Präzisionsbeschichtungen für Freiform-Oberflächen optischer Komponenten

Licht als universelles Medium und Energie­träger spielt in immer mehr Branchen und Märkten eine bedeutende Rolle. Ob in der Daten­übertragung, der Kommunikation, Energie­gewinnung, Laser­bearbeitung oder in der klassischen Optik. Dem­ent­sprechend steigen die Anforde­rungen an leistungsfähige Optik­produkte und Systeme rasant an. Die Bau­elemente und die integrierten optischen Systeme werden immer komplexer. Erst kürzlich wurde einem Forscher­team aus Wissenschaft und Wirtschaft der Wissen­schafts­preis „Forschung im Verbund“ für die neuesten Entwicklungen für optische Frei­form­systeme verliehen. Mit der Möglichkeit, freigeformte Ober­flächen in der Optik einzu­setzen steigt auch die Komplexität der Beschichtungen. Anwendungen mit geformten Ober­flächen, die dem Betrachter ermöglichen, Inhalte oder Dinge aus verschiedenen Perspektiven zu sehen oder bei variierendem Licht- Einfalls­winkel eine gewünschte optische Wirkung zu erzielen, erfordern hoch­komplexe optische Schicht­systeme.

Den Wissenschaftlern des Fraunhofer FEP ist es nun gelungen, neue Prozesse und Beschichtungs­technologien zu entwickeln, die für Frei­form-Oberflächen groß­flächiger optischer Komponenten nutzbar sind. Konkret geht es um die Herstellung lateraler Gradienten-Schicht­systeme. Ziel dieser Forschungen ist es, angepasste optische Schicht­systeme für Anwen­dungen mit variablem Licht-Einfalls­winkel herzustellen, die z.B. für Holografie, Head-up-Displays oder auch Laser-Belichtungs- und Laser-Bear­bei­tungs­systeme relevant sind. Ein Fokus liegt dabei auch auf der Anpassung der Beschich­tungs­techno­logie für größere Flächen, da inzwischen ein Trend zu größer werdenden Substraten mit geformter Fläche erkennbar ist.

Mit den erreichten Ergebnissen ist man nun in der Lage, durch die lokale Anpassung der optischen Funktion die optische Wirkung der Schicht­systeme besser auf spezielle Kunden­anfor­derungen einzustellen. Das gilt insbesondere für groß­flächige bzw. 3D-Substrate, wo der Licht-Einfalls­winkel in der späteren An­wendung lokal unter­schiedlich ist und die eine lokale Variation der optischen Funktion erfordert. Dr. Daniel Glöß, Leiter der Abteilung Dynamische Beschichtung erläutert dazu: „Die Anfor­derungen an die Beschich­tungs­technologie sind sehr hoch. Praktisch müssen wir die Schicht­dicke lokal unter­schiedlich einstellen. Das geht entweder durch Beschleu­nigung bei der Beschichtung oder durch Variation der Beschichtungs­rate in Abhängigkeit vom Substrat­ort. In beiden Fällen benötigen wir u.a. eine sehr präzise Substrat­bewegung. Wir verfügen mit der PreSensLine über eine Beschichtung­sanlage, in der wir einen speziellen Präzisions­antrieb haben. Die Anlagen­steuerung wurde jetzt so modifiziert, dass wir derartige Beschich­tungen umsetzen und kunden­spezifisch anbieten können.“

Besonders herausfordernd waren die komplexen Anfor­de­rungen an die Beschichtung­sanlage. Im Ergebnis haben die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP im gemeinsamen Forschungs­projekt „TopBePro“ mit den Partnern AIS Automation Dresden GmbH, LSA GmbH und der Dresden Elektronik Ingenieur­technik GmbH nun erreicht, dass unter­schiedliche Kompo­nenten (Präzisions­antrieb, Beschichtungs­quellen, Strom­versorgung) zeitlich sehr genau angesteuert werden können. Die zusätzlichen Interfaces wurden in EtherCAT umgesetzt, womit eine Zeit­auflösung der Kommu­nikation der Komponenten von <1ms erreicht wurde.

In Zukunft wird an der Weiterentwicklung der Simulation gearbeitet, um die passenden Beschichtungsabläufe für vorgegebene Schichtdickenprofile zu berechnen. Außerdem sollen neben den bisherigen flächigen Beschichtungen künftig auch 3D-Substrate, wie z.B. größere Spiegel oder Linsen, beschichtet werden. Wichtige Hard­ware-Vor­aus­set­zungen dafür sind mit der PreSensLine-Anlage am Institut bereits gegeben.

Die Wissenschaftler sind offen für neue Spezifikationen von interessierten Partnern zur gemein­samen Ent­wicklung neuer Anwendungen. Für detaillierte Diskussionen und persönliche Gespräche stehen sie während der 2. OptecNet-Jahrestagung 2018 in Berlin, vom 20. bis 21. Juni 2018 gern zur Verfügung.

FEP / LK