Nano-Beschichtung verhindert Beschlagen und Reflexionen auf Optiken
Optiken, die nicht beschlagen und kaum reflektieren – das ist künftig dank eines neuen optischen Beschichtungssystems möglich. Entwickelt wurde es von Fraunhofer-Forschenden. Ein Anwendungsbeispiel sind Lidar-Systeme und Kameras in autonom fahrenden Autos.
Foto: Fraunhofer IOF
Jeder Brillenträger kennt das Problem: Wenn man von der Kälte in einen warmen Raum kommt, beschlagen die Gläser. Ergebnis ist eine eingeschränkte Sicht. „Das Gleiche kann auch bei Sensoren wie den Lidar-Systemen in autonom fahrenden Autos passieren“, weiß Anne Gärtner vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena. „Hier ist es aber wichtig, dass die Oberflächen auch bei Beschlag hochtransparent bleiben, damit die Funktionalität erhalten bleibt.“
Gärtner und ihr Team haben genau dafür eine Lösung entwickelt. Sie haben zunächst ein Substrat mit einem Polymer beschichtet. Es verhindert das Beschlagen, indem es als Wasserspeicher dient. „Die Unterschiede in den Brechungsindizes des Polymermaterials und der umgebenden Luft führen jedoch zu unerwünschten Reflexionen und Geisterlicht im optischen System“, so die Forscherin. Um diese Reflexionen zu verhindern, sei die Antibeschlagschicht mit porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen – bis zu 320 nm hoch – kombiniert worden.
Obwohl die Lösung speziell für Lidar-Systeme entwickelt wurde, kann die Technologie für viele verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden. Lidar (engl.: „Light detection and ranging“) meint dabei Lasersysteme, die zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung verwendet werden.
Lidar: Mehr als nur ein Sensor für die Automobilindustrie
Das neuartige Schichtsystem beruht auf der am Fraunhofer IOF entwickelten AR-plas2-Technologie und wurde im Rahmen der Zusammenarbeit mit der Leica Geosystems AG aus Heerbrugg in der Schweiz auf deren Anforderungen hin angepasst. Leica Geosystems entwickelt luftgestützte Lidar-Messsysteme, die für die Gelände- und Städtekartierung eingesetzt werden.
Mehrere Nanostrukturen übereinander verhindern Reflexionen
Mit der AR-plas2-Technologie lassen sich mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugen. Dabei wird eine Nanostruktur in die Antibeschlagschicht geätzt und anschließend eine zweite Nanostruktur darüber hergestellt. Mit dieser Technologie ist es möglich, die Brechungsindizes der Nanostrukturen anzupassen und das Design der doppelten Nanostruktur so zu gestalten, dass eine sehr geringe Reflexion über einen breiten Spektralbereich erreicht wird.
Die Forschenden testeten die Antireflexions- und Antibeschlagwirkung ihres Beschichtungssystems anhand von Reflexionsmessungen mit einem Spektralphotometer und Beschlagmessungen. Diese wurden durchgeführt, nachdem die entspiegelte und beschlagfreie Seite der Optik über erhitztes Wasser gehalten wurde. Die Labortests zeigten, dass das Mehrschichtsystem eine sehr geringe Reflexion über einen breiten Spektralbereich aufweist. Mit einer einzelnen Nanostruktur wäre dies nicht möglich. Darüber hinaus beeinträchtigten die Nanostrukturen die Wirkung der darunter liegenden Antibeschlag-Schicht nicht. Aufgrund der berührungsempfindlichen Beschaffenheit der Oberfläche ist diese Form von Schichtsystem besonders für innen liegende Flächen geeignet.
Anwendung bei Quantencomputern denkbar
Die AR-plas2-Technologie kann auf fast allen Arten von Materialien angewendet werden: auf Polymeren – aber auch auf Glas oder Fluoridkristallen. Sie ist daher breit einsetzbar, etwa für Optiken in der Beleuchtung, im Automobil- und Konsumgüterbereich, aber auch für Zukunftstechnologien wie den Quantencomputer. Hier entwickeln die Forschenden am Fraunhofer IOF im Rahmen des Projekts „Qzell“ bereits Systeme aus optischen Schichten und Nanostrukturen für Experimente zur Entwicklung eines Quantencomputers.
Quantentechnologie: Superschneller Zufallsgenerator sorgt für hochsichere Verschlüsselung
„Optische Systeme werden immer komplexer und damit steigen auch die Anforderungen an die Bildqualität“, sagt Gärtner. „Mit Nanostrukturen lassen sich Antireflexeigenschaften mit beeindruckenden Ergebnissen erzielen, die mit herkömmlichen Beschichtungen oft nicht realisierbar sind. Mit dem grundlegenden Verständnis, das wir in den letzten Jahren gewonnen haben, sind wir zuversichtlich, dass wir nanostrukturierte Beschichtungen in viele reale Anwendungen bringen können.“
