Faszination Technik Optiken, die nicht beschlagen und kaum reflektieren

Quelle: Fraunhofer IOF / Redakteur: Dorothee Quitter

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein neues optisches Beschichtungssystem, das die Leistung von LiDAR-Systemen und Kameras verbessern soll.

Das neuartige optische Beschichtungssystem haben Forschende aus Jena entwickelt. Eine Kombination aus Polymerbeschichtung und porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen führt zu den beschlagmindernden und antireflektierenden Eigenschaften.
Das neuartige optische Beschichtungssystem haben Forschende aus Jena entwickelt. Eine Kombination aus Polymerbeschichtung und porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen führt zu den beschlagmindernden und antireflektierenden Eigenschaften.
(Bild: Anne Gärtner - Fraunhofer IOF)

Wenn man von der Kälte in einen warmen Raum kommt, dann beschlägt die Brille. Das Gleiche kann auch bei Sensoren wie den Lidar-Systemen in autonom fahrenden Autos passieren. Lidar (Light detection and ranging) sind Lasersysteme, die zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung verwendet werden. Um hier die Funktionalität zu erhalten, ist es wichtig, dass die Oberflächen immer hochtransparent bleiben. Aus diesem Grund wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF ein neuartiges optisches Schichtsystem entwickelt. Wie das Institut mitteilt, haben die Forschenden eine Polymerbeschichtung mit porösen Siliziumdioxid-Nanostrukturen kombiniert. Dabei soll die Polymerbeschichtung das Beschlagen verhindern und die Nanostrukturen gleichzeitig Reflexionen verringern.

Polymerbeschichtung allein reicht nicht aus

Das neuartige Schichtsystem beruht auf der am Fraunhofer IOF entwickelten AR-plas2-Technologie und wurde im Rahmen der Zusammenarbeit mit Leica Geosystems auf deren Anforderungen hin angepasst. Leica Geosystems entwickelt luftgestützte LiDAR-Messsysteme, die für die Gelände- und Städtekartierung eingesetzt werden. Ein Beschlagen als auch unerwünschte Lichtreflexionen sollten bei extremen Temperaturunterschieden zwischen Umgebung und Messsystem nicht auftreten.

Nach eigenen Angaben haben die Forschenden zur Beschichtung ein Polymer verwendet, das bei drohendem Beschlagen als Wasserspeicher dient. 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, wurde die Antibeschlag-Schicht mit sehr kleinen Strukturen – bis zu 320 Nanometer hoch – kombiniert. So kann eine Antireflexwirkung bei gleichzeitiger Wasserdurchlässigkeit erreicht werden, heißt es.

Übereinander liegende Nanostrukturen bekommen Reflexionen in den Griff

Zur Herstellung des multifunktionalen Beschichtungssystems wandten die Forschenden eine Technologie an, mit der mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugt werden können.
Zur Herstellung des multifunktionalen Beschichtungssystems wandten die Forschenden eine Technologie an, mit der mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugt werden können.
(Bild: Anne Gärtner - Fraunhofer IOF)

Mit der AR-plas2-Technologie lassen sich mehrere Nanostrukturen übereinander erzeugen. Dabei wird eine Nanostruktur in die Antibeschlag-Schicht geätzt und anschließend eine zweite Nanostruktur darüber hergestellt. Laut Fraunhofer IOF ist es mit dieser Technologie 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. Aufgrund der berührungsempfindlichen Beschaffenheit der Oberfläche ist diese Form von Schichtsystem besonders für innenliegende Flächen geeignet.

Obwohl die Beschichtungen speziell für Lidar-Systeme entwickelt wurden, kann die AR-plas2-Technologie auf viele Materialien angewendet werden. So auf Polymere, aber auch auf Glas oder Fluoridkristalle. Sie ist daher breit einsetzbar, etwa für Optiken in der Beleuchtung, im Automobil- und Konsumgüterbereich, aber auch für Zukunftstechnologien wie dem Quantencomputer.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift „Applied Optics“

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