CS254862B1

CS254862B1 - Interference Cold Mirror

Info

Publication number: CS254862B1
Application number: CS853095A
Authority: CS
Inventors: Pavel Obdrzalek; Petr Mlcoch
Original assignee: Pavel Obdrzalek; Petr Mlcoch
Priority date: 1985-04-29
Filing date: 1985-04-29
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS309585A1

Abstract

Vynález řeší interferenční studené zrcadlo se dvěma, na pevné podložce upravenými bloky tenkých, vakuově napařovaných vrstev, mezi kterými je vytvořen střední blok, obsahující čtyři až osm vrstev s celkovou optickou tlouštkou Δθ = λ/4. První vrstva u vzduchu celého systému třiblokového zrcadla má nízký index lomu (/aL) a optickou tlouštku Δ^ = Λ/2, zatímco poslední, přímo na podložce vytvořená vrstva má vysoký index lomu tyuH) a tlouštku Δχ = 0,6 /1/4. Optické tlouštky vakuově napařovaných vrstev krajních bloků jsou uspořádány tak, že náběžné hrany křivky spektrální odrazivosti na hladině 50 % se nacházejí v krajích viditelné části spektra. Všechny optické tlouštky tenkých napařovaných vrstev jsou násobeny faktorem 1/cos tf>, kde (ř'je úhel lomu ve vrstvách dopadovému úhlu f, který se po odrazu uplatňuje s maximální vahou.The invention solves an interference cold mirror with two blocks of thin, vacuum-evaporated layers arranged on a solid substrate, between which a middle block is formed, containing four to eight layers with a total optical thickness Δθ = λ/4. The first layer in the air of the entire three-block mirror system has a low refractive index (/aL) and an optical thickness Δ^ = Λ/2, while the last layer, formed directly on the substrate, has a high refractive index (tyuH) and a thickness Δχ = 0.6 /1/4. The optical thicknesses of the vacuum-evaporated layers of the outer blocks are arranged so that the leading edges of the spectral reflectance curve at the level of 50% are located at the edges of the visible part of the spectrum. All optical thicknesses of the thin vaporized layers are multiplied by the factor 1/cos tf>, where (ř' is the angle of refraction in the layers at the angle of incidence f, which is applied with maximum weight after reflection.

Description

Vynález se týká interferenčního studeného zrcadla, tvořeného dvěma, na pevné podložce upravenými bloky vrstev, z nichž každý obsahuje osm až čtrnáct tenkých, vakuově napařovaných vrstev střídavě vysokého a nízkého yu_L indexu'lomu, kdy optická tlouštka prvního, od podložky vzdálenějšího bloku je určena vztahem Δ_Α =(A/4) (1 + £ /90°) a optická tlouštka na podložce vytvořeného bloku je určena vztahem Δ_β = ( λ/4) (1 - £/90°), kde veličina £ = arcsin yu_H - f ýu_L a lambda je centrální vlnová délka maxima odrazivostí.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an interference cold mirror consisting of two blocks of layers on a solid support, each containing eight to fourteen thin, vacuum-vapor layers of alternately high and low γ _L index, wherein the optical thickness of the first distal block is determined. the relation Δ _Α = (A / 4) (1 + £ / 90 °) and the optical thickness on the pad of the formed block is determined by the relation Δ _β = (λ / 4) (1 - £ / 90 °), where the quantity £ = arcsin yu _H - f ýu _L and lambda is the central wavelength of the maximum reflectance.

U optických přístrojů, které používají výkonné.světelné zdroje, vyzařující energii jak ve viditelné, tak v blízké infračervené oblasti spektra, je zpravidla nutné oddělit funkční světelné záření oč. záření tepelného. Toto oddělení, nazývané filtrace, se provádí pomocí takzvaného studeného zrcadla, které odráží pouze viditelnou složku dopadajícího záření, kdežto tepelné záření propouští. Jedná se v podstatě o dielektrický systém vrstev, napařených ve vakuu na vhodnou, zpravidla skleněnou podložku a pracujících na principu interference světla. Funkce studeného zrcadla je odvozena ze selektivní spektrální odrazivosti jednoho takového systému dielektrických tenkých vrstev střídavě vysokého /i_H a nízkého yu_L indexu lomu, nazývaného blok. Běžná, dosud vyráběná studená zrcadla jsou tvořena dvěma takovými bloky, z nichž každý obsahuje osm až čtrnáct tenkých vrstev.For optical instruments that use powerful light sources that emit energy in both the visible and near infrared regions of the spectrum, it is generally necessary to separate the functional light radiation of the eyes. heat radiation. This separation, called filtration, is carried out by means of a so-called cold mirror, which reflects only the visible component of the incident radiation, while the heat radiation transmits. It is essentially a dielectric system of layers vapor deposited in a vacuum onto a suitable, generally glass, substrate and operating on the principle of light interference. The cold mirror function is derived from the selective spectral reflectance of one such dielectric thin film system alternating high / _H and low γ _L refractive index, called a block. The conventional cold mirrors produced so far consist of two such blocks, each containing eight to fourteen thin layers.

Některé optické přístroje, jako například filmové projektory nebo barevné hlavy zvětšovacích přístrojů, jsou opatřeny studenými zrcadly zakřiveného tvaru, která kromě výše uvedené základní funkce plní ještě požadavky z hlediska teploty chromatičnosti odraženého světla.Some optical instruments, such as film projectors or color heads of magnifying devices, are provided with cold curved mirrors which, in addition to the above-mentioned basic function, also meet the requirements for the color temperature of the reflected light.

Tato funkce je přímo určena polohou křivky spektrální odrazivosti studeného zrcadla ve spektru. Zakřivenost odrazné plochy má za následek, že paprsky, vycházející ze zdroje světli, dopadají na zrcadlo pod různým úhlem.This function is directly determined by the position of the spectral reflectance curve of the cold mirror in the spectrum. The curvature of the reflecting surface results in the rays emanating from the light source impinging on the mirror at different angles.

V takovém případě jsou tenké vrstvy studeného zrcadla přizpůsobeny pio dopadový úhel ií, ve kterém mají světelné paprsky největší váhu, což bývá zpravidla pro střední úhel celého svazku. Znamená to, že pro tento dopadový úhel je křivka spektrální odrazivosti optima lni a podobéi se případu, kdy na zrcadlo přizpůsobené pro kc.lmý dopad dopadá svážel p-ipjí.i.ů Kolmo.In such a case, the thin layers of the cold mirror are adapted at the incident angle, in which the light beams have the greatest weight, which is usually for the central angle of the entire beam. This means that for this incident angle, the spectral reflectance curve is the optimum and is similar to the case when the mirror adapted for the direct impact falls down perpendicularly.

Křivky řp. I.ttái ii odrazivosti krajních paprsků svazku pak vykazují nežádoucí zvlnřtií ve střední častí viditelného spektra i v blízké infračervené oblasti, včetně jejich spektrálního posuvu. V závislosti na zakřivení nosiče a indexech lomu napařovaných vrstev postihne toto zvlněni také křivku spektrální odrazivosti středního paprsku. Přes tento efekt se jošte překrývá vil v odchylek tlouštěk jednotlivých napařených vrstev, jímž bývá běžný výrobní proces zatížen.Řp. The reflections of the outer beams of the beam then exhibit undesirable ripples in the central portion of the visible spectrum and in the near infrared region, including their spectral shift. Depending on the carrier curvature and refractive indices of the vaporized layers, this ripple also affects the spectral reflectance curve of the middle beam. Despite this effect, the villas overlap in the thickness deviations of the individual steamed layers, which are usually burdened by the normal production process.

Uvedený jev může způsobit rozladění dvou bloků studeného zrcadla, což nežádoucí zvlnění křivky spektrální odrazivosti zvýrazní. Jsou-li odchylkami zatíženy také citlivé vrstvy studeného zrcadla, může pokles odrazivosti ve středu viditelné části spektra a zvýšení odrazivosti v blízké infračervené oblasti pro střední paprsek nabývat velikých hodnot.This phenomenon can cause tuning of two cold mirror blocks, which undesirable undulations of the spectral reflectance curve. If the sensitive cold mirror layers are also affected by deviations, the decrease in reflectance in the center of the visible part of the spectrum and the increase in reflectance in the near-infrared range for the medium beam can be large.

U krajních paprsků, které se však u optických soustav uplatňují v podstatně menší míře, může být situace ještě nepříznivější.The situation may be even more unfavorable for the outer beams, which, however, are applied to a much smaller extent in optical systems.

Vznikl tedy požadavek navrhnout takový typ studeného zrcadla, které by při úměrném počtu napařovaných vrstev umožnilo maximální spektrální odrazivost paprsků ve viditelné části spektra a současně její snížení v blízké infračervené oblasti s ohledem na chromatičnost odraženého“světla. Současně je třeba dosáhnout optimální spektrální odrazivosti pro střední a zároveň i krajní paprsky.Thus, there is a need to design a type of cold mirror which, with a proportional number of vapor layers, allows maximum spectral reflectance of the rays in the visible part of the spectrum, while reducing it in the near infrared region with respect to the chromaticity of reflected light. At the same time, it is necessary to achieve optimum spectral reflectance for both the middle and the outer rays.

Tento úkol řeší předmět vynálezu, kterým je interferenční studené zrcadlo tvořené dvěma, na pevné podložce upravenými bloky vrstev, z nichž každý obsahuje osm až čtrnáct tenkých napařovaných vrstev střídavě vysokého a nízkého indexu lomu, kdy optická tlouštka prvního, od povrchu podložky vzdálenějšího bloku je určena vztahem = ( 2/4).This object is solved by the object of the invention, which is an interference cold mirror consisting of two blocks of layers on a solid support, each containing eight to fourteen thin vapor layers of alternating high and low refractive index, where the optical thickness of the first = (2/4).

.(1 + £ /90°) a optická tlouštka na povrchu podložky vytvořeného bloku je určena vztahem(1 +? / 90 °) and the optical thickness on the substrate surface of the formed block is determined by

Δ_β = ( λ/4) (1 - £ /90°), kde veličina f = arcsin yu_H + yu^ a kde lambda je centrální vlnová délka maxima odrazivostí.Δ _β = (λ / 4) (1 - £ / 90 °), where f = arcsin yu _H + yu ^ and where lambda is the central wavelength of the maximum reflectance.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že mezi prvním blokem a druhým blokem je vytvořen střední blok, který obsahuje čtyři až osm vrstev s celkovou optickou tlouštkou Δ_ = λ/4.It is an object of the present invention to provide a central block between the first block and the second block comprising four to eight layers with a total optical thickness of Δ_ = λ / 4.

OO

První vrstva u vzduchu celého systému tříblokového zrcadla má nízký index lomu ^u_L) a optickou tlouštkouA^ = Λ/2 a poslední vrstva, vytvořená přímo na povrchu podložky má vysoký index lomu tyu_H) a optickou tlouštku Δ_χ = 0,6 λ/4. Doplňujícím znakem vynálezu je to, že optické tlouštky vakuově napařovaných vrstev krajních bloků jsou uspořádány v závislosti na rozdílu indexů lomu tak, že náběžné hrany křivky spektrální odrazivostí zrcadla na hladině 50 % se nacházejí v krajích viditelné části spektra. Všechny optické tlouštky tenkých napařovaných vrstev mohou být násobeny faktorem 1/cos (f'·The first layer of air in the whole system triblock mirrors has a low refractive index ^ u _L) and the optical tlouštkouA ^ = Λ / 2 and last layer, formed directly on the surface of the substrate has a high refractive index tyu _H) and an optical thickness _Δ χ = 0.6 λ / 4. An additional feature of the invention is that the optical thicknesses of the vacuum-vaporized outermost block layers are arranged in dependence on the refractive index difference such that the leading edges of the spectral reflectance curve of the mirror at a level of 50% are located at the visible edge of the spectrum. All optical thicknesses of thin vapor layers can be multiplied by a factor of 1 / cos (f '·

Křivka spektrální odrazivostí takto vytvořeného studeného zrcadla nevykazuje nežádoucí snížení odrazivostí ve středu viditelné části spektra, které vystupuje u dosud vyráběných studených zrcadel. Náběžné hrany spektrální odrazivostí leží na vlnových délkách, ohraničujících viditelnou část spektra. Vhodným výběrem a kombinací jednotlivých bloků, počtu jejich vrstev, a střídání indexů lomu bylo dosaženo snížení odrazivostí v blízké infračervené oblasti Vedle toho bylo dosaženo i zvýšení mechanické odolnosti, přičemž systém vrstev tříblokového studeného zrcadla je méně citlivý na nepřesnosti ve výrobních podmínkách.The spectral reflectance curve of the thus formed cold mirror does not exhibit an undesirable decrease in the reflectance in the center of the visible part of the spectrum that is present in the cold mirror produced so far. The leading edges of spectral reflectance lie at the wavelengths bounding the visible part of the spectrum. By appropriately selecting and combining the individual blocks, the number of their layers, and alternating the refractive indices, the near infrared reflectivity has been reduced. In addition, mechanical resistance has been increased, while the three-block cold mirror layer system is less sensitive to inaccuracies in manufacturing conditions.

Řešit tento problém při technologicky přijatelném počtu vrstev, umožňujícím maximální odrazivost ve viditelné části spektra při jejím snížení v blízké infračervené oblasti a vytvořit tak optimální spektrální odrazivost pro střední, ale i krajní paprsky, je možný pomocí interferenčního studeného zrcadla složeného ze tří bloků vrstev. Toto zrcadlo je tvořeno tenkými vrstvami materiálů střídavě nízkého a vysokého yu^ indexu lomu tak, že ve směru vzduch-sklo má první vrstva celého systému nízký index lomu ^u^ a poslední vrstva u podložky vysoký index lomu yu^.To solve this problem with a technologically acceptable number of layers, allowing maximum reflectance in the visible part of the spectrum while decreasing it in the near infrared range and creating optimal spectral reflectance for both mid and outer rays, is possible using an interference cold mirror composed of three blocks of layers. This mirror consists of thin layers of alternating low and high refractive index materials such that in the air-glass direction, the first layer of the entire system has a low refractive index and the last layer of the substrate has a high refractive index.

Z hlediska optických tlouštěk je zrcadlo tvořeno třemi bloky. Optické tlouštky krajních bloků v pořadí u vzduchu a skla jsou stanoveny ze vztahů pro dvoublokové studené zrcadlo, to jest Δ_α = ( λ/4) (1 + £/90°), Δβ = ( Á/ⁱ) (1 -£/90°), kde £ = arcsin ^_H^i_L/«_Hj^i_L) a lambda je centrální vlnová délka maxima odrazivostí. Jsou však upraveny v závislosti na rozdílu indexů lomu tak, že náběžné hrany jejich křivek spektrální odrazivostí na hladině 50 % se nacházejí na vlnových délkách 400 a 700 yum. Vsunutý prostřední blok obsahuje pouze vrstvy s optickou tlouštkou λ/4.In terms of optical thickness, the mirror consists of three blocks. The optical thicknesses of the outer blocks in the order of air and glass are determined from the relations for a two-block cold mirror, ie Δ _α = (λ / 4) (1 + £ / 90 °), Δβ = (Á / ⁱ ) (1 - £ / 90 °), where λ = arcsin ( _H i _{L L} _H ^ _{L a L} ) and lambda is the central wavelength of the maximum reflectance. However, they are adjusted to reflect the difference in refractive indices so that the leading edges of their curves at 50% spectral reflectance are at wavelengths of 400 and 700 yum. The intermediate middle block contains only layers with optical thickness λ / 4.

První vrstva u vzduchu, s nízkým indexem lomuyu_L má optickou tlouštku Δ₁ = λ/2, poslední vrstva s vysokým indexem lomu má optickou tlouštkuA^ = 0,6 λ/4. Optické, tlouštky všech vrstev jsou přizpůsobeny pro dopadový úhel fí, který poskytuje paprsky, uplatňující se po odraze s maximální vahou.The first layer with low refractive index _L has an optical thickness Δ ₁ = λ / 2, the last layer with high refractive index has an optical thickness A ^ = 0.6 λ / 4. The optical thicknesses of all layers are adapted to the incidence angle phi which provides the beams applied after reflection with maximum weight.

Jako příklad dosaženého vyššího účinku je grafické znázornění křivek spektrální odrazivosti ró (lambda) podle přiloženého obrázku. Prostřední, plnou čarou vyznačená křivka představuje případ, kdy na studené zrcadlo, jehož vrstvy jsou přizpůsobeny pro dopadový úhel 45°, dopadá světelný paprsek pod tímtéž úhlem. Levá, čárkovaně vyznačená křivka znázorňuje situaci, kdy na tento systém vrstev dopadá paprsek pod úhlem 60° a pravá, čerchovaně značená křivka, znázorňující situaci, kdy světelný paprsek dopadá pod úhlem 30°.As an example of the higher effect achieved, a graphical representation of the spectral reflectance curves rho (lambda) according to the attached figure. The middle, solid line is the case where a cold mirror, whose layers are adapted for a 45 ° incident angle, falls on the light beam at the same angle. The left, dashed line represents the situation where the beam falls at 60 ° and the right, dashed line shows the situation where the light beam falls at 30 °.

Z uvedeného příkladu vyplývá, že ve viditelné oblasti dosahuje spektrální odrazivost pro všechny uvažované úhly dopadu hodnot nad 95 %, kdežto v blízké, infračervené oblasti, to je 800 až 1 000 nm, nabývá odrazivost hodnot do 10 i. Přitom optimální případ nastává pro paprsek, uplatňující se v přístroji s maximální vahou, to je v uvedeném případě úhel 45°, kdy odrazivost ve viditelné oblasti dosahuje v průměru 98 i, zatímco v blízké infračervené oblasti se pohybuje do 5 %.The example shows that, in the visible range, the spectral reflectance for all considered angles of incidence reaches values above 95%, while in the near infrared range, that is, 800 to 1000 nm, the reflectance is within 10 i. applied in an apparatus with a maximum weight, i.e., in this case, an angle of 45 °, where the reflectance in the visible range is 98% on average, while in the near infrared range it is up to 5%.

IAND

Studené zrcadlo popsaného typu, lze s výhodou využít zvláště v těch'případech, kdy se jedná o zakřivený nosič, pracující pod značným rozdílem dopadových úhlů fí a vyžaduje se optimální barevné podání odraženého světla, jako například u filmových promítacích strojů a barevných hlav pro zvětšovací techniky.A cold mirror of the type described can be advantageously used especially in those cases where it is a curved carrier operating under a considerable difference in the incidence angles í and requiring optimal color reflection of the reflected light, such as in film projectors and color heads for magnifying techniques. .

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Interference cold mirror consisting of two r and r rigid support blocks of layers, each containing eight to fourteen thin, vacuum-vapor layers of alternately high yu _H and low refractive index, the optical thickness of the first, from the surface of the distal block was determined equation = (yl / 4) (i + £ / 90 °) and the optical thickness on the surface of the formed block is determined by vzta _β = (1 - £ / 90 °), where the quantity £ - arcsin l

Qu _H -yn _L /> for _H + and lambda is the central wavelength of the maximum reflectance, characterized in that between the first block and the second block a middle block is formed comprising four to eight layers and a total optical thickness Δ = Λ / 4, wherein the first layer in the air of about.

The three-block mirror system has a low refractive index (yu ^) and an optical thickness of Δ ^ = λ / 2, while the last layer formed directly on the substrate has a high refractive index (yu _H ) and a thickness Δ _χ = 0.6 λ / 4.

Interference cold mirror according to claim 1, characterized in that the optical thicknesses of the vacuum-vaporized outer block layers are arranged in dependence on the difference of refractive indices such that the leading edges of the spectral reflectance curve of the three-block cold mirror are 50%. spectrum.

3. The cold interference mirror of claim 1, wherein all the optical thicknesses of the thin vaporized layers are multiplied by a factor of 1 / cos where ^ is the refractive angle in the layers corresponding to the incident angle _f which is applied with maximum weight after reflection.