DE3810046A1 - Reflektorspiegel zum ablenken von sichtbaren strahlen und zur uebertragung von infrarotstrahlen von einer lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reflektorspiegel gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Spiegel, der sowohl sichtbares, als auch infrarotes Licht von einer Lichtquelle reflektieren kann. Der Spiegel wird im allgemeinen in Verbindung mit einer Lampe verwendet, die ein kaltes Licht auf Gegenstände richtet.

Es sind bereits Lampen bekannt, die einen Spiegelreflektor aufweisen, der aus Glas besteht und an der Rückseite der Lampe angeordnet ist. Die Innenfläche des Glases ist mit einem Interferenzfilter versehen, um einen großen Teil der sichtbaren Strahlen zu reflektieren und eine große Menge von Infrarotstrahlen durchzulassen. Die Lampe strahlt somit hauptsächlich sichtbares Licht mit nur einem geringen Teil von Infrarotstrahlung als Kaltlicht ab. Ein derartiger Spiegelreflektor wird als sogenannter Kaltspiegel bezeichnet.

Der erwähnte Interferenzfilter besitzt eine stark brechende Schicht aus Titanoxid und eine schwach brechende Schicht aus Siliciumoxid, die jeweils abwechselnd übereinander in 10 bis 15 Schichten auf dem Glasträger aufgebracht sind. Der Interferenzfilter reflektiert Licht in einem bestimmten Wellenlängebereich und läßt Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durch. Die Bereiche für das reflektierte und das durchgelassene Licht werden durch die optische Dicke jeder Brechungsschicht bestimmt.

Ein Interferenzfilter des zuvor beschriebenen Aufbaus hat einen kleinen Lichtabsorptionsfaktor über den gesamten Wellenlängenbereich. Die Reflektivität für sichtbare Strahlen ist bei dem bekannten Spiegelreflektor jedoch gering, da ein Interferenzfilter an der Innenseite des Glasträgers angeordnet ist.

Ein anderer bekannter Spiegelreflektor weist ein Paar Interferenzfilter auf, die die gleichen Eigenschaften haben und die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Glasträgers angeordnet sind, um die Reflektivität des zuvor beschriebenen Beispiels zu erhöhen. Das durch einen Interferenzfilter, der auf der einen Seite des Glasträgers angeordnet ist, durchgelassene Licht wird in Richtung anderer Interferenzfilter durch den anderen Interferenzfilter in vorgeschriebener Rate reflektiert, der auf der anderen Seite des Glasträgers angeordnet ist. Schließlich wird Licht von jedem Interferenzfilter durchgelassen, während es zwischen dem Interferenzfilter hin- und herreflektiert wird. Dieses Phänomen wird als Gegeninterferenz bei Interferenzfiltern dieses Aufbaus genannt.

Bei einer anderen Ausführungsform des oben beschriebenen Spiegelreflektors wird das Reflexionsvermögen für sichtbare Strahlen verbessert. Da die Infrarotstrahlen aber durch die Interferenzfilter durch Gegeninterferenz ebenfalls reflektiert werden, nehmen die zur Lampe durchgelassenen Infrarotstrahlen zu. Daher wird der Infrarot-Durchlässigkeitsfaktor gegenteilig beeinflußt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spiegelreflektor zu schaffen, bei dem die Menge an durchgelassener Infrarotstrahlung vergrößert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Spiegel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Spiegelreflektor weist einen ersten Interferenzfilter auf, der ein vorgegebenes Infrarot-Reflexionsvermögen zum Durchlassen einer großen Menge von Infrarotstrahlung aufweist, die von einer Lichtquelle abgestrahlt wird, und der einen großen Anteil von sichtbarer Strahlung von der Lichtquelle reflektiert; er besitzt einen zweiten Interferenzfilter mit einem vorgegebenen Infrarot-Reflexionsvermögen, das sich von dem des ersten Interferenzfilters unterscheidet, um eine große Menge von Infrarotstrahlung durchzulassen, die von dem ersten Interferenzfilter kommt, und um eine große Menge von sichtbarer Strahlung zu reflektieren, die ebenfalls von dem ersten Interferenzfilter kommt. Schließlich weist der Spiegel noch einen Träger für die ersten und zweiten Interferenzfilter auf, die eine Gegeninterferenz zwischen den ersten und zweiten Interferenzfiltern bewirkt und dadurch die Menge an Infrarotstrahlung erhöhen, die von dem Spiegel durch den zweiten Interferenzfilter durchgelassen wird.

Der Träger kann ein lichtdurchlässiger Träger sein, auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils der erste und der zweite Interferenzfilter aufgebracht sind.

Der erste Interferenzfilter kann eine Brechungsschicht mit einem ersten brechenden Element und einem darüber liegenden zweiten brechenden Element aufweisen. Das erste brechende Element hat einen vorgegebenen Brechungsindex und das zweite brechende Element hat einen Brechungsindex, der größer als der erste Brechungsindex ist.

Der zweite Interferenzfilter weist eine zweite Brechungsschicht auf, die aus einem dritten brechenden Element und einem vierten brechenden Element aufgebaut ist, die jeweils übereinander angeordnet sind. Das dritte brechende Element hat einen vorgegebenen Brechungsindex und das vierte brechende Element hat einen ebenfalls vorgegebenen Brechungsindex, der sich von dem des dritten brechenden Elements unterscheidet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit einer Lichtquelle;

Fig. 2 einen vergrößerten schematischen Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens von einem Spiegelreflektor;

Fig. 4 ein Diagramm über die Veränderungen in der relativen Dicke einer Brechungsschicht, wenn der Neigungswinkel von Fig. 3 verändert wird; und

Fig. 5 Veränderungen im Reflexionsvermögen von drei verschiedenen Proben eines Spiegelreflektors, und zwar gegenüber der Wellenlänge.

Fig. 1 zeigt einen lichtdurchlässigen Träger 11 aus Quarzglas, der halbzylinderförmig mit einem Radius von etwa 5 bis 10 mm gebildet ist. Eine Vorderseiten-Interferenzfilterschicht 13 ist auf die Innenfläche des Trägers 11 aufgebracht. Eine Rückseiten-Interferenzschicht 15 ist auf die andere oder Außenseite des Trägers 11 aufgebracht. Die Vorder- und Rückseiten-Interferenzfilterschicht 13 und 15 reflektieren sichtbare Strahlen und lassen Infrarotstrahlen von einer Lichtquelle 14 durch, die vor der Innenseite des Trägers 11 angeordnet ist. Die IR-Reflexionen jeder Interferenzfilterschicht 13, 15 unterscheiden sich voneinander. Daher reflektiert ein Spiegelreflektor 16 mit einem lichtdurchlässigen Träger 11 und Interferenzschichten 13 und 15, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Trägers 11 angeordnet sind, Licht mit einem großen Anteil von sichtbarer Strahlung und einem geringen Anteil von Infrarotstrahlung, wobei das Licht von der Lichtquelle 14 stammt.

Gemäß Fig. 2 weist die Interferenzfilterschicht 13 eine Schicht 13 a mit hohem Brechungsindex aus Titanoxid und eine Schicht 13 b mit kleinem Brechungsindex aus Siliciumdioxid auf, die jeweils übereinander angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind jeweils 15 Schichten 13 a bzw. 13 b übereinander angeordnet. Die Rückseiten-Interferenzfilterschicht 15 kann ebenfalls abwechselnd eine Schicht 15 a mit hohem Brechungsindex aus Titanoxid und eine Schicht 15 b aus Siliciumdioxid mit kleinem Brechungsindex aufweisen, die abwechselnd übereinander angeordnet sind. Jede Schicht 15 a bzw. 15 b besteht ebenfalls wieder aus jeweils 15 Schichten. Die Dicke jeder Brechungsschicht 13 a, 13 b ist größer als die der Brechungsschichten 15 a, 15 b, und zwar um 10%. Als Folge davon unterscheidet sich jede mittlere Wellenlänge der Interferenzschichten 13 und 15 voneinander.

Die Schichten 13 und 15 werden folgendermaßen hergestellt. Zuerst wird der Träger 11 in eine titanhaltige Flüssigkeit getaucht, die eine organische Titanverbindung, beispielsweise Tetraisopropyl-Titanat enthält, das in vorgegebener Menge eines organischen Lösungsmittels, beispielsweise Essigester gelöst ist. Die titanhaltige Flüssigkeit hat 2 bis 10 Gew.-% Titan und die Viskosität beträgt etwa 1,0 cps. Danach wird der Träger 11 aus der Titanflüssigkeit mit vorgegebener Geschwindigkeit gezogen. Auf diese Weise wird die Titanflüssigkeit auf die gegenüberliegenden Flächen des Trägers in vorgegebener Dicke aufgebracht. Die Brechungsschichten 13 a und 15 a mit hohem Brechungsindex aus Titanoxid werden auf dem Träger 11 fixiert, indem man sie etwa 5 Minuten lang bei vorgegebener hoher Temperatur in oxydierender Atmosphäre nach dem Trocknen des Träger 11 bäckt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Träger 11, auf den die Brechungsschichten 13 a und 15 a mit hohem Brechungindex aufgebracht wurden, in eine Silikon enthaltende Flüssigkeit getaucht, die eine Organo-siliciumverbindung enthält, beispielsweise Ethylsilikat, das in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Essigester gelöst ist. Die Silikonflüssigkeit hat ebenfalls 2 bis 10 Gew.-% Silicium und die Viskosität beträgt etwa 1,0 cps. Hierauf wird der Träger 11 aus der Silikonflüssigkeit mit vorgegebener Geschwindigkeit gezogen. Dadurch wird die Silikonflüssigkeit mit vorgegebener Dicke auf die stark brechenden Schichten 13 a und 15 a aufgebracht, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Trägers 11 angeordnet sind. Wie bereits erwähnt, werden die schwach brechenden Schichten 13 b und 15 b aus Siliciumdioxid an dem Träger 11 fixiert, indem man den Träger 11 etwa 5 Minuten lang bei einer vorgegebenen hohen Temperatur in oxydierender Atmosphäre nach dem Trocknen des Trägers 11 bäckt. Auf diese Weise werden die Schichten 13 b und 15 b mit dem kleinen Brechungsindex individuell auf den stark brechenden Schichten 13 a und 15 a aufgebracht. Eine gewünschte Anzahl einzelner Schichten 13 und 15 wird auf dem Träger 11 dadurch gebildet, indem die zuvor erwähnten ersten und zweiten Verfahrensschritte gemäß Fig. 2 mehrfach wiederholt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß die Dicke jeder Brechungsschicht 13 a und 15 a von den Brechungsschichten 13 b verschieden sein kann, wenn die Viskosität der Titanflüssigkeit anders als die der Silikonflüssigkeit ist. Außerdem kann die Dicke der Vorderseiten- Interferenzfilterschicht 13 mit den stark und schwach brechenden Schichten 13 a und 13 b anders als die der Rückseiten-Interferenzfilterschicht 15 sein, die die stark und schwach brechenden Schichten 15 a und 15 b aufweist, wenn der Träger 11 aus der Titanflüssigkeit oder der Silikonflüssigkeit unter einer Neigung herausgezogen wird, die durch den Pfeil A in Fig. 3 angedeutet ist. In diesem Fall ist die Schicht auf der Oberseite des Trägers 11 dicker als auf der Unterseite. Die Beziehung des Neigungswinkels zur relativen Schichtdicke, d. h. das Verhältnis der Dicke zwischen den jeweiligen Interferenzfilterschichten auf der Oberseite und der Unterseite des Trägers 11 ist in Fig. 4 angegeben.

Im folgenden wird die Situation erläutert, wenn die Reflexionsvermögen an den Vorder- und Rückseiten-Interferenzfilterschichten 13 und 15 voneinander verschieden sind.

Der Transmissionsfaktor T eines Spiegelreflektors wird durch die folgende Gleichung angegeben, wenn man die Gegeninterferenz zwischen Vorder- und Rückseite der Interferenzfilterschichten 13 und 15 berücksichtigt:

darin ist R das Reflexionsvermögen an der Vorderseite der Interferenzfilterschicht, während R′ das Reflexionsvermögen an der Rückseiten-Interferenzfilterschicht ist.

In der obiggen Gleichung (1) ist der Transmissionsfaktor T₁ für einen bekannten Reflexionsspiegel durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt, die auf der Gleichung (1) basiert, wenn die Reflexionsvermögen R und R′ der Vorder- und Rückseiten-Interferenzschichten gleich sind:

Der Transmissionsfaktor T₂ des verbesserten Spiegelreflektors wird auch durch die folgende Gleichung (3) in Verbindung mit der Gleichung (1) ausgedrückt, wenn das Reflexionsvermögen R′ der Rückseiten-Interferenzschicht als KR ausgedrückt wird (K ist eine Konstante):

Daher ist die Differenz der Transmissionsfaktoren T₁ und T₂ durch die folgende Gleichung (4) ausdrückbar:

Gemäß Gleichung (4) ist der Transmissionsfaktor T₂ des verbesserten Spiegelreflektors größer als der Transmissionsfaktor T₁ eines bekannten Spiegelreflektors, wenn die Konstante K gleich oder kleiner als 1 ist.

Ferner ist der Transmissionsfaktor T₂ des verbesserten Spiegelreflektors größer als der Transmissionsfaktor T₁ des bekannten Spiegelreflektors, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt werden:

Ferner werden die Reflexionsvermögen R und R′ für die Vorder- und Rückseiten-Interferenzschichten gemittelt, wenn die Differenz zwischen R und R′ extrem groß ist und die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

K < 1 und R /√

Fig. 5 zeigt für drei verschiedene Proben je ein spektrales Reflexionsvermögen. Bei der ersten Probe (die dem Stand der Technik entspricht) ist die Interferenzfilterschicht so gebaut, daß sie auf der Vorderseite des Trägers gebildet ist. Bei der zweiten Probe (die einen weiteren Stand der Technik darstellt) sind die Interferenzfilterschichten einzeln auuf gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet. Die dritte Probe stellt das Ausführungsbeispiel dar. Die Anzahl der Schichten mit großem und kleinem Brechungsindex für jede Interferenzfilterschicht der oben beschriebenen Proben ist in jedem Falle gleich. Der Übergang des spektralen Reflexionsvermögens für die erste Probe ist als volle Linie dargestellt. Das spektrale Reflexionsvermögen für die zweite Probe ist gestrichelt dargestellt und für die dritte Probe gilt die strichpunktierte Linie.

Man erkennt aus Fig. 5, daß das Reflexionsvermögen für die erwähnten Proben im sichtbaren Bereich nahezu gleich ist, wenn die Wellenlänge also kleiner als 700 nm ist. In dem infraroten Bereich erscheinen drei positive Spitzen und drei negative Spitzen, die sich jeweils voneinander unterscheiden.

Jede negative Spitze oder jedes Tal des Reflexionsvermögens fällt für die dritte Probe nahezu mit denen für die erste und zweite Probe zusammen. Die positiven Spitzen oder Amplituden sind jedoch unterschiedlich, wobei die Amplitude des Reflexionsvermögens für die dritte Probe kleiner als für die erste und zweite Probe ist. Mit anderen Worten ist der Infrarot-Durchlässigkeitsfaktor für die dritte Probe (eine Ausführung) größer als für die erste und zweite Probe. Dies ist deswegen der Fall, weil Gegeninterferenz zwischen den Interferenzfilterschichten auftritt, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet sind, und zwar wegen des Unterschiedes in der optischen Dicke zwischen den Interferenzfilterschichten bei der dritten Probe. Wenn sich jede optische Dicke der Interferenzfilterschichten von den anderen unterscheidet, dann unterscheidet sich auch jede mittlere Wellenlänge der Interferenzfilterschichten voneinander und es ist mit anderen Worten jedes Reflexionsvermögen der Interferenzfilterschichten voneinander verschieden. Gemäß Fig. 5 nimmt das Reflexionsvermögen für die dritte Probe in dem sichtbaren Bereich gegenüber den ersten und zweiten Proben nicht ab. Dies ist deswegen der Fall, weil der Einfluß des Unterschiedes in der optischen Dicke beim Reflexionsvermögen zunimmt, wenn die Wellenlänge des Lichtes länger wird.

Da bei dem obigen Ausführungsbeispiel der Lichtabsorptionsfaktor der Interferenzfilterschicht extrem klein ist (im wesentlichen Null), nimmt der Infrarot-Durchlässigkeitsfaktor zu und das Reflexionsvermögen für sichtbare Strahlung nimmt trotz des Vorhandenseins der Interferenzfilterschichten nicht ab, die an gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet sind.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel besteht der Träger aus Quarzglas und hat Halbzylinderform. Der Träger kann jedoch aus hartem Glas, weichem Glas oder Kristallglas bestehen. Ferner kann er zylindrisch oder eben sein, was lediglich von dem Aufbau abhängt, an dem der Spiegel angebracht werden soll. Ferner ist die Dicke der Rückseiten-Interferenzfilterschicht größer als die der Vorderseiten-Interferenzfilterschicht im obigen Ausführungsbeispiel. Die Dicke der Vorderseiten- Interferenzfilterschicht kann jedoch auch größer als die der Rückseiten-Interferenzfilterschicht sein. In diesem Fall wird der Infrarot-Transmissionsfaktor des Spiegelreflektors auf einen Mittelwert für jedes Reflexionsvermögen der Interferenzfilterschichten durch Gegeninterferenz eingestellt und damit wird der Infrarot-Durchlässigkeitsfaktor des Spiegelreflektors verbessert.

Claims (9)

1. Spiegelreflektor, der sichtbare Strahlung reflektiert und Infrarotstrahlung von einer Lichtquelle durchläßt; mit einem lichtdurchlässigen Träger (11); mit einer ersten Interferenzfilterschicht (13); die ein erstes IR-Reflexionsvermögen hat und die auf einer Seite des Trägers (11) angeordnet ist; und mit einer zweiten Interferenzfilterschicht (15), die ebenfalls ein zweites IR-Reflexionsvermögen hat und die auf der anderen Seite des Trägers (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarot-Reflexionsvermögen der ersten Interferenzfilterschicht (13) von dem der zweiten Interferenzfilterschicht (15) verschieden ist, um die Menge der Infrarotstrahlen, die von dem Spiegelreflektor durchgelassen werden, durch Gegeninterferenz zwischen der ersten Inferenzfilterschicht (13) und der zweiten Interferenzfilterschicht (15) zu erhöhen.

2. Spiegelreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Interferenzfilterschicht (13) eine erste Brechungsschicht (13 a) und eine zweite Brechungsschicht (13 b) aufweist, die übereinander angeordnet sind, und daß die erste Brechungsschicht einen ersten Brechungsindex und die zweite Brechungsschicht einen zweiten Brechungsindex hat, der größer als der erste Brechungsindex ist.

3. Spiegelreflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Interferenzfilterschicht (15) eine dritte Brechungsschicht (15 a) und eine vierte Brechungsschicht (15 b) aufweist, die übereinander angeordnet sind, und daß die dritte Brechungsschicht einen dritten Brechungsindex und die vierte Brechungsschicht einen vierten Brechungsindex hat, der größer als der dritte Brechungsindex ist.

4. Spiegelreflektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarot-Reflexionsvermögen der ersten Interferenzfilterschicht (13) größer als das der zweiten Interferenzfilterschicht (15) ist.

5. Spiegelreflektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarot-Reflexionsvermögen der zweiten Interferenzfilterschicht (15) größer als das der ersten Interferenzfilterschicht (13) ist.

6. Spiegelreflektor, der sichtbare Strahlung reflektiert und Infrarotstrahlung von einer Lichtquelle durchläßt; mit einnem lichtdurchlässigen Träger (11); mit einer ersten Interferenzfilterschicht (13) die eine vorgegebene optische Dicke hat und auf der eine Seite des lichtdurchlässigen Trägers angordnet ist, um eine große Menge von sichtbarem Licht und einen Teil Infrarotstrahlung zu reflektieren, wobei die erste Interferenzfilterschicht eine große Menge von Infrarotstrahlung und einen Teil sichtbarer Strahlung durchläßt; und mit einer zweiten Interferenzfilterschicht (15), die eine vorgegebene optische Dicke hat und auf der anderen Seite des lichtdurchlässigen Trägers angeordnet ist, um eine große Menge von Infrarotstrahlung und einen Teil sichtbaren Lichtes von der ersten Interferenzfilterschicht durchzulassen, wobei die zweite Interferenzfilterschicht eine große Menge von sichtbarer Strahlung und einen Teil Infrarotstrahlung, die von der ersten Interferenzfilterschicht durchgelassen wird, zu der ersten Interferenzfilterschicht reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der ersten Interferenzfilterschicht (13) von der der zweiten Interferenzfilterschicht (15) verschieden ist, um die Menge der Infrarotstrahlen zu erhöhen, die von der zweiten Interferenzfilterschicht durchgelassen wird, und zwar durch Gegeninterferenz zwischen der ersten und zweiten Interferenzfilterschicht.

7. Spiegelreflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der ersten Interferenzfilterschicht (13) größer als die der zweiten Interferenzfilterschicht (15) ist.

8. Spiegelreflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der zweiten Interferenzfilterschicht (15) größer als die der ersten Interferenzfilterschicht (13) ist.

9. Spiegelreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Lampe verwendet wird.