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Interferenzfilter Die Erfindung betrifft ein Interferenzfilter, bestehend
aus einer Schichtenfolge eines lichtdurchlässigen Materials für konvergent einfallende
Lichtstrahlen.
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Ein Interferenzfilter besteht im allgemeinen aus einer ¢bereinanderschichtung
von Schichten, die abwechselnd einen hohen und niedrigen Brechungsindex haben und
auf einem geeigneten Unterlagekörper aufgebrach-t sind. Der Unterschied der physikalischen
Eigenschaften eines Filters, das für die Durchlässigkeit einer Wellenlänge >
bestimmt ist und eines Filters, das für die Durchlässigkeit einer Wellenlänge 2
z bestimmt ist, besteht darin, daß hier die Schichtenfolge doppelt so dick ist wie
im erstgenannten Fall. Zum Ausfiltern von höheren Ordnungen der durchzulassenden
Wellenlänge wird im allgemeinen auf den Unterlagekörper ein weiteres Filter aufgebracht.
Durch Ausbildung einer bestimmten Schichtendicke und einer bestimmten Lage des Filters
zum einfallenden Lichtstrahl kann eine Auswahl für die zu transmittierenden Wellenlängen
hergestellt werden.
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Dieser gewünschte schmale Wellenlängenbereich aus einem breiten einfallenden
Spektrum wird aber nur dann optimal transemittiert, wenn das einfallende Lichtstrahlenbündel
ein Paralleietrahlenbündel ist. Bei manchen Anwendungen ist es allerdings notwendig,
mit einem konvergenten Strahlenbündel anstelle eines Parallelstrahlenbündels zu
arbeiten. Es zeigt sich, daß Je nach der Filterbreite die Transmission um 1 bis
2 Zehnerpotenzen kleiner sein kann als im Parallelstrahl. Maximale
Transmission
wird nicht mehr bei der Bandmitte des Filters erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Interferenzfilter mit optimaler
Transmission für konvergent einfallende Lichtstrahlen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bandmittenwellenlänge
des Filters für ein parallel einfallendesdes Licht strahlenbündel über der zu transmittierenden
Wellenlänge des konvergenten Lichtstrahlenbündels liegt. Die Größe der Verschiebung
der Bandmittenwellenlänge ist bemessen durch die Bezichung
(# α max - zu transmittierende Wellenlänge bei einem konvergenten Strahlenbündel
mit dem Konvergenzwinkel α max' # # = zu transmittierende Wellenlänge bei
einem parallelen StrahlenbUndel,8 ar = Bandbreite des Filters, n = effekt. Brechungsindex
der Schichtenfolge). Der Grund für diese abgeänderte Ausbildung des Filters für
einen konvergent einfallenden Lichtstrahl wird später noch erläutert.
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Zur Ausfilterung höherer Ordnungen der zu transmittierenden Wellenlänge
des Interferenzfiltersbestehen die Interferenzschichten insbesondere aus Materialien,
die Absorptionskanten auf beiden Seiten der Bandbreite des Filters aufweisen. Ein
so ausgebildetes Interferenzfilter ergibt nämlich für die zu transmittierende Wellenlänge
eine wesentlich höhere Transmissionsintensität als ein Interferenzfilter, das für
die gleiche zu transmittierende Wellenlänge nach den bisherigen Erkenntnissen ausgebildet
ist. Die Ursache für diese Verbesserung-wird im folgenden näher erläutert.
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Die Bandmittenwellenlänge der Transmissionskurve eines parallel einfallenden
Strahlenbündels liegt bei senkrechtem Auftreffen auf die Oberfläche des Interferenzfilters
höher als bei schrägem Auftreffen. Beträgt der Einfalls-winkel α, so ergibt
sich die Verschiebung der größeren Bandmittenwellenlänge A O zu einer kleineren
Bandmittenwellenlänge ? O gemäß
| der Formal - 2 |
| =?i n12 sin |
wobei n den effektiven Brechungsindex bedeutet (Fig. 1). ) gibt die später benötigte
obere Grenzwellenlänge an, die um eine halbe Halbwertsbreite des oberen Dransmissionsbandes
nach oben verschoben ist, iC 2 die untere Grenzwellenlänge, die um eine habe Halbwertsbreite
des unteren Transmissionsbandes nach unten verschoben ist.
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Die Figur 2 zeigt ein durch eine Linse 1 fokussiertes Lichtstrahlenbündel
2, das auf ein ebenes Interferenzfilter 3 auftrifft.
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Bei einem konvergenten Lichtstrahlenbündel treffen auf die Interferenzfilteroberfläche
Strahlenanteile mit Einfallswinkeln von C = O bis GC = SC max auf. Deshalb weitet
sich hier das Transmissionsband entsprechend auf. Da bei konstanter auf die Linse
1 auftreffender Lichtintensität über dem Strahlenquerschnitt 4 die Strahlung aus
Winkelbereichen bei größerem Q(v intensiver ist als aus Winkelbereichen bei kleinerem
oC sind die achsenferneren Strahlungsanteile beim Filtervorgang gegenüber den achsnahen
Strahlungsanteilen keineswegs zu vernachlässigen.
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Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, besitzt åedes Interferenzfilter für
einen konvergent einfallenden Strahl ein unsymmetrisches Transmissionsband, das
bei kleinen Wellenlängen
steil ansteigt und dort ein Maximum aufweist,
zu größeren Wellenlängen hin aber zunächst gering, schließlich wieder steiler abfällt.
Anstelle der Gaußformen der Transmissionskurven für die stetig aufeinanderfolgenden
Einfallswinkel sind Rechteckformen gewählt, welche zu der geradlinigen Form der
Gesamttransmissionskurve für das konvergente Strahlenbündel führt. Dann kommen auch
die Wellenlängen 7d O, α' 0, # 1, # 2 und # max an die eingezeichneten Stelmax
len zu liegen. Die obere Grenzwellenlänge des Filters im konvergenten Strahlengang
ist #1 = #0 + 1/2 # # , die untere Grenzwellenlänge ist
Da bei über die Querschnittsfläche des Lichtstrahls konstanter Beleuchtungsdichte
die aus einem Winkelbereich kommende Strahlung mit ob zunimmt, wird maximale Transmission
für die Wellenlänge Ä max erreicht, bei der α = max in der Nähe der entsprechend
verschobenen Filterkurve liegt. Genau verhält man
Hat also das Interferenzfilter eine solche Dicke und Lage zur Richtung des einfallenden
Lichtstrahlenbündels, daß für ein parallel einfallendes Lichtstrahlenbündel das
Transmissionsmaximum bei > 0 liegt, dann ergibt sich für ein konvergent einfallendes
Tichtstrahlenbündel nach dem vorher gesagten eine Transmissionskurve gemäß der Figur
3, bei der die unter einem großen Winkel t einfallenden Randstrahlen und die unter
dem Winkel α = 0 einfallenden axialen Strahlen des konvergenten Strahlenbündels
den Wellenlngenbereich zwischen # 2 und # 1 transmittieren. Eine optimale ransmissionsintensität
erhäl-t man dann, wenn das Filter für eine zu-transmittierende Wellenlänge # max
ausgelegt ist.
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3 Figuren 3 Patentansprüche