DE2248271C3 - Reflexionsvermindernde aus mehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht - Google Patents

Description

wobei λ die Bezugswellenlänge bedeutet, in deren Umgebung Reflexionsverminderung erzielt werden soll.

2. Mehrfachschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Teilschicht einen Brechwert besitzt, der annähernd der Quadratwurzel aus dem Brechwert der Unterlage entspricht.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine reflexionsvermindernde Mehrfachschicht für hochbrechende Gläser.

Unter einer Mehrfachschicht im Sinne dieser Beschreibung wird ein aus mehreren lichtdurchlässigen Teilschichten zusammengesetzter Belag verstanden, wobei die einzelnen Teilschichten aufeinander abgestimmte Brechwerte und Dicken aufweisen müssen, um die gewünschte Reflexionsverminderung über einem breiten Spektralbereich zu erzielen.

Reflexionsvermindernde Schichten — Einfachschichten und Mehrfachschichten — sind in zahlreichen Varianten bekanntgeworden.

Die durch die gebräuchliche Einfachschicht von Magnesiumtluorid erzielbare Reflexverminderung ist für höherbrechende Gläser (1,65 bis 2,0) günstiger als für niederbrechende Gläser (1,50 bis 1,65), da die bekannte Strongsche Beziehung (J. Strong, Journ.

Opt. SOC. Am., 26, 73 [1936]) «schicht = («Unterlage) V₂

besser erfüllbar ist.

Mit der Einführung von Mehrfachschichten zur Reflexverminderung von optischen Oberflächen ergab sich aber das umgekehrte Problem, da die bei niedrigeren Brechzahlen der Unterlage erzielbare Reflex verminderung wesentlich besser ist als bei hoch brechenden Gläsern. Insbesondere kann man nich ohne weiteres die für niederbrechende Gläser abge stimmte Schichten für höherbrechende Gläser be nutzen.

F i g. 1 zeigt die Reflexion einer einfachen Magne siumfluoridschicht auf einer niederbrechenden (n, = 1,52) und einer hochbrechenden («_B = 1,80 Unterlage (Glas) sowie die Reflexion einer Mehrfach schicht bekannten Aufbaus (US-PS 34 32 225) au! niederbrechender Unterlage («« = 1,52). Die Abzisse des Diagramms gibt die Wellenlänge in nm an, die Ordinate die Reflexion in Prozenten des einfallender Lichtes.

In der folgenden Beschreibung wird die fachübliche abgekürzte Schreibweise zur Darstellung von Schichtstrukturen verwendet. Dabei bedeutet die erste Zahl den Brechungsindex der Unterlage auf der das Schichtsystem aufgebracht ist; 1,52 also z. B. ein Glas mit dem Brechungsindex 1,52. Die folgenden Zahlen bedeuten die Brechungsindizes der einzelnen Schichten, wobei neben der Brechzahl außerdem noch die optische Diike in Bruchteilen einer Bezugswellenlänge angegeben wird. Die letzte Zahl bedeutet den Brechungsindex des an dem₍Schichtsystem angrenzenden Mediums, im gewöhnlichen Falle also Luft mit dem Brechwert 1,0.

Als erste Beispiel für eine bekannte reflexionsvermindernde Mehrfachschicht auf einer hochbrechenden Unterlage (Schweizer Patent 2 23 344) sei das System 1,69 I 1,514, λ/4 | 1,46, λ/4 | 2,076, A/4 I 2,405, λ/4 \ 1,45, λ/4 I 1,0 angegeben. Dies bedeutet ,daß auf einer Unterlage (Glas) mit dem Brechwert 1,69 eine Schicht mit dem Brechwert 1,514 folgt, darauf eine zweite Schicht mit dem Brechwert 1,46, eine dritte Schicht mit dem Brechwert 2,076, eine vierte Schicht mit dem Brechwert 2,405 und schließlich noch eine fünfte Schicht mit dem Brechwert 1,45, wobei alle angegebenen Schichten eine optische Dicke von λ/4 aufweisen. Das im Beispiel angegebene Schichtsystem grenzt an Luft mit dem Brechwert 1,0. Die resultierende Reflexionskurve für eine Bezugs wellenlänge von λ = 550 nm ist in der F i g. 2 als Kurve 1 eingetragen.

Als optische Dicke wird das Produkt aus wahrer (geometrischer) Dicke und den Brechungsindex einer Schicht bezeichnet. Unter Bezugswellenlänge wird die mittlere Wellenlänge des Spektralbereichs verstanden, in dem die reflexionsvermindernde Schicht wirksam sein soll. Für sichtbares Licht wird als Bezugswellenlänge meist 550 nm gewählt, sie kann aber je nach Anwendungsfall nach kürzeren oder längeren Wellenlängen verschoben sein.

Weitere bekannte reflexionsvermindernde Mehrfachschichten besitzen den Aufbau:

1,72 I 1,91, 3 λ/4 | 2,53, λ/2 | 1,46, λ/4 \' 1,0

(Kurve 3 in F i g. 2)

1,72 I 2,06, λ/2 I 1,38, λ/4 | 1,0

(Kurve 2 in Fi g. 2)

(A. F. Turner, Le journal de phvsique et Ie radium, 11, 444 [1950]).

Alle diese bekannten Systeme entsprechen aber nicht der Qualität, die man für niederbrechende Gläser erzielt (F i g. I).

et

«μ»

Die Erfindung hat sich demgegenüber zur Aufgabe ;este!lt, eine wesentlich leistungsfähigere reflexionsermindernde Mehrfachschicht für hochbrechende jläser anzugeben.

Die erfindungsgemäße refiexionsvermindernde, aus nehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht ür Unterlagen mit einem Brechungsindex größer als ,60, ibt dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an die Unterlage angrenzende erste Teilschicht eine optische Dicke von A/4 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die bis zu 15% kleiner ist als die Brechzahl der Unterlage;

b) daß die folgende zweite Teilschicht eine optische Dicke von //80 bis A/16 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die um 10 bis 30% größer ist als die Brechzahl der Unterlage;

c) daß die nächstfolgende dritte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die erste Teilschicht, jedoch eine optische Dicke von A/8 bis A/5 aufweist ;

d) daß die nächstfolgende vierte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die zweite Teilschicht, aber eine optische Dicke von A/2 aufweist;

e) daß eine abschließende fünfte Teilschicht eine optische Dicke von A/4 besitzt und eine Brechzahl von weniger als 1,5 aufweist;

wobei A die Bezugswellenlänge bedeutet, in deren Umgebung Reflexionsverminderung erzielt werden soll. In der erwähnten abgekürzten Schreibweise entspricht dies dem folgenden Schema:

"Unterlage

0,85 η« < M₁ < n_v nd -* //4

1,1 n_u < «2 < 1,3 η κ
A/80< «rf < A/16

/I₃ = /I₁

A/8 < nd < A/5

IU = /J₂

nd s» A/2

M₅ < 1,50
nd sä A/4

1,0

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in zeichnerischer Darstellung, wobei die optischen Schichtdicken nd in der Zeichnung angegeben sind.

Nehmen wir z. B. für n_u =■ 1,75, M₁ = 1,62, M₂ = 2,06, M₅ = 1,38 und A = 515 nm, so erhalten wir die in F i g. 4 dargestellte Kurve, die trotz des höherbrechenden Glases in der Qualität der in der F i g. 1 dargestellten Mehrfachschicht entspricht und den in F i g. 2 dargestellten Kurven überlegen ist.

Die folgende Tabelle zeigt weitere Beispiele der Erfindung für andere Brechwerte nu der Unterlage und verschiedene Bezugswellenlängen A. Die resultierenden Kurven sind in F i g. 5 dargestellt.

1,80 I 1,63, A/4 I 2,05, A/72 | 1,63, A/5 |

I 2,05, A/2 I 1,38, A/4 | 1,0
A = 490 nm, Kurve 4 in F i g. 5

1,71 I 1,63, A/4 | 2,05, A/35 | 1,63, U/19 |

I 2,05, A/2 I 1,38, A/4 | 1,0
A = 511 nm, Kurve 5 in F i g. 5

1,68 I 1,63, A/4 | 2,05, A/30 | 1,63, A/7 |

I 2,05, A/2 I 1,38, A/4 | 1,0
A = 513 nm, Kurve 6 in F i g. 5

1,65 I 1,63, A/4 | 2,05, A/29 j 1,63, a/8 |

I 2,05, A/2 I 1,38, A/4 j 1,0
A = 514 nm, Kurve 7 in F i g. 5

Bei allen diesen Systemen erhält man für die integralt Reflexion im Bereich des sichtbaren Lichtes einen kleineren Gesamtreflexionswert als bei den bisher bekannten Schichtkonstruktionen. Sie weisen auch einen breiteren Refiexionsbereich mit niedrigen Maxima auf. Ab einem Brechwert der Unterlage von iiu = 1,68 beginnt sich ein drittes Maximum auszubilden.

Die angegebenen Grenzen für die Brechwerte müssen eingehalten werden, um ein gutes Resultat zu erreichen. Die optimalen Werte für die optischen Dicken der Teilschichten im einzelnen Anwendungsfall ermittelt man am schnellsten dadurch, daß man, von einer im Rahmen des Patentanspruchs liegenden Lösung ausgehend, Variationen derselben mittels eines Computers durchrechnet — wie beispielsweise in Journal Opt. Soc. Am. V 50, Aug. 1960, S. 813 bis 815, angegeben — und dabei die optimale Lösung approximiert. Auch experimentell kann man unter verschiedenen Varianten leicht die beste heraussuchen. Die optimalen Werte für die optischen Schichtdicken hängen von der Aufgabenstellung im Einzelfalle (ζ. Β. Bandbreite, Steilheit der Flanken der Reflexionskurve, Selektivität) ab, insbesondere aber vom Brechwert der Unterlage. Die ermittelten optischer Schichtdicken sollen mit einer Toleranz von 4-/— 20% verwirklicht werden; für die ersten beiden Teilschichten empfiehlt sich jedoch eine größere Genauigkeit von etwa

Als Schichtmaterialien geeigneten Brechwertes stehen die bekannten Aufdampfsubstanzen und Materialien für Kathodenzerstäubung zur Verfügung. Als niederbrechende Substanzen kommen bekanntlich vor allem Magnesiumfluorid, Kryolith und SiO₂ in Frage, für die hochbrechenden Schichten haben sich TiO₂, ZrO₂ und andere bewährt. Mit Mischschichten kann man Brechwerte verwirklichen, die zwischen den Brechwerten der Gemischkomponenten liegen.

Bezüglich der obersten fünften Schicht sei noch bcmerkt, daß es vorteilhaft ist, für diese in an sich für Einfachschichten bekannter Weise einen Brechwert zu wählen, welcher der Quadratwurzel aus dem Brechwert der Unterlage möglichst nahekommt. Doch kann man auch mit Brechwerten, die diese Bedingung nur annähernd erfüllen, ein gutes Ergebnis erhalten. Aul jeden Fall muß die fünfte Schicht, wie oben festgestellt einen Brechwert von weniger als 1,5 aufweisen.

Die Technik der Herstellung der für die Erfindung benötigten Tcilschichtcn ist bekannt, in erster Link kommen Aufdampfen im Vakuum oder Kathoden zerstäubung in Frage, aber auch auf chemischen Wege können bekanntlich absorptionsfreie harli Schichten erhalten werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Refiexionsvermindernde, aus mehreren Teilschichten aufgebaute Mehrfachschicht für Unterlagen mit einem Brechungsindex größer als 1,60, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an die Unterlage angrenzende erste Teilschicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die bis zu 15% kleiner ist als die Brechzahl der Unterlage;

b) daß die folgende zweite Teilschicht eine optische Dicke von λ/SO bis λ/16 besitzt und eine Brechzahl aufweist, die um 10 bis 30% größer ist als die Brechzahl der Unterlage;

c) daß die nächstfolgende dritte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die erste Teilschicht, jedoch eine optische Dicke von λ/8 bis λ/5 aufweist;

d) daß die nächstfolgende vierte Teilschicht die gleiche Brechzahl besitzt wie die zweite Teilschicht, aber eine optische Dicke von λ/2 aufweist;

e) daß eine abschließende fünfte Teilschicht eine optische Dicke von λ/4 besitzt und eine Brechzahl von weniger als 1,5 aufweist;

f) daß die Toleranz der optischen Schichtdicken der 1. und

2. Schicht +/- 10% und die der übrigen Schichtdicken -+/— 20% nicht überschreitet,