Optische Geräte wie Mikroskope, Fernrohre oder auch andere optische Messsysteme müssen zur Verbesserung der Abbildungsqualität innen reflektionsmindernd ausgerüstet werden, um Streulicht zu reduzieren. Dafür werden die häufig aus Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium oder Titan bestehenden Bauteile mit einer Beschichtung versehen, welche sowohl durch ihre schwarze Farbe möglichst viel Licht absorbiert, als auch durch eine raue Oberfläche störende Reflexionen vermeidet. Je nach Anwendungsfall kommen weitere erforderliche Eigenschaften wie eine hohe Korrosionsbeständigkeit, ausreichende mechanische Stabilität oder der Anspruch an niedrige Emissionen an leichtflüchtigen organischen Verbindungen hinzu. Hierzu können plasmachemisch oxidierte Oberflächen mit einer zusätzlichen Beschichtung mit reflektionsmindernden Eigenschaften zum Einsatz kommen, welche unerwünschte Reflektionen über einen weiten Wellenlängenbereich minimieren.
1 Motivation
Die plasmachemische Oxidation (z. B. unter der Markenbezeichnung PCO®) wird seit Jahren erfolgreich als reflektionsmindernde Beschichtung für optische Geräte angewendet (Abb. 1). Dabei wird das Bauteil als Anode in einem wässrigen Elektrolyten elektrochemisch oxidiert. Die resultierende absorbierende Beschichtung zeichnet sich durch ihre hohe Wirksamkeit über einen breiten Wellenlängenbereich, gute thermische, mechanische und chemische Beständigkeit aufgrund komplett anorganischer Zusammensetzung sehr niedrigen Mengen an flüchtigen Bestandteilen aus und ist relativ konturentreu. Dadurch hat sie gegenüber organischen Lacken oder klassischen Eloxalschichten zahlreiche Vorteile. Ihre Wirkung beruht zum einen auf anorganischen lichtabsorbierenden Bestandteilen, welche im Unterschied zu schwarzen Eloxalschichten bereits während der elektrochemischen Oxidation in die Schicht eingebracht werden und dadurch besser fixiert sind. (Beim Schwarzfärben einer klassischen Eloxalschicht werden nach Abschluss des Eloxalprozesses unter Nutzung einer Tauchbehandlung Farbstoffe oder Pigmente in die vorhandenen Poren im Oxid eingebracht.) Zum anderen führt die Mikrorauheit der Beschichtung zur Streuung des einfallenden Lichts.
Abb. 1: Schematischer Aufbau der reflektionsmindernden Oberfläche
Durch die zur Oberfläche geneigten Facetten der rauen Oberfläche sind besonders bei in streifendem Einfall auftreffendem Licht eine deutliche Verminderung des Streulichts und eine verbesserte Abbildungsqualität in optischen Geräten zu beobachten (Abb. 2).
Abb. 2: Siemens-Stern, aufgenommen durch ein glattes Aluminiumrohr mit unterschiedlichen Oberflächen und konstanter diffuser Hintergrundbeleuchtung; unbeschichtetes Aluminiumrohr (links), mit Schwarzeloxierung (Mitte) sowie nach der plasmachemischenOxidation (rechts)
Dieses bewährte Verfahren wurde nun durch die gezielte Erzeugung einer rauen Oberfläche vor der PCO®-Behandlung und besonders durch eine nach der PCO®-Behandlung abgeschiedene nanorauhe Siliziumdioxidschicht (SiO2) weiter verbessert. Durch die dadurch erhöhte Rauheit wird in streifendem Einfall auftreffendes Licht diffuser gestreut. Gleichzeitig bricht die SiO2-Schicht das Licht in Richtung zur PCO®-Oberfläche, wo es absorbiert wird. Dadurch kann die diffuse Reflektion je nach Wellenlänge ungefähr halbiert werden, was die Abbildungseigenschaften damit ausgerüsteter optischer Geräte weiter verbessert.
2 Verfahrensablauf
Als Substrate für PCO®-Schichten sind dabei besonders die Leichtmetalle Aluminium, Magnesium, Titan sowie die meisten ihrer Legierungen geeignet.
Zur Ermittlung der für eine wirksame Streulichtunterdrückung erforderlichen Schichteigenschaften wurden Berechnungen unter Verwendung eines rigorosen Wellenmodells (rigorous coupled wave analysis) durchgeführt. Damit lassen sich die Rauheiten der Oberfläche sowie die Dicke und der Brechungsindex der auf der PCO®-Schicht abgeschiedenen SiO2-Schicht bestimmen. Typischerweise liegen die Schichtdicken der aufgebrachten Siliziumdioxidbeschichtung bei 150 nm.
Für eine besonders wirksame Streulichtunterdrückung wurden die Oberflächen vor der PCO®-Behandlung sandgestrahlt, um grobe Rauheiten der Bauteiloberflächen im Bereich von Ra = 2 µm bis 4 µm aufzubringen. Durch die anschließende Plasmaanodisation werden neben der Schwärzung der Oberfläche weitere Rauheiten von Ra = 0,3 µm aufgebracht. Die abschließende Entspiegelung mittels Siliziumdioxidschicht erzeugt weitere Rauheiten von Ra = 3 nm bis 5 nm. Durch diese abgestufte Rauheit wird sichergestellt, dass Lichtstrahlen möglichst in Richtung auf die lichtschluckende schwarze PCO®-Oberfläche abgelenkt werden.
Die Erzeugung der Siliziumidioxidschicht auf der Oberfläche erfolgt durch CVD-Prozesse unter Verwendung siliziumhaltiger Precursoren und kann zum Beispiel mittels Atmosphärendruckplasma oder flammengestützt im Pyrosil®-Verfahren erfolgen. Beide Verfahren erzeugen kleine Siliziumoxidpartikel im sub-µm-Bereich, die sich auf der Oberfläche schichtbildend vernetzen. Durch die genaue Wahl der Abscheideparameter kann durch Einflussnahme auf die Schichtstrukturbildung die resultierende Lichtabsorption auf den Wellenlängenbereich angepasst werden.Abbildung 3 zeigt Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen von PCO®-Beschichtungen auf Aluminium als Grundwerkstoff mit wahlweise unterschiedlich dicken Siliziumdioxidschichten.
Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopieaufnahme einer unbeschichteten PCO®-Oberfläche auf Aluminium (oben) sowie einer zusätzlich flammenpyrolytisch aufgebrachten dünnen (Mitte) beziehungsweise dicken Siliziumdioxidschicht (unten)
3 Schichtbeständigkeit
Durch ihre Zusammensetzung aus Aluminium- und Siliziumoxiden sind die hochabsorbierenden Schichten rein anorganischer Natur sowie chemisch, thermisch als auch UV-stabil. Kurzzeitige Reinigung mit Ultraschallunterstützung (bis 5‘) oder 1000 Zyklen im Washability-Tester (nach ASTM D2486) haben die diffuse Reflektion der Schichten nicht verschlechtert. Punktuelle starke mechanische Belastungen oder längere Ultraschallreinigung können jedoch zu Beschädigungen an der Schicht führen. Da derartige Schichten besonders im Inneren von optischen Geräten angewendet werden, sind solche Belastungen hauptsächlich bei der Montage zu erwarten.
4 Fazit
Die diffuse Reflektion der PCO®-Schicht wird durch die auf die Oberfläche aufgebrachte Siliziumdioxidschicht und die damit verbundene Realisierung zusätzlicher Nanorauheiten deutlich reduziert.
Abbildung 4 zeigt beispielsweise die diffuse Reflexion von Eloxal- als auch von PCO®-Oberflächen auf Aluminium als Grundwerkstoff. Die herkömmliche Eloxalschicht lässt bei Wellenlängen oberhalb von rund 720 nm eine deutlich höhere Reflektion im Vergleich zu einer klassischen PCO®-Beschichtung erkennen. Zum anderen wird die diffuse Reflektion der plasmaanodisch erzeugten Schicht durch die zusätzliche dünne SiO2-Schicht über den gesamten untersuchten Wellenlängenbereich von 220 nm bis 2200 nm ungefähr halbiert.
Abb. 4: Mittels Ulbricht-Kugel gemessene diffuse Reflektion von plasmaanodisch erzeugten Schichten sowie derartigen Schichten mit zusätzlicher SiO2-Schicht nach 1 Minute Ultraschalleinwirkung im Vergleich mit einer schwarzen Eloxalschicht, jeweils auf Aluminiumsubstrat
Die mit der vorgestellten Prozessführung erzeugte Schicht, die auf Leichtmetallen und den meisten ihrer Legierungen aufgebracht werden kann, ist dabei auf rein anorganischer Basis, ausgasungsarm, thermisch und chemisch stabil und mechanisch relativ robust. Aus diesem Grund eignet sie sich für eine große Bandbreite an Anwendungen in optischen Geräten.
Weitere Informationen zum PCO®-Prozess sind verfügbar unter
- www.coating-innovent.com
