DE4442045A1 - Interferenzfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Interferenzfil­ ter zur Filterung eines bestimmten Spektralbereiches aus dem elektromagnetischen Spektrum im UV-, VIS- und NIR-Bereich wesentliche Anwendungsbereiche solcher Interferenzfilter sind die optische Meßtechnik und die Optik für Photo-, Print- und Videotechnik und dabei insbesondere der Bereich optischer Sensoren und mikrooptische und mikroelektronische Verwendungsmög­ lichkeiten.

Interferenzfilter gehören zu den klassischen Anwen­ dungen dünner optischer Schichten. Von Geffcken [W. Geffcken, DRP 716,153 (1942)) wurde das erste Dünn­ schicht-Fabry-Perot-Filter durch Aufdampfen im Hoch- Vakuum praktisch realisiert, indem zwischen zwei hochreflektierende, aber noch teildurchlässige Me­ tallschichten eine dielektrische Abstandsschicht mit definiert eingestellter Dicke angeordnet wurde. Die Schichtfolge Metallschicht/Dielektrische Schicht/Me­ tallschicht ist als Metall-Dielektrik-Filter der er­ ste von drei Filtergrundtypen.

Die hochreflektierenden Metallschichten in der Fabry- Perot-Anordnung sind sehr schnell durch dielektrische Wechselschichtsysteme ersetzt worden [H. D. Polster, J. Opt. Soc. Am. 42, 347-350 (1952)]. Sowohl die Ab­ standsschicht als auch die Reflektoren sind jetzt rein dielektrische Schichten, das so bezeichnete All- Dielektrik-Filter ist der zweite Filtergrundtyp.

Die Interferenz in dünnen optischen Schichten ermög­ licht auch die Entspiegelung von Metallschichten. Von Berning und Turner [P. H. Berning and A. F. Turner, J. Opt. Soc. Am. 47, 230-239 (1957)] stammt dazu die Theorie der Induzierten Transmission. Der Schichtauf­ bau dielektrisches Schichtsystem/Metallschicht/die­ lektrisches Schichtsystem unter der Bedingung, daß die Reflexion des Systems bei der Filterwellenlänge Null ist, wird als Induced-Transmission-Filter be­ zeichnet und stellt den dritten Filtergrundtyp dar.

Die Qualität und Eignung von Interferenzfiltern wird durch seine Filterfunktion bestimmt, wesentlich ist dabei der Verlauf der Transmission in Abhängigkeit Von der Wellenlänge, mit einem Durchlaßbereich hoher Transmission und einem Sperrbereich sehr niedriger Transmission.

Folgende Parameter sind dabei wesentlich:

• - die Peaktransmission (maximale Transmission im Durchlaßbereich);
• - die Halbwertsbreite (spektrale Breite des Durch­ laßbereiches bei der halben Peaktransmission);
• - der Q-Wert (Form des Durchlaßbereiches als Quo­ tient aus Zehntelwertsbreite und Halbwertsbrei­ te, wobei die Zehntelwertsbreite die spektrale Breite bei einem Zehntel der Peaktransmission ist);
• - die Mittenwellenlänge, (eigentliche Filterwel­ lenlänge);
• - die Blocktiefe (maximal zulässige Transmissions­ wert im Sperrbereich) und
• - den Sperrbereich selbst durch Angabe des Wellen­ längenbereiches, indem die Blocktiefe erreicht werden muß.

Notwendig ist bei der Festlegung der Filterfunktion immer ein Kompromiß zwischen der zu erreichenden Peaktransmission im Durchlaßbereich, der Blocktiefe im Sperrbereich und der Breite des Sperrbereiches, da die Möglichkeiten zur Beeinflussung des Sperrberei­ ches immer auch die Transmission im Durchlaßbereich beeinflussen.

Bei den bisher bekannten Interferenzfiltern ist für die Filterung eines bestimmten Spektralbereiches aus dem elektromagnetischen Spektrum die Blockung uner­ wünschter Strahlung erforderlich, d. h. die nahezu Vollständige Unterdrückung der durchgehenden Strah­ lung in einem breiten Spektralbereich. Dazu reichen die genannten Filtergrundtypen nicht aus, so daß zu­ sätzliche Blockelemente, die eine weitere, spektral abhängige Unterdrückung der einfallenden Strahlung ermöglichen, verwendet werden müssen. Blockelemente können z. B. Glasfilter (Farbgläser) oder auch Dünn­ schichtanordnungen sein. Metall-Dielektrik-Filter und Induced-Transmission-Filter werden z. B. als Blockele­ mente für All-Dielektrik-Filter eingesetzt. Weitere Blockfilter aus rein dielektrischen Schichten, z. B. Lang- und Kurzpaßfilter, können zusätzlich ent­ sprechend gestellter Anforderungen an den Sperrbe­ reich notwendig sein.

Interferenzfilter, die die gestellten Anforderungen erfüllen sollen und einem der genannten drei Filter­ grundtypen zugehörig sind, werden in der Regel durch Hinzuziehung von Blockelementen, mit denen in Verbin­ dung mit dem Filtergrundtyp die Parameter des Sperr­ bereiches erreicht werden, gebildet. Beide werden in der Regel inkohärent, d. h. ohne Interferenz ermögli­ chende Kopplung durch geeignete Kitte, in einer fe­ sten Halterung mit entsprechendem Luftabstand oder in beliebigem Abstand ohne direkte Kombination miteinan­ der verbunden. Im Gegensatz dazu ist eine kohärente Kopplung zwischen Filter und Blockelementen möglich, wenn Filtergrundtyp und Blockelement, z. B. ein All- Dielektrik-Filter als Filtergrundtyp und ein Metall- Dielektrik-Filter als Blockfilter, in einem Schicht­ system durch eine geeignete dielektrische Kopplungs­ schicht miteinander verbunden und in einem Beschich­ tungsvorgang hergestellt werden.

Es ist weiter bekannt, diese Schichtsysteme auf Sub­ straten abzuscheiden, die beispielsweise auch als Glasfilter wirken können. Dabei bestimmt das Volumen die Absorptionswirkung der Glasfilter und eine be­ stimmte Dicke ist erforderlich, um die gewünschte Blockung zu erreichen. Dies führt zu Gesamtdicken des kompletten Interferenzfilters von mindestens einigen Millimetern.

Der Filteraufbau erfordert auch eine mechanische Fas­ sung oder einen alle Elemente in ihrer Lage fixieren­ den Kittrand. Dies bewirkt zwar einen mechanischen Schutz der Schichtkomponenten gegen Einwirkungen der Umwelt, erhöht aber auch Masse, Größe und Her­ stellungsaufwand.

Bei bekannten Metall-Dielektrik-Filtern werden wenig­ stens drei Schichten in der Folge Metall/Dielektri­ sche Schicht/Metall eingesetzt. Die gesamte Dicke der Metallschichten wird im wesentlichen durch die ge­ wünschte Teildurchlässigkeit im Durchlaßbereich des Filters bestimmt. Die Materialauswahl zu den Metall­ schichten berücksichtigt den Quotient aus Absorp­ tions- zu Brechungsindex im Durchlaßbereich des Fil­ ters und die Änderung des Quotienten im Sperrbereich. Die Mittenwellenlänge des Filters bestimmt die Dicke der Abstandsschicht, unter Berücksichtigung der Pha­ senanpassung an die Metallschicht. Die Abstands­ schicht kann zur Verringerung der Halbwertsbreite des Filters in höherer Ordnung gewählt werden.

Für All-Dielektrik-Filter werden alternierend hoch- und niedrigbrechende Schichten aus im Durchlaßbereich des Filters nahezu absorptionsfreien Materialien ein­ gesetzt, deren optische Dicke jeweils 1/4 der Mitten­ wellenlänge beträgt (Lambda/Viertel-Schichten). Die mittig angeordnete Abstandsschicht ist aus dem hoch- oder niedrigbrechenden Material gebildet und hat eine Dicke von λ/2 der Mittenwellenlänge oder weist eine Dicke in höherer Ordnung davon auf. Es kann auch ein weiteres Material im Wechselschichtsystem verwendet werden, dessen Brechzahl zwischen denen der anderen beiden Materialien liegt.

Bei den Induced-Transmission-Filtern ist zur Phasen­ anpassung an die zwischen den Reflektoren befindliche Abstandsschicht, die in diesem Fall metallisch ist, eine dielektrische Schicht mit einer von λ/4 ab­ weichenden optischen Dicke analog den Metall-Dielek­ trik-Filtern vorhanden. Es sind auch mehrere Metall­ schichten mit dazwischenliegenden dielektrischen Schichten einsetzbar [J. H. Apfel, Appl. Opt. 6, 1303-1312 (1972)]. Dadurch kann bei relativ kleiner Verringerung der Transmission im Durchlaßbereich die Absorptionswirkung im Sperrbereich verbessert werden.

Auf Grund relativ starker Änderungen der komplexen Brechzahl mit der Wellenlänge im Bereich guter Durch­ lässigkeit der Metallschichten ist es sinnvoll, die Dicke der einzelnen Schichten und die Anzahl der Pe­ rioden aufeinander abzustimmen. Die Berechnungen zu den Wechselschichtsystemen und den Schichtendicken zur Phasenanpassung unterliegen bei den Induced- Transmission-Filtern der speziellen Bedingung, daß die Reflexion des Gesamtsystems für die Filterwellen­ länge Null ist. Dazu werden aus der Theorie der Indu­ zierten Transmission abgeleitete Formeln eingesetzt [H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 2nd ed., p. 292-311 (Hilger, Bristol 1986)].

Alle drei Filtergrundtypen können im Mehr-Cavity-De­ sign ausgebildet sein. Cavity bezeichnet die Anord­ nung einer Abstandsschicht zwischen zwei Reflektoren. Damit kann durch Hintereinanderschaltung mehrerer Einheiten die Form des Durchlaßbereiches des Filters beeinflußt werden. In diesem Fall ist jeweils eine dazwischenliegende geeignete Kopplungsschicht erfor­ derlich.

Der Transmissionsverlauf im Durchlaßbereich des Fil­ ters zeigt in der 1-Cavity-Anordnung eine dreieckige Form und wird durch 2-Cavity, 3-Cavity, usw. mit zu­ nehmender Cavity-Zahl rechteckiger. Dabei kann in den einzelnen Cavities eine unterschiedliche Ordnungszahl der Abstandsschicht (verschiedene ganzzahlige Vielfa­ che von λ/2) und unterschiedliche Reflexion bei den Reflektoren verwendet bzw. ausgenutzt werden. Es be­ steht somit die Möglichkeit, die Halbwertsbreite der Filter in Richtung Erhöhung zu beeinflussen.

Bei den bekannten optischen Interferenzfiltern ist der Einsatz verschiedener Komponenten und verschiede­ ner Technologien zu ihrer Herstellung üblich. Filter, die komplett nur aus einem Schichtsystem bestehen (1- Systemfilter) mit dem Substrat als Glasfilter und darauf abgeschiedenem Schichtstapel, gibt es nur für wenige Parameterwerte. Metall-Dielektrik-Filter und Induced-Transmission-Filter können so ausgeführt wer­ den, weisen dann aber immer Halbwertsbreiten von meh­ reren Prozent der Filterwellenlänge und in der Regel nur geringe Blocktiefen auf. Für das Erreichen kleiner Halbwertsbreiten sind höhere Ordnungen in den Abstandsschichten und für große Blocktiefen ist der Mehr-Cavity-Einsatz erforderlich. Das zwingt zum zu­ sätzlichen Einsatz von Blockelementen, gestattet je­ doch trotzdem nicht Halbwertsbreiten kleiner 1% der Filterwellenlänge. Ebenso ist die Formung des Durch­ laßbereiches zum Rechteck durch den Mehr-Cavity-Ein­ satz bei Metall-Dielektrik-Filtern eingeschränkt und bei Induced-Transmission-Filter erschwert bzw. ge­ genwärtig nicht bekannt.

Die All-Dielektrik-Filter gestatten nahezu beliebige Halbwertsbreiten und ermöglichen im Mehr-Cavity-Ein­ satz sehr geringe Q-Werte, d. h. gute Formung des Durchlaßbereiches zum Rechteck mit spektral sehr steilen Übergängen vom Durchlaßbereich zum Sperrbe­ reich. Sie erfordern jedoch immer die Kombination mit mindestens zwei Blockelementen. Zur Sicherung der Transmission, die die rein dielektrischen Schichten theoretisch ermöglichen, werden Blockelemente in Form von Glasfiltern und dielektrische Blockfilter einge­ setzt. Es müssen mindestens drei inkohärent mitein­ ander verbundene Komponenten verwendet werden. Kom­ biniert man All-Dielektrik-Filter, wie bereits be­ schrieben, mit einem Metall-Dielektrik-Filter oder einem Induced-Transmission-Filter, so treten erheb­ liche Transmissionsverluste auf.

Bei den herkömmlichen Interferenzfiltern ist ein ho­ her Herstellungsaufwand erforderlich. Die zur Verbin­ dung und zum Schutz verwendeten Kitte bedingen ver­ schiedene Technologien und größere Filterabmessungen. Außerdem ist eine Strukturierung nur begrenzt mög­ lich. Bekannte 1-Systemfilter weisen hohe Schichten­ zahlen auf, und es lassen sich nicht alle gewünschten Parameter erreichen. Dieser Stand der Technik schränkt insbesondere den Einsatz der Filter für ak­ tuelle Anwendungen in der Optosensorik, der Mikroop­ tik und der Mikrosystemtechnik, insbesondere durch ihre nach wie vor bedingte Größe, stark ein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches In­ terferenzfilter zur Filterung eines bestimmten Spek­ tralbereiches aus dem elektromagnetischen Spektrum im UV-, VIS- und NIR-Bereich zu schaffen, das als 1-Sy­ stemfilter (besteht nur aus einem auf dem Substrat abgeschiedenen Schichtsystem) auch optische Parameter erreicht, wie sie bisher nur Filter leisten, die min­ destens zwei inkohärent miteinander verbundene Fil­ terkomponenten enthalten, und bei dem gegenüber be­ kannten 1-Systemfiltern mit ähnlichen optischen Para­ metern, die mindestens zwei kohärent miteinander ver­ bundene Filterkomponenten enthalten, die Anzahl der Schichten wesentlich reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen des erfindungsgemäßen Interferenzfilters er­ geben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Dabei ist es besonders wesentlich, die Eigenschaften von All-Dielektrikfiltern zu verbessern und dabei ein aus mehreren Dielektrik- und Metallschichten gebilde­ tes Stützsystem unsymmetrisch in das Filter einzubau­ en. Vorteilhaft erfolgt der Einbau unsymmetrisch zur Abstandsschicht (Kopplungsschicht) eines im Cavity- Design ausgebildeten Filters.

Das Stützsystem soll dabei aus mehreren hintereinan­ der angeordneten Metallschichten, die von dielektri­ schen Schichten eingeschlossen sind, gebildet sein. Die Summe der Dicken der eingebauten Metallschichten sollte zumindest im Bereich der Metallmindestdicke sein, um die gewünschte Blocktiefe bei nach wie vor ausreichender Transmission mit dem erfindungsgemäßen Filter zu erreichen.

Mit der Erfindung wird ein Schichtdesign bereitge­ stellt, das eine erhebliche Reduzierung des Aufwandes bei der Herstellung von optischen Interferenzfiltern mit nur einer Herstellungstechnologie erreicht. Im Normalfall ist die gesamte Dicke der Filter nur un­ wesentlich größer als die Substratdicke. Ein weiterer Vorteil ist die Vereinfachung des Entwurfs bestimmter Interferenzfilter für eine vorgegebene Mittenwellen­ länge und andere vorgegebene Parameter.

Die erfindungsgemäßen optischen Filter eignen sich besonders für den Einsatz in Verbindung mit optischen Sensoren, in der Mikrooptik und der Mikrosystemtech­ nik. So ausgebildete Filter ermöglichen beispielswei­ se Strukturierungen bei mikrooptischen Bauelementen.

Nachfolgend soll die Erfindung allgemein und an einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 In einem Diagramm den Verlauf der Poten­ tiellen Transmission Ψ^x des Basissystems aus SiO₂/Al/SiO₂ bei der Wellenlänge 300 nm in Abhängigkeit von der Metall­ schichtdicke d_M mit dem Parameter Periode­ nanzahl x;

Fig. 2 in einem zweiten Diagramm den Admittance- Verlauf eines Basissystems aus SiO₂/Al/SiO₂ bei der Wellenlänge 300 nm in Abhängigkeit von der Metallschichtdicke d_M und Admittancewerte des All-Dielektrik- Filters mit dem Parameter Periodenexponent;

Fig. 3 in einem dritten Diagramm die Reflexion eines erfindungsgemäßen Filters gegen Luft bei der Wellenlänge 300 nm in Abhängigkeit der wachsenden Schichtdicke in der relati­ ven Einheit Schichtenzahl;

Fig. 4 in einem vierten Diagramm die Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein erfindungsgemäßes Filter für 300 nm auf Quarzglas mit Berücksichtigung der Glas­ rückseite;

Fig. 5 in einem weiteren Diagramm die Transmission in logarithmischer Darstellung in Abhängig­ keit von der Wellenzahl (reziproke Wellen­ länge) für das erfindungsgemäße Filter für 300 nm, auf Quarzglas mit Berücksichtigung der Glasrückseite;

Fig. 6 den Vergleich der Transmission in logarith­ mischer Darstellung in Abhängigkeit von der Wellenzahl (reziproke Wellenlänge) für das erfindungsgemäße Filter (metallgestützt), ein vergleichbares Filter aus All-Dielek­ trik-Filter und kohärent gekoppeltem Induced-Transmission-Filter (ADF + ITF kohärent) und einem vergleichbaren Filter aus inkohärent verbundenen All-Dielektrik- Filter, UV-Farbglas und dielektrischen Kurzpaß (ADF + Farbgl. + KPF inkohärent);

Fig. 7 schematisch den Reflexionsverlauf bei der Mittelwellenlänge in Abhängigkeit der geo­ metrischen Dicke der einzelnen Schichten eines erfindungsgemäßen metallgestützten Interferenzfilters, und

Fig. 8 schematisch den Schichtaufbau des erfin­ dungsgemäßen metallgestützten Interferenz­ filters.

Für ein erfindungsgemäßes Filter kann ein All-Dielek­ trik-Filter an einer geeigneten Stelle durch ein de­ finiertes Teilsystem aus dielektrischen und me­ tallischen Schichten, einem sogenannten Stützsystem, erweitert werden, so daß die erforderliche Absorption erreicht und die zulässige Transmission nicht unter­ schritten wird, ohne daß zusätzliche Blockelemente eingesetzt werden müssen. Beim Entwurf eines solchen Filters werden die interferenzoptischen Zusammenhänge mit Hilfe eines Algorithmus behandelt, um Entschei­ dungen entsprechend den optischen Anforderungen tref­ fen zu können. Wird dabei kein eindeutiges Ergebnis erhalten, kann der Zyklus mit entsprechenden Daten­ änderungen erneut durchlaufen werden. Bevorzugt wird das in einem solchen Fall verwendete Metallmaterial für das Stützsystem ausgetauscht. Auf diese Weise können Interferenzfilter als 1-Systemfilter für be­ liebige Parametersätze entworfen werden. Hierfür ist die Nutzung eines Programms zur Berechnung der Aus­ breitung elektromagnetischer Wellen in geschichteten Medien erforderlich, das in verschiedenen Varianten verfügbar ist.

Ausgegangen wird bei der Lösung von der gewünschten Filterfunktion, die durch das Interferenzfilter rea­ lisiert werden soll, insbesondere sind Transmission und Reflexion zu berücksichtigen. Zu beachten ist auch der Kompromiß zwischen Peaktransmission und Blocktiefe sowie das Design eines auch praktisch her­ stellbaren All-Dielektrik-Filters, dessen Durchlaßbe­ reich in Form und Breite der gewünschten Filterfunk­ tion entspricht. Dabei wird auf die bekannten Verläu­ fe der Brechzahlen in Abhängigkeit von der Wellenlän­ ge der in dem All-Dielektrik-Filter verwendeten, im Durchlaßbereich des Filters praktisch absorptions­ freien dielektrischen Materialien zurückgegriffen. Erforderlich ist jetzt die Realisierung der Blockung im Sperrbereich bei Einhaltung der zulässigen Peak­ transmission.

Für den Entwurf eines bestimmten Filters mit vorgege­ benen Parametern, die dieser einhalten soll, wird ein metallisches Material ausgewählt, mit dem im Durch­ laßbereich des Filters teildurchlässige Schichten hergestellt werden können. Voraussetzung sollte je­ doch sein, daß das Herstellungsverfahren für die Metallschicht mit dem der dielektrischen Schichten für das All-Dielektrik-Filter kombinierbar ist (bei­ spielsweise Beschichtung im Vakuum). Dabei muß der Verlauf der komplexen Brechzahl in Abhängigkeit von der Wellenlänge für das ausgewählte Metall bekannt sein. Bevorzugte Metalle sind Aluminium, Silber, Gold, Rhodium oder Kupfer. Für dieses Material wird dann die Metallmindestdicke, das ist die Dicke, die eine Einzelschicht besitzen muß, um eine Transmission der Schicht gegen die Außenmedien mit der Brechzahl 1 im gesamten Sperrbereich des gewünschten Filters kleiner oder gleich der geforderten Blocktiefe zu erreichen, mit bekannten Formeln berechnet.

Weiter wird mit diesem Material und einem der Mate­ rialien, das SiO₂, MgF₂, TiO₂, Ta₂O₅, ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, Nb₂O₅, ZnS, Na₃AlF₆ oder LaF₃ sein kann, ein Aufbau aus drei Schichten gewählt, der nachfolgend als Basissystem bezeichnet wird. Die erste Schicht des Basissystems besteht aus dem praktisch absorp­ tionsfreien Material und wird als Phasenschicht be­ zeichnet, daran schließt sich die Metallschicht als teildurchlässige Schicht aus dem metallischen Materi­ al an, und die danach folgende dritte Schicht ist mit der ersten identisch. Für dieses Basissystem wird jetzt die potentielle Transmission in Abhängigkeit von der Dicke der Metallschicht bis zur Metall­ mindestdicke unter der Bedingung berechnet, daß die Reflexion des Systems bei der Mittenwellenlänge des konzipierten Filters Null ist, was wieder mit aus der Theorie der Induzierten Transmission bekannten For­ meln durchgeführt wird.

Die so berechneten Werte werden ganzzahlig bis etwa zum Exponentenwert 6 potenziert und alle Werte in ein Diagramm gezeichnet (Fig. 1). Nachfolgend wird die Metallmindestdicke durch die Exponenten geteilt und entsprechend dieser Teildicken werden die zugehörigen Werte der potenzierten potentiellen Transmission im Diagramm markiert. Die erforderliche Peaktransmission wird zusätzlich als Mindesttransmission durch eine - Gerade dargestellt. Mit dieser Vorarbeit ist es mög­ lich, den Exponenten, dessen zugehöriger Teildicken­ wert eine mit diesem Exponenten potenzierte poten­ tielle Transmission liefert, die bezüglich abnehmen­ der Schichtdicke das erste Mal gleich oder größer der Mindesttransmission ist, zu bestimmen. Der Schnitt­ punkt der zu diesem Exponenten gehörigen Kurve der potentiellen Transmission mit der Mindesttransmission liefert, die maximale Stützdicke d_smax. Der zugehörige Teildickenwert des darauf folgenden Exponenten wird als minimale Stützdicke d_smin definiert. Diese minima­ le Stützdicke d_smin sollte bestimmt werden, um zu be­ rücksichtigen, daß es für periodische Metall/Dielek­ trik-Stapel sinnvoll ist, möglichst dicke Schichten einzubringen, aber mit möglichst hoher Periodenzahl und mit hoher potentieller Transmission zu arbeiten.

Der nächste Schritt ist dann die Berechnung der Ad­ mittance für das gewählte Basissystem in Abhängigkeit von der Dicke der Metallschicht bis zur Metallmin­ destdicke. Dabei wird wiederum, wie bereits beschrie­ ben, unter der Bedingung berechnet, daß die Reflexion des Systems bei der Mittenwellenlänge des konzipier­ ten Filters Null ist, und der ermittelte Verlauf in einem Diagramm (Fig. 2) dargestellt. In dieses Dia­ gramm werden auch die minimale und maximale Stütz­ dicke aufgenommen. Der dann entnehmbare mögliche Dickenbereich liefert einen den Wünschen entsprechen­ den breiten Admittancebereich.

Anschließend daran wird die Admittance für das All- Dielektrik-Filter nach bekannten Methoden der Inter­ ferenzschichtoptik für die Stellen im Schichtaufbau berechnet, bei denen bei der Mittenwellenlänge aus­ schließlich reelle Admittancewerte vorliegen. Zur Verallgemeinerung wird für das Außenmedium mit der Brechzahl 1 gerechnet. Die reellen Admittancen werden mit den zugehörigen Schichtenzahlen in das Admittan­ cediagramm (Fig. 2) für das Basissystem eingezeich­ net. Daraus wird die Admittancegerade, die den Admit­ tanceverlauf des Basissystems zwischen der minimalen und der maximalen Stützdicke schneidet, ausgewählt (in Fig. 2, p = 3). Kommen dabei zwei Möglichkeiten in Betracht, wird die die größere Schichtdicke liefernde weiter verwendet. Die entnehmbaren Werte für Schicht­ dicke und Admittance werden mit Stützdicke bzw. Stützadmittance bezeichnet. Der Wert der potentiellen Transmission für die Stützdicke innerhalb des durch die Teildicken begrenzten Transmissionsbereiches lie­ fert den entsprechenden Stützexponenten, im Beispiel x = 4.

Ist kein Schnittpunkt des Admittanceverlaufs mit ei­ ner Admittancegeraden ermittelbar, kann die geforder­ te Blockung mit dem ausgewählten Materialien nicht erreicht werden, das ausgesuchte All-Dielektrik-Fil­ ter kann für das Blockverfahren ungeeignet sein, oder die Parameter der Filterfunktion sind mit einem 1- Systemfilter nicht realisierbar. In diesem Fall wird das ganze Verfahren mit der Auswahl eines anderen ge­ eigneten metallischen Materials, eines anderen die­ lektrischen Materials in dem Basissystem, mit einem anderen geeigneten All-Dielektrik-Filter oder mit ge­ änderter Filterfunktion an entsprechender Stelle er­ neut durchgeführt.

Für bestimmte Anwendungen, bei denen Abstriche an die geforderten Parameter gemacht werden können, kann geprüft werden, welche Parameter ohne exakte Anpas­ sung, d. h. ohne vorliegen eines Schnittpunktes, er­ reichbar sind. In diesem Fall wird die minimale Stützdicke als Stützdicke gesetzt, der zur entspre­ chenden potentiellen Transmission zugehörige Exponent wird dann Stützexponent und als Stützadmittance gilt in diesem Fall der nächstliegende Wert einer Admit­ tancegeraden des All-Dielektrik-Filters.

Das eigentliche Stützsystem S wird dann - entspre­ chend der Anzahl, die durch den Stützexponenten x vorgegeben wird - durch mehrfache Aneinanderreihung des aus Metallschicht mit der Stützdicke und den beidseitig angelagerten identischen Phasenschichten bestehenden Basissystems gebildet. Abschließend wird das All-Di-elektrik-Filter an der durch die Stütz­ admittance definierten Stelle mit dem Stützsystem er­ weitert und bleibt ansonsten unverändert. In diesem neuen Design wird es als metallgestütztes Interfe­ renzfilter bezeichnet. Da nach den Bedingungen der Induzierten Transmission die Reflexion durch das Stützsystem bei entsprechend angepaßten Außenmedium Null ist, wird die Reflexion im All-Dielektrik Filter durch das eingeschobene Stützsystem nicht verändert. Im Gegensatz dazu wird aber die Transmission auf Grund der eingeschobenen Metallschichten etwas ver­ mindert.

Alle Parameter der Filterfunktion des metallgestütz­ ten Filters können vorab bestimmt und mit den Vorga­ ben verglichen werden.

Werden die Vorgaben nicht erreicht, ist eine erneute Bestimmung mit anderen Materialien oder anderem Auf­ bau des Filters durchzuführen.

Das nach der vorgeschlagenen Methode entworfene me­ tallgestützte Interferenzfilter ist immer ein 1- Systemfilter und unter den eingangs genannten Voraus­ setzungen mit einem Beschichtungsverfahren herstell­ bar. Die Anzahl der Schichten ist für die geforderte Filterfunktion interferenzoptisch immer ein absolutes Minimum.

In der Fig. 7 ist für ein ausgeführtes erfindungs­ gemäßes Interferenzfilter die Reflexion für die ein­ zelnen Schichten ähnlich wie in der Fig. 3 darge­ stellt. Dabei wird das Stützsystem S nachfolgend an ein Schichtsystem aus reinen Dielektrikschichten mit jeweils alternierend aufgebrachten, optisch hoch und niedrig brechenden Materialien einseitig vor der Ab­ standsschicht HA des Filters angeordnet. Auf der an­ deren Seite der Abstandsschicht HA schließt sich wie­ der ein System von Dielektrikschichten, die wieder alternierend optisch hoch und niedrig brechend ange­ ordnet sind, an.

Das Stützsystem S kann aber auch in entgegengesetzter Richtung nach der Abstandsschicht HA aufgebracht sein.

In der Fig. 8 ist der Schichtaufbau eines erfin­ dungsgemäßen Interferenzfilters dargestellt. Dabei schließen sich an das Substrat jeweils wechselnd hoch und niedrig brechende λ/4 Dielektrikschichten H, L an, danach wird das aus niedrigbrechenden, dielektri­ schen Schichten L und Metallschichten M gebildete Stützsystem S eingefügt und wiederum daran anschlie­ ßend können entweder erneut, wie bereits beschrieben, alternierend dielektrische Schichten L, H oder die Abstandsschicht HA, aus einem hochbrechenden Materi­ al, direkt aufgebracht sein. Anschließend an die Ab­ standsschicht HA folgen wieder alternierend dielek­ trische λ/4 Schichten L, H.

Beispiel

Gesucht wird ein UV-Interferenzfilter für 300 nm, des­ sen Filterfunktion durch folgende Parameter gegeben ist:
Mittelwellenlänge λ₀ = 300 nm
Peaktransmission T_max 30%
Halbwertsbreite HWB 2 nm
Zehntelwertsbreite ZWB 5 nm
Blockbereich 200-270 nm und 340-1000 nm
Blocktiefe T_S < 0,01%.

Die Filterfunktion kann im Durchlaßbereich von 270 - 340 nm mit einem All-Dielektrik-Filter aus hochbreche­ nden ZrO₂- und niedrigbrechenden SiO₂-Schichten auf Quarzglas als Substrat mit dem Design

1,5 [(H L)⁵ 2H (L H)⁵)] 1,0

realisiert werden. H und L stehen für die hoch- bzw. niedrigbrechenden Schichten mit der optischen Dicke von λ₀/4 und den Brechzahlen n_H und n_L, 2H steht für eine H-Schicht mit dem Dickenfaktor 2. Die Exponenten bedeuten, daß die Periode (H L) sooft wiederholt wird. Die Zahlen vor bzw. nach der eckigen Klammer kenn­ zeichnen das Substrat mit der Brechzahl n_S bzw. die Brechzahl n₀ auf der Seite des Lichteinfalls. Für die verwendeten Brechzahlen in ihrer Abhängigkeit von der Wellenlänge gilt Tabelle 1.

Die Auslegung eines metallgestützten Filters für das gewünschte UV-Interferenzfilter erfolgt nach folgenden Schritten:

• 1. Aluminium wird als metallisches Material gewählt, dabei gilt für den Verlauf von Brechungsindex n_M und Absorptionsindex k_M in Abhängigkeit von der Wellenlänge Tabelle 1.
• 2. Die für die Blocktiefe notwendige Metallmindest­ dicke wird mit d_min = 70 nm mit bekannten Formeln berechnet.
• 3. Für die Phasenschicht im Basissystem wird das niedrigbrechende Material gewählt, das Basissy­ stem hat dann die Form SiO₂-Schicht/Al- Schicht/SiO₂-Schicht. Die Fig. 1 zeigt den Verlauf der Potentiellen Transmission Ψ des Ba­ sissystem in Abhängigkeit von der Metallschicht­ dicke d_M unter der Bedingung, daß die Reflexion des Systems bei der Mittenwellenlänge Null ist. Die Berechnung erfolgt nach den aus der Theorie der induzierten Transmission bekannten Formeln mit und
• 4. Aus dem Diagramm in Fig. 1 werden für die mini­ male Stützdicke d_Smin = 17,5 nm, die maximale Stützdicke d_Smax = 25 nm und für den Stützexponent x = 3 oder x = 4 ermittelt.
• 5. Für das Basissystem wird die Admittance µ_S in Ab­ hängigkeit von der Metallschichtdicke d_M ermit­ telt und in Fig. 2 dargestellt. Für die Berech­ nung gilt die aus der Theorie der induzierten Transmission bekannte Formel unter Benutzung der Formeln (2) bis (5) und mit n_D = n_L.
• 6. Für das All-Dielektrik-Filter werden gegen die Außenmedien mit der Brechzahl 1 für die Reflek­ toren die reellen Admittancewerte µ_A ermittelt: wobei p der laufende Periodenexponent bedeutet. Für die Berechnung gilt die aus der Interferenzschichtop­ tik bekannte Formel mit den entsprechenden Brechzahlen bei der Mittenwel­ lenlänge und n_S = 1. Die Admittancen sind in Fig. 2 eingezeichnet.
• 7. Der Schnittpunkt von Admittanceverlauf des Basis­ systems und einer Admittancegeraden des All-Die­ lektrik-Filters zwischen minimaler und maximaler Stützdicke in Fig. 2 liefert für die Stützdicke d_S = 20.5 nm, was den Stützexponenten endgültig mit x = 4 festlegt, und für die Stützadmittance µ_S = 0,1329. Für die Stützperiode gilt p = 3.
• 8. Das Stützsystem hat die Form µ_S (c_SL d_SM c_SL)^x µ_Sbzw. mit den konkreten Wertenµ_S (0,815L 20,5M 0,815L)⁴ µ_Swobei c_S für die optische Dicke der Phasenschicht und d_S für die geometrische Dicke der Metallschicht steht. c_S ist mit (2) bis (5) und n_D = n_L nach der aus der Theorie der Induzierten Transmission bekannten Formel berechnet worden.
• 9. Das All-Dielektrik-Filter wird nach 6 Schichten bzw. 3 Schichtpaaren mit dem Stützsystem erwei­ tert und anschließend unverändert belassen. Das fertige metallgestützte Interferenzfilter hat das Design 1,0 [(H L)³ (0,815L 20,5M 0,815L)⁴ (H L)² 2H (L H)⁵) 1,0

Die Fig. 3 zeigt für das Beispiel den für ein metall­ gestütztes Filter typischen Verlauf der Reflexion in Abhängigkeit von den Schichten bei der Mittenwellen­ länge. Die Fig. 4 und 5 zeigen den Transmissions- Verlauf im Durchlaßbereich bzw. im gesamten Bereich des fertigen Filters auf einem Quarzsubstrat mit Be­ rücksichtigung der Substratrückseite.

In der Fig. 6 sind vergleichsweise gegenübergestellt, mit der Transmission in logarithmischer Darstellung in Abhängigkeit von der Wellenzahl (reziproke Wellenlän­ ge), das Beispiel für das erfindungsgemäße Filter (me­ tallgestützt), ein vergleichbares Filter aus All-Die­ lektrik-Filter und kohärent gekoppeltem Induced-Trans­ mission-Filter (ADF + ITF kohärent) und ein Vergleich­ bares Filter aus inkohärent verbundenem All-Dielek­ trik-Filter, UV-Farbglas und dielektrischen Kurzpaß (ADF + Farbgl. + KPF inkohärent).

Die eingangs geforderten Parameter der Filterfunktion sind bei diesem Beispiel erreicht und somit keine weiteren Blockelemente notwendig. Die Schichtenzahl von 29 stellt interferenzoptisch ein absolutes Minimum dar. Ein vergleichbares System mit der bekannten kohärenten Kopplung von Induced Transmission-Filter und All-Dielektrik-Filter ist dagegen beispielsweise mit 43 Schichten herstellbar, ein solches mit bekann­ ter inkohärenter Kombination besteht mindestens aus All-Dielektrik-Filter, Farbglas und UV-Kurzpaßfilter (Fig. 6).

Tabelle 1

Brechungs- und Absorptionsindizes der verwendeten Materialien

Claims (6)

1. Interferenzfilter, das aus einer Kombination aus ausschließlich aus dielektrischen Schichten und in alternierender Folge aus dielektrischen und metallischen Schichten gebildeten Teil, in einer Cavity-Anordnung eine Abstandsschicht aufwei­ send, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus den Metall- und Dielektrikschichten gebildetes Stützsystem (S) in das Filter unsym­ metrisch eingefügt ist.

2. Interferenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützsystem (S) unsymmetrisch zur Abstandsschicht (HA) in den aus alternierend hoch- und niedrigbrechendem dielektrischen Material (H, L) gebildeten Teil eingefügt ist.

3. Interferenzfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Dicken der Metallschichten (M) des Stützsystems (S) in etwa den Wert einer Metallmindestdicke (d_min) erreicht.

4. Interferenzfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat die einzelnen Schichten (L, H, HA, M) mit einem einzigen Beschichtungsverfahren aufbringbar sind.

5. Interferenzfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (M) des Stützsystems (S) aus Al, Ag, Au, Rh oder Cu bestehen.

6. Interferenzfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrik­ schichten aus SiO₂, MgF₂, TiO₂, Ta₂O₅, ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, Nb₂O₅, ZnS, Na₃AlF₆ oder LaF₃ gebildet sind.