DE4410275B4

DE4410275B4 - Verfahren zur Realisierung eines optischen Dünnschicht-Bandpassfilters, ein optisches Dünnschicht-Bandpassfilter, ein optisches Bauelement damit sowie eine Verwendung des Bandpassfilters und eine Bräunungsanlage

Info

Publication number: DE4410275B4
Application number: DE4410275A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Buchholz; Peter Wierer
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2014-03-25
Also published as: US5493442A; JPH06308323A; DE4410275A1; ITMI940601A0; IT1273382B; CH695281A5; JP3970942B2; ITMI940601A1

Abstract

Verfahren zur Realisierung eines optischen Dünnschicht-Bandpassfilters, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem sowie mindestens einer absorbierenden Dünnschicht, bei dem die spektrale Lage der Absorptionskante der absorbierenden Dünnschicht durch Einstellung der Zusammensetzung des Materials der Dünnschicht aus zwei Komponenten festgelegt wird, worin die eine Komponente eine Absorptionskante oberhalb und die andere Komponente unterhalb der gewünschten Stelle der Absorptionskante ergäbe, wobei das Material der absorbierenden Dünnschicht auch Material mindestens einer Interferenzschicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft:

a) ein Verfahren zur Realisierung eines optischen Dünnschicht-Bandpassfilters;
b) ein optisches Dünnschicht-Bandpassfilter;
c) ein optisches Bauelement mit einem Dünnschicht-Bandpassfilter;
d) eine Verwendung der genannten Bauelemente für Bräunungsanlagen;
e) eine Bräunungsanlage mit einem solchen Bauelement.

In Geräten für die Erzeugung von Kosmetikeffekten (Bräunung) sowie Therapieeffekten werden u.a. UV-Hochdruckbrenner verwendet. Neben der für den erwünschten Bräunungseffekt notwendigen UVA-Strahlung emittieren solche Brenner auch im UVC-, UVB- sowie im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich. Die erwähnten Bereiche sind wie folgt definiert:

UVC:	100 nm ≤ λ ≤ 280 nm;
UVB:	280 nm ≤ λ ≤ 315 nm;
UVA:	315 nm ≤ λ ≤ 380 nm;
sichtbare Strahlung (VIS):	380 nm ≤ λ ≤ 780 nm;
nahe Infrarotstrahlung (NIR):	780 nm ≤ λ ≤ 1,4 nm.

Aus Gesundheitsgründen sind UVC-, UVB-Strahlungen un erwünscht, aus Komfortgründen eine zu starke Strahlung im visuellen und im nahen Infrarotbereich. Deshalb ist es üblich, die Strahlung der erwähnten UV-Brenner zu filtern, dabei den erwünschten UVA-Strahlungsbereich bei maximaler Transmission zu übertragen.

Es ist bekannt, für solche Filter verschiedene, sog. UV-Gläser einzusetzen, beispielsweise Uvisol oder M-UG 2 der Firma Deutsche Spezialglas AG. Beim Einsatz solcher UV-Gläser muss zur ausreichenden Abblockung der Erythem-auslösenden UVB-Strahlung, welche unmittelbar an den auszunützenden UVA-Strahlungsbereich angrenzt, ein Klarglas mit entsprechender Absorptionskante eingesetzt werden.

Der Nachteil solcher UV-Gläser ist neben einer gewissen Solarisation, d.h. Verschiebung des Transmissionsverhaltens aufgrund von Strahlungseinflüssen, die geringe Transmission für die auszunützende UVA-Strahlung. Die Solarisation des Klarglases führt zu einer Verschiebung seiner Absorptionskante hin zu längeren Wellenlängen, wodurch im Betrieb, der UVA-Anteil zusätzlich noch unkontrolliert abnehmen kann. Wegen der relativ geringen UVA-Transmission ist weiter die Verwendung von UV-Lampen mit sehr hoher Leistung, beispielsweise 2 bis 4kW-Brennern, notwendig. Damit verbunden ist auch ein sehr hoher Aufwand für die Kühlung des Gerätes sowie ein hoher Energieverbrauch.

Seit einiger Zeit stehen beispielsweise von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung entwickelte Viel schichtinterferenz-Filter zur Verfügung, bestehend aus Wechselschichten mit hohen und tiefen Brechungswerten, wie beispielsweise aus Ta₂O₅ einerseits und SiO₂ anderseits. Sie ergeben als UVA-Filter eine wesentlich höhere UVA-Transmission.

Aufgrund der Verwendung dünner Metalloxidschichten bei derartigen Interferenzfiltern tritt keine Solarisierung auf. Ein weiterer wesentlicher Vorteil derartiger Interferenzfilter bezüglich UV-Gläsern ist, dass die Schichtmaterialien nahezu absorptionsfrei sind, wodurch sehr hohe UVA-Transmissionen erhalten werden und dabei die Filterkanten gegen das sichtbare Licht einerseits und gegen die UVB-Strahlung anderseits, durch Ausnützung der Interferenzerscheinungen, sehr steil ausgelegt werden können. Durch Anderung der Schichtdicke ist es zudem möglich, die Filterkanten spektral so zu legen, dass die Faltung der Transmissionskurve mit der Pigmentierungskurve maximal wird, was zu optimaler Bräunungswirkung führt, und die Faltung mit der Erythemkurve minimal, wodurch Sonnenbrand vermieden wird.

Bezüglich der Definition der genannten Pigmentierungskurven und der Erythemkurven sei auf DIN 5031 Teil 10 und auf DIN 5050 verwiesen.

Durch Einsatz derartiger Interferenzfilter und zusätzlicher Verwendung von beschichteten UVA-Reflektoren konnten die Anschlussleistungen gewisser UV-Bestrahlungsgeräte wesentlich verringert werden, u.a. aufgrund der hohen UVA-Transmission.

Bei solchen Interferenzfiltern wird beidseitig des Glassubstrates ein Vielschichtensystem aufgebracht. Das eine dient der Abblockung der UVB- und UVC-Strahlung, das andere der Abblockung der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung. Daraus resultiert, als Nachteil derartiger Systeme, wegen der beidseitigen Beschichtung, dass gesamthaft eine relativ große Anzahl von Schichten vorgesehen werden muss, ca. 70, was zu einem relativ hohen Herstellungspreis führt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, diesen Nachteil zu beheben und ein Verfahren zur Realisierung eines Dünnschicht-Bandpassfilters, einen solchen Bandpassfilter sowie ein optisches Bauelement mit einem derartigen Filter anzugeben, bei dem das gewünschte Filterverhalten mit einem Filter mit verringertem Herstellungsaufwand erreicht werden kann, wobei das Absorptionsverhalten des Filters beeinflussbar ist. Ferner sollen Anwendungen eines solchen Filters angegeben werden.

Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art (a) durch dessen Ausbildung nach Anspruch 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.

Gegenüber den erwähnten vorbekannten Filterverfahren mittels reiner Interferenzfilter wird erfindungsgemäß eine der beiden Filterkanten im wesentlichen nicht durch Ausnützung von Interferenzerscheinungen realisiert, sondern durch eine materialinhärente Absorptionskante eines Dünnschichtmaterials, welche zwischen dem zu transmittierenden bzw. zu reflektierenden und dem abzublockenden Spektralbereich liegt.

Zur Realisierung des Dünnschicht-Bandpassfilters wird beim erfindungsgemäßen Vorgehen, in Minimalkonfiguration, das Vorsehen nur einer einzigen Dünnschicht eines entsprechend selektionierten und zusammengesetzten Materials notwendig, um eine erste Absorptionskante zu erhalten. Insbesondere beim Einsatz für Therapie- bzw. Bräunungsgeräte, zur Abblockung des sichtbaren Strahlungs- sowie des nahen Infrarotbereiches, ergibt die erfindungsgemäß genutzte materialinhärente Absorptionskante des Materials einer Dünnschicht eine wesentliche Reduktion der Interferenz-Dünnschichtenzahl, welche im wesentlichen nurmehr aus den weiteren zu erfüllenden spektralen Bedürfnissen für die andere Absorptionskante resultiert. Dadurch werden die entsprechend realisierten optischen Dünnschicht-Filterelemente, seien dies z.B. Transmissionsfilter, selektive Spiegel etc., wesentlich wirtschaftlicher herstellbar.

Bei reinen Interferenzfiltern kann die exakte spektrale Lager der Filterkante durch Bemessung der Interferenzschichtdicken eingestellt werden.

Bei der Lösung der eingangs genannten Aufgabe, bei welcher eine Filterkante zwischen zu transmittierendem oder zu reflektierendem UVA-Spektralbereich und auszufilterndem UVB-Spektralbereich im wesentlichen durch die Ausnützung der spektralen Absorptionskante eines Materials realisiert wird, wurde nun erkannt, dass sich die genannte Lage durch Variation der Zusammensetzung des genannten Materials exakt einstellen lässt.

Eine UV-absorbierende Dünnschicht aus einem Cer-Silicium-Mischoxid, deren Absorptionskante sich durch eine Änderung des Mischungsverhältnisses um einige nm verschieben lässt, ist in DE-AS 1 157 002 offenbart.

Im weiteren wird unter einer dünnen Schicht oder Dünnschicht eine Schicht verstanden, die durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren abgelegt ist, wie z.B. durch PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder PECVD-Verfahren. Zusätzlich kann eine solche Schicht auch durch ein CVD-Verfahren bei Drücken über Atmosphärendruck hergestellt sein.

Aus der FR-A-2 362 412 (US-A-4 158 133) und der FR-A-2 626 981 sind optische Filter bekannt, die aus "Absorptionsfiltern" und Interferenzfiltern zusammengesetzt sind. Im Unterschied zur Grundlage der vorliegenden Erfindung, nämlich die Absorptionskante eines Dünnschichtmaterials auszunützen, werden dort als Absorptionsfilter eingefärbte Gläser eingesetzt, die nicht Teil des Interferenz-Dünnschichtfiltersystems bilden. Damit gehen diese Schriften eigentlich denjenigen Weg, der, bezüglich UV-Strahlung, mit sogenannten UV-Gläsern oben erwähnter Art begangen wird.

Zum Stande der Technik wird weiter auf die EP-A-0 410 160 (US-A-5 138 485) verwiesen.

Die DE 39 20 043 A offenbart ein Kantenfilter, das aus einem Absorptions- und einem Interferenzfilter aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäßen Dünnschicht-Bandpassfilter sind wesentlich weniger aufwendig als Dünnschicht-Bandpassfilter, welche ausschließlich auf Interferenz basieren, weil dadurch wesentlich weniger Interferenzschichten vorzusehen sind.

Dabei hat sich gezeigt, dass bevorzugterweise, ohne dass im heutigen Zeitpunkt ausgeschlossen werden könnte, dass sich auch andere Materialien hierzu eignen, ein Oxid, Oxinitrid, Sulfid oder Fluorid eines Metalls oder einer Metalllegierung als an der Zusammensetzung des genannten Dünnschichtmaterials mindestens beteiligt ist.

Dem Wortlaut von Anspruch 5 folgend, hat sich dabei gezeigt, dass sich bevorzugterweise die Einstellung der spektralen Lage der Absorptionskante des Dünnschichtmaterials durch Variation des Legierungsverhältnisses und/oder des Anteilverhältnisses mindestens eines Oxides und/oder Oxinitrides und/oder Sulfides und/oder Fluorides und/oder des Verhältnisses y/x des Stickstoffes zum Sauerstoff eines Oxinitrides des Metalls oder der Metalllegierung vornehmen lässt.

Wenn von Komponenten des Materials gesprochen wird, deren Anteilsverhältnis ausgenützt wird, um die spektrale Lage der Absorptionskante einzustellen, so ist darunter sowohl eine mehrphasige Mischung des Materials zu verstehen, indem beispielsweise unterschiedliche Kristalle nebeneinander im Material vorhanden sind oder indem, einphasig, Mischkristalle, beispielsweise bei Oxiden der Formel (Me₁, Me₂)O_x vorliegen. Im allgemeinen wird deshalb von der "Zusammensetzung" des Materials gesprochen.

Insbesondere für das Legen der Absorptionskante des erwähnten Dünnschichtmaterials im wesentlichen zwischen den UVB- und den UVA-Bereich wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante nach dem Wortlaut der Ansprüche 6 bis 9 vorgegangen.

Nebst Ta₂O₅ eignen sich mit einiger Wahrscheinlichkeit zur Feineinstellung der Absorptionskante an einem Dünnschichtmaterial, das mindestens zu einem wesentlichen, vorzugsweise zu einem überwiegenden Anteil aus Nb₂O₅ besteht, auch ein oder mehrere folgender Materialien:
HfO₂, Al₂O₃, SiO₂, Y₂O₃, ZrO₂, ScO₂, MgF₂, ZnS oder weitere Fluoride oder Sulfide.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, insbesondere zum Einstellen der Absorptionskante, im wesentlichen zwischen den UVB- und den UVA-Spektralbereich, wird vorgeschlagen, nach dem Wortlaut von Anspruch 10 vorzugehen. Wird nämlich zu einem wesentlichen Anteil, vorzugsweise zu einem überwiegenden der Zusammensetzung des erwähnten Dünnschichtmaterials, mindestens ein Oxinitrid eingesetzt, vorzugsweise TaO_xN_y, HfO_xN_y oder ZrO_xN_y, so kann vorzugsweise mit dem Verhältnis y/x die spektrale Lage der Absorptionskante eingestellt werden und/oder gegebenenfalls auch durch Wahl des Verhältnisses mindestens eines Oxinitrides mit einem weiteren Material in der Zusammensetzung, wie beispielsweise einem Oxid.

Bei Einsatz von HfO_xN_y mindestens als wesentlichen, vorzugsweise überwiegenden Anteil der Materialzusammensetzung wurde dabei gefunden, dass zur Einstellung der Absorptionskante zwischen UVB- und UVA-Bereich das Verhältnis y / x+y vorzugsweise gewählt wird, wie in Anspruch 11 spezifiziert.

Grundsätzlich hat sich auch gezeigt, dass, gemäß Wortlaut der Ansprüche 12 bis 14, Zirkonoxinitrid, Tantaloxinitrid, Titanoxid oder Zinksulfid ausgezeichnet geeignet sind, um in der Zusammensetzung je einzeln oder in selektiv gewähltem Verhältnis mit anderen Materialien, die Lage der Absorptionskante des erwähnten Dünnschichtmaterials einzustellen, insbesondere auch zwischen dem UVA- und UVB-Bereich.

Ein erfindungsgemäßes optisches Dünnschicht-Bandpassfilter ist in Anspruch 15 definiert.

Ein optisches Dünnschicht-Bandpassfilter, welches, ausgehend von der eingangs erstgenannten Aufgabe, Licht aus dem UVB-Spektralbereich abblockt, und Licht aus dem UVA-Bereich transmittiert, zeichnet sich nach dem kennzeichnenden Wortlaut von Anspruch 16 aus.

Bevorzugte Ausführungsvarianten der erwähnten optischen Dünnschicht sind in den Ansprüchen 17 bis 23 spezifiziert.

Unter Ausnützung dieser erfindungsgemäßen Dünnschicht-Bandpassfilter wird weiter, gemäß Wortlaut von Anspruch 24, ein optisches Bauelement mit mindestens einem derartigen Dünnschicht-Bandpassfilter erfindungsgemäß vorgeschlagen bzw. gemäß Wortlaut von Anspruch 25 ein optisches Bauelement, bei welchem die Filterkante gegen kürzere Wellenlängen hin im wesentlichen durch die Absorptionskante eines Dünnschichtmaterials festgelegt ist und die Filterkante gegen längere Wellenlängen hin im wesentlichen durch Interferenz an Interferenzschichten.

Bevorzugte Ausführungsvarianten der erwähnten optischen Bauelemente zeichnen sich nach den Ansprüchen 26 bis 30 aus, eine bevorzugte Verwendung eines solchen Bauelementes nach Anspruch 31.

Aufgrund der Tatsache, dass durch das erfindungsgemäße Vorgehen bzw. die daraus resultierenden optischen Bauelemente ein verringerter Fertigungs- und Materialaufwand zur Strahlungsfilterung ergibt, ergibt sich eine erfindungsgemäße Bräunungsanlage nach Anspruch 32, welche, entsprechend, günstiger hergestellt werden kann, d.h. einen wesentlichen kommerziellen Vorteil aufweist, wobei gleichzeitig UV-Strahler relativ geringer Leistung eingesetzt werden können.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

1 den Verlauf der Transmission über der Lichtwellenlänge eines erfindungsgemäss bevorzugterweise mit seiner Absorptionskante für die UVB-/UVA-Trennung genutzten Materials, nämlich von Nb₂O₅ auf Quarzglas (HERASIL);

2 den Verlauf der Transmission von Quarzglas (HERASIL);

3 in einer Darstellung wie in 1, die Transmissionskurve eines weiteren, bevorzugterweise erfindungsgemäss genutzten Materials, nämlich eines Materialgemisches aus ca. 70Gew% Nb₂O₅ und ca. 30Gew% Ta₂O₅ auf BK-7-Glas;

4 die Transmissionskurve von BK-7-Glas;

5(a) den Transmissionsverlauf eines erfindungsgemässen, als Transmissionsfilter ausgelegten optischen Bauelementes, speziell ausgelegt für die Bedürfnisse an Bräunungsanlagen;

5(b) den Verlauf eines ausschliesslich auf Interferenz basierenden, bekannten Filterelementes der Anmelderin, zum Vergleich;

6 den Transmissionsverlauf des erfindungsgemässen optischen Transmissionsfilters ge mäss 5(a) sowie, gestrichelt, die durch geändertes Mischungsverhältnis am erfindungsgemäss eingesetzten Material verschobene, im wesentlichen durch die Absorptionskante des Mischmaterials festgelegte Filterkante zwischen dem UVA- und UVB-Bereich;

7 die Transmissionskurve von Klarglas (SOLADUR);

8 die Verteilung der 50% Transmissionspunkte und der 10% Transmissionspunkte für HfO_xN_y und ZrO_xN_y bei variierendem y/x-Verhältnis so, vergleichsweise von Nb₂O₅ und Nb₂O₅ (70%)/Ta₂O₅ (30%);

9a–9c drei Transmissionsverläufe an HfO_xN_y-Schichten mit verschiedenen Verhältnissen y/x.

In 1 ist der Transmissionsverlauf an einem bevorzugterweise eingesetzten Material, nämlich an Nb₂O₅, dargestellt. Die Transmissionskurve wurde an einer Nb₂O₅-Einzelschicht der Dicke d = 200nm aufgenommen, auf einem Substrat aus Quarzglas. Aus Uebersichtsgründen sind über der Wellenlängenachse in 1 die eingangs definierten Spektralbereiche eingetragen.
Daraus ist nun ersichtlich, dass die materialinhärente Absorptionskante K von Nb₂O₅ bei Licht einer Wellenlänge von ca. 348nm durch den 50%-Wert durchläuft, d.h. bei 348nm ist die Absorption und Restreflexion ca. 50%. Für Nb₂O₅ wird eine Mindestschichtdicke von 10nm, vorzugsweise eine Dicke von über 200nm vorgeschlagen.
Wird das erfindungsgemässe Material als Material zweier oder mehrerer Schichten in einem Mehrschichtsystem eingesetzt, so gelten diese Dickenangaben für die Summe der Dicken der vorgesehenen Schichten aus dem genannten Material.
Weiter ist ersichtlich, dass aufgrund des materialinhärenten Absorptionsverhaltens von Nb₂O₅ bereits eine gute Sperrung des UVB-Spektralbereiches bei hoher Transmission im UVA-Bereich erreicht wird. Beim wie oben definiert festgelegten Grenzwert zwischen UVA- und UVB-Bereich, nämlich bei 315nm, ist die verbleibende Transmission weniger als 8%, entsprechend einer Absorption und Restreflexion von mehr als 92%, bei einer Wellenlänge von 370nm ist die Transmission ca. 88%, entsprechend einer verbleibenden Absorption und Restreflexion von ca. 12%.
In 2 ist die Transmission des verwendeten Substrates Quarzglas (HERASIL) dargestellt.
In 3 ist die Transmission analog zur Darstellung von 1 eines bevorzugterweise für die UVB-/UVA-Trennung eingesetzten Materialgemisches aus ca. 70% Nb₂O₅ und ca. 30% Ta₂O₅ dargestellt, wiederum bei senkrechtem Lichteinfall an einer Einzelschicht der Dicke 300nm, aufgebracht auf BK-7-G1as, aufgenommen. Es ist erkenntlich, dass bei der Grenzwellenlänge von 315nm die Absorption und Restreflexion ca. 96% beträgt, die minimale Absorption und Restreflexion, entsprechend höchster Transmission, ca. 89% beträgt bei einer Wellenlänge von ca. 390nm. Der 50%-Transmissions- bzw. Absorptions- und Restreflexionspunkt liegt hier bei ca. 338nm.
Mit diesem Materialgemisch wird eine Mindestschichtdicke von 10nm, vorzugsweise von über 250nm vorgeschlagen.
Wird das erfindungsgemässe Material als Material zweier oder mehrerer Schichten in einem Mehrschichtsystem eingesetzt, so gelten diese Dickenangaben für die Summe der Dicken der vorgesehenen Schichten aus dem genannten Material.
4 zeigt den Transmissionsverlauf von BK-7-G1as.
Mit dem erfindungsgemäss bevorzugten Material aus ca. 70% Nb₂O₅ und ca. 30% Ta₂O₅ wurde nun ein Transmissionsfilter auf Klarglas Soladur der Firma Desag aufgebaut, dessen spektrale Transmissionscharakteristik in 7 dargestellt ist. Das Transmissionsfilter wurde speziell für die Anforderungen bei UV-Kosmetik- bzw. Therapie-Bräunungsanlagen ausgelegt, d.h. es wurde, nebst einer Abblockung des UVB- und UVC-Bereiches, eine Abblockung der Strahlung im visuellen Bereich und im nahen Infrarotbereich angestrebt. Das Soladur-Glassubstrat wurde nur einseitig beschichtet und das erfindungsgemäss mit seiner materialinhärenten Absorptionskante genutzte Material zur Bildung der Filterkante zwischen UVB- und UVA-Bereich gleich zeitig als Interferenzschichtmaterial höheren Brechungsindexes eingesetzt, mit Schichten tieferen Brechungsindexes aus SiO₂. Das Filter ist, ausgehend vom Glassubstrat, wie folgt aufgebaut:
Hergestellt wurden die Interferenzfilterschichten durch Elektronenstrahlverdampfen einerseits des Materialgemisches (Nb₂O₅, Ta₂O₅), andererseits des SiO₂.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Technik zum Ablegen der Interferenzschichten, auch denen aus dem erfindungsgemässen Material, im Rahmen des dem Fachmann Geläufigen wenig kritisch ist. Die Schichten können abgelegt werden durch

– Verdampfen: – aus Schiffchen – Elektronenstrahlverdampfen aus Tiegel, bevorzugt ionenunterstützt

– Sputtern: mit AC, DC oder AC + DC ion-beam

– ion plating etc.

oder durch CVD-, PECVD-Verfahren oder Mischformen.
Die Schichten können dabei reaktiv hergestellt werden oder, wie im angeführten Beispiel, nichtreaktiv.
Materialgemische können weiter durch Vorsehen getrennter Quellen für die Mischmaterialien realisiert werden oder, wie im aufgeführten Beispiel, durch Vorsehen einer Mischmaterialquelle.
In 5 bezeichnet die ausgezogene Kurve (a) die Transmission des erfindungsgemässen Filters. Daran ist die Bandpass-Filterkante zwischen dem UVA-Bereich und UVB-Bereich im wesentlichen durch die Absorptionskante des eingesetzten Nb₂O₅-, Ta₂O₅-Gemisches gemäss 3 gegeben, während die Filterkante, welche den UVA-Bereich gegen den visuellen Bereich hin abgrenzt, durch Interferenzwirkung der oben angegebenen Schichtabfolge realisiert ist. An einem solchen optischen Bandpasselement wird mithin erfindungsgemäss die Filterkante gegen kleinere Wellenlängen hin im wesentlichen durch die Absorptionskante des eingesetzten Materials, hier des erwähnten Gemisches, festgelegt, während die Filterkante gegen höhere Wellenlängen hin durch Interferenzwirkung erzielt ist. Dabei wird oder werden erfindungsgemäss eine oder mehrere Schichten aus dem erwähnten Material, dessen Absorptionskante genutzt wird, vorzugsweise gleichzeitig als Interferenzschicht(en) eingesetzt, vorzugsweise als Interferenzschicht(en) höherbrechenden Materials.
Es ist aber durchaus und erfindungsgemäss möglich, für ein Interferenzschichtsystem zwei Materialien einzusetzen, die mit dem erfindungsgemäss genutzten nicht zwingend übereinstimmen, und mindestens eine zusätzliche Schicht aus dem erfindungsgemässen Material vorzusehen, deren Dicke so bemessen ist, dass die Sperrung das geforderte Mass erreicht.
In 5 ist gestrichelt (b) die Transmissionskurve eines bekannten UV-Filters dargestellt, welches aufgebaut ist aus zwei Mehrschichtsystemen beidseitig des verwendeten Substrates, wie eingangs beschrieben wurde. Das bekannte Vergleichsfilter gemäss (b) ist wie folgt aufgebaut: Stand der Technik (Dicken in nm)

A: Ta₂O₅

B: SiO₂
In 6 ist, ausgezogen, die Transmissionscharakteristik (a) gemäss 5(a) des erfindungsgemässen Filters dargestellt.
Gestrichelt ist in 6 der Transmissionsverlauf dargestellt, wenn, ausgehend vom bereits oben definierten Filter, als Material ca. 60Gew% Nb₂O₅ und ca. 40% Ta₂O₅ eingesetzt wird. Deutlich ist die Verschiebung der aus der materialinhärenten Absorptionskante resultierenden Filterkante zwischen UVA und UVB ersichtlich, welche mit Bezug auf das Filter (a) gemäss 5 zu grösseren Wellenlängen hin (b) verschoben ist.
Durch gezielte Optimierung des erwähnten Materialgemisches kann eine Maximierung der UVA-Transmission und dabei eine Minimierung der UVB-Transmission realisiert werden. Misst man an beiden Filtern gemäss 5, d.h. dem herkömmlichen nach (b) und dem er findungsgemässen nach (a), jeweils die transmittierte Leistung im UVB-Bereich, im UVA-Bereich sowie im nahen Infrarotbereich und gewichtet dabei die im UVA-Bereich transmittierte Leistung mit der Pigmentierungskurve nach DIN 5031 Teil 10, so ergibt sich, dass die erreichte Pigmentierung mit dem erfindungsgemässen Filter etwas besser ist als mit dem bekannten Vergleichsfilter nach (b) von 5, dass weiter die transmittierte Leistung im UVB-Bereich beim erfindungsgemässen Filter ca. 25% geringer ist als beim Vergleichsfilter, und dass weiter die transmittierte Leistung beim erfindungsgemässen Filter im nahen Infrarot ca. 20% geringer ist.
Damit ist es erfindungsgemäss möglich, Filter und insbesondere UV-Filter für Bräunungsgeräte kostengünstiger herzustellen, welche mindestens den gleichen Anforderungen genügen wie herkömmliche Interferenz-UV-Filter mit beidseitig des Substrates vorgesehenen Interferenzschichtsystemen.
In 7 ist die Transmission von Klarglas (SOLADUR) dargestellt.
Es wurden nun weiter Schichten aus HfO_xN_y sowie ZrO_xN_y untersucht. Beispielsweise sind in folgender Tabelle die untersuchten HfO_xN_y zusammengestellt:
HfO_xN_y-Schichten auf Quarzglas
Die resultierenden 10% und 50% Transmissionswerte der erwähnten HfO_xN_y-Schichten sind in 8 eingetragen. Desgleichen sind die 10%/50% Transmissionswerte, erhalten bei ZrO_xN_y bei variierendem Stickstoffanteil in der Schicht eingetragen und als Vergleichswerte diejenigen von Nb₂O₅ gemäss 1 und von Nb₂O₅/Ta₂O₅ gemäss 3.
Daraus ist ersichtlich, dass insbesondere zur Trennung des UVB-Spektralbereiches vom UVA-Spektralbereich Oxinitride eingesetzt werden können, woran die Lage der Absorptionskante durch das Verhältnis y/x feineingestellt wird. Selbstverständlich können für andere Filterbedürfnisse in anderen Spektralbereichen andere Materialien, insbesondere Oxide, Sulfide, Fluoride und Oxinitride, eingesetzt werden bzw. Mischungen solcher Substanzen oder von Mischungen einzelner solcher Substanzen mit anderen Materialien.
8 zeigt aber deutlich, wie erfindungsgemäss durch Variation der Materialkomponenten, hier Stickstoff- zu Sauerstoffanteil, die materialinhärente Ab sorptionskante feinabgestimmt werden kann.

Claims

Verfahren zur Realisierung eines optischen Dünnschicht-Bandpassfilters, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem sowie mindestens einer absorbierenden Dünnschicht, bei dem die spektrale Lage der Absorptionskante der absorbierenden Dünnschicht durch Einstellung der Zusammensetzung des Materials der Dünnschicht aus zwei Komponenten festgelegt wird, worin die eine Komponente eine Absorptionskante oberhalb und die andere Komponente unterhalb der gewünschten Stelle der Absorptionskante ergäbe, wobei das Material der absorbierenden Dünnschicht auch Material mindestens einer Interferenzschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskante der Dünnschicht zwischen zu transmittierendem oder zu reflektierendem UVA-Spektralbereich und auszufilterndem UVB-Spektralbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkante gegen kürzere Wellenlängen durch die materialinhärente Absorptionskante des Materials der Dünnschicht und die Filterkante gegen größere Wellenlängen hin mittels Dünnschichtinterferenz an dem Interferenzschichtsystem festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Oxid, Oxinitrid, Sulfid oder Fluorid eines Metalls oder einer Metalllegierung als Material der Dünnschicht oder als Anteil davon einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Einstellung der spektralen Lage der Absorptionskante durch Variation des Legierungsverhältnisses und/oder des Anteilverhältnisses mindestens eines Oxides und/oder Oxinitrides und/oder Sulfides und/oder Fluorides und/oder durch das Verhältnis y/x des Stickstoffes zum Sauerstoff an einem Oxinitrid in der Zusammensetzung des Materials der Dünnschicht vornimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Dünnschicht mindestens zu einem wesentlichen, vorzugsweise zu einem überwiegenden Anteil Nb₂O₅ eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Material-Zusammensetzungsanteil Nb₂O₅ mindestens einen weiteren aus Ta₂O₅ beifügt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens 50 Gew%, vorzugsweise mindestens 60 Gew%, und weiter vorzugsweise mindestens 70 Gew%, Nb₂O₅ und als vorzugsweise überwiegenden Restanteil Ta₂O₅ im Material der Dünnschicht vorsieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man als Material der Dünnschicht eine Zusammensetzung mit ca. 70 Gew% Nb₂O₅ und ca. 30 Gew% Ta₂O₅ einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als wesentlichen, vorzugsweise als überwiegenden Anteil der Zusammensetzung des Materials der Dünnschicht mindestens ein Oxinitrid einsetzt, vorzugsweise mindestens eines der Gruppe TaO_xN_y, HfO_xN_y, ZrO_xN_y, und die spektrale Lage der Absorptionskante des Materials mit dem Verhältnis y/x und/oder durch ein Zusammensetzungsverhältnis mindestens eines Oxinitrides und eines weiteren Materials einstellt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens als wesentlichen, vorzugsweise überwiegenden Anteil am Material der Dünnschicht HfO_xN_y einsetzt und dabei y/(x + y) wie folgt wählt: 0,2 ≤ y/(x + y) ≤ 0,5, vorzugsweise 0,25 ≤ y/(x + y) ≤ 0,45, dabei weiter vorzugsweise y/(x+y) = ca. 0,35.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man zu einem wesentlichen, vorzugsweise zu einem überwiegenden Anteil am Material der Dünnschicht ZrO_xN_y einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens als wesentlichen, vorzugsweise überwiegenden Anteil des Materials der Dünnschicht TaO_xN_y einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens zu einem wesentlichen Anteil am Material der Dünnschicht TiO₂ und/oder ZnS vorsieht.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter, bestehend aus einem Interferenzschichtsystem sowie mindestens einer absorbierenden Dünnschicht, bei dem die spektrale Lage der Absorptionskante der absorbierenden Dünnschicht durch Einstellung der Zusammensetzung des Materials der Dünnschicht aus zwei Komponenten festgelegt wird, worin die eine Komponente eine Absorptionskante oberhalb und die andere Komponente unterhalb der gewünschten Stelle der Absorptionskante ergäbe, wobei das Material der absorbierenden Dünnschicht auch Material mindestens einer Interferenzschicht ist.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskante der Dünnschicht in einem Bereich zwischen dem UVB-Spektralbereich und dem UVA-Spektralbereich liegt und die Schicht Strahlung aus dem UVA-Bereich transmittiert und aus dem UVB-Bereich absorbiert.
Optische Dünnschicht-Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht mindestens zu einem wesentlichen, vorzugsweise zu einem überwiegenden Anteil aus Nb₂O₅ besteht.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht zum überwiegenden Teil Nb₂O₅ umfasst und der Restanteil Ta₂O₅ vorzugsweise in überwiegendem Masse.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht mindestens 50 Gew%, vorzugsweise mindestens 60 Gew%, dabei insbesondere vorzugsweise mindestens 70 Gew% Nb₂O₅ umfasst, und dass der verbleibende Zusammensetzungsanteil vorzugsweise in überwiegendem Anteil Ta₂O₅ umfasst.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht zu einem wesentlichen, vorzugsweise zu einem überwiegenden Anteil ein Oxid, Oxinitrid, Sulfid und/oder Fluorid eines Metalls oder einer Metalllegierung umfasst.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Lage der Absorptionskante durch das Legierungsverhältnis und/oder das Anteilverhältnis mindestens eines Oxides und/oder Oxinitrides und/oder Sulfides und/oder Fluorides und/oder durch das Verhältnis y/x des Stickstoff- zu Sauerstoffanteils eines Oxinitrides in der Zusammensetzung festgelegt ist.
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht mindestens im wesentlichen, vorzugsweise zu überwiegendem Anteil HfO_xN_y ist und dabei gilt: 0,2 ≤ y/(x + y) ≤ 0,5, vorzugsweise 0,25 ≤ y/(x + y) ≤ 0,45, vorzugsweise y/(x+y) = ca. 0,35
Optisches Dünnschicht-Bandpassfilter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Dünnschicht zu einem wesentlichen, vorzugsweise überwiegenden Anteil aus ZrO_xN_y und/oder TaO_xN_y und/oder TiO₂ und/oder ZnS besteht.
Optisches Bauelement mit mindestens einem Dünnschicht-Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 15 bis 23.
Optisches Bauelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkante gegen kürzere Wellenlängen durch die Absorptionskante des Materials der Dünnschicht festgelegt ist und die Filterkante gegen längere Wellenlängen durch Interferenz an den Interferenzschichten des Interferenzschichtsystems.
Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenz an den Interferenzschichten die spektrale Charakteristik des Bauelementes spektral abseits der erwähnten Absorptionskante festlegt.
Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Transmissions-Bandpassfilter ist, im UVA-Bereich transmittiert, mit der Absorptionskante den UVB-Bereich abblockt und dass die Interferenzschichten Strahlung im visuellen und/oder im nahen Infrarot-Spektralbereich abblocken.
Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskante im Bereich zwischen UVB und UVA liegt, seine Transmission bei 315 nm höchstens 1 % und bei 340 nm mindestens 40 %, vorzugsweise mindestens 42 % beträgt.
Optisches Bauelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission bei 450 nm höchstens 15 %, vorzugsweise höchstens 12 % beträgt und vorzugsweise mindestens bis zu Wellenlängen von 900 nm unterhalb dieses Wertes liegt.
Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskante des Materials bei 315 nm höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 8 %, weiter vorzugsweise höchstens 4 % Transmission und eine maximale Transmission von mindestens 85 %, vorzugsweise von mindestens 88 %, vorzugsweise gar von mindestens 89 % innerhalb des UVA-Spektralbereiches, vorzugsweise bei 370 nm, vorzugsweise unterhalb 400 nm definiert.
Verwendung des optischen Dünnschicht-Bandpassfilters nach einem der Ansprüche 15 bis 23 oder des optischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 24 bis 30 für Bräunungsanlagen zu Kosmetik- oder Therapiezwecken.
Bräunungsanlage mit mindestens einem optischen Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 30 im Strahlungspfad zwischen UV-Strahler und optischem Ausgang der Anlage.