DE2848294C2

DE2848294C2 - Neutralgraufilter

Info

Publication number: DE2848294C2
Application number: DE19782848294
Authority: DE
Inventors: Philip Henry Colchester Essex Wisbey
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-08-03
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2848294A1; GB2027925B; GB2027925A

Description

Die Erfindung betrifft ein Neutralgraufilter mit einem lichtdurchlässigen Substrat, auf dem eine Vielzahl von lichtabsorbierenden Schichten mit dazwischen angeordneten Schichten aus lichtdurchlässigem dielektrischen Material angeordnet ist, wobei jede Schicht aus dielektrischem Material eine optische Dicke von Lambda-Viertel besitzt, wo Lambda die Mittelwellenlänge des gewünschten Durchlaßbandes ist.

Neutralgraufilter werden in einem weiten Bereich in optischen Systemen verwendet, um Lichtpegel zu steuern bzw. einzustellen. Derartige Filter bestehen im allgemeinen aus einem dünnen, lichtabsorbierenden, z. B. aus einer Metall-Legierung hergestellten Film, der auf einem lichtdurchlässigen Substrat abgeschieden ist. Diese Filter können eine optische Dichte von 0 bis mehr als 8 besitzen.

In manchen optischen Systemen werden abgestufte Filter eingesetzt, d. h. Filter, deren optische Dichte sich jeweils von einem Filterabschnitt zum anderen ändert. So kann das Filter z. B. als linearer Streifen mit sich in Längsrichtung ändernder optischer Dichte oder als ringförmige Scheibe mit sich in Umfangsrichtung ändernder Dichte ausgebildet sein.

Es ist bekannt, für bestimmte Anwendungsfälle zwei Filter hintereinander anzuordnen, wobei die beiden Filter eine identische, jedoch in entgegengesetztem Sinn linear abgestufte Dichte besitzen. Die Reflektivität von Metallfilmen und insbesondere von Metallfilmen mit hoher optischer Dichte ist groß. Bei einer derartigen Filteranordnung ergibt sich somit ein ernsthaftes Problem, da die beiden in Reihe angeordneten Filter, die jeweils eine hohe Reflektivität besitzen, eine Art Fabry-Peröt-Hohlraum bilden und somit zur Ausbildung von störenden Mehrfachbildern insbesondere für außerhalb der optischen Achse liegende Gegenstände und Lichtquellen führen. Ähnliche Probleme können sich sogar dann ergeben, wenn zwei Filter, die nicht abgestuft sind, hintereinander angeordnet werden, ίο Es ist bekannt, Anlireflexions-Oberzüge auf den einander zugewandten Oberflächen der beiden seriell angeordneten Filter anzubringen. Der Antireflexions-Überzug kann beispielsweise ein vielschichtiger dielektrischer Dünnfilm-Überzug sein. Insbesondere bei abgestuften Neutralgraufiltern treten jedoch Probleme zweifacher Art auf. Erstens ist die Filterschicht absorbierend und hat einen komplexen Brechungsindex sowie eine große Admittanz-Fehlanpassung an Luft. Ein Einschicht-Reflexions-Überzug kann hier insbesondere bei Filtern hoher Dichte nicht zu einer annehmbaren niedrigen Reflekfivität führen. Zweitens muß ein auf dem Filter vorgesehener Antireflexions-Überzug impedanzmäßig an einen metallischen Spiegel an dem einen extremen Ende der Abstufung und an ein einfaches lichtdurchlässiges dielektrisches Substrat am anderen Ende angepaßt sein und ferner zu allen dazwischenliegenden Kombinationen passen. Dies bedeutet, daß bei Verwendung eines mehrschichtigen dielektrischen Antireflexions-Überzugs mit einer Breitband-Anpassung die

Vielschicht-Parameter kontinuierlich geändert werden müssen, damit die Anpassung bei sich ändernder Dichte aufrechterhalten bleibt. Dies macht die Herstellung

eines derartigen Überzuges außerordentlich schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Neutralgraufilter der

eingangs genannten Gattung zu schaffen, das im Mittel die optische Dichte eines einfachen Neutralgraufilters aufweist, das aus nur einer auf einem Substrat aufgebrachten Metallschicht besteht, wobei die optische Dichte jedoch weniger stark mit der Wellenlänge variiert und der Reflexionsgrad im Mittel wesentlich kleiner ist, als bei einem einfachen Neutralgraufilter.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schichten zum Substrat hin zunimmt und die Summe der Dicken der lichtabsorbierenden Schichten etwa gleich der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht eines Einschichtneutralgraufilters gleicher Dichte ist.

Mit einer derartigen Ausgestaltung eines Neutralgraufilters wird eine wesentliche Senkung der Breitbandreflektivität erreicht, wobei die Durchlässigkeitsneutralität erhalten bleibt oder sogar verbessert wird.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung auch dadurch gelöst, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schichten von der Einfallseite zum Substrat hin bis zu einem Maximalwert zunimmt und anschließend wieder abfällt und daß die Summe der Dicken der lichtabsorbierenden Schichten etwa gleich der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht eines Einfachneutralgraufilters gleicher Dichte ist. Auf diese Weise wird von beiden Seiten des Filters her gesehen eine geringe Reflektivität erzielt.

Das Material für die dielektrischen Schichten kann zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß bei einer optischen Dichte 0, d. h., wenn man annimmt, daß keine absorbierende Schicht vorhanden ist, das dielektrische Material eine adäquate Anpassung an das Substrat liefert. Die Anzahl der absorbierenden Schichten kann zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß selbst bei der höchsten Gesamtdichte z. B. eines abgestuften

Filters die äußerste absorbierende Schicht dünn bleibt und eine geringe Reflektivität besitzt. Zur besseren Anpassung an Luft kann die äußerste Schicht des Filters eine dielektrische Schicht sein.

Ist das Filter ein abgestuftes Filter, so ändert sich die Dicke einer jeden Absorptionsschicht längs einer vorgegebenen Richtung. Weist das abgestufte Filterelement die Form einer ringförmigen Scheibe auf, so ändert sich die Dicke jeder absorbierenden Schicht in Umfangsrichtung. Ist das abgestufte Filterelement als linearer Streifen ausgebildet, so ändert sich die Dicke jeder Absorptionsschicht in Längsrichtung des Filters.

Gemäß einer vorteilhaften praktischen Ausführungsform der Erfindung sind bei einer aus zwei Neutralgraufiltern der oben beschriebenen Art bestehenden Filteranordnung die Filter mit ihren Schichten einander zugekehrt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch ein einzelnes Filter verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in diestr zeigt

Fig. 1 ein bekanntes, aus einem linearen Streifen bestehendes abgestuftes Neutralgraufilter,

F i g. 2 ein bekanntes, aus einer drehbaren ringförmigen Scheibe bestehendes abgestuftes Neutralgraufilter,

F i g. 3 einen Schnitt durch die Mitte einer aus zwei erfindungsgemäßen Neutralgraufiltern mit abgestuften Absorptionsschichten bestehenden Filteranordnung, und

F i g. 4 einen Schnitt durch ein anderes erfindungsgemäßes Neutralgraufilter.

In Fig. 1 ist eine typische Ausführungsform eines bekannten, als linearer Streifen ausgebildeten abgestuften Filters gezeigt. Das Filter besteht aus einem lichtdurchlässigen dielektrischen Substrat 1, z. B. aus Glas, bei dem auf einer Seitenfläche ein absorbierender Metallfilm 2 angebracht ist, dessen Dicke an Längsrichtung des Filters anwächst. Eine lineare, längsgerichtete Bewegung des Filters, wie durch den Pfeil 3 angedeutet, führt dazu, daß die erzeugte Abschwächung der auf das Filter auftreffenden Lichtstrahlung von einem gegebenen Wert 4 aus gesehen anwächst oder abnimmt.

Fig.2 zeigt ein typisches Beispiel eines bekannten, aus einer drehbaren ringförmigen Scheibe bestehenden abgestuften Filters. Das Filter besteht aus einem ringförmigen, lichtdurchlässigen dielektrischen Substrat 5, das auf einer Seite einen lichtabsorbierenden Metallfilm 6 trägt, dessen Dicke in Umfangsrichtung abgestuft ist. Wird das Filter z. B. ausgehend von einer gegebenen Stellung 7 um den Winkel Θ gedreht, so führt dies zu einem Anwachsen oder Abnehmen der erzeugten Lichtabschwächung bezüglich des in der Stellung 7 vorgegebenen Wertes.

Gemäß F i g. 3 umfaßt eine Filteranordnung zwei erfindungsgemäße Filterelemente A und B, die hintereinander bzw. seriell angeordnet sind. Die beiden Filterelemente sind einander im wesentlichen gleich und es wird daher nur das Filterelement A im einzelnen beschrieben, während entsprechende Teile des Filterelementes B dieselben Bezugszeichen aufweisen, an die lediglich der Index ßangehängt ist.

Das Filterelement A besteht aus einem lichtdurchlässigen dielektrischen Substrat 8, das in diesem Fall aus Glas besteht und die Form eines linearen Streifens entsprechend dem Substrat 1 aus F i g. 1 besitzt. Auf der einen Oberfläche des Substrats 8 ist eine Vielzahl von Schichten 9 aus lichtdurchlässigem dielektrischen Material vorgesehen. Zwischen die dielektrischen Schichten 9 sind lichtabsorbierende Schichten 10,11,12, 13 und 14 eingefügt Wie dargestellt, wachsen die lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 der Reihe nach in ihrer Dicke in einer Richtung zum Substrat 8 hin an; somit ist in der Schnittebene die Schicht 10 dicker als die Schicht 11, die Schicht 11 dicker als die Schicht 12, usw. Jede der dielektrischen Schichten 9 besitzt über den Schnitt hinweg dieselbe Dicke, die gleich λ/4 ist, wobei λ die Mittenwellenlänge eines gewünschten Durchlaßbandes ist.

ίο Der wiedergegebene Schnitt ist wie bereits erwähnt wurde, ein Schnitt durch die Mitte der Filteranordnung. Im rechten Winkel zur Zeichenebene sind die lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 in gleichförmiger Weise verjüngt, so daß in einer Richtung in die ι? Zeichenebene hinein, d.h. also in Blickrichtung, die lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 hinsichtlich ihrer Dicke in fortschreitendem Maße abnehmen, während in einer aus der Zeichenebene herausführenden Richtung, d.h. entgegen der Blickrichtung, die lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 in fortschreitendem Maße anwachsen. Die dielektrischen Schichten 9 behalten in rechtwinkelig zur Zeichenebene verlaufenden Richtungen eine im wesentlichen konstante Dicke. Das Material für die dielektrischen Schichten 9 ist so gewählt, daß bei einer optischen Dichte Mull, d. h. wenn man annimmt, daß keine lichtabsorbierende Schicht vorhanden ist, das dielektrische Material eine adäquate Anpassung an das Sjbstrat 8 liefert, wobei nur eine geringe Reflexionsneigung entsteht. Die Anzahl der lichtabsorbierenden Schichten wird so gewählt, daß selbst bei der höchsten Gesamtdichte bzw. Gesamtschwärzung des abgestuften Filters die äußerste lichtabsorbierende Schicht 14 dünn bleibt und eine geringe Reflektivität besitzt.

Die nächste lichtabsorbierende Schicht 13, die dicker ist, besitzt eine höhere Reflektivität, doch verringere die Absorptionseigenschaft der äußersten lichtabsorbierenden Schicht 14 die äußeren Reflexionseffekte, die von der zweiten lichtabsorbierenden Schicht 13 stammen. Dies setzt sich für die nachfolgenden lichtabsorbierenden Schichten entsprechend fort.

In einer Richtung längs des Filterelementes, d. h. in einer rechtwinkelig zur Zeichenebene verlaufenden Richtung sind alle lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 im Verhältnis so verjüngt, daß die Anpassungs-Eigenschaften in zufriedenstellender Weise erhalten bleiben. Wie bereits erwähnt, ist das Filterelement B im wesentlichen gleich dem Filterelement A mit der Ausnahme, daß die Verjüngung der lichtabsorbierenden Schichten 10_ß bis 14ß in entgegengesetzter Richtung verläuft, wie die Verjüngung der lichtabsorbierenden Schichten 10 bis 14 des Filterelementes A.

Die Filterelemente A und B sind derart angeordnet, daß die ineinander verschachtelten Schichten aus dielektrischem und absorbierendem Material aufeinander zu weisen.

In Fig.4 ist ein einzelnes Filterelement dargestellt, das mit Ausnahme der im folgenden erläuterten Eigenschaften dem in F i g. 3 dargestellten Filterelement A entspricht. Für entsprechende Teile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, die jedoch mit dem Index C versehen sind.

Wie dargestellt, wachsen in diesem Fall die lichtabsorbierenden Schichten lOcbis 14c zunächst der Reihe nach in ihrer Dicke in Richtung zum Substrat 8c hin an, um hierauf dann in ihrer Dicke sequentiell wieder abzunehmen. Somit ist in der Schnittebene die Schicht llcdicker als die Schicht 10_cund die Schicht 12_cdicker

als die Schicht 1 Ig doch ist die Schicht 13cdünner als die Schicht 12c und die Schicht 14_C dünner als die Schicht 13c Die Schichten 10c und 14_C besitzen die gleiche Dicke ebenso wie die Schichten 11 cund 13c
Eine Schicht 15 stellt einen Antireflexions-Überzug auf der Außenseite des Substrates 8cdar.

Auf diese Weise kann von beiden Seiten des Filterelementes her gesehen ein niederes Reflexionsvermögen erzielt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Neutralgraufilter mit einem lichtdurchlässigen Substrat, auf dem eine Vielzahl von lichtabsorbierenden Schichten mit dazwischen angeordneten Schichten aus lichtdurchlässigem dielektrischen Material angeordnet ist, wobei jede Schicht aus dielektrischem Material eine optische Dicke von Lambda-Viertel besitzt, wo Lambda die Mittenwellenlänge des gewünschten Durchlaßbandes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schichten (10—14, 10_s—14_a 10c— 14c) zum Substrat (8,8a 8c) hin zunimmt und die Summe der Dicken der üchtabsorbierenden Schichten etwa gleich der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht eines Einschichtneutralgraufilters gleicher Dichte ist

2. Neutralgraufilter mit einem lichtdurchlässigen Substrat, auf dem eine Vielzahl von lichtabsorbierender: Schichten mit dazwischen angeordneten Schichten aus lichtdurchlässigem dielektrischen Material angeordnet ist, wobei jede Schicht aus dielektrischem Material eine optische Dicke von Lambda-Viertel besitzt, wobei Lambda die Mittelwellenlänge des gewünschten Durchlaßbandes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schichten (10c—14c) von der Einfallseite zum Substrat (8c) hin his zu einem Maximalwert zunimmt und anschließend wieder abfällt und daß die Summe der Dicken der lichtabsorbierenden Schichten etwa gleich der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht eines Einfachneutralgraufilters gleicher Dichte ist.

3. Filteranordnung bestehend aus zwei Filtern nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter mit ihren Schichten einander zugekehrt sind.