DE2931309A1

DE2931309A1 - Interferenzfilter und verwendung desselben

Info

Publication number: DE2931309A1
Application number: DE19792931309
Authority: DE
Inventors: Jon D Masso
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: AO Inc 07950 SOUTHBRIDGE MASS US
Priority date: 1978-08-02
Filing date: 1979-08-01
Publication date: 1980-02-28
Also published as: US4223974A; GB2027223A; CA1113764A; FR2432720B1; GB2027223B; FR2432720A1; JPS5521091A

Description

PATtNTANWALTOR. MER ΛΑ A h NOi ; ί V ί :. H L · D I P L O M P H Y SIKER D - H 0 0 0 M U N C ! - E N 19 - FLUGGiNSTRASSE ! "-' TtIEFO H -

A 1275-D 1.8.1979 D/B

Anmelder:

American Optical Corporation

Southbridge, Massachusetts/USA

Interferenzfilter und Verwendung desselben

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PostscnecMtonto Mim_L-.,üii Nr.9-18s.1-8u/ Rfusuln.·,:.:-!,.. Munciien (BLZ /OJ ;iu....- i\,yt,to Ni ·ϋ:3 U34J Τ<;>·- ;-2ίΜ',ί> Zeus Tolejrami^r!a.:>i!;ia3 G.".ble Aclross Zii.s.p-v.-.T!

PATENTANWALT-DR. HERMANN O. TH. DIbHL-DIPLOMPHYSIKER D-BOOO MÖNCHEN \9 - FLÜGGENSTRASSE 17 - TELEFON^

A 1275-D / 5 1.8,1979 D/B

Anmelder s

American Optical Corporation

Southbridge, Massachusetts/USA

Interferenzfilter und Verwendung desselben

Die vorliegende Erfindung betrifft Interferenzfilter mit einer Silber- und zumindest einer daran angrenzenden SiO Schicht, in der χ einen Wert von 1 bis 2 einnimmt, wobei die Schichten durch Bedampfen aufgebracht sind.

In neuerer Zeit wurden Infrarot reflektierende Filter mit aneinander angrenzenden hitzebeständigen Dielektrikum-Silber-Schichten entwickelt. Derartige Filter sind im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 29 12 943.9 der Anmelderin mit dem Titel "Infrarot-Reflektor" beschrieben. Diese Infrarot-Reflektoren werden durch eine Dampfbeschichtung mit einer oder mehreren dreischichtigen Perioden erzeugt. Jede Periode enthält eine Silberschicht sandwichartig umgeben von zwei Schichten eines hitzebeständigen Oxyds. Zu den beschriebenen geeigneten hitzebeständigen Dielektrikas gehören Silicium-Oxyde nach der Formel SiO , in der χ von 1 bis 2 reicht. Diese Anmeldung beschreibt des weiteren, daß Palladium die Bindekraft zwischen den SiO- und Silberschichten erhöht. Palladium hat jedoch- den Nachteil, daß es den Durchlaßgrad im sichtbaren Bereich wesentlich reduziert, selbst wenn es in Filmen

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von Dicken von etwa 0,5 mn verwendet wird, und daß es sehr teuer ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Interferenzfilter mit aneinander angrenzenden Siliciumoxyd-Silberschichten zu schaffen, in denen die Bindekraft zwischen den Schichten durch einen dünnen Metallfilm verbessert ist und bei denen die Durchlässigkeit für das sichtbare Licht nicht erheblich verringert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein sehr dünner Überzug aus bestimmten Metallen die Haftung zwischen benachbarten aufgedampften Schichten aus Silber und SiO in dem χ von 1 bis 2 reicht, wesentlich verbessert. Zu den diesbezüglich geeigneten Metallen gehören Nickel, Chrom und Legierungen mit einem Nickel-Chrom-Gehalt von ungefähr 90% wie beispielsweise solche Nickel-Chrom Legierungen, die als weitere Bestandteile z.B. Fe, Mn, Ti, Nb + Ta, Cu, Co, C und Si enthalten und als "Inconel" bekannt sind. Da die Schicht sehr dünn ist, 0,3 bis 2 nm, stellt eine Dampfbeschichtung das bevorzugte Verfahren zur Aufbringung dieser Uberzugsschicht dar. Die Dicke des Überzugs ist als solche nicht sehr kritisch. Es wird jedoch einer solchen Dicke der Vorzug gegeben, die ausreicht, um eine bessere Haftung zu liefern, ohne daß sie die Lichtdurchlässigkeit wesentlich reduziert, üblicherweise reicht eine Dicke von 0,3 bis 0,8 nm aus.

Chrom ist bezüglich der Bedampfungsgeschwindigkeit und den bei dem Bedampfungsvorgang einzuhaltenden Bedingungen das empfindlichste Metall. Trotzdem ist es für die adhäsionsfordernde Schicht ein bevorzugtes Metall, falls ein abriebfester Überzug auf einem fertigen Gegenstand aufgebracht werden soll, der ein Polycarbonat-Substrat enthält.

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Die am 24. Januar 1977 angemeldete US Anmeldung Nr. 762 (Laurin) beschreibt das bevorzugte Verfahren und bevorzugte Materialien für die Schaffung abriebfester Überzüge. Diese Überzüge sowie ein Grundierungsuberzug werden wie in dieser Anmeldung beschrieben, aufgebracht. Im folgenden soll jedoch ein spezielles Beispiel hierfür gegeben werden. Wenn ein abriebfester Überzug verwendet wird, liefert Chrom eine unerwartet bessere Haftung zwischen den Silber und SiO Schichten im Endprodukt selbst dann, wenn die Haftung vor Aufbringung des abriebfesten Überzugs nicht wesentlich verbessert ist. Der diesem Vorgang zugrundeliegende Mechanismus ist gegenwärtig noch nicht voll bekannt. Die sich ergebende vorteilhafte Wirkung ist jedoch erheblich.

Die Erfindung eignet sich besonders für eine Verwendung bei Kunststoff-Gegenständen mit IR reflektierenden Interferenzfiltern auf zumindest einer Fläche, beispielsweise Linsen und Schweiß-Schutzplatten.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen IR-reflektierende Linse,wobei jedoch die auf das Substrat aufgebrachten Schichten zur Verdeutlichung übertrieben dick gezeichnet sind.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine IR-reflektierende Schweiß-Schutzplatte, bei der ebenfalls die aufgebrachten Schichten zur Verdeutlichung übertrieben dick dargestellt sind.

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Die Linse der Fig. 1 besteht aus einem Linsenkörper

1 aus Polycarbonat, auf dessen Vorderseite eine Schicht

2 aus SiO mit 1 > χ > 2 aufgedampft ist. Auf der Schicht 2 ist eine Schicht 3 aufgetragen, die aus Chrom, Nickel oder einer Chrom-Nickel Legierung besteht, über der Schicht ist eine Ag-Schicht 4 aufgedampft, über dieser einer der Schicht 3 entsprechende Schicht 5 aus Chrom-, Nickel oder einer Chrom-Nickel-Legierung. Auf dieser Schicht ist eine weitere Schicht 6 aus SiO mit 1> χ > aufgedampft. Die mit dem aus den Schichten 3 bis 6 bestehenden Interferenzfilter versehene Linse 1 ist insgesamt mit einer abriebfesten Überzugsschicht 7 versehen.

Die in Fig. 2 gezeigten Infrarot reflektierende Schweiß-Schutzplatte entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der Infrarot reflektierenden Linse von Fig. 1, wobei jedoch ans-telle des Linsenkörpers 1 ein plattenförmiges Polycarbonat Kunststoff Substrat 1' verwendet ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Unter Verwendung eines herkömmlichen Dampfbeschichtungsgerätes und einer entsprechenden Verfahrensführung wurden vier Planlinsen aus Polycarbonat auf einer Seite bei Zimmertemperatur mit einem Interferenzfilter versehen, das aneinander angrenzende SiO,-Silberschichten aufwies. Die ursprüngliche Evakuierung für die Beschichtung betrug 1,3332 χ 10~³ Pa (1 χ 1O~^J Torr) , wobei die in folgender Tabelle angegebenen einzelnen Schichtdicken und 0- Partial-Drücke eingehalten wurden.

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Schicht Nr. Schicht Material

O,

Schichtdicke

1 2 3 4 5 6 7 8

SiO	4x1O~³Pa	55	nm
Ni	-	0,	6 nm
Ag	-	10	nm
SiO	2,66x1O^-3Pa	55	nm
SiO	2,66x1O~³Pa	55	nm
Ni	-	0,	6 nm
Ag	-	10	nm
SiO	2,66x1O"³Pa	55	nm

Beispiel 2

Es wurden zwei weitere Versuche durchgeführt, bei denen jeweils 2 Linsen mit überzügen versehen wurden, wobei der gleiche Vorgang durchgeführt wurde, jedoch mit einer Anfangs-Evakuierung von 1,2x10 Pa (9x10 Torr) und 1,O7xiO~³Pa (8x10~⁶Torr). Die Silberschichten wurden in dem Versuch mit dem höheren Druck langsamer abgeschieden und es zeigte sich, daß diese langsamer abgeschiedenen Schichten bei einem druckempfindlichen Bandtest zur Bestimmung der Haftung nicht bestanden. Alle anderen Linsen der Beispiele 1 und 2 bestanden diesen Bandtest zur Bestimmung der Haftung.

Der Bandtest zur Bestimmung der Haftung wurde folgendermaßen durchgeführt:

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Ein Stück von 1,27 cm eines druckempfindlichen Celluloid-Bandes (Scotch Brand von der Firma 3M) wurde fest über eine Strecke von etwa 2,54 cm auf die Oberfläche aufgepreßt. Während man die Linse in einer Hand hielt, wurde das freie Ende des Bandes in einer senkrecht zur Linsenfläche verlaufenden Richtung ruckweise gezogen. Der Versuch gilt als "bestanden", wenn keine Trennung der Schicht (Schichten) auftritt. Eine Trennung zwischen Schichten oder zwischen der ersten Schicht und dem Substrat tritt üblicherweise am Rand auf, wo der überzug oder die überzüge enden. Bei dem Versuch wurde jedoch das Urteil "nicht bestanden" in allen Fällen ausgesprochen, wenn an irgendeiner Stelle eine Trennung auftrat.

Da bei Linsen mit abriebfesten überzügen die letzte Schicht die gesamte Linse ununterbrochen umgibt, wurden die Linsenoberflächen mit den Filterüberzügen schraffurartig mit Schnitten überzogen, die sich bis zu dem Substrat erstreckten und Abstände von ungefähr 3-5 mm aufwiesen, bevor das Band aufgebracht wurde. Ein Ende des druckempfind lichen Bandes wurde anschließend auf die mit dem schraffurartig eingeschnittenen Überzügen aufgepreßt, während das andere Ende in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche ruckartig bewegt wurde. Aufgrund der mehrfachen Kanten besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß der Haftungsversuch als nicht bestanden gilt, so daß dieser Test noch strenger ist als der normale Haftungstest.

Die Geschwindigkeit des Bedampfungsvorganges hängt von der Ausgangsleistung der Elektronenstrahlkanone, der Art des Schmelzgefäßes und dem Fokus der Elektronenstrahlkanone ab, sowie von dem Abstand von der Materialquelle zum Werkstück. In einer Kammer, bei der der Abstand vom Werkstück zur Quelle 48 cm beträgt, benötigt man eine Abscheidungsgeschwindigkeit von ungefähr 0,1 nm/sek'. für

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eine "schnelle" Abscheidungen von Nickel, Chrom und Chrom-Nickel Legierungen (Inconel) und vcn ungefähr 1 bis 1,5 nm/sek. für Silber. Die Abscheidegeschwindigkeit für den "langsamen" Versuch von Fig. 2 für das Silber betrug ungefähr 0,2 nm/sek. Die Abscheidegeschwindigkeit ist bezüglich der Haftung für die SiO Schicht nicht kritisch. Sie erfolgt üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von 1,5 nm/sek.

Beispiel 3

Entsprechend dem Vorgehen von Beispiel 1 wurden zwei PoIycarbonat Linsen mit dem Interferenzfilter beschichtet. Eine Linse wurde ohne Verwendung der adhäsionsfördernden Schichten beschichtet, die andere mit solchen aus Cr in einer Dicke von 0,6 nm. Die Linse ohne Chrom bestand den Band-Haftungstest nicht, während die Linse mit Chromschichten den Test bestand. Bei der Verwendung von Chrom muß man darauf achten, daß die Chromquelle auf nahezu Raumtemperatur abkühlen kann, bevor man die Kammer öffnet, damit die Bildung von Oxyden auf der Quelle verhindert wird. Derartige Oxyde wirken als Verschmutzung in folgenden Beschichtungsvorgängen. Chrom kann unter Verwendung von Widerstandsbeheizungsverfahren verdampft werden, wobei jedoch die Verwendung einer Elektronenstrahlkanone das bevorzugte Verfahren darstellt.

Beispiel 4

Unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens wurden zwei Versuche durchgeführt, wobei jeweils zwei PoIycarbonat Linsen mit einem haftungsfördernden Überzug aus einer Chrom-Nickel Legierung (Inconel) anstelle aus Nickel versehen wurden. Bei dem ersten Versuch wurden 0,6 nm dicke Schichten von Ineonel in jeweils ungefähr 5 Sekunden abgeschieden, während bei dem zweiten Versuch Schichten der gleichen Dicke in jeweils ungefähr 30 Sekunden abgeschieden wurden. Beide Linsen des ersten Versuches bestanden den Band-Hafttest, während beide Linsen des zweiten Versuches diesen Test nicht bestanden.

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Beispiel 5

Unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens wurde eine Anzahl von Polycarbonat Linsen beschichtet, wobei jedoch Chrom anstelle von Nickel verwendet wurde. Nach dem Aufbringen der Interferenzfilter wurden die Linsen in zwei Gruppen unterteilt, nachdem man festgestellt hatte, daß die Haftung zwischen dem Chrom und dem Filter schlecht war. Alle Linsen der einen Gruppe bestanden den Bandhaftungstest nicht. Die schlechte Haftung war vermutlich entweder darauf zurückzuführen, daß die Chromquelle vor dem Öffnen der Kamiuer nach dem ersten Versuch nicht abgekühlt worden war, oder darauf, daß das Chrom mit einer zu langsamen Geschwindigkeit abgeschieden wurde. Die andere Gruppe der Polycarbonat Linsen mit dem Interferenzfilterüberzügen wurde dadurch behandelt, daß man sie bei Zimmertemperatur für die Zeitdauer von 1 Minute in eine Bindungs-Beschichtungslösung eintauchte, die 10% Gamma-Airtino Propyltriethoxysilan, 85% Äthylalkohol und 5 % Wasser enthielt. Die grundierten Linsen wurden dann aus der Silanlösung entfernt, in Wasser gewaschen und getrocknet.

Die grundierten Linsen wurden anschließend mit einem abriebfesten Überzug versehen, der von Dow-Corning erhalten war und die Bezeichnung Q9-6312 trug. Personal der Firma Dow-Corning versicherte, daß dieses Material unter die US PS 3 986 997 fällt. Das Q9-6312 Überzugsmaterial wurde nach Erhalt gefiltert und in einen Behälter gegeben, wonach die Linsen eingetaucht und mit einer kontrollierten Geschwindigkeit von- 19,05 cm /min herausgezogen wurden. Die Linsen wurden anschließend in einem Ofen mit Luftzirkulation bei einer Temperatur von 121,1 C über eine Dauer von 8 Stunden ausgehärtet. Alle Linsen dieser Gruppe mit dem abriebfesten Überzug bestanden den strengeren Bandhafttest mit den schraffurartigen Schnitten, obwohl vor dem Aufbringen des abriebfesten Belages ein

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Problem bezüglich der Haftung bestand.

Chrom wurde bisher schon als Bindemittel für Glas bei der Spiegelhersteilung verwendet. Eine Anwendung in Interferenzfiltern und insbesondere die überraschende Erzielung einer ein Versagen des Haftungstest ausschließenden festen Verbindung ist jedoch ein überraschendes und nicht zu erwartendes Ergebnis.

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Claims

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Patertansprüche

1 - Interferenzfilter mit einer Silber- und zumindest einer daran angrenzenden SiO Schicht, in der χ einen Wert von 1 bis 2 einnimmt, wobei die Schichten durch Bedampfen aufgebracht SiHd₇ gekennzeichnet durch eine durch Bedampfen zwischen die Silber- und die SiO Schicht aufgebrachte Zwischenschicht aus einem die Haftung steigernden Metall aus der Gruppe Ni, Cr und Nickel- Chrom Legierungen.
2. Interferenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenschicht aus einem die Haftung steigernden Metall eine Dicke von etwa 0,3 bis 2 nm aufweist.
3. Interferenzfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschicht eine Nickel-Chrom Legierung.mit einem Gehalt von etwa 90 % Chrom und Nickel verwendet ist.
4. Interferenzfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschicht Inconel verwendet ist.

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5. Interferenzfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Cr besteht.
6. Interferenzfilter nach Anspruch 5/ dadurch gekennzeichnet, daß die Cr-Schicht eine Dicke von 0,4 bis 0,6 nm aufweist.
7. Interferenzfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf einem Substrat aus Polycarbonat aufgebracht sind.
8. Interferenzfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine durchgehende abriebfeste Deckschicht.
9. Verwendung des Interferenzfilters nach einem der vorstehenden Ansprüche für eine IR reflektierende Schweiß-Schutzplatte oder für eine IR reflektierende Linse.
10. IR reflektierende Schweiß-Schutzplatte, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus

A) einem Polycarbonat-Kunststoff Substrat;

B) einem mit einer Seite des Substrates verbundenen Interferenzfilter mit

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1) einer Schicht aus SiO . in der 1 > χ > 2 ist,

2) einer adhäsionsfördernden Schicht aus Cr, Ni oder einer Nickel-Chrom Legierung (Inconel).

3) einer Schicht aus Ag

4) einer adhäsionsfordernden Schicht aus Cr, Ni oder einer Chrom-Nickel Legierung (Inconel)

5) einer Schicht aus SiO , in der 1 > χ > 2 ist, und

C> einem kontinuierlich die Schutzplatte einschließenden abriebfesten überzug.
11. IR reflektierende Schweiß-Schutzplatte nach Anspruch 10, d ad urch gekennzeichnet, daß die Schichten B)2) und B)4) aus Cr bestehen und etwa 0,4 bis 0,6 nm dick sind.
12. IR reflektierende Linse, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus

A) einem Polycarbotiat-Linsen-Substrat;

B) einem mit einer Seite des Substrat verbundenen Interferenzfilter mit

1) einer Schicht aus SiO , in der 1 > χ > 2 ist,

Ji

2) einer adhäsionsfordernden Schicht aus Cr, Ni oder einer Nickel-Chrom Legierung (Inconel)

3) einer Schicht aus Ag,

4) einer adhäsionsfordernden Schicht aus Cr, Ni oder einer Nickel-Chrom Legierung (Inconel)

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5) einer Schicht aus SiO in der 1> χ > 2 ist, und

C) einem kontinuierlichen abriebfesten Belag auf der Linse.
13. IR reflektierende Linse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten B)2) und B)4) aus Cr bestehen und ungefähr 0,4 bis 0,6 nm dick sind.

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