DE2848294A1

DE2848294A1 - Optische filteranordnung

Info

Publication number: DE2848294A1
Application number: DE19782848294
Authority: DE
Inventors: Philip Henry Wisbey
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-08-03
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2848294C2; GB2027925A; GB2027925B

Description

Die Erfindung "betrifft eine optische leiteranordnung und insbesondere optische Abschwächungsfilter-Anordnungen (neutral density optical filter arrangements).

Abschwächungsfilter werden in einem weiten Bereich Jn optischen Systemen verwendet, um Lichtpegel zu steuern bzw. einzustellen. Solche Filter bestehen nach dem Stand der Technik aus einem dünnen absorbierenden Film (üblicherweise aus Metall), der auf einem transparenten Substrat abgeschieden ist, und können eine optische Dichte bzw. eine Schwärzung von 0 bis mehr als 8 besitzen.

Die "Brechungszahl" der absorbierenden Schicht ist komplex (n-ik), was zu einer Intensitäts-Durchlässigkeit (intensity transmission factor) T (A) führt, die proportional zu

- 4/7'k 1/-4" _o ist; dies gilt für eine Filmdicke 1 bei

einer Wellenlänge im freien Raum von λ . Somit erwartet man für einen festen Wert von k, daß sich der Schwärzungslogarith mus logyjQ 1/T in Abhängigkeit von 1/Λ verändert. Dies führt in unerwünschter Weise dazu, daß sich die Dichte bzw. Schwärzung mit λ. ändert und als Folge hiervon werden neutrale Abschwächungsfilter üblicherweise mit Metall-Legierungen hergestellt, die Werte von k besitzen, die mit der Wellenlänge anwachsen. Ein Beispiel für eine solche Metall-Legierung ist "Inconel", eine Legierung aus Mi/Cr/Fe.

Bei manchen optischen Systemen ist es wünschenswert, "abgestufte" bzw. "stufenartige" Filter zu haben, die eine optische Dichte bzw. Schwärzung besitzen, die sich mit einer translatorischen Bewegung eines linearen Streifens oder einer Drehbewegung einer ringförmigen Scheibe verändert.

Ein typisches Beispiel für ein aus einem linearen Streifen bestehendes gestuftes Filter ist in Fig. 1 dargestellt, während Fig. 2 ein typisches Beispiel eines aus einer drehbaren ringförmigen Scheibe bestehendes gestuftes Filter wiedergibt.

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Gemäß Fig. 1 besteht das Filter aus einem transparenten dielektrischen Substrat 1, üblicherweise aus Glas, auf dessen einer Oberfläche ein absorbierender Metallfilm 2 angebracht ist, dessen Dicke in Blickrichtung (d.h. senkrecht zur Zeichenebene gesehen) von links nach rechts anwächst. Eine lineare Bewegung des Streifens Ί nach links oder rechts, wie sie durch den Pfeil 3 angedeutet ist, hat zur Folge, daß die erzeugte Abschwächung von einem gegebenen Wert 4· aus gesehen anwächst oder abnimmt.

In Fig. 2 umfaßt das Filter ein ringförmiges, transparentes, dielektrisches Substrat 5» das auf der Oberfläche einen absorbierenden Metallfilm 6 trägt, dessen Dicke in umfangsmäßiger Richtung abgestuft ist. In diesem Fall bewirkt eine Winkeldrehung θ ausgehend von einer gegebenen Stellung 7 ein Anwachsen oder Abnehmen der erzeugten LichtabSchwächung ausgehend von dem in dea? Stellung 7 vorgegebenen Wert.

Gewisse Systeme erfordern eine veränderliche, jedoch räumlich gleichförmige Dichte bzw. Schwärzung. In solchen Fällen ist es bekannt, seriell zwei Filter miteinander zu kombinieren, die eine identisch, jedoch in entgegengesetztem Sinn linear abgestufte Dichte bzw. Schwärzung besitzen.

Die Reflexionsfähigkeit von lietallfilmen insbesondere bei hohen optischen Dichten bzw. Schwärzungen ist hoch und bei einer solchen Anordnung ergibt sich somit ein ernsthaftes Problem, da die beiden iii Reihe angeordtieten Filter, von denen jeder ein hohes Reflexionsvermögen besitzt, eine Art Fabry-Perot-Hohlraum bilden und somit zur Ausbildung von störenden Mehrfachbildern insbesondere für außerhalb der optischen Achse liegende Gegenstände und Lichtquellen führen.

Ähnliche Probleme können sich sogar dann ergeben, wenn zwei Filter, die nicht abgestuft sind, hintereinander bzw. in Serie angeordnet werden.

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Es ist "bekannt, Antireflexions-Überzüge auf den aufeinander zuweisenden Oberflächen der beiden seriell angeordneten Filter anzubringen, und eine Form eines bekannten Antireflexions-Überzuges, die verwendet werden kann, ist ein vielschichtiger, dielektrischer Dünnfilm-Überzug. Insbesondere im Fall von abgestuften Äbschwächungsfiltern ergeben sich jedoch zwei ernstliche Probleme. Erstens ist die Filterschicht absorbierend und hat eine komplexe Brechungszahl sowie eine große "Admittanz"-Fehlanpassung an Luft. Zweitens muß ein auf dem Filter vorgesehener Antireflexions-Überzug "impedanzmäßig" an einen metallischen Spiegel an dem einen extremen Ende der Abstufung und an ein einfaches transparentes dielektrisches Substrat am anderen Ende "angepaßt" sein und zusätzlich hierzu zu allen dazwischenliegenden Kombinationen passen.

Das erste der beiden obigen Probleme führt zu einer Situation, in der ein Einschicht-Überzug nicht zu einem akzeptabel niedrigen Reflexionsvermögen insbesondere bei Filtern hoher Dichte bzw. hoher Schwärzung (und damit hohem Reflexionsvermögen) führen kann.

Das zweite der beiden obigen Probleme bedeutet, daß dann, vrenn ein mehrschichtiger dielektrischer Überzug gebildet wird, der eine Breitband-"Anpassung" besitzt, die Vielschicht-Parameter kontinuierlich geändert werden müssen, damit die Anpassung aufrechterhalten bleibt, wenn sich die Dichte bzw. Schwärzung ändert. Dies macht die Herstellung eines solchen Überzuges außerordentlich schwierig.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte FiIteranordnung zu schaffen, die aus zwei hintereinander angeordneten Filtern besteht und bei der die oben erwähnten Schwierigkeiten vermindert sind.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt ein Filterelement ein transparentes Substrat, auf dem eine Vielzahl von absorbierenden Schichten angeordnet ist, zwischen die Schichten aus dielek-

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trlschem Material eingestreut bzw. eingefügt sind.

Vorzugsweise wachsen die absorbierenden Schichten bezüglich ihrer Dicke und/oder Schwärziing in einer Richtung zum Substrat hin an. Diese absorbierenden Schichten können jedoch auch zunächst in ihrer Dicke und/oder Dichte bzw. Schwärzung zum Substrat hin anwachsen und hierauf wieder abnehmen, um ein relativ niedriges Reflexionsvermögen auf beiden Seiten des Filterelementes zu erzeugen. Üblicherweise haben die Schichten aus dielektrischem Material zumindest nominell dieselbe Dicke in einer Richtung zum Substrat hin.

Vorzugsweise hat jede der Schichten aus dielektrischem Material in der Durchlaßrichtung eine Abmessung von Λ/4-» wobei X die Mittenfrequenz eines gewünschten Durchlaßbandes ist.

Das Filter kann ein abgestuftes Filter sein und in diesem Fall haben die Absorptionsschichten Abmessungen in der Durchlaßrichtung, die in einer vorgegebenen Richtung abnehraen bzw. sich verjüngen. Wenn das Filterelement die Form einer ringförmigen Scheibe besitzt, so haben die absorbierenden Schichten in der Durchlaßrichtung Abmessungen, die in umfangsmäßiger Richtung abnehmen. Wenn das Filterelement die Form eines linearen Streifens besitzt, haben die absorbierenden Schichten Abmessungen in der Durchlaßrichtung, die in einer linearen Richtung abnehmen.

Im Fall eines abgestuften Filters haben die dielektrischen Schichten vorzugsweise Abmessungen in der gegebenen Richtung, die zumindest im wesentlichen konstant bleiben.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt eine Filteranordnung zwei Filterelemente der oben beschriebenen Art, die seriell bzw. hintereinander angeordnet sind, wobei die auf jedem Filter vorgesehenen Schichten aufeinander zuweisen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch ein einzelnes

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Filterelement für sich allein verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein aus einem linearen Streifen bestehendes abgestuftes Filter,

Fig. 2 ein aus einer drehbaren ringförmigen Scheibe bestehendes abgestuftes Filter,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Mitte einer aus zwei Filterelementen bestehenden FiIteranordnung mit erfindungsgemäßen Filtern mit abgestuften Schwärzungs-Streifen und

Fig. 4 einen Schnitt durch ein anderes erfindungsgemäßes FiIt erelement.

Gemäß Fig. 3 umfaßt die Filteranordnung zwei Filterelemente A und B, die hintereinander bzw. seriell angeordnet sind. Die beiden Filterelemente sind einander im wesentlichen gleich und es wird daher nur das Filterelement A im einzelnen beschrieben, während entsprechende Teile des Filterelementes B dieselben Bezugszeichen aufweisen, an die lediglich der Index B angehängt ist.

Das Filterelement besteht aus einem transparenten dielektrischen Substrat 8, das in diesem Fall aus Glas besteht und die Form eines linearen Streifens entsprechend dem Substrat 1 aus Fig. 1 besitzt. Auf der einen Oberfläche des Substrates ist eine Vielzahl von Schichten 9 aus dielektrischem Material vorgesehen. Zwischen die dielektrischen Schichten 9 sind Schichten 10, 11, 12, 13 und 14 aus absorbierendem Material eingefügt. Wie dargestellt, wachsen die Schichten 10 bis 14 der Reihe nach in ihrer Dicke in einer Richtung zum Substrat 8 hin an; somit

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ist in der Schnittebene Schicht 10 dicker als Schicht 11, Schicht 11 dicker als Schicht 12, usw.. Jede de:r dielektrischen Schichten 9 "besitzt über den Schnitt hinweg dieselbe Dicke, die gleich Λ/4- ist, wobei ,I die Zentralfrequenz eines gewünschten Durchlaßbandes ist.

Der wiedergegebene Schnitt ist, wie bereits erwähnt wurde, ein Schnitt durch die Mitte der Filteranordnung. Im rechten Winkel zur Zeichenebene sind die Schichten 10 bis 14 in gleichförmiger Weise verjüngt, so daß in einer Richtung in die Zeichenebene hinein, d.h. also in Blickrichtung, die Schichten 10 bis 14 hinsichtlich ihrer Dicke in fortschreitendem Maße abnehmen, während in einer aus der Zeichenebene herausführenden Richtung, d.h. entgegen der Blickrichtung, die Schichten 10 bis 14 in fortschreitendem Maße anwachsen. Die Schichten 9 behalten in rechtwinkelig zur Zeichenebene verlaufenden Richtungen eine im wesentlichen konstante Dicke.

Das Material für die dielektrischen Schichten 9 ist so gewählt, daß bei einer optischen Dichte Null (d.h. wenn man annimmt, daß keine absorbierende Schicht vorhanden ist) das dielektrische Material eine adäquate "Anpassung" an das Substrat 8 liefert, wobei nur eine geringe Reflexionsneigung entsteht. Die Anzahl der absorbierenden Schichten wird so gewählt, daß selbst bei der höchsten Gesamtdichte bzw. GesamtSchwärzung des abgestuften Filters die äußerste absorbierende Schicht (die im Beispiel als Schicht 14 wiedergegeben ist) dünn bleibt und eine geringe Reflektivität besitzt.

Die nächste absorbierende Schicht 13, die dicker ist, besitzt eine höhere Reflektivität, doch verringert die Absorptionseigenschaft der ersten absorbierenden Schicht 14 die äußeren Reflexionseffekte, die von der zweiten absorbierenden Schicht 13 stammen könnten. Dies setzt sich für

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die nachfolgenden absorbierenden Schichten entsprechend fort.

Iu einer Richtung längs des Filterelementes, d.h. in einer rechtwinkelig zur Zeichenebene verlaufenden Richtung sind alle absorbierenden Schichten 10 bis 14- im Verhältnis so verjüngt, daß die "Anpassungs"-Eigenschaften in zufriedenstellender Weise erhalten bleiben.

Wie "bereits erwähnt, ist das Filterelement B im wesentlichen gleich dem Filterelement A mit der Ausnahme, daß die Verjüngung der Schichten 1OB bis 14-B in entgegengesetzter Richtung verläuft, wie die Verjüngung der Schichten 10 bis 14- des Filter element es A.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Filterelemente A und B so angeordnet sind, daß die ineinander verschachtelten Schichten aus dielektrischem und absorbierendem Material aufeinander zuweisen.

In Fig. 4- ist ein einzelnes Filterelement dargestellt, das mit Ausnahme der im folgenden erläuterten Eigenschaften dem in Fig. 3 dargestellten Filterelement A entspricht, und für entsprechende Teile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, die jedoch mit dem Index C versehen sind.

Wie dargestellt, wachsen in diesem Fall die absorbierenden Schichten 1O_n bis 14-_n zunächst der Reihe nach in ihrer Dicke in Richtung zum Substrat 8_n hin an, um hierauf dann in ihrer Dicke sequentfell wieder abzunehmen. Somit ist in der Schnittebene die Schicht 11 _n dicker als die Schicht 1O_n und die Schicht 12_n ist dicker als die Schicht 11 _n, doch ist die Schicht 13_n dünner als die Schicht 12_n und die Schicht 14·_η

O Lr (J

ist dünner als die Schicht 13_η. Die Schichten 1O_n und 14-_n besitzen die gleiche Dicke ebenso wie die Schichten 11_n und 13₀.

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- ίο -

Die Schicht 15 stellt einen Aritireflexions-iJberzug auf der Außenseite des.Substrates 8_C dar.

Auf diese Weise kann von beiden Seiten des !Tilter element es her gesehen ein niederes Reflexionsvermögen erzielt werden.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche:

Filterelement mit einem transparenten Substrat, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem transparenten Substrat (8) eine Vielzahl von absorbierenden Schichten (10-14) angeordnet ist, zwischen die Schichten aus dielektrischem Material (9) eingefügt sind.
2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die absorbierenden Schichten hinsichtlich ihrer Dicke und/oder Dichte bzw. Schwärzung in Richtung zum Substrat hin anwachsen.
3. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die absorbierenden Schichten zunächst hinsichtlich ihrer Dicke und/oder ihrer Dichte bzw. Schwärzung zum Substrat hin anwachsen und hierauf wieder abnehmen, um eine relativ niedrige Reflektivität von beiden Seiten des Filterelementes her gesehen zu er zeugen.

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4. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten aus dielektrischem Material zumindest nominell die gleiche Dicke in Richtung zum Substrat hin aufweisen.
5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus dielektrischem Material in Durchlaßrichtung eine Dicke von λ /4- besitzen, wobei Λ die Mittenfrequenz eines gewünschten Durchlaßbandes ist.
6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die absorbierenden Schichten Abmessungen in Durchlaßrichtung besieh

sitzen, die/in einer vorgegebenen Richtung verjüngen.
7. Filterelement nach Anspruch 6, das die Form einer ringförmigen Scheibe besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Schichten in Durchlaßrichtung Abmessungen besitzen, die^ sich in einer umfangsmäßigen Richtung verjüngen.
8. Filterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement die Form eines linearen Streifens hat und daß die absorbierenden Schichten in Durchlaßrichtung Abmessungen besitzen, die sich in einer linearen Richtung verjüngen.
9. Filterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrischen Schichten in der gegebenen Richtung Abmessungen besitzen, die zumindest im wesentlichen konstant bleiben.
10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einer Filteranordnung, die zwei Filterelemente umfaßt, die hintereinander so angeordnet sind, daß die auf ihnen vorgesehenen Schichten aufeinander zuweisen.

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