Forscher haben ein optisches Beschichtungssystem entwickelt, das Antibeschlag- und Antireflexionseigenschaften kombiniert. Die neue Technologie könnte dazu beitragen, die Leistung von Lidar-Systemen und Kameras zu steigern.
„Das Betreten eines warmen Raums von draußen kann dazu führen, dass die Brille beschlägt und den Benutzer blendet“, sagte Forschungsteamleiterin Anne Gärtner vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik und der Friedrich-Schiller-Universität Jena, beide in Jena, Deutschland. „Dasselbe kann Sensoren wie Lidar-Systemen passieren, die in autonomen Autos zum Einsatz kommen. Wichtig ist, dass Oberflächen auch bei Beschlag hochtransparent bleiben, damit die Funktionalität erhalten bleibt.“
In Angewandte Optikbeschreiben Gärtner und Kollegen, wie sie eine Polymerbeschichtung, die das Beschlagen verhindert, mit porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen kombiniert haben, die Reflexionen reduzieren. Obwohl die in dem Papier beschriebenen Beschichtungen speziell für Lidar-Systeme entwickelt wurden, kann die Technologie für viele verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden.
„In unserem Beschichtungssystem werden Antibeschlag- und Antireflexeigenschaften hervorragend kombiniert, was bisher nicht möglich war“, so Gärtner. „Mit dieser neuen Beschichtungstechnologie hergestellte Proben werden bereits seit einem Jahr erfolgreich in mehreren luftgestützten Lidar-Prototypen eingesetzt, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen auf der ganzen Welt eingesetzt werden.“
Für das neue multifunktionale Beschichtungssystem verwendeten die Forscher eine Polymerbeschichtung, die als Wasserspeicher das Beschlagen verhindert. Sie kombinierten die Antifog-Folie mit Nanostrukturen, die zusammen einen Antireflex-Effekt erzeugen und gleichzeitig wasserdurchlässig sind. Quelle: Anne Gärtner, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik und Friedrich-Schiller-Universität Jena
Klar sehen
Das in der Veröffentlichung beschriebene Beschichtungssystem wurde als Reaktion auf einen von Leica Geosystems in Heerbrugg, Schweiz, identifizierten Bedarf entwickelt. Leica Geosystems entwickelt luftgestützte Lidar-Messsysteme, die für die Gelände- und Stadtkartierung verwendet werden.
Bei extremen Temperaturunterschieden zwischen Umgebung und Messsystem kommt es mitunter zu Beschlagbildung auf den optischen Flächen, die die Funktionalität beeinträchtigen. Gärtners Team arbeitete mit Leica Geosystems zusammen, um eine Lösung zu entwickeln, die das Beschlagen sowie unerwünschte Lichtreflexionen bewältigt.
„Wir haben ein Polymer verwendet, das das Beschlagen einer optischen Oberfläche verhindert, indem es als Wasserreservoir fungiert“, sagt Gärtner. „Allerdings führen Unterschiede in den Brechungsindizes des Polymermaterials und der umgebenden Luft zu unerwünschten Reflexionen und Geisterlicht. Um diese Reflexionen zu verhindern, haben wir die Antibeschlagfolie mit sehr kleinen Strukturen – bis zu 320 nm hoch – kombiniert, um einen Reflexionseffekt zusammen mit Wasserdurchlässigkeit.“
Um das multifunktionale Beschichtungssystem herzustellen, wandten die Forscher die am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik entwickelte AR-plas2-Technologie an. Damit lassen sich mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugen. Der Prozess umfasste das Ätzen einer Nanostruktur in die Antibeschlagbeschichtung und die anschließende Herstellung einer zweiten Nanostruktur darüber.
Mit dieser Technologie ist es möglich, die Brechungsindizes der Nanostrukturen anzupassen, um das Design der doppelten Nanostruktur so anzupassen, dass eine sehr geringe Reflexion über einen breiten Spektralbereich erreicht wird.
Die Forscher testeten die Antireflexions- und Antibeschlagswirkung ihres Beschichtungssystems anhand von Reflexionsmessungen, die mit einem Spektrophotometer erfasst wurden, und Beschlagsmessungen, die erhalten wurden, nachdem die Antireflexions-/Antibeschlagseite der Optik über erhitztes Wasser gehalten wurde. Diese Labortests zeigten, dass das Mehrschichtsystem über einen weiten Spektralbereich eine sehr geringe Reflexion aufwies, was mit einer einzelnen Nanostruktur unmöglich wäre. Außerdem hatten die Nanostrukturen keinen Einfluss auf die Antibeschlag-Eigenschaften der Beschichtung.
Anwendungen aus der realen Welt
Da die Strukturen in einer Standard-Plasma-Ionen-unterstützten Beschichtungsmaschine erzeugt werden, kann der neue Ansatz leicht in kommerzielle Herstellungsprozesse integriert werden. Neben der Anwendung in mehreren Lidar-Prototypsystemen wird die Beschichtungstechnologie bereits in hochmodernen Smartphone-Kameras eingesetzt.
Die Forscher untersuchen nun, wie sich das Beschichtungssystem auf andere Bereiche wie adaptive Beleuchtungssysteme im Automobilbereich oder die Entwicklung von Quantencomputern übertragen ließe.
„Optische Systeme werden immer komplexer und damit steigen auch die Anforderungen an die Bildqualität“, so Gärtner. „Mit Nanostrukturen können Antireflexionseigenschaften mit beeindruckenden Ergebnissen erzielt werden, 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. “
Mehr Informationen:
Anne Gärtner et al, Kombinierte beschlagfreie und antireflektierende doppelte nanostrukturierte Beschichtungen für LiDAR-Anwendungen, Angewandte Optik (2022). DOI: 10.1364/AO.476974