DE1943877C3

DE1943877C3 - Mit einem Vergütungsbelag beschichtetes optisches Element

Info

Publication number: DE1943877C3
Application number: DE19691943877
Authority: DE
Inventors: Carol J. Santa Rosa Calif. Snavely
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Current assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1968-09-09
Filing date: 1969-08-29
Publication date: 1984-02-16
Also published as: DE1943877B2; JPS4915503B1; FR2017598A1; CH523508A; DE1943877A1; GB1254140A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit einem Vergütungsbelag beschichtetes optisches Element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die bekannten Vergütungsbeläge bzw. die bekannten, zur Verringerung von Lichtverlusten durch Reflexion dienenden Beläge sind jedoch bestimmten Beschränkungen unterworfen. Beispielsweise weisen für den sichtbaren Teil des Spektrums hergestellte Beläge eine geringe Absorption im nahen Ultraviolettbereich auf, in welchem für fotografische Zwecke eine hohe Durchlässigkeit außerordentlich wichtig ist Linsensystemc, auf denen derartige Vergütungsbeläge aufgebracht sind, liefern gelbstichige Fotografien, die für die optischen Herstellerfirmen nicht annehmbar sind. Es besteht daher ein Bedarf für einen neuartigen und verbesserten Vergütungsbelag.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einem Vergütungsbelag beschichtetes optisches Element der eingangs genannten Gattung zu schaffen, an welchem im ultravioletten Bereich im wesentlichen keine Absorption auftritt und das keine unerwünschten Verfärbungen verursacht Bei der Herstellung dieses Belages soll es nicht unbedingt erforderlich sein, daß während der Ausbildung des Belages Sauerstoff in die Verdampfungsanlage eingeführt wird. Der Vergütungsbelag soll sich für Glas mit einem hohen oder einem niedrigen Brechungsexponenten verwenden lassen und außerdem ein ausgezeichnetes spiegelndes Reflexionsvermögen, ausgezeichnetes Haftvermögen und sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen aufweisen. Der Vergütungsbelag und ein mit diesem beschichtetes optisches Element sollen für im sichtbaren Spektralbereich zwischen 1,5 und 1,80 liegende Brechungsexponenten von Glas ausgezeichnete Vergütungseigenschaften besitzen.

Diese Aufgabe wird ei-findungsgemäß durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert

F i g. Ί ist ein bruchstückhafter Querschnitt durch ein der Erfindung gemäß ausgebildetes optisches Element, bei dem die Vergütungsschicht aus wenigstens vier einzelnen Schichten besteht und sich insbesondere für Glas eignet dessen Brechungsexponent zwischen 1,60 und 1,89 beträgt;

F i g. 2 ist eine grafische Darstellung und zeigt einen Vergleich zwischen dem gemessenen und dem theoretischen Reflexionsvermögen des in F i g. 1 dargestellten Vergütungsbelages;

F i g. 3 ist ein bruchstückhafter Querschnitt durch ein Element das mit einem Vergütungsbelag versehen ist, welcher aus wenigstens sechs Schichten besteht und sich besonders gut für ein Glas eignet, dessen Brechungsexponent zwischen 1,50 und 1,62 liegt;

F i g. 4 ist eine grafische Darstellung und zeigt einen Vergleich zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Reflexionsvermögen eines Vergütungsbelages der in F i g. 3 dargestellten Ausführung.

In F i g. 1 ist ein teilweiser Querschnitt durch ein Element dargestellt, das erfindungsgemäß mit einem Vergütungsbelag versehen ist Das beschichtete Element besteht aus einer Unterlage 11, deren Oberfläche 12 das Licht in normaler Weise reflektiert. Auf der Oberfläche 12 befindet sich ein Mehrschichten-Vergütungsbelag oder Antireflexbelag 13, der aus wenigstens vier Schichten besteht, die von dem Medium aus, in welchem das Element verwendet wird, als erste Schicht 16, zweite Schicht 17, dritte Schicht 18 und vierte Schicht 19 bezeichnet sind.

Wie im nachstehenden beschrieben, liefert der aus wenigstens vier Schichten bestehende Belag 13 einen Breitband-Vergütungsbelag innerhalb des sichtbaren Spektralbereiches für Glas mit einem hohen Brechungsexponenten zwischen 1,50 und 1,89. Wenn in der in F i g. 1 dargestellten Weise nur vier Schichten verwendet werden, eignet sich ein derartiger Belag besonders gut für Glas, dessen Brechungsexponent zwischen 1,60 und 1,89 liegt. Die Schichten 16,17,18 und 19 bestehen aus Stoffen mit jeweils hohen und nied. igen Brechungsexponenten. Vom Medium aus gerechnet bestehen die erste und die zweite Schicht jeweils aus einem Stoff mit einem niedrigen und einem Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten, während die dritte und die vierte

Schicht jeweils aus einem Stoff mit einem niedrigen und einem Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten bestehen. Die optische Dicke der ersten Schicht beträgt angenähert ein Viertel der für die Schicht veranschlagten Konstruktionswellenlänge. Als Konstiuktionswellenlänge wird die Mitte des Spektralbereiches oder die mittlere Wellenlänge bezeichnet, für welchen bzw. für welche der Belag verwendet wird. Wenn der Belag für den sichtbaren Spektralbereich ausgelegt ist, befindet sich die Konstruktionswellenlänge in der Mitte des sichtbaren Spektrums, d. h. sie entspricht der mittleren Wellenlänge des sichtbaren Spektralbereiches. Die zweite und die vierte Schicht haben angenähert gleiche optische Dicke und die dritte Schicht ist verhältnismäßig dünn bemessen, wobei sie jedoch eine solche Dicke aufweist, daß die zweite und die vierte Schicht als getrennte und nicht als eine einzige Schicht wirken.

Es hat sich gezeigt, daß alle vier Schichten unter Verwendung von nur zwei Stoffen, nämlich Magnesiumfluorid (MgF₂ mit einem Brechungsexponenten von angenähert 1,38) für den Stoff mit einem niedrigen Brechungsexponenten, und Zirkonoxid (Z1O2 mit einem Brechungsexponenten von 2,03) für den Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten hergestellt werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieser beiden Stoffe beschränkt und es lassen sich auch andere Stoffe mit einem hohen bzw. einem niedrigen Brechungsexponenten verwenden. Als Stoffe mit einem hohen Brechungsexponenten im Bereich von 1,9 bis 2,4 lassen sich die folgenden Stoffe verwenden: Titanoxid, Ceroxid, Zinksulfid, Praseodymoxid und der in der US-Patentschrift 30 34 924 offenbarte Stoff. Als Stoffe mit einem niedrigen Brechungsexponenten im Bereich von 1,35 bis 1,55 lassen sich die folgenden Stoffe verwenden: Siliziumoxid, Kryolith (Na3AlFe) und Chiolith (Na₅Al₃F)₄).

Bei der Herstellung des Elements wird die zu beschichtende Glasunterlage in einer Vakuumkammer oberhalb erwärmter Verdampfungsquellen angeordnet. Als Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten wurde Zirkonoxid in gesinterter Form in ein Wolframschiffchen gelegt, das als Verdampfungsquelle diente. Der Druck innerhalb der Vakuumkammer wurde kontinuierlich unterhalb eines Meßwertes von 2xlO~⁵ Torr gehalten. Während des Verdampfungsvorganges wurden keine Gase in die Vakuumkammer eingeleitet. Als Stoff mit einem niedrigen Brechungsexponenten wurde Magnesiumfluoriri verwendet und auf herkömmliche Weise innerhalb der Vakuumkammer verdampft.

Wenn an Stelle von Magnesiumfluorid und Zirkonoxid andere Stoffe verwendet werden, muß das Herstellungsverfahren entsprechend bekannter Herstellungsweisen abgeändert werden. Wenn beispielsweise als Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten Titanoxid verwendet wird, sollte die Vakuumkammer vorzugsweise mit Sauerstoff angereichert werden, um dadurch Schichten zu erhalten, die eine sehr niedrige oder eine minimale Absorption aufweisen.

Wie bereits ausgeführt, hat die erste Schicht eine optische Dicke von angenähert einem Viertel der Konstruktionswellenlänge. Die zweite, die dritte und die vierte Schicht haben zusammen vorzugsweise eine optische Dicke, die gleich der halben Konstruktionswellenlänge ist, so daß die zweite, die dritte und die vierte Schicht etwa gleich oder gleichwertig sind einer, einzigen Schicht von hohem Brechungsexponenten und einer optischen Dicke gleich der halben Wellenlänge, wobei jedoch keine Schicht über eine vorbestimmte Dicke hinausgeht.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Stoffen mit einem hohen Brechungsexponenten nur unter Schwierigkeiten homogene Schichten aus einem Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten erhalten werden können, wenn die Dicke nicht unterhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten wird. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß dieser Wert für Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs und den an diesen angrenzenden Spektralbereichen bei einer Dicke von angenähert einer Viertel Wellenlänge liegt. Bei Verwendung von Zirkonoxid in einer Dicke von mehr als 1000 Angström zeigt die Schicht inhomogene Eigenschaften, d. h. die Schicht scheint so aufgebaut zu sein, daß der Brechungsexponent von der Dicke abhäagig ist. Es wird angenommen, daß diese scheinbare Schwankung darauf zurückzuführen ist, daß die ursprünglich aufgebrachten Lagen der Schicht einen höheren Brechungsexponenten haben als die zuletzt aufgebrachten Lagen. Im Zusammenhang mit der hier zur Rede stehenden Erfindung wurde festgestellt, daß Zirkonoxidschichten, deren Dicke weniger als 500 Angström beträgt, diese Eigenschaften bei Beobachtung mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und in den an diesen angrenzenden Spektralbereichen nicht in einem meßbaren Ausmaß zeigen. In Anbetracht der vorstehenden Überlegungen ist es daher vorteilhaft, wenn die Dicke einer für einen Breitband-Vergütungsbelag der hier zur Rede stehenden Ausführung verwendeten Zirkonoxidschicht den Wert von angenähert 500 Angström nicht überschreitet. Es hat sich gezeigt, daß Zirkonoxid bei Beachtung dieser Beschränkungen im Vakuum verdampft werden kann und dann eine harte, dauerhafte und äußeren Einflüssen gegenüber haltbare Schicht bildet, die im Spektralbereich von 0,380 μπι bis 0,700 μπι eine vernachlässigbarc Absorption aufweist.

Obwohl die bevorzugten Dicken für die erste, die zweite, die dritte und die vierte Schicht in der vorstehenden Beschreibung dargelegt worden sind, können die optischen Dicken dieser Schichten, ausgedrückt in Viertel der Konstruktionswellenlängen, innerhalb der nachstehend angegebenen Grenzen variieren:

Erste Schicht
Zweite Schicht
Dritte Schicht
Vierte Schicht

0,8 bis 1,5
0,5 bis 1,0
0,1 bis 1,0
0,5 bis 1,0

Es hat sich allgemein als erstrebenswert erwiesen, wenn die optische Dicke jeder Schicht nicht weniger als 10% und nicht mehr als 150% der Konstruktionswellenlänge beträgt. Dabei kann die Dicke der dritten Schicht jedoch auch weniger als 10% betragen. Die Mindestdikke der dritten Schicht hängt in erster Linie davon ab, welche Dicke bei der Herstellung derartiger Schichten in reproduzierbarer Weise und in homogener Form erhalten werden kann. Theoretisch reicht eine gesamte körperliche Dicke von 10 bis 20 Angström für diese Schicht aus, wenn sie sich in der Form einer gleichförmigen, dünnen Schicht reproduzieren läßt. Für die hier beschriebene Ausführung der Erfindung hat sich gezeigt, daß sich eine Dicke von angenähert 150 Ansström am besten dazu eignet, eine reproduzierbare dünne dritte Schicht herzustellen.

In Fig.2 ist der Verlauf für ein Element dargestellt, das aus einer Unterlage mit einem Brechungsexponenten von 1,74 besteht, welche mit dem in Fig. 1

dargestellten Vierschichten-Vergütungsbelag belegt ist. Die Kurve 21 zeigt den Verlauf des tatsächlich erhaltenen Reflexionsvermögens, woraus zu ersehen ist, daß das Reflexionsvermögen für den Belag von etwa 0,350 μηι bis zu 0,700 μηι reicht und daß das mittlere Reflexionsvermögen sehr niedrig ist, d. h. im wesentlichen weniger als ein halbes Prozent beträgt, wobei im mittleren Bereich des sichtbaren Spektralbereiches ein geringer Anstieg zu beobachten ist. Die berechnete theoretische Kurve 22 zeigt, daß das mit dem Belag auf der Unterlage tatsächlich erhaltene Reflexionsvermögen sehr gut dem theoretisch berechneten Verlauf entspricht. Es läßt sich ersehen, daß das Reflexionsvermögen im Bereich von 0,380 bis 0,660 μπι, der für fotografische Anwendungen besonders interessant ist. sehr gute Werte hat. Der Bereich von 0,400 bis zu 0,700 μπι ist von Interesse für alle Anwendungen, bei denen es auf die Empfindlichkeit des menschlichen Auges ankommt.

Wenn die hier zur Rede stehende Erfindung auf Unterlagen angewendet wird, die einen niedrigen Brechungsexponenten aufweisen, beispielsweise Unterlagen, deren Brechungsexponent innerhalb des Bereiches von 1,50 bis 1,62 liegt, sollte der in Fig. 1 dargestellte Belag 13 weiter aufgebaut werden, um den in F i g. 3 dargestellten Vergütungsbelag 26 zu erhalten. Dazu werden wenigstens zwei zusätzliche Schichten aufgebracht, die, gerechnet von dem Medium an, als die fünfte Schicht 27 und die sechste Schicht 28 bezeichnet sind. Die letzten Schichten, nämlich die fünfte und die sechste Schicht bestehen jeweils aus einem Stoff mit einem niedrigen und einem Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten. Die optische Dicke der beiden Schichten zusammen entspricht angenähert einem Vierte! der Konstruktionswellenlänge. Die relativen Dicken der fünften und der sechsten Schicht werden so gewählt, daß die beiden Schichten zusammen ein Reflexionsvermögen ergeben, das dem mit einer einzigen Schicht gleicher optischer Dicke und mit einem zwischen dem niedrigen und dem hohen Brechungsexponenten der für die fünfte und die sechste Schicht verwendeten Stoff liegenden Brechungsexponenten erzielten Reflexionsvermögen nahezu entspricht oder gleichwertig ist. Die beiden Schichten 27 und 28 übernehmen daher zusammen die Aufgabe einer einzigen Schicht, deren Brechungsexponent zwischen den Brechungsexponenten der beiden für die Schichten 27 und 28 verwendeten Stoffe liegt.

Zur Ausbildung der fünften und der sechsten Schicht 27 bzw. 28 läßt sich als Stoff mit einem niedrigen Brechiingsexponenten Magnesiumfluorid. und als Stoff mit einem hohen Brechungsexponenten Zirkonoxid verwenden, so daß alle sechs Schichten unter Verwendung nur dieser beiden Stoffe hergestellt werden können. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung dieser beiden Stoffe beschränkt und es lassen sich auch die anderen Stoffe mit einem hohen bzw. einem niedrigen Brechungsexponenten verwenden, die in Verbindung mit der F i g. 1 angegeben worden sind.

Obwohl im vorstehenden ausgeführt wurde, daß die fünfte und die sechste Schicht 27 bzw. 28 zusammen vorzugsweise eine solche optische Dicke aufweisen, die einem Viertel der Konstruktionswellenlänge entspricht, kann die optische Dicke sowohl der fünften als auch der es sechsten Schicht gegebenenfalls innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 1,0 der Konstruktionswellenlänge variiert werden.

Fig. 4 zeigt die gralische Darstellung der mit einem Belag der in F i g. 3 dargestellten Ausführung erhaltenen Ergebnisse. Die Kurve 31 zeigt den tatsächlichen Verlauf des Reflexionsvermögens eines aus sechs Schichten bestehenden Vergütungsbelages auf einer Glasunterlage mit einem Brechungsexponenten von 1,52. Die Kurve 32 zeigt den theoretisch berechneten Verlauf des Reflexionsvermögens. Wie sich an Hand der Kurve 31 ersehen läßt, wird ein ausgezeichnetes Reflexionsvermögen erzielt, dessen Wert innerhalb des interessierenden Bereiches mit einem kleinen Anstieg in der Mitte des Bereiches im wesentlichen unter einem halben Prozent liegt.

In praktischen Ausführungen der Erfindung, die zur Herstellung der Kurven der Fig. 2 und 4 verwendet wurden, betrug die Konstruktionswellenlänge 0,490 μπι.

Die nachstehende Tabelle I zeigt die relative spektrale Durchlässigkeit eines aus mehreren Elementen (15 Elemente) bestehenden fotografischen Objektivs mit verschiedenen Vergütungsbelägen.

Tabelle I

Relative spektrale Durchlässigkeit eines aus mehreren Elementen (15 Elemente) bestehenden fotografischen Objektivs mit verschiedenen Vergütungsbelägen

Wellen	Einfach	Spitzenwert von I	Mehr	Einfachbelag
länge	belag	III.	schichten	MgF₂
(nm)	MgF₂*)	belag
	I	II	III
400	0,40	0,525	0,29
20	0,615	0,77	0,445
40	0,79	0,88	0,57
60	0,85	0,90	0,62
80	0,91	0,920	0,66
500	0,96	0,950	0,70
20	0,985	0,970	0,71
40	1,00	0,995	0,73
60	1,00	1,00 -	0,73
80	0,985	1,00	0,715
600	0,975	0,985	0,71
20	0,96	0,96	0,70
40	0,94	0,93	0,68
60	0,915	0,88	0,665
80	0,89	0,815	0,65
700	0,855	0,75	0,63
*) Die Spalte I enthält zum	Zwecke des Vergleichs die auf
einen	,00 umgerechneten Daten der
Spalte

Die Spalte I enthält die Daten der Spalte III, die zum Zwecke des Vergleiches auf einen Spitzenwert von 1,00 umgerechnet sind. Wie sich aus der Tabelle ersehen läßt, ist die spektrale Durchlässigkeit des Mehrschichtenbelages nach der Erfindung weitaus besser als die eines Einfachbelages aus Magnesiumfluorid.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, sind durch die Erfindung ein neuer und verbesserter Breitband-Vergütungsbelag und ein mit diesem Belag beschichtetes optisches Element geschaffen worden, die besonders wünschenswerte Eigenschaften als optische Beläge für fotografische Zwecke aufweisen. Außerdem läßt sich der Belag ohne die Zufuhr von Sauerstoff herstellen. Der Belag hat ein ausgezeichnetes spektrales Reflexionsvermögen, gutes Haftvermögen und ist widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit einem Vergütungsbelag beschichtetes optisches Element, das in einem Medium wie Luft im Wellenlängenbereich von 038 bis 0,66 um verwendet wird, bestehend aus einer Glasunterlage mit normal reflektierender Oberfläche und einem darauf angebrachten, aus wenigstens vier Schichten bestehenden Vergütungsbelag aus Stoffen mit hohen und niedrigen Brechungsindizes, der im blauen und ultravioletten Bereich des Spektrums im wesentlichen absorptionsfrei ist, wobei die Schichten mit hohem Brechungsindex aus Zirkonoxid und die Schichten mit niedrigem Brechungsindex aus Magnesiumfluorid bestehen und — beginnend vom Medium — die erste und dritte Schicht aus Magnesiumfluorid und die zweite und vierte Schicht aus Zirkoaoxid aufgebaut sind, daß die erste Schicht eine optische Dicke von angenähert einem Viertel der Konstruktionswellenlänge hat, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die zweite, dritte und vierte Schicht zusammen eine optische Dicke von angenähert der halben Konstruktionswellenlänge aufweisen, wobei die zweite und vierte Schicht angenähert gleich optisch dick sind, während die Dicke der dritten Schicht angenähert 0,015 μπι beträgt

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zirkonoxidschichten weniger als 0,05 μηι beträgt

3. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Vergütungsbelag sechs Schichten aufweist, von denen die zu den bereits aufgeführten vier Schichten hinzukommende fünfte und sechste Schicht aus Stoffen von niedrigem und hohem Brechungsindex bestehen, die fünfte und sechste Schicht zusammen eine optische Dicke von angenähert einem Viertel der Konstruktionswellenlänge aufweisen und die Dicke der beiden Schichten so bemessen ist daß sie ein Reflexionsvermögen ergeben, das dem mit einer einzigen Schicht gleicher optischer Dicke und mit einem zwischen dem niedrigen und dem hohen Brechungsindex der für die fünfte und sechste Schicht verwendeten Stoffe liegenden Brechungsindex erzielten Reflexionsvermögen entspricht.