DE3227096A1

DE3227096A1 - Fuer hohe temperaturen geeignete optische beschichtungen

Info

Publication number: DE3227096A1
Application number: DE19823227096
Authority: DE
Inventors: Robert L. Martin jun.; James Daniel 95405 Santa Rosa Calif. Rancourt
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Current assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1982-07-20
Publication date: 1983-02-03
Also published as: GB2103830B; GB2103830A; CA1177704A; FR2509874B1; FR2509874A1; JPS5865403A

Description

F ü N E R * "E * B "B " I "N G" K A U S .!.".." P" . J ' N. C K

PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-80O0 MÖNCHEN 95

-5-

DEA-30070 Fi/Rf

Für hohe Temperaturen geeignete optische Beschichtungen

Die Erfindung betrifft optische Beschichtungen und insbesondere für hohe Temperaturen geeignete optische Beschichtungen, wie sie bei energiesparenden Hochtemperaturlampen zur Verbesserung des Energiewirkungsgrads verwendet werden.

Optische, aus einem dünnen Film bestehende Interferenzfilterbeschichtungen, welche zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices verwenden, werden in Umgebungen mit hoher Temperatur, wo die Beschichtungen Luft mit Temperaturen von mehr als 500⁰C über viele Stunden ausgesetzt sind, gewöhnlich nicht benutzt. Solche Arbeitsbedingungen halten optische Dünnfilmbeschichtungen in der Regel nicht aus, wobei der Ausfall auf den Verlust der Haftung der optischen Beschichtung am Substrat, auf eine Zwischendiffusion der Materialschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex, auf eine Verringerung des Indexverhältnisses der beiden Materialien, auf die Verdampfung der Dünnfilmschichten oder auf nicht mehr akzeptable Steigerungen der Absorption der Beschichtung zurückgeführt werden kann.

Optische Dünnfilmbeschichtungen eignen sich zur Verbesserung des Leuchtwirkungsgrades von Glühlampen. Das Anbringen

einer optischen Heißspiegelbeschichtung an der Hülle einer Glühlampe erhöht bekanntlich deren Energiewirkungsgrad. Der Heißspiegel reflektiert von dem Faden emittierte Infrarotenergie zurück zum Faden, während er den Anteil des sichtbaren Lichts des vom Faden emittierten elektromagnetischen Spektrums durchläßt. Dadurch wird die dem Faden für die Aufrechterhaltung seiner Betriebstemperatur zuzuführende elektrische Energie verringert» In den US-PSn 3 949 259, 4 017 758, 4 127 789, 4 160 929 und 4 227 113 sind verschiedene Arten von Heißspiegeln an verschiedenen Abschnitten einer Glühlampenhülle gezeigt. Dabei ist jedoch die Anwendung einer optischen Beschichtung, die auf einer Lampenhüllflache ausgebildet ist, die in Luft bei einer Temperatur von wesentlich über 500⁰C arbeitet, nicht beschrieben.

Aus der US-PS 4 017 758 ist der Einsatz einer optischen Heißspiegelbeschichtung bekannt, die auf einem Verbund eines stark dotierten Metalloxydfilters, das in unmittelbarer Nähe des Fadenkörpers der Lampe ausgebildet ist und aus einem Mehrschichtinterferenzfilter besteht^ das entweder angrenzend an das stark dotierte Metalloxydfilter oder bei einer anderen Oberfläche der Lampenhülle bzw. des Lampenkolbens angeordnet ist. Die beiden Filter können entweder an der Innenwand des Lampenkolbens oder an der Außenwand angeordnet sein, wobei auch eine Komponente an der Innenwand und die andere an der Außenwand vorgesehen werden kann. Bei einer speziellen Ausgestaltung wird ein doppelwandiger Lampenkolben verwendet, so daß verschiedene Kombinationen hinsichtlich der Anordnung des Interferenzfilters und des dotierten Metalloxydfilters an den Lampenkolbenwänden möglich sind. Es wird speziell auf den Einsatz der Verbundfilter bei Halogenlampen Bezug genommen, ein Hinweis oder ein Ausführungsbeispiel bezüglich Interferenzfiltermaterialien, welche hohe Betriebstemperaturen an der Oberfläche des Lampenkolbens einer Halogenlampe aushalten, ist nicht gegeben. Die in der US-PS 4 .017 758 angeführten Materialien

mit hohem Brechungsindex sind Zinkselenid, Zinksulfid und Titandioxyd. Weiterhin wird die Verwendung von Silikondioxyd als eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex in einer Interferenzbeschichtung Bezug genommen, wobei an sich bekannt ist, daß Silikondioxyd Hochtemperaturbedingungen aushält. Die Materialien mit hohem Brechungsindex, wie sie in der US-PS 4 017 758 genannt sind, sind jedoch für Hochtemperaturbedingungen, bei denen etwa 800⁰C auf der Außenfläche des Kolbens einer Halogenlampe vorhanden sind, nicht geeignet.

Die der Erfindung' zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine optische Beschichtung aus Schichten mit Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex zu schaffen, welche Hochtemperaturbedingungen über 500⁰C aushält, und insbesondere ein optisches Mehrschichtinterferenzfilter sowie eine optische Heißspiegelbeschichtung zu schaffen, die in einer solchen Hochtemperaturumgebung eingesetzt werden kann. Dabei soll ein Halogenzykluslampenkolben hergestellt werden, in dessen Außenfläche ein optisches Interferenzfilter ausgebildet ist, das die Betriebstemperatur des Lampenkolbens aushält. An der Außenfläche des Kolbens einer solchen Halogenlampe soll außerdem ein energiesparendes optisches Interferenzfilter ausgebildet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Beschichtung gelöst, welche einen ersten Satz von Schichten bestehend aus wenigstens hauptsächlich Silikondioxyd und einen zweiten Satz von Schichten aufweist, der wenigstens hauptsächlich aus Tantalpentoxyd besteht.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche optische Beschichtung eine Hochtemperaturumgebung auch dann aushält, wenn die optische Beschichtung bei hoher Temperatur in Luft während eines langen Zeitraums in Betrieb genommen wird.

Viele optische Beschichtungskombinationen mit Siliziumdi-

oxyd als Material mit niedrigem Brechungsindex und anderen feuerfesten Materialien mit hohem Brechungsindex wie Titandioxyd, halten Arbeitsbedingungen mit ähnlich hoher Temperatur nicht aus. Erfindungsgemäß wurden nun optische Beschichtungen gefunden, welche auch die hohen Temperaturen an der Außenseite eines Halogenlampenkolbens aushalten, der einen kleinen Krümmungsradius hat, obwohl bei einem solchen kleinen Krümmungsradius die Probleme hinsichtlich der Spannungen in der Beschichtung aufgrund einer nicht vorhandenen thermischen Anpassung besonders hervortreten.

Ein erfindungsgemäß beschichteter Gegenstand, der in Hochtemperaturumgebungen im wesentlichen über 500⁰C einsetzbar ist, hat ein im wesentlichen transparentes Substrat, das aus einem Material gebildet wird, welches in der Lage ist, die Hochtemperaturumgebung auszuhalten, und eine optische Beschichtung, die auf einer Seite des Substrats ausgebildet ist und einen ersten Satz von Schichten bestehend aus wenigstens hauptsächlich Silikondioxyd und einen zweiten Satz von Schichten bestehend aus wenigstens hauptsächlich Tantalpentoxyd aufweist.

Die optische Beschichtung kann beispielsweise ein Interferenzfilter aufweisen, das aus abwechselnden Schichten dieses ersten und zweiten Satzes gebildet ist» Das Interferenzfilter kann ein Bandpassfilter aufweisen, das so ausgelegt ist, daß Strahlung eines festgelegten ersten Wellenlängenbandes durchgeht, während Strahlung in einem benachbarten Wellenlängenbereich reflektiert wird» Ein spezielles Ausführungsbeispiel eines solchen Bandpassfilters ist ein Heißspiegel mit hoher Durchlässigkeit für sichtbares Licht und hohem Reflexionsvermögen im Infrarotbereich. Alternativ kann das Bandpassfilter ein Farbfilter sein, das eine hohe Durchlässigkeit für einen ausgewählten Abschnitt des Spektrums des sichtbaren Lichts und ein starkes Reflexionsvermögen für benachbarte Spektralbereiche auf-

weist. Das Substrat, auf dem die optische Beschichtung ausgebildet ist, kann ein geschmolzener Quarzlampenkolben sein, der für eine Halogenzyklusglühlampe benutzt wird, die mit einer äußeren Kolbenoberflächentemperatur von wenigstens etwa 800⁰C arbeitet, wobei das Interferenzfilter an der Außenseite des Lampenkolbens ausgebildet ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung richtet sich ο auf einen beschichteten Gegenstand für den Einsatz in einer Umgebung mit hoher Temperatur von im wesentlichen über 500⁰C. Dieser Gegenstand hat ein im wesentlichen transparentes Substrat, das aus einem Material besteht, welches die hohe Temperatur der Umgebung aushält, und aus einer optischen Beschichtung, die auf einer Fläche des Substrats ausgebildet ist. Die optische Beschichtung weist ein Mehrschichtinterferenzfilter auf, welches hohes Reflexionsvermögen von Infrarotstrahlung und hohe Streuung von sichtbarem Licht aufweist. Dieses Interferenzfilter wird durch Abscheiden eines dielektrischen Mehrschichtstapelkörpers auf dem Substrat gebildet, der aus abwechselnden Schichten zusammengesetzt ist, die aus wenigstens hauptsächlich Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd bestehen, wonach das beschichtete Substrat in Luft bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1100⁰C gebrannt wird.

Erfindungsgemäß läßt sich auch eine Halogenlampe mit verbessertem Energiewirkungsgrad herstellen. Die Halogenlampe hat einen Lampenhülle bzw. einen Lampenkolben mit einer Geometrie, welche einen innenliegenden geraden oder ebenen Brennpunkt aufweist, und der aus einem im wesentlichen transparenten Material hergestellt ist, welches Arbeitstemperaturen von wenigstens 800⁰C aushält. In dem Lampenkolben ist im wesentlichen in dem geraden oder ebenen Brennpunkt ein Metallfaden mit hohem Schmelzpunkt angebracht. Der Kolben wird mit einem gasförmigen Halogen gefüllt. Auf der Außenfläche des Lampenkolbens wird ein

Interferenzfilter ausgebildet, welches alternierende Schichten aufweist, die aus wenigstens hauptsächlich Siliziumdioxyd bzw. Tantalpentoxyd bestehen.

Das auf der Halogenlampe ausgebildete Interferenzfilter kann ein Bandpassfilter sein, welches eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht und ein hohes Reflexionsvermögen für infrarote Strahlung aufweist. Alternativ kann das Interferenzfilter ein Bandpassfilter haben, das ein hohes Strahlungsdurchlässigkeitsvermögen in einem vorher festgelegten Teil des Spektrums des sichtbaren Lichts und ein hohes Strahlungsreflexionsvermögen in angrenzenden Wellenlängenbereichen aufweist, so daß man eine Lampe mit einer Lichtabgabe mit vorgewählter Farbe erhält.

Das auf der Halogenlampe ausgebildete Interferenzfilter kann auch ein sichtbares Licht streuendes, Infrarot reflektierendes Filter sein, das dadurch gebildet wird, daß auf der Außenfläche des Lampenkolbens eine dielektrische Mehrfachschicht aus hauptsächlich Siliziumdioxyd und Tantalpentoxydschichten abgeschieden wird, die eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht und ein hohes Infrarotreflexionsvermögen haben. Danach wird der Kolben mit dem Filter in Luft bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1100⁰C gebrannt, um das Filter von einem sichtbares Licht durchlassenden Filter in ein im wesentlichen sichtbares Licht streuendes Filter umzuwandeln.

Die erfindungsgemäße Halogenlampe kann auch ein mehrschichtiges Interferenzfilter verwenden, das auf Substraten ausgebildet ist, die als Endreflektoren im Lampenkolben benutzt werden.

Die Erfindung läßt eine optimale Energienutzung für Halogenzykluslampen zu, und zwar durch die Ausbildung einer optischen Interferenzbeschichtung direkt auf der Außenfläche

des Halogenlampenkolbens, der gewöhnlich eine Betriebstemperatur von etwa 800⁰C hat. Es haben sich Leistungsverbesserungen im Bereich von etwa 25 bis 30% gemessen bei 1500 W Halogenzykluslampen ergeben, bei denen die Erfindung eingesetzt wurde. Eine solche Verbesserung wäre nicht erreichbar, wenn die Infrarot reflektierende Beschichtung auf eine gesonderte Fläche als Beschichtung aufgebracht würde, welche die Außenfläche des Lampenkolbens umgibt und sich davon im Abstand befindet, um auf diese Weise die Betriebstemperatur der Beschichtung zu reduzieren.

Die optische Beschichtung gemäß der Erfindung läßt sich auch in breiter Vielfalt bei anderen Hochtemperaturbedingungen einsetzen, beispielsweise als Wärmereflexionsfenster für öfen, Laserpumpenlampen, sowie Leistungsabgabelampen wie Lichtbogenlampen, wie sie bei der Theaterprojektion und dergleichen verwendet werden. Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Ausbildung optischer Be-Schichtungen für jede Hochtemperaturumgebung, in welcher ein optisches Interferenzfilter mit optischer Beschichtungsleistung eine Verbesserung des Arbeitswirkungsgrads oder anderer betriebmäßiger Gesichtspunkte, bezüglich einer Vorrichtung ermöglicht, an der die Beschichtung verwendet wird.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise geschnitten eine Halogenlampe mit

einer erfindungsgemäßen optischen Beschichtung,

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Heißspiegelbe-

schichtung,
35

Fig. 3 in einem Diagramm die spektrale Emission

eines schwarzen Körpers,

οι/, ι nab -12-' * -^:"' '-■* " ·

Fig. 4 in einem Diagramm die Durchlässigkeit von

sichtbarem Licht und das Reflexionsvermögen von infrarotem Licht einer optischen Beschichtung,
5

Fig. 5 in einem Diagramm das spektrale Reflexionsvermögen eines dielektrischen Kurzwellendurchlaßschichtbauteils der optischen Beschichtung von Fig. 2,

Fig. 6 in einem Diagramm das spektrale Reflexionsvermögen eines 2:1 dielektrischen Schichtkörpers, der als Bauteil der optischen Beschichtung von Fig. 2 verwendet wird,

Fig. 7 in einem Diagramm das spektrale Reflexionsvermögen eines weiteren dielektrischen Kurzwellendurchlaß Schichtkörpers, der als eine Komponente der optischen Beschichtung von Fig. 2 verwendet wird, und

Fig. 8 in einem Diagramm die spektrale Durchlässigkeit, Remission und Streuung einer sichtbares Licht streuenden und infrarotes Licht reflektierenden optischen Beschichtung gemäß der

Erfindung.

Die bei jeder Hochtemperaturumgebung einsetzbare Erfindung, in welcher eine optische Beschichtung einsetzbar ist, wird in Fig. 1 anhand einer Halogenzykluswolframlampe 10 erläutert. Die Halogenlampe 10 hat einen Lampenkolben 11, der ein Rohr 12 aus geschmolzenem Quarz und ein Paar von · Endabdichtungen sowie Montagehalterungen 13 aufweist. Längs der Mittelachse des Quarzrohrs 12 ist eine Wolframfadenwendel 15 von einer Vielzahl von Halterungen 16 abgestützt. An den Enden des Wolframfadens 15 können End-

3 2 2 7 ⁿ 9 6

reflektoren 17 vorgesehen sein. Die Halogenlampe wird so hergestellt, daß das Rohr 12 unter Verwendung der stirnseitigen Abdichtabschnitte 13 versiegelt und dann evakuiert und anschließend mit einer geeigneten reaktiven Halogenatmosphäre gefüllt wird.

Bei der Herstellung der Halogenlampe 10 reagiert das Halogengas mit Wolfram, das aus dem Faden verdampft. Das sich ergebende Gas wird chemisch an der heißen Oberfläche des Wolframfadens zersetzt,"so daß die Wolframatome darin auf dem Faden abgeschieden werden und das Halogen freigesetzt wird, um zusätzlich freigesetzte Wolframatome auszuspü-

len Damit die Halogenlampe richtig arbeitet, muß das Quarzrohr 12 auf einer hohen Temperatur in der Nähe von etwa 800⁰C gehalten werden. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß der Durchmesser des Quarzrohrs 12 relativ klein gehalten wird. Eine typische Lampe ist etwa 25 cm lang und hat einen Durchmesser von etwa 1 cm.

Auf der Außenfläche des Quarzrohrs 12 wird eine optische Beschichtung 14 abgeschieden. Diese optische Beschichtung hat einen ersten Satz von Schichten, die wenigstens hauptsächlich aus Siliziumdioxyd bestehen, und einen zweiten Satz von Schichten, die wenigstens hauptsächlich aus Tantalpentoxyd bestehen. Die Auslegung der optischen Beschichtung 14 kann vielfältig sein, was von dem spektralen Leistungsvermögen abhängt, das die Beschichtung haben soll. Die optische Beschichtung 14 hat einen oder mehrere dielektrische Stapel bzw. Schichtkörper, in denen abwechselnd Schichten aus Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd zur Erzeugung eines Interferenzfilters ausgebildet sind.

Zur Vereinfachung wird auf die· optischen Filterschichten als Schichten aus Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd Bezug genommen, dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Siliziumdioxydschichten nicht nur allein aus Siliz'iumdioxyd und die. Tantalpentoxydschichten nicht allein

aus Tantalpentoxyd bestehen müssen. Es können auch be- *) bzw. zu entionisieren.

oh

stimmte Mengen anderer dielektrischer Filmbestandteile vorhanden sein. Beispielsweise kann Tantalpentoxyd auch einen geringen Prozentsatz eines anderen feuerfesten Oxyds aufweisen, wie Titandioxyd. Das optische Filter 14 kann mehrere Formen haben, wobei jedoch jede dem Hauptprinzip entspricht, nämlich daß es eine selektiv reflektierende Beschichtung ist, d.h. das Filter ist im wesentlichen transparent für Strahlung in Spektralbereichen, in denen die Lampe 10 Strahlung emittieren soll. Das Filter reflektiert im wesentlichen im restlichen Spektrum der bedeutenden Emission von elektromagnetischer Strahlung durch den heißen Faden. Durch die Rückreflexion zum heißen Faden wird die Strahlung, die von der Lampe nicht emittiert werden soll, als Energie konserviert und dazu verwendet, den Faden auf der Betriebstemperatur zu halten, so daß die Anforderungen an den Gesamtenergieverbrauch für den Betrieb der Lampe reduziert werden.

Eine alternative Ausführung der optischen Beschichtung 14 ist die in Fig. 2 gezeigte optische Beschichtung 14A, die die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Auslegungsparameter hat. Die Gesamtleistung der Beschichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Wie durch die gestrichelte Kurve 22 gezeigt ist, hat die Beschichtung 14A ein hohes Durchlaßvermögen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Strahlungspektrums zwischen 400 und 700 nm sowie ein hohes Reflexionsvermögen über den Rest des Spektrums, hauptsäch-' lieh in der Nähe der Infrarotstrahlung, wo eine wesentliche Emission an elektromagnetischer Strahlung durch den heißen Faden der Lampe vorhanden ist, wie dies durch die Kurve 21 in Fig. 4 veranschaulicht ist.

	..	- ..	"-15¹	... 3227096
		Tabelle 1

	Brechungsindex	Stärke in nm
	1,000		Viertelwellen
Schicht	1,458	94,28	längenstärke*
Luft '	2_;130	129,11
1	1,458	188,56	550
2	2,130	129,11	1100
3	1,458	188,56	1100
4	2,130	129,11	1100
5	1,458	188,56	1100
6	2,130	129,11	1100
7	1_;458	188,56	1100
8	2,130	129,11	1100
9	1,458	94,28	1100
10	1,458	94,28	1100
11	1,458	180.,OO	550
11'	2,130	123,24	550
12	1,458	360,00	1050
13	2,130	123,24	1050
14	1,458	360,00	2100
15	2,130	123,24	1050
16	1_;458	360,00	2100
17	2,130	123,24	1050
18	1,458	180_;00	2100
19	1,4 58	94,28	1050
20	1,458	77,14	550
20'	2,130	105,63	550
21	1,458	154,28	450
22	2,130	105,63	900
23	1,458	154_;28	900
24	2,130	105,63	900
25	1,458	77,14	900
26		900
27	450

Substrat 1.4

Optische Viertelwellenlängenstärke, d.h. Bezugswellenlänge, bei welcher die Schicht die optische Stärke einer Viertelwelle hat.

ζ ζ / υ a

In Fig. 3 ist das Strahlungsleistungsspektrum für einen schwarzen Körper von 3000⁰K gezeigt. Man sieht, daß nur ein kleiner Prozentsatz der gesamten Strahlung aus dem Faden der Halogenlampe im Bereich des sichtbaren Lichts zwischen 4 00 und 700 nm liegt. Der Hauptteil der emittierten Strahlung liegt im Infrarotbereich über dem Spektralbereich des sichtbaren Lichts. Wenn die Lampe sowohl für das Heizen als auch zum Beleuchten verwendet werden soll, ist die Emission der Infrarotstrahlung aus der Lampe ein Energieverlust und erzeugt in manchen Fällen eine unerwünschte Erhitzung der Umgebung, Beispielsweise beim Ausleuchten von Theatern und Bühne, wo eine hohe Leuchtstärke erwünscht ist, ist die Heizwirkung der starken Lampen unerwünscht, da dadurch der zu beleuchtende Bereich überhitzt wird. Durch Verwendung einer optischen Beschichtung 14 an der Lampe 10, die sichtbares Licht durchläßt und Infrarot reflektiert, wird die emittierte Strahlung im Infrarotbereich zurück zum Faden 15 reflektiert, wo sie dazu beiträgt, den Faden erhitzt zu halten, wobei der Hauptteil des sichtbaren Lichts, das vom Faden emittiert wird, die Lampe verläßt und zum Ausleuchten der Umgebung dient.

Aus Fig. 2 oder Tabelle 1- ist zu ersehen, daß die Leistung des in Fig. 4 insgesamt gezeigten Filters in diesem Fall durch Kombination von drei Arten von dielektrischen Schichtkörpern zu einem Interferenzfilter 14A erreicht wird. Wie ■ in Tabelle 1 gezeigt ist, bilden die Schichten 21 bis 27 einen ersten dielektrischen Schichtkörper I, der eine dielektrische Schichtkörperausbildung hat, die ausgedrückt werden kann als (L/2 H L/2)³ und die ein Kurzwellendurchlaßinterferenzfilter bei einer Konstruktionswellenlänge von 900 nm aufweist. Diesfektrale Reflexion bzw. Remission dieses Kurzwellendurchgangsschichtkörpers ist in Fig. 5. gezeigt. Dieser dielektrische Schichtkörper wird als Kurzwellendurchgangsschichtkörper angesehen, da er ein sehr niedriges Reflexionsvermögen bei Wellenlängen

von weniger als der Auslegungswellenlänge von 900 nm und dann einen Bereich wesentlicher Reflexion bei Wellenlängen von größer als 900 nm aufweist. Der zweite dielektrische Schichtkörper II ist 2:1 dielektrischer Schichtkörper mit einer Auslegungswellenlänge von 1050 nm, wobei eine Schichtkörperauslegung vorgesehen ist, die als (LHL) ausgedrückt werden kann. Das spektrale Reflexionsvermögen bzw. die Remission dieses zweiten 2:1 Schichtkörpers ist als Kurve 24 in Fig. 6 gezeigt.

Der dritte dielektrische Schichtkörper III, der bei der Beschichtung 14A verwendet wird, ist ein Kurzwellenpassfilter mit einer Aüslegungswelienlänge von 1100 nm, wobei die Auslegung insgesamt als (L/2 H L/2) bezeichnet werden kann. In jedem dieser Ausdrücke für die Auslegung der verschiedenen dielektrischen Schichtkörper I, II und III bedeutet L eine Schicht aus": einem Material mit niedrigem Brechungsindex, d.h. in diesem Fall aus Siliziumdioxyd, die eine optische Stärke einer Viertelwelle bei der Auslegungswellenlänge hat. H bezieht sich auf eine Schicht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex/ d.h. in diesem Fall Tantalpentoxyd, das bei der Auslegungswellenlänge eine optische Stärke einer Viertelwelle aufweist. Bei einem Kürzwellenpassschichtkörper I mit der Auslegungsspezifizierung (L/2 H L/2)³ bedeuten die L/2 Schichten Schichten, die eine optische Stärke haben, die gleich einer Achtelwelle bei der Auslegungswellenlänge ist. Bei dem Filterkörper sind die erste und die letzte Schicht in dem Schichtkörper I, also die Schichten 21 und 27 in Tabelle 1, Achtelwellenschichten aus Siliziumdioxyd mit nidreigen Brechungsindex. Andererseits sind die Schichten" 23 und 25 Viertelwellenschichten, da sie aus zwei Achtelwellenschichten bestehen, die gleichzeitig gebildet werden. Diese Analyse gilt auch für den Kufzwellenpassschichtkörper III, der fünf Komponenten mit einer .(L/2 H L/2) Auslegung, verwendet. Die Schichten 1 und

11 sind Achtelwellenschichten, während die Schichten 3, 5, 7 und 9 physikalisch Viertelwellenschichten sind, die aus der Summe von zwei Achtelwellenschichten ergeben. Bei der Ausführung des Filters bilden die Schichten 11, 11' und 12 eine körperliche Schicht, während die Schichten 20, 20' und 21 eine einzige körperliche Schicht aus Siliziumdioxyd mit niedrigem Brechungsindex bilden.

Die Bezeichnungen der jeweiligen Schichten in Fig. 2 rechts bedeuten Folgendes: Die Bezeichungen H und L beziehen sich auf eine Viertelwellenschicht·aus einem Material mit niedrigem bzw. hohem Brechungsindex. Die Indices A, B und C beziehen sich auf drei verschiedene Auslegungswellenlängen, wobei A 900 nm, B 1050 nm und C 1100 nm sind.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Halogenlampe 10 können auch andere Arten von optischen Beschichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann an den Endreflektoren 17 der Lampe eine optische Beschichtung 18 ausgebildet werden. In diesem Fall wird die optische Beschichtung 18 so ausgelegt, daß alle Strahlungskomponenten, die vom Faden 15 emittiert werden, reflektiert werden, da dadurch die in Richtung der Endreflektoren emittierte Energie innerhalb des Hohlraums des Kolbens 12 gehalten wird, wo sie zum Erhitzen des Fadens und auf andere Weise zur Aufrechterhaltung der Innentemperatur der Lampe beiträgt.

Es können auch andere Auslegungen des optischen Filters 14 für bestimmte Anwendungen erwünscht sein, beispielsweise möchte man, daß die Lampe farbiges Licht abgibt. Ein Weg, eine solche farbige Lichtabgabe zu erreichen, besteht darin, das sichtbare aus der Lampe emittierte Licht durch ein absorbierendes Farbfilter zu filtern, welches hur die gewünschte Komponente des Spektrums des sichtbaren Lichts durchläßt. Bei einem solchen absorbieren-

den Filter geht die Energie, die aus der Lampe emittiert wird, verloren und zwar im Filter selbst. Die optische Beschichtung 14 kann so ausgelegt werden, daß sie einen Durchlaßbereich hat, der nur einen ausgewählten Abschnitt des sichtbaren Spektrums umfaßt, so daß nur dieser Abschnitt der von der Lampe emittierten Strahlung aus dor Lampe austritt, während die gesamte Strahlung der angrenzenden Wellenlänge einschließlich der Abschnitte des sichtbaren und infraroten Spektrums zurück in die Lampe auf den Faden reflektiert werden, um so den Energiewirkungsgrad der ganzen Lampe zu erhöhen. Die Auslegung eines Filters mit einem schmalen Durchgangsbereich, das nur in einem Abschnitt des Spektrums des sichtbaren Lichts entsprechend der gewünschten, von der Lampe zu emittierenden Farbe eine hohe Durchlässigkeit hat, ist an sich bekannt (H.A. Macleod, Thin Film Optical Filters, American Elsevier Publishing Company, New York 1969) . Solche Filter können auch unter Zugrundelegung eines anderen bekannten Konzepts ausgelegt werden (MIL HBK. 144, Oktober 1962, Department of Defense, Application of Thin Film Coatings, Philip Baumeister). Jede dieser Literaturstellen wird hier als Lehre zur Auslegung von dielektrischen optischen Filtern einbezogen. Das heißt, die Erfindung ist insgesamt auf alle Arten von optischen Filtern und insbesondere auf optische Interferenzfilter mit einem Durchlaßbereich oder für Randfilter geeignet.

Die in Fig. 1 gezeigte optische Beschichtung 14 wird an dem Lampenkolben 11 in einer Vakuumabscheidungskammer ausgebildet, wobei bekannte Vakuumbeschichtungstechnologien benutzt werden. Das Abscheiden der optischen Beschichtung auf dem Lampenkolben mit dem kleinen Durchmesser kann in einer üblichen Planetenabscheidkammer durch eine zusätzlich Rotation erfolgen,, durch welche jedes Quarzlampenrohr längs seiner Achse so gedreht wird, daß alle Abschnitte der Außenfläche gleichförmig der Absehe idungs quelle in der Kammer ausgesetzt werden. Insge-

L/L I Ui)D

samt werden sowohl die Siliziumdioxyd- als auch die Tantalpentoxydschichten der Beschichtung in einem reaktiven Gas auf einem Substrat abgeschieden, das auf einer Temperatur von wenigstens etwa 275⁰C gehalten wird. Es können entweder Elektronenstrahlverdampfungsquellen oder Widerstandsheizungsquellen benutzt werden=, Die reaktive Gasabscheidung umfaßt das Abführen von Sauerstoff in die Kammer während des Abscheidprozesses. Um eine gute Ausbeute der optischen Beschichtungen auf Lampenkolben mit kleinen Krümmungsradien zu erhalten, werden die Abscheidquellen bevorzugt,bezüglich des Quarzrohrsubstrats so angeordnet, daß der mittlere Ankunftswinkel des abgeschiedenen Materials auf dem Substrat etwa 35° nicht überschreitet.
15

Optische Beschichtungen, welche die Prinzipien und Materialien gemäß der Erfindung verwenden, werden bei Temperaturen bis zu 1100⁰C hergestellt und geprüft. Bei Temperaturen unter 1100⁰C bleibt die optische Leistung des Filters im wesentlichen konstant, ohne daß sich ein Adhäsionsverlust der Beschichtung, eine Absorptionssteigerung der Beschichtung oder eine Interdiffusion der Beschichtungsschiehtea einstellt. Wenn die Beschichtung bei 1100⁰C in Luft mehrere Stunden gebrannt wird, kann die Beschichtung von einem sichtbares Licht durchlassenden, Infrarot reflektierenden Filter in ein im wesentlichen sichtbares Licht streuendes und Infrarot reflektierendes Filter umgewandelt werden. Die Spektralleistung eines solchen Filters ist in Fig. 8 gezeigt. Wenn die optische Beschichtung einer solchen Temperatur in Luft während eines merklichen Zeitraums ausgesetzt wird, bricht die Beschichtung in eine Vielzahl kleiner Inseln auf, die für Licht im sichtbaren Abschnitt des Spektrums stark streuend wirken, jedoch für die Strahlung im Infrarot-5 bereich ein kontinuierlicher reflektierender Film bleiben. Die in Fig. 8 gezeigten spektralen Eigenschaften

gelten für eine optische Beschichtung mit dem Aufbau von Tabelle 1.■Es können auch andere optische Beschichtungen· geformt werden, die die Streuung im sichtbaren Bereich optimieren und ansonsten die spektrale Durchlässigkeit, das Reflexionsvermögen und die Streuung des Filters ändern.

Um die Verbesserung des Energiewirkungsgrads der Lampe mit einer eingesetzten optischen Beschichtung nachzuweisen, werden Halogenlampen verwendet, welche die optische Beschichtung gemäß Fig. 2 und Tabelle 1 aufweisen. Solche 1500 W Lampen zeigen eine Leistungssteigerung im Bereich von 25 bis 30%. Diese Leistungssteigerung korreliert gut mit der theoretischen Prozentsatzsteigerung, die sich auf 30 bis 35% berechnet.

Wie erwähnt, kann die Lehre der Erfindung auch auf andere Arten von Lampenumgeburigen angewendet werden, beispielsweise auf Lichtbogenentladungslampen, bei denen ein erregtes Plasma Licht verschiedener Wellenlängen emittiert. Aufgrund der großen Anzahl von. freien Elektronen in dem Plasma, ist das Plasma ein guter Absorber sowie ein guter Emitter. Demzufolge bedeutet das Konzept, unerwünschte Komponenten des vom" Plasma emittierten Lichts zurück in das Plasma zu reflektieren,- ebenfalls eine Verbeserung des Energiewirkungsgrads .der Lichtbogenlampen. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich auch auf Laserpumpenlampen anwenden, die entweder eine Vielzähl von Blitzlichtlampen oder dauernd betriebene' Glühlampen aufweisen, welche einen Rubinstab in einem. Höhlraum" umgeben. Da der Rubinlaser stab nur Licht in bestimmten Abschnitten des Spektrums absorbiert, kann eine. Verbesserurig des Energiewirkungsgrads dadurch erreicht werden, daß an den pumpenden Lampen eine optische Beschichtung angebracht wird, welche nur äusnützbares Licht zürn Läserstab durchläßt. Das unerwünschte Licht wird" zurück, in die pumpenden Lampen reflektiert, wodurch deren Wirkungsgrad verbessert wird.

Die Erfindung läßt sich auch bei einer Vielzahl von Hochtemperaturbeschichtungsumgebungen einsetzen, wo die optische Beschichtung genutzt werden kann, um die Leistung einer Vorrichtung zu verbessern, auf der die Beschichtung angebracht ist.

Leerseite

Claims

F υ N E R .- -E-B-B-I-N Q "H -A U S .Γ..-.," Γ7. . i N C K RATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MAV-JIAHIL FPt AlZ 2 Λ 3, MONCHt N !1O I'C3S>"1 AORr SSF-: POSTFACH 95Ο16Ο, D-BOOO MONCHI Ν >Ηι 20. Juli 1982 DEA-30070 Fi/Rf Patentansprüche

1. Optische Beschichtung für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere zur Beschichtung eines Gegenstands, der in einer Hochtemperaturumgebung von im wesentlichen mehr als 500⁰C einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Oberfläche eines im wesentlichen transparenten Substrats aus einem die hohen Temperaturen aushaltendem Material ausgebildete optjsehe Beschichtung einen ersten Satz von Schichten, bestehend wenigstens hauptsächlich aus Siliziumdioxyd, und einen zweiten Satz von Schichten, bestehend wenigstens hauptsächlich aus Tantalpentoxyd, aufweist.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus abwechselnden Schichten des ersten und zweiten Satzes ein Interferenzfilter gebildet wird.

3. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter ein Filter mit einem Durchgangsbereich ist, der so ausgelegt ist, daß Strahlung eines vorher ausgewählten ersten Wellenlängenbandes durchgelassen und Strahlung in benachbarten Wellenlängenbereichen reflektiert wird.

4. Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit dem Durchlässigkeitsbereich ein Heißspiegel ist, der eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht und ein hohes Reflexionsvermögen für Infrarot hat.

5. Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit dem Druchlässigkeitsbereich ein Kaltspiegel ist, der ein hohes

TO Reflexionsvermögen für sichtbares Licht und eine hohe Durchlässigkeit für Infrarot aufweist.

6. Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit dem Durchlässig- keitsbereich ein Farbfilter ist, das eine hohe Durchlässigkeit für einen ausgewählten Abschnitt des Spektrums des sichtbaren Lichts und ein hohes Reflexionsvermögen für angrenzende Spektralbereiche aufweist.

7. Beschichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat geschmolzenes Siliziumdioxyd ist, das zu einem Lampenkolben geformt ist, der in einer Halogenglühlampe verwendet wird, die mit einer Kolbentemperatur der äußeren Oberfläche von wenigstens 800⁰C arbeitet, wobei das Interferenzfilter auf der Außenfläche des Lampenkolbens ausgebildet ist.

8. Optische Beschichtung, insbesondere für einen beschichteten Gegenstand für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen von im wesentlichen über 500⁰C, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen transparentes Substrat aus einem Material, welches die hohe Temperatur der Umgebung aushält, und durch eine optische Beschichtung, die auf einer Oberfläche des Substrats

ausgebildet ist und ein Mehrschichtinterferenzfiltor aufweist, welches ein hohes Reflexionsvermögen der Infrarotstrahlung und eine hohe Streuwirkung des sichtbaren Lichts aufweist, wobei das Interferenzfilter dadurch gebildet wird, daß auf dem Substrat ein dielektrischer Mehrschichtkörper abgeschieden wird, der aus alternierenden Schichten zusammengesetzt ist, die aus wenigstens hauptsächlich Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd bestehen, und dann das beschichtete Substrat in Luft bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1100⁰C gebrannt wird.

9. Verwendung einer optischen Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer Halogenlampe, gekennzeichnet durch einen Lampenkolben mit einer Geometrie, welche einen inneren geraden oder ebenen Brennpunkt hat und der aus einem im wesentlichen transparenten Material hergestellt ist, das in der Lage ist, Arbeitstemperaturen von wenigstens etwa 800⁰C auszuhalten, durch einen Metallfaden mit hohem Schmelzpunkt, der in dem Lampenkolben im wesentlichen im geraden oder ebenen Brennpunkt angeordnet ist, durch eine Halogengasfüllung für den Kolben und durch ein Interferenzfilter, das auf der Außenfläche des Lampenkolbens ausgebildet ist und abwechselnde Schichten aufweist, die aus wenigstens hauptsächlich Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd bestehen.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Interferenzfilter ein Filter mit einem Durchlässigkeitsbereich ist, der eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht und ein hohes Reflexionsvermögen für infrarote Strahlung aufweist.

11. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter ein Filter mit einem Durchlaßbereich ist, welcher eine hohe

Durchlässigkeit für Strahlung in einem vorher ausgewählten Abschnitt des Spektrums des sichtbaren Lichts und ein hohes Reflexionsvermögen für Strahlung in angrenzenden Wellenlängenbereichen aufweist, so daß die Lichtabgabe der Lampe eine vorher ausgewählte Farbe ist.

12. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter ein Infra- rot reflektierendes, sichtbares Licht streuendes Filter ist, das dadurch ausgebildet wird, daß auf der Außenfläche des Lampenkolbens ein dielektrischer Mehrschichtkörper abgeschieden wird, der hauptsächlich aus Siliziumdioxyd- und Tantalpentoxydschichten besteht, die eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht und ein hohes Reflexionsvermögen für Infrarot aufweisen, und daß dann der Kolben und das Filter in Luft bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1100⁰C gebrannt werden, um das Filter von einem sichtbares Licht durchlassenden Filter in ein im wesentlichen sichtbares Licht streuendes Filter umzuwandeln.

13. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben insgesamt zylindrisch ist und daß Reflektoren an jeder Stirnseite des Kolbens angebracht sind, die aus einem im wesentlichen transparenten Material hergestellt sind und auf denen ein Mehrschichtinterferenzfilter ausgebildet ist, welches abwechselnde Schichten aufweist, die wenigstens hauptsächlich aus Siliziumdioxyd und Tantalpentoxyd bestehen und ein hohes Reflexionsvermögen für alle von dem Faden reflektierte Strahlung aufweisen.