Interferenzlichtfilter mit einer oder mehreren Durchlässigkeitsspitzen. Es sind auf Interferenzwirkungen beru hende Lichtfilter vorgeschlagen worden aus einer Mehrzahl lichtdurchlässiger, nichtmetal lischer Schichten von hoher Brechungszahl, von denen immer je zwei durch eine Schicht von einer Brechungszahl, die niedriger als die -hrnge ist, voneinander getrennt sind. Bei geeigneter Wahl der betreffenden Stoffe und der Dicke der Schichten ist für einen gewis s en Wel lenläncenbereich e die Durchlässigkeit dieser Filter fast 0, während sie an den Gren zen dieses Bereiches fast bis auf 100 % an steigt.
Nach der Erfindung kann man durch Hintereinanderschalten zweier solcher Einzel filter ein Interferenzlichtfilter erzielen, das innerhalb des erwähnten Bereiches geringer Durchlässigkeit der Einzelfilter eine oder mehrere Durchlässigkeitsspitzen, also einen oder mehrere sehr enge und sehr steil anstei gende Durchlässigkeitsbereiche mit einer Durchlässigkeit von fast 100 % aufweist. In Hinsicht auf diese Eigenschaften ihres Berei ches hoher Durchlässigkeit unterscheiden sieh die erfindungsgemässen Filter auch wesent lieh von den aus der deutschen Patentschrift Nr.716153 bekannten Interferenzfiltern aus zwei durchscheinenden Metallschiehten.
Denn bei diesen lässt sich für enge Durchlässigkeits bereiche höchstens eine Durchlässigkeit von 40 % erreichen, und für Wellenlängen unter 0,40 und über 1,5 liegt die erzielbare Durchlässigkeit noch erheblich niedriger, wäh- rend es bei den erfindungsgemässen Filtern, wie schon erwähnt, möglich ist, bis fast auf 100 % zu kommen, und zwar auch ausserhalb der soeben genannten Wellenlängengrenzen.
Im folgenden wird auf Ausführungsbei spiele der Erfindung näher eingetreten.
Ist jedes der beiden Einzelfilter in bezug auf die Mittelebene seiner mittelsten Schicht symmetrisch aufgebaut, so treten bei denjeni gen innerhalb des Bereiches geringer Durch lässigkeit (mit der mittleren Wellenlänge #0) der beiden Einzelfilter liegenden Wellenlän gen # Durchlässigkeitsspitzen auf, für die @ = 2d/(K + 0,5), also d = 0,5 # K + 0,25 #, worin d der optische Abstand der Mittelebenen der beiden Einzelfilter voneinander (also- der wahre Abstand der Mittelebenen multipliziert in seinen einzelnen Teilen je mit der dort gül tigen Brechungszahl)
und K als Ordnung der betreffenden Interferenz eine ganze Zahl ist. Je kleiner der gegenseitige optische Abstand d der Mittelebenen der beiden Einzelfilter ist, um so weiter voneinander liegen also bei unverändertem Wert K die Wellenlängen #, bei denen eine Durchlässigkeltespitze auf treten kann, um so eher isst, es also zu errei chen, dass nur eine der Wellenlängen 2, inner halb des Bereiches liegt,
innerhalb dessen jedes der beiden Einzelfilter ein Gebiet. gerin- ger Durchlässigkeit hat. Der optische Ab stand d kann jedoch nicht unter einen gewis sen Mindestwert hinuntergehen. Dieser liegt dann vor, wenn die beiden Einzelfilter einan der unmittelbar berühren. Ist p die opti sche Dicke jedes der beiden Einzelfilter, so ist dann d = p, also # = 2p/(K + 0,5).
Ist 2o die mittlere Wellenlänge des Bereiches geringer Durchlässigkeit jedes der beiden Einzelfilter, so können, da in der Regel ein solcher Bereich durch Wellenlängen begrenzt ist, deren Kehrwert häehstens um 15 % nach der einen und der andern Seite von dem Kehrwert von @0 abweicht, Durchlässigkeits spitzen nur auftreten zwischen #0/1,15 und #0/0,85, also zwischen 0,87 #0 und 1,18 #o. Es gilt daher für diejenigen Wellenlängen #, für die eine Durchlässigkeitsspitze möglich ist, 0,87 @0 @ @ @ 1,18 #o.
Infolgedessen ist 1,18 #0 # 2p/(K + 0,5), also K # 2p/1,18 #0-0,5.
Es bestehe beispielsweise jedes der beiden Einzelfilter aus drei Schiehten Antimonsulfid (Sb2S3; n = 3,5) je von einer optischen Dicke von 0,25 , von denen je zwei voneinander durch eine Schicht Lithiumfluorid (LiF; n = 1,35) von derselben optischen Dicke ge trennt sind. Die Durchlässigkeit D eines sol- ehen Filters ist durch die in der Zeichnung ausgezogene Kurve dargestellt. Als Abszissen ,ind sowohl die Wellenlängen 2 als aueh deren Kehrwerte 1/# aufgetragen. Wie ersieht lieh, hat das Filter einen verhältnismässig breiten, ungefähr von den Wellenlängen 0,87 und 1,18 begrenzten Bereich gerin ger Durchlässigkeit, die bei einer Wellenlänge von 1,0 nur 1% beträgt und an beiden Sei ten ziemlich steil auf fast 100 % ansteigt.
Die sich an beiden Seiten dann anschliessenden Sehwankungen sind für den Gegenstand der Erfindung ohne wesentliche Bedeutung. Im mittleren Bereich ist die Durchlässigkeitsver minderung fast nur von Interferenzersehei- nungen verursacht, infolgedessen entspricht hier einer geringen Durchlässigkeit eine starke Reflexion, so dass die Summe von Durehlässigkeit und Reflexion hier überall fast 100 % beträgt. Bei diesem Filter hat die optische Dicke p den Wert p = 5³0,25 = 1,25 , und es ist #0 = 1,0 .
Werden zwei solche Filter unmittelbar auf einandergelegt, so ergibt sieh aus der Glei ehung K # 2p/1,18 #0 - 0,5 hier K # 2³1,25/1,18³1,0 - 0,5 K # 1,62.
Da K stets eine ganze Zahl ist, so ist also der kleinste Wert, den K annehmen kann, der Wert 2. Es wäre dann # = 2p/(K + 0,5) = 2,5 /2,5 = 1,0 , es läge also eine Durchlässigkeitsspitze mitten in dem Gebiet geringer Durchlässigkeit der beiden Einzelfilter. Diese Spitze ist in der Zeichnung gestriehelt eingetragen. Die Wel lenlänge 1,0 ist, entspreehend dem kleinsten Wert von K, die grösste, bei der unter der hier vorausgesetzten Beschaffenheit und ge genseitigen Lage der Einzelfilter eine Durch lässigkeitsspitze liegt.
Die nächstkleinere Wellenlänge<B>2</B> einer Durchlässigkeitsspitze könnte liegen mit K = 3 bei 2 = 2,5 ,u / 3,5 = 0, 71-1 1r.
Da jedoch das Gebiet gerin-er @urch@äs,ig- keit der beiden Einzelfilter begrenzt. ist durch die Wellenlängen 0,87 ,cc und 1,18 , so lässt sich unter den hier beispielsweise gemaeht.en Voraussetzungen dieser Wert von # nicht ver wirkliehen, gesehweige denn ein noch kleine rer (zu dem ein noch grösserer Wert von K gehören würde).
Will man unter Beibehaltung der oben beispielsweisse angegebenen Einzelfilter für eine oberhalb von 1,0 , also zwischen 1,0 und 1,18 liegende Wellenlänge eine Durch lässigkeitsspitze erzielen, so ist dies dadurch möglieh, dass man den optischen Abstand d der Mittelebenen der beiden Einzelfilter über seinen Mindestwert p hinaus erhöht, also einen Zwischenraum zwischen die beiden Ein zelfilter einführt, der seinerseits mit Luft oder einem andern Stoff gefüllt sein kann. Ist z.
B. vorgeschrieben # = 1,08 , so ergibt sich mit K = 2 aus der Gleichung # = 2d/(K + 0,5) für d der Wert d = 0,5³2,5³1,08 = 1,35 , es wären also die beiden Einzelfilter nicht un mittelbar aufeinanderzulegen, sondern es wäre zwischen ihnen ein Abstand t von der optischen Dicke t = (1,35-1,25) = ,10 einzuhalten, also beispielsweise eine Schicht aus Lithiumfluorid von der wahren Dicke 0,10 /1,35 = 0, zwischen die beiden Einzelfilter zu bringen. Da # = 2d/(K + 0, so ergibt sieh ferner immer derselbe Wert für #, wenn man die Werte von d und (K + 0,5) proportional zueinander ändert.
Während sich oben für d = 1,25 und K = 2, also K + 0,5 = 2,5, eine Wellenlänge = 1,0 er gab, würde sich also dieselbe Wellenlänge er geben für
EMI0003.0011
d <SEP> = <SEP> 1,25 <SEP> 1,75 <SEP> 2,25 <SEP> 2,75... <SEP> 5,25...10,25...15,25
<tb> K <SEP> = <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> ...10 <SEP> ...20 <SEP> ...30
<tb> t <SEP> = <SEP> 0 <SEP> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 1,5 <SEP> ... <SEP> 4,0 <SEP> ... <SEP> 9,0 <SEP> ... <SEP> 14,0 <SEP> wobei zwischen den beiden Einzelfiltern ein Zwischenraum von der mit t bezeichneten op tischen Dieke einzuhalten wäre.
Aus # = 2d/(K + 0,5), ergibt sich auch, dass die Durchlässigkeits spitzen um so enger zusammenrücken, je grö sser der gegenseitige optische Abstand d der Mittelebenen der beiden Einzelfilter ist. In folgedessen können bei grossen Werten von d mehrere Durchlässigkeitsspitzen zugleich auf treten, was bei kleinen Werten von d (wie oben für d = 1,25 gezeigt) nicht der Fall ist. In der folgenden Tafel sind beispielsweise die Wellenlängen # zusammengestellt, die sieh bei d = 2,25 für einige Werte von K er geben: K = 3 4 5 # = 1,29 1,0 0,82 .
Nimmt man wieder, wie oben, an, dass die mittlere Wellenlänge des Gebietes geringer Durchlässigkeit jede der beiden Einzelfilter 1,07 betrage und dieses Gebiet von den Wel lenlängen 0,87 und 1,18 begrenzt werde, so würde also nur die bei # = 1,0 liegende Durchlässigkeitsspitze auftreten, da die bei 0,82 und 1.29 mögliehen ausserhalb der ge nannten Grenzen liegen.
Bei d = 15,25 ,ic da gegen gilt folgendes:
EMI0003.0018
K <SEP> = <SEP> 25 <SEP> 26 <SEP> 27 <SEP> 28 <SEP> 29 <SEP> 30 <SEP> 31 <SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 34 <SEP> 35
<tb> 1,19 <SEP> 1,15 <SEP> 1,<B>1</B>1 <SEP> 1,07 <SEP> 1,03 <SEP> 1,0 <SEP> 0,97 <SEP> 0,94 <SEP> 0,91 <SEP> 0,88 <SEP> 0,86 <SEP> ,u Hier würden also auf jeder Seite der Wellen länge 1,0 noch vier Durchlässigkeitsspitzen zur Verfügung stehen.
Die Berechnung des Mindestwertes von K gestaltet sieh noch einfacher als aus der oben abgeleiteten Gleichung K # 2p/1,18 @0 - 0,5, wenn es sieh um gewisse Sonderfälle des Auf baues der Einzelfilter handelt. Bezeichnet man die Anzahl der in jedem der beiden Ein zelfilter vorhandenen höherbrechenden Schich ten mit m, so ist m-1 bei jedem der beiden Einzelfilter die Anzahl der je zwei dieser Schichten trennenden, niedrigerbrechenden Schichten. Hat jede Schicht eine optische Dicke von 0,25 #o (was häufig zweckmässig ist), so ist.
p = 0,25 (2m-1) #0. Infolgedessen ist K # 2³0,25 (2m-1) #0/1,18 #0-0,5 Hieraus ergibt sieh nach einigen Umformun gen K # (m-1,09)/1,18.
Da K eine ganze Zahl sein muss, so folgt aus dieser Gleichung, dass für den Mindestwert <B><I>voll</I></B> K gilt K = m-1, so lange wie m # 7, was in den praktisch wichtigen Fällen erfüllt ist.
Bei unsymmetrisch gebauten Einzelfiltern ist die rechnerische Behandlung sehr umständ lich. Hier geht man zweckmässig so vor, dass man durch Versuche feststellt, wie gross der gegenseitige optische Abstand zwischen den beiden Einzelfiltern sein muss, um die Dureh- lässigkeitsspitze gerade auf die gewünschte Wellenlänge zu legen, z. B. indem man zwi schen die beiden Einzelfilter eine keilförmige Schicht bringt und feststellt, an welcher Stelle die gewünschte Wirkung erzielt wird.
In der Regel liegt jedoch keine Veranlassung vor, die Einzelfilter absichtlich unsymmetrisch auszubilden, da dies die Herstellung von Ein zelfiltern unnötig erschwert, die in ihrem Gebiet geringer Durchlässigkeit eine hohe Re flexion aufweisen. Die symmetrische Ausbil dung ist daher für den Regelfall vorzuziehen. Je- höher die Reflexion ist, um so geringer ist die Halbwertsbreite des Durchlässigkeits bereiches des Gesamtfilters und um so dunkler gleichzeitig dessen Nachbarschaft. Auch durch eine Vergrösserung des gegenseitigen optischen Abstandes der beiden Einzelfilter wird die Halbwertsbreite verringert.
Als hochbrechende, für die Filterschich ten geeignete Stoffe seien beispielsweise ge nannt Antimonsulfid, die Chalkogenile (also die Verbindungen mit Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur) des Kadmiums und die Halogenide des Silbers, des Bleis und des Thalliums für das ultrarote Gebiet, Bleichlo rid für das ultraviolette Gebiet und Titan oxyd für das sichtbare Gebiet; als niedrig- breehende Stoffe seien genannt Lithium- fluorid, Magnesiumfluorid, Kryolith und Kieselsäure für das ultraviolette, das sicht bare und das ultrarote Gebiet.
Die Herstel lung der Filterschichten aus diesen und andern Stoffen kann mit bekannten Mitteln, z. B. durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Zersetzung hy drolisierbarer Dämpfe, er folgen.
Macht man den gegenseitigen optischen Abstand der beiden Einzelfilter gross im Ver hältnis zu der Wellenlänge, für die das Fil ter eine Durehlässiskeitsspitze haben soll, ist also umgefähr K > 20, so entstehen, wie oben schon auseinandergesetzt, mehrere Spitzen. Solche Filter können z. B. mit Vorteil für I'einstrukturuntersuehuna-en benutzt werden.
Ist. der zwischen den beiden Einzelfiltern be findliche Zwischenraum mit Luft ausgefüllt, so wirkt,das Filter ungefähr wie ein Fabry- Perotsches Interferometer, ist diesem jedoch infolge der Wirkungsweise der Einzelfilter, durch die die metallenen Spiegelflächen diese Interferometers ersetzt sind, an Helligkeit und Auflösungsvermögen überlegen; auch ist es möglich, mit einem solchen neuen Filter in Wellenlängenbereiche von 10 und darüber vorzudringen, in denen man bisher nur mit völlig unbelegten Platten arbeiten konnte.
Lässt man den gegenseitigen optischen Ab stand der beiden Einzelfilter höchstens einige Wellenlängen betragen, so dass also ungefähr K # 20 wird, so entstehen nur wenige Durch lässigkeitsspitzen oder nur eine einzige. Die Verwendung solcher Filter ist daher beson ders dann von Vorteil, wenn Wert darauf nu legen ist, nur eine möglichst eng begrenzte Strahlung hindurchzulassen.
In manchen Anwendungsfällen wird es notwendig oder wenigstens zweckmässig sein, dafür zu sorgen, dass ausser bei der Durch lässigkeitsspitze keine Strahlung hindurchge lassen, also beispielsweise die Strahlung unter drückt wird, die bei dem in der Zeichnung dargestellten Filter unterhalb von 0,87 und oberhalb von 1,18 hindurchgehen würde. Dies lässt sich entweder dadurch erreichen, dass man mindestens für einen Teil der Fil terschichten Stoffe verwendet, die ausserhalb des hindurchzulassenden Wellenlängenberei ches absorbierend wirken (wie es zum Teil die oben beispielsweise genannten Stoffe tun), oder dadurch, dass man andere Filter, vor zugsweise Interferenzfilter von geeigneter Durchlässigkeit hinzufügt.
Auch kann man zu diesem Zweck mindestens das eine der beiden Einzelfilter auf eine ausserhalb des hindurchzulassenden Wellenlängenbereiches absorbierende Unterlage, z. B. ein geeignetes Farbglas, aufbringen oder es mit einer ausser halb dieses Wellenlängenbereiches absorbie renden Schicht, z. B. mit einem farbigen Lack oder einem farbigen Gelatineblättchen, be decken.
Lässt man ein erfindungsgemässes Filter mit einem weiteren Interferenzfilter zusam menwirken, so hat man dafür zu sorgen, dass dadurch keine störenden Einflüsse infolge von zusätzlichen Interferenzerscheinungen eintre ten. Solche Einflüsse kann man verhüten, in dem man das zusätzliche Filter in ausreichend grossem Abstande (von mehreren Millimetern) von dem erfindungsgemässen anbringt und eine allzu genaue Ebenheit der Unterlage ver- meidet, auf die seine Schichten aufgebracht sind.
Auch ein ganz schwaches Absorptions filter, das zwischen das erfindungsgemässe und das zusätzliche Filter geschaltet wird, wirkt schon durch Herabsetzung der Zick- zaekreflexionen sehr günstig.
Für manche Zwecke, z. B. für Feinstruk turuntersuchungen, ist es vorteilhaft, wenn über die Breite des Filters hin die Wellen länge, für die eine Durchlässigkeitsspitze vor liegt, ansteigt. Man kann dies durch keilför mige Ausbildung der Filterschichten, für ge ringe Anstiege jedoch zweckmässiger dadurch erreichen, dass man die beiden Einzelfilter nicht unmittelbar aufeinanderlegt, sondern sie durch einen keilförmigen Zwischenraum voneinander trennt.
Wenn man die beiden Einzelfilter wie oben beispielsweise angegeben ausführte und sie durch eine Schicht aus Lithiumfluorid von der optischen Dicke t = 0,25 voneinander trennte, so ergäbe sich insgesamt ein Filter aus sechs Schichten Antimonsulfid je von einer optischen Dicke von 0,25 , von denen je zwei voneinander durch eine Schicht Lithiumfluorid von derselben optischen Dicke getrennt wären, also ein Filter, wie es schon früher vorgeschlagen worden ist. Ein solches Filter würde dem Erfindungszweck jedoch nicht genügen.
Denn es wäre hier d = 1,50,a und infolgedessen ergäbe sich aus der Glei chung A=2d/(K+0,5) für K = 2 ein Wert von @ = 1,2 ,a und für Ii = 3 ein Wert von @ = 0,86,a, es käme also innerhalb der Grenzen von 0,87 1,c und 1,18 Aa keine Durchlässigkeitsspitze zustande.