DD298313A5

DD298313A5 - Interferenzfilter mit einem sperrband

Info

Publication number: DD298313A5
Application number: DD32117488A
Authority: DD
Inventors: Erich Dummernix; Peter Welz; Gottfried Wurlitzer
Original assignee: Veb Carl Zeiss Jena,De
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1992-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft Interferenzfilter mit einem Sperrband hoher Reflexion und spektral beidseitig angrenzenden Durchlaszbereichen hoher Transmission, die innerhalb eines Anwendungsbereiches durch steile Spektralkanten getrennt sind und als sogenannte Minusfilter zur Lichtfilterung in optischen Geraeten und Meszanordnungen fuer den UV-, VIS- und NIR-Bereich eingesetzt werden koennen. Ziel der Erfindung sind Interferenzfilter, die mit geringem Aufwand in hoher Guete herstellbar sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem verbesserten Interferenzfilteraufbau, der durch Verwendung von nur zwei Schichtmaterialien und einfachen Schichtaufbau leicht herstellbar ist. Geloest wird diese Aufgabe durch Interferenzfilter aus abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten zweier Materialien, die auf Glasoberflaechen periodisch uebereinander angeordnet sind und bezogen auf die mittlere Filterwellenlaenge LO optische Dicken haben, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 1/4 der Wellenlaenge LO sind, wobei die erste und letzte hochbrechende Schicht 3*LO/4 gegenueber LO/4 der restlichen hochbrechenden Schichten betraegt. Fig. 4{Interferenzfilter; Minusfilter; Reflexionsfilter; Kantenfilter}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Interferenzfilter mit einem Sperrband hoher Reflexion und spektral beidseitig angrenzenden Durchlaßbereichen hoher Transmission, die innerhalb eines spektralen Anwendungsbereiches durch steile Spektralkanten getrennt sind.

Derartige Filter werden häufig als Minusfilter bezeichnet und finden Anwendung zur Lichtfilterung in optischen Geräten oder Meßanordnungen für UV-, VIS- und NIR-Bereich, um in Spektren den zentralen Bereich zu unterdrücken oder selektiv zu reflektieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Interferenzfilter mit einem Sperrband hoher Reflexion bestehen aus einer Schichtanordnung von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten, die auf einer Glasoberfläche angeordnet sind und zum Schutz der Schichten gegen atmosphärische Einflüsse durch ein aufgekittetes Deckglas abgeschlossen sein können. In der einfachsten Ausführung haben alle Schichten eine optische Dicke von ¹A der zentralen Filterwellenlänge LO des Sperrbandes.

Diese relativ einfach aufgebauten Filter haben den Vorteil, daß sie einfach herstellbar sind, da alle Schichten von gleicher optischer Dicke von ¹A der mittleren Filterweilenlänge sind.

Ein Mangel der Filter ist jedoch eine starke Bandenstruktur in den Durchlaßbereichen nahe dem Sperrband, wodurch die Transmission in diesen Bereichen stark gemindert ist.

Zur Beseitigung der Mängel dieser Filter gibt es eine Reihe von Vorschlägen, die z. B. zusammenfassend in dem Buch „Physics of Thin Films" von H.A. Macleod (Adam Hilger Ltd., London 1969/86, Seite 111-153) dargestellt sind. Durch Schichtanordnungen mit speziellen Materialien, Schichtdicken und Schichtenzahlen wird in einem der zwei Durchlaßbereiche einn erhöhte Durchlässigkeit erreicht, allerdings stets auf Kosten einer Verschlechterung in dem anderen Durchlaßbereich. Die dabei notwendigen vielen unterschiedlichen Schichtdicken der Schichtanordnung erfordern jedoch einen erhöhten Herstellungsaufwand. Diesen Mangel zeigen auch Filter, die bekannt geworden sind aus der DP-Patentschrift 6369 und den DE-Offenlegungsschriften 2050650 und 2406890 sowie aus der US-Patentschrift 3737210.

Aus der DE-Auslegeschrift 1622862 sind interferenzfilter bekannt, bei denen die Schichtanordnung aus abwechselnd niedrig- und hochbrechenden Materialien zusätzlich mit Schichten aus einem mittelbrechenden Material umgeben ist. Alle Schichten haben eine für die Herstellung vorteilhafte Dicke von ¹A der mittleren Filterwellenlänge des Sperrbandes, und in beiden Durchlaßbereichen wird eine erhöhte Transmission erreicht.

Die notwendige dritte Schichtsubstanz bedeutet jedoch einen erhöhten Herstellungsaufwand. Außerdem sind Filter mit hoher Transmission nahe dem Sperrband nur auf Kosten einer für viele Anwendungszwecke unzureichenden Sperrwirkung möglich.

Aus der DOS 2143504 sind Interferenzfilter bekannt geworden, die drei und mehr Schichtmaterialien erfordern. Theoretisch werden sehr gute Ergebnisse erreicht, wenn viele bezüglich der Brechzahl unterschiedliche Schichtmaterialien eingecetzt werden. Die praktischen Nachteile sind die vielen notwendigen Schichtsubstanzen, der komplizierte Schichtaufbau und die erhöhte Schichtenzahl infolge der vielen mittelbrechenden Schichtmaterialien. In der Praxis ist es außerdem erschwerend, daß es zwar viele Schichtsubstanzen gibt, aber aus Gründen der Materialverträglichkeit nur wenige für Filter paarungsfähig sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung sind Interferenzfilter mit einem Sperrband, die mit geringem technischem Aufwand in hoher Güte herstellbar sind. Die Mängel der bekannten technischen Lösungen sollen vermieden werden.

Darlegung des Wesen» der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Filteraufbau zu schaffen, dessen Herstellung nur wenige Schichtmaterialien und durch einfachen Filteraufbau einen nur geringen technischen Aufwand erfordern, um Interferenzfilter mit einem Sperrband in hoher Qualität herstellen zu können.

Diese Aufgabe wird durch Interferenzfilter mit einem Sperrband hoher Reflexion, bestehend aus einer Schichtanordnung von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten, die auf einer Glasunterlage angeordnet sind und durch ein aufgekittetes Deckgi is abgeschlossen sein können, dadurch gelöst, daß bezogen auf eine mittlere Wellenlänge LO des Sperrbandes die optische. Schichtdicke der ersten und letzten hochbrechenden Schicht 3 · LO/4 gegenüber LO/4 der restlichen hochbrechenden Schichten beträgt und wobei alle zwischen der ersten und letzten hochbrechenden Schicht angeordneten niedrigbrechenden Schichten eine optische Dicke von entweder LO/4 oder 3 LO/4 haben.

Dabei ist es bei Filtern mit einem aufgekitteten Glas von Vorteil, wenn die erste und letzte Schicht niedrigbrechend ist und die Schichtdicken gleich der der anderen niedrigbrechenden Schichten sind.

Für Filter ohne aufgekittetes Deckglas und mit niedrigbrechenden Schichten mit optischer Dicke von 3 LO/4 ist es von Vorteil, wenn die Schichtanordnung abgeschlossen wird durch eine zusätzliche niedrigbrechende Schicht mit einer optischen Dicke, die gleich der mittleren Wellenlänge LO des Sperrbandes ist.

Bei den erfindungsgemäßen Filtern ist es von Vorteil, daß nur zwei Schichtmaterialien erforderlich sind und daß alle Schichten eine optische Dicke haben, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von '/< einer einzigen Wellenlänge sind. Dadurch ist in der Praxis eine hohe meßtechnische Sicherheit bei relativ geringem Herstellungsaufwand möglich.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es überraschend, daß bei diesem relativ einfachen Filteraufbau eine hohe Filterqualität möglich ist.

Für die Herstellung der Filter können bekannte Schichtmaterialien wie z. B. Zinksulfid, Titanoxid, Tantaloxid, Zirkoniumoxid, Bleifluorid als hochbrechende Materialien und Kryolith, Magnesiumfluorid, Siliziumoxid als niedrigbrechende Materialien eingesetzt werden.

Die Herstellung der Schichtanordnung auf Glas oder auch anderen geeigneten Medien kann zweckmäßig nach dem bekannten Verfahren der Hochvakuumbeschichtung erfolgen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an 4 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen die Figuren 2,3,4 und 6 die Charakteristik erfindungsgemäßer Filter und die Figuren 1 und 5 zum Veigleich die Charakteristik bekannter Filter.

In den Figuren sind der Transmissionsgrad T und der Reflexionsgrad R gegenläufig an den Ordinaten der Diagramme aufgetragen. Die spektralen Darstellungen erfolgen in Wellenzahlen LO/L, wobei die Wellenlänge L auf die zentrale Filterwellenlänge LO des Sperrbandes bezogen ist und diese Wellenlänge gleichzeitig als Maß für die optischen Dicken der Schichten in Einheiten von LO/4 dient. Dadurch sind die Darstellungen sehr umfassend gehalten, denn mit der Wahl einer gewünschten Filterwellenlänge LO ist sowohl das Wellenlängenspektrum als auch die optische Dicke jeder einzelnen Schicht des Filters festgelegt. Zur besseren Anschaulichkeit ist auf dei oberen Abszisse der Diagramme zusätzlich zu der jeweils gewählten Wellenlänge LO eine Wellenlängenskala aufgetragen. Zur Vereinfachung der Darstellungen wurden die geringen Verluste und die Dispersion der Brechzahlen bei den verwendeten dielektrischen Schichten vernachlässigt. Die eingesetzten optischen Konstanten der Schichtsubstanzen sind typisch für Schichtherstellungen durch Hochvakuumbeschichtung.

Ausführungsbeispiel 1

Beispiel 1 geht von einem mit Mangeln behafteten bekannten Filter aus, das aus einer Schichtanordnung von 19 Schichten von abwechselnd hochbrechendem Tantaloxid und niedrigbrechendem Siliziumoxid besteht. Alle Schichten habeneine optische Dicke von ¹A der zentralen Filterwellenlänge LO = 436 nm. Der Filteraufbau kanr. fachüblich symbolisch gekennzeichnet werden

Schichtanordnung Glas/(ba)⁸b/Luft

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,45 n(b) = 2,15

Filterwellenlänge LO = 436nm

Dabei kennzeichnet „Glas/" die Glasoberfläche mit der Brechzahl nfglasi - .,52, „/Luft" das angrenzende bzw. umgebende Medium der normalen Luftatmosphäre für den Fall eines unverkitteten F.iters, „b" die hochbrechenden Tantaloxidschichten mit dar Brechzahl n(b) - 2,15, „a" die niedrigbrechenden Siliziumoxidschichten mit der Brechzahl n(a) = 1,45, und der hochgestellte Index 9 symbolisiert, daß die zwei Schichten (b a) periodisch 9mal aufeinander folgen.

Figur 1 zeigt die Charakteristik dieses bekannten Filters mit dem sichtbaren Mangel einer starken Bandenstruktur in den Durchlaßbereichen, wodurch die Transmission nahe dem Durchlaßbereich auf einen Wert bis zu T = 0,5 abfällt.

Erfindungsgemäß wird die optische Dicke der ersten und letzten hochbrechenden Schicht 3 LO/4 gewählt (3b), so daß das Filter symbolisch gekennzeichnet ist durch

Schichtanordnung Glas/3b a (ba)⁸ 3b/Luft

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,45 n(b) = 2,15

Filterwellenlänge LO = 436 nm

Figur 2 zeigt die Spektralcharakteristik des erfindungsgemäßen Filters. Die nachteilige Bandenstruktur ist weitgehend reduziert, und in den Durchlaßbereichen nahe dem Sperrband liegt die Transmission oberhalb T = 0,9.

Ausführungsbeispiel 2

Ausführungsbeispiel 2 geht von dem Filter in Beispiel 1 aus. Zu der Schichtanordnung wird jedoch zusätzlich eine erste und letzte niedrigbrechende Schicht (a) mit optischor Dicke LO/4 eingefügt. Für die hochbrechenden Schichten wird Bleifluorid und für die niedrigbrechenden Schichten wird Bleifluorid und für die niedrigbrechenden Schichten Kryolith verwendet, die wegen ihrer Empfindlichkeit gegen atmosphärische Einflüsse zusätzlich durch ein aufgekittetes Deckglas geschützt werden, wobei die Brechzahl des Kittes etwa gleich der des Glases sein soll. Mit den für die Schichtmaterialien üblichen Brechzahlen kann der Filteraufbau symbolisch gekennzeichnet werden durch

Schichtanordnung Glas/a 3b a (b a)⁸3b a/Glas aufgekittet

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,33 n(b) = 1,82

Filterwellenlänge LO = 436nm

Figur 3 zeigt die Filtercharakteristik mit einer hohen Transmission in den Durchlaßbereichen nahe dem Sperrband.

Ausführungsbeispiel 3

Beispiel 3 geht von einem mit dem Mangel der Bandenstruktur behafteten Interferenzfilter aus. Die Schichtanordnung besteht aus 13 Schichten. Alle hochbrechenden Schichten (symbolisch b) bestehen aus Titanoxid und haben eine optische Dicke von LO/4. Die niedrigbrechenden Schichten bestehen aus Siliziumoxid und haben alle eine optische Dicke von 3 LO/4 (symbolisch

Um den Mangel der Bandenstruktur zu beseitigen, werden erfindungsgemäß die erste und letzto hochbrechende Schicht in ihrer optischen Dicke 3 · LO/4 ausgeführt (symbolisch 3b). Außerdem wird zusätzlich erfindungsgemäß eine abschließende 14.

niedrigbrechende Schicht der optischen Dicke LO (= 4 · LO/4) aus Siliziumoxid ergänzt. Mit der Festlegung der Filterwellenlänge auf LO = 535 nm und den üblichen Brechzahlen der Schichtsubstanzon ist die erfindungsgemäße Filterausführung gekennzeichnet durch

Schichtanordnung Glas/3b3a(b3a)⁵3b4a/Luft

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,45 n(b) = 2,35

Filterwellenlänge LO = 535nm

Figur 4 zeigt die spektrale Filtercharakteristik für den sichtbaren Bereich. Das Filter unterdrückt den grünen Bereich und hat eine hohe Durchlässigkeit für den blauen und roten Spektralbereich und ist somit besonders als sogenanntes Purpurfilter geeignet.

Ausführungsbeispiel 4

Beispiel 4 geht von einem mit Mangeln behafteten Filter aus, das eine Schichtanordnung mit 13 Schichten aus abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten aus Kryolith und Zinksulfid enthält und zum Schutz gegen atmosphärische Einflüsse durch ein aufgekittetes Deckglas abgeschlossen ist, wobei die Brechzahl des Kittes gleich der Brechzahl des Glases ist. Die erste und letzte Schicht der Schichlanordnung ist niedrigbrechend ausgeführt. Alle niedrigbrechenden Schichten aus Kryolith mit der Brechzahl n(a) = 1,33 haben eine gleiche optische Dicke von 3 LO/4 (symbolisch 3a), alle hochbrechenden Schichten aus Zinksulfid mit der Brechzahl n(b) = 2,36 haben eine optische Dicke von LO/4 (symbolisch b). Mit Anpassung an LO = 540 nm kann der Filteraufbau symbolisch gekennzeichnet werden durch

Schichtanordnung Glas/3a(b3a)⁶/Glasaufgskittet

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,33 n(b) = 2,36

Filterwellenlänge LO = 540 nm

Figur 5 zeigt die Spektralcharakteristik mit dem Mangel einer starken Bandenstruktur in den Durchlaßbereichen. Zur Unterdrückung der nachteiligen Bandenstruktur wird erfindungsgemäß die optische Dicke der ersten und letzten hochbrechenden Schicht 3 · LO/4 (symbolisch 3b) ausgeführt. Der Filteraufbau kann damit gekennzeichnet werden durch

Schichtancdnung Glas/3a3b3a(b3a)⁴3b3a/Glas aufgekittet

Brechzahlen n(glas) = 1,52 n(a) = 1,33 n(b) = 2,36

Filterwellenlänge LO = 540 nm

Figur 6 zeigt die Charakteristik für den sichtbaren Bereich mit den Durchlaßbereichen hoher Transmission für den blauen und roten Spektralbereich nahe dem Sperrband, das zur Unterdrückung des grün-gelben Spektralbereiches dient.

Claims

1. Interferenzfilter mit einem Sperrband hoher Reflexion und spektral beidseitig angrenzenden Durchlaßbereichen hoher Transmission, aufgebaut aus einer Schichtanordnung von abwechselnd

' hoch- und niedrigbrechenden Schichten, die auf einer Glasoberfläche angeordnet sind und durch ein zusätzliches aufgekittetes Glas abgeschlossen sein können, gekennzeichnet dadurch, daß bezogen auf eine mittlere Wellenlänge LO des Sperrbandes die optischen Dicken der ersten und letzten hochbrechenden Schicht 3 · LO/4 gegenüber LO/4 der restlichen hochbrechenden Schichten beträgt und die niedrigbrechenden Schichten zwischen der ersten und letzten hochbrechenden Schicht alle eine optische Dicke von entweder LO/4 oder 3 LO/4 haben.

2. Interferenzfilter nach Anspruch 1 ohne ein aufgekittetes Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Schicht der Schichten' rdnung niedrigbrechend ist und eine optische Dicke hat, die gleich der mittleren Wellenlänge LO des Sperrbandes ist.

3. Interferenzfilter nach Anspruch 1 mit einem zusätzlich aufgekitteten Deckglas, gekennzeichnet dadurch, daß die erste und Ie ⁿ Schicht der Schichtanordnung niedrigbrechend ist und eine optische Dicke von LO/4 hat.

4. Interferenzfilter nach Anspruch 1 mit einem zusätzlich aufgekitteten Glas, gekennzeichnet dadurch, daß die erste und letzte Schicht niedrigbrechend ist und eine optische Dicke von 3 · LO/4 hat.