DE19619358A1 - Optisches Filter mit Interferenzfilter-Mehrfachschicht und Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter mit Interferenzfilter-Mehrfachschicht auf einem Substrat, wobei die Strahlung wenigstens einer Emissionslinie oder eines Spektralbereichs re­ flektiert und die Strahlung anderer Spektralbereiche transmittiert wird sowie eine Verwendung des optischen Filters.

Aus der US 4,320,936 ist ein Interferenz- bzw. Mehrfachschichtfilter bekannt, welches UV- Strahlung im Spektralbereich von 200 bis 250 nm reflektiert, jedoch Strahlung im Spektralbe­ reich mit einer Wellenlänge von mehr als 250 nm transmittiert. Vom Substrat aus gesehen be­ stehen gemäß einem Ausführungsbeispiel in Fig. 9 die dielektrischen Schichten Nr. 1, 3 und 5 aus hochrefraktivem Zirkondioxid, die Schichten Nr. 7, 9 und 11 aus Aluminiumoxid, die Schich­ ten 2, 4, 6, 8 und 10 aus niedrigberechenden Magnesiumfluioriden, wobei die optische Schicht­ dicke der jeweiligen Schichten 50 nm für eine Wellenlänge von 230 nm beträgt. Die elektri­ schen Mehrfachschichtfilter werden vorzugsweise in der Halbleiterfertigung für die Bestrahlung maskierter Halbleitersubstrate durch Entladungslampen eingesetzt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 25 30 195 eine Hochleistungs-Bogenentladungslampe bekannt, die einen selektiven Filterbelag auf der Außenwand einer Glasumhüllung aufweist, wobei der aus abwechselnden Schichten von Titanoxid (TO₂) und Siliziumoxid (SiO₂) bestehende Filterbe­ lag so ausgebildet ist, daß er gewünschte Strahlung durchläßt und gleichzeitig Teile der uner­ wünschten Strahlung reflektiert, für welche die Wandung der Entladungsröhre durchlässig ist.

Die als Reflektor wirkenden Filterbeläge reflektieren wirksam Strahlung im Bereich zwischen 800 und 1200 nm.

Weiterhin ist aus der DE 39 02 144 eine Deuterium-Lampe mit einer Interferenzfilter-Mehrfach­ schicht aus im Wechsel angeordneten Aluminiumoxid- und Siliziumdioxid- oder Magnesiumflu­ oridschichten bekannt, wobei die physikalische Schichtdicke jeder Schicht im Bereich von 10 bis 70 nm liegt und die der Kolbenoberfläche zugekehrte erste wirksame Schicht des Interfe­ renzfilters aus Aluminiumoxid besteht. Die Interferenzfilter-Mehrfachschicht absorbiert Strah­ lung mit einer Wellenlänge im Bereich von 190 bis 200 nm, besitzt jedoch für Wellenlängen grö­ ßer als 200 nm eine sehr hohe Transmission.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein optisches Filter zu schaffen, das Linien im Spektrum von Wasserstoff und Deuterium - d. h. die Wasserstoff- und Deuterium-Emissionslinien - in ih­ rer Intensität reduziert, so daß wenigstens annäherungsweise ein kontinuierliches Spektrum entsteht; darüber hinaus soll eine Möglichkeit angegeben werden, Sauerstoff-Spektrallinien im Wellenlängenbereich von 495,9 nm bis 500,7 nm zu dämpfen. Weiterhin soll eine Verwendung des Filters für physikalische bzw. analytische Aufgaben angegeben werden.

Die Aufgabe wird anordnungsgemäß dadurch gelöst, daß die Transmission des Filters in wenig­ stens einem der Wellenlängenbereiche von 434,0 nm bis 500,7 nm und von 654 bis 656,3 nm geringer ist als im übrigen Wellenlängenbereich von 160 nm bis 1200 nm.

Vorzugsweise ist die Interferenzfilter-Schicht einseitig auf ein Substrat aufgebracht.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß durch die Mehrfachbeschichtung praktisch alle Wasserstoff- bzw. Deuterium-Linien in ihrer Intensität gedämpft werden können, so daß durch eine verhält­ nismäßig einfache Maßnahmen ein Kontinuum der spektralen Energieverteilung zu erzielen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Filter als eigenes Bauteil ausgebildet, wobei die Interferenzfilterschicht auf einem Substrat aus Quarzglas aufgebracht ist; hierbei er­ weist es sich als vorteilhaft, daß eine optimale Anpassung der Filter-Charakteristik auf den je­ weiligen Anwendungsfall durch einfachen Austausch von optischen Filtern mit abweichender Charakteristik möglich ist.

Als besonders günstige Ausführungsform für die Praxis hat sich ein optisches Filter mit ebener Substrat-Oberfläche erwiesen.

Die Aufgabe wird verwendungsgemäß durch die Ansprüche 5 und 6 gelöst.

Vorzugsweise wird in der Verwendung nach Anspruch 6 das optische Filter im Strahlengang zwischen einer Strahlenquelle als Deuterium- bzw. Wasserstofflampe und einem Detektor bzw. Sensor für Analysezwecke eingesetzt, um ein kontinuierliches Strahlungsspektrum im Bereich von 160 bis 700 nm zu erzielen.

In einer ersten Verwendung gemäß Anspruch 5 erweist es sich als vorteilhaft, daß bei Beob­ achtung astronomischer Objekte, insbesondere bei Gasnebeln die verhältnismäßig hellen Emissionslinien bei Wellenlängen von 434,0, 486,1, 495,9, 500,7 und 656,3 nm durch Reduzie­ rung ihrer Intensität einen hohen Kontrast zwischen Gasnebel und Hintergrund ermöglichen, so daß im Hintergrund befindliche Sterne mit einem im wesentlichen kontinuierlichen Spektrum kontrastreich dargestellt werden können. Vorzugsweise ist die Interferenzfilter-Mehrfachschicht auf der der Strahlung zugekehrten Seite des Substrats angeordnet.

In einer zweiten Verwendung gemäß Anspruch 6 erweist es sich als vorteilhaft, daß bei Deuteri­ um- bzw. Wasserstoff-Lampen als Strahlenquelle in der Analysetechnik die Spektrallinien als Störfaktoren eliminiert werden können, wobei es sich als besonders vorteilhaft erweist, das opti­ sche Filter an beliebigen Stellen des Strahlenganges einzusetzen, beispielsweise im Bereich der Lampe oder im Bereich des Detektors.

Dabei ist es möglich, das optische Filter als eigenes Bauteil in den Strahlengang einzusetzen; die Interferenzfilter-Mehrfachschicht ist dabei vorzugsweise auf der der Strahlung zugekehrten Seite des Substrats aufgebracht. Hierbei erweist sich die einfache Austauschbarkeit des Filters im Hinblick auf eine optimale Anpassung der Filter-Charakteristik als vorteilhaft.

Weiterhin ist es möglich, das optische Filter auf den Sensor bzw. Detektor des Analysegerätes, der vorzugsweise als Diode oder Dioden-Array ausgebildet ist, aufzubringen; als vorteilhaft er­ weist sich dabei der vereinfachte Aufbau des Analysegerätes.

Darüber hinaus ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, die Interferenzfilter-Mehr­ fachschicht auf den Lampenkolben der Deuterium- bzw. Wasserstoff-Lampe als Strahlenquelle aufzubringen, wie es beispielsweise auch aus der eingangs genannten DE-OS 25 30 195 bekannt ist; hierbei ist eine optimale Anpassung der Interferenzfilter-Mehrfachschicht an die spektrale Energieverteilung der Lampe möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Interferenzfilter-Mehrfachschicht auf einen für den Durchtritt des Strahlengang vorgesehenen Bereich der Meß-Küvette der Analysevor­ richtung aufgebracht.

Nachstehend ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 1c, 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 1a zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Filter mit Substrat und darauf aufge­ brachte Interferenzfilter-Mehrfachbeschichtung;

Fig. 1b stellt schematisch Transmission und Reflexion am Filter dar;

Fig. 1c zeigt eine bespielhafte Transmissionskurve des Filters, wobei die Wellenlänge X in Nanometern und der Transmissionsgrad T in Prozent angegeben ist;

Fig. 2 zeigt schematisch den Einsatz des Filters im Strahlengang eines Teleskopes; das auf Gasnebel im Weltraum gerichtet ist;

Fig. 3 zeigt den Einsatz des Filters bei einer Wasserstoff- bzw. Deuterium-Lampe in der Analysetechnik.

Gemäß Fig. 1a besteht ein Interferenzfilter aus einem strahlungsdurchlässigen Substrat 1 bei­ spielsweise Quarzglas, auf das eine Mehrzahl von Schichten 2, 3, 4 . . . n mit abwechselnd ho­ hen und niedrigem Brechungsindex in einer Schichtdicke aufgetragen ist, die beispielsweise im Bereich von 20 bis 70 nm liegt. Die Gesamtzahl der Schichten ist symbolisch mit dem Zeichen n bezeichnet. Im nachfolgenden Beispiel zu Fig. 1c gilt n = 15. Aufbau und Wirkungsweise sol­ cher Interferenzfilter sind beispielweise aus der US 4,320,936 bekannt.

Entsprechend Fig. 1a ist der Schichtenaufbau aus Einzelschichten den Wellenlängenberei­ chen von 434 nm, von 484 bis 486,1 nm, von 495,5 nm bis 500,7 nm und von 654 bis 656,3 nm angepaßt, wobei die Strahlung dieser Linien bzw. Spektralbereiche gemäß der nachstehend er­ läuterten Fig. 1c geringer als die übrige Strahlung im Bereich von 160 bis 1200 nm bzw. im dargestellten Bereich von 400 bis 700 nm transmittiert wird. Auf die Interferenzschicht auftre­ tende Strahlung ist gemäß Fig. 1b symbolisch mit Ziffer 16 bezeichnet, die transmittierte Strahlung mit Bezugsziffer 17, während die reflektierten Strahlen der vorstehend genannten Wellenlängen mit Ziffern 18,19, 20 und 21 bezeichnet sind. Als Werkstoff mit hochbrechenden Eigenschaften hat sich insbesondere Zirkonoxid bewährt, als Werkstoff für Schichten niedrig­ brechender Eigenschaften beispielsweise Magnesiumfluorid; darüber hinaus ist es auch mög­ lich, Aluminiumoxid als Werkstoff von Schichten für das Filter einzusetzen.

Fig. 1c zeigt die bereits zuvor erwähnte beispielhafte Transmissionskurve eines erfindungsge­ mäßen optischen Filters, bei dem senkrecht eintretende Strahlung im Wellenlängenbereich von 434 nm, von 484 bis 486,1 nm, von 495,9 bis 500,7 nm in ihrer Intensität gedämpft wird, wobei das übrige Spektrum im Bereich der sichtbaren Strahlung von 400 bis 700 nm weitgehend un­ gedämpft das Filter passieren kann; ein solches Filter kann beispielsweise von der Firma OME- GA OPTICAL INC., 3 Grove Street, Brattleboro, Vermont, USA, hergestellt werden. Die Mehr­ fachschicht weist abwechselnd Schichten mit hohem Brechungsindex H und Schichten mit niedrigem Brechungsindex L auf. Die Schichtfolge ist ausgehend von der auf dem Substrat be­ findlichen Schicht 1 bis zur äußeren Schicht 15, die in Fig. 1a mit n bezeichnet ist, in der nach­ folgenden Tabelle aufgeführt.

Fig. 2 zeigt schematisch den Einsatz des erfindungsgemäßen Filters in der Astrophysik. Filter 23 befindet sich dabei im Strahlengang eines Spiegel-Teleskops 24.

Die von einem Gasnebel 25 ausgehende Strahlung 26 mit einem Linienspektrum der Wellen­ längen 434 nm, 486,1 nm, 495,9 nm, 500,7 nm und 656,3 nm wird durch Filter 23 im Strahlen­ gang des Teleskops 24 abgeschwächt, so daß vom Teleskop aus gesehen vor oder hinter dem Gasnebel stehende Sterne 27 durch Erhöhung des Kontrastes wesentlich besser erkennbar sind; dies bedeutet, daß die Strahlung 26′ von Sternen, welche im wesentlichen ein kontinuierli­ ches Spektrum hat, den Filter 23 nahezu verlustfrei durchdringen kann, während die Emissions­ linien des Gasnebels den Filter nicht durchdringen können, so daß Kontrast und Erkennbarkeit der Sterne 27 wesentlich erhöht werden. Die Betrachtung des Bildes kann wahlweise visuell über ein Okular 28 erfolgen oder mittels eines hier nicht dargestellten Silizium-Bildsensors, bei­ spielsweise einer CCD-Kamera, erfolgen.

Gemäß Fig. 3 wird das erfindungsgemäße Filter 23 in einer Analysevorrichtung 29 eingesetzt, bei der eine Wasserstoff- bzw. Deuteriumlampe als Strahlenquelle 30 vorgesehen ist. Die ent­ lang der optischen Achse 31 auftretende Strahlung 32 durchläuft Filter 23 sowie die das zu analysierende Gas enthaltende Meßzelle bzw. Meß-Küvette 33 und tritt nach Verlassen der Kü­ vette in den Eingangsbereich 34 des Sensors bzw. Detektors 35 eines Analysegerätes 35 ein; als Analysegerät kann beispielsweise ein Spektralfotometer oder ein HPLC-UV-Detektor einge­ setzt werden. Weiterhin ist es in der Praxis möglich, Meß-Küvette 33 gegen eine mit einem Re­ ferenzgas gefüllte Küvette 33′ zwecks Eichung zu vertauschen. Als besonders vorteilhaft er­ weist es sich bei einer Anordnung gemäß Fig. 3, daß praktisch ein kontinuierliches Spektrum der Strahlenquelle 30 entsteht, wobei die bei Anwendung von Deuterium- bzw. Wasserstofflam­ pen störenden Emissionslinien durch Filter 23 entfernt sind; es ist somit beispielsweise möglich, auf verhältnismäßig einfache Weise die Zusammensetzung des in der Küvette 33 befindlichen Gases bzw. der Substanz durch Spektralanalyse zu bestimmen.

Claims (8)

1. Optisches Filter mit Interferenzfilter-Mehrfachschicht auf einem Substrat, wobei die Strah­ lung wenigstens einer Emissionslinie oder eines Spektralbereiches reflektiert und Strah­ lung anderer Spektralbereiche transmittiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trans­ mission des Filters in wenigstens einem der Wellenlängenbereiche von 434,0 bis 500,7 nm und von 654 bis 656,3 nm geringer ist als im übrigen Spektralbereich von 160 bis 1200 nm.

2. Optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission des Filters in wenigstens einem der Wellenlängenbereiche von 434,0 nm, von 484 bis 486,1 nm, von 495,9 nm bis 500,7 nm und von 654 bis 656,3 nm geringer ist als im übrigen Wellenlängenbereich von 160 nm bis 1200 nm.

3. Optisches Filter nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfach-In­ terferenzfilterschicht aus 8 hoch- und 7 niedrigbrechenden Schichten besteht, wobei der Brechungsindex der hochbrechenden Schichten 2,35 und der der niedrigbrechenden Schichten 1,35 beträgt.

4. Optisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) der Interferenzfilter-Mehrfachschicht Quarzglas vorgesehen ist.

5. Verwendung eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 4 im Strahlengang von astronomischen Teleskopen zur Dämpfung der Emissionslinien von Gasnebeln im Weltraum.

6. Verwendung eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 4 im Strahlengang zwischen einer Deuterium- bzw. Wasserstofflampe und einem Detektor in der Analysetechnik.

7. Verwendung des optischen Filters nach Anspruch 6 zur Bildung eines kontinuierlichen Strahlungsspektrum im Bereich von 160 bis 700 nm.

8. Verwendung eines optischen Filters nach Anspruch 6 oder 7 in Form einer auf einen Lampenkolben der Deuterium- oder Wasserstofflampe aufgebrachte Interferenzfilter-Mehrfachschicht.