22/01/2021
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van Fraunhofer-IPT verminderen de reflectie op sensoroptica door de oppervlakken te voorzien van microstructuren.
Met zogeheten puntgassensoren kan de samenstelling van de aardatmosfeer en de concentratie van bepaalde gassen zoals methaan worden bepaald. In dergelijke sensoren worden glazen optieken gebruikt, die vaak zijn gecoat met antireflecterende materialen. De coatingprocessen zijn echter omstreden vanuit ecologisch en economisch oogpunt.
Mottenoog
Een team van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aken koos voor een milieuvriendelijke, goedkope en efficiënte manier. De onderzoekers verminderen de reflectie op sensoroptica door hun oppervlakken te voorzien van microstructuren zoals die op de ogen van nachtvlinders. Het doel van het MARS-project (Molded Anti-Reflex Structures) was om een nieuwe procesketen te ontwikkelen voor de fabricage van infraroodoptica van chalcogenideglas voor puntgassensoren voor het laserspectroscopieproces.
Belangrijkste focus van de onderzoekers was het verbeteren van de doorlaatbaarheid van de glasoptiek zonder de optische oppervlakken te coaten. In plaats daarvan introduceerden ze microstructuren in de oppervlakken. Daarbij lieten ze zich inspireren door de natuur.
De ogen van sommige nachtvlinders hebben een speciale eigenschap. Op hun oppervlak bevinden zich structuren waarvan de afmetingen kleiner zijn dan de golflengte van het invallende licht. De structuren veroorzaken een constante toename van de brekingsindex van het omringende medium naar het optische medium, waardoor reflectie aanzienlijk wordt verminderd. Dergelijke structuren moesten worden opgenomen in de optische oppervlakken in het Mars-project.
Alternatief voor coating
Glasoptica in sensoren moet transparant zijn in het infrarode bereik en een hoge brekingsindex hebben. Chalcogenideglas heeft een hoge brekingsindex, wat zorgt voor goede beeldprestaties. Ze Helaas gaat dit gepaard met een hoge mate van reflectie, wat de lichttransmissie vermindert en leidt tot transmissieverliezen.
Het opbrengproces voor antireflecterende materialen is tijdrovend, duur en voor de coatings worden vaak milieubelastende materialen gebruikt. Maar een antireflectielaag is alleen effectief voor een smal golflengtebereik en een paar invalshoeken van het licht. Omdat optica in gasdetectoren doorlaatbaar moeten zijn voor verschillende golflengtes en invalshoeken, worden altijd meerdere antireflecterende lagen aangebracht.
Procesketen
In vergelijking met de antireflecterende coating is oppervlaktestructurering van glasoptiek sneller, goedkoper en milieuvriendelijker. Dit komt mede door het fabricageproces dat de onderzoekers kozen: isotherm precisiegieten. Bij dit fabricageproces worden glasplaatjes in de vorm van bollen, gepolijste schijven of wafels op een gecontroleerde manier verwarmd, gevormd en gekoeld tussen twee zeer nauwkeurige matrijshelften.
De oppervlakken van de matrijzen zijn met behulp van verschillende lithografische processen voorzien van de gewenste antireflecterende structuren. De matrijzen drukken vervolgens de microstructuren in de oppervlakken van de glazen plano. Microstructuren worden in de glazen plano (links op de foto) gebracht met een mal (midden). Het resultaat is een optiek met een gestructureerd oppervlak (rechts).
De onderzoekers slaagden er in om de antireflexe structuur van een mottenoog te introduceren in de oppervlakken van glazen lenzen. Zelfs geavanceerde microstructuren kunnen op deze manier in de oppervlakken van glasoptica worden opgenomen. Voor de productie van compacte en robuuste puntgassensoren hebben ze een industriële procesketen ontwikkeld.
Foto: Fraunhofer IPT