DD298850A5 - MULTILAYER-antireflection coating - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vielschicht-Entspiegelungsbelag insbesondere zur Minderung der Reflexion von Licht an Glas-Grenzflaechen im visuellen und nahen infraroten Spektralbereich. Die Erfindung ist in allen Bereichen der Technik anwendbar, wo es um die breitbandige Entspiegelung optischer Elemente geht, die im visuellen und nahen infraroten Spektralbereich transparent sind. Der Vielschicht-Entspiegelungsbelag besteht aus mindestens acht auf dem zu entspiegelnden Substrat in der folgenden Schichtreihung mit den angegebenen geometrischen Dicken angeordneten Einzelschichten:{Brechzahl; breitbandig; Entspiegelung; Substanz, hochbrechend; Substanz, niedrigbrechend; Reflexion; Schichtdicke; Schichtreihung; Spektralbereich; Substrat}The invention relates to a multilayer anti-reflection coating, in particular for reducing the reflection of light at glass boundary surfaces in the visual and near infrared spectral range. The invention is applicable in all fields of technology, where it comes to the broadband anti-reflection of optical elements that are transparent in the visual and near infrared spectral range. The multilayer antireflection coating consists of at least eight individual layers arranged on the substrate to be antireflective in the following layer sequence with the given geometric thicknesses: {refractive index; broadband; anti-reflective coating; Substance, high refractive index; Substance, low refractive index; Reflection; Layer thickness; Layer succession; spectral range; substrate}
Description
In der Optik werden traditionell Beschichtungen aus ein oder zv/ei Einzelschichten zur Entspiegelung optischer Elemente aus Gläsern, Plasten, Kristallen u. dgl. insbesondere dann technisch genutzt, wenn sich der spektrale Anwendungsbereich auf eine Lichtwollenlänge oder auf ein sehr schmales Spektralband beschränkt. Ursache dafür ist die Entspiegelungsbedingung, die bei einer optischen Dicke r^d; der Einzelschichten gleich einem Viertel der Lichtwellenlänge X0 definierte Beziehungen zwischen den Schichtbrechzahlen n; und den Substrat- n, bzw. Superstratbrechzahlen n, erfordern In1 2 = n, n, für eine Einfachschicht, n2 2 n, = Πι2 η, bzw. Πι n2 = η, η, für eine Zwnifachschicht mit Zählung der n* beginnend mit der am Substrat anliegenden Schicht), die aufgrund der geringen Zahl der frei wählbaren Parameter lediglich bei einer bzw. zwei Wellenlängen zur Null-Reflexion führen können (V-Entspiegelung bzw. W-Entspiegelung). Beispielsweise ist bei Anwendung eines 2-Schichtsystems mit gleichen optischen Dicken der Einzelschichten und entsprechenden Brechzahlen möglich, nahezu perfekte Entspiegelungen bei einer Wellenlänge zulasten einer reduzierten Bandbreite zu erreichen. Im allgemeinen ist jedoch aufgrund der verfügbaren Brechzahlen schichtbildender Materialien die Sicherung der geforderten Beziehung zwischen Substrat- und Schichtbrechzahlen besonders bei Gläsern mit Brechzahlen im Bereich von 1,45... 1,9 problematisch.In optics, coatings are traditionally made of one or two individual layers for antireflection of optical elements made of glasses, plastics, crystals and the like. Like. Technically used especially when the spectral range is limited to a Lichtwollenlänge or on a very narrow spectral band. The reason for this is the antireflection condition, which at an optical thickness r d; the individual layers equal to a quarter of the wavelength of light X 0 defined relationships between the Schichtbrechzahlen n; and the substrate and superstrate refractive indices n, respectively, require in 1 2 = n, n, for a single layer, n 2 2 n, = Πι 2 η, or Πι n 2 = η, η, for a Znifich layer with counting of n * starting with the layer adjacent to the substrate), which due to the small number of freely selectable parameters can only lead to zero reflection at one or two wavelengths (V-anti-reflection or W-anti-reflection). For example, when using a 2-layer system with the same optical thicknesses of the individual layers and corresponding refractive indices, it is possible to achieve almost perfect antireflections at a wavelength at the expense of a reduced bandwidth. In general, however, due to the available refractive indices of film-forming materials, securing the required relationship between substrate and film-refractive indexes is particularly problematic, especially for glasses with refractive indices in the range of 1.45 to 1.9.
Für die häufig erforderliche breitbandige Entspiegelung optischer Elemente über den gesamten sichtbaren Spektralbereich von ca. 400 bis 700nm sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, die auf Vielschicht-Antireflexbelägen beruhen. Da keine allgemeingültigen " -tematischen Methoden zur Ermittlung der Designs von Vielschicht-Entspiegelungsbelägen existieren, sind gegenwärtig intuitive trial-and-error-Methoden die vorherrschenden Verfahren zur Bestimmung der Startsysteme für Desings, die dann durch bekannte Näherungs- und Optimierungstechniken (graphische Methoden, Rechneroptirr' erung) häufig unter Berücksichtigung des dispersiven Verhaltens und der optischen Verluste der eingesetzten Medien weiter verbessert werden.For the often required broadband anti-reflection of optical elements over the entire visible spectral range of about 400 to 700 nm, a variety of solutions are known, which are based on multilayer anti-reflective coatings. Since there are no general "mathematical methods for determining the design of multilayer antireflective coatings, currently intuitive trial-and-error methods are the predominant methods for determining the starting systems for desings, which are then evaluated by well-known approximation and optimization techniques (graphical methods, computer optics 'tion) are often further improved taking into account the dispersive behavior and the optical losses of the media used.
Ein Spezialfall der Ermittlung der Designs von Vielschicht-Entspiegelungsbelägen beruht auf der klassischen Lösung von JUPNIK (z. B. in „Physics of Thin Films", Vol. 2, p. 272, editors: G. HASS and R. E.THUN, Academic Press) auf der Basis von Viertelwellenlängen-Systemen, die zu definierten Proportionalitätsbeziehungen zwischen den Schichtbrechzahlen und den angrenzenden Medien führen:A special case of determining the designs of multilayer antireflective coatings is based on the classical solution of JUPNIK (eg in "Physics of Thin Films", Vol.2, p.272, editors: G. HASS and RETHUN, Academic Press). on the basis of quarter wavelength systems, which lead to defined proportionality relationships between the layer refractive indices and the adjacent media:
1 Il S 1 Il S
mi i. i =1 . . . k υπ«ίmi i. i = 1. , , k υπ «ί
Speziell zur Lösung der Problematik einer für die Massenproduktion geeigneten breitbandigen Entspiegelung von niedrigbrechenden optischen Elementen wurden z.B. in den US-Patentschriften 3185020 und 3604784 3-Schicht-Entspiegelungsbeläge vorgeschlagen, die auf dem klassischen X/4-X/2-X/4-Design (W. F. GEFFKEN, D-RP 758767) beruhen. Durch Einfügen einer hochbrechenden Halbwellenschicht zwischen die beiden Viertelwellenschichten kann die für eine Zweifachschicht charakteristische geringe Restreflexion über eine größere Bandbreite erreicht werden. Derartige Beläge besitzen bei Erfüllung der Brechzahlbedingung n2 2 = n, n3 = n, na für drei Wellenlängen Nullstellen der Reflexion. Diese Nullstellen liegen symmetrisch zur Schwerpunktwellenlänge X0, wenn die Bedingungen n,2 = n, n2 und n3* = n2 n, erfüllt sind. Diese S-Schicht-Entspiegelungssysteme wie auch die bzgl. ni und dj optimierten 3-Schichtsysteme, die dann keine Viertelwellenlängendesigns mehr sind (siehe z.B. H. A.MCLEOD „Thin Film Optical Filters", 2nd ed., ADAM HILGER Ltd, Bristol, 1986), gewährleisten im Vergleich zu 1- und 2-Schicht-Systemen eine effektive Minderung der Reflexion über einen wesentlich breiteren Spektralbereich. Wie die oben angegebenen Gleichungen jedoch zeigen, sind die Beziehungen zwischen der Substratbrechzahl und den Brechzahlen der 1. und 3.Schicht (n(, ns) kritisch und aufgrund der in der Natur nur beschränkt verfügbaren Schichtbrechzahlen für die technisch wichtigen Substratbrechzahlen n, = 1,45... 1,9 nicht immer realisierbar. Zur Verbesserung der Design-Flexibilität von Entspiegelungsbelägen sind z. B. in den US-Patentschriften 3432225 und 3565509 Lösungen angegeben, bei denen in herkömmlichen 3- odor 4-Schicht-Systemen die λ/2-Schichten aus hochbrechenden Substanzen und/oder die λ/4-Schichten aus mittelbrech onden Substanzen durch 2 bis 3 dünnere, brechzahldifferente Schichten mit einer summarisch äquivalenten optischen Dicke ersetzt werden. Dadurch ist es möglich, die Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Substratbrechzahlen zu verbessern, ohm jedoch die Bandbreite der Entspiegelungswirkung wesentlich zu beeinflussen. Ein für die kommerzielle Massenproduktion besonderer Nachteil dieser Lösungen besteht in der Verwendung extrem dünner Schichten zur Approximation der λ/4- bzw. λ/2-Schichten, die im allgemeinen Toleranzprobleme verursachen, die insbesondere auf Schwierigkeiten bei der Monitorierung extrem dünner Schichten mit Inhomogenitäten und Instabilitäten der Brechzahlen sowie optischen Verlusten beruhen.Specifically to solve the problem of suitable for mass production broadband anti-reflection of low-refractive optical elements have been proposed in US Pat. Nos. 3185020 and 3604784 3-layer anti-reflective coatings on the classic X / 4-X / 2-X / 4 design (WF GEFFKEN, D-RP 758767). By incorporating a high refractive half wave layer between the two quarter wave layers, the low residual reflection characteristic of a dual layer can be achieved over a wider bandwidth. When the refractive index condition is fulfilled, such coatings have n 2 2 = n, n 3 = n, n a for three wavelengths zeros of the reflection. These zeros are symmetric to the centroid wavelength X 0 when the conditions n, 2 = n, n 2 and n 3 * = n 2 n, are satisfied. These S-layer antireflection systems as well as the ni and dj optimized 3-layer systems, which are then no longer quarter wavelength designs (see, eg, HAMCLEOD "Thin Film Optical Filters", 2nd Ed., ADAM HILGER Ltd, Bristol, 1986) effectively reducing reflection over a much wider spectral range compared to 1 and 2-layer systems, however, as the equations above show, the relationships between the substrate refractive index and the 1st and 3rd layer refractive indices (n ( , ns) are critical and can not always be realized due to the limited number of layer refractive indexes available in nature for the technically important substrate refractive indices n, = 1.45 ... 1.9 In order to improve the design flexibility of antireflective coatings, for example, US Pat Pat. Nos. 3,432,225 and 3,565,509 disclose solutions in which, in conventional 3-odor 4-layer systems, the λ / 2 layers of high refractive index substances and / or the λ / 4 layer from medium refractive substances to be replaced by 2 to 3 thinner, refractive index different layers with a total equivalent optical thickness. This makes it possible to improve the possibilities of adapting to different substrate refractive indices, but to significantly influence the bandwidth of the antireflection effect. A particular drawback of these solutions for commercial mass production is the use of extremely thin layers to approximate the λ / 4 and λ / 2 layers, which generally cause tolerance problems, in particular to difficulties in monitoring extremely thin layers with inhomogeneities and Instabilities of the refractive indices and optical losses are based.
Die Verwendung von 4-Schicht-Entspiegelungsbelägen ergibt im allgemeinen eine gegenüber 3-Schicht-Designs verbesserte Bandbreite. Beispiel dafür ist eine nach JUPNIK ermittelte Design-Struktur mit der Schichtfolge:The use of 4-layer anti-reflective coatings generally results in improved bandwidth over 3-layer designs. An example of this is a JUPNIK-determined design structure with the layer sequence:
in der die Brechzahlen der Gleichung: n, n4 = n2 (n, n,)w where the refractive indices of the equation: n, n 4 = n 2 (n, n,) w
genügen müssen. Zur technischen Realisierung eines solchen Belages sind vier verschiedene schichtbildende Materialien mit entsprechenden Gebrauchswerteigenschaften erforderlich, die häufig nur näherungsweise die theoretischen Bedingungen erfüllen und in der Regel durch spezifische Probleme im Beschichtungsprozeß (Monitorierung, Instabilität und Inhomogenität der Brechzahlen, Kompatibilität, optische Verluste, Fraktionierung, Dissoziation usw.) die kommerzielle Massenproduktion beeinträchtigen. Ein Beispiel für einen 4-Schicht-Entspiegelungsbelag mit vier Schichtsubstanzen ist in der US-PS 3463574 angegeben. ~"have to suffice. For the technical realization of such a coating, four different layer-forming materials with corresponding utility properties are required, which often only approximate the theoretical conditions and usually by specific problems in the coating process (monitoring, instability and inhomogeneity of the refractive indices, compatibility, optical losses, fractionation, dissociation etc.) affect commercial mass production. An example of a 4-layer antireflective coating with four layer substances is given in US Pat. No. 3,464,574. ~ "
Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde in der US-PS 3781090 speziell für ein 4-Schicht-System ein alternatives Design-Modell vorgeschlagen, das eine hohe Flexibilität bei der Variation der optischen bzw. geometrischen Dicken der Einzelschichten zur Kompensation von material- oder schichtstrukturbedingten Brechzahlabweichungen gestattet, ohne jedoch die Zahl der erforderlichen Schichtsubstanzen zu reduzieren. Ein dickenoptimierter 4-Schichtbelag, der mit nur zwei Substanzen auskommt, ist beispielsweise von C.J.VAN DER LAAN und H. I.FRANKF.NAin Proceedings of SPIE, Vol.401, „Thin Film Technologies" (1983) p. 117 beschrieben. Die Bandbreite der Entspiegelungswirkung dieses Belages bleibt jedoch auf den visuellen Spektralbereich beschränkt.In order to overcome these disadvantages, US Pat. No. 3,784,090 has proposed an alternative design model specifically for a 4-layer system, which permits a high degree of flexibility in varying the optical or geometric thicknesses of the individual layers in order to compensate for refractive index deviations due to material or layer structure without, however, reducing the number of required layer substances. A thick-optimized 4-layer coating that uses only two substances is described, for example, by CJVAN DER LAAN and HIFRANKF.NAin Proceedings of SPIE, Vol.401, "Thin Film Technologies" (1983) p 117. The range of the antireflective effect However, this coating remains limited to the visual spectral range.
Für Vielschicht-Entspiegelungsbeläge, die zu ihrer Realisierung nur zwei schichtbildende Substanzen benötigen, wurden Lösungen angegeben, die zur Approximation nicht verfügbarer Brechzahlen entweder auf der Äquivalentschicht-Theorie oder auf der Synthetisierung theoretisch erforderlicher Brechzahlen durch Bildung von Mischschichten beruhen. Beispielsweise ist in der US-PS 3565509 eine Lösung angegeben, in der symmetrische Anordnungen von Schichten aus einer hoch- und einer niedrigbrechenden Substanz im Sinne einer Äquivalentschicht die theoretisch erforderlichen Brechzahlen von Einzelschichten in herkömmlichen Schicht-Strukturen approximieren, wobei jedoch die Äquivalenzbedingung (äquivalente Brechzahlen und Schichtdicken) nur für eine Wellenlänge erfüllt ist. In derartigen Schicht-Strukturen ist es zur Realisierung optimaler Entspiegelungs-Bandbreiten erforderlich, daß die optische Dicke der vom Substrat aus gesehen 3. Schicht kleiner sein muß als die Summe aus der Dicke der unmittelbar am Substrat anliegenden Schicht und λ<,/2.For multilayer antireflection coatings, which only require two layer-forming substances for their realization, solutions have been specified which are based on the approximation of unavailable refractive indices either on the equivalent-layer theory or on the synthesis of theoretically required refractive indices by formation of mixed layers. For example, US Pat. No. 3,565,509 discloses a solution in which symmetrical arrangements of layers of a high-index and a low-index substance in the form of an equivalent layer approximate the theoretically required indices of single layers in conventional layer structures, but the equivalence condition (equivalent refractive indices) and layer thicknesses) is fulfilled for only one wavelength. In such layer structures, in order to realize optimum anti-reflection bandwidths, it is necessary for the optical thickness of the third layer, as seen from the substrate, to be smaller than the sum of the thickness of the layer directly adjacent to the substrate and λ </ 2.
Ein Beispiel für die Synthetisierung von Brechzahlen durch Mischschichtbildung für Entspiegelungsbeläge ist in der US-PS 3176574 angegeben, in der vorgeschlagen wird, die theoretisch erforderlichen Brechzahlen oder Brechzahlprofile durch Co-Verdampfen von zwei brechzahldifferenten Materialien zu realisieren, wobei die Brechzahlen über die entsprechenden Volumenanteile beider Substanzen in der Schicht entsprechend bekannter Mischungsformeln (z.B. R. JACOBSSON in „Physics of Thin Films", Vol. B, p. 16, editors: G. HASS, M. H.FRANCOMBE and R.W. HOFFMAN, Academic Press, 1975) eingestellt werden.An example of the synthesis of refractive indices by means of mixed layer formation for antireflection coatings is disclosed in US Pat. No. 3,174,574, which proposes to realize the theoretically required refractive indices or refractive index profiles by coevaporation of two refractive index-different materials, the refractive indices being greater than the corresponding volume fractions of both Substances in the layer according to known mixing formulas (eg R. JACOBSSON in "Physics of Thin Films", Vol. B, p. 16, editors: G. HASS, MHFRANCOMBE and RW HOFFMAN, Academic Press, 1975).
Diese Methode erfordert jedoch technisch aufwendige Mittel zur präzisen Steuerung der Verdampfung aus zwei Substanzquellen oder ein Verdampfen von Substanzmischungen ohne Fraktionierungseffekte.However, this method requires technically complicated means for precise control of evaporation from two sources of substance or evaporation of mixtures of substances without fractionation effects.
Für 5-Schicht-Entspiegelungsbeläge, die auf klassischen λο/4-Designs beruhen, gelten bezüglich ihrer Anwendbarkeit und Flexibilität die bereits bsi Entspiegelungsbelägen mit geringeren Schichtzahlen genannten Restriktionen hinsichtlich der Brechzahlproportionalität. Diese Probleme sind besonders akut, wenn die Lösungen eine hohe Sensibilität und Instabilität in bezug auf Brechzahlabweichungen aufweisen. Obwohl diese Sensibilität durch Variation der optischen Dicken auch bei 5-Schicht-Belägen in gewissen Grenzen ausgeglichen werden können (US-PS 3858965, US-PS 3922068), bleiben die mit dem erforderlichen Einsatz mehrerer Schichtmaterialien verbundenen Nachteile erhalten.For 5-layer antireflection coatings, which are based on classic λο / 4 designs, the restrictions on refractive index proportionality already mentioned apply with respect to their applicability and flexibility to the restrictions of refractive index already mentioned with lower coating numbers. These problems are particularly acute when the solutions have high sensitivity and instability with respect to refractive index deviations. Although this sensitivity can be compensated by varying the optical thicknesses even with 5-layer coatings within certain limits (US Pat. No. 3,858,965, US Pat. No. 3,921,068), the disadvantages associated with the required use of a plurality of layer materials are maintained.
Prinzipielle fertigungstechnische Probleme bestehen auch denn, wenn Vielschicht-Entspiegelungssysteme aus 6...7Principal manufacturing problems also exist when multilayer anti-reflection systems from 6 ... 7
Einzelschichten aufgebaut werden, die auf einem aus zwei Substanzen bestehenden Pseudo-Äquivalentschichtdicken-Design beruhen, wie beispielsweise in den US-Patentschriften 3799653 und 3960441 vorgeschlagen wurde.Single layers are built, based on a two-substance pseudo-equivalent layer thickness design, as proposed for example in US Pat. Nos. 3,799,653 and 3,960,441.
Alle bisher genannten Lösungen besitzen den grundsätzlichen Nachteil, daß ihre Entspiegelungswirkung auf den visuellen Spektralbereich mit Lichtwellenlängen von ca. 400 bis 700nm beschränkt ist. Dies trifft auch auf Lösungen zu, bei denen zur Erhöhung der Designflexibilität Mehrfachhalbwellen-Schichten Anwendung finden (G.W. DEBELL, Proceedings of SPIE, Vol.401, „Thin Film Technologies", p. 127). Für viele optische ^erätelösungen ist jedoch eine Erweiterung der Entspiegelungswirkung in den nahen infraroten Spektralbereich erforderlich.All solutions mentioned so far have the fundamental disadvantage that their antireflection effect is limited to the visual spectral range with light wavelengths of about 400 to 700 nm. This is also true for solutions that use multi-half-wave layers to enhance design flexibility (GW DEBELL, Proceedings of SPIE, Vol.401, "Thin Film Technologies," p.127), but for many optical device solutions it is an extension the anti-reflection effect in the near infrared spectral range required.
Speziell für optische Geräte mit aktiven Autofokussiereinrichtungen auf der Basis von Infrarotstrahlung (Fotoapparate) wurde in der US-PS 4726654 ein 6- bzw. 7-Schicht-Entspiegelungssystem vorgeschlagen, dessen Realisierung mindestens drei Substanzen erfordert, von denen die hochbrechende Substanz eine Mischsubstanz ist. Auf der Grundlage dieses Design konnte mit speziellen Ausführungsformen, die nach der in der US-PS 4387960 angegebenen Methode optimiert wurden, eine breitbandige Entspiegelung von Glas realisiert werden, die im Spektralbereich von 400 bis 700 nm eine Restreflexion < 0,6% und im Bereich von 400 bis 800nm eine Restreflexion < 1 % gewährleistet. Diese Verschiebung der langwelligen Kante des Entspiegelungsbereiches um ca. 100 nm genügt den Forderungen von aktiven IR-Autofokussiersystemen auf der Basis von herkömmlichen IR-Halbleiter-Bauelementen.Specifically for optical devices having active autofocusing devices based on infrared radiation (cameras), US Pat. No. 4,726,654 has proposed a 6-layer or 7-layer antireflection system whose realization requires at least three substances, of which the high-index substance is a mixed substance. On the basis of this design could be realized with special embodiments, which were optimized according to the method specified in US-PS 4387960, a broadband anti-reflection of glass in the spectral range of 400 to 700 nm residual reflection <0.6% and in the from 400 to 800nm a residual reflection <1% guaranteed. This displacement of the long-wave edge of the antireflection region by about 100 nm meets the requirements of active IR autofocusing systems based on conventional IR semiconductor components.
Im optischen Gerätebau besteht jedoch häufig die Forderung nach Breitbandentspiegelungen, die über den gesamten visuellen und nahen infraroten Spektralbereich bis einschließlich der Laserwellenlänge 1,06pm eine effektive Minderung der Reflexion von optischen Elementen gewährleisten. Anwendungsbeispiele sind dabei optische Geräte und Anordnungen z. B. im Vermessungswesen, der Medizintechnik, der Militärtechnik usw., bei denen aus technischen und/oder ökonomischen Gründen verschiedene optische Kanäle durch die gleichen optischen Elemente geführt werden. Typische Beispiele derartiger Kombinationen sind die visuelle und Nachtsicht-Beobachtung, Techniken der aktiven IR-Autofokussierung oder IR-Informationsübertragung sowie Meß- und Bearbeitungsaufgaben mittels 1,06pm - Laserlicht.In the field of optical instrumentation, however, there is often the demand for broadband reflections, which ensure an effective reduction of the reflection of optical elements over the entire visual and near infrared spectral range up to and including the laser wavelength of 1.06 pm. Application examples are optical devices and arrangements z. As in surveying, medical technology, military technology, etc., where for technical and / or economic reasons, various optical channels are guided by the same optical elements. Typical examples of such combinations are visual and night-vision observation, techniques of active IR autofocusing or IR information transmission, and measurement and processing tasks using 1.06pm laser light.
Technische Lösungen zur Realisierung einer effektiven Minderung der Reflexion optischer Elemente über den gesamten visuellen und nahen infraroten Spektralbereich einschließlich der Laserwellenlänge 1,06pm sind in der Literatur nxht angegeben.Technical solutions for realizing an effective reduction of the reflection of optical elements over the entire visual and near infrared spectral range including the laser wavelength of 1.06pm are given in the literature nxht.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist die effektive Minderung der Reflexion insbesondere von niedrigbrechenden optischen Elementen im visuellen bis infraroten Spektralbereich unter Einbeziehung der Laserwellenlänge 1,06pm. Diese breitbandige Entspiegelung soll mit herkömmlichen Materialien und geringem technischen und technologischen Aufwand bei Anwendung konventioneller Aufdampfverfahren realisierbar sein.The aim of the invention is the effective reduction of the reflection in particular of low refractive optical elements in the visual to infrared spectral range including the laser wavelength of 1.06pm. This broadband anti-reflection should be feasible with conventional materials and low technical and technological effort when using conventional vapor deposition.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für den Aufbau eines dielektrischen Vielschicht-Entspiegelungsbelages anzugeben, der bei Anwendung auf niedrigbrechenden optischen Elementen im gesamten Spektralbereich von ca. 450... 1100nm eine Restreflexion <0,9% gewährleistet und zu seiner Realisierung nur zwei brechzahldifferente Schichtsubstanzen erfordert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Vielschicht-Entspiegelungsbelag zur Minderung der Reflexion von niedrigbrechenden Substraten im visuellen und nahen infraroten Spektralbereich, bestehend aus einer hochbrechenden schichtbildenden Substanz H mit einer Brechzahl nH ä 2,0 und einer niedrigbrechenden schichtbildenden Substanz L mit einer Brechzahl nL s 1,6, wobei beide schichtbildenden Substanzen alternierend auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gelöst, daß auf dem zu entspiegelnden Substrat mindestens acht Einzelschichten in der folgenden Schichtreihung mit den angegebenen geometrischen Dicken angeordnet sind:The invention has for its object to provide solutions for the construction of a dielectric multilayer anti-reflection coating, which ensures a residual reflection <0.9% when applied to low-refractive optical elements in the entire spectral range of about 450 ... 1100nm and only two to realize it requires different refractive index coating substances. According to the invention, the object is achieved with a multilayer antireflective coating to reduce the reflection of low-refractive substrates in the visual and near infrared spectral range, consisting of a high refractive index layer-forming substance H having a refractive index n H 2.0 and a low-refractive-index layer-forming substance L having a refractive index n L s 1.6, wherein both layer-forming substances are arranged alternately on the substrate, achieved in that at least eight individual layers are arranged in the following layer row with the specified geometric thicknesses on the substrate to be coated:
Mit diesem Design für ein Vielschicht-Entspiegelungssystem ist es unter Verwendung von nur zwei Brechzahlen aus dem Spektrum herkömmlicher schichtbildender Materialien möglich, niedrigbrechende Substrate unter Berücksichtigung der Dispersion im Spektralbereich von ca. 450nm bis ca. 1100 nm mit einer Restreflexion so,9% wirkungsvoll zu entSpiegeln. Der Einsatz von technologisch erprobten schichtbildenden Substanzen und das Vermeiden von sehr dünnen Schichten bieten den Vorteil einer Massenfertigung mittels konventioneller Aufdampftechnik, wobei gute schichtoptische Gebrauchswerteigenschaften erzielt werden können.With this design for a multilayer antireflective system, using only two refractive indices from the spectrum of conventional film-forming materials, it is possible to have low refractive index substrates, taking into account the dispersion in the spectral range from about 450 nm to about 1100 nm with a residual reflection, 9% effective entspiegeln. The use of technologically proven film-forming substances and the avoidance of very thin layers offer the advantage of mass production by means of conventional vapor deposition technology, whereby good coating-optical utility properties can be achieved.
Zweckmäßigerweise besteht die hochbrechende schichtbildende Substanz H in vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung min Jestens teilweise aus CeO2 oder ZrO2 oder TiO2 oder Ta2O6 oder Nb2O6 oder HfO2 oder Y2O3 oder ThO2 oder BeO oder ZnS. Die niedrigbrechende Substanz L besteht vorteilhaft mindestens teilweise aus MgF2 oder SiO2 oder ThF4 oder LaF3 oder CeF3 oder Na3(AIF4). Der Einsatz dieser Substanzen sichert bei guter Kompatibilität, niedrigen optischen Verlusten und ausreichenden Resistenzeigenschaften den für die spektralen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelag erforderlichen Brechzahlkontrast. Obwohl der Einsatz von Substanzmischungen denkbar und in speziellen Anwendungsfällen von Vorteil ist, kann der erfindungsgemäße Vielschicht-Entspiegelungsbelag auf einfache Art und Weise durch stquenticiies Verdampfen von nur einer niedrigbrechenden und einer hochbrechenden Substanz erzeugt werden. Eine erste, besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in folgender Tabelle in Form der den Einzelschichten zugeordneten geometrischen Dicken und Brechzahlen angegeben.Expediently, the high-index layer-forming substance H consists in advantageous embodiments of the invention partially of CeO 2 or ZrO 2 or TiO 2 or Ta 2 O 6 or Nb 2 O 6 or HfO 2 or Y 2 O 3 or ThO 2 or BeO or ZnS. The low-refractive substance L is advantageously at least partially composed of MgF 2 or SiO 2 or ThF 4 or LaF 3 or CeF 3 or Na 3 (AIF 4 ). With good compatibility, low optical losses and sufficient resistance properties, the use of these substances ensures the refractive index contrast required for the spectral properties of the multilayer antireflection coating according to the invention. Although the use of substance mixtures is conceivable and advantageous in special applications, the multilayer antireflection coating according to the invention can be produced in a simple manner by evaporating only a low-refractive and a high-refractive substance by evaporation. A first, particularly advantageous embodiment is given in the following table in the form of the individual layers associated geometric thicknesses and refractive indices.
Mit diesen Schichtparametern lassen sich besonders streulichtarme Vielschicht-Entspiegelungen herstellen, wenn die niedrigbrechende schichtbildende Substanz L Magnesiumfluorid (MgF2) und die hochbrechende schichtbildende Substanz H Titaniumdioxid (TiO2) ist.With these layer parameters, it is possible to produce multilayer antireflective coatings that are particularly low in scattering light when the low-refractive-index layer-forming substance L is magnesium fluoride (MgF 2 ) and the high-indexing layer-forming substance H is titanium dioxide (TiO 2 ).
Eine zweite, besonders günstige Ausführungsform ist in folgender Tabelle in Form der den Einzelschichten zugeordneten geometrischen Dicken und Brechzahlen angegeben.A second, particularly advantageous embodiment is given in the following table in the form of the individual layers associated geometric thicknesses and refractive indices.
Mit dieser Parametrierung der Einzelschichten können besonders laserfeste Vielschicht-Entspiegeiungsbeläge realisiert werden, wenn die niedrigbrechende schichtbildende Substanz L Magnesiumfluorid (MgF2) ist und die hochbrechende schichtbildende Substanz H Zirkoniumdioxid (ZrO,) ist. Beide der o.g. Substanzkombinationen besitzen eine ausgezeichnete Kompatibilität, lassen sich mit herkömmlichen Verdampfungsverfahren, oder aber auch durch weitere Beschichtungstechniken mit zufriedenstellender schichtoptischer Qualität und hervorragenden Resistenzeigenschaften gegenüber mechanischen, chemischen, klimatischen o.a. Einflüssen darstellen.With this parameterization of the individual layers, it is possible to realize particularly laser-resistant multilayer anti-reflection coatings if the low-refractive-index layer-forming substance L is magnesium fluoride (MgF 2 ) and the high-indexing layer-forming substance H is zirconium dioxide (ZrO,). Both of the abovementioned substance combinations have excellent compatibility, can be prepared by conventional evaporation methods or else by further coating techniques with satisfactory coating-optical quality and excellent resistance properties to mechanical, chemical, climatic or other influences.
Mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem für einen Vielschicht-Entspiegelungsbelag ist es bei komplexer Gewährleistung guter Applikationseigenschaften möglich, insbesondere niedrigbrechende optische Elemente vom visuellen bis nahen infraroten Spektralbereich einschließlich der Laserwellenlänge 1,06μηη mit einer Restreflexion <0,9% zu entspiegeln. Mit dem erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelag ausgerüstete optische Geräte und Anordnungen besitzen für optische Kanäle im Bereich vom visuellen bis zum nahen infraroten Spektralbereich bei geringen optischen Verlusten eine hohe Transmission und Laserfestigkeit.With the layer system according to the invention for a multilayer antireflection coating it is possible, with complex guarantee of good application properties, in particular to refract low refractive optical elements from the visual to near infrared spectral range including the laser wavelength 1.06μηη with a residual reflection <0.9%. Optical devices and arrangements equipped with the multilayer antireflection coating according to the invention have high transmission and laser resistance for optical channels in the range from the visual to the near infrared spectral range with low optical losses.
AusführungsboispleleAusführungsboisplele
Die Erfindung soll 'inhand von zwei Beispielen näher erläutert werden.The invention will be explained 'in detail of two examples.
Als erstes Beispie soll das dielektrische Schichtsystem für einen erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelag angegeben werden, der im Spektralbereich von 450 nm bis 1100nm eine Restreflexion R < 0,6% aufweist und geringe Streulichtverluste besitzt. Dazu wird ein Substrat aus BK-7, Kieselglas o. dgl. mit acht Einzelschichten aus der hochbrechenden schichtbildenden Substanz Titaniumdioxid (TiO2) und der niedrigbrechenden schichtbildenden Substanz Magnesiumfluorid (MgF2) belegt, die beginnend mit TiO2 alternierend auf das Substrat abgeschieden werden. Beide Substanzen liefern bei entsprechender Wahl der Schichtherstellungsparameter die zur Realisierung der optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelages erforderlichen Brechzahlen bzw. Brechzahldispersionen. In Tabelle 1 sind in einer Gesamtübersicht die jeweils relevanten Schichtparameter des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelages angegeben.The first example is the dielectric layer system for a multilayer antireflection coating according to the invention, which has a residual reflection R <0.6% in the spectral range from 450 nm to 1100 nm and has low stray light losses. For this purpose, a substrate made of BK-7, silica glass or the like is coated with eight individual layers of the high refractive index layering substance titanium dioxide (TiO 2 ) and the low refractive index layering substance magnesium fluoride (MgF 2 ), which are deposited alternately onto the substrate starting with TiO 2 , With the appropriate choice of the layer production parameters, both substances provide the refractive indices or refractive index dispersions necessary for the realization of the optical properties of the multilayer antireflection coating according to the invention. In Table 1, the respective relevant layer parameters of the multilayer anti-reflection coating according to the invention are given in a general overview.
Als zweites Beispiel soll das dielektrische Schichtsystem für einen erfindungsgemäßen Vielschicht-Emspiegelungsbelag angegeben werden, der im Spektralbereich von 450nm bis 1100nm eine Restreflexion R ^ 0,85% aufweist und eine hohe Laserresistenz besitzt. Dazu wird eines der oben bereits genannten Substrate mit acht Einzelschichten aus der hochbrechenden schichtbildenden Substanz Zirkoniumdioxid (ZrO2) und der niedrigbrechenden schichtbildenden Substanz Magnesiumfluorid (MgF2) belegt, die beginnend mit ZrO2 alternierend auf das Substrat aufgebracht werden. Beide Substanzen liefern bei entsprechender Wahl der Schichtherstellungsparameter die zur Realisierung der optischen Ei jenschaften des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsboisges erforderlichen Brechzahlen bzw. Brechzahldispersion&n. In Tabelle 2 sind in einer Gesamtübersicht die jeweils relevanten Schichtparameter des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelungsbelages angegeben.As a second example, the dielectric layer system for a multilayer Emspiegelungsbelag invention is to be given, which has a residual reflection R ^ 0.85% in the spectral range of 450nm to 1100nm and has a high laser resistance. For this purpose, one of the substrates already mentioned above is coated with eight individual layers of the high-index layer-forming substance zirconium dioxide (ZrO 2 ) and the low-refractive layer-forming substance magnesium fluoride (MgF 2 ), which are applied alternately to the substrate starting with ZrO 2 . Both substances, with a suitable choice of the layer production parameters, provide the refractive indices or refractive index dispersion required for the realization of the optical parameters of the multilayer antireflection coating according to the invention. In Table 2, the respective relevant layer parameters of the multilayer anti-reflection coating according to the invention are given in a general overview.
Die Herstellung der in beiden Ausführungsbeispielen angegebenen Vielschicht-Entspiegelungsbeläge kann mit Hilfe konventioneller Hochvakuumbeschichtungstechnik beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfen der Ausgangsmaterialien in bekannter Weise erfolgen. Die in den Beispielen genannten Substanzkombinationen sind kompatibel und besitzen gute schichtoptische Gebrauchswerteigenschaften. Es ist durch geringfügige Modifizierung der in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegebenen Schichtdicken des erfindungsgemäßen Vielschicht-Entspiegelui gsbelages vorteilhaft möglich, anstelle des niedrigbrechenden Fluorides MgF2 das niedrigbrechende Oxid SiO2 einzusetzen.The preparation of the multilayer anti-reflection coatings specified in both embodiments can be carried out by conventional high-vacuum coating techniques, for example by electron beam evaporation of the starting materials in a known manner. The substance combinations mentioned in the examples are compatible and have good coating optical utility properties. It is advantageously possible by slightly modifying the layer thicknesses of the multilayer antireflection coating gsbelages according to the invention given in Table 1 and Table 2, instead of the low refractive index fluoride MgF 2 to use the low refractive index oxide SiO 2 .
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