DE2240302C3

DE2240302C3 - Optischer mehrschichtiger Antireflexbelag

Info

Publication number: DE2240302C3
Application number: DE2240302A
Authority: DE
Inventors: Tokujiro Hachioji Tokio Kozawa; Tadashi Tokio Morokuma
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1972-08-16
Publication date: 1979-05-03
Also published as: US3804491A; DE2240302B2; DE2240302A1

Description

c) eine innere homogene Entspiegelungsschicht

mit einer Brechzahl von

H₃=iji| · {/der Brechzahl n_s der angrenzenden Schicht an der Grenzfläche und einer optischen Dicke von /fcd^ = 125 nm,

d) eine inhomogene Entspiegelungsschicht (2) zwischen dem Glassubstrat und der inneren homogenen Entspiegelungsschicht, deren Brechzahl nach außen, ausgehend von der des Glassubstrats, kontinuierlich auf eine niedrigste Brechzahl von n_s= 130 bis 1,40 abnimmt

Die Erfindung betrifft einen optischen mehrschichtigen Antireflexbelag für ein Glassubstrat, insbesondere für Linsen, dessen Entspiegelungsschichten jeweils eine optische Dicke von etwa einer viertel bzw. halben Wellenlänge aufweisen.

Treffen Lichtstrahlen auf die Grenzfläche zwischen Glas und Luft oder treten sie aus dieser aus, so gehen auch bei senkrechtem Einfallswinkel durch Reflektion an der Grenzfläche etwa 4% der Lichtstrahlen verloren. Je größer die Anzahl der von einem Lichtstrahl zu durchdringenden Grenzflächen zwischen Glas und Luft ist, desto größer ist die Gesamtreflexion bzw. desto kleiner ist die Durchlässigkeit für das Licht.

Objektive für hochwertige Kameras oder Mikroskope etc., haben eine Vielzahl von Linsenoberflächen. Bei einem Linsensystem mit 10 Linsenoberflächen können durch Reflektion etwa 40% des einfallenden Lichts verlorengehen. Das auf einem lichtempfindlichen Film in der Kamera oder im Mikroskop ankommende, durch Innenreflektion erzeugte Streulicht führt zur Abbildung mit Reflektionsflecken bzw. zur Erzeugung eines Geisterbildes.

Um derartige Innenreflektionen in Kamera- oder Mikroskopobjektiven zu vermeiden, ist es bekannt, die Linsenoberflächen durch Auftragen von Entspiegelungsschichten zu vergüten. Man unterscheidet homogene und inhomogene Entspiegelungsschichten. Homogene Schichten haben über ihre Dicke eine konstante Brechzahl, während inhomogene Schichten diese stetig von einer zur anderen Oberfläche ändern, wobei der Brechzahlsprung zwischen Glas und Luft am besten überbrückt ist, wenn die Brechzahl von der des Glassubstrats auf die der Luft abnimmt. Je nach Anzahl und Dicke der homogenen Schichten oder Dicke der inhomogenen Schicht sowie der Abstufung der Brechzahlen der homogenen Schichten oder des Verlaufs der Brechzahl über die Dicke der inhomogenen Schicht erreicht man mehr oder minder starke Reflexminderungen. Bei allen praktisch realisierbaren Ausführungsformen steigt aber der Reflektionsgrad zu den spektralen Randbereichen hin mehr oder minder stark an. Außerdem können im mittleren Spektralbereich relative Reflektionsgradmaxima auftreten.

Die theoretischen Grundlagen für die Ausbildung von Antireflexbelägen zur Erzielung einer hohen Reflektionsminderung bei möglichst breitem flachem Verlauf in Abhängigkei von der Wellenlänge des Lichts lassen erkennen, daß entweder mit sehr dicken — mindestens ³U Wellenlänge im mittleren Wellenbereich, 20 um im

ίο UV-Bereich — inhomogenen Schichten oder vier oder fünf homogenen Schichten ausgezeichnete Reflektionsminderungen erzielbar sind. Derartige Beläge lassen sich aber technisch nicht befriedigend verwirklichen. Mit festen Stoffen können Brechzahlen in der Nähe von Eins nur erzielt werden, wenn die Schichten sehr porös sind. Poröse Schichten streuen aber das Licht und besitzen keine ausreichende Härte. Sie neigen außerdem dazu, Wasser, öl, usw. aufzunehmen, was zu einem Ansteig der Brechzahl führt und die gute Reflektions-

minderung verschwinden läßt Deshalb kann die Brechzahl der inhomogenen Schichten, ausgehend von den Glasbrechzahlen, höchstens auf 1,35 abfallen, wenn sie noch streuungsfrei sein sollen. Dabei bleibt ein Reflektionsgrad von ca. 2% übrig, der als zu hoch angesehen wird, um den Aufwand zu rechtfertigen (H. Anders, Dünne Schichten für die Optik, Stuttgart, 1965, S. 65).

Ein Antireflexbelag mit vier homogenen Schichten müßte bei einem Glassubstrat mit einer Brechzahl von n_e=l,52 mittlere Entspiegelungsschichten mit Brechzahlen von etwa 2,5 bis 2,9 erfordern. Es sind bisher keine Stoffe bekannt, die als dünne Schichten neben diesen hohen Brechzahlen noch ausreichende Absorptionsfreiheit und mechanische und chemische Bestands digkeit besitzen. Antireflexbeläge mit vier homogenen Schichten haben daher keine praktische Bedeutung erlangt (H. A η d e r s. aaO, S. 55). Im Gebrauch neigen die Schichten dazu, sich abzulösen, wenn sie auf niedrig- und hochbrechende Gläser mit meiner Brechzahl von

*o üb = 1,52 bis 1,9 aufgebracht sind.

Es ist auch schon ein Antireflexbelag aus einer auf ein niedrigbrechendes Glassubstrat aufgebrachten inhomogenen Schicht und einer auf diese aufgebrachten homogenen Schicht bekannt (H. A η d e r s, a.a.O., S. 66).

Die Brechzahl der inhomogenen Schicht steigt, beginnend mit der Brechzahl des Glases, kontinuierlich an, bis die Amplitudenbedingung des niedrigbrechenden Stoffes der inhomogenen Schicht erfüllt ist Anschließend wird eine λ/4-Schicht aus dem niedrigbrechenden Stoff

so aufgebracht Ist dieser Magnesiumfluorid, n« 138, dann müßte die inhomogene Schicht auf die Brechzahl 1,9 ansteigen, um die Reflektion für eine Bezugswellenlänge, beispielsweise die mittlere Wellenlänge, zum Verschwinden zu bringen. Die Wirkung eines solchen Antireflexbelags läßt sich aber durch einen mit drei homogenen Schichten besser und mit geringerem Aufwand lösen. Eine andere Ausführungsform eines solchen Antireflexbelags ergibt sich aus der US-PS 31 76 584, bei der die inhomogene Entspiegelungsschicht die Dicke einer halben Wellenlänge hat wobei deren Brechzahl von einem über dem der Brechzahl des Glassubstrats liegenden Wert nach außen ansteigt. Die diese überdeckende homogene Entspiegelungsschicht hat die Dicke einer viertel Wellenlänge und eine Brechzahl, die niedriger als die der inhomogenen Schicht ist.

Die Inhomogenität einer durch Vakuumaufdampfen erzeugten inhomogenen fcntspiege'lungsschicht wird

da iurch erreicht, daß im Vakuum zwei Stoffe in einem Arbeitsgang durch allmähliches Steigern der Temperatur des Trägers der Stoffe gemeinsam verdampft werden, von denen der eine einen hohen Brechungsindex und niedrigen Verdampfungspunkt und der andere einen niedrigen Brechungsindex und einen hohen Verdampfungspunkt hat Auf diese Weise läßt sich eine Entspiegelungsschicht erzeugen, die sich kontinuierlich von hohen zuir niedrigen Brechungsindex ändert und die keine störende Porosität hat (DE-PS 8 41 625).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antireflexbelag zu realisteren, der bei wirtschaftlicher Herstellung und unempfindlicher Ausbildung ein sehr niedriges Reflektionsvermögen im mittleren Wellenlängenbereich und einen verminderten Anstieg des Reflektionsgrads zu den Rändern des Spektrums hin hat

Diese Aufgabe löst der im Patentanspruch angegebene mehrschichtige Antireflexbelag aus einer inneren inhomogenen Entspiegelungsschicht und drei äußeren homogenen Entspiegelungsschichten.

Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Antireflexbelages sind anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert in der zeigt

F i g. 1 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch einen Teil eines vierschichtigen Antireflexbelags nach der Erfindung,

F i g. 2 und 3 die Kennkurven des Reflektionsgrads im Lichtspektrum des Antireflexbelags nach F i g. 1 mit einer Brechzahl /J₂ der mittleren homogenen Schicht von 2,1 bzw. 2,24.

Der Antireflexbelag gemäß F i g. 1 hat an einem Glassubstrat 1 eine inhomogene Entspiegelungsschicht 2, deren Brechzahl von einem der Brechzahl n_B des Glassubstrats 1 gleichen Wert ne nach außen stetig gegen eine Brechzahl n, abnimmt Auf die Schicht 2 ist ein Belag 3 aus drei homogenen Entspiegelungsschichten aufgetragen, dessen Aufbau dem herkömmlicher dreischichtiger Antireflexbeläge gleicht

Als hochbrechendes Ausgangsmaterial für die Herstellung der inhomogenen Entspiegelungsschicht 2 kann ein Gemisch aus MgF₂, CeF₂, CeO₂ u. dgl. vorgesehen sein. Diese Ausgangsmaterialien werden so miteinander vermischt daß die Brechzahl der erhaltenen Mischung höher als die Brechzahl n_B des Glassubstrats 1 ist Zur Herstellung der Seite der inhomogenen Schicht 2, die die niedrigere Brechzahl aufweist kann MgFi NaF, Kryolith u.dgl. oder eine Mischung davon verwendet werden. Die Brechzahl der inhomogenen Schicht 2 wird, wie bekannt dadurch stetig verändert daß man das Mischungsverhältnis zwischen den zum Aufdampfen

ίο sowohl des hochbrechenden als auch des niedrigbrechenden Materials auf das Glassubstrat 1 erzeugten Dampfmengen stetig verändert Bei der beschriebenen Ausführungsform hat die Dicke der inhomogenen Schicht 2 keinerlei Einfluß auf die Kennlinien des

is Reflektionsgrades, doch soll die inhomogene Schicht 2 eine derartige Dicke aufweisen, daß keine unstetige Brechzahländerung auftritt

In den Fig.2 und 3 sind die Kennlinien des Reflektionsgrades im Lichtspektrum des Antireflexbelags entsprechend Fig. 1 dargestellt für /Je= 1,80 und die niedrigste Brechzahl n_s der inhomogenen Entspiegelungsschicht 2 an der an den Belag 3 angrenzenden Seite Πι= 130 bzw. 1,40. Der dreischichtige Belag 3 setzt sich aus drei Entspiegelungsschichten zusammen, und zwar eine äußere Schicht mit ni = l,38 und /ΐι<7Ί = 125 nm, einer mittleren Schicht U₂=2,24 (Fig.2) bzw. m = 2,1 (Fig.3) und /?2cfc = 250nm sowie einer inneren Schicht mit /J3=nn//fcund riids = 125 nm.

Der Reflexionsgrad eines erfindungsgemäß ausgebil-

deten mehrschichtigen Antireflexbelags ist so niedrig, daß die Kennlinien im ganzen Spektrum flach verlaufen. Dies ist besonders ausgeprägt im mittleren Bereich des sichtbaren Lichts bei niedriger Brechzahl des Glassubstrats 1 und sowohl an der kurzwelligen als auch an der langwelligen Seite des sichtbaren Lichts bei hoher Brechzahl des Glassubstrats. Bei den in F i g. 2 und 3 gezeigten Kennlinien liegen die Werte für den Reflexionsgrad für langwelliges Licht höher als für kurzwelliges Licht Dies ist dadurch bedingt, daß die mittlere Wellenlänge bei 500 nm liegt und ist dadurch veränderbar, daß man diese zu größeren Wellenlängen, hin verschiebt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Optischer vierschichtiger Antireflexbelag auf einem Glassubstrat, gekennzeichnet durch folgende vier Schichten:

a) eine äußert homogene Entspiegelungsschicht mit einer Brechzahl von Bi = 138 und einer optischen Dicke von n\d\ = 125 nm,

b) eine mittlere homogene Entspiegelungsschicht mit einer Brechzahl von /72=2,1 oder £24 und einer optischen Dicke von