DE1273855B - Optisches Filter und Vorrichtung zu seiner Erzeugung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIj

Deutsche Kl.: 42 h-20/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 73 855.5-51 (C 33208)

22. Juni 1964

25. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Filter mit durch Aufdampfen im Vakuum erzeugten dünnen Schichten von ungleichmäßiger, kontinuierlich verlaufender Stärke, die gemäß den an das Filter gestellten Anforderungen variiert, insbesondere Interferenzfilter.

Es ist ein lichtschwächendes Element bekannt, welches aus kleinen, flächenmäßig gleich großen Stufen unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit besteht und kreisringförmig ausgebildet ist. Es ist aus einem transparenten Grundkörper und einer photochemisch aufgebrachten neutralgrauen Schicht mit vielen gleich großen Sektoren zusammengesetzt, deren Lichtdurchlässigkeit sich von Sektor zu Sektor ändert. Da die Lichtschwächungsschicht nicht kontinuierlich, sondem stufenweise variiert, ist mit dem bekannten Hchtschwächenden Elemente eine Veränderung der optischen Dichte nur in Stufen möglich. Zwischenwerte der optischen Dichte, welche in vielen Fällen erforderlich wären, beispielsweise zur Erreichung ao photographischer Bilder höchster Qualität, können nicht eingestellt werden. Ferner sind alle Filterstufen auf einem Kreisring angeordnet. Auf einem Kreisring läßt sich jedoch nur eine relativ begrenzte Abstufung in der Filterdichte unterbringen, weil der Anstieg in der Filterstärke längs des Umfangs des Kreises nicht zu steil sein darf; sonst nimmt nämlich der Unterschied in der optischen Dichte des Filters bei einer geringfügigen Drehung des Filters zu stark zu. Das bekannte lichtschwächende Element hat also nicht nur eine ungünstige stufenweise Verteilung der Filterstärke, sondern auch der Bereich an Filterstärken ist relativ gering und die Raumausnützung ungünstig.

Es ist bekannt, daß die Vakuum-Aufdampftechnik für dünne Schichten die Möglichkeit gibt, auf wahlweise durchsichtigen oder undurchsichtigen Trägern äußerst vielfältige optische Filter zu erzeugen: Interferenzfilter, Lichtschwächungs- oder Ultrahochfrequenzdämpfungsfilter, reflexfreie Schichten usw. In den meisten Fällen sucht man dünne Schichten von gleichmäßiger Stärke zu erzielen, um auf einer möglichst ausgedehnten Trägerfläche die gleichen optischen Eigenschaften zu erzielen. Es bieten sich jedoch weitere, interessante Anwendungsmöglichkeiten, wenn man absichtlich sogenannte verlaufende dünne Schichten von ungleichmäßiger Stärke erzeugt, so daß die optischen Eigenschaften der auf diese Weise erzielten Filter kontinuierlich oder diskontinuierlich von einem Punkt ihrer Oberfläche zum anderen variieren. Es ist dann nämlich möglich, mit Hilfe eines einzigen Filters eine Gesamtheit von Optisches Filter und Vorrichtung zu seiner
Erzeugung

Anmelder:

Francis Cassanas, Vanves, Seine;

Roger Bei, Vincennes, Seine (Frankreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Grünecker

und Dr.-Ing. H. Kinkeldey, Patentanwälte,

8000 München 22, Maximilianstr. 43

Als Erfinder benannt:

Francis Cassanas, Vanves, Seine;

Roger Bei, Vincennes, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 25. Juli 1963 (942 623)

Charakteristiken zu erhalten, welche man mit einer sehr großen Anzahl einzelner, gleichmäßiger Filter nur unvollkommen erzielen könnte. Ein bekanntes Beispiel für derartige Anwendungen ist das Interferenz-Verlauffilter für den sichtbaren Spektralbereich, das bei gewissen Anwendungen vorteilhaft eine nicht unbeträchtliche Anzahl gleichmäßiger Interferenz-Lichtfilter ersetzt.

Es ist außerdem bekannt, daß durch die physikalischen Gesetze für die Bildung dünner Schichten durch Aufdampfen im Vakuum festgelegt ist, daß die Stärke der erzeugten Schicht proportional zur Dauer der Verdampfung und zum Kosinus desjenigen Winkels ist, den die Senkrechte auf die Oberfläche des Schichtträgers mit der Richtung der Verdampfungsquelle bildet, und daß sie umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen dem Träger und der Quelle ist. Kürzer kann man das so ausdrücken, daß die Stärke der auf ein Oberflächenelement aufgebauten Schicht proportional zur Zeit und zum Molekularfluß ist, welchen das EIement erhält.

Ein bekanntes Verfahren zum Vakuum-Aufdampfen einer Schicht ungleichmäßiger Stärke besteht darin, daß zwischen dem Träger und der Verdampfungsquelle eine Maske eingeschaltet wird, deren öffnung nur einen Teil des Molekularbündels passieren läßt, und daß eine geradlinige Relativbewegung zwischen Maske und Träger erzeugt wird, wobei

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durch die Form der Maske und die Relativbewegung von Maske und Träger die Verteilung der Stärke der aufgebrachten Schicht bestimmt wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung von verlaufenden Schichten, deren Stärke, irgendwelchen Gesetzen entsprechend, jedoch nur in geradliniger Richtung variiert. Die Linien gleicher Stärke sind also parallele Gerade, da das Gesetz der Veränderung der Stärke für alle zu den Geraden gleicher Stärke senkstimmt, welche die Filterstärke an jeder Stelle des spiralförmigen Bandes festlegt und entweder willkürlich oder entsprechend dem speziellen Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Filters wählbar ist. 5 Beispielsweise kann der Verlauf der Filterstärke so gewählt werden, daß bei Drehung des Filters um den Mittelpunkt der archimedischen Spiralen die optische Dichte des Filters entlang dem spiralförmigen Filterbande linear zunimmt oder daß die Lichtdurch

recht stehenden Geraden das gleiche ist. Die auf io lässigkeit linear ansteigt oder daß eine parabolische solche Weise erzeugten Verlauffilter mit verlaufen- Änderung in der optischen Dichte gegeben ist usw. den dünnen Schichten beanspruchen oft einen übermäßigen Platz und sind in ihrer Anwendung un-

Bei einer sehr vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird das Band durch zwei archimedische

bequem. Spiralen begrenzt, die den gleichen Mittelpunkt und

Ferner ist ein Verfahren bekannt, welches gestat- 15 den gleichen Gang haben, jedoch im Winkel vontet, durch Aufdampfen im Vakuum auf einem Träger einander abgesetzt sind,
eine dünne Schicht aufzubringen, deren Stärke kontinuierlich in Abhängigkeit vom Richtungswinkel

nach einer beliebig gewählten Gesetzmäßigkeit vari-

Derartige Filter, im folgenden »Filter mit Spiralverlauf« genannt, können erzeugt werden, um allen Anwendungsmöglichkeiten der im obigen beschrie-

iert. Dieses Verfahren besteht darin, daß zwischen 20 benen Filter mit geradlinigem oder Winkel-Verlauf der Verdampfungsquelle und dem Träger eine Maske zu entsprechen. Gegenüber letzteren bieten sie jeeingeschaltet wird, die aus zwei Teilen besteht, doch insbesondere den Vorteil, daß sie bei gleichem welche eine Öffnung in Form eines Winkels be- Platzbedarf einen sehr großen Nutzweg haben,
grenzen, und daß zwischen dem Träger und der Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die

Maske eine relativ hin- und hergehende Drehbewe- 25 die Erzeugung der der obigen Definition entsprechengung mit einer Schwingungsweite von maximal 360° den Filter mit spiralförmigem Verlauf gestattet. Diese erzeugt wird. Der Öffnungswinkel variiert somit zwi- Vorrichtung weist eine zwischen dem die dünne sehen einem Mindestwert und einem Höchstwert und Schicht aufnehmenden Träger und der Verdampumgekehrt, wobei die kinematische Verbindung zwi- fungsquelle im Vakuum eingeschaltete Maske auf, sehen dem Träger und den die Maske bildenden Tei- 30 die aus einem feststehenden Teil und einem beweglen sowie die relative Drehbewegung in Abhängigkeit liehen Teil besteht, welcher der Quelle gegenüber von der Zeit so wählbar ist, daß die gewünschte eine öffnung von der Form eines Dreiecks begrenzt, Gesetzmäßigkeit eines vom Richtungswinkel abhän- dessen einer Schenkel mit einem gemäß der gegigen Verlaufs erzielt wird. Die auf solche Weise wünschten Gesetzmäßigkeit der Abstufung entspreerzeugten Filter hat man als »Filter mit Winkelver- 35 chenden Profil versehen ist, wobei zwischen dem lauf« bezeichnet. Träger und dem beweglichen Teil der Maske eine

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zwangläufige Verbindung hergestellt ist, so daß letz-Filter der eingangs erläuterten Art zu schaffen, wel- terer Teil in bezug auf den Träger eine relative, eher eine optimale Raumausnutzung aufweist und spiralförmige Bewegung erhalt und die Oberfläche einfach aufgebaut, herstellbar und handhabbar ist. 40 der dreieckigen öffnung von einem Mindestwert bis Weiter soll eine Vorrichtung zur Herstellung des zu einem Höchstwert und umgekehrt variiert.
Filters geschaffen werden. Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge* ist also insgesamt einfach. Der spiralförmige Verlöst, daß die Ausdehnung des Filters in Richtung lauf des Filterbandes kann mit sehr einfachen Mitgleichmäßiger Stärke der Schicht durch die Win- 45 teln dadurch erreicht werden, daß eine durchsichtige düngen von mindestens einer archimedischen Spirale Trägerplatte um ihren Mittelpunkt gedreht wird und beidseitig begrenzt ist. die Verdampfungsquelle auf einer parallel zum Trä-

Das erfindungsgemäße Filter besteht mithin aus ger und durch die ideelle Drehachse des Trägers vereinem Filterband, welches in Form einer archimedi- laufenden Geraden bewegt wird. Es ist auch möglich, sehen Spirale mit mehreren umeinanderlaufenden 50 die Verdampfungsquelle festzuhalten und nur eine Windungen angeordnet ist und im Vergleich zu Maske mit einer Öffnung, durch welche der Dampf den bisher bekannten Filtern einen viel geringeren auf den Träger treten kann, auf einer geraden Linie Platz einnimmt. Auf einer Fläche gleichen Außen- zu bewegen. Durch gleichzeitige Steuerung der Gedurchmessers läßt sich bei erfindungsgemäßer An- schwindigkeitsverläufe der Drehbewegung und der Ordnung ein Filterband viel größerer Länge unter- 55 geradlinigen Bewegung hat man es in der Hand, bringen, als bei Kreisringanordnung des Filterbandes. jede Stelle auf dem durchsichtigen Träger genau Damit kann entweder ein sehr viel größerer Bereich so lange zu bedampfen, daß ein spiralförmiges Filtervon Filterstärken untergebracht oder der Gradient band entsteht, längs dessen die Filterstärke genau des Verlaufs der Filterstärke kann geringer gehalten entsprechend einer gewählten Gesetzmäßigkeit verwerden, so daß der Übergang von einer Filterstärke 60 läuft.

zur nächsten ganz allmählich erfolgt und eine sehr Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im

genaue, feinfühlige, kontinuierliche Einstellung jeder folgenden an Hand der Zeichnung näher beschriebeliebigen Filterstärke möglich ist. Das erfindungs- ben. Darin zeigt

gemäße Filter hat weiter den Vorteil, daß es sehr F i g. 1 einen schematischen Grundriß eines erkompakt ist und nicht in einer Richtung eine in 65 findungsgemäßen Filters,

vielen Fällen störende, sehr große Länge aufweist. F i g. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht

Der Verlauf der Filterstärke wird durch eine vor einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Filters nach der Filterherstellung wählbare Gesetzmäßigkeit be- F i g. 1.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel besteht das erfindungsgemäße optische Filter mit spiralförmigem Verlauf aus einem Träger 1, der je nach dem Verwendungszweck des Filters durchsichtig oder undurchsichtig ist und im Prinzip die Form einer Scheibe hat, die in ihrer Mitte mit einer kreisförmigen öffnung 1 α zur Befestigung an einem Verwendungsgerät versehen ist. Die Scheibe ist auf einer ihrer Flächen mit einer dünnen, im Vakuum aufgedampften Schicht 2 überzogen, die sich innerhalb einer durch zwei archimedische Spiralen 3 a, 3 b begrenzten Oberfläche erstreckt. Die Spiralen haben den gleichen Mittelpunkt und den gleichen Gang, sind jedoch im Winkel voneinander abgesetzt. Das spiralförmige Band hat eine gleichbleibende Breite, außer in den äußersten Teilen, die von der Linie 2 a im Mittelpunkt und der Linie 2 & am Umfang ausgehen. Der in F i g. 1 zwischen zwei Windungen des Bandes vorhandene Abstand 4 könnte, falls dies für nötig erachtet wird, gleich Null sein.

Die spiralförmige Schicht 2 hat eine ungleichmäßige Stärke, die nach einer vorgeschriebenen Gesetzmäßigkeit kontinuierlich abhängig vom Richtungswinkel variiert. Diese Stärke ist im vorliegenden Fall schematisch durch im Mittelpunkt C der Scheibe 1 zusammenlaufende Gerade dargestellt, längs welchen die Stärke im wesentlichen konstant ist, wobei aber die relative Stärke gemäß dem gewählten Variationsgesetz von der Geraden la bis zur Geraden 2 b variiert.

In der Praxis kann die dünne Schicht 2 durch eine durchsichtige Scheibe mit den gleichen Abmessungen wie der Träger 1 geschützt sein, welche auf letzteren aufgelegt und mit ihm durch einen ebenfalls durchsichtigen Klebstoff verklebt ist.

Um den beschriebenen spiralförmigen Verlauf zu erzielen, kann eine Vorrichtung zur Anwendung gelangen, wie sie in F i g. 2 schematisch dargestellt ist. Diese zeigt die die dünne Schicht aufnehmende Trägerscheibe 1 und eine Verdampfungsquelle 5 dargestellt, welche mit der gesamten Vorrichtung in einem (nicht dargestellten) unter Vakuum stehenden Raum angeordnet ist. Die Scheibe 1 ist mit einem Ritzel 6 fest verbunden, das eine feststehende Drehachse 6 a aufweist und in eine Zahnstange 7 eingreift, die durch einen Mechanismus 8 von der Art eines Kurbeltriebes eine Hin- und Herbewegung erhält. Der Durchmesser des Ritzels ist so bemessen, daß die Scheibe 1 während der Hin- und ebenso während der Herbewegung der Zahnstange 7 ebensoviele Drehungen ausführt, wie Windungen für das Spiralband gewünscht werden. Zwischen der Scheibe 1 und der Verdampfungsquelle 5 ist eine feststehende Maske 9 eingeschaltet, die der Quelle 5 gegenüber eine Öffnung 9 α von der Form eines Winkels aufweist, dessen einer Schenkel mit einem der gewünschten Gesetzmäßigkeit des Verlaufs entsprechenden Profil versehen ist und dessen Scheitelpunkt auf der Mittellinie der Achse 6 a liegt. Zwischen der feststehenden Maske 9 und der Scheibe 1 ist eine mit der Zahnstange 7 fest verbundene, bewegliche Maske 10 angeordnet, die auf der feststehenden Maske 9 eine veränderliche öffnung 9 b in Form eines krummlinigen Dreiecks begrenzt, durch welches der von der Quelle S ausgehende Molekularfluß passiert.

Mit der auf diese Weise gebildeten Vorrichtung erzielt man auf der Scheibe 1 ein Spiralband, ohne die in F i g. 1 dargestellte tote Zone 4. Um ein spiralförmiges Verlauffilter nach F i g. 1 mit der toten Zone 4 zwischen den Windungen des Filterbandes zu erhalten, muß in der Vorrichtung nach F i g. 2 die Maske 10 durch eine andere Maske ersetzt werden. Diese andere Maske weist eine im wesentlichen rechteckige Öffnung auf, deren Länge in tangentialer Richtung größer ist als der Abstand der Schenkel des V-förmigen Ausschnitts in der feststehenden Maske 9 und deren Breite in radialer Richtung der Breite des Filterbandes entspricht, also dem radialen Abstand der Spiralen 3 α und 3 b in F i g. 1. Die andere Maske begrenzt auf der feststehenden Maske 9 eine trapezförmige Öffnung, die bei der Bewegung der anderen Maske vom Mittelpunkt der Scheibe 1 nach außen ebenfalls nach außen wandert und deren Fläche sich dabei vergrößert. Um die tote Zone 4 zwischen den spiralförmigen Filterbahnen zu erzielen, muß der Antrieb von Scheibe 1 und der anderen Maske so bemessen sein, daß bei einer Umdrehung der Scheibe 1 die Radialverschiebung der anderen Maske größer ist als die in radialer Richter gemessene Breite der rechteckigen Öffnung.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optisches Filter mit durch Aufdampfen im Vakuum erzeugten dünnen Schichten von ungleichmäßiger, kontinuierlich verlaufender Stärke, die gemäß der an das Filter gestellten Anforderungen variiert, insbesondere Interferenzfilter, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Filters in Richtung gleichmäßiger Stärke der Schicht (2) durch die Windungen von mindestens einer archimedischen Spirale (3 a) beidseitig begrenzt ist.

2. Optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) durch zwei archimedische Spiralen (3 a, 3 b) begrenzt wird, die den gleichen Mittelpunkt (C) und den gleichen Gang haben, jedochim Winkel voneinanderabgesetztsind.

3. Vorrichtung zur Erzeugung von spiralförmig verlaufenden Filtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zwischen dem die dünne Schicht (2) aufnehmenden Träger (1) und der Verdampfungsquelle (5) im Vakuum eingeschaltete Maske aufweist, die aus einem feststehenden Teil (9) und einem beweglichen Teil (10) besteht, welcher der Quelle (5) gegenüber eine Öffnung (9 b) in Form eines Dreiecks begrenzt, dessen einer Schenkel mit einem der gewünschten Gesetzmäßigkeit der Abstufung entsprechenden Profil versehen ist, wobei zwischen dem Träger (1) und dem beweglichen Teil (10) der Maske eine zwangläufige Verbindung hergestellt ist, so daß letzterer Teil in bezug auf den Träger (1) eine relative, spiralförmige Bewegung erhält und die Oberfläche der dreieckigen Öffnung (9 b) von einem Mindestwert bis zu einem Höchstwert und umgekehrt variiert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 809 754;
französische Patentschrift Nr. 1 314 569.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 587/256 7.68 © Bundesdruckerei Berlin