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FREQUENZ BEGRENZENDES INTERFERENZ FILTER
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den optischen Gerätebau
und -zwar auf monochromatisierende Elemente, die durch Aufdampfung mehrschichtiger
optischer Filme auf ein Substrat hergestellt werden, und betrifft insbesondere Interferenzfilter,
welche die vorgegebenen Spektralbereiche der Gas ab so rptionsbanden int Infrarotbereich
der elektromagnetischen Strahlung sichtbar machen.
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Die Erfindung kann bei Herstellung von Geräten für die qualitative
und quantitative Analyse von reinen Gasen sowie von Zwei- und insbesondere Mehrkomponentengasgemischen
erfolgreich verwendet werden. Eine derartige Gasanalyse wird gewöhnlich während
verschiedener technologischer Vorgänge, an der Luft und in geschlossenen ökologischen
Systemen sowie während Forschungsuntersuchungen durchgeführt.
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Ein wichtiges Problem, auf welches die Fachleute des betreffenden
Fachbereichs stoßen, besteht in der Entwicklung von zuverlässigen Interferenz filtern,
die eine Erhöhung der Genauigkeit und Selektivität der auf deren Basis hergestellten
Analysatoren ermöglichen.
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Um Gasgemische hochselektiv nachzuweisen, was sich durch das vorgegebene
Informationssignal-Rausch-Verhältnis an einem Empfänger für die elektromagnetische
Strahlung kennzeichnet, sind die der Absorptionsbande der zu prüfenden Gaskomponente
entsprechenden Spektalbereiche von der durch das zu prüfende Gemisch durchgelassenen
Strahlung abzutrennen und die Absorptionsbande der Gaskomponenten, die momentan
noch nicht analysiert werden, sowie die Bereiche dertgegenseitigen Überlappung der
Absorptionsbande der zu prüfenden mit denen der nicht zu prüfenden Gaskomponenten
zu unterdrücken.
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Die herkömmlichen, in den Geräten für die Gasanalyse als monochromatisierende
Elemente verwendete Interferenz filter bestehen deswegen aus zwei Filtern: einem
Schmalbanddurchlaßfilter, das den der Absorptionsbande der zu prüfenden Komponente
entsprechenden Spektralbereich durchläßt, und einem frequenzbegrenzenden Filter,
das die übrigen Spektralbereiche unterdrückt. Aus dem oben Dargelegten folgt, daß
sich die frequenzbegfenzenden Filter durch eine relativ hohe Durchlässigkeit in
einem Spektralbereich und eine minimale Durchsichtigkeit (hohe Reflektivität) in
den übrigen sowohl langwelligen als auch kurzwelligen (bezüglich der vorgege, benen
Durchlaßbande) Spektralbereichen auszeichnen sollen.
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Das Unterdrücken der erforderlichen Spektralbereiche erfolgt in der
Praxis unvollständig, so daß sich in dem zu unterdrückenden Gebiet Bereiche mit
geringer Reflektivität bilden, wodurch zusätzliche optische Signale entstehen, welche
durch den Strahlungsenpfänger als eine Information tragende Signale empfangen werden,
obwohl sie in Wirklichkeit keine Information tragen. Bei der Gasanalyse verläuft
demnach ihr Nachweis mit beachtlichen Fehlern.
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Es ist beispielsweise ein frequenzbegrenzendes Filter zur Unterdrückung
des langwelligen Spektralbereichs (siehe Furman, Sh.A. "Dünnschichtige optische
Überzüge"/Tonkosloinye optitscheskie pokrytia/, Leningrad, Verlag "Maschinenbau"/
Maschinostroenie, 1977, Seite 77) bekannt.
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Ein derartiges Filter enthält eine durchsichtige Unterlage und einen
auf deren Oberfläche auf getragenen mehrschichtigen überzug, der sich ahwechselnde
Schichten aus zwei Stoffen mit jeweils einem größeren und einem kleineren Brechungsindex
aufweist. Das Filter hat folgenden Aufbau: mS 0,5 H B H ... B H B 0,5 H,
wobei
mit S das Substrat, H eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex und einer optischen
Dicke von 1/4 0(wo A0 die zu prüfende Wellenlänge ist), B eine Schicht mit einem
niedrigen Brechungsindex und einer optischen Dicke von 1/4 A0, 0,5 E die erste und
die letzte Schicht mit einem hohen Brechungsindex und einer optischen Dicke von
1/8 m eine Filterfolge, d.h. die Anzahl der (mittleren) A/4-Schichten, einschließlich
der oberflächlichen (m = 13, 15, 17, usw.) bezeichnet sind.
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Da die A/4-Schichten mit hohen und niedrigen Brechungsindizes in dem
genanntenFilterin abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind, entsteht eine Interferenz
der durch das Filter durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung, die es ermöglicht,
die vorgegebenen Spektralcharakteristiken des Filters zu erreichen.
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Da aber das besagte Filter eine relativ geringe Zone der wirksamsten
Unterdrückung (Gebiet maximaler Reflektivität) aufweist, wird in der Praxis für
die Erweiterung dieser Zone auf der Unterlage nicht ein System, sondern mehrere
mehrschichtige Systeme aufgetragen, die verschiedenen festgehaltenen Wellenlängen
des zu unterdrückenden Spektralbereichs entsprechen (s. Krylowa T . N. "Interferenzbeschichtungen"/
Interferenzionnye pokrytia/, Leningrad, Verlag "Maschinenbau"/Maschinostroenie/,
1-973, Seite 81).
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Ein derartiges Filter mit der aus mehrschichtigen Systemen bestehenden
Beschichtung ist nach folgendem Schema aufgebaut:
mS 0 5H1 B1S1.--lI1B10t5H10t5H2B2z2
2 2 2H2B20 ,5H2, wobei die Indizes 1 und 2 jeweils zu den Systemen mit einer Wellenlänge
A1 bzw. A2(X1 < Ä2)gehören und die Reihenfolge m die Anzahl der A/4-Schichten
in jedem dieser Systeme bestimmt.
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Dank des Vorhandenseins zweier mehrschichtiger Systeme, die der kleineren
und der größeren festgehaltenen Wellenlänge entsprechen, bietet die beschriebene
Ausführungsform eine Möglichkeit, den zu unterdrückenden Spektralbereich zu erweitern.
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Die Verwendung des Filters der erwähnten Ausführungsform führt jedoch
zur Bildung von Bereichen mit geringer Reflekti-;.
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vität in der Unterdrückungszone. Der Grund dafür liegt darin, daß
die mehrschichtigen Systeme (bezüglich ihrer optischen Dicke) nicht koordiniert
sind.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein frequenzbegrenzendes
Interferenz filter zu entwickeln, dessen Anwendung in den Analysatoren eine Erhöhung
der Selektivität und Empfindlichkeit durch Beseitigung der Bereiche mit geringer
Reflektivität in dem zu unterdrückenden Spektralbereich gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß --in- .einem frequenz begrenz
enden Interferenz filter, mit einem durchs ichtigen Substrat, mit einer auf dessen
Oberfläche aufgetragenen Filmschicht aus mindestens zwei mehrschichtigen Systemen,
welche verschiedenen festgehaltenen Wellenlängen des zu unterdrückenden Spektralbereichs
entsprechen, von denen jede abwechselnd aufeinanderfolgende Schichten aus zwei Stoffen
mit jeweils einem größeren und einem kleineren Brechungsindex aufweist, wobei die
erste und die äußerste Schicht jedes
Systems aus einem Stoff mit
dem höheren Brechungsindex hergestellt sind und ihre optische Dicke 1/8 der dem
genannten System entsprechenden Wellenlänge und die optische Dicke dessen mittlerer
Schichten 1/4 der erwähnten Wellenlänge betragen, gemäß der Erfindung die Filmschicht
eine Zwischenschicht aufweist, welche sich zwischen jeweils zwei benachbarten Mehrschichtensystemen
befindet und aus einem Stoff mit einem kleineren Brechungsindex hergestellt ist,
wobei ihre optische Dicke 1/8 der Wellenlänge beträgt, die von den den benachbarten
Systemen entsprechenden Wellenlängen die kleinste ist.
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Die zwischen den zwei ehrschichtss%emen liegende Zwischen schicht
mit einem geringen Brechungsindex und mit einer Dicke von 1/8 der kleinsten Wellenlänge
bewirkt die optische Übereinstimmung der erwähnten Systeme, wie experimentell bewiesen
ist, wodurch die Bildung von Bereichen mit einer geringen Reflektivität in dem zu
unterdrückenden Spektralbereich behindert wird. Derartige Filter ermöglichen es,
die-Empfindlichkeit und Selektivität der Analysatoren wesentlich.zu erhöhen.
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Es ist zweckmäßig, als Stoff mit dem größeren Brechungsindex Germanium
und als für die Herstellung der beschriebenen Zwischenschicht geeigneten Stoff mit
dem kleineren Brechungsindex Siliziummonoxid zu verwenden.
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Die genannten Stoffe sind miteinander technologisch gut verträglich
und haben in notwendigem Maße unterschiedliche Brechungsindizes, was es ermöglicht,
mit einer relativ geringen Anzahl von Schichten hochwertige und stabile Spektralcharakteristiken
des herzustellenden Filters zu erreichen.
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Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau des frequenzbegrenzenden
Interferenzfilters, Fig. 2 und 3 Spektralcharakteristiken eines bereits bekannten
und eines beanspruchten frequenzbegrenzenden Interferenzfilters (auf der Ordinate
sind die Werte der Reflektivität R in Prozent und auf der Abszisse die Wellenlänge
X in relativen Einheiten #0/# aufgetragen, wobei Ä0 die zu prüfende Wellenlänge
ist).
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Fig. 4 Übereinstimmung der Spektralcharakteristiken eines Interferenzfilters,
welches auf der Basis des hier beschriebenen frequenzbegrenzenden Filters und eines
herkömmlichen Schmalbanddurchlaß filters ausgeführt ist (in diesem Fall sind im
Unterschied zu den vorangehenden Figuren auf der Ordinate die Werte der Transmission
T in Prozent aufgetragen).
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Das frequenzbegrenzende Interferenz filter ist folgendermaßen aufgebaut
(s. Fig. 1):
| mS0,5H1B1H1...H1B10,5H1, 0?5B1 0?5H2B2H2...H2B20,5H2 0,5B2
0,5H3B3H3... |
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das erste System 1* das zweite System 2* das dritte System 1* die
erste ZwisChenschicht 2* die zweite Zwischenschicht Die gleichen Bauelemente sind
hier mit denselben Bezugsbuchstaben wie oben beschrieben gekennzeichnet. Die Indizes
1, 2, 3 usw. gehören zu den Systemen mit Wellenlängen von jeweils Ä < < A3
< ... i (wo i die Anzahl der Mehrschichtensysteme ist).
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In Fig. 1 ist eine der möglichen Ausführungsformen des beanspruchten
Interferenz filters gezeigt. Das Interferenz filter weist gemäß der genannten Ausführungsform
ein durchsichtiges
Substrat S und eine aus zwei mehrschichtigen,
den Wellenlängen A1 und A2 entsprechenden, Systemen bestehende Beschichtung 2 auf,
wobei die besagten Systeme aus in abwechselnder Reihenfolge angeordneten Schichten
aus Germanium (Ge) und Siliziummonoxid (SiO) bestehen. Die optische Dicke der Schichten
in jedem System ist in der Zeichnung gezeigt. Zwischen den genannten Systemen befindet
sich eine Zwischenschicht aus Siliziummonoxid mit einer Dicke von 1/8 Zur Verdeutlichung
sind das erste und das zweite Mehrschichtensystem mit gegenläufiger Schraffur gezeichnet,
obwohl sie in Wirklichkeit Schichten aus identischen Stoffen einschlie-Ben. Die
Zwischenschicht ist dabei mit Querschraffur gezeichnet.
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Nachstehend sind die Spektralcharakteristiken des bekannten (Fig.
2) und des beanspruchten (Fig. 3) frequenzbegrenzenden Filters gezeigt. Aus dem
Vergleich der. genannten Charakteristiken ist ersichtlich, daß die Unterdrückungszone
mehr als 1,3 Ä0/Ä des eingangs genannten Filters Bereiche sowohl mit einer hohen
als auch mit einer geringen (Vorsprüngen und Vertiefungen auf der Kurve entsprechenden)
Reflektivität aufweist. In den Strahlungsempfänger gelangen dadurch zusätzliche
keine Information tragende Signale, was eine Verminderung der Empfindlichkeit und
Selektivität der Analysatoren zur Folge hat.
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In dem hier beschriebenen Filter (Fig. 3) wird der genannte Bereich
praktisch vollständig unterdrückt. Die Kurve verläuft daher auf dem betreffenden
Abschnitt mit einer hohen ( 100 %) Reflektivität geradlinig. Die Empfindlichkeit
und Selektivität der Analysatoren wird demnach wesentlich erhöht.
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In Fig. 4 sind die Charakteristiken des aus dem hier beschriebenen
frequenzbegrenzenden Filter (punktierte Linie) und einem bekannten Schmalbandfilter
(vollausgezogene Kurve)
bestehenden Interferenzfilters gezeigt.
Mit X = 4,65 ßm ist hier die maximale Durchlässigkeit des Schmalbandfilters bezeichnet,
welches in dem kurzwelligen Bereich Nebendurchlaßzonen aufweist, die mit dem hier
beschriebenen frequenzbegrenzenden Interferenz filter unterdrückt werden.
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Aus Versuchen geht hervor, daß die Emfpindlichkeit der auf der Basis
des hier beschriebenen Filters aufgebauten Analysatoren um das Zwei- bis Dreifache
bei gleichzeitiger Verbesserung der Selektivität erhöht ist. Dadurch wird ermöglicht,
auf deren Basis prinzipiell neue Anlagen für die Bestimmung der Konzentration verschiedener
Gase in Mehrkomponentengasgemischen aufzubauen, welche die Wirksamkeit erhöhen und
die Kosten für die Durchführung der Gasanalyse vermindern.