DE2658645C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Filter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Interferenzphänomene, die in Verbindung mit dünnen Schichten auftreten, sind seit langem bekannt. Eine Übersicht über solche Phänomene ist unter dem Titel "Optical Interference Coatings" in der Zeitschrift "Scientific American" Dezember 1970, Seiten 59 bis 75 erschienen. Diese Veröffentlichung beginnt zwar mit einer Darstellung verschiedener Farben in farbigen Abbildungen und erwähnt eine Reihe von Farbeffekten, die in der Natur durch dünne Schichten erzeugt werden, wie Ölfilme, Seifenblasen, Perlmutter und Pfauenfedern, bei den verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen von optischen Interferenzschichten, die in dieser Veröffentlichung beschrieben werden, erfolgt jedoch keine bewußte Produktion von sichtbaren Farbeffekten. Ein Hauptanwendungsgebiet der dünnen Schichten in der Optik ist das Bewirken oder Verhindern einer Reflexion im sichtbaren Spektralbereich oder Teilen davon. Reflexionsvermindernde Schichten werden bei vergüteten Linsen und optischen Systemen verwendet, während bei dielektrischen Spiegeln reflektierende Mehrfachschichten Anwendung finden. Anwendungen, die die Bevorzugung einer speziellen Wellenlänge erfordern, haben weniger visuelle als analytische Zwecke und erfordern das maximal mögliche Reflexionsvermögen, z. B. bei Lasern und Fabry-Perot-Interferometern. Bei der sogenannten Plumbicon-Bildaufnahmeröhre wird zwar Licht in seine Primärfarbanteile zerlegt, diese werden jedoch nicht betrachtet, sondern in elektrische Signale umgesetzt, die dann über Trägerschwingungen mit Frequenzen im Megahertzbereich an einen Empfänger übertragen werden. Bei diesen bekannten wissenschaftlichen Anwendungen optischer Interferenzschichten werden nicht nur keine visuellen Wirkungen angestrebt, sondern werden auch die Schichten zur Erreichung eines speziellen Effektes derart eingesetzt, daß die betreffende optische Einrichtung, nach dem sie einmal für den betreffenden Effekt bemessen worden sind, nicht mehr hinsichtlich anderer Parameter eingestellt werden kann.

Es ist auch bekannt, die spektrale Transmission und andere Eigenschaften (Absorption, Farbe usw.) von Materialien, wie Gläsern oder Kunststoffen, so zu beeinflussen, daß sie sich als Sonnenbrillen eignen, die entweder Licht absorbieren, um die Menge und Art des das Auge erreichenden Lichtes zu reduzieren und/oder zu steuern oder die kosmetischen Zwecken dienen. Zu diesen Verfahren gehören insbesondere die Färbung der Grundmaterialien, das Aufbringen einer gefärbten Schicht auf eine Oberfläche (Überfanggläser) und das Aufbringen eines farbneutralen Filters auf eine oder mehrere Oberflächen, die Verwendung eines polarisierenden Materials usw.

Das Aufbringen von Interferenzschichten, die Interferenzfarben erzeugen, erfolgte jedoch gewöhnlich nicht für diesen Zweck. Solche Farben sind zwar von vielen Forschern bereits bemerkt worden, sie wurden jedoch im allgemeinen nicht für modische Zwecke ausgenützt, da es schwierig war, einen vorgegebenen Farbton zu erreichen und da den Farben die "Tiefe" fehlte, insbesondere auf den transparenten oder teilweise absorbierenden Substraten, wie sie für Sonnenbrillengläser und ähnliche Zwecke verwendet werden.

Beim Stand der Technik werden Interferenzschichten gewöhnlich zur Herstellung von optischen Filtern mit Bandfiltercharakteristik, und, im Gegensatz zur Wirkung der Erfindung, bei der das durchgelassene Licht, wie bei Sonnenbrillen und anderen lichtabschwächenden Vorrichtungen immer herabgesetzt wird, die Menge des durchgelassenen Lichtes (bei Linsen, Objektiven, Ferngläsern und dgl.) durch die Verwendung von sogenannten Viertel-Wellenlängen-Antireflexfiltern, die eine einfachere Form der oben erwähnten Filter darstellen, zu erhöhen. Da jeder Film der optischen Dicke λ /4 (λ bedeutet dabei die Wellenlänge der betreffenden Strahlung) nur im Bereich von einem einzigen Wert von λ (oder speziellen Funktionen hiervon) wirksam ist, haben, wie noch unten näher ausgeführt wird, solche Schichten mit λ-Werten im sichtbaren Spektralbereich zur Folge, daß der reflektierte und der durchgelassene Anteil des Lichtes gefärbt ist, auch wenn das einfallende Licht weiß ist, wie es gewöhnlich bei Sonnenbrillen, Fenstern und dgl. der Fall ist.

Durch geeignete Wahl der Schichtdicken kann man ein breites Spektrum von Reflexionsfarben erreichen, wobei die Farbe des durchgelassenen Lichtes dem Spektrum des einfallenden Lichtes, normalerweise weiß, abzüglich der reflektierten und absorbierten Anteile entspricht. Dies wurde bisher im allgemeinen nicht zum Erzeugen von Farbeffekten verwendet und zwar in erster Linie wegen der Schwierigkeiten bei der Steuerung der Farbgebung und vor allem auch wegen des Mangels an Intensität der Farbtiefe bei Verwendung auf durchsichtigen oder teilweise absorbierenden Substraten. In der Praxis werden solche Farben normalerweise nur als Nebenerscheinung anderer Maßnahmen beobachtet, wie einer Antireflexionsvergütung auf Linsen und dgl.

Der Mangel an Farbtiefe oder Farbsättigung (was generell vielleicht als Pastelltönung bezeichnet werden kann) ist für gewisse Zwecke annehmbar, z. B. für schwach getönte Sonnenbrillen, für andere Zwecke ist er jedoch unerwünscht. Ein weiterer Grund warum die Interferenzschichtentechnik noch keine allgemeine kommerzielle Verbreitung gefunden hat, besteht darin, daß solche Schichten auf der Außenseite von Linsen, Fenstern und dgl. angebracht werden müssen, um die beste Funktion oder den besten kosmetischen Effekt zu ergeben. In der Praxis bedeutet dies, daß die Schichten selbst ziemlich hart sein oder mit einer anderen härteren (normalerweise transparenten) Schicht überzogen werden müssen, um ein Verkratzen oder andere Beschädigungen zu verhindern, was die Herstellung kompliziert. Die Verwendung von Interferenzschichten blieb daher bisher im allgemeinen auf optische Instrumente (Ferngläser, Spektrometer, Bandfilter usw.) beschränkt, wo solche Faktoren relativ wenig ins Gewicht fallen, da optische Geräte von Natur aus sorgfältig behandelt werden und da eine Färbung nicht erwünscht oder benötigt wird. In vielen wissenschaftlichen Instrumenten, bei denen Interferenzeffekte für Meßzwecke oder dgl. ausgenutzt werden, muß im übrigen auch in irgend einer Stufe monochromatisches Licht verwendet werden, um die erforderliche Funktion zu erreichen. Für die meisten dieser Zwecke reichen die konventionellen Interferenzschichtentechniken aus.

Bei Kunststoff-Brillengläsern, und zwar sowohl bei korrigierenden als auch bei reinen lichtschwächenden Gläsern, wird jedoch ein Farbgebungsverfahren benötigt, das lebhafte kosmetische oder Modefarben zu erzeugen gestattet, die Oberfläche des relativ weichen Kunststoffes schützt und gleichzeitig die Lichtreflexion und/oder Absorption ergibt, die für eine nennenswerte Sonnenschutzwirkung ausreicht. Ein entsprechender Bedarf liegt auch bei Kunststoff-Fenstern, Dekorationsplatten sowie Baumaterial aus Kunststoff usw. sowie auch bei anderen Substratmaterialien, z. B. Glas, für spezielle Anwendungen, wie Dekorationspaneele und Spezialfenster, und auch bei anderen Anwendungsgebieten vor. Bei manchen Anwendungen kann lediglich ein Farbeffekt gebraucht werden, ohne daß es auf andere Parameter, wie Lichtdurchlässigkeit, ankommt. Bei solchen Anwendungen, wie z. B. für kratzfeste Wandplatten aus Kunststoff, Modeschmuck, Geschirrdekor, Platten und dgl. kann also die Erfindung lediglich zur Erzielung eines Farbeffektes verwendet werden.

Bei Anwendungen der oben erwähnten Art müssen die farbgebenden Interferenzschichten gewöhnlich extrem gut haften und zwar in einem solchen Grade, wie er mit den normalen Aufbringungsverfahren nicht zu erreichen ist. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung können zwar eine Vielzahl geeigneter Verfahren zum Aufbringen der erforderlichen Materialien in der gewünschten Form auf eine Substratoberfläche Verwendung finden, als besonders zweckmäßig haben sich jedoch Ionenstrahlzerstäubungs- und Ionenstrahlimplantationszerstäubungs-Verfahren erwiesen. Ersteres ist z. B. in der US-PS 34 72 751 beschrieben. Das letzterwähnte Verfahren ist aus dem Disclosure Document Nr. 0 32 867 (Anmeldungstag 5. Juni 1974) des Erfinders bekannt und kann zum Niederschlagen von sehr fest haftenden, dauerhaften dünnen Schichten auf Kunststoffen und anderen problematischen Substraten verwendet werden, wobei die Schicht aus dem niedergeschlagenen Material gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, härter ist als das Substratmaterial.

Aus der GB-PS 6 52 858 sind ferner farbige Spiegel bekannt, welche ein Substrat und eine auf diesem angeordnete Schichtstruktur enthalten, die die gewünschten Farbeffekte durch Interferenz erzeugt. Die Schichtstruktur enthält mehrere teildurchlässige Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlichem Transmissionsvermögen einschließlich einer auf der Rückseite der Schichtstruktur befindlichen, im wesentlichen opaken Licht reflektierenden Schicht. Dieser Stand der Technik läßt sich nicht ohne weiteres auf Filter übertragen, die mit Transmission arbeiten.

Schließlich ist aus der US-PS 36 79 291, von der die Erfindung ausgeht, ein Filter mit einer neutral transmittierenden Mehrfachbeschichtung bekannt, das ein asymmetrisches Reflexionsvermögen mit einer starken Farbwirkung auf der einen Seite aufweist. Das bekannte Filter kann eine Metallschicht und mindestens eine dielektrische Schicht oder auch zwei Metallschichten oder absorbierende Schichten, die jeweils mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten gepaart sind, aufweisen. Dieser US-Patentschrift können jedoch keine Hinweise darauf entnommen werden, wie eine Reflexion mit hoher Farbsättigung bei gleichzeitig hoher Transmission erreicht werden kann, da im wesentlichen nur Viertelwellenlängenschichten verwendet werden und Einzelheiten zur Erzielung bestimmter Farbeffekte nicht angesprochen werden. Außerdem wird behauptet, daß die Farbeffekte mit zunehmender Transmission des Filters schwächer würden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter anzugeben, welches eine Reflexion mit hoher Farbsättigung bei gleichzeitig relativ hoher Transmission aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Filter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Filters sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem vorliegenden Filter läßt sich der Farbeffekt und die Transmission jeweils in weiten Grenzen vorgeben.

Das Substrat ist transparent, wie es bei Fenstern, Brillengläsern und dgl. nötig ist, in manchen Fällen spielt die Transparenz jedoch keine Rolle, wie bei Wandplatten, Modeschmuck usw., bei denen Farbeffekte hervorgerufen werden sollen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Farbe von reflektiertem oder durchgelassenem Licht auf eine Weise erhöht oder verstärkt werden kann, welche die Menge des Lichtes, das von dem transparenten Substrat durchgelassen oder reflektiert wird, nicht wesentlich beeinflußt wird. Gemäß der Erfindung wird eine Farbbevorzugung oder Verstärkung durch Interferenz zwischen Licht, das von einer halbreflektierenden Schicht auf einem transparenten Substrat und Licht, das von der Außenseite einer dielektrischen Schicht, welche hermetisch auf die halbreflektierende Schicht aufgebracht ist, reflektiert wird, erzeugt. Das Reflexionsvermögen an den jeweiligen Oberflächen braucht nicht besonders groß zu sein, da die Farbwirkung durch einen Differenzeffekt entsteht, wobei das Auge entweder das Vorliegen einer verstärkenden Interferenz in einem speziellen Wellenlängenbereich bezüglich der Hintergrundstrahlung oder den Farbeffekt, der eintritt, wenn in einem Spektralband Licht vom reflektierten Licht durch auslöschende Interferenz entfernt wird, wahrnimmt. In beiden Fällen wird der Hauptteil der Strahlung durch das Interferenzphänomen nicht beeinflußt, so daß das Licht, das von dem transparenten Substrat durchgelassen, reflektiert, oder absorbiert wird, außerdem noch durch Änderung der Dicke der halb- oder teilreflektierenden Schicht und durch andere Maßnahmen beeinflußt oder gesteuert werden kann.

Im folgenden werden Prinzipien und Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Reihe von Schichten, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet und ausgebildet sind;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Transmission und Reflexion eines Lichtstrahls, welcher auf eine an Luft angrenzende Glasschicht fällt;

Fig. 3a bis 3c graphische Darstellungen der Überlagerung von Schwingungen mit verschiedener gegenseitiger Phasenlage;

Fig. 4 eine Fig. 2 ähnliche Darstellung für den Fall, daß sich die Glasschicht auf einem Kunststoffsubstrat befindet;

Fig. 5a und 5b Ansichten entsprechend Fig. 2, in denen die Reflexion von Lichtstrahlen, die auf eine hochreflektierende Schicht fallen, dargestellt ist;

Fig. 6a und 6b Ansichten entsprechend Fig. 5, in denen die Reflexion von Lichtstrahlen dargestellt ist, die, bei dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der Erfindung auf eine halbreflektierende Schicht fallen, und

Fig. 7 eine Ansicht entsprechend Fig. 6 für den Fall der Verwendung eines Glases mit relativ hohem Brechungsindex.

Ausführungsformen der vorliegenden Filter haben bei Betrachtung in reflektiertem Licht, d. h. wenn sich der Betrachter auf der Seite befindet, von der aus das Licht einfällt, ein "farbiges" metallisches Aussehen, im Gegensatz zu dem üblichen neutral-metallischen Aussehen, wie es die derzeitigen Sonnenbrillen, Spiegel und dgl. haben. Im folgenden wird dementsprechend angegeben, wie man optische Schichten herstellt, die die Eigenschaften des sichtbaren Lichts und/oder anderer Strahlung steuern, welche einen Betrachter erreichen, der sich auf der Seite des Substrats befindet, die dem einfallenden sichtbaren Licht und/oder der anderen Strahlung entgegengesetzt ist, während gleichzeitig die "Farbe" der zusammengesetzten Struktur gesteuert wird, die sich einem Beobachter auf der Einfallsseite der Strahlung darbietet. Im folgenden wird der Begriff "Strahlung" als Sammelbegriff für sichtbares Licht und andere zu beeinflussende Strahlungsarten, wie z. B. UV und IR verwendet. Ferner wird angegeben, wie zusätzlich die Menge und die Art der einfallenden Strahlung, die im ursprünglichen Substrat absorbiert wird, über den Grad der Reflexion der einfallenden Strahlung von der Substratrichtung weg gesteuert werden kann.

Fig. 1 zeigt die Struktur, die bei dem vorliegenden Filter benötigt wird, um alle die oben erwähnten Wirkungen zu erreichen. Das wesentliche Merkmal dieser Anordnung ist die Kombination einer halb- oder teilreflektierenden Schicht 1 (deren Reflexionsvermögen kleiner ist als das einer hochpolierten oder aufgedampften opaken Metallschicht und größer als das eines wenig reflektierenden Substrats, wie klares Glas oder klarer Kunststoff), und einer Schicht 2 aus transparentem oder "teilweise" absorbierendem Material (wie klares bzw. gefärbtes Glas) mit einem Brechungsindex und einer Dicke, wie sie erforderlich sind, um die gewünschten Zwecke zu erreichen. Worin sich diese Kombination von den bekannten Interferenzschichtanordnungen unterscheidet und wie dies in der Praxis wirkt, wird unten erläutert. Erforderlichenfalls kann auf die Interferenzschicht 2 noch eine zweite Schicht 3 aus transparentem oder teilweise absorbierendem Material aufgebracht werden, um zusätzlich zur Interferenzschicht 2 noch einen weiteren Schutz und/oder weitere Farbeffekte zu erzielen. Die teilreflektierende Schicht 1 ist ihrerseits auf ein geeignetes Substrat 4 aufgebracht.

Die Unterschiede zwischen dem vorliegenden Filter und dem Stand der Technik lassen sich am besten durch einen Vergleich auf der Basis der klassischen optischen Theorie und Praxis der Interferenzen an dünnen Schichten erläutern, was anhand der Fig. 2 bis 6 geschehen soll.

Das einfallende Licht kann mit einem beliebigen Einfallswinkel R von 0 bis 90° einfallen. Bei der folgenden Diskussion soll jedoch, soweit nicht anders erwähnt, der Einfachheit halber angenommen werden, daß das Licht senkrecht auf die Oberfläche der Schichtstruktur auffällt, d. h. also R =0°. In den Fig. 2, 4, 5 und 6 ist der einfallende Lichtstrahl lediglich deshalb mit einem Einfallswinkel R ≠0° dargestellt, um den einfallenden Strahl und die reflektierten Strahlanteile auseinanderhalten zu können. Außerdem sind nur die interessierenden reflektierten Strahlen dargestellt. Die jeweils durchgelassenen Strahlkomponenten entsprechen dem einfallenden Strahl abzüglich der reflektierten Komponente. Wenn das Substrat absorbiert, z. B. ein Farbglas ist, muß hinsichtlich des durchgelassenen Strahles noch der absorbierte Anteil in Abzug gebracht werden. Soweit es nicht anderweitig erwähnt ist, absorbieren alle dargestellten und erwähnten dielektrischen Materialien nicht bzw. nicht wesentlich und ihr Brechungsindex wird im sichtbaren Spektralbereich als konstant angesehen.

Als erstes soll eine Glasschicht 5 sehr geringer Dicke (z. B. <1000 nm) betrachtet werden, die sich in Luft befindet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dies ist klassischen Seifenfilm analog, bei dem Interferenzfarben entsprechend der diskreten Filmdicke t beobachtet werden können.

Im allgemeinen tritt ein Phasensprung von ±π auf, wenn eine Lichtwelle, die sich in einem Medium mit vorgegebenem Brechungsindex ausbreitet, an einer Grenzfläche zu einem Medium mit höherem Brechungsindex reflektiert wird, während die Phasenänderung 0 ist, wenn die Reflexion an einer Grenzfläche zu einem Medium auftritt, das einen kleineren Brechungsindex als das erste Medium hat. Diese Annahme gilt zwar für viele Reflexionsbedingungen nicht streng, z. B. für die Reflexion an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien, wie Luft-Metall-Grenzflächen, für die vorliegende Erläuterung reicht sie jedoch aus und ist zweckmäßig. Sie gilt für den Fall Luft-Glas-Luft, der in Fig. 2 dargestellt ist. Bei der folgenden Diskussion der Fig. 2, 4, 5 und 6 wird immer angenommen, daß die Phasenänderung 0 oder ±π ist und wenn dies hinsichtlich der Arbeitsweise der Erfindung zu erheblichen Abweichungen führen kann, wird darauf eingegangen. Die Abweichungen von einer strengen Betrachtungsweise ändern die grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung jedoch in keinem Falle.

Da sich unter den in Fig. 2 dargestellten Verhältnissen an der ersten Grenzfläche eine Phasenänderung von ±π und an der zweiten Grenzfläche eine Phasenänderung von 0 ergibt, läßt sich zeigen, daß der erste Strahl, der von der Luft-Glas-Grenzfläche reflektiert wird, durch verstärkende Interferenz bei der Wellenlänge λ _c verstärkt wird, die durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist:

wobei

t die Dicke der Glaslamelle n _g den Brechungsindex des Glases und R den Einfallswinkel

bedeuten. Für R =0 ist cosR =1 und die Gleichung (1) vereinfacht sich zu

(Bei allen folgenden Formeln und Betrachtungen wird R =0 angenommen).

Das Reflexionsvermögen an der Grenzfläche zwischen zwei nicht absorbierenden Medien ist, senkrechten Lichteinfall vorausgesetzt, durch die folgende Formel gegeben:

dabei bedeuten:

n _o den Brechungsindex des ersten Mediums, im vorliegenden Falle Luft, n _g den Brechungsindex des zweiten Mediums, im vorliegenden Falle des betreffenden Glases.

Für

n _o = 1 (Luft) und n _g = 1,46 (geschmolzenes Siliciumdioxid oder Quarzglas) = R = 3,5%.

Soweit nicht besonders darauf hingewiesen wird, soll angenommen werden, daß das Reflexionsvermögen für alle interessierenden Wellenlängen den gleichen Wert hat, d. h. daß n _g im interessierenden Spektralbereich konstant ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die von der ersten Luft-Glas-Grenzfläche reflektierte Komponente R₁ eine Intensität von 3,5% der Intensität des ursprünglichen Strahles hat. Die verbleibenden 96,5% des ursprünglichen Strahles werden an der rückwärtigen Glas-Luft-Grenzfläche mit einer Intensität bezüglich des ursprünglichen Strahles von

96,5% × 3,5% = 3,38%

reflektiert. An der Vorderseite wird dieser innere Strahl erneut reflektiert (Reflexionsvermögen 3,5%) und zwar mit einer Intensität bezüglich des ursprünglichen Strahles von

3,38% × 3,5% = 0,118%

und die verbleibenden

3,38% × 96,5% = 3,26%

treten als zweite Komponente R₂ auf.

Der Anteil des ersten inneren Strahles (mit einer Intensität von 0,118 des ursprünglichen Wertes), der an der Vorderfläche reflektiert wird, erfährt an der rückwärtigen Fläche eine Reflexion mit einer Intensität von

0,118% × 3,5% = 0,00413%

und tritt durch die vordere Fläche als Komponente R₃ mit einer Intensität von

0,00413% × 96,5% = 0,0040%

aus, nachdem er einen zusätzlichen Verlust von 3,5% durch die Reflexion an der Vorderseite erlitten hat. Die internen Reflexionen setzen sich mit entsprechender Intensitätsabnahme der durch die vordere Fläche austretenden Strahlen R₄, R₅, . . . fort. Wenn der erste innen reflektierte Strahl R₂ gemäß Gleichung (3) nach dem Austreten phasengleich mit der als erstes reflektierten Komponente R₁ des ursprünglichen Strahles ist, hat der zweite innen reflektierte Strahl R₃ nach dem Austreten die entgegengesetzte Phasenlage, da die gesamte zusätzliche Weglänge eine halbe ganze Anzahl von Wellenlängen ist und weder an der vorderen noch an der rückwärtigen Grenzfläche bei den internen Reflexionen eine zusätzliche Phasenänderung eintritt. Der dritte intern reflektierte Strahl (R₄ nach dem Austreten) ist wieder in Phase usw.

R₁ und R₂ sind phasengleich und haben eine wesentlich größere Intensität als die anderen Strahlkomponenten, so daß sich eine Verstärkung der der betreffenden Wellenlänge entsprechenden Farbe ergibt, wenn die Glasdicke t einer verstärkenden Interferenz bei einer Wellenlänge λ _c im sichtbaren Spektralbereich entspricht. In erster Näherung ergibt sich eine Verdoppelung der gemäß Gleichung (2) bei der Wellenlänge λ _c reflektierten Energie, wie in Fig. 3(a) für die ersten beiden Strahlkomponenten R₁ und R₂ dargestellt ist. Bei anderen Wellenlängen in der Nähe der Kohärenzwellenlänge bzw. Wellenlänge für die genau eine Verstärkung durch Interferenz eintritt, tritt eine teilweise Erhöhung der Amplituden ein, wie in Fig. 3(b) unter der Annahme dargestellt ist, daß R₂ um etwa 30° bezüglich R₁ in der Phase verschoben ist. Wenn jedoch die Phasenverschiebung zwischen R₁ und R₂ gleich p oder nahezu gleich π ist, kann eine praktisch völlige Auslöschung der reflektierten Komponenten bei der betreffenden Wellenlänge eintreten, wie es in Fig. 3(c) dargestellt ist. Die Wellenlänge λ _D für die maximale auslöschende Interferenz ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Ob größere verstärkende und auslöschende Interferenzeffekte in derselben Schicht gleichzeitig eintreten können und bis zu welchem Grade, ist in erster Linie eine Funktion der Schichtdicke, wie im folgenden erläutert werden soll.

Das resultierende Ergebnis ist eine scheinbare Färbung der dünnen Schicht, die im Falle eines Dominierens von verstärkenden Interferenzeffekten Wellenlängen um λ _c oder im Falle, daß auslöschende Interferenzeffekte dominieren, derjenigen Farbe entspricht, die sich ergibt, wenn aus dem ursprünglichen Wellenlängengemisch die Wellenlängen um λ _D entfernt werden. Diese Farben können bei einem solchen Schichttyp ziemlich intensiv sein, wenn auf die Rückseite der dünnen Schicht nicht zu viel weißes Licht fällt. Da das durchgelassene Licht ja das Komplemet des reflektierten Lichtes ist, würden sich, wenn weißes Licht mit der gleichen Intensität auf die Rückseite fällt wie auf die Vorderseite, die beiden Wellenzüge einander ergänzen und bei Betrachtung von jeder Seite weißes Licht ergeben.

Wenn jedoch das auf die vordere Seite fallende Licht überwiegt, kann die "Differenzwirkung" des reflektierten Lichtes ziemlich erheblich sein und zu relativ intensiven Farben führen. Wenn beispielsweise nur verstärkende Interferenz eintritt, haben die Wellenlängen in der Nähe von λ _c eine Intensität entsprechend

R₁ + R₂ - R₃ + R₄ . . . = I _c ≈ R₁ + R₂ =3,5 + 3,26 = 6,76%,

während die Intensität bei denjenigen Wellenlängen, die weit von λ _c entfernt sind und bei denen R₂ halb in Phase und halb gegenphasig mit der Phase von R₁ ist, die Intensität I _B näherungsweise die Hälfte der Intensität von R₁ ist, also etwa 3,5%. Ein zweckmäßiges Maß für den Differenzwert des verstärkten Farbanteiles bezüglich des Untergrundes ist die Differenz zwischen der verstärkten Intensität I _C und der mittleren oder statistischen Untergrundintensität I _B geteilt durch diese Untergrundintensität I _B . Für den betrachteten Fall ist diese Differenz ungefähr gleich

wenn nur die reflektierten Anteile in Betracht gezogen werden. In der Praxis wird im allgemeinen weißes Licht auch auf die Rückseite fallen und der Differenzeffekt hat dann einen wesentlich kleineren Wert als im Vorstehenden angegeben.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung kann zwar lebhafte Farben erzeugen, sie ist jedoch für die meisten praktischen Zwecke wegen der geringen Dicke der Glasschicht ungeeignet.

Man beachte ferner, daß die Farbwirkungen auf der Fähigkeit des Auges beruhen, die "relativen" Amplituden der verschiedenen Lichtkomponenten, die in das Auge fallen, zu beobachten und auszuwerten, so daß also die Farbe um so tiefer oder lebhafter erscheint, je größer die Differenz der durch Interferenz verstärkten oder kohärenten Wellenlänge λ _c (beispielsweise der obigen) bezüglich des Untergrundes ist.

Die obigen Erläuterungen betreffen zwar in erster Linie die Analyse von Beobachtungsergebnissen und sind daher in gewisser Hinsicht selbstverständlich, sie sind jedoch für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlich.

Fig. 4 zeigt eine weitere Anordnung, die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung ist. Diese Anordnung enthält eine dünne Glasschicht 5 mit dem Brechungsindex n _g , die auf irgend eine geeignete Weise fest und mit inniger Berührung an einem Substrat 6 aus Kunststoff angebracht ist, das einen Brechungsindex n _p hat, wobei n _p n _g ist und beide Medien praktisch nicht absorbieren. (Die hier und beim Fortschreiten der Erläuterung verwendeten Materialien sind willkürlich und lassen sich durch andere geeignete Materialien ersetzen, ohne daß dadurch die Grundlagen der Erläuterung geändert werden.) In diesem Falle tritt eine Phasenänderung von ±π bei der Reflexion an der Vorderseite und eine weitere Phasenänderung von ±π bei der Reflexion an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche ein.

Die Bedingung für eine verstärkende Interferenz zwischen dem ersten innen reflektierten Strahl R₂ und der anfänglich an der Luft-Glas-Fläche reflektierten Strahlkomponente R₁ ist in diesem Falle durch die folgende Gleichung gegeben:

Die Bedingung für auslöschende Interferenz ist durch die folgende Gleichung gegeben:

In diesem Falle ist jedoch der Betrag des an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche reflektierten Lichtes gemäß Gleichung (3) für n _g =1,46 und n _p =1,54 (Kunststoff) nur

0,071% × 96,5% = 0,0686%

des einfallenden Lichtes und die austretende Komponente R₂ hat eine Intensität von nur

0,0686% × 96,5% = 0,0662%.

Vom Kunststoffsubstrat 6 wird angenommen, daß es im Vergleich zu der Glasschicht 5 sehr dick ist, da es als Träger dient und eine entsprechende mechanische Festigkeit haben muß, so daß keine Interferenzeffekte infolge einer Reflexion an der rückwärtigen Kunststoff-Luft-Grenzfläche auftreten. Die zusätzliche Komponente R₂ ergibt daher, selbst wenn sie der Gleichung (5) genügt, nur einen Differenzeffekt von

0,066/3,5 = 0,019 oder 1,9%

bezüglich des Untergrundes. Derartige Materialkombinationen ergeben daher nur eine sehr schwach sichtbare Färbung. Auch in diesem Falle wird eine etwa resultierende Färbung durch weißes Licht, das von hinten her einfällt, stark verwaschen, da praktisch das ganze Licht, das auf die rückwärtige Oberfläche der Schichtstruktur fällt, als weißes Licht aus der Vorderseite austritt und damit die Untergrundintensität auf etwa 100% erhöht.

Man beachte, daß in diesem Falle, wenn R₁ und R₂ in Phase sind, R₃ gegenphasig ist, d. h. subtraktiv mit R₁ und R₂ interferieren wird, da bei der zweiten Reflexion an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche ein zusätzlicher Phasensprung von ±π eintritt. Die zusätzliche Weglänge im Glas ist selbstverständlich eine ganze Anzahl von Wellenlängen, da dies die Bedingung dafür ist, daß der erste intern reflektierte Strahl R₂ mit R₁ in Phase ist. Der dritte innen reflektierte Strahl R₄ ist wieder in Phase, der vierte Strahl R₅ gegenphasig usw. Dieser Faktor ist bei dem in Fig. 4 dargestellten Falle wegen der kleinen Reflexionsfaktoren und Intensitäten bedeutungslos, er spielt jedoch bei den neuen Anordnungen gemäß der Erfindung eine wichtige Rolle.

Als nächstes sei eine einfache hochpolierte opake reflektierende Metallschicht 7, wie sie in Fig. 5(a) schematisch dargestellt ist, betrachtet (z. B. in Vakuum aus Glas aufgedampfte Aluminiumschicht, für deren Reflexionsvermögen für die folgende Diskussion ein im ganzen sichtbaren Spektralbereich konstanter Wert von 90% (in der Praxis liegt er höher) angenommen werden soll. Das Reflexionsvermögen für ein solches opakes absorbierendes Medium für Licht, das aus einem Dielektrikum mit dem Brechungsindex n _o einfällt, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei

n _m den Brechungsindex des Metalls und k _m den Extinktionskoeffizienten des Metalls

bedeuten. Diese Gleichung reduziert sich für n _o =l (Luft) zu

Für manche Metalle, wie Aluminium, die im sichtbaren Spektralbereich geeignete relative Werte von n _m und k _m haben, ist das Reflexionsvermögen ziemlich konstant und das reflektierte Licht hat ein neutral graues, rein metallisches Aussehen. Andere Metalle, wie Kupfer, haben solche relativen Werte von n _m und k _m , daß sich das Reflexionsvermögen R im sichtbaren Spektralbereich ändert, z. B. hat aufgedampftes Kupfer bei 4500 Å ein Reflexionsvermögen von etwa 58% und bei 7000 Å ein Reflexionsvermögen von etwa 96%. Bei Kupfer sieht das reflektierte Licht daher rötlich aus, da das Reflexionsvermögen am roten Ende des Spektrums größer ist. Wie noch erläutert werden wird, wird auch dieser Faktor bei der vorliegenden Erfindung zur Farbbeeinflussung benutzt.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5(a) sind die Verhältnisse ganz einfach, da der Betrachter nur die von der ersten Oberfläche reflektierten Strahlen sieht, es handelt sich also um einen einfachen Vorderseitenspiegel. Wenn jedoch das Metall, wie es in Fig. 5(b) dargestellt ist, mit einer dünnen Schicht 8 aus Glas überzogen ist, ändern sich die Verhältnisse, da bei der Anordnung gemäß Fig. 5(b) die als erstes reflektierte Strahlkomponente wieder nur eine Intensität von 3,5% der Intensität des einfallenden Strahles hat. Die Phasenänderung an der Glas-Metall-Grenzfläche soll ±π betragen. Bei strengerer Betrachtung wird die Phasenänderung ρ durch die folgende Gleichung gegeben:

in der die verschiedenen Symbole die oben angegebenen Bedeutungen haben. Für viele Glas-Metall-Kombinationen ist die Phasenänderung nahezu gleich π, während sie bei anderen Kombinationen um erhebliche Faktoren abweichen kann. Etwaige Abweichungen der bei der Reflexion eintretenden Phasenänderung von π hat bei der Erfindung wenig Einfluß, da solche Abweichungen nur eine geringe Verschiebung des Wertes für die Dicke t ergeben, die für eine additive oder subtraktive Interferenz bei einer vorgegebenen Wellenlänge erforderlich ist, man kann diese Abweichungen also durch einen Fehlerfaktor berücksichtigen, z. B. im Falle der additiven oder verstärkenden Interferenz

In der Praxis bemißt man bei der vorliegenden Erfindung, wie unten erläutert werden wird, den Wert t einfach so, daß der Δ t ρ-Fehler kompensiert wird, falls er wesentlich ist. Eine ähnliche Korrektur gibt es für Abweichungen des Reflexionsvermögens, sie ist jedoch hier ohne Bedeutung, da es sich dabei in erster Linie um eine Korrektion des Einflusses des Einfallswinkels auf das Reflexionsvermögen handelt und hier in erster Linie der senkrechte Einfall von Interesse ist. Wie die Gleichung (1) und entsprechende Formeln zeigen, sind auch bei nicht senkrechtem Lichteinfall Farbeffekte durch verstärkende bzw. auslöschende Interferenz sichtbar, die von denen bei senkrechtem Einfall abweichen, dies ist jedoch für die Durchführung der vorliegenden Erfindung ohne Einfluß.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5(b) ist für einen Phasensprung von ±π der erste innen reflektierte Strahl R₂ in Phase mit R₁ bei einem durch die Gleichung (5) gegebenen Wert für λ _c und die Intensität von R₂ ist

(100 - 3,5)% × 90% × (100 - 3,5)% = 96,5% × 90% × 96,5% =83,81%

der ursprünglichen Intensität. R₃ ist gegenphasig zu R₁ sowie R₂ und hat die Intensität

96,5% × 90% × 3,5% × 90% × 96,5% = 2,64%.

R₄ ist wieder in Phase und hat die Intensität

96,5% × 90% × 3,5% × 90% × 3,5% × 90% × 96,5% = 0,083%.

Die Summe von R₁, R₂, R₃ und R₄ (Komponenten höherer Ordnung werden vernachlässigt) ist.

3,5 + 83,81 - 2,64 + 0,083 = 84,75%.

Die Amplituden der reflektierten Komponenten lassen sich für andere Wellenlängen als der, bei der Phasengleichheit bzw. Gegenphasigkeit herrscht, schwer angeben, da sie wesentlich von der Wellenlänge, den Materialien usw. abhängen. Betrachtet man jedoch R₂ wegen seiner Intensität als Hauptstrahl, so werden (R₁+R₄) und R₃ wegen der entsprechenden Phasenunterschiede zur Auslöschung neigen, so daß die Intensitätsänderung nicht größer sein kann als ungefähr

83,81 ± [(3,50 + 0,083) · 2,64] = 84,75 bis 82,87

Als grobe Näherung läßt sich der maximale "Differenzeffekt" aus dem Wert für λ _c abzüglich des niedrigsten der oberen Werte, also I _c =84,75, I _B =82,87 wie folgt rechnen:

Wie unten noch erläutert werden wird, können besondere Verhältnisse eintreten, wenn die Dicke t so gewählt ist, daß gleichzeitig eine auslöschende Interferenz bei einer Wellenlänge λ _D und eine verstärkende Interferenz bei einer Wellenlänge λ _c eintreten. Wenn dies der Fall ist, sind R₂, R₃ und R₄ für g _D alle phasengleich und gegenphasig zu R₁, da jeder zusätzliche interne Reflexionsdurchgang eine zusätzliche Phasenänderung von 2π ergibt (eine zusätzliche halbe Wellenlänge infolge der Länge des optischen Weges zuzüglich der Phasenänderung von π an der Glas-Metall-Grenzfläche). Die Amplitude für einen solchen Wert von λ _D ist:

(83,81 + 2,64 + 0,083) - 3,5 = 83,03%

was weniger ist als der maximale Differenzeffekt, der oben für willkürliche Wellenlängen errechnet wurde. Die auf solchen hochreflektierenden Metallflächen auftretenden Interferenzfarben werden also für das Auge wegen der geringen Intensitätsunterschiede ausgebleicht oder ausgewaschen.

Mit diesen Grundlagen läßt sich nun die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung leicht verstehen. Man betrachte die Verhältnisse bei der in Fig. 6(a) dargestellten Anordnung, die der gemäß Fig. 5(b) entspricht mit der Ausnahme, daß die Metallschicht 9 nur ein Reflexionsvermögen von 20% hat (das wieder im sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen konstant sein soll). Für eine Dicke t der Glasschicht, die einer verstärkenden Interferenz bei der Wellenlänge λ _c entspricht, sind die Intensitäten und Phasen der reflektierten Strahlen:

R₁ = 3,5% (anfängliche Reflexion), R₂ = 18,62% (phasengleich), R₃ = 0,13% (gegenphasig),

die Komponenten höherer Ordnung sind vernachlässigbar. Die insgesamt reflektierte Intensität bei λ _c ist daher

3,5 + 18,62 - 0,13 = 22%.

Im allgemeinen lassen sich für andere "normale" Wellenlängen die Einflüsse von R₁ und R₃ (bei Betrachtung von R₂ als den reflektierten Hauptstrahl) annähern, indem man annimmt, daß sich die Hälfte ihrer Differenz zu R₂ addiert (also 0,5 (3,5-0,13)=1,69%), so daß die Gesamtintensität von

R₁ + R₂ + R₃ mit 18,62 + 1,69 = 20,31

abgeschätzt werden kann. Die Differenz zwischen λ _c und diesen Wellenlängen ist daher

was wesentlich größer ist als der Wert von ungefähr 2,2%, der sich bei der opaken reflektierenden Metallschicht in Fig. 5(b) ergab. Noch wichtiger ist, daß bei gleichzeitigem Auftreten einer auslöschenden Interferenz bei λ _D für denselben Wert von T die minimale Amplitude durch (R₂+R₃)-R₁ oder

(18,62 + 0,13) - 3,5 = 15,25%

gegeben ist. In diesem Falle ist die Differenz bezüglich des Untergrundes (22-15,25)/15,25=0,44 oder 44%, was etwa das Zwanzigfache des Wertes ist, der sich bei den Verhältnissen gemäß Fig. 5(b) mit der opaken Metallschicht, deren Reflexionsvermögen mit 90% angenommen worden war, ergab.

Zum Vergleich zeigt Fig. 6(b) die Werte für eine Schicht 10 mit einem Reflexionsvermögen von 30%. Die Intensität bei λ _c ist (R₁+R₂)-R₃ und da

R₁ = 3,5%, R₂ = 96,5% × 30% × 96,5% = 27,94% und R₃ = 96,5% × 30% × 3,5% × 30% ×96,5% = 0,29%

sind, ergeben sich

3,5 + 27,94 - 0,29 = 31,15% bei λ _c ;
27,94 + 0,5 (3,5 - 0,29) = 29,54%

für eine mittlere, nicht kohärente Wellenlänge λ _A , und

(27,94 + 0,29) - 3,50 = 24,75%
für eine Wellenlänge λ _D bei der auslöschende Interferenz eintritt.

Es ergeben sich also folgende Differenzwirkungen

Diese Werte sind wesentlich kleiner als im Falle der 20% reflektierenden Schicht aber immer noch größer als der Wert von ungefähr 2,2%, der sich für das Reflexionsvermögen von 90% oder für den einfachen Fall von Glas auf Kunststoff ergab.

Eines der Grundelemente der vorliegenden Erfindung besteht also in der Bemessung der Dicke des dielektrischen Mediums (bei den Beispielen Glas), das als Interferenzschicht verwendet wird, und des Reflexionsvermögens der teilreflektierenden Metallschicht hinsichtlich einer Verstärkung und/oder Optimierung des differentiellen Färbungseffektes. Wenn man Reflexionsvermögen unter 20% verwendet, wird der Effekt noch stärker. Bei dem Reflexionsvermögen von 10% und gleichzeitigem Auftreten von λ _c und λ _D wird der relative Intensitätsabstand größer als 100. Wenn das Reflexionsvermögen dagegen über 30% ansteigt, wird die Intensität des Effekts selbstverständlich entsprechend geringer.

Bei den ausgeführten Beispielen wurde SiO₂ (n =1,46) als Dielektrikum für die Interferenzschicht verwendet, da mit diesem Material umfangreiche Erfahrungen bei der Erprobung der Erfindung vorliegen. Der Effekt läßt sich jedoch noch zusätzlich erhöhen, wenn man andere Dielektrika mit höheren Werten von n verwendet und dadurch das Reflexionsvermögen, insbesondere an der Vorderseite, und schließlich den differentiellen Effekt erhöht. In Fig. 7 ist eine Anordnung entsprechend Fig. 6(a) mit einer 20% reflektierenden Metallschicht dargestellt, anstelle des SiO₂ tritt jedoch TiO₂ mit einem Brechungsindex n =2,60 als Interferenzschichtmedium. In diesem Falle ergibt sich

R₁ = 19,753% gemäß der Gleichung (3), R₂ = 80,247% × 20% × 80,247% = 12,8792% und
R₃ = 80,247% × 20% × 19,753% × 20% × 80,247% = 0,5088%.

Berücksichtigt man nur R₁, R₂ und R₃, so ergibt sich als verstärkte Intensität

I _c = (R₁ + R₂) - R₃ = (19,753 + 12,8792) - 0,5088 = 32,1234 und als Untergrundintensität

I _B = R₁ - (R₂ + R₃) = 19,753 - (12,8792 + 0,5088) = 6,3650.

Der maximale differentielle Effekt oder relative Intensitätsabstand ist dann

was nahezu um einen Faktor 10 größer ist als bei 20% Reflexionsvermögen und SiO₂ als Dielektrikum. Man kann daher das Reflexionsvermögen des Metalles noch weiter reduzieren, so daß noch mehr Licht zur Innenseite durchtritt, und trotzdem einen sehr starken Farbeffekt erreichen. Der begrenzende Faktor wird das zunehmende Reflexionsvermögen an der Glas-Kunststoff-Grenzfläche, wenn das Metall weniger dicht gemacht wird und die Brechungsindices des Glases und des Kunststoffes relativ größer werden, was zu einem erhöhten Reflexionsvermögen führt. Wie gesagt, die Werte hängen von der jeweiligen Anwendung und den jeweiligen Materialien ab. Der maximale Effekt tritt selbstverständlich dann ein, wenn die Summe von R₁ und R₂ viel größer ist als ihre Differenz, wie es oben bei Verwendung von TiO₂ der Fall ist. Im allgemeinen tritt dies ein, wenn der Brechungsindex des Dielektrikums einen relativ (verglichen mit SiO₂) hohen Wert hat. Ein anderes Beispiel ist Si₃N₄, dessen Brechungsindex n =2,03 beträgt, was einen maximalen Differenzeffekt von 503% ergibt. Andere Materialien wie SiO (n =1,95) und Al₂O₃ (n =1,76) ergeben ebenfalls Farbeffekte, die ausgeprägter sind als SiO₂, und weitere Materialien lassen sich vom Fachmann ohne Schwierigkeiten finden. Die Wahl der Materialien hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei den folgenden Erläuterungen werden jeweils die Verhältnisse für SiO₂ zugrundegelegt.

Bei Anordnungen mit einer nicht opaken, teilreflektierenden Metallschicht wird der Effekt durch weißes Licht, welches auf und durch die Rückseite fällt und durch die Vorderseite austritt, im allgemeinen abgeschwächt. Die Abschwächung beruht in erster Linie in einer Erhöhung der Untergrundintensität, da die Interferenzeffekte, die in der dünnen Glasschicht auftreten, d. h. Interferenzen zwischen dem an der Kunststoff-Metall-Grenzfläche reflektierten und dem an der Glas-Luft-Grenzfläche reflektierten Licht) nicht kohärent mit denen sind, die auf dem auf die Vorderseite auftreffenden Licht sind, und selbst wenn sie auftreten, ergeben sich wegen des viel stärkeren Untergrundes wesentlich kleinere Effekte. Der höhere Untergrund hat seine Ursache darin, daß der Differenzeffekt im durchgelassenen Licht das Komplement des Effektes für das reflektierte Licht und einem viel höheren Untergrund überlagert ist (80% Licht, das die Kunststoff-Metall-Grenzfläche erreicht abzüglich 3,5%, die an der Glas-Luft-Grenzfläche reflektiert werden).

Betrachtet man einmal nur die Zunahme der Untergrundintensität: Wenn weißes Licht mit einer Intensität von 100% von I (der Intensität des weißen Lichtes, das auf die Vorderseite fällt) auf die Rückseite der Anordnung mit der 20% reflektierenden Metallschicht fällt, treten (nach den Verlusten durch drei Reflexionen an den verschiedenen Grenzflächen) etwa 74,5% durch die Vorderfläche aus. Die Wirkung im Falle des maximalen relativen Unterschiedes ( λ _c +λ _D gleichzeitig) ist eine Verringerung von 44% auf einen Wert von

Obwohl in den meisten praktischen Anwendungen der Erfindung, z. B. bei Verwendung für Sonnenbrillen, wesentlich weniger als 100% von I durch die Rückseite eintritt, ist der Differenzeffekt selbst im ungünstigsten Falle von 100% von I wesentlich größer als der (ungefähr 2,2%), welcher im Falle einer 90%ig reflektierenden Schicht auftritt. Der negative Einfluß von weißem Licht, das durch die Rückseite fällt, kann zum Teil dadurch ausgeschaltet werden, daß man das z. B. aus Kunststoff bestehende Substrat aus einem sichtbares Licht absorbierenden Material macht. Wenn z. B. das Kunststoffsubstrat bei der Anordnung mit der 20% reflektierenden Schicht eine solche Dicke und ein solches Absorptionsvermögen A hat, daß es 50% im Sichtbaren absorbiert, hat weißes Licht, das mit der Intensität I durch die Rückseite eintritt, beim Austritt durch die Vorderseite noch eine Intensität von 0,371 (1×0,965×0,5×0,8×0,965) und der maximale Differenzeffekt ( λ _c +λ _D gleichzeitig) ist dann etwa

Beim Gebrauch von Sonnenbrillen in der Praxis ist die Intensität des von hinten einfallenden Lichtes wesentlich geringer, beispielsweise maximal 20% von I, da nur das Licht in Frage kommt, das am Gestell vorbei auf die Haut fällt und von dieser reflektiert wird. Für diesen Wert ist der maximale Differenzeffekt ungefähr gleich 22% bei Verwendung eines nichtabsorbierenden Substrats und 29,8% für ein 50% absorbierendes Substrat.

Da die Dicke t des Interferenzschichtmediums (bei den Beispielen Glas), das Reflexionsvermögen R der reflektierenden Metallschicht, das Absorptionsvermögen A des Substratmaterials innerhalb der Grenzen zwischen minimalem Reflexionsvermögen (kein Metall) und keinem Absorptionsvermögen (klarem Substrat) sowie maximaler Reflexion (opakes poliertes oder in dickerer Schicht aufgedampftes Metall) und maximaler Absorption (stark absorbierendes Substrat) beliebig gewählt werden können, läßt sich der Farbton und/oder die Intensität der Struktur, die ein Betrachter auf der Vorderseite also vor der Lichteinfallsfläche sieht und des Lichtes, das ein Betrachter erreicht, der sich hinter der Rückseite befindet (also z. B. den Träger einer Sonnenbrille) in einem extrem weiten Bereich ändern. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung kann man dadurch das Licht, das den auf der Rückseite der Struktur befindlichen Betrachter erreicht, auf einen gewünschten Wert, z. B. 30%, bei neutraler oder nahezu neutraler Tönung herabsetzen, also z. B. für den Träger einer Sonnenbrille, während sich gleichzeitig für die Betrachtung von vorne oder außen ein gewünschter Farbton und eine gewünschte Intensität oder Sättigung ergeben. Praktische Versuche haben gezeigt, daß sich eine neutrale Abschwächung dadurch erreichen läßt, daß man ein Substrat verwendet, das eine neutrale Absorption der richtigen Stärke ergibt. Man kann dadurch Färbungseffekte beseitigen oder abschwächen, die von dem (nicht reflektierten) Licht, das von der Vorderseite kommt, herrühren, dieses ist ja das Komplement des reflektierten Lichtes und daher ebenfalls gefärbt, wenn auch wegen des viel höheren Untergrundes wesentlich weniger intensiv als das reflektierte Licht, z. B. werden ja im Falle der Metallschicht mit dem 20%igen Reflexionsvermögen und dem nicht absorbierenden Substrat ungefähr 74% des Lichtes durchgelassen. Selbstverständlich kann gewünschtenfalls auch das Licht, das den inneren und auf der Rückseite befindlichen Betrachter erreicht, gefärbt sein.

Die Werte von A, R und t usw. können für andere Anwendungen, wie Bürofenster, für eine andere äußere Färbung, Intensität usw. gewählt werden. Für diese Verwendung wurden versuchsweise für Ausführungsformen der Erfindung als absorbierende Substrate Gläser verwendet, wie sie von der Firma PPG Industries, Inc. unter den Handelsnamen Solarbronze, Solargrau und Solarex vertrieben werden. Das Reflexionsvermögen der Metallschicht wurde so gewählt, daß die Intensität des ins Innere durchgelassenen Lichtes einen angenehmen Wert hatte und gleichzeitig die neutrale Charakteristik (insbesondere bei Solarbronze und Solargrau) erhalten blieb, und daß sich bei Betrachtung von außen die für diesen Zweck gewünschte Farbe ergab, deren Intensität jedoch bewußt etwas geringer gehalten wurde als normalerweise bei den Sonnenbrillen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß man für alle Anwendungen den ganzen Bereich der externen Farben und Intensitäten zur Verfügung hat und die Intensität des durchgelassenen Lichtes beliebig wählen kann. Bei einer begrenzten Anzahl von Anwendungen der Erfindung, wie Wandplatten und dgl. spielt selbstverständlich gegebenenfalls die Intensität des durchgelassenen Lichtes keine Rolle.

Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die erzeugten Farben ein extrem metallisches Aussehen haben, d. h. eine metallische Charakteristik ähnlich wie die, welche sich mit einem hochpolierten Metallspiegel, z. B. aus Aluminium, erreichen läßt, jedoch mit einem tiefen Farbton, der ein auffallend farbig-metallisches Aussehen ergibt. Dies hat sein Ursache darin, daß der Differenzeffekt in erster Linie auf einer Reflexion an einer sehr dünnen Schicht beruht, ebenso wie die Reflexion an der Oberfläche eines neutral reflektierenden Metallspiegels. Die resultierende Strahlung ist daher sowohl räumlich als auch zeitlich kohärent und das Auge nimmt wahr, daß das Licht von einer begrenzten Schicht oder begrenzten Schichten herkommt. (Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise Farbgläsern, deren Farbe auf der Absorption und Wiederemission von Strahlung an bzw. von vielen räumlich getrennten Atomschichten im Glas beruht und die daher auch kein metallisches Aussehen haben). Dieser Faktor ergibt bei Optimierung durch richtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ein unverkennbares und typisches Aussehen, wenn A, R, t usw. im Hinblick auf eine lebhafte Färbung gewählt werden.

Die praktische Realisierung und Beherrschung der Lehren der Erfindung lassen sich wohl am besten verstehen, wenn man die Wirkungen der in der oben erläuterten Weise verwendeten teilreflektierenden Metallschichten in Verbindung mit der Tabelle 1 betrachtet, in der die Farben aufgeführt sind, die von anderen Forschern bei thermisch gezüchteten Schichten aus SiO₂ auf polierten (d. h. opaken, maximal reflektierenden) Scheiben aus Silicium beobachtet wurden (Pliskin und Conrad, IBM Journal, Januar 1964). Es handelt sich hier um den bekannten normalen Fall, bei dem die Farbe nicht verstärkt oder betont ist und auch kein stark metallisches Aussehen hat, wie bei der vorliegenden Erfindung. Ähnliche, jedoch nicht genau die gleichen Farben ergaben sich bei der praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung. Der jeweilige Farbton hängt von dem für die reflektierende Schicht verwendeten Metall ab und ist von Fall zu Fall verschieden.

Die Tabelle 2 am Ende der Beschreibung ist speziell für die Zwecke der vorliegenden Erfindung aufgestellt worden, um die erhaltenen Farben zu erklären und die Arbeitsweise im Speziellen anzugeben. Sie enthält die errechneten Wellenlängen λ _c bzw. λ _D für eine verstärkende Interferenz (t =m λ _c /2 ng) bzw. auslöschende Interferenz (t =(2 m+1)λ _D /4 ng) in Verbindung mit den Farben, wie sie von Pliskin und Conrad beobachtet wurden. Man beachte, daß für t die tatsächlichen Werte und nicht die optische Dicke tn _g angegeben sind sowie die Werte von λ _c und g _D , die im sichtbaren Spektralbereich wirksam sind.

Bei 50 nm gibt es keine Wellenlängen λ _c oder g _D im sichtbaren Spektralbereich, bei der Interferenzeffekte auftreten, wenn die dielektrische Schicht (SiO₂) einen Brechungsindex von etwa 1,46 hat, wie er bei der Berechnung der Tabelle verwendet wurde. Die bräunliche Farbe, die von Pliskin und Conrad beobachtet wurde, läßt sich wie folgt erklären: Wenn das SiO₂ einen Mangel an Sauerstoff aufweist und einen erheblichen Anteil an SiO mit einem Brechungsindex von 1,95 (oder andere Sauerstoff-verarmte SiO_x-Verbindungen) enthält, wie es an der Grenzfläche zwischen einer dünnen, thermisch gezüchteten SiO₂-Schicht auf Si der Fall sein kann, liegt λ _D für eine auslöschende Interferenz (m =0) bei 390 nm, welches oberhalb der Grenze (etwa 380 nm) für eine optische Interferenz im sichtbaren Spektralbereich liegt. Ein Teil der violetten Anteile wird unter diesen Umständen im reflektierten Licht ausgelöscht, so daß das restliche reflektierte Licht die von Pliskin und Conrad beobachtete bräunliche Farbe hat. Für einen Brechungsindex n =1,46, wie es sich ergibt, wenn das Silicium bzw. Siliciumdioxid durch Ionenstrahlzerstäubungs- oder Ionenstrahlimplantationszerstäubungs-Verfahren aufgebracht wird, ist kein bräunlicher Farbton erkennbar, wenn Schichten mit einer Dicke von 50 nm auf hochreflektierenden Metallschichten niedergeschlagen werden, wie opake Aluminiumschichten, die durch Ionenstrahlzerstäubung auf einem glatten Glas- oder Kunststoffsubstrat niedergeschlagen wurden. Solche Schichten, wenn sie dicht sind, wie im Falle der Ionenstrahlzerstäubung, können dazu verwendet werden, um das reflektierende Metall gegen Korrosion usw. zu schützen, ohne daß seine optischen Eigenschaften bei Wellenlängen über etwa 300 nm beeinflußt werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Erfindung einwandfrei festgestellt worden.

Bei einer Erhöhung der Dicke auf 70 nm wird λ _D gleich 408,8 nm, wodurch die (durch subtraktive Interferenz) ausgelöschte Komponente weiter ins Blau verschoben wird und sich ein braunes Aussehen ergibt. Bei 100 nm ist λ _D =584 nm was im gelben oder mittleren Teil des Spektrums liegt. Das reflektierte Licht enthält also Anteile von den beiden Enden des Spektralbereichs und ist dunkelviolett bis rotviolett. Bei t =120 nm wird das rote Ende des Spektrums unterdrückt und der Schwerpunkt des reflektierten Lichtes liegt in der Gegend des blauen Spektralbereiches. Diese Resultate werden durch die Beobachtungen von Pliskin und Conrad bestätigt und man kann annehmen, daß bei diesen dickeren Schichten die Sauerstoffverarmung an der Grenzfläche weniger ausgeprägt ist.

Bei einer Dicke von etwa 130 nm tritt ein neuer Effekt auf, nämlich eine verstärkende Interferenz bei 380 nm, der erste diesbezügliche Wert in der Tabelle ist λ _c =438 nm für t =150 nm. Bei diesem Wert von t beruht die Färbung hauptsächlich auf der verstärkenden Interferenz anstatt auf auslöschenden Effekten, so daß die Farbe (helles Blau) des reflektierten Lichtes durch λ _c beherrscht wird. Vermutlich hat sogar das Königsblau, das bei 120 nm beobachtet wird, einen durch einen additiven Interferenzeffekt verstärkten Anteil im tiefen Violett infolge von Wellenlängen der Nachbarschaft von λ _c (siehe Fig. 3(b)) und die Erstreckung der Verstärkungseffekte auf Werte von λ, die größer und kleiner sind als der genaue Wert λ _c .

Das reflektierte Licht nimmt außerdem wegen seiner sowohl räumlichen als auch zeitlichen Kohärenz ein metallisches Aussehen an, das auch bei t =170 nm und 200 nm beobachtet wird. Diese Effekte sind jedoch für opake, maximal reflektierende Substrate, wie sie von Pliskin und Conrad verwendet werden, sehr klein und verschwinden bei größeren Werten von t, sie sind jedoch sehr ausgeprägt und auch bei den größeren Werten von t vorhanden, wenn gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung große differentielle Effekte erzeugt werden, wie oben erläutert worden ist.

Bei t =200 nm beginnt ferner ein deutliches gleichzeitiges Auftreten von λ _c und λ _D . Bei t =220 nm ist λ _c =642,4 nm und g _D =428,3 nm, so daß das reflektierte Licht um λ _c herum verstärkt und um λ _D herum abgeschwächt wird; die resultierende Farbe ergibt sich durch das Zusammenwirken der beiden Effekte und ist ein schwach gelb-orangefarbener Goldton. Bei Anwendung der Lehren der Erfindung resultiert aus der Verstärkung der Farbe durch den differentiellen Effekt und der räumlichen Kohärenz des reflektierten Lichtes ein ausgeprägt metallisches Aussehen für alle Farben entsprechend Dicken größer als 130 nm. Dieses metallische Aussehen und die starke Färbung setzen sich fort, bis die Dicke so groß geworden ist, daß sich soviele Interferenzen gleichzeitig bei verschiedenen Werten von λ _c und λ _D ergeben (also für verschiedene Werte von m in der Tabelle), daß das reflektierte Licht wieder Weiß zu werden strebt. Wie die Tabelle zeigt, gibt es beispielsweise für t =1540 nm sechs Werte von λ _c entsprechend m =6, 7, 8, 9, 10 und 11 sowie sechs Werte für λ _D entsprechend m = 6, 7, 8, 9, 10 und 11. Oberhalb von 1500 nm lassen sich die Interferenzfarben von Schichten auf opaken, maximal reflektierenden Substraten nur noch schlecht erkennen, bei Verwendung der teilreflektierenden Substrate gemäß der Erfindung sind sie jedoch wegen der Farbverstärkung noch gut sichtbar.

Aus der Tabelle 1 ist ferner ersichtlich, daß es für die Werte von t, die in der Praxis verwendet werden können, Werte von λ _c und λ _D gibt, die Interferenzen im infraroten (IR) und ultravioletten (UV) Spektralbereich entsprechen. Diese Interferenzeffekte werden weiter unten im Zusammenhang mit wichtigen Abwandlungen des Verfahrens gemäß der Erfindung besprochen.

Die Tabelle 1 ermöglicht es dem Benutzer, die richtigen Werte von t zu ermitteln und in Verbindung mit entsprechenden Rechnungen bezüglich des Reflexionsvermögens die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Effekte zu erreichen und zu optimieren. Für letzteres kann kein genaues Format angegeben werden, da Parameter der jeweiligen Anwendung, wie Lichtpegel, Farbdichte, Art und Einrichtungen zum Niederschlagen von Materialien usw. mitspielen. Die ausgeprägtesten Färbungen ergeben sich für eine oder zwei Ordnungen von λ _c in Verbindung mit einer oder zwei Ordnungen von λ _D , was im allgemeinen für t zwischen 150 nm und 600 nm der Fall ist. Dies gilt jedoch nicht streng, da die Färbung auch noch von anderen Faktoren, wie Reflexionsvermögen, Absorption im Substrat, Art des reflektierenden Metalls usw. abhängt, stellt jedoch eine gute Richtlinie für die bequemste Realisierung der Erfindung dar. SiO₂-Schichten dieser Dicke ergeben auch für viele Anwendungen, wie z. B. Sonnenbrillen und Fensterscheiben, einen ausreichenden chemischen und mechanischen Schutz für das Metall und/oder den Kunststoff, die sich darunter befinden.

Eine weitere Maßnahme, mit der der Bereich der durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Farben noch mehr vergrößert werden kann, besteht in der Verwendung eines absorbierenden dielektrischen Mediums für die Interferenzschicht auf der Vorderseite. Die sich dabei ergebende Farbe resultiert aus einer Kombination aus dem Interferenzeffekt mit den Absorptions- und Wiederemissionseffekten in dem Interferenzdielektrikum. Man beachte, daß das Licht, das von der Rückseite durch ein absorbierendes Substrat fällt, die Färbung in einem Ausmaße beeinflußt, die von der Intensität des von hinten kommenden Lichtes und der Farbe des absorbierenden Substrats abhängt. Letztere kann dazu dienen, die Farbe abzuändern oder den Metallikeffekt mehr oder weniger weitgehend zu unterdrücken, insbesondere in Anwendungen wie Fensterscheiben für Bürogebäude.

Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, für das teilreflektierende Metall ein solches zu verwenden, dessen Reflexionsvermögen R im sichtbaren Spektralbereich nicht im wesentlichen konstant ist, sondern sich mit der Wellenlänge ändert. Ein Beispiel ist Kupfer, dessen Reflexionsvermögen bei 450 nm etwa 58% und bei 700 nm etwa 97% beträgt. Solche Unterschiede im Reflexionsvermögen können ferner dazu verwendet werden, bestimmte Farben, z. B. Rottöne, zu verstärken, da sie infolge der Unterschiede im Reflexionsvermögen einleuchtenderweise den Differenzeffekt verstärken. Gold, Nickel und Messing sind andere Beispiele für solche Metalle bzw. Legierungen. Diese Aufzählung ist selbstverständlich nicht erschöpfend.

Eine sehr wichtige Ausgestaltung des vorliegenden Filters besteht darin, die beschriebenen Maßnahmen auf Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere auf den infraroten Strahlungsbereich auszudehnen. Dies ist vor allem für Fensterscheiben von Bedeutung, die Wärmestrahlung (von der Sonne, Atmosphäre oder anderen Wärmequellen, wie anderen Gebäuden usw.), die in das Gebäude eindringt, zu verringern oder zu steuern, um Energie durch Entlastung der Klimaanlage zu sparen. Hinsichtlich dieser Ersparnis ist es am besten, wenn die zur Reflexion oder Ausschaltung der einfallenden IR-Strahlung verwendeten optischen Schichten sich auf der Außenseite des Fensters befinden. Wenn sie sich nämlich an der Innenseite befinden, wird ein großer Teil der einfallenden IR-Strahlung entweder beim ersten oder beim zweiten Durchgang nach der Reflexion in der Glasscheibe selbst absorbiert und erwärmt dadurch die Glasscheibe. Die Scheibe gibt dann die Wärme zum großen Teil durch Konvektion oder Abstrahlung bei längeren Wellenlängen in das Innere des Gebäudes ab. Außen angeordnete Reflexionsschichten sind daher im Sommer wirksamer, sie tragen jedoch auch im Winter erheblich zur Verringerung von Wärmeverlusten bei, da die von inneren Objekten abgestrahlte IR-Strahlung entweder im Glas absorbiert wird und dann durch Konvektion usw. wieder zurück in den Raum gelangt, oder, soweit sie durch das Glas bis zur Metallschicht gelangt, reflektiert und im Glas absorbiert wird oder in den Raum zurückgelangt.

Durch Anwendung der obigen Lehren läßt sich eine solche Steuerung der in das Innere eines Gebäudes eintretenden oder es verlassenden IR-Strahlung erreichen und gleichzeitig das in das Gebäude eintretende sichtbare Licht sowie die externen und internen Färbungseffekte steuern. Diese Möglichkeiten ergeben sich durch die längeren Wellenlängen der IR-Strahlung. Durch Verringerung der Dicke der teilreflektierenden Metallschicht läßt sich die Menge des für die Erhellung nötigen sichtbaren Lichts, das in das Gebäude eintritt (z. B. ungefähr 50% des einfallenden Lichtes für R ≈20% und ein 40% absorbierendes Substrat) steuern und gleichzeitig die Bedingungen für die Optimierung der Farbeffekte in der oben beschriebenen Weise einhalten sowie ein hohes IR-Reflexionsvermögen aufrecht erhalten. Es konnte in der Praxis gezeigt werden, daß sich eine solche Kombination von Eigenschaften erreichen läßt, wenn das teilreflektierende Metall eines mit von Natur aus hohem IR-Reflexionsvermögen ist und durch ein Verfahren (wie Ionenstrahlzerstäubung) aufgebracht worden ist, welches eine gleichmäßige Verteilung des Metalles ohne nennenswerte Agglomeration gewährleistet. Bei Dicken, für die die Schicht für Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich noch relativ offen oder durchsichtig aussieht, ist die gleiche teilreflektierende Metallschicht für Strahlung mit Wellenlängen im IR-Gebiet verhältnismäßig undurchlässig, da infolge der größeren Wellenlänge im Mittel mehr Metallatome erfaßt werden, was zu einer erhöhten Reflexion führt.

In der Praxis kann das Reflexionsvermögen im Sichtbaren in den Bereich von 20 bis 50% herabgesetzt werden, während gleichzeitig ein IR-Reflexionsvermögen von über 70% und bis hinauf zu 95% im nahen IR (z. B. 2,5 µm) und fernen IR (z. B. über 10 µm) aufrecht erhalten werden kann. Für die Kontrolle der Wärmebelastung von Gebäuden ist der Wellenlängenbereich unter 2,5 µm hinsichtlich der Klimatisierung (hauptsächlich die Wärmezufuhr von außen) von Bedeutung, da bei der terrestrischen Sonnenstrahlung etwa die Hälfte der Strahlungsenergie im Sichtbaren und die andere Hälfte im nahen IR (unter 2,5 µm) liegt. Gebäude erhalten jedoch auch Strahlung mit längerer Wellenlänge (4 bis 100 µm mit einem Intensitätsmaximum in der Nähe von 10 µm) von der Atmosphäre, die ebenfalls zur Wärmebelastung beiträgt. Für winterliche Verhältnisse, wo Verluste durch Wärmestrahlung von Körpern mit Temperaturen von ungefähr 25 bis 30°C, die sich im Inneren des Gebäudes befinden, vermieden werden sollen, sind die Eigenschaften im fernen IR von Bedeutung, da das Maximum der Strahlung eines schwarzen Körpers, dessen Temperatur 28°C beträgt, bei ungefähr 10 µm liegt. Das Reflexionsvermögen soll daher im ganzen Infrarotbereich hoch sein. Dies läßt sich nachweislich aufgrund der Lehren der vorliegenden Erfindung erreichen, wenn man Kupfer oder Messing als reflektierendes Metall verwendet, die beide am langwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereichs ein höheres Reflexionsvermögen haben als am kurzwelligen Ende. Der Wert des Reflexionsvermögens kann dadurch so gewählt werden, daß sich ein verhältnismäßig hohes IR-Reflexionsvermögen, einschließlich des Bereiches von 800 nm bis zu 2,5 µm (2500 nm) ergibt, während gleichzeitig das Reflexionsvermögen für sichtbares Licht im Mittel niedrig ist. Man kann auch andere Metalle, wie Kupfer und Silber, verwenden um die gewünschte Funktion zu erreichen, diese Metalle sind jedoch verhältnismäßig teuer und für viele Aufbringungsverfahren schwierig zu verarbeiten.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist und oben diskutiert wurde, treten bei Interferenzschichten, die hinsichtlich ihrer Farbeffekte interessant sind, sowohl im IR als auch im Sichtbaren Interferenzeffekte auf. Die Interferenzeffekte im IR sind jedoch wesentlich weniger wichtig, da das IR-Reflexionsvermögen (bei richtig gewählter Metallschicht) auch ohne Interferenzeffekte hoch ist und Differenzeffekte verhältnismäßig unwichtig sind.

Bei der Realisierung des Erfindungsgedankens wurde mit Ionenstrahlzerstäubung und Ionenstrahlimplantationszerstäubung gearbeitet. Selbstverständlich lassen sich auch irgendwelche anderen Verfahren verwenden, mit denen die erforderlichen Materialien in der gewünschten Form niedergeschlagen oder aufgebracht werden können, ohne die Funktion der Anordnung gemäß der Erfindung zu beeinträchtigen. Die oben erwähnten Verfahren, die zur Realisierung der Erfindung verwendet wurden, gestatten es auch, Materialien, wie Gold und Silber auf Glas und/oder Kunststoff sowie anderen Materialien ohne zusätzliche Zwischen- oder Bindeschichten aufzubringen, die bei vielen anderen Verfahren (z. B. beim Aufdampfen) erforderlich sind. Dies kann wichtig sein, um den erforderlichen Grad von Reflexionsvermögen zu erreichen. Noch wichtiger ist folgendes: Es ist unabdingbar, daß die Interferenzschicht aus Glas oder einem anderen geeigneten relativ transparenten Dielektrikum, die sich auf der Metallschicht befindet, diese gegen chemischen Angriff (z. B. durch die Atmosphäre) und mechanischen Angriff (z. B. beim Reinigen usw.) schützt sowie die erforderliche Interferenzwirkung ergibt. Dies ist nur möglich, wenn diese Schicht auch bei sehr geringer Dicke undurchlässig für chemische Dämpfe und Flüssigkeiten ist sowie eine ausreichende Härte und eine optische Qualität hat. Quarzglas oder geschmolzenes SiO₂, das durch Ionenstrahlzerstäubung aufgebracht worden ist, erfüllt wegen seiner einzigartigen Eigenschaften alle diese Anforderungen. Wie gesagt ist jedoch das Verfahren, mit dem die Schichten gebildet werden, unwesentlich, solange die Schichten und die Schichtstrukturen die gewünschten Eigenschaften haben.

Es ist wichtig, daß die Interferenzschicht unmittelbar und derart auf die Metallschicht aufgebracht wird, daß das Metall nicht oxidiert oder hinsichtlich seines Reflexionsvermögens in unerwünschter Weise beeinträchtigt wird. Wenn es sich bei dem Metall z. B. um eine frisch niedergeschlagene Schicht aus Kupfer handelt und diese eine nennenswerte Zeit der Luft oder Sauerstoff ausgesetzt wird, bevor die luftdichte Interferenzschicht (oder eine wirkungsgleiche Schicht) aufgebracht wird, oxidiert das Kupfer und sein Reflexionsvermögen nimmt ab, was die sichtbare Färbung, die Intensitäten des reflektierten und durchgelassenen Lichtes sowie das IR-Reflexionsvermögen beeinflußt. Wenn die Schicht aus Glas oder dgl. nicht luftdicht ist, verschlechtern sich die Eigenschaften der Anordnung mit der Zeit. Gold ist zwar ziemlich beständig, es ist jedoch verhältnismäßig teuer und läßt sich mit manchen Verfahren nur schwierig als dünne Schicht aufbringen.

Das Aufbringen der hermetischen Abdichtung unmittelbar auf der reflektierenden Schicht kann verwendet werden, um sehr dünne (50 nm oder weniger) nicht gefärbte Schutzschichten zu erzeugen, wenn das aufgebrachte Glas oder dgl. in dünner Schicht undurchlässig für chemische Schadstoffe ist. Wie oben erwähnt wurde, beruht die von Pliskin und Conrad bei 50 nm beobachtete Färbung vermutlich auf gewissen Mängeln der Glasschicht. Bei Verwendung solcher dünner Schichten sind die Kosten geringer als wenn man dicke Schichten (über 2 µm) verwendet, um Farbeffekte durch Interferenz zu vermeiden. Diese neue Maßnahme wurde praktisch erprobt und ist z. B. von Bedeutung, um Vorderseitenspiegel ohne Beeinflussung ihrer optischen Eigenschaften zu schützen. Solche interferenzfarbenfreie Schutzschichten werden z. B. für spiegeloptische Instrumente, für Einrichtungen zur Energiekonservierung und -erzeugung, zum hermetischen Abschließen von Sonnenzellen für die Verwendung auf der Erde usw. gebraucht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Verwendung der Schichtstrukturen auf Kunststoffsubstraten, die bei Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich absorbieren oder nicht absorbieren können, zum Schutz gegen Infrarotstrahlung. Während Glassubstrate bei vielen interessierenden Anwendungen, wie Sonnenbrillen, einen Teil der einfallenden IR-Strahlung absorbieren, ist dies bei Kunststoffen im allgemeinen nicht der Fall. Bei Trägern von Sonnenbrillen mit Kunststoff-Gläsern kann daher eine Erwärmung des Auges durch die IR-Strahlung eintreten, was zu einem Austrocknen und zu Reizungen führen kann, selbst wenn die Brille hinsichtlich der sichtbaren Strahlung genügt. Durch vorliegende Erfindung lassen sich diese Mängel durch Abweisung der unerwünschten IR-Strahlung bei gleichzeitiger Einstellung der sichtbaren Strahlung und Färbungseffekte auf die gewünschten Werte vermeiden. Wenn das Metall als dickere, hoch reflektierende opake Schicht aufgebracht wird, können Kunststoffe auch als ausgezeichnete Spiegel, Konzentratoren usw. für sichtbare und IR-Strahlung in Sonnenöfen und Sonnenenergiegewinnungs-Anlagen verwendet werden, wobei die Metallschicht durch eine dünne Schutzschicht (Dicke ungefähr 50 nm) hermetisch abgedichtet und mechanisch geschützt wird, wie oben erläutert wurde.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Erzeugung von Farbeffekten in Wand- und Dekorationsplatten usw., ohne Berücksichtigung der Transmissionseigenschaften.

Tabelle 1

FarbeDicke (nm)

Lohfarben, bräunlich  50 Braun  70 Dunkel- bis Rotviolett 100 Königsblau 120 Helles bis metallisches Blau 150 Metallisches bis sehr helles Gelbgrün 170 Helles Gold auf Gelb, schwach metallisch 200 Gold mit schwach gelb-oranger Tönung 200 Orange bis rötliches Gelb 250 Rotviolett 270 Blau bis Blauviolett 300 Blau 310 Blau bis Blaugrün 320 Helles Grün 340 Grün bis Gelbgrün 350 Gelbgrün 360 Grünliches Gelb 370 Gelb 390 Helles Orange 410 Fleischfarben 420 Violettes Rot 440 Rotviolett 460 Violett 470 Blauviolett 480 Blau 490 Blaugrün 500 Sattes Grün 520 Gelbgrün 540 Grüngelb 560 Gelb bis gelblich 570 Helles Orange auf Gelb bis zur Grenze von Rosa 580 Fleischfarben 600 Violettes Rot 630 Bläulich (Übergang von Violett zu Blaugrün, sieht gräulich aus) 680 Blaugrün bis Grün (ziemlich satt) 720 Gelblich 770 Ziemlich sattes Orange 800 Lachsfarben 820 Matt, helles Rotviolett 850 Violett 860 Blauviolett 870 Blau 890 Blaugrün 920 Mattes Gelbgrün 950 Gelb bis gelblich 970 Orange 990 Fleischfarben1000 Violettes Rot1020 Rotviolett1050 Violett1060 Blauviolett1070 Grün1100 Gelbgrün1110 Grün1120 Violett1180 Rotviolett1190 Violettes Rot1210 Fleisch- bis lachsfarbig1240 Orange1250 Gelblich1280 Himmelblau bis Grünblau1320 Orange1400 Violett1450 Blauviolett1460 Blau1500 Mattes Gelbgrün1540

Tabelle 2

Claims (7)

1. Optisches Filter mit einem dielektrischen transparenten Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten teilreflektierenden aus einem metallischen Material bestehenden Schicht und einer auf der teilreflektierenden Schicht angeordneten dielektrischen Schicht, wobei aufgrund der optischen Dicke (geometrische Dicke t · Brechungsindex n) der dielektrischen Schicht optische Strahlung bestimmter Wellenlängen durch Reflexion an einer ersten, der teilreflektierenden Schicht abgewandten Grenzfläche und durch Reflexion an einer zweiten, mit der teilreflektierenden Schicht gemeinsamen Grenzfläche der dielektrischen Schicht zur Interferenz gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Reflexionsgrad der ersten Grenzfläche der dielektrischen Schicht (8, 11) zwischen 1 und 25% beträgt,
• b) der Reflexionsgrad der teilreflektierenden Schicht (9, 10) kleiner als 30% ist,
• c) der Reflexionsgrad der ersten Grenzfläche und der Reflexionsgrad der zweiten Grenzfläche annähernd gleich sind, und
• d) die optische Dicke der dielektrischen Schicht zwischen 73 und 2190 Nanometer beträgt.

2. Optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsgrad der teilreflektierenden Schicht (9, 10) wellenlängenabhängig ist.

3. Optisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierende Schicht (9, 10) aus Kupfer, Gold oder Messing besteht.

4. Optisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierende Schicht (9, 10) im Infraroten einen relativ hohen Reflexionsgrad hat.

5. Optisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat absorbierend ist.

6. Verwendung des optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Sonnenbrillenglas.

7. Verwendung des optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Fensterscheibe.