DE2052346C2

DE2052346C2 - Mehrschichtfilter

Info

Publication number: DE2052346C2
Application number: DE2052346A
Authority: DE
Inventors: Joseph H. Santa Rosa Calif. Apfel; Robert M. Rohnert Park Calif. Gelber
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Current assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1969-10-27
Filing date: 1970-10-24
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE2052346A1; US3649359A; FR2065540A1; GB1310745A; FR2065540B1

Description

aufweist. Es lassen sich auch andere dielektrische Werkstoffe oder Metalle Für die zusätzlichen Belagschichten ve; senden.

Der periodische Aufbau 14 des Mehrschichtbelags umfaßt wenigstens eine Metallschicht und wenigstens einer dielektrischen Schicht. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist nur eine Metallschicht 18 und eine einzige dielektrische Schicht 19 vorhanden, die eine hohe Brechzahl aufweist. Für die Metallschicht läßt sich z.B. Nickel verwenden. Das Metall muli die Eigenschaft haben, sich als halbtransparenter dünner Film aufbringen zu lassen. Für die dielektrische Schicht oder die dielektrischen Schichten jeder Periode läßt sich ein beliebiger lichtab'jorbierender dielektrischer Werkstoffverwenden. Die Brechzahl des dielektrischen Werk- !5 Stoffs sollte zwischen 1,35 und 2,5 liegen. Beispielsweise kann das in der U.S.-Patentschrift 3034924 beschriebene Metalloxid verwendet werden, das eine Brechzahl von 2,08 aufweist.

Die optische Dicke der zusätzlichen Belagschicht 13 bzw. 17 kann zwischen 1/8 und 1/2 der Bemessungswellenlänge liegen; vorzugsweise entspricht sie 1/4 der Bemessungswellenlänge Tür das Filter. Die Schicht 18 kann eine körperliche Dicke zwischen 10 und 500 Ä und die Schicht 19 eine optische Dicke zwischen 1/8 und 1/2 der Bemessungswellenlänge aufweisen.

Der Überbau 16 besteht aus drei Schichten 21, 22 und 23. Die Schicht 21 besteht aus einem Metall der vorstehend beschriebenen Art. z. B. Nickel. Die körperliche Dicke der Metallschicht 21 sollte zwischen 10 und 500 Ä betragen. Vorzugsweise beträgt sie 100 Ä. Die Metallschicht hat dann eine Dicke, welche einen Durchlässigkeitsgrad von angenähert 50 % ergibt. Die Schicht 22 besteht aus einem dielektrischen Werkstoff mit einer hohen Brechzahl zwischen 1,6 und 2,4 und einer optisehen Dicke zwischen 1/8 und 1/2 der Bemessungswellenlänge. Ein für einen solchen Überbau besonders gut geeigneter Werkstoff ist das in der U.S.-Patentschrift 3034924 beschriebene Metalloxid, das eine Brechzahl von 2,08 aufweist. Die Schicht 23 besteht aus einem Dielektrikum mit einer niedrigen Brechzahl zwischen 1,35 und 1,55 und einer optischen Dicke zwischen 1 /8 und 1 /2 der Bemessungswellenlänge. Magnesiumfluorid mit einer Brechzahl von 1,38 eignet sich besonders gut für diese Schicht.

Die Eigenschaften einiger entsprechend der Erfindung ausgebildeter Mehrschichtfilter sind in den grafischen Darstellungen der Fig. 2 bis 4 dargestellt. Die zur Erzielung der in Fig. 2 dargestellten Eigenschaften verwendete Ausführungsform bestand aus sechs Schichten de3 im Prinzip in Fig. 1 dargestellten Aufbaus. Die Unterlage bestand aus Glas mit einer Brechzahl von 1,5. Das Medium, in welchem sich das Filter befand, war Luft, deren Brechzahl 1,0 beträgt. Die für das Filter verwendeten Schichten, angefangen von der Seite des Mediums zur Unterlage hin, hatten die nachfolgend angegebenen Eigenschaften, wobei die körperliche Dicke und die optische Dicke in nm angegeben sind:

Schicht Werkstoff

körperl.

Brechzahl Dicke
(nm)

Viertelwellen
Optische Dicke
(nm)

Schicht Werkstoff

körperl.

Brechzahl Dicke (nm)

Viertelwellen Optische Dicke (nm)

4 Metalloxid 2,08

5 Nickel *

6 Magnesiumfluorid 1,38

* siehe Tabelle 1 unten
Tabelle 1 (Nickel):

58,67 488,1344 11,50 153,05 844,8360

Wellenlänge

Komplexe Brechzahl

Reeller Anteil Imaginärer Anteil

400
500
600
700

2.17
2,34
2,57
3.16

1,75 2,17 2,51

2.58

Die Durchlässigkeit (T= Transmission) und das Reflexionsvermögen (R) für dieses Filter sind in Fig. 2 dargestellt. Das Reflexionsvermögen wurde auf der Seite des Mediums, d.h. Luft gemessen. Aus der grafischen Darstellung läßt sich ersehen, daß das Reflexionsvermögen bei der Bemessungswellenlänge von 550 nm = Null ist und über den größten Teil des sichtbaren Spektralbereiches bei nahezu Null liegt. Das Filter hatte einen Durchlässigkeitsgrad von angenähert 24%.

Das Filter, mit dem die in Fig. 3 dargestellten Eigenschaften erzielt wurden, ist in seinem Aufbau ähnlich dem Filter, mit dem die in F i g. 2 dargestellten Eigenschaften erzielt wurden, mit der Ausnahme, daß das Filter nicht aus sechs, sondern aus acht Schichten bestand. Der Unterbau und der Überbau waren mit denen des vorgenannten Filters identisch. Der periodische Aufbau unterschied sich dadurch, daß der Mehrschichtbelag zwei Perioden aufwies. Die Schichten haben die nachfolgend angegebenen Eigenschaften, betrachtet von der Seite des Mediums zur Unterlage hin.

Schicht Werkstoff

Viertel-

Körperl. wellen-Brechzahl Dicke Optische (nm) Dicke

(nm)

Magnesiumfluorid 1,38 56,94 314,3088

Metalloxid 2,08 40,46 336,6272

Nickel * 11,50

Metalloxid 2,08 58.67 488,1344

Nickel * 11,50

Metalloxid 2,08 58,67 488,1344

Nickel * 11,50

Magnesiumfluorid 1,38 153,05 844,8360

siehe Tabelle 1

1 Magnesiumfluorid 1.38 56,94 314,3088

2 Metalloxid 2,08 40.46 336.6272

3 Nickel * 11.50

Die danach kommende Unterlage hatte eine Brechzahl von 1,5

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ergab sich das Reflexionsvermögen bei der Bemessungswellcnlänge wiederum zu Null, und über den ganzen sichtbaren Spektralbereich wurde ein Reflexionsvermögen von praktisch Null erhalten. Die Durchlässigkeit betrug jedoch nur etwa die

Hälfte der von F i g. 1 und war im ganzen sichtbaren Spektralbereich etwa 12%.

Bei der visuellen Beobachtung des Belages, der die in Fig. 2 dargestellten Eigenschaften aufweist, hatte das Filter von der Seite des Überbaues, d.h. des Mediums her gesehen eine leicht bläuliche Färbung. In der Durchlässigkeit verhielt sich das Filter als Neutral- oder Graufilter und hatte ein leicht graues Aussehen. Das zur Erzielung der in Fig. 3 dargestellten Eigenschaften verwendete Filter hatte ebenfalls ein sehr geringes Reflexionsvermögen und bei Betrachtung von der Seite des Mediums her ein leicht bläuliches Aussehen. In der Durchlässigkeit verhielt es sich als Graufilter mit einem etwas niedrigeren Durchlässigkeitsgrad als der des Filters, dessen Eigenschaften in Fig. 2 dargestellt sind.

Der zur Erzielung der in Fig. 4 dargestellten Eigenschaften verwendete Filteraufbau war identisch dem in den beiden vorgenannten Filtern, mit der Ausnahme, daß er in diesem Falle aus zehn Schichten bestand, von denen der Unterbau und der Überbau identisch waren, jedoch der periodische Aufbau anstelle der doppelten dielektrischen Periode der Ausführung der Fig. 3 in diesem Falle nunmehr aus drei Metall/Dielektrikum-Perioden bestand. Vom Medium zur Unterlage hin hatten die einzelnen Schichten die nachfolgend angegebenen Eigenschaften.

	Werkstoff	Brechzahl	Körperl.	Viertel
			Dicke	wellen-
Schicht			(nm)	Optische
	Magnesiumfluorid	1,38		Dicke
	Metalloxid	2,08	56,94	(nm)
1	Nickel	s. Tab. i	40,46	314,3088
2	Metalloxid	2,08	11,50	336,6272
3	Nickel	s. Tab. 1	58,67
4	Metalloxid	2,08	11,50	488,1344
5	Nickel	s. Tab. 1	58,67
6	Metalloxid	2,08	11,50	488,1344
7	Nickel	s.Tab.l	58,67
8	Maenesiumfluorid	1,38	11,50	488,1344
9			153,05
0		844,8360

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, hat das Reflexionsvermögen bei der Bemessungswellenlänge den Wert Null und über den ganzen sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen den Wert Null. Die Durchlässigkeit ist jedoch gegenüber dem vorgenannten Filter wiederum auf die Hälfte, nämlich auf angenähert 6 % herabgesetzt.

Wie aus der Beschreibung der vorstehenden Filterausfuhrungen ersichtlich, dient die einzige Schicht 17 in dem Unterbau 13 dem Zweck, das Reflexionsvermögen gegenüber dem der unbeschichteten Unterlage auf einen Wert zu bringen, der für den periodischen Aufbau erforderlich ist, damit zu dem periodischen Aufbau zusätzliche Perioden zugefugt werden können, ohne den Wert des Reflexionsvermögens zu verändern. Anders ausgedrückt, das Reflexionsvermögen des Filters sollte sich von dem einen zum anderen Filter nicht ändern, auch wenn lediglich Perioden zugefügt oder von diesem weggenommen werden. Die Eigenschaften des Unterbaues und des Überbaues sind bedingt durch die Ergebnisse, die von dem Filter erwartet werden. Unterbau und Überbau sind für die sich nach der Erfindung infolge des periodischen Aufbaues ergebende Erscheinung, nämlich eines sehr niedrigen Reflexionsvermögens über den ganzen sichtbaren Spektralbereich nocht absolul wesentlich. Für bestimmte Reflexionswerte und füi viele Farben ist es überhaupt nicht erforderlich, zusätzlich Überbau- oder Unterbauschichten zu verwenden. In der meisten Fällen wird jedoch eine zusätzliche Unterbauschicht erforderlich sein.

Im allgemeinen geben der Unterbau und der Überbau das Endergebnis in Bezug auf das Reflexionsvermögen vor, und der periodische Aufbau dient dazu, die

ίο Durchlässigkeit zu verändern. Normalerweise kann, wenn zunächst ein bestimmter periodischer Aufbau ausgewählt wird, und dann die Beschaffenheit von Unterbau und Überbau in Abhängigkeit von dem gewünschten Reflexionsvermögen des fertigen Filters bestimmt wet den. Das Reflexionsvermögen (r₂) des Unterbaues muß der Bedingung

■vi+ ('?-'■, Vi-I) 1-2 + η =0

genügen, in welcher r,, .v, und /, jeweils das Reflexionsvermögen auf der Vorderseite bzw. der Rückseite und die Durchlässigkeit der Metall-Dielektrikum-Periode sind. Die in der vorstehenden Gleichung verwendeten Größen sind »komplex«, d.h. jede Größe hat eine reelle und eine imaginäre Komponente oder anders ausgedrückt. Amplitude und Phase.

Wenn der Unterbau für die absorbierenden Perioden betrachtet wird, muß darauf geachtet werden, daß eine absorbierende Periode, die auf einen Unterbau aufgebracht wird, die Amplitude und Phase des Reflexions-Vermögens nicht verändert. Mit anderen Worten, das komplexe Reflexionsvermögen von Unterbau und Periode ist identisch dem des Unterbaues für sich genommen Es ergibt sich die Frage, wie der Unterbau beschaffen sein muß, wenn eine Mehrschichtperiode vorgegeben ist Im allgemeinen werden die Periode und der Unterbau gleichzeitig entworfen, es ist jedoch auch möglich, der passenden Unterbau aus den Eigenschaften der Periode herzuleiten.

Eine Mehrfachschicht kann generell durch Reflexionsvermögen und Durchlässigkeit beschrieben werden Daher beschreiben die Größen r, s und r, welche das Reflexionsvermögen auf der Vorderseite, auf der Rückseite und die Durchlässigkeit bezeichnen, jede Mehrfachschicht ausreichend, so daß sich deren Verhalter "unter dem Einfluß von Strahlung bestimmen läßt. Die Größen r, s und / sind im allgemeinen komplexe Zahler mit Amplitude und Phase.

Wenn zwei Mehrfachschichten miteinander kombiniert werden, ist das System äquivalent einer einziger

so Mehrfachschicht, deren Reflexionsvermögen den Wen hat

^r₁+r₂ (ff-T₁J₁)
1-C₂S₁

in welcher die Indizes die beiden ursprünglichen Mehr fachschichten bezeichnen.

Wenn der Unterbau aus dem System 2 und die absorbierende Periode aus dem System 1 besteht, macht die Definition der Periode erforderlich, daß das gesamte Reflexionsvermögen (r) gleich ist dem Reflexionsvermögen des Unterbaues (r₂). Damit nimmt die vorstehende Formel die Form an

+r₂(tl-T₁ S₁)

die in die folgende Form gebracht werden kann
/?-ι-, J₁-l)r₂-Hr₁=O

Die Auflösung dieser Gleichung nach r₂ liefert, wenn die Eigenschaften der absorbierenden Periode (;·,, .v, und /,) bekannt sind, das erforderliche Reflexionsvermögen des Unterbaues.

Wenngleich die Periode des hier beschriebenen periodischen Aufbaues zunächst aus einer Metallschicht und dann aus einer dielektrischen Schicht besteht, läßt sich diese Reihenfolge auch umkehren, so daß zunächst die dielektrische Schicht und dann als zweites die Metallschicht kommt. Obwohl zwar in jeder Periode nur die Verwendung einer einzigen Metallschicht beabsichtigt ist,

ist es auch möglich, in jeder Periode zusätzliche, d.h.

mehr als eine dielektrische Schichten zu verwenden.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist durch

die Erfindung ein neuartiges und verbessertes Filter geschaffen worden, das sich besonders gut dazu eignet,

das Reflexionsvermögen über den ganzen sichtbaren Spektralbereich auf einem gewünschten Wert wie z.B.

im wesentlichen dem Wert Null zu halten, wobei die Veränderung der Durchlässigkeit lediglich durch Veränderung der Anzahl der Perioden des periodischen Aufbaues möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrschichtfilter mit einem transparenten Unterbau, der eine tragende Unterlage aufweist und auf seiner einen Oberfläche mit einem optischen Mehrschichtbelag versehen ist, der eine halbtransparente Schicht aus einem Metall und eine transparente Schicht aus einem dielektrischen Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des optischen Belages so ausgelegt sind, daß das komplexe Reflexionsvermögen des Unterbaues und des optischen Belages gleich dem des Unterbaues aHein ist

2. Mehrschichtfilter mit einem transparenten Unterbau, der eine tragende Unterlage aufweist und auf seiner Oberfläche mit einem optischen Mehrschichtbelag versehen ist, der mehrere halbtransparente Schichten aus einem Metall und mehrere transparente Schichten aus einem dielektrischen Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Mehrschichtbelag einen periodischen Aufbau aufweist, wobei jede Periode mindestens eine aus dem Metall und eine aus dem dielektrischen Material bestehende Schicht enthält, und daß die Schichten der Perioden so ausgelegt sind, daß das komplexe Reflexionsvermögen des Unterbaues und der Periode bzw. der Perioden gleich dem des Unterbaues allein ist.

3. Mehrschichtfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Aufbau aus zwei Perioden besteht.

4. Mehrschichtfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Aufbau aus drei Perioden besteht.

5. Mehrschichtfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Unterbau zusätzlich zu der tragenden Unterlage eine oder mehrere in Verbindung mit diesem zur Erzielung des gewünschten Reflexionsvennögens dienende, aus einem dielektrischen Material mit einer niedrigen Brechzahl im Bereich von 1,35 bis 1,55 bestehende zusätzliche dünne Belagschichten enthalten sind.

6. Mehrschichtfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Unterbau eine einzige zusätzliche Belagschicht aus Magnesiumfluorid mit einer Brechzahl von 1,38 und einer optischen Dicke von angenähert 844 nm enthalten ist.

7. Mehrschichtfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen auf dem periodischen Aufbau angeordneten Überbau (16) enthält, der aus wenigstens einer Schicht besteht.

8. Mehrschichtfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überbau (16) aus drei Schichten (21, 22, 23) besteht, von denen die eine Schicht (21) aus Metall, eine weitere Schicht (22) aus einem Werkstoff mit einer hohen Brechzahl und eine dritte Schicht (23) aus einem Werkstoff mit einer niedrigen Brechzahl gebildet ist.

9. Mehrschichtfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem periodischen Aufbau enthaltene Metall Nickel ist und die dielektrische Schicht (19) eine hohe Brechzahl von 1,6 bis 2,4 aufweist.

10. Mehrschichtfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der dielektrischen Schicht aus einem Metalloxid mit einer Brechzahl von angenähert 2,1 besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrschichtfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruches 2.

Mehrschichtfilter mit diesen Merkmalen sind bereits in der Veröffentlichung »Induced Transmission in Absorbing Films Applied to Band Pass Filter Design« von Peter H.

Berning und A. F.

Turner in »JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA«, Volume 47, No. 3 (1957) beschrieben, vgl. dort insbesondere Fig.

15 und

16. Diese bekannten Mehrschichtfilter weisen zwischen zwei Glasplatten eine Silberschicht mit mehreren vor- und nachgeschalteten Schichtpaaren aus dielektrischem Material mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl auf.

Bei den bereits bekannten Mehrschichtfiltern (Neutralgraufiltern) ist es sehr schwierig, die Durchlässigkeit zu verändern, ohne dabei gleichzeitig auch die Größe und Phase des Reflexionsvennögens zu ändern. Eine einfache Veränderbarkeit der Durchlässigkeit ohne gleichzeitige Beeinflussung von Größe und Phase des Reflexionsvermögens ist das Ziel der Erfindung.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 entsprechende Mehrschichtfiker anzugeben, deren Reflexionsvermögen in einem wesentlichen Teil des sichtbaren Bereichs einen bestimmten, vorzugsweise in der Nähe von Null liegenden Wert haben, deren Durchlässigkeitsyade jedoch unterschiedliche Werte aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung des optischen Mehrschichtbelages entsprechend einem der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst.

Durch diese Merkmale von Mehrschichtfiltern der zur Rede stehenden Art wird erreicht, daß die Durchlässigkeit auf einfache Weise, nämlich durch Vergrößern oder Verkleinern der Zahl der Perioden ohne merkliche Veränderung des Reflexionsvennögens veränderbar ist. Mit anderen Worten: Es wird möglich, Mehrschichtfilter (Neutralgraufilter) mit gleichem Reflexionsvermögen und unterschiedlicher Durchlässigkeit herzustellen, die sich bei sonst gleichem Aufbau ausschließlich durch die Zahl der Metall-Dielektrikum-Perioden ihres Mehrschichtbelages unterscheiden.

Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung solcher Mehrfachfilter sind in den Ansprüchen 3-10 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung nähet erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnitt durch ein Mehrschichtfilter nach der Erfindung;

Fig. 2 bis 4 sind graphische Darstellungen des gemessenen Durchlässigkeits- und Reflexionsvermögens von entsprechend der Erfindung hergestellten Filtern.

Das in Fig. 1 dargestellte Mehrschichtfiker hat einen im wesentlichen transparenten Unterbau, der eine tragende Unterlage 11 aus im wesentlichen transparentem Werkstoff wie Glas und eine auf dessen Oberfläche 12 aufgebrachte zusätzliche Belagschicht 13 umfaßt. Auf die Belagschicht 13 ist ein optischer Mehrschichtbelag 14 aufgebracht und darüber ist ein Überbau 16 angeordnet. Der Überbau und auch die zusätzliche Belagschicht des Unterbaues können bei bestimmten Anwendungen der Erfindung in Fortfall kommen.

Es können eine oder mehrere zusätzliche Belagschichten 13, vorgesehen sein. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine einzige zusätzliche Belagschicht 17 vorgesehen. Sie besteht aus einem dielektrischen Werkstoff mit einer niedrigen Brechzahl wie z.B. Magnesiumfluorid, das eine Brechzahl von 1,38