DE2248271B2 - Reflexionsvermindemde aus mehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht - Google Patents

Description

wobei λ die Bezugswellenlänge bedeutet, in deren Umgebung Reflexionsverminderung erzielt werden soll.

2. Mehrfachschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Teilschicht einen Brechwert besitzt, der annähernd der Quadratwurzel aus dem Brechwert der Unterlage entspricht.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine teflexionsvcrmindernde Mehrfachschicht für hochbrechende Gläser.

Unter einer Mehrfachschicht im Sinne dieser Betchreibung wird ein aus mehreren lichtdurchlässigen Teilschichten zusammengesetzter Belag verstanden, wobei die einzelnen Teilschichten aufeinander abgestimmte Brechwerte und Dicken aufweisen müssen, um die gewünschte Reflexionsverminderung über einem breiten Spektralbereich zu erzielen.

Reflexionsvermindernde Schichten — Einfachschichten und Mehrfachschichten — sind in zahlreichen Varianten bekanntgeworden.

Die durch die gebräuchliche Einfachschicht von Magnesiumlluorid erzielbare Reflexverminderung ist für höherbrechende üläser (1,65 bis 2,0) günstiger als für niederbrechende Gläser (1,50 bis 1,65), da die bekannte Strongschc Beziehung (J. Strong, Journ. Opt. Soc. Am., 26, 73 [1936]) «schient = («umei-iage) Va besser erfüllbar ist.

Mit der Einführung von Mehrfachschichten zur Reflexverminderung von optischen Oberflächen ergab sich aber das umgekehrte Problem, da die bei niedrigeren Brechzahlen der Unterlage erzielbare Reflexverminderung wesentlich besser ist als bei hochbrechenden Gläsern. Insbesondere kann man nicht oline weiteres die für niederbrechende Gläser abgestimmte Schichten für höherbrechende Gläser benutzen.

F i g. 1 zeigt die Reflexion einer einfachen Magnesiumfluoridschicht auf einer niederbrechenden (n_u ~ 1,52) und einer hochbrechenden (n„ = 1,80) Unterlaue (Glas) sowie die Reflexion einer Mehrfaehschichi "bekannten Auf baus (US-PS 34 32 225) auf niederbrechender Unterlage («,, ■= 1,52). Die Abzisse des Diagramms gibt die Wellenlänge in nm an, die Ordinate die Reflexion in Prozenten des einfallenden Lichtes.

In der folgenden Beschreibung wird die fachübliche abgekürzte Schreibweise zur Darstellung von Schicht-Mlrukturen verwendet. Dabei bedeutet die erste Zahl den Brechungsindex der Unterlage auf der das Schichtsystem aufgebracht ist; 1,52 also z. B. ein Glas mit dem Brechungsindex 1,52. Die folgenden Zahlen bedeuten die Brechungsindizes der einzelnen Schichten, wobei neben der Brechzahl außerdem noch die optische Dicke in Bruchteilen einer Bezugswellenlänge angegeben wird. Die letzte Zahl bedeutet den Brechungsindex des an dem₍Schichtsystem angrenzenden Mediums, im gewöhnlichen Falle also Luft mit dem Brechwert 1,0.

Als erste Beispiel für eine bekannte reflexionsvermindernde Mehrfachschicht auf einer hochbrechenden Unterlage (Schweizer Patent 2 23 344) sei das System 1,69 I Cs 14, λ/4 I 1,46, λ/4 | 2,076, λ/4 | 2,405, λ/4 | 1,45, λ/4 I 1,0 angegeben. Dies bedeutet ,daß auf einer Unterlage (Glas) mit dem Brechwert 1,69 eine Schicht mit dem Brechwert 1,514 folgt, darauf eine zweite Schicht mit dem Brechwert 1,46, eine dritte Schicht mit dem Brechwert 2,076, eine vierte Schicht mit dem Brechwert 2,405 und schließlich noch eine fünfte Schicht mit dem Brechwert 1,45, wobei alle angegebenen Schichten eine optische Dicke von λ/4 aufweisen. Das im Beispiel angegebene Schichtsystem grenzt an Luft mit dem Brechwert 1,0. Die resultierende Reflexionskurve für eine Rezugswellenlänge von λ — 550 nm ist in der F i g. 2 als Kurve 1 eingetragen.

Als optische Dicke wird das Produkt aus wahrer (geometrischer) Dicke und den Brechungsindex einer Schicht bezeichnet. Unter Bezugswellenlänge wird die mittlere Wellenlänge des Spektralbereichs verstanden in dem die reflexionsvermindernde Schicht vvirksarr sein soll. Für sichtbares Licht wird als Bezugswellen länge meist 550 nm gewählt, sie kann aber je nacl Anwendungsfall nach kürzeren oder längeren Wellen längen verschoben sein.

Weitere bekannte reflexionsvermindernde Mehrfach schichten besitzen den Aufbau:

1,46, λ/4 I 1,0
1,0

1,72 I 1,91, 3 λ/4 1 2,53, λ/2
(Kurve 3 in F i g. 2)
1,72 2,06, λ/2 I 1,38, λ/4
(Kurve 2 in F i g. 2)

(A. F. Turner, Lf: journal de physique et
radium, 11, 444 [1950]).

Alle diese bekannten Systeme entsprechen aber nie! der Qualität, die man für niederbrechende Glas erzielt (F i g. 1).

Die Erfindung hat sich demgegenüber zur Aufgabe ;estellt, eine wesentlich leistungsfähigere refiexionsermindernde Mehrfachschicht für hochbrechende jläser anzugeben.

Die erfindungsgemäße refiexio.isvermindernde, aus nehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht ür Unterlagen mit einem Brechungsindex größer als ,60, ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an die Unterlage angrenzende erste Teilschicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die bis zu 15% kleiner ist als die Brechzahl der Unterlage;

b) daß die folgende zweite Teilschicht eine optische Dicke von λ/80 bis λ/16 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die um 10 bis 30",, größer ist als die Brechzahl der Unterlage;

c) daß die nächstfolgende dritte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die erste Teilschicht, jedoch eine optische Dicke von λ/8 bis λ/5 aufweist ;

d) daß die nächstfolgende vierte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die zweite Teilschicht, aber eine optische Dicke von λ 2 aufweist;

e) daß eine abschließende fünfte Teilschicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt und eine Brechzahl von weniger als 1,5 aufweist;

wobei λ die Bezugswellenlänge bedeutet, in deren Umgebung Reflexionsverminderung erzielt werden soll. In der erwähnten abgekürzten Schreibweise entspricht dies dem folgenden Schema:

'!Unterlage

0,85 «_tt <

nd ss λ/4

1,1 n_u < «2 < 1,3 n_u
λ/80 < /;r/<//16

»3 = »1

λ/8 < nd < λ/5

H₄ = n₂

nd % λ/ 2

»5 - nd

1,50

λ/4

1,0

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in zeichnerischer Darstellung, wobei die optischen Schichtdicken nd in der Zeichnung angegeben sind.

Nehmen wir z. B. für n_u = 1,75. /I₁ — 1,62, /I₂ = 2,06, n₅ --■ 1,38 und λ — 515 nm, so erhalten wir die in F i g. 4 dargestellte Kurve, die trotz des höherbrechenden Glases in der Qualität der in der F i g. 1 dargestellten Mehrfachschicht entspricht und den in F i g. 2 dargestellten Kurven überlegen ist.

Die folgende Tabelle zeigt weitere Beispiele der Erfindung für andere Brechwerie ny der Unterlage und verschiedene Be/.ugswellenlängen λ. Die resultierenden Kurven sind in F i g. 5 dargestellt.

1,80 I 1,63, λ/4 I 2,05, λ/72 | 1,63, λ/5 |

I 2,05, λ/2 Ι 1,38, λ/4 | 1,0
λ ~ 490 nm, Kurve 4 in F i g. 5

1,71 I 1,63, λ/4 I 2,05, λ/35 | 1,63, 3 λ/19 |

I 2,05, λ/2 I 1,38, λ/4 | 1,0
λ - 511 nm, Kurve 5 ir. F i g, 5

1,68 I 1,63. λ/4 I 2,05, λ/30 j 1,63, λ/7

I 2,05, λ. 2 I 1,38, λ/4 j 1,0
λ = 513 nm, Kurve 6 in F ■ g. 5

1,65 I 1,63, λ/4 I 2,05, λ/29 | 1,63, λ/8

I 2,05, λ/2 J 1,38, λ/4 | 1,0
λ = 514 nm, Kurve 7 in F i g. 5

Bei allen diesen Systemen erhält man für die integrale Reflexion im Bereich des sichtbaren Lichtes ei..en kleineren Gesamtrefiexionswert als bei den bisher bekannten Schichtkonstruktionen. Sie weisen auch einen breiteren Reflexionsbereich mit niedrigen Maxima auf. Ab einem Brechwert der Unterlage von n_u =■ 1,68 beginnt sich ein drittes Maximum auszubilden.

Die angegebenen Grenzen für die Brechwerte müssen eingehalten werden, um ein gutes Resultat zu erreichen. Die optimalen Werte für die optischen Dicken der Teilschichten im einzelnen Anwendungsfall ermittelt man am schnellsten dadurch, daß man, von einer im Rahmen des Patentanspruchs liegenden Lösung ausgehend, Variationen derselben mittels eines Computers durchrechnet — wie beispielsweise in Journal Opt. Soc. Am. V 50, Aug. 1960, S. 813 bis 815, angegeben -- und dabei die optimale Lösung approximiert. Auch experimentell kann man unter verschiedenen Varianten leicht die beste heraussuchen. Die optimalen Werte für die optischen Schichtdicken hängen von der Aufgabenstellung im Einzelfalle (ζ. Β. Bandbreite, Steilheit der Flanken der Reflexionskurve, Selektivität) ab, insbesondere aber vom Brechwert der Unterlage. Die ermittelten optischen Schichtdicken sollen mit einer Toleranz von -;-/— 20% verwirklicht werden; für die ersten beiden Tcilschichten empfiehlt sich jedoch eine erößere Genauigkeit von etwa

Als Schichtniaterialien geeigneten Brechwertes stehen die bekannten Aufdampfsubstanzen und Materialien für Kathodenzerstäubung zur Verfügung. Als niederbrechende Substanzen kommen bekanntlich vor allem Magnesiumfiuorid, Kryolith und SiO₂ in Frage, für die hochbrechenden Schichten haben sich TiO₂, ZrO₂ und andere bewährt. Mit Mischschichten kann man Brechwerte verwirklichen, die zwischen den Brechwerten der Gemischkomponenten liegen.

Bezüglich der obersten fünften Schicht sei noch be-

merkt, "daß es vorteilhaft ist, für diese in an sich für Einfachschichten bekannter Weise einen Brechwert zu wählen, welcher der Quadratwurzel aus dem Brechwert der Unterlage möglichst nahekommt. Doch kann man auch mit Brechwerten, die diese Bedingung nur annähernd erfüllen, ein gutes Ergebnis erhalten. Aui jeden Fall muß die fünfte Schicht, wie oben festgestellt, einen Brechwert von weniger als 1,5 aufweisen.

Die Technik der Herstellung der für die Erfindung benötigten Teilschichten ist bekannt, in erster Linie kommen Aufdampfen im Vakuum oder Kathoden zerstäubung in Frage, aber auch auf chemischen· Wege können bekanntlich absorptionsfreie harU Schichten erhalten werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Paientansprüche:

1. Reflexionsvermindernde, aus mehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht für Unter lagen mit einem Brechungsindex größer als 1,60, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an die Unterlage angrenzende erste TeU-schicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt m und eine Brechzahl aufweist, die bis zu 15"_u kleiner ist als die Brechzahl der Unterlage;

b) daß die folgende zweite Teilsrhicht eine optische Dicke \on /./80 his Λ/16 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die um 10 bis 30% größer ist als die Brechzahl der Unterlage;

c) daO die nächstfolgende dritte Teilschicht die gleich·; Brechzahl besitzt wie die erste Teilschicht, jedoch eine optische Dicke von λ,8 bis /./5 aufweist;

d) daß die nächstfolgende vierte Tcilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die zweite Teilschicht, aber eine optische Dicke von λ/2 aufweist;

e) daß eine abschließende fünfte Teilschicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt und eine Brechzahl von weniger als 1,5 aufweist;

f) daß die Toleranz der optischen Schichtdicken der 1. und

2. Schicht ! /— 10'.',, und die der übrigen Schichtdicke!! τ/— 2Ο'.'_υ nicht überschreitet,