Interferenzfilter Herstellung und Anwendung. Vortrag an der Lichtakademie Bartenbach in Innsbruck am 27. Oktober 2005 Peter Röhlen

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1 Interferenzfilter Herstellung und Anwendung Vortrag an der Lichtakademie Bartenbach in Innsbruck am 27. Oktober 2005 Peter Röhlen

2 Interferenzfilter Herstellung und Anwendung Interferenzfilter Begriffserklärungen Eigenschaften Herstellungsverfahren Gängige Beschichtungsverfahren Vorzüge und Nachteile Tauchbeschichtung 2

3 Interferenzfilter Herstellung und Anwendung Produktgruppen und Anwendungen Entspiegelungen (ARC s) Wärmereflexionsfilter UV - Filter Lichtteiler / Teilspiegel Konversionsfilter Farbeffektfilter (Dichroics( Dichroics) 3

4 Interferenzfilter Herstellung und Anwendung Konversionsfilter Studiotechnik Warenpräsentation Farbeffektfilter Innenbeleuchtung Gebäudebeleuchtung Architektur Zusammenfassung und Diskussion 4

5 Interferenzfilter - Begriffserklärungen Licht breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus c 0 = 1/ (µ 0 ε 0 ) mit µ 0 = magnetische Feldkonstante und ε 0 = elektrische Feldkonstante Bei Ausbreitung in Materie müssen die magnetischen (µ r ) und elektrischen (ε( r ) Eigenschaften des Materials berücksichtigt werden c = 1/ (µ 0 ε 0 µ r ε r ) 5

6 Interferenzfilter - Begriffserklärungen Frequenz f und Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Welle stehen in direktem physikalischen Zusammenhang c = λ f Die Wellenlänge ergibt sich also zu λ = c / f mit der Maßeinheit m bzw. dem in der Optik gebräuchlichen Bruchteil nm (Nanometer = 10-9 m) 6

7 Interferenzfilter - Begriffserklärungen Das Verhältnis der Lichtgeschwindig- keiten im Vakuum und in Materie wird als Brechzahl bezeichnet n = c 0 / c Licht = mit dem Auge erkennbare elektromagnetische Wellen. Wellenlängen nm Nah angrenzende Bereiche werden oft mitbetrachtet UV Strahlen nm IR Strahlen 780 nm 10 µm 7

8 Interferenzfilter - Begriffserklärungen Reflexion an dünnen durchsichtigen Schichten: an der Oberfläche und an der unteren Grenzfläche. -> > unterschiedliche Wegstrecken -> > Gangunterschied Wellenberg trift auf Wellental -> > Auslöschung Wellenberg trift auf Wellenberg -> > Verstärkung Dieser Effekt wird Interferenz genannt = F(λ). Farben dünner Schichten 8

9 Interferenzfilter - Begriffserklärungen Um Interferenzfilter herstellen zu können, muß man also dünne dielektrische (= optisch durchsichtige) Schichten auf ein geeignetes Substrat aufbringen. Man spricht in der Optik von dünnen Schichten, wenn die Dicke der Schichten kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist -> n * d = λ / 4 mit n = Brechungsindex und d = Schichtdicke typisch z.b. λ = 550 nm, n = 2,2 und d = 62,5 nm 100 nm Schicht auf 4mm dickem Glas -> > wie dick wäre das Glas, wenn Schicht 1mm dick wäre? Faktor > Glas wäre 40 m dick! -> > Staubkorn von 10µm Durchmesser ist 100 x dicker als Schicht! 9

10 Interferenzfilter - Eigenschaften Winkelabhängigkeit Da die Interferenz aufgrund von optischen Wegunterschieden überlagernder Lichtwellen entsteht, ist die Wirkung vom Einfallswinkel des Lichts abhängig. Mit zunehmendem Einfallswinkel verschiebt sich die Filtercharakteristik zu kürzeren Wellenlängen. Beispiel: aus Orange wird mit zunehmendem Winkel erst Gelb, dann Farblos. Interferenzfilter absorbieren kein Licht R + T = 1 oder reflektierte Farbe + transmittierte Farbe = weiß Hohe Farbbrillanz und Lebendigkeit Hohe Lichtausbeute und wenig Hitzeaufnahme 10

11 Interferenzfilter - Eigenschaften Mit zunehmender Schichtanzahl werden Transmissions- und Reflexionsbereiche schärfer getrennt: die Reflexion nimmt zu, aber der Reflexionsbereich wird schmaler der Kontrast zwischen Durchlaß und Blockung nimmt zu die Farbsättigung wird größer auch über verschiedene Beschichtungsmaterialien kann auf die Spektralcharakteristik Einfluß genommen werden 11

12 Interferenzfilter - Eigenschaften 3 Schichten 5 Schichten KK 130 KK Schichten 9 Schichten FE blue FS blue

13 Interferenzfilter - Eigenschaften 6 Schichten 8 Schichten IR 2 IR 3 10 Schichten 12 Schichten IR 5 IR 7 13

14 Interferenzfilter - Eigenschaften Beschichtungsmaterialien beeinflussen die Spektralcharakteristik 14

15 Herstellungsverfahren - Prinzipien Optisch durchsichtige Materialien sind typisch Metalloxide oder -fluoride, wie SiO 2, TiO 2, CaF Man unterscheidet physikalische und chemische Verfahren zur Herstellung dünner Schichten physikalisch: Freisetzung von entsprechenden Materialien im Vakuum, Abscheidung der Moleküle auf dem Substrat Verdampfung -> > PVD Zerstäubung -> Sputtern eventuell unterstützt durch elektrische Felder oder geeignetes Plasma 15

16 Herstellungsverfahren - Prinzipien chemisch: Erzeugung geeigneter Materialien durch chemische Reaktion am Substrat Reaktion aus der Gasphase -> > CVD Reaktion einer Flüssigkeit -> Sol-Gel Gel-Verfahren Schleuderbeschichtung Sol wird auf rotierendes Substrat getropft und verteilt sich gleichmäßig Walzenauftrag Sprühen Tauchbeschichten Sol wird durch Herausziehen aus Sol auf Substrat gleichmäßig aufgetragen 16

17 Herstellungsverfahren - Prinzipien Vorzüge Nachteile Sputtern viele Beschichtungsmaterialien hohe Investition hohe Produktivität Geräte sind stark spezialisiert große Flächen einseitige Beschichtung Tauchbeschichten niedrige Investition kleinere Flächen hohe Flexibilität der Fertigung Beschichtungsränder beidseitige Beschichtung sehr hohe Flächenhomogenität 17

18 Herstellungsverfahren - Tauchbeschichtung Reinigung des Substrats Abpolieren mit abrasivem Reiniger Einlegen in alkalischen Reiniger Bürstenwaschmaschine (große Platten) Ultraschallreinigung (kleine Gläser) Beschichtungsvorgang Eintauchen und Herausziehen aus dem Sol Einbrennen der Schicht Umluftofen 480 C 18

19 Herstellungsverfahren - Tauchbeschichtung 19

20 Herstellungsverfahren - Tauchbeschichtung 20

21 Herstellungsverfahren - Tauchbeschichtung Neue Beschichtungsfertigung m² Beschichtungsfläche / Jahr Format 1150 x 850 mm 21

22 Produktgruppen - Anwendungen Entspiegelungen (ARC s) Anwendung als -> > Abdeckscheiben -> > Displays 22

23 Produktgruppen - Anwendungen Wärmereflexionsfilter zur Reflexion des nahen Infrarotbereichs der Lichtstrahlung, Anwendung in -> > Projektoren -> > Scheinwerfern 23

24 Produktgruppen - Anwendungen UV - Reflexions- und Absorptionsfilter Anwendung zur -> UV-Trockung von Lacken, Kunststoffen und Farben -> > Medizinische Bestrahlung 24

25 Produktgruppen - Anwendungen Achromatische Strahlteiler (Lichtteiler) Anwendung in -> > Telepromptern -> > Simulatoren -> > Spionspiegeln 25

26 Produktgruppen - Anwendungen Konversionsfilter Filter, die die Lichtfarbe (Farbtemperatur) verändern, z.b. von Halogenlicht auf Tageslicht. Anwendungen von Studiotechnik bis Warenpräsentation. Farbeffektfilter Filter zur farbigen Beleuchtung mit einer Vielzahl von Farben und Farbabstufungen. Einsatz in Show, Beleuchtung von Innenräumen und Fassaden, Architektur. 26

27 Konversionsfilter - Studiotechnik s Halogenlampe ohne und mit Konversionsfilter 3200 K -> > 5600 K Verschiedene Konversionsfilter zur Veränderung der Farbtemperatur 27

28 Konversionsfilter - Warenpräsentation Leuchtmittel CDM-T T mit Konversionsfilter KW Beleuchtung von Lebensmitteln mit unterschiedlichen Filtern zur Betonung des Farbeindrucks 28

29 Farbeffektfilter - Show, Innenraum Fernsehshow Messestand Audi Automobilsalon Genf

30 Farbeffektfilter - Gebäudebeleuchtung 30

31 Farbeffektfilter - Architektur Zwei Glas - Stelen von Heinz Mack, Centrumsbank, Vaduz 31

32 Farbeffektfilter - Architektur VARIOTRANS -Filter Farbeffektfilter als ESG / VSG Balkonbrüstung Kreuzfahrtschiff Costa Magica 32

33 Farbeffektfilter - Architektur Konzernzentrale Bayer Leverkusen, Pergola 110 x 18 x 18 m, Farbeffektfilter VSG in Edelstahlleiter, Architekturbüro Murphy + Jahn 33

34 Farbeffektfilter - Architektur Olafur Eliasson, Kaleidoskop, Edition 34

35 Farbeffektfilter - Architektur Opera Kopenhagen, Olafur Eliasson, 3 Leuchter im Foyer, 1500 Dreiecke je Leuchter, VSG, Wasserstrahlschnitt 35

36 Farbeffektfilter - Architektur Projekt Tonhalle Reykjavík Entwurf Olafur Eliasson Photo vom Mock up 36

37 Farbeffektfilter - Architektur Beschichtete Gläser können normal verarbeitet werden (Sauberkeit!) Schneiden, Schleifen, Bohren, Säumen etc. Eine Verabeitung zu VSG ist ohne Einschränkungen möglich (auch Stoßverbund), für Außenanwendungen sogar vorgeschrieben. Eine Verarbeitung zu ESG ist im allgemeinen nicht möglich. Standardformat 1080 x 800 mm Nettofläche, Glasdicke bis 6 mm. Sonderformat 1400 x 1080 mm Nettofläche 37

38 Zusammenfassung und Diskussion Wirkungsweise, Eigenschaften und Besonderheiten von Interferenzfiltern / Dichroics. Verfahren zur Beschichtung von Gläsern, speziell Tauchbeschichten. Produktgruppen und Ihre Anwendungen, speziell die Vielfalt der Anwendungen von Konversions- und Farbeffektfiltern. Verarbeitbarkeit von beschichteten Gläsern. 38

39 Danke für Ihr Interesse! 39

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