, so daß das Trägermaterial zäh-

VoI. 52, 1962, S. 17 bis 19, bekannt. Dort wird eine flüssig und anschließend die Mischung unter Druck

dünne Polyäthylenschicht verwendet, die pulverför- abgekühlt wird.

mig gemahlene Reststrahlenkristalle enthält. Die auf io Weitere Merkmale ergeben sich im Zusammen-

diese Weise erhaltenen Filter sind jedoch unterhalb hang mit den Unteransprüchen aus den Figuren und

von 20 μ strahlungsdurchlässig. Zum Herausfiltern der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles. Von

der Strahlung unterhalb von 20 μ wird dort eine FiI- den Figuren zeigt

terung mit zusätzlichen NaCI- oder KCl-Kristallen Fig. 1 die Filtereigenschaften bestimmter mikro-

empfohlen. 15 poröser Filter,

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen leicht repro- F i g. 2 Absorptionsbanden verschiedener Materia-

duzierbaren, billig herstellbaren infrarotdurchlässigen Iien im Infrarotbereich,

Filter mit einer wählbaren Grenzwellenlänge und F i g. 3 die optischen Eigenschaften verschiedener

verhältnismäßig geringer Flankenbreite (große Steil- erfindungsgemäßer Filter,

heit) herzustellen, der auch unterhalb einer Wellen- 20 F i g. 4 das Absorptionsband eines bestimmten hy-

länge von etwa 20 μ weniger als 1 %> durchlässig ist. groskopischen Materiales sowie die optischen Cha-

Ein diese Aufgabe lösender infrarotdurchlässiger rakteristiken weiterer Filter, A

Filter der eingangs beschriebenen Art kennzeichnet F i g. 5 die Änderung des Absorptionsbandes von ™

sich gemäß der Erfindung durch die Verwendung MgO an der Seite kurzer Wellenlängen bei Anwen-

einer an sich bekannten, Poren in der Größenord- 25 dung der Erfindung,

nung von u aufweisenden dünnen Membran als F i g. 6 eine zum Teil geschnittene Filteranord-

Streufilter. nung,

Die Erfindung beruht zum Teil auf der selektiven F i g. 7 die Durchlässigkeiten verschiedener ver-

Streuung sämtlicher Wellenlängen unterhalb einer wendbarer Materialien.

Grenzwellenlänge, wobei der Streuvorgang auf der 30 Unter »Durchlassende« einer Filtervorrichtung soll

gleichmäßigen Verteilung von zwei Materialien mit im nachfolgenden der Bereich der Durchlaßcharakte-

verschiedenem Brechungskoeffizienten beruht. Ein ristik bei niedrigen Wellenlängen des Durchlaßberei-

derartiger optischer Filter ist im wesentlichen strah- ches verstanden werden. Unter »Grenzwellengänge«

lungsundurchlässig für Wellenlängen, die unterhalb soll diejenige Wellenlänge verstanden werden, unter-

der Grenzwellenlänge liegen, und besitzt einen ver- 35 halb der die Durchlässigkeit des Materials oder des

hältnismäßig sehr steilen Anstieg der Durchlässig- Filters weniger als 1 % ist. Die Flankenbreite soll den

keitscharakteristik bei der genannten Grenzwellen- Wellenunterschied zwischen der Grenzwellenlänge

länge. und derjenigen Wellenlänge bezeichnen, bei der die

Indem man derartige Materialien mit Materialien Durchlässigkeit 50 % ist. Es ist indessen zu beachten,

kombiniert, die bei bestimmten Wellenlängen ober- 40 daß diese Definitionen willkürlich gewählt sind, um

halb der Grenzwellenlänge des auf Lichtstreuung be- bestimmte Begriffe für das Verhalten am kurzwelli-

ruhenden Filters Absorptionsbanden haben, kann die gen Ende des Durchlaßbereiches zu erhalten.

Anstiegsflanke der Durchlaßcharakteristik bei der Es wurden mikroporöse Polyäthylenfilter benutzt, -

Grenzwellenlänge noch steiler gemacht und so einge- welche gegenüber Lösungsmitteln widerstandsfähig \

stellt werden, daß sich innerhalb eines breiten Spek- 45 sind. Diese bestehen aus einem Polyäthylengefüge,

tralbereiches ein gewünschtes Verhalten und eine das nach Angaben des Herstellers eine Porengröße

steile Front der Durchlaßkurve ergibt. Verschiedene von 1,5 ± 0,5 μ und eine Dicke von 127 ± 13 μ hat.

Materialien, die Absorptionsbanden in dem Infrarot- Die Poren sind in dem Filter gleichmäßig verteilt und

Strahlungsbereich haben und für Filter gemäß der variieren zwischen 1,0 und 2 μ bei einer mittleren

Erfindung brauchbar wären, haben jedoch hygrosko- 50 Porengröße von 1,5 μ. Das Porenvolumen nimmt

pische Eigenschaften, welche zur Folge haben, daß einen relativ großen Teil des Gesamtvolumens des

in feiner Verteilung die Teilchen zusammenkleben Filters ein. Dieses Filter wird im folgenden als Type

und es daher außerordentlich schwierig wird, eine OH bezeichnet.

gleichmäßige Verteilung der Partikel in dem Gefüge Ein anderes benutztes Filter der Type OS hat

zu erhalten. Wenn man jedoch keine gleichmäßige 55 eine mittlere Porengröße von 10 ± 3 μ und eine

Verteilung der Partikel bei einer vorgegebenen Kon- Dicke von 280 ± 25 μ. Das Gefüge dieses Filters

zentration in dem Filterkörper erreichen kann, ergibt besteht ebenfalls aus Polyäthien, wobei die Poren

sich ein breites und verhältnismäßig flaches Absorp- gleichmäßig in dem Gefüge verteilt sind und

tionsband. einen verhältnismäßig großen Anteil des gesamten

Nach einem zweckmäßigen Verfahren zur Her- 60 Filtervolumens einnehmen.

Stellung eines Filters können jedoch auch hygrosko- Ein idealer für lange Wellenlängen durchlässiger pische Materialien mit Absorptionsbanden in dem ge- optischer Filter würde oberhalb der Grenzwellenwünschten Bereich verwendet werden. Die gleich- länge die gesamte Strahlung hindurchlassen, untermäßige Verteilung derartiger Materialien wird durch halb dieser Grenzwellenlänge aber vollständig abein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung 65 sorbieren. In der Praxis weisen die Filter jedoch alle infrarotdurchlässiger Filter der eingangs beschriebe- eine endliche Steilheit des Anstieges im Bereich der nen Art ermöglicht, das sich dadurch kennzeichnet, Grenzwellenlänge auf. Die Transparenz nimmt von daß ein feines Trägerpulver und eine Vielzahl pulver- der Grenzwellenlänge zu langen Wellenlängen hin zu.

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Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß die In F i g. 2 sind die Durchlaßcharakteristiken vermikroporösen Polyäthylenfilter sehr wünschenswerte schiedener Materialien dargestellt, die bei den kur-Eigenschaften im Infrarotstrahlungsbereich haben. zen Wellenlängen des Durchlaßbereiches der Filter Die Kurven 21 und 22 der F i g. 1 zeigen die guten gemäß F i g. 1 Absorptionsbanden aufweisen. Die optischen Eigenschaften von diesen Filtern. Das FiI- 5 Charakteristik 23 zeigt ein Absorptionsband von ter der Type OH von einer Porengröße von 1,5 μ BeO bei sehr niedrigen Konzentrationen. Die Chahat eine Grenzwellenlänge bei ungefähr 15 μ und der rakteristiken 24, 25 und 26 zeigen Absorptionsban-Filter der Type OS entsprechend einer Porengröße den von durch Verbrennen frisch erzeugten MgO, von 10 μ hat eine Grenzwellenlänge bei ungefähr LiF und SrF₂. Es ist zu beachten, daß an der kurz-26 μ. Jeder dieser Filter hat eine Transparenz von io welligen Seite sich jedes Band mit der langwelligen weniger als 1 %> für alle Wellenlängen unterhalb ihrer Kante des nächstfolgenden Absorptionsbandes über-Grenzwellenlängen, und eine Transparenz von unge- deckt. Indem man in feiner Verteilung eine befähr 5O°/o ergibt sich etwa bei 30 bzw. bei 62 u, d. h., stimmte Menge einer jeder dieser Komponenten veres ergeben sich Flankenbreiten der Transparenzcha- wendet und gleichmäßig in einem transparenten Gerakteristik von ungefähr 15 bzw. 36 u. Der Filter der 15 füge verteilt, kann man ein resultierendes Absorp-Type OH hat eine Transparenz von mehr als 70 % tionsband erzielen, welches im wesentlichen undurchfür alle Wellenlängen, die größer als ungefähr 36 μ lässig zwischen 10 bis 46 μ ist. Da das resultierende sind, und der Filter der Type OS hat eine Transpa- Absorptionsband dieser Verbindungen undurchlässig renz von mehr als 70% für alle Wellenlängen, die zwischen 10 und 46 μ ist und die Filter der Type OH länger als ungefähr 76 μ sind. Diese Filter sind ins- 20 und OS undurchlässig für Strahlungen von einer besondere zweckmäßig in dem Infrarotbereich, da Wellenlänge von weniger als 14 μ sind, kann man Polyäthylen in dünnen Schichten keine intensiven das vollständige Absorptionsband dieser Materialien Absorptionsbanden in dem Bereich zwischen 14 und mit den auf Strahlungsstreuung beruhenden Filtern 300 μ aufweist. Es ist anzunehmen, daß auch ober- kombinieren und ein Filter erreichen, welches im wehalb 300 μ keine Absorptionsbanden auftreten. 25 sentlichen strahlungsundurchlässig für Wellenlängen

Die Flanke der Durchlaßcharakteristik des Filters unterhalb 46 μ ist und sämtliche Wellenlängen oberberuht auf der durch die gleichmäßige Verteilung halb dieser Wellenlänge hindurchläßt, da keines der von zwei Materialien mit verschiedenem Brechungs- vorgenannten Materialien oberhalb der Grenzwellenindex bedingten Streuung. Bei diesen Filtern besteht länge eine wesentliche Absorption hat.
das feinverteilte Material von niedrigem Brechungs- 30 Zur Herstellung einer Filtervorrichtung gemäß den index mit η = 1 aus Luft. Die Luft ist gleichmäßig vorstehend gegebenen Richtlinien werden entsprein den Poren des Polyäthylengefüges verteilt. Das chende Mengen von SrF₂, frisch durch Verbrennen Polyäthylen selbst hat einen Brechungsindex von un- erzeugten MgO, BeO und LiF verwendet, und zwar gefahr η = 1,5. Die das fein und gleichmäßig ver- Konzentrationen von 3,78 mg/cm², 1,89 mg/cm², teilte Material bildende Luft von niedrigem Bre- 35 1,13 mg/cm² und 0,635 mg/cm²; solche Mengen werchungsindex in einem Material mit verhältnismäßig den mit einer Menge feinverteilten Polyäthylenpulgroßem Brechungsindex bildet ein in selektiver vers vermischt. Die Menge Polyäthylenpulver ist Weise auffallende Strahlung für sämtliche Wellen nicht sehr kritisch. Zu wenig Polyäthylenpulver inunterhalb der Grenzwellenlänge streuendes Medium, dessen hat zur Folge, daß das Gefüge brüchig wirkt, das für Strahlung oberhalb der Grenzwellenlänge 40 Etwas zu viel Polyäthylenpulver beeinflußt die Matransparent ist. terialeigenschaften nicht, abgesehen davon, daß sich

Es wurde festgestellt, daß die optischen Charakte- bei größeren Wellenlängen ein geringer Abfall der

ristiken für verschiedene Exemplare derselben Filter- Durchlässigkeit ergibt. Wenn jedoch allzuviel PoIy-

type etwas unterschiedlich sind, und die in F i g. 1 äthylenpulver verwendet wird, ergibt sich ein be-

wiedergegebenen Charakteristiken sind nur für ein 45 trächtlicher Abfall der durchgelassenen Strahlung. Es

bestimmtes derartiges Filter maßgeblich. Einige hat sich gezeigt, daß eine Konzentration von unge-

Exemplare der Type OH hatten beispielsweise eine fähr 83 % an Polyäthylenpulver ein Gefüge liefert,

Grenzwellenlänge von 10 μ. Die Gründe für diese welches bei mäßigen Temperaturen leicht gepreßt

Unterschiede sind nicht ganz klar, es ist jedoch anzu- werden kann und im wesentlichen nicht brüchig

nehmen, daß diese Unterschiede auf kleinere Un- 50 ist.

regelmäßigkeiten bei der Herstellung zurückgehen. Nachdem das absorbierende Material und das

Es ist anzunehmen, daß die Schwankungen der Polyäthylenpulver fein vermischt wurden, wird das

Grenzwellenlänge und der Steilheit am langwelligen durchgemischte Pulver in eine Preßform gebracht

Durchlaßende auf geringe Unterschiede in der Poro- und auf eine Temperatur erhitzt, bei der Polyäthylen

sität des Filters zurückgehen, d. h. auf Unterschiede 55 flüssig wird, die jedoch unterhalb der Temperatur

in dem Verhältnis des Porenvolumens zu dem Ge- liegt, bei der das absorbierende Material flüssig wird;

samtvolumen des Filters und auf Schwankungen der es findet dann ein Pressen bei hohen Drücken, bei-

Porengröße und Schwankungen der Porenverteilung. spielsweise oberhalb 700 kg/cm² statt, so daß man

Dadurch, daß man mit derartigen auf Licht- eine Platte gewünschter Form erhält, die im allgestreuung beruhenden Filtermedien Materialien korn- 60 meinen eine dünne ebene Scheibe ist. Man läßt das biniert, die im Durchlaßbereich des mit Lichtstreuung Material dann in der Presse bis unterhalb 65° C abarbeitenden Filters Absorptionsbanden haben und kühlen, bevor es aus der Presse entfernt wird. Die bei diesen zusätzlichen Materialien Konzentrationen Filterscheibe wird dann in Serie mit einem der zuvor verwendet, daß im wesentlichen die gesamte von beschriebenen Filter, die auf einer Streuung der dem Strahlung streuenden Medium innerhalb eines 65 Strahlung beruhen, verwendet,
bestimmten Bereiches absorbiert wird, kann inner- Ein beispielsweise benutztes Filter bestand aus halb eines breiten Wellenlängenbereiches das lang- 300 mg Polyäthylenpulver, 30 mg SrF₂, 15 mg frisch wellige Durchlaßende des Filters beeinflußt werden. durch Verbrennen erzeugten MgO, 9 mg BeO und

5 mg LiF, die in feinverteilter Form gut durchmischt wurden. Die Pulvermischung wurde in eine Preßform von einem Durchmesser von 3 cm eingebracht, es wurde auf 100⁰C erhitzt und ein Druck von 840 kg/cm² angewendet, so daß man eine Scheibe von 3 cm Durchmesser erhielt. Diese Scheibe wurde in Serie mit einem Millipore-Filter Type OH verwendet, und man erhielt auf diese Weise eine optische Filtercharakteristik entsprechend der Kurve 28 der Fig. 3. Die zusammengesetzte Filtervorrichtung ließ oberhalb 100 μ mehr als 70% der einfallenden Strahlung hindurch, es ergab sich eine Grenzwellenlänge bei ungefähr 46 μ und eine Flankenbreite von ungefähr 16 μ. Die Filtervorrichtung war im wesentlichen undurchsichtig für alle Wellenlängen unterhalb der Grenzwellenlänge von 46 μ und es wurde bei solchen Wellenlängen weniger als 1 % nur durchgelassen.

Ein anderes Filter wurde in der Weise hergestellt, daß BaF₂, SrF₂, LiF, BeO und frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO in den nachfolgenden Konzentrationen gemischt wurden: 4,16, 1,01, 1,27, 1,27 und 1,89 mg/cm²; es fand Vermischung mit Polyäthylenpulver und Pressen bei einem Druck von ungefähr 840 kg/cm² bei 100° statt. Bei Verwendung zusammen mit einem Filter der Type OH als strahlungsstreuendes Medium ergab sich ein Filter von einer Grenzwellenlänge von ungefähr 53 μ und einer Flankenbreite von ungefähr 21 μ, wobei 70 % der einfallenden Strahlung für Wellenlängen oberhalb 98 u durchgelassen wurde. Das Filter war praktisch undurchlässig für Wellenlängen unterhalb der Grenzwellenlänge, die Durchlässigkeit betrug dann weniger als 1 %. Die optische Charakteristik dieses Filters ist durch die Kurve 29 der F i g. 3 wiedergegeben.

Ein anderes Filter wurde in der Weise hergestellt, daß eine solche Menge TiO₂ mit Polyäthylenpulver gemischt wurde, daß sich eine Konzentration von 2,84 mg/cm² ergab, worauf ein Pressen bei ungefähr 840 kg/cm² bei einer Temperatur von 100° C erfolgte. Bei einer Kombination mit einem Millipore-Filter der Type OH als strahlungsstreuendes Medium ergab sich ein optisches Filter, das eine Grenzwellenlänge von ungefähr 37 μ hatte, eine Flankenbreite von 8 μ hatte und 70 % der einfallenden Energie für alle Wellenlängen durchließ, die oberhalb 70 μ lagen. Die optische Charakteristik eines solchen Filters ist durch die Kurve 31 in Fig. 3 wiedergegeben. Man sieht, daß bei diesem Filter bei ungefähr 27 μ sich eine geringe Durchlässigkeit von 8 bis 10% der einfallenden Strahlung ergibt. Wenn eine solche unbeabsichtigte Transparenz unerwünscht ist, kann ein Millipore-Filter der Type OS verwendet werden, das eine Grenzwellenlänge von ungefähr 30 μ hat, es kann aber auch zu dem gleichen Zwecke eine weitere Komponente, beispielsweise LiF, zugegeben werden. Wenn man die Konzentration von LiF sehr niedrig hat, so wird die Flankensteilheit des Durchlaßbereiches des Filters im wesentlichen nicht beeinflußt.

Die Durchlaßstelle von 27 μ bei dem zuvor erörterten Filter kann auch leicht dadurch vermieden werden, daß die Konzentration von TiO₂ in dem Filter erhöht wird. Dies hat zur Folge eine geringfügige Verschiebung der Grenzwellenlänge und eine geringfügige Vergrößerung der Flankenbreite und einen etwas größeren Energieverlust bei den kurzen Wellenlängen des Durchlaßbereiches. Wenn man beispielsweise die Konzentration an TiO₂ auf 3,78 mg/cm² erhöht und ein Filter der Type OH verwendet, ergibt sich die optische Charakteristik der Kurve 32 der Fig. 3. Es wurde dabei die Grenzwellenlänge auf ungefähr 38 μ verschoben, und das Filter hatte eine Durchlässigkeit von 50 % bei ungefähr 50 μ und dementsprechend eine Flankenbreite von etwa 12 μ. Es ist zu beachten, daß die Kurve 31 des Filters mit geringerer Konzentration an TiO₂ eine Transparenz von ungefähr 58 % bei 50 μ aufweist. Dadurch, daß man eine stärkere Konzentration an

ίο TiO., verwendet, wird die störende Durchlässigkeitsstelle bei 27 μ beseitigt und das Filter hat eine Durchlässigkeit der einfallenden Strahlung von weniger als 1 % für alle Wellenlängen, die kürzer als die Grenzwellenlängen sind. Indessen erreicht das Filter eine Durchlässigkeit von 70% erst bei 71 μ.

Verschiedene Materialien, die Absorptionsbanden in dem Infrarotgebiet haben und brauchbar für optische Filter gemäß der Erfindung sind, haben hygroskopische Eigenschaften, die zur Folge haben, daß die fein unterteilten Partikeln zusammenkleben und dadurch die gleichmäßige Verteilung der fein unterteilten Partikeln in dem Gefüge des Filterkör- ύ pers außerordentlich schwierig wird. Wenn man bei einer vorgegebenen Konzentration eine gleichmäßige Verteilung der Partikel in dem Filterkörper nicht erreichen kann, ergibt sich ein Absorptionsband, das nicht die gesamte auffallende Energie absorbiert, was die Bildung eines breiteren aber flacheren Absorptionsbandes zur Folge hat. Die Kurve 40 der Fig. 4 zeigt beispielsweise das Absorptionsband von KBr in dem Bereich von 80 μ, welches dadurch erreicht wurde, daß KbB im trockenen Zustand mit Polyäthylen in solcher Menge untermischt wurde, daß sich eine Konzentration von 4,45 mg/cm² ergab. Es wurden insbesondere 35 mg KBr mit 300 mg Polyäthylenpulver in feinverteiltem Zustand durcheinandergemischt. Das Material wurde in eine Form von einem Durchmesser von 3 cm eingebracht und ungefähr auf 100⁰C erhitzt und mit einem Druck von 8400 kg/cm² zu einer flachen Scheibe von 3 cm Durchmesser gepreßt. Das Material wurde dann auf ungefähr 35° C unter Druck abgekühlt, bevor die Scheibe aus der Form entfernt wurde. M

Wie die Kurve zeigt, liegt das Absorptionsband mit " seiner Mitte bei 80 μ, läßt jedoch 28 % der auffallenden Energie hindurch. Die Tatsache, daß sich eine vollständige Undurchsichtigkeit nicht ergibt, liegt an den hygroskopischen Eigenschaften von KBr, die zur Folge haben, daß die feinverteilten Partikeln zusammenkleben und eine gleichförmige Verteilung der Partikeln in dem Gefüge des Filterkörpers erschweren.

Dieses Absorptionsband kann vollständig undurchsichtig dadurch gemacht werden, daß die Konzentration von KBr in dem Gefüge erhöht wird. Die Kurve 46 zeigt beispielsweise die optische Charakteristik bei erhöhter Konzentration von KBr in dem Polyäthylenkörper. Durch Erhöhen der Konzentration wird das Band breiter und absorbiert in dem gesamten Gebiet einen beträchtlichen Teil der Strahlung.

Eine vollständige Verteilung eines hygroskopischen Materials wie KBr kann dadurch erzielt werden, daß unter Hinzufügen geringer Mengen eines hoch raffinierten Mineralöles das Material zu einem feinen Pulver gemahlen wird. Es wird dann Polyäthylenpulver zugleich mit zusätzlichen geringen Mengen öl, bis sich eine schaumige, gleichförmige Mischung er-

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gibt. Diese Mischung wird in eine Form eingebracht, BaF₂-Bandes überdeckt. In ähnlicher Weise übererhitzt und bei einer Temperatur gepreßt, die ein deckt sich das kurzwellige Ende des BaCO₃-Bandes Flüssigwerden der Polyäthylenteile zur Folge hat, so mit dem langwelligen Ende des BaFg-Absorptionsdaß man eine flache Scheibe beliebiger Form erhal- bandes.

ten kann. Während dieses Vorganges wird das Mine- 5 Indem man geeignete Mengen dieser drei Verbinralöl weniger zähflüssig, fließt aus der Platte heraus düngen pulverförmig fein verteilt und gleichmäßig in und ein Teil verdampft wahrscheinlich. Die Scheibe dem Filterkörper verteilt, ergibt sich ein resultierenwird dann mit einem organischen Lösungsmittel, wel- des Absorptionsband, welches im wesentlichen unches Polyäthylen nicht löst, beispielsweise mit Hexan durchsichtig zwischen 20 und 86 μ ist. Da das resul- oder Heptan ausgelaugt, um das übrige Öl von der io tierende Absorptionsband dieser Verbindungen un-Platte zu entfernen. Es wird dann die Platte auf eine durchsichtig zwischen 20 und 86 μ ist, während das Temperatur wiederum erhitzt, die unterhalb der zu- Filter der Type OS undurchsichtig für Strahlungen vor benutzten Temperatur liegt, jedoch hinreichend unterhalb 26 μ ist, ergibt sich bei der kombinierten ist, um das Polyäthylen weich zu machen, und wird Ausnützung der Absorptionsbande der genannten dann nochmals gepreßt, so daß die Platte, die wäh- 15 Materialien und des auf Lichtstreuung beruhenden rend des Auslaugvorganges sich verformt haben Stoffes ein Filter, welches im wesentlichen undurchkann, wieder eben gemacht wird. Dieser Auslaug- sichtig für eine Strahlung ist, deren Wellenlängen Vorgang und das Wiedererhitzen und Wiederpressen unterhalb 86 u liegen, während sämtliche größeren können gegebenenfalls wiederholt werden. Dabei Wellenlängen hindurchgelassen werden, da keines verhindert das Mineralöl, daß die fein verteilten Par- 20 der Materialien ein Absorptionsband oberhalb der tikel des hygroskopischen Materiales zusammen- Grenzwellenlänge hat. Wenn man KBr und PbCO₃ backen, und dadurch ergibt sich eine gleichmäßige nicht verwendet, kann man ein optisches Filter her-Verteilung der Partikel in dem Filterkörper. stellen, welches im wesentlichen undurchsichtig für

Die Kurve 41 in F i g. 4 zeigt das Absorptionsband alle Strahlung unterhalb 65 μ ist und eine Flanke des von KBr bei einer Konzentration von 4,45 mg/cm² 25 Durchlaßbereiches aufweist, die etwa dem langwelin einem Polyäthylenfilterkörper, wobei das KBr voll- ligen Ende des BaCO₃ Absorptionsbandes entspricht, ständig in dem Filterkörper verteilt war. Obwohl die Verwendet man dagegen BaCO₃ nicht, so ergibt sich zur Anwendung gelangte Konzentration die gleiche ein Filter, dessen Grenzwelle etwa bei 51 μ liegt, und wie in der Kurve 40 war, ergab sich trotzdem ein man hat dann eine Flanke des Durchlaßbereiches, Absorptionsband von KBr in vollständig verteilter 30 die etwa der langwelligen Kante des Absorptions-Form, das undurchsichtig zwischen 75 und 89 μ war bandes von BaF₂ entspricht. In dieser Weise können und an den Seiten des Bandes eine hohe Steilheit die verschiedensten Filter mit scharfen Flanken des hatte. Das unterschiedliche Verhalten des Absorp- Durchlaßbereiches gebaut werden, die in den vertionsbandes von KBr bei gleicher Konzentration in dem schiedensten Wellenlängenbereichen wirksam sind, gleichen Körpermaterial liegt offenbar an der gleich- 35 Für die Herstellung eines optischen Filters werden mäßigeren Verteilung des Materials in dem Körper. entsprechende Mengen KBr, BaCO₃ und BaF₂ ge-

Die der Kurve 41 entsprechende Filterscheibe mischt, so daß sich Konzentrationen von etwa wurde hergestellt unter Anwendung von 35 mg KBr 37,8 mg/cm² für jede Komponente ergeben, und es unter Zerreiben in einem Mörser mit einem Pistill, wurden ausreichende Mengen PbCO₃ und LiF hinzuwobei eine geringe Menge Nujol-Mineralöl hinzu- 40 gegeben, so daß für diese Komponenten sich Kongegeben wurde. Nachdem das KBr fein verteilt war, zentrationen von 1,27 mg/cm² ergaben; die Pulver wurden 300 mg des Polyäthylenpulvers Microthene wurden in Nujol-Mineralöl in einem Mörser mittels 620 hinzugegeben, und dadurch wurde ein KBr eines Pistills gemahlen.

Mineralölnull erhalten, während geringe Mengen Öl Nachdem die absorbierenden Materialien fein vei-

so lange zugegeben wurden, bis sich eine sahnen- 45 teilt waren, wurde Polyäthylenpulver mit weiteren artige gleichmäßige Mischung ergaE. Die Mischung geringen Mengen Mineralöl hinzugegeben und die wurde in eine Form von 3 cm Durchmesser einge- Masse vollständig durchmischt, so daß eine sahnengeben, bis auf 100⁰C erhitzt und bei ungefähr ähnliche Masse sich ergab. Der Anteil Polyäthylen 8400 kg/cm² gepreßt. Die Scheibe wurde dann unter ist nicht kritisch. Zu wenig Polyäthylen hat zur Folge, Druck bis ungefähr auf 65° C abgekühlt und aus der 50 daß die Masse brüchig wird. Etwa zu viel Polyäthylen Form herausgenommen und mit Hexan ausgelaugt, beeinträchtigt nicht die Wirkungsweise des Filters, damit überschüssiges öl von der Scheibe entfernt abgesehen davon, daß sich eine geringe Abnahme der wurde. Bei dem Auslaugungsvorgang ergab sich hindurchgelassenen Energie bei längeren Welleneine Verformung der Scheibe, und die Scheibe wurde längen ergibt. Wenn indessen allzuviel Polyäthylen wiederum in die Form eingebracht und auf ungefähr 55 vorhanden ist, ergibt sich eine wesentliche Energie-80° C erhitzt und bei 8400 kg/cm² gepreßt. Dann abnähme bei den längeren Wellenlängen. Es hat sich wurde die Scheibe wiederum ausgelaugt und noch- gezeigt, daß eine geeignete Menge in 83 % gewichtsmals erhitzt und wieder unter den gleichen Bedingun- mäßig an Polyäthylen in dem Filterkörper besteht gen gepreßt. und daß dann der Filterkörper nach Erhitzung sich

In Fig. 7 sind Durchlässigkeitscharakteristiken 60 gut pressen läßt und verhältnismäßig elastisch ist.
verschiedener Materialien gezeigt, die Absorptions- Die vollständig durchmischte Mischung wird in

banden bei den kurzen Wellenlängen des Durchlaß- eine Form eingeführt und auf eine Temperatur erbereiches der Filter gemäß Fig. 1 aufweisen. Die hitzt, die ausreicht, um das Polyäthylen zum Fließen Kurve 66 entspricht dem Absorptionsband von LiF. zu bringen, und es findet dann ein Pressen bei außer-Die Kurven 67, 68, 69 und 70 geben die Absorp- 65 ordentlich hohen Drücken statt, so daß man eine tionsbanden von BaF₂, BaCO₃, KBr bzw. PdCO₃ Scheibe gewünschter Form erhält, die im allgemeinen wieder. Es ist zu beachten, daß das langwellige Ende dünn ist und die Form einer ebenen Scheibe hat. Man des LiF-Bandes sich mit dem kurzwelligen Ende des läßt dann das Material unter Druck abkühlen, bevor

die Scheibe aus der Form herausgenommen wird. Im Verlaufe dieses Prozesses wird das Mineralöl weniger zähflüssig und fließt aus der Scheibe heraus und ein Teil verdampft offensichtlich. Es kann dann die Scheibe mittels eines organischen Lösungsmittels, welches Polyäthylen nicht auflöst, beispielsweise mittels Hexan oder Heptan, ausgelaugt werden, damit das überschüssige öl entfernt wird. Es wird dann die Scheibe wiederum in die Form eingebracht und wiederum auf eine etwas unterhalb der zuvor angewendeten Temperatur erhitzt, bei der das Polyäthylen erweicht wird, und es wird dann wiederum gepreßt, damit die Scheibe, die zuvor sich verformt haben kann, wieder ausgerichtet wird. Dieser Vorgang des Auslaugens und Wiedererhitzens und Wiederpressens kann wiederholt werden.

Als ein Ausführungsbeispiel können 300 mg Microthene 620 Polyäthylenpulver, 10 mg LiF und PbCO₃ und 30 mg KBr, BaCO₃ undBaF., in der vorstehend beschriebenen Weise verarbeitet werden. Das so erhaltene Material wurde in eine Form von einem Durchmesser von 3 cm eingebracht, auf 100° C erhitzt und mit einem Druck von 8400 kg/cm² gepreßt, so daß sich eine flache Scheibe von 1,25 cm Durchmesser ergab. Die Scheibe wurde unter Druck auf ungefähr 65⁰C abgekühlt und aus der Form herausgenommen und mit Hexan ausgelaugt, um das überschüssige Öl zu entfernen. Hierbei ergab sich eine Verformung der Scheibe. Die Scheibe wurde wiederum in die Form eingebracht, nochmals auf 80° C erhitzt und bei 8400 kg/cm² gepreßt. Die Scheibe wurde dann wiederum ausgelaugt, nochmals erhitzt und unter denselben Bedingungen gepreßt.

Die Filterscheibe wurde in Serie mit einem gegenüber Lösungen widerstandsfähigen Filter der Type OS angeordnet und bei Bestrahlung ergaben sich die optischen Eigenschaften entsprechend der Kurve 42 der F i g. 3. Das zusammengesetzte Filter hatte eine Flanke des Durchlaßbereiches, die etwa dem Langwellenende des resultierenden Absorptionsbandes der absorbierenden Materialien entspricht, d. h. dem Langwellenende von KBr. Das zusammengesetzte Filter ließ mehr als 7O°/o der einfallenden Strahlung von Wellenlängen oberhalb 200 μ hindurch und hatte eine scharfe Durchlaßbereichflanke. Die Grenzfrequenz betrug ungefähr 86 μ, und die Flankenbreite betrug etwa 25 μ. Das Filter war im wesentlichen undurchlässig für alle Wellenlängen unterhalb der Grenzfrequenz und hatte dort eine Durchlässigkeit von weniger als 1 °/o.

Ein weiteres Beispiel eines Filters, das zwei hygroskopische anorganische Komponenten enthält, nämlich KBr und CsBr, wurde gemäß den Lehren der Erfindung unter Anwendung der folgenden Konzentrationen der anorganischen Verbindungen hergestellt: 3,78 mg/² KBr; 10,2 mg/cm² CsBr; 3,78 mg/ cm² CaCO₃; 3,78 mg/cm-' BaCO.,; 1,27 mg/cm² LiCO₃; 3,78 mg/cm² BaF₂.

Ein unter Anwendung des vorstehend erörterten Verfahrens bei denselben Temperaturen und Drucken hergestelltes Filter ergab zusammen mit einer Filtertype OS eine Filtervorrichtung, die in F i g. 3 die Charakteristik 43 aufweist.

Das zusammengesetzte Filter hatte eine Grenzwellenlänge bei ungefähr 135 μ, eine Flankenbreite von ungefähr 44 μ und eine Durchlässigkeit von mehr als 70% für alle einfallende Strahlung mit Wellenlängen oberhalb 250 μ.

In den vorstehenden Fällen wurde frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO benutzt. Es hat sich gezeigt, daß das Absorptionsband von frisch durch Verbrennen erzeugten MgO wesentlich unterschiedlieh von dem Absorptionsband ist, das kommerziell erhältliches MgO-Pulver aufweist.

In F i g. 5 bezeichnet die Kurve 50 das Absorptionsband, das durch eine spektrale Untersuchung von pulverisiertem MgO erhalten wurde. 37 mg dieses MgO-Pulvers wurden innig mit 0,6 g Polyäthylenpulver durchmischt, auf 100° C erhitzt und bei 8400 kg/cm² gepreßt, so daß eine dünne ebene Scheibe von einem Durchmesser von 3 cm erhalten wurde.

Das langwellige Ende des Absorptionsbandes kann wesentlich steiler dadurch gestaltet werden, daß frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO verwendet wird. Zu diesem Zweck wird Mg-Band in Luft verbrannt und der Rauch eingefangen, so daß man dadurch frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO-Pulver erhält. 37 mg des frisch durch Verbrennen erzeugten MgO wurde gründlich mit 0,6 g Polyäthylen- * pulver vermischt und dadurch eine dünne Scheibe " von 3 cm Durchmesser hergestellt, unter Anwendung von denselben Erhitzungs- und Druckbedingungen wie bei dem zuvor erörterten Beispiel. Die Durchlaßcharakteristik von frisch durch Verbrennen erzeugtem MgO in Polyäthylen ist durch die Kurve 51 der F i g. 5 wiedergegeben.

Man sieht, daß das kommerziell erhältliche MgO-Pulver undurchlässig bei etwa 27 μ wird, während das frisch durch Verbrennen erzeugte MgO undurchlässig bei ungefähr 26 μ wird. Indessen ist die Steilheit des Absorptionsbandes sehr viel höher, frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO erreicht eine Durchlässigkeit von 60% bei ungefähr 37 μ. Kommerziell erhältliches MgO hat. eine Durchlässigkeit von nur 20 % bei derselben Wellenlänge.
Es hat sich ferner gezeigt, daß das langwellige Ende des MgO-Absorptionsbandes steiler dadurch gemacht werden kann, daß frisch durch Verbrennen erzeugtes MgO auf einem durchlässigen Filterkörper, beispielsweise aus Polyäthylen bestehend, niedergeschlagen wird. Die Kurve 52 der F i g. 5 zeigt die m spektrale Durchmessung einer Polyäthylenscheibe von 3 cm Durchmesser, die durch Erhitzen und Pressen von 0,6 g Polyäthylenpulver bei einer Temperatur von 100° C und einem Druck von 8400 kg/cm² erzeugt wurde. 37 mg durch Verbrennen erzeugtes MgO wurde auf der Oberfläche dieser Filterscheibe niedergeschlagen und zwar dadurch, daß in Luft ein Mg-Streifen verbrannt wurde und der Rauch auf die Scheibe niedergeschlagen wurde. Wie dargestellt, hat das Absorptionsband von frisch durch Verbrennen hergestelltem MgO auf der Oberfläche der Filterscheibe eine Grenzwellenlänge von 26 μ, und es ergab sich eine Durchlässigkeit von ungefähr 73 % der auffallenden Strahlung bei 37 μ.
Es ist zu beachten, daß in jedem Fall die Konzentration von MgO die gleiche ist, nämlich ungefähr 4,65 mg/cm².

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters. Bei diesem Filter wurde BeO in einer Konzentration von 0,62 mg/cm² in feiner Verteilung mit Polyäthylenpulver durchmischt. Das durchmischte Pulver wurde auf etwa 100° C erhitzt und mit einem Druck von 840 kg/cm² in einer Form so gepreßt, daß sich eine Platte ergab, die an

ihrem Rande eine Rippe aufweist, wie es in F i g. 6 der Querschnitt 55 zeigt. In die Vertiefung wurde durch Verbrennen von Mg in Luft und Niederschlagen auf der inneren Fläche der Scheibe MgO-Pulver56 gleichmäßig niedergeschlagen. Eine geeignete Menge MgO, die eine Schicht gleichförmiger Dichtigkeit erzeugte, bestand in einer Konzentration von ungefähr 4,65 mg/cm². Es wurde eine Type OH mikroporöse Membran 57 mit einer Grenzwellenlänge von 10 μ auf den Außenflansch aufgebracht und dort in geeigneter Weise befestigt. Das Filter hatte eine Grenzwellenlänge von ungefähr 26 μ, eine Flankensteilheit des Durchlaßbereiches von ungefähr 8 μ und ließ mehr als 70% der auffallenden Strahlung bei Wellenlängen oberhalb 56 μ hindurch und weniger als 1%> bei Wellenlängen unterhalb der Grenzwellenlänge. Die Durchlässigkeitskurve des in F i g. 6 dargestellten Filters ist in F i g. 3 mit 44 bezeichnet.

In den vorliegenden Beispielen wurde Polyäthylen als Grundmaterial nicht nur in dem auf Strahlungsstreuung beruhenden Filterkörper, sondern auch als Grundmaterial für die absorbierenden Substanzen verwendet. Polyäthylen ist für die vorgenannten Zwecke besonders geeignet, da sich keine ausgesprochenen Absorptionsbanden in dem Wellenlängenbereich zwischen 15 und 300 μ ergeben. Die einzigen Bedingungen, die hinsichtlich des als Vergußmatematerial für die absorbierenden Substanzen benutzten Materials zu stellen sind, liegen darin, daß dieses Material bei relativ niedriger Temperatur schmelzen soll und keine ausgesprochenen Absorptionsbanden in dem Bereich aufweisen soll, in welchem das Filter durchlässig sein soll. Beispielsweise erwiesen sich dünne Schichten Polystyrol als brauchbar in dem Wellenlängenbereich zwischen 20 und 300 μ und Polytetrafluoräthylen in dem Wellenbereich zwischen 58 und 300 μ..

Hinsichtlich der im vorstehenden gegebenen Konzentrationen ist hervorzuheben, daß im allgemeinen diese Konzentrationen nicht sehr kritisch sind. Mit Ausnahme der absorbierenden Materialien, die ein Absorptionsband aufweisen, dessen langwellige Grenzen die Flanken des Durchlaßbereiches bestimmt, ist lediglich die Bedingung an das absorbierende Material zu stellen, daß seine Konzentration derart ist, daß in dem Gebiet unterhalb der Grenzwellenlänge des zusammengesetzten Filters dasselbe nicht undurchlässig ist; die Konzentration sollte so sein, daß sie keine Abnahme der Durchlässigkeit bei langen WeI-lenlängen zur Folge hat. Insoweit es sich um das absorbierende Material handelt, dessen Absorptionsband die Flanke des Durchlaßbereiches des Filters bestimmt, ist zu beachten, daß die Grenzwelle und die Steilheit der Flanke des Durchlaßbandes direkt von der Konzentration dieses Materials abhängt. Die Konzentration dieses Materials sollte daher streng eingehalten werden, wenn darauf Wert gelegt wird, daß eine Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Exemplaren des Filters gewahrt werden soll und an der Flanke des Durchlaßbereiches besonders gute Verhältnisse verlangt werden. Daher ist an und für sich die Konzentration auch dieses absorbierenden Materials nicht kritisch, indessen bedingt durch den verlangten Grad an Genauigkeit.

Statt eines Pressens in heißer Form kann auch ein Walzen in heißem Zustand vorgenommen v/erden.

Es ist ferner zu beachten, daß die Grenzwellenlänge und die Flankensteilheit des Durchlaßbereiches, wie sie in der vorliegenden Beschreibung wiedergegeben sind, nur Beispiele darstellen und sich nur auf bestimmte hergestellte Filterexemplare beziehen. Abhängigkeit von der Genauigkeit, die bei der Herstellung der Pulvermischungen und dem nachfolgenden Verfahren und der Eichung des spektralen Meßgerätes können sich unterschiedliche Werte ergeben.

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Infrarotdurchlässiger Filter, bestehend aus einem für lange Wellen durchlässigen Streufilter und einem Absorptionsfilter mit einer im Durchlässigkeitsänderungsbereich des Streufilters liegenden Absorptionsbande, gekennzeichnet durch die Verwendung einer an sich bekannten, die Poren in der Größenordnung von μ aufweisenden dünnen Membran als Streufilter.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl absorbierender Materialien mit sich überlappenden Absorptionsbanden vorgesehen sind.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Membran aus Polyäthylen besteht.

4. Filter nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß absorbierendes Material in einem durchsichtigen Material eingebettet ist.

5. Optisches Filter nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als absorbierendes Material eines der nachfolgenden Materialien verwendet wird: BaCO₃, BaF₂, BeO, CaCO₃, Li₂CO₃, LiF, SrF₂, TiO₂ oder frisch durch Verbrennen von Mg erzeugtes MgO.

6. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 3,78 mg/cm² an SrF₀ und 1,13 mg/cm² an BeO und 0,62 mg/cm² an LiF und 1,89 mg/cm² an frisch durch Verbrennen erzeugtem MgO in fein verteiltem Zustand in einem im wesentlichen aus nicht absorbierenden Material eingebettet verwendet werden.

7. Filter nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 4,1 mg/cm² an BaF₂ und 10,1 mg/cm² an SrF₂ und 1,24 mg/cm² an LiF und BeO und 1,89 mg/cm² an frisch durch Verbrennen hergestelltem MgO in einem im wesentlichen nicht absorbierenden Material eingebettet verwendet werden.

8. Filter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material aus ungefähr 2,84 mg/cm² an TiO₂ besteht.

9. Filter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material ungefähr aus 4,65 mg/cm² an frisch durch Verbrennen hergestelltem MgO besteht.

10. Filter nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material aus 0,62 mg/cm² an BeO und 4,65 mg/cm² an frisch durch Verbrennen hergestelltem MgO besteht.

11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens eines der absorbierenden Materialien ein Material verwendet wird, welches die Neigung hat, in fein pulverförmigem Zustand zusammenzubacken und

dieses Material über eine der Fläche der Scheibe entsprechende Fläche gleichmäßig verteilt ist.

12. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material KBr oder CsBr ist.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material als KBr, BaCO₃, BaF₂, PbCO₃ und LiF besteht.

14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ungefähr aus 3,78 mg/cm² an KBr, BaCO₃ und BaF₂ und aus ungefähr 1,24 mg/cm² an PbCO₃ und LiF besteht.

15. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Material ungefähr aus 3,78 mg/cm² und KBr, CaCO₃, BaCO₃ und BaF₂ und 10,1 mg/cm² an CsBr und 1,24 mg/ cm² an Li₂CO₃ besteht.

16. Verfahren zur Herstellung optischer Filter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein feines Träger-

pulver und eine Mehrzahl pulverförmiger absorbierender Materialien unter Zugabe hochraffiniertem Mineralöl zu einer sahneähnlichen homogenen Mischung gemischt werden, wobei mindestens das eine der absorbierenden Materialien die Neigung hat, in feinem pulverförmigen Zustand zusammenzubacken und daß die Mischung erhitzt und gepreßt wird, so daß das Trägermaterial zähflüssig wird und anschließend die Mischung unter Druck abgekühlt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterscheibe mit einem Lösungsmittel, welches das Trägermittel nicht löst, ausgelaugt wird und dadurch überschüssiges Mineralöl entfernt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auslaugen der Scheibe ein nochmaliges Pressen und Erhitzen bei einer Temperatur erfolgt, bei welcher das Trägermaterial der Scheibe zähflüssig wird und die Scheibe dadurch geglättet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen