Nanostrukturen für klare Sicht
Forschende aus Jena haben ein optisches Beschichtungssystem entwickelt, das beschlag- mindernde und antireflektierende Eigenschaften kombiniert (Quelle: Anne Gärtner, Fraunhofer IOF)
Beschlagen und Reflexionen verhindern. Optiken, die nicht beschlagen und kaum reflektieren – das ist künftig dank eines neuen optischen Beschichtungssystems möglich. Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, haben eine Technik entwickelt, die dazu beitragen soll, die Leistung von LiDAR-Systemen und Kameras (engl.: ›Light Detection and Ranging‹) etwa in autonom fahrenden Autos zu verbessern.
»Wenn man von der Kälte in einen warmen Raum kommt, kann die Brille beschlagen und somit die Sicht des Brillenträgers stark einschränken«, erklärt Anne Gärtner. »Das Gleiche kann auch bei Sensoren wie den LiDAR-Systemen in autonom fahrenden Autos passieren. Hier ist es wichtig, dass die Oberflächen auch bei Beschlag hochtransparent bleiben, damit die Funktionalität erhalten bleibt.«
Gärtner und ihr Team haben daher ein neuartiges optisches Schichtsystem entwickelt, welches genau das gewährleisten soll. In der Fachzeitschrift ›Applied Optics‹ beschreiben die Forschenden, wie sie eine Polymerbeschichtung mit porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen kombiniert haben. Die Polymerbeschichtung verhindert dabei das Beschlagen, während die Nanostrukturen gleichzeitig Reflexionen verringern. Obwohl die in der Arbeit beschriebenen Beschichtungen speziell für LiDAR-Systeme entwickelt wurden, kann die Technologie für viele verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden.
Polymer als Wasserspeicher
Das Schichtsystem beruht auf der am Fraunhofer IOF entwickelten ›AR-plas2‹-Technik und wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der Firma Leica Geosystems aus Heerbrugg in der Schweiz auf deren Anforderungen hin angepasst. Das Unternehmen entwickelt luftgestützte LiDAR-Messsysteme, die für die Gelände- und Städtekartierung eingesetzt werden. Bei extremen Temperaturunterschieden zwischen der Umgebung und dem Messsystem kann es zum Beschlagen der optischen Oberflächen kommen, was zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität führt. »Wir haben ein Polymer verwendet, das das Beschlagen einer optischen Oberfläche verhindert, indem es als Wasserspeicher dient«, erklärt Gärtner. »Die Unterschiede in den Brechungsindizes des Polymermaterials und der umgebenden Luft führen jedoch zu unerwünschten Reflexionen und Geisterlicht im optischen System. Um diese Reflexionen zu verhindern, haben wir die Antibeschlag-Schicht mit sehr kleinen Strukturen – bis zu 320 nm hoch – kombiniert, um eine Antireflexwirkung bei gleichzeitiger Wasserdurchlässigkeit zu erreichen.«
Mehrere Nanostrukturen übereinander
Mit der AR-plas2-Technik lassen sich mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugen. Dabei wird eine Nanostruktur in die Antibeschlag-Schicht 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. 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 darunterliegenden Antibeschlag-Schicht nicht.
Die AR-plas2-Technik 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 Quantencomputer. Hier entwickeln die Forschenden am Fraunhofer IOF im Rahmen des Projekts ›Qzell‹ Systeme aus optischen Schichten und Nanostrukturen für Experimente zur Entwicklung eines Quantencomputers.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
D-07745 Jena
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