Glasoptiken für Sensoren nach dem Vorbild der Natur

Mikrostrukturen werden mit einem Umformwerkzeug (Mitte) in den Glasrohling (links) eingebracht. Das Ergebnis ist eine Glasoptik mit strukturierter Oberfläche (rechts).
© Fraunhofer IPT

Mottenaugen-Mikrostrukturen statt umweltschädlicher Beschichtung

Mit sogenannten Punkt-Gas-Sensoren lassen sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre sowie die Konzentration bestimmter Gase wie Methan bestimmen. In den Sensoren sind Optiken aus Glas verarbeitet. Diese Sensor-Optiken sind oft mit antireflektierenden Materialien beschichtet, um ungewollte Reflexion zu reduzieren. Die Verfahren zur Beschichtung sind jedoch aus ökologischer und ökonomischer Sicht umstritten. Einen umweltschonenden, kostengünstigen und effizienten Weg wählte ein Team des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen.

Den Forschenden gelang es erstmals, die Reflexion auf Sensor-Optiken zu verringern, indem sie deren Oberflächen mit Mikrostrukturen versahen, wie sie auf den Augen nachtaktiver Motten zu finden sind. Ziel im Projekt »MARS – Molded Anti-Reflex Structures« war es, eine neuartige Prozesskette zur Fertigung von Infrarotoptiken aus Chalkogenidglas für Punkt-Gas-Sensoren für das Laserspektroskopie-Verfahren zu entwickeln.

Dabei erzeugen Laserdioden eine Strahlung, deren Frequenz je nach zu untersuchenden Gas angepasst wird. Das Hauptaugenmerk der Forschenden lag darauf, die Durchlässigkeit der Glasoptiken zu verbessern, ohne die Optikoberflächen zu beschichten. Stattdessen brachten die Forschenden Mikrostrukturen in die Oberflächen ein. Dabei ließen sie sich von der Natur inspirieren: Die Augen einiger nachtaktiver Motten haben eine besondere Eigenschaft – auf ihrer Oberfläche befinden sich Strukturen, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die Strukturen bewirken einen stetigen Anstieg der Brechzahl vom Umgebungsmedium hin zum optischen Medium, wodurch die Reflexion stark verringert wird. Solche Strukturen galt es im Projekt »MARS« in die Optik-Oberflächen einzubringen.

Alternative zur teuren, umweltschädlichen Anti-Reflexions-Beschichtung

Glasoptiken in Sensoren müssen im infraroten Spektralbereich transparent sein und über einen hohen Brechungsindex verfügen. Aufgrund seiner hervorragender Eigenschaften im Infrarotbereich ist Chalkogenidglas ein beliebtes Material für solche Sensoroptiken. Es verfügt über einen recht hohen Brechungsindex, welcher eine gute Abbildungsleistung gewährleistet. Leider geht ein hoher Brechungsindex mit einem hohen Reflexionsgrad einher, was die Lichtdurchlässigkeit mindert und zu Übertragungsverlusten führt. Um die Reflexionen zu reduzieren, werden die Optiken normalerweise mit antireflektierenden Materialien beschichtet. Das Verfahren ist jedoch zeitaufwändig, teuer, und es werden für die Beschichtungen oft umweltschädliche Materialien verwendet. Darüber hinaus wirkt jede Antireflexschicht nur für einen schmalen Wellenlängenbereich und wenige Einfallswinkel des Lichts. Da Optiken in Gas-Detektoren für verschiedene Wellenlängen und Lichteinfallswinkel durchlässig sein müssen, werden stets mehrere Antireflexionsschichten aufgetragen.

»Die Oberflächenstrukturierung der Glasoptiken ist im Vergleich mit der Anti-Reflex-Beschichtung deutlich schneller, kostengünstiger und vor allem umweltschonender«, sagt Projektleiter Anh Tuan Vu. Das liegt nicht zuletzt an dem Fertigungsverfahren, das die Forschenden wählten: das isotherme Präzisionsblankpressen. Bei diesem Fertigungsverfahren werden Glasrohlinge in Form von Kugeln, polierten Scheiben oder Wafern zwischen zwei hochgenau gefertigten Werkzeughälften aufgeheizt, umgeformt und kontrolliert abgekühlt. Die Oberflächen der Formwerkzeuge wurden zuvor mithilfe verschiedener lithographischer Verfahren, etwa der Deep-Ultraviolet-Lithographie oder Elektronenstrahllithographie sowie galvanischer Abscheidung mit den gewünschten Antireflexstrukturen versehen. Die Formwerkzeuge pressen die Mikrostrukturen dann in die Oberflächen des Glasrohlings. Selbst anspruchsvolle Mikrostrukturen können auf diese Weise auf die Oberflächen von Glasoptiken eingebracht werden.

Prozesskette bietet viele Vorteile und übertrifft den aktuellen Stand der Technik

Die Projektergebnisse begeistern die Forschenden: In mehreren Versuchsreihen gelang es ihnen, die Anti-Reflex-Mottenaugenstruktur in die Oberflächen von Glaslinsen einzubringen. »Wir haben eine industrietaugliche Prozesskette zur Fertigung kompakter und robuster Punkt-Gas-Sensoren entwickelt, die den aktuellen Stand der Technik in den Bereichen Sensitivität, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz weit übertrifft. Und die Optiken weisen nun mit der umgeformten Struktur eine gute Antireflexionswirkung auf«, so Anh Tuan Vu.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Anh Tuan Vu M.Sc.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstr. 17
52074 Aachen
Telefon +49 241 8904-468
anh.tuan.vu@ipt.fraunhofer.de
www.ipt.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

https://www.ipt.fraunhofer.de/de/presse/Pressemitteilungen/210121-glasoptiken-fu…

Media Contact

Susanne Krause Externe und interne Kommunikation
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau

Der Maschinenbau ist einer der führenden Industriezweige Deutschlands. Im Maschinenbau haben sich inzwischen eigenständige Studiengänge wie Produktion und Logistik, Verfahrenstechnik, Fahrzeugtechnik, Fertigungstechnik, Luft- und Raumfahrttechnik und andere etabliert.

Der innovations-report bietet Ihnen interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Automatisierungstechnik, Bewegungstechnik, Antriebstechnik, Energietechnik, Fördertechnik, Kunststofftechnik, Leichtbau, Lagertechnik, Messtechnik, Werkzeugmaschinen, Regelungs- und Steuertechnik.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Autonomes High-Speed-Transportfahrzeug für die Logistik von morgen

Schwarm-Logistik Das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML entwickelt eine neue Generation fahrerloser Transportfahrzeuge: Der LoadRunner kann sich dank Künstlicher Intelligenz und Kommunikation über 5G im Schwarm organisieren und selbstständig…

Neue Möglichkeiten in der druckunterstützten Wärmebehandlung

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden verstärkt seine technologische Kompetenz im Bereich der druckunterstützten Wärmebehandlung mit der Neuanschaffung einer Quintus Hot Isostatic Press QIH 15L. Damit…

Virenfreie Luft durch neuartigen Raumlüfter

In geschlossenen Räumen ist die Corona-Gefahr besonders groß. Aerosole spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Sars-CoV-2 und erhöhen die Konzentration der Corona-Viren in Büros und Co. Ein neuartiges…

Partner & Förderer