DE69015273T3

DE69015273T3 - Optische Interferenzüberzüge und Lampen mit derartigen Interferenzüberzügen.

Info

Publication number: DE69015273T3
Application number: DE69015273T
Authority: DE
Inventors: Robert Lake Bateman; Matthew Eric Krisl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2010-07-18
Also published as: CA2017471C; US5982078A; EP0409554A3; EP0409554B1; US5138219A; DE69015273D1; CA2017471A1; EP0409554B2; EP0409554A2; JP2542108B2; JPH03129304A; DE69015273T2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf dünnschichtige optische Interferenzüberzüge zum Reflektieren von IR-Strahlung und zum Übertragen von Strahlung sichtbaren Lichtes sowie auf Lampen mit solchen Überzügen.
Optische Dünnfilm-Interferenzüberzüge, die als Interferenzfilter bekannt sind und abwechselnde Schichten von zwei oder mehr Materialien unterschiedlicher Brechungsindices umfassen, sind dem Fachmann bekannt. Solche Überzüge oder Filme werden benutzt, um selektiv Lichtstrahlung von verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums, wie UV-, sichtbare und IR-Strahlung zu reflektieren und/oder durchzulassen. Diese Filme oder Überzüge werden in der Lampenindustrie zum Überziehen von Reflektoren und Lampenkolben eingesetzt. Eine Anwendung, bei denen sich diese optischen Dünnfilm-Überzüge als brauchbar erwiesen haben, ist die Verbesserung der Beleuchtungswirksamkeit von Glüh- und Entladungslampen durch Reflektieren der durch einen Glühfaden oder Lichtbogen emittierten IR-Strahlung zurück zum Glühfaden oder Lichtbogen, während der Teil sichtbaren Lichtes des elektromagnetischen Spektrums, der durch den Glühfaden oder Lichtbogen emittiert wird, durchgelassen wird. Dies verringert die dem Glühfaden oder Lichtbogen zur Aufrechterhaltung seiner Betriebstemperatur zuzuführende erforderliche elektrische Energie. Bei anderen Lampenanwendungen, wo es erwünscht ist, IR-Strahlung durchzulassen, können solche Filter die Teile des Spektrums kürzerer Wellenlänge, wie UV und Teile sichtbaren Lichtes, die durch einen Glühfaden oder Lichtbogen emittiert werden, reflektieren und in erster Linie den IR-Teil durchlassen, um Wärmestrahlung mit wenig oder keiner Strahlung sichtbaren Lichtes zu schaffen. Eine Anwendung der letzteren Art würde eine typische Strahlungs-Heizeinrichtung für Haus- oder industriellen Gebrauch einschließen, wo durch die Heizvorrichtung emittierte sichtbare Strahlung unerwünscht ist.
Für Anwendungen, bei denen der Filter hohen Temperaturen von mehr als 500ºC ausgesetzt ist, wurden optische Interferenzüberzüge oder -filter aus abwechselnden Schichten hochschmelzender Metalloxide hergestellt, wie Tantaloxid (Tantalpentoxid Ta&sub2;O&sub5;), Titanoxid (Titandioxid TiO&sub2;), Nioboxid (Niobpentoxid Nb&sub2;O&sub5;) und Siliciumdioxid (SiO&sub2;), worin das Siliciumdioxid das Material mit geringem Brechungsindex und das Tantalpentoxid, Titandioxid oder Niobpentoxid das Material mit dem hohen Brechungsindex ist. Solche Filter und derartige Filter benutzende Lampen sind zum Beispiel in den US-PSn 4,588,923; 4,663,557; 4,689,519 und 4,734,614 offenbart. Bei solchen Lampenanwendungen werden die Filter auf die äußere Oberfläche des Lampen-Glaskolbens, der den Glühfaden oder Lichtbogen enthält und häufig Betriebstemperaturen bis zu 900ºC erreicht, aufgebracht. Diese Interferenzfilter oder -überzüge werden unter Awendung von Verdampfungs- oder Zerstäubungstechniken und auch durch chemischen Dampfabscheidung (CVD) und chemische Dampfabscheidung bei geringem Druck (LPCVD) aufgebracht. Einige Versuche zum Herstellen solcher Interferenzfilter haben Techniken zum Abscheiden aus einer Lösung benutzt, wie in der US-PS 4,701,633 offenbart. Die Techniken der Abscheidung aus einer Lösung erzeugen jedoch relativ dicke Schichten, die zum Reißen neigen und das Filterdesign stark einschränken. CVD- und insbesondere LPCVD-Verfahren sind zum Aufbringen von Überzügen auf andere als flache Gegenstände, wie Reflektoren und Lampen, bevorzugt.
Die DE-A-35 38 996 offenbart einen konventionellen optischen Interferenzüberzug mit einem Design bzw. in einer Ausführung von Viertelwellenstapeln, die jeweils zwei Stapel umfaßt, die jeweils einen Satz von Schichten eines Materials mit hohem Brechungsindex und einen anderen Satz von Schichten eines anderen Materials mit geringem Brechungsindex umfassen. Diese beiden Sätze wechseln einander ab.
Die GB-A-2103 830 offenbart einen optischen Interferenzüberzug mit drei Stapeln, die jeweils abwechselnde Schichten von Materialien umfassen, die hohe bzw. geringe Brechungsindices aufweisen.
Das Journal of the Optical Society of America, Band 53, Nr. 11(1963), Seiten 1266 bis 1270, "Multilayer Filters with Wide Transmittance Bands" von A. Thelen offenbart einen optischen Interferenzüberzug zum Reflektieren von Infrarotstrahlung und zum Durchlassen von sichtbarer Lichtstrahlung. Der Überzug umfaßt einen ersten Stapel zum Durchlassen kurzer Wellen, und ein zweiter und ein dritter Stapel sind spektral bei Wellenlängen lokalisiert, die länger sind als die des ersten Stapels, wobei die Perioden des zweiten und dritten Stapels fünf abwechselnde Schichten von drei Materialien enthalten, die einen hohen, mittleren bzw. geringen Brechungsindex aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Interferenzüberzug zum Reflektieren von IR-Strahlung und zum Durchlassen von Strahlung sichtbaren Lichtes geschaffen, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
Die Bezeichnung L/a repräsentiert einen Bruchteil einer Viertelwelle der optischen Dicke des Materials L bei der Stapelwellenlänge, d. h. die Hälfte einer Viertelwelle (eine Achtelwelle) für a = 2.
Bei den Überzügen der vorliegenden Erfindung haben die sehr dünnen Schichten H/b und L/c eine optische Dicke von nicht mehr als ein Zwanzigstel der Stapelwellenlänge, und sie dienen dem Vereiteln der Reflexionsbänder höherer Ordnung des Stapels, die mit der Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Spektralbereich interferieren würden. Die optische Dicke der anderen Schichten dieser Perioden ist nahezu gleich, aber geringer als solche, die in einem konventionellen Stapel zum Durchlassen kurzer Wellen der gleichen Stapelwellenlänge gefunden werden würden.
Die Überzüge der Erfindung haben sich als besonders brauchbar auf Glaskolben von Lampen erwiesen, um die Wirksamkeit der Lampe für die Durchlässigkeit sichtbaren Lichtes durch Reflektieren der IR-Strahlung zurück zum Glüfaden oder Lichtbogen zu erhöhen.
Die Erfindung schafft auch eine Lampe, wie sie in Anspruch 6 definiert ist.
Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beispielhaft auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung eines Filterdesigns, das die Stapel und die Perioden in den Stapeln veranschaulicht,
Fig. 2 eine graphische Darstellung eines tatsächlichen Filterdesign gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die optische Dicke jeder Schicht einen definierten Wert hat,
Fig. 3 die theoretische spektrale Durchlässigkeit eines computer-optimierten Filters und eines konventionellen Filters nach dem Stande der Technik, der für das Reflektieren von IR und das Durchlassen sichtbaren Lichtes entworfen ist,
Fig. 4 die tatsächliche spektrale Durchlässigkeit eines computer-optimierten Filters zum Reflektieren von IR und Durchlassen sichtbaren Lichtes,
Fig. 5 schematisch eine langgestreckte, doppelendige Wolfram-Halogen-Lampe mit einem IR-reflektierenden Interferenzfilm gemäß der vorliegenden Erfindung auf der äußeren Oberfläche des Lampenkolbens,
Fig. 6 schematisch eine kleine, doppelendige Wolfram-Halogen-Lampe mit einem IR-reflektierenden Film der vorliegenden Erfindung auf der äußeren Oberfläche des Lampen-Glaskolbens und
Fig. 7 schematisch die Wolfram-Halogen-Lampe von Fig. 6, in einem parabolischen Reflektor montiert.
Die hier diskutierten veranschaulichenden Ausführungsformen benutzen dünne Überzugsschichten in einem Vielschicht-Überzugsdesign, um die Leistung eines heißen Spiegels zum Reflektieren von IR-Strahlung und zum Durchlassen von Strahlung sichtbaren Lichtes zu erzielen. Versucht man als heißen Spiegel wirkende Interferenzfilterüberzüge herzustellen, die abwechselnde Schichten von zwei verschiedenen Materialien mit hohem und geringem Brechungsindex mit konventionellen Schichtdicken von zum Beispiel etwa 100 nm (1.000 Å) oder mehr umfassen, dann wird die Breite des durchlässigen Fensters in erster Linie durch das Verhältnis der Brechungsindices der Überzugsmaterialien bestimmt. Da die Auswahl geeigneter Materialien aufgrund von Temperatur- und anderen Betrachtungen eingeschränkt sein kann, kann die Breite des sichtbares Licht durchlassenden Fensters ebenfalls eingeschränkt sein. Im Falle von IR-reflektierenden Überzügen für Lampenkolben schränken Temperaturbetrachtungen die Materialien ein, die für den Überzug benutzt werden können. Ein Herangehen zum Verbreitern des sichtbares Licht durchlassenden Fensters wäre der Einsatz von drei Überzugsmaterialien, wobei das dritte Material einen Brechungsindex aufweist, der irgendwo zwischen denen der Materialien hohen und geringen Brechungsindex liegt und der notwendige, dazwischen liegende Brechungsindex durch den Brechungsindex der beiden anderen Materialien bestimmt werden würde. Obwohl dies für Lampenanwendungen möglich ist, ist dieser Weg des Einsatzes von drei Materialien durch die Verfügbarkeit geeigneter Überzugsmaterialien mit den notwendigen Brechungsindices, der physikalischen und chemischen Verträglichkeit und durch den Spannungsaufbau eingeschränkt, der in einem Überzug stattfindet, der drei verschiedene Materialien mit drei verschiedenen thermischen Ausdehnungkoeffizienten aufweist.
Durch Einsatz dünner Schichten in den Ausführungsformen der Erfindung kann man einen Filter erhalten, der einen spektral breiten Bereich hoher Durchlässigkeit über das sichtbare Spektrum und einen spektralbreiten Bereich hohen Reflexionsvermögens nahe dem IR-Teil des Spektrums schafft. Unter dünnen Schichten wird verstanden, daß mindestens einige der Schichten im zweiten und dritten Stapel eine optische Dicke haben, die nicht größer ist als ein Fünftel einer Viertelwelle der Stapelwellenlänge oder nicht größer als ein Zwanzigstel der Stapelwellenlänge. Bei den Filtern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann unter Einsatz von nur zwei Materialien eine Leistungsfähigkeit ähnlich der erhalten werden, bei der drei verschiedene Materialien eingesetzt werden.
Ein dünnschichtiger optischer Interferenzfilterüberzug sorgt auch für weniger Empfindlichkeit gegenüber Schichtdickefehlern. Wenn ein systematischer optischer Dickenfehler der Art auftritt, daß entweder alle Schichten entweder zu dick oder zu dünn sind, dann ist die Wirkung eine Verschiebung des Fensters der Durchlässigkeit sichtbarer Wellenlängen zu einer längeren bzw. kürzeren Wellenlänge. Ein breiteres Fenster gestattet eine größere Verschiebung, bevor die scheinbare Farbe der das Filter benutzenden Lampe sich ändert. Eine größere Toleranz gegenüber Schichtdickevariationen in dem Überzug der erfindungsgemäßen Ausführungsformen sorgt auch für mehr Verschiebung mit Bezug sowohl auf Anpassungsfehler als auch statistische Fehler. Anpassungsfehler sind als systematische Fehler des Überzugsprozesses definiert, der einen fertigen Überzug erzeugt, bei dem die optische Dicke aller Schichten eines Materials dicker als erwünscht ist, und die optische Dicke aller Schichten des anderen Materials dünner als erwünscht ist. Diese Art von Fehler verschiebt den Ort des sichtbaren Fensters nicht, sondern beeinträchtigt das hohe Durchlässigkeitsniveau und die beobachtete Farbe. Statistische Fehler sind Fehler bei der Überzugsschichtdicke, die statistisch als ein Ergebnis normaler Unvollkommenheiten bei der Kontrolle des Herstellungsprozesses sind. Diese Fehlerart beeinträchtigt auch die Durchlässigkeit und die beobachtete Farbe. Das Verwenden eines Dünnschichtfilters gemäß den vorliegenden Ausführungsformen schafft einen signifikanten Vorteil hinsichtlich erhöhter Leistungsgrößen, billigerer Kontrollsysteme für die Abscheidung und einer höheren Produktausbeute.
Wird eine Lampe mit konventionellen, IR-reflektierenden Überzügen oder Filtern aus Winkeln betrachtet, die sich von der Senkrechten zur Oberfläche unterscheiden, dann ist die beobachtete Wirkung eine spektrale Verschiebung in der Fensterstelle zu kürzeren Wellenlängen, die die Lampe blau oder blaugrün scheinen lassen. Das breitere Fenster des Überzuges dieser Erfindung gestattet einen größeren zulässigen Betrachtungswinkel außerhalb der Senkrechten, bevor eine Farbänderung beobachtet wird.
Beispielhafte Lichtinterferenzfilterdesigns umfassen drei spektral benachbarte, Mehrperiodenstapel, die alle drei mindestens zwei Perioden haben, wobei einer der Stapel als der erste Stapel bezeichnet wird und ein Viertelwellenstapel zum Durchlassen kurzer Wellen ist, der mindestens zwei Perioden hat, und der zweite und dritte Stapel spektral bei längeren Wellenlängen als der erste Stapel angeordnet sind und sich voneinander unterscheiden und mindestens und vorzugsweise drei Perioden aufweisen. Die Perioden des zweiten und dritten Stapels auf einem Design, bei dem jede Periode sieben abwechselnde Schichten aus Materialien hoher und geringer Brechungsindices in der Form aufweist:
(L/a, H/b, L/c, H/d, L/c, H/b, L/a)
worin
2 ≤ a ≤ 4
5 ≤ b ≤ 15
5 ≤ c ≤ 15
1 ≤ d ≤ 2,5
und worin L und H die Materialien geringer bzw. hoher Brechungsindices sind, wobei jedes als eine optische Dicke einer Viertelwelle der Stapellänge aufweisend definiert ist. Das Design wird durch eine Computerverfeinerung optimiert, wie dem Fachmann bekannt. Die meisten (d. h. mehr als die Hälfte) dieser Perioden werden nach der Computeroptimierung des Designs noch immer sieben abwechselnde Schichten enthalten. Unter Stapelwellenlänge ist die Wellenlänge zu verstehen, bei der das stärkste Reflexions- oder Halteband lokalisiert ist. Unter spektral benachbarten Stapeln wird verstanden, daß die längste Wellenlänge starker Reflexion eines Stapels etwa mit der kürzesten Wellenlänge hoher Reflexion des anderen Stapels zusammenfällt. Praktisch überlappen die Bereiche hoher Reflexion von zwei benachbarten Stapeln etwas.
Es ist bevorzugt, daß der erste oder kurze Wellen durchlassende Stapel ein konventioneller kurze Wellen durchlassender Stapel der Form ist
(L/2, H, L/2)
der zumindest zwei, vorzugsweise mindestens drei oder mehr, vorzugsweise mindestens vier Perioden aufweist, wobei H und L die Materialien hohen bzw. geringen Brechungsindex sind, und jede als eine optische Dicke von einem Viertel der Stapelwellenlänge aufweisend definiert ist. 1/2 ist somit etwa ein Achtel der Stapelwellenlänge. Eine andere Form der üblicherweise benutzten Bezeichnung ist (LH). Die tatsächlichen Dicken der Schichten im Stapel, wie gezeigt, können um etwa ± 10% variieren.
Die beispielhaften Designs werden leichter unter Bezugnahme auf Fig. 1 verstanden. Fig. 1 ist eine graphische Darstellung einer Filterausführung mit drei Stapeln.
L und H repräsentieren die Materialien hohen bzw. geringen Brechungsindex, und jedes hat eine optische Dicke, die als ein Viertel der Stapelwellenlänge definiert ist oder eine optische Viertelwellendicke. Schichten, die eine Periode bilden, sind in runde Klammern gesetzt, wobei der hochgestellte Buchstabe die Zahl wiedergibt, um die die Periode im Stapel wiederholt ist. Der erste Stapel ist der Stapel der kürzesten Wellenlänge, und es ist ein konventioneller, kurze Wellen durchlassender Stapel mit einer Stapelwellenlänge von λ&sub1;. Dies ist in der bevorzugten Ausführungsform als in Kontakt mit der Umgebung stehend gezeigt, um das geringste Ausmaß der Welligkeit bzw. Kräuselung zu erzielen und eine größere Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich zu schaffen. Der erste Stapel hat mindestens zwei Perioden, wobei jede der Perioden aus einer zentralen Schicht hohen Brechungsindex mit einer optischen Dicke von etwa einem Viertel der Stapelwellenlänge und einer Schicht geringen Brechungsindex auf beiden Seiten der zentralen Schicht und mit einer optischen Dicke von etwa ein Achtel der Stapelwellenlänge besteht. Das hochgesetzte x zeigt die Minimalzahl der in diesem ersten Stapel wiederholten Perioden, die mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei und noch bevorzugter mindestens vier ist.
Der zweite und dritte Stapel sind spektral bei zunehmend längeren Wellenlinien angeordnet, und sie bestehen aus mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei Perioden der siebenschichtigen Struktur abwechselnder Materialien geringen und hohen Brechungsindex in der Form, wie sie oben diskutiert wurde. Wie in Fig. 1 gezeigt, haben die Schichten 1, 4 und 7 (beginnend in jeder Periode mit der am meisten links liegenden Schicht) jeder sieben Schichten umfassenden Periode optische Dicken nahezu gleich denen, aber geringer als solche, die in dem konventionellen Stapel zum Durchlassen kurzer Wellen gefunden werden, wie er oben diskutiert ist, und die Schichten 2, 3, 5 und 6 sind beträchtlich dünnere Schichten mit einer optischen Dicke, die nicht größer als ein Zwanzigstel der Stapelwellenlänge ist, die dazu dienen, die Reflexionsbänder des Stapels höherer Ordnung zu vermeiden, die mit der hohen Durchlässigkeit im sichtbaren Spektralbereich interferieren. Praktisch ist die physische Dicke der Schichten 2, 3, 5 und 6 im allgemeinen geringer als etwa 40 nm (400 Å) und sogar geringer als 30 nm (300 Å). Ein anderer Weg, die Schichtdicken in den sieben Schichten umfassenden Perioden, die den zweiten und die nachfolgenden Stapel bilden, auszudrücken, ist, daß jede Periode eine zentrale Schicht aus einem Material hohen Brechungsindex mit einer optischen Dicke von nicht mehr als und allgemein weniger als ein Viertel der Stapelwellenlänge aufweist, wobei ein Paar von Schichten geringen und hohen Brechungsindex benachbart beider Seiten der zentralen Schicht angeordnet ist, worin jede der genannten beiden Schichten jedes der beiden Paare eine optische Dicke von nicht mehr und allgemein weniger als ein Zwanzigstel der Stapelwellenlänge aufweist, wobei die Schicht geringen Brechungsindex in jedem Paar benachbart der zentralen Schicht liegt, und die Schicht mit geringem Brechungsindex eine optische Dicke von nicht mehr als und im allgemeinen weniger als einem Achtel der Stapelwellenlänge aufweist und benachbart jeder Schicht hohen Brechungsindex jedes Paares liegt. Die optische Dicke von zwei der Schichten hohen Brechungsindex und zwei der Schichten geringen Brechungsindex in jeder sieben Schichten umfassenden Periode übersteigt daher ein Zwanzigstel der Stapelwellenlänge nicht.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung eines tatsächlichen Filterdesign gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung. Bei dieser Darstellung beziehen sich H und L wiederum auf Material hohen bzw. geringen Brechungsindex, jedes als eine optische Dicke eines Viertels der Stapelwellenlänge aufweisend definiert. Bei dieser Darstellung hat der erste Stapel, der der konventionelle Viertelwellenstapel ist, der kurze Wellenlängen durchläßt, eine Design-Wellenlänge von 930 nm, was bedeutet, daß die optische Dicke sowohl von H als auch L ein Viertel von 930 ist. Sowohl H als auch L bei dieser speziellen Darstellung haben eine optische Dicke von 233 nm. Ähnlich ist für den zweiten Stapel bei der vorgesehenen Wellenlänge von 1300 nm der Wert von H und L gleich einem Viertel von 1300 oder 333 nm und für den dritten Stapel ist der Wert von H und L ein Viertel von 1700 oder 425 nm.
In Fig. 2 sind die Werte für x, y und z als 4, 4 bzw. 3 gezeigt, was bedeutet, daß der erste und zweite Stapel jeweils vier Perioden und der dritte Stapel drei Perioden aufweist. Die Werte für a, b, c, d, a', b', c' und d' sind im Nenner für jeden der Stapel gezeigt. Die optische Dicke To, von, zum Beispiel, der zentralen Schicht (H/1,2) jeder Periode im dritten Stapel, wobei H als eine Viertelwelle der Stapelwellenlänge X oder λ/4 aufweisend definiert ist, ist 1700 nm/(4 · 1,2) oder 354 nm. Die physische Dicke Tp dieser Schicht ist die optische Dicke dividiert durch den Brechungsindex n des Schichtmaterials (Tp = To/n). Ist das Material hohen Brechungsindex Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;), das einen Brechungsindex von etwa 2,2 bei der Stapelwellenlänge von 1700 nm hat, dann beträgt die physische Dicke der zentralen Schicht jeder Periode im dritten Stapel 191 nm oder 1610 Å.
Wendet man die arithmetischen Berechnungen des vorherigen Paragraphen auf das vollständige Filterdesign, das in Fig. 2 veranschaulicht ist, für abwechselnde Schichten für Materialien hoher und geringer Brechungsindices an, die aus Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;) und Siliciumdioxid (SiO&sub2;) bestehen und Brechungsindices von 2,2 bzw. 1,46 aufweisen, dann erhält man die Anzahl der Schichten und die physische Dicke jeder Schicht, die in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt ist. In Fig. 2 verläuft die Schichtzählung von links nach rechts, wobei die erste Schicht auf dem Substrat links liegt. Wird eine Periode wiederholt, dann werden die benachbarten Schichten (SiO&sub2;) geringen Brechungsindex zu einer in der Tabelle gezeigten Schicht kombiniert. Beim Einsatz der alternierenden Schichten aus Siliciumdioxid und Tantalpentoxid werden daher benachbarte Siliciumdioxidschichten gemäß dem Design als eine einzige Schicht aufgebracht. Die Dicke der ersten und siebten Schicht der Perioden im zweiten Stapel ist zum Beispiel 96,8 nm (968 Å). In Tabelle 1 ist Schicht 25 193,6 nm (1936 Å) dick, weil sie eine Kombination der ersten und letzten Schicht benachbarter Perioden des zweiten Stapels ist. In ähnlicher Weise werden die Schichten geringer Brechungsindices benachbarter Perioden von unterschiedlichen Stapeln auch zu einer Schicht in der Tabelle kombiniert. Auch die Darstellung in Tabelle 1 ist für einen Filter auf einem Siliciumdioxid-Substrat. In diesem Falle ist die erste aufgebrachte Schicht eine Schicht aus SiO&sub2;, die als eine Adhäsionsschicht wirkt und von irgendeiner Dicke sein kann, da sie im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Siliciumdioxid-Substrat hat. Für dieses spezielle Filter wird die erste Schicht aus Siliciumdioxid willkürlich mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) aufgebracht.
In Tabelle 1 besteht der dritte Stapel aus drei (3) Perioden, von denen jede durch z oder z dreimal wiederholt repräsentiert wird. In ähnlicher Weise werden der zweite und erste Stapel durch vier (4) Perioden repräsentiert, die durch die entsprechenden Buchstaben y und x identifiziert werden. Dies ist somit eine tatsächliche Filter-Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Anzahl von Schichten aus Tantalpentoxid und Siliciumdioxid und die physische Dicke jeder Schicht zeigt. Dieses Design wird dann vorzugsweise durch Computeroptimierung verfeinert, wie dem Fachmann bekannt. Es gibt eine große Anzahl von kommerziell erhältlichen Computerprogrammen zum Optimieren von Mehrschichtüberzügen, und eine solche Liste von einigen fünfzehn Verkäufern und Programmen findet sich auf Seite 144 der Ausgabe des PHOTONIOS SPECTRA MAGAZIN, einem Handelsjournal der optischen Industrie, vom September 1988. In dieser Liste sind als veranschaulichende, aber nicht einschränkende Beispiele CAMS, erhältlich von Opticos, 143 Albany Street, Cambridge, MA 02139 und FILMSTAR® eingeschlossen, erhältlich von FTG Software Associates Postfach 579, Princeton, NJ 08524.
Das Filterdesign für den in Tabelle 1 aufgeführten SiO&sub2;/Ta&sub2;O&sub5;-Filter wurde computeroptimiert, was in einer Beseitigung von vier der Schichten in einer der Perioden im zweiten Stapel resultierte, was siebenundvierzig (47) Schichten mit einer Gesamtdicke von 3928,3 nm (39283 Å) [beginnend mit der ersten Schicht, die bei 50 nm (500 Å)] konstant gehalten wurde, verglichen mit 3904,8 nm (39048 Å) für die Ausführungsform vor dem Optimieren in Tabelle 1, ergab. Das computeroptimierte Design ist in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 kann man feststellen, daß die Computerverfeinerung des Designs in Tabelle 1 im Beseitigen von vier dünnen Schichten in einer der Perioden des zweiten Stapels resultierte. Der optische Interferenzüberzug enthält daher mehr als vierzig Schichten, wobei keine einzelne Schicht mehr als 150 um (1500 Å) oder 300 nm (3000 Å) dick ist, und die Gesamtdicke nicht mehr als 4000 nm (40.000 Å) ergibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in den Tabellen 1 und 2 gezeigten Schichtdicken um ± 10% variieren können, ohne die Leistungsfähigkeit des Filters ernstlich zu beeinflussen. Tabelle 1 Tabelle 2
Fig. 3 veranschaulicht die theoretische spektrale Durchlässigkeit von zwei verschiedenen SiO&sub2;/Ta&sub2;O&sub5;-Filtern die auf der Grundlage von Filtern auf einem flachen Quarzsubstrat bei Durchlässigkeit in einem Winkel senkrecht zur Oberfläche vom Computer erzeugt wurden. Die durchgezogene Kurve repräsentiert den computer-optimierten Dünnfilmüberzug mit 47 Schichten und einer Gesamtdicke von 3928,3 nm (39283 Å), der in Tabelle 2 angegeben ist, und die gestrichelte Linie repräsentiert einen Filterüberzug nach dem Stande der Technik mit 25 abwechselnden Schichten von SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; in einer Gesamtdicke von etwa 3970 nm (39700 Å). Mit Ausnahme der ersten und letzten (25.) Schicht aus SiO&sub2; betrug die Dicke aller Schichten des Filters nach dem Stande der Technik mindestens etwa 100 nm (1000 Å).
In Fig. 3 ist ersichtlich, daß das durchlässige Fenster des computer-optimierten Überzuges im sichtbaren Bereich von etwa 400 bis 770 nm etwa 20% breiter ist als der Überzug nach dem Stande der Technik mit im wesentlichen gleicher Dicke, und daß er eine mittlere Gesamtübertragung von mindestens etwa 90% aufweist. Im Gegensatz dazu hat der Filter nach dem Stande der Technik ein Durchlässigkeitsband nur von etwa 420 bis etwa 720 nm. Im IR-Bereich reflektiert der computeroptimierte Filter von etwa 800 bis 1900 nm mit einem mittleren Reflexionsvermögen von mindestens etwa 75%. Das mittlere IR-Reflexionsvermögen ist für beide Filter in etwa äquivalent, obwohl die spektrale Verteilung verschieden ist. Bei einer gleichen Gesamt-Überzugsdicke ist der computeroptimierte Filter beträchtlich besser als der Filter nach dem Stande der Technik, da das 20% breitere Fenster sichtbaren Lichtes eine sehr viel größere Herstellungstoleranz in der Schichtdicke ohne bemerkbare Farbverschiebung gestattet, wenn aus anderen Winkeln als der Senkrechten zur Oberfläche (zum Beispiel 450) betrachtet wird. So ist die maximale Farbabweichung, die durch 10%-ige Fehler bei der Schichtdicke für den Filter, der in Fig. 3 veranschaulicht ist, erzeugt wird, zum Beispiel geringer als die maximale Farbabweichung, die durch 5%-ige Fehler bei der Schichtdicke für einen Filter nach dem Stande der Technik erzeugt wird, wie er in Fig. 3 veranschaulicht ist.
Siebenundvierzig abwechselnde Schichten aus SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; wurden auf die Oberfläche von flachen Quarzscheiben von 25,4 mm · 25,4 mm (1 inch · 1 inch) und 3,175 mm (1/8 inch) Dicke gemäß Tabelle 2 unter Anwendung eines LPCVD-Überzugsverfahrens aufgebracht. Fig. 4 veranschaulicht die tatsächliche spektrale Durchlässigkeit dieses Überzuges und zeigt, daß der Filter eine mindestens etwa 90% betragende mittlere Durchlässigkeit von 400 bis 770 nm und eine mindestens 70% betragende mittlere Reflexion von etwa 800 bis 1900 nm aufwies.
Wie oben ausgeführt, können die oprtischen Interferenzüberzüge der vorliegenden Erfindung nach einer Anzahl verschiedener Abscheidungsverfahren hergestellt werden, die eine im Vakuum ausgeführte thermische Verdampfung, ein Ionenplattieren, Zerstäuben, CVD, Plasma-CVD und LPCVD einschließen. Von diesen ist LPCVD für komplexe Gestalten, wie Lampenkolben, besonders bevorzugt. Ein solches zum Lampenüberziehen benutztes Verfahren ist ein LPCVD-Verfahren, bei dem ein geeignetes Vorläuferreagenz für ein Metalloxid oder Reagenzien für jedes Material des Films separat in eine Zersetzungskammer eingeführt werden, wo es bzw. sie zersetzt oder umgesetzt werden, um das Metalloxid auf einem erhitzten Substrat zu bilden. Separate Schichten von zum Beispiel Siliciumdioxid und Tantalpentoxid werden in dieser Weise auf das Substrat aufgebracht, bis der erwünschte Filter erhalten ist. Solche chemischen Dampfabscheidungsverfahren sind dem Fachmann bekannt, und sie sind zum Beispiel in den US-PSn 4,006,481; 4,211,803; 4,393,097; 4,435,445; 4,508,054; 4,565,747 und 4,775,203 offenbart. Beim Bilden der Metalloxidfilme aus Tantalpentoxid und Siliciumdioxid auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Substrat oder der Gegenstand innerhalb einer Abscheidungskammer angeordnet. Die Kammer ist im allgemeinen innerhalb eines Ofens derart angeordnet, daß der Gegenstand die erwünschte Temperatur erreicht, um die Reaktion oder Zersetzung und gleichzeitige Abscheidung des Tantalpentoxid- oder Siliciumdioxid- Films auf dem Gegenstand zu erzielen. Diese Temperaturen werden im allgemeinen im Bereich zwischen etwa 350 und 600ºC in Abhängigkeit von dem besonderen eingesetzten Reaktanten liegen. Für LPCVD-Verfahren wird die Abscheidungskammer evakuiert, und man läßt einen geeigneten metallorganischen Vorläufer des erwünschten Metalloxids, wie Tantaloxid oder Siliciumoxid, im Dampfzustand mittels einer geeigneten Einrichtung durch die Abscheidungskammer strömen. Strömt das Reagenz in die Abscheidungskammer, dann wird es unter Abscheiden eines Filmes von Tantaloxid oder Siliciumoxid auf dem Substrat zersetzt. Individuelle Schichten aus Tantaloxid und Siliciumoxid können gleichmäßig unter Anwendung dieses Verfahrens abgeschieden werden, und sie wurden erfolgreich abgeschieden sowohl auf flachen als auch gekrümmten Substraten, wie Lampenkolben. Gleichmäßige Schichten aus Tantaloxid und Siliciumoxid können gebildet werden mit Dicken im Bereich von etwa 10 nm bis 10.000 nm (100 Å bis 100.000 Å). Ist die erwünschte Filmdicke erreicht, dann wird die Reagenzströmung beendet, die Kammer evakuiert, und man läßt das Reagenz für das andere Material in die Abscheidungskammer strömen, bis die erwünschte Dicke dieses Materials erzielt ist. Das Verfahren wird wiederholt, bis der erwünschte Mehrschicht-Interferenzfilter gebildet ist.
Beispielhafte, aber nicht einschränkende Beispiele von Verbindungen, die für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung zum Abscheiden eines Siliciumdioxid-Films durch LPCVD geeignet sind, schließen Tetraethoxysilan, Diacetoxydibutoxysilan, Tetraacetoxysilan und Siliciumtetrakisdiethyloxyamin ein. Geeignete Reagenzien zum Gebrauch in der vorliegenden Erfindung, die zum Abscheiden eines Filmes von Tantaloxid unter Anwendung von LPCVD brauchbar sind, schließen Tantalethoxid, Tantalisopropoxid, Tantalmethoxid, Tantalbutoxid, vermischte Tantalalkoxide und Tantalpentachlorid und Wasser und/oder Sauerstoff ein. Titantetraethoxid ist ein geeignetes Reagenz zum Abscheiden von Titanoxid, und Pentaethylniobiat ist brauchbar zum Abscheiden von Nioboxid. In der Abscheidungskammer ist kein Trägergas erforderlich, um die Bewegung des Reagenz durch die Kammer zu erleichtern, obwohl ein inertes Trägergas benutzt werden kann, wenn erwünscht. Der Druck in der Kammer während des Abscheidungsverfahrens wird im allgemeinen zwischen etwa 13,3 Nm&supmin;² bis 2,66 · 10² Nm&supmin;² (0,1 bis 2,0 Torr) liegen, was von dem eingesetzten Reagenz und der Temperatur des Substrates abhängt. Die Strömungsrate des gasförmigen Reagenz in der Abscheidungskammer liegt im allgemeinen im Bereich von 10 bis 2.000 cm³ unter Standardbedingungen (SCCM), was von der Größe der Reaktionskammer, dem Reagenz, der Anwesenheit eines Trägergases und der erwünschten Abscheidungsrate usw. abhängt.
Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, umfassend eine Lampe, deren äußere Oberfläche einen optischen Interferenzüberzug oder -filter aus Tantaloxid- Siliciumoxid gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, der IR-Strahlung zurück zum Glühfaden reflektiert, wo sie in sichtbare Strahlung umgewandelt wird. Die in Fig. 5 veranschaulichte Lampe umfaßt einen Kolben 10 aus einem glasartigen, lichtdurchlässigen Material, das hohen Temperaturen von etwa 800ºC widerstehen kann, in diesem Falle Quarz (geschmolzenem Siliciumdioxid). Jedes Ende des Kolbens 10 hat einen Quetschdichtungsabschnitt 12, durch den eine Zuleitung 13 abgedichtet geführt ist, die mit einem geeigneten Mittel, wie Schweißen, elektrisch und mechanisch mit einer Molybdänfolie 14 verbunden ist, die in den Quetschdichtungsabschnitt 12 der Lampe eingebettet und hermetisch darin abgedichtet ist. Zuleitungen 15 aus einem geeigneten, hochschmelzenden Metall, wie Molybdän oder Wolfram, sind am anderen Ende der Molybdänfolien 14 mit ihrem einen Ende verbunden, und mit dem anderen Ende sind sie mit dem Wolfram-Glühfaden 17 verbunden, der mittels mehrerer geeigneter Trägerteile 18, wie Trägern aus Wolfram-Spiraldraht der Art, wie er in der US-PS 3,168,670 offenbart ist, auf seiner Achse innerhalb des Kolbens getragen ist. Der IR-refektierende, optische Dünnfilm-Interferenzfilter der vorliegenden Erfindung befindet sich als ein Überzug 20 auf der äußeren Oberfläche der Lampe.
Fig. 6 veranschaulicht eine kleine Wolfram-Halogen-Lampe 50 von 60 Watt, die einen glasartigen, lichtdurchlässigen Kolben 40 aus Quarz oder einem bei hoher Temperatur beständigem Aluminosilicat-Glas der in der US-PS 4,238,705 offenbarten Art hergestellt ist, dessen äußere Oberfläche mit einem lichtdurchlässigen, IR reflektierenden Filterüberzug 48 der vorliegenden Erfindung überzogen ist. Unter klein wird ein Kolben von etwa 12 mm Länge und 10 mm Durchmesser verstanden, wobei die Lampe 50 insgesamt etwa 5,715 mm (21/4 inches) lang ist. Der Kolben 40 enthält eine Glühfadeneinheit 30, wobei beide Rohrenden-Abschnitte 44 und 46 durch Zusammenfallen über Folienteilen 26 und 26' abgedichtet sind, um eine hermetische Dichtung zu bilden, woraufhin die Länge zu der erwünschten verringert wurde. Äußere Zuleitungen 28 und 28' erstrecken sich über das Ende der Rohrabschnitte 44 und 46 hinaus. Die anderen Enden der Folienteile 26 und 26' sind an Schenkel 36 und 36' zentrierender Arme 32 und 32' geschweißt. Die Arme 32 und 32' umfassen einen kreisförmigen Ring oder eine Spule, die aus einem geeigneten, hochschmelzenden Metalldraht, wie Molybdän, Wolfram und ähnlichem, hergestellt ist und mindestens eine vollständige Windung aufweist und in den Schenkeln 36 und 34 bzw. 36' und 34' endet. Die Schenkel 34 und 34' sind in geeigneter Weise, vorzugsweise durch Plasmaschweißen oder Laserschweißen, geschweißt. Die Arme 32 und 32' dienen zum radialen Ausrichten des Glühfadens 30 entlang dem optischen Zentrum des Kolbens 40. Dies ist wegen des geringen Durchmessers (d. h. 1-2 mm) des Glühfadens erforderlich. Schrumpfdichtungen sind bei kleinen Glühfaden- und Entladungs-Lampen besonders bevorzugt, weil die Deformation und Fehlausrichtung der Rohrabschnitte des Lampenkolbens minimal sind, verglichen mit denen, die beim Quetschdichten auftreten können. Schrumpfdichtungen sind dem Fachmann bekannt, und Beispiele zu ihrer Herstellung sind zum Beispiel in den US-PSn 4,389,211 und 4,810,932 offenbart, die durch Bezugnahme hier aufgenommen werden. Das Innere der Glühfadenkammer 42 enthält ein Inertgas, wie Argon, Xenon oder Krypton, zusammen mit untergeordneten (d. h. weniger als 10%) Mengen von Stickstoff, einer oder mehreren Halogenverbindungen, wie Methylbromid, Dibrommethan, Dichlorbrommethan und ähnlichen, sowie ein Gettermaterial, wie Phosphor.
Abwechselnde Schichten von SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; wurden auf die äußere Oberfläche des Glaskolbens der in Fig. 6 veranschaulichten Art von Wolfram-Halogen-Glühlampen von 60 Watt unter Anwendung eines LPCVD-Überzugfsverfahrens gemäß der Computeroptimierung in Tabelle 2 in einer Gesamtzahl von siebenundvierzig (47) abwechselnden Schichten von SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; bei einer Gesamtdicke von etwa 39.300 Å aufgebracht. Ähnliche Lampen wurden mit dem gleichen LPCVD- Abscheidungsverfahren mit einem Filter nach dem Stande der Technik überzogen, der fünfundzwanzig (25) abwechselnde Schichten von SiO&sub2; und Ta&sub2;O&sub5; in einer Gesamtdicke von etwa 39.700 Å umfaßte. Ausgenommen die erste und fünfundzwanzigste Schicht aus SiO&sub2; waren alle Schichten dieses Filters nach dem Stande der Technik mindestens etwa 100 nm (1.000 Å) dick. Die Lichtabgabe beider Lampen in Lumen pro Watt war etwa die gleiche, und beide wiesen eine 40% größere Lichtabgabe als ähnliche, nicht überzogene Lampen auf. Die mit dem Filter der vorliegenden Erfindung überzogenen Lampen hatten jedoch bessere Farbeigenschaften als die mit dem Filter nach dem Stande der Technik überzogenen Lampen.
Lampe 50 mit dem Filterüberzug 48 auf dem äußeren Teil des Lampenkolbens ist in Fig. 7 in einen Parabolreflektor 62 eingebaut dargestellt. Die Kombination 60 der Fig. 7 weist somit die Lampe 50 auf, die in den Bodenteil des parabolischen Glasreflektors 62 mittels leitender Montageschenkel 64 und 66 montiert ist, die durch (nicht gezeigte) Dichtungen am Bodenteil 72 des Glasreflektors 62 hervorstehen. Der Lampensockel 80 ist auf dem Bodenteil des Glasreflektors am Halsabschnitt 82 durch nicht gezeigte Mittel angewürgt. Der Schraubsockel 84 ist ein Standard-Schraubsockel, um die fertige Einheit 60 in eine geeignete Fassung zu schrauben. Eine Glas- oder Kunststoff- Linse oder Abdeckung 86 ist mittels Klebstoff oder einem anderen geeigneten Mittel am anderen Ende des Reflektors 62 befestigt oder hermetisch damit abgedichtet, um die Lampeneinheit zu vervollständigen.
Der oben offenbarte Filterüberzug ist auch brauchbar für einendige Wolfram-Halogen- Lampen sowie für andere Arten von Lampen, wie Bogenentladungslampen. Die in Fgur 6 gezeigte Lampe 50 könnte daher auch eine Bogenentladungslampe mit Elektroden anstelle des Glühfadens sein. In einem breiteren Sinne ist der Überzug als ein Filter auf einem lichtdurchlässigen Kolben brauchbar, der eine elektrische Lichtquelle enthält. Weiter kann der Überzug auf eine lichtdurchlässige Umhüllung aufgebracht sein, die mindestens einen Teil eines Glühfadens, einer Glühfadenlampe oder eines Entladungsrohres umgibt.
Der Filter der vorliegenden Erfindung ist nicht beschränkt auf den Einsatz bei Lampen, noch ist er auf die hochschmelzenden Metalloxide, wie Tantaloxid, Titanoxid, Nioboxid und Siliciumoxid beschränkt, die zur Verwendung mit Lampen bei Temperaturen von mehr als 400 oder 500ºC als geeignet bekannt sind. Die vorgenannten Beispiele sind lediglich illustrativ.

Claims

1. Optischer Interferenzüberzug zum Reflektieren von IR-Strahlung und zum Durchlassen von Strahlung sichtbaren Lichtes, der drei spektral benachbarte Multiperioden-Stapel umfaßt, worin jeder Stapel mindestens zwei Perioden aufweist, wobei einer der Stapel ein kurze Wellen durchlassender Stapel mit einer Design-Wellenlänge von 930 am und der zweite und dritte der Stapel spektral bei Design-Wellenlängen von 1.300 nm bzw. 1.700 am angeordnet sind, wobei die Perioden des zweiten und dritten Stapels sieben alternierende Schichten von Materialien hohen und geringen Brechungsindex enthalten, die eine optische Dicke von:

L/a, H/b, L/c, H/d, L/c, H/b bzw. L/a für den zweiten Stapel und

L/a', H/b', L/c', H/d', L/c', H/b' bzw. L/a' für den dritten Stapel aufweisen,

worin a = 2,3; b = 7,5; c = 10,4; d = 1,5; a' = 2,7; b' = 8,1; c' = 13,2; d' = 1,2,

worin L und H die optische Dicke einer Viertelwelle der Stapelwellenlänge der Materialien des geringen bzw. hohen Brechungsindex repräsentieren, wobei die Stapelwellenlänge als die Wellenlänge definiert ist, bei der die stärkste Reflexion stattfindet und worin die tatsächlichen Dicken der Schichten um ±10% variieren können.

2. Überzug nach Anspruch 1, worin der Stapel, der kurze Wellen durchläßt, ein Viertelwellenstapel ist.

3. Überzug nach Anspruch 2, worin der Viertelwellenstapel Perioden der Form:

(L/2; H; L/2)

enthält.

4. Überzug nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Schichten hochschmelzendes Metalloxid umfassen.

5. Überzug nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Schicht geringen Brechungsindex Siliciumdioxid einschließt, und die Schicht hohen Brechungsindex ein Oxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tantaloxid, Titanoxid und Nioboxid.

6. Elektrische Lampe, umfassend einen lichtdurchlässigen Kolben (10), enthaltend eine elektrische Lichtquelle (17), wobei mindestens ein Teil des Kolbens mit einem optischen Interferenzüberzug (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 überzogen ist.

7. Lampe nach Anspruch 6, worin die Lichtquelle ein Glühfaden (18) oder eine Bogenentladung ist.

8. Lampe nach Anspruch 6, die eine Wolfram-Halogen-Glühlampe ist, umfassend einen glasartigen lichtdurchlässigen Kolben (10) mit einer Glühfadenkammer mit einem Wolfram- Glühfaden (17) und mindestens einem innerhalb der Kammer hermetisch eingeschlossenem Halogen, worin der Glühfaden eine Längsachse hat, die radial mit dem optischen Zentrum der Kammer ausgerichtet ist und mindestens ein Teil der äußeren Oberfläche der Kammer mit dem optischen Interferenzüberzug überzogen ist.

9. Lampe nach Anspruch 6, 7 oder 8, worin der lichtdurchlässige Kolben (10) aus geschmolzenem Siliciumdioxid besteht.