DE102013204502A1

DE102013204502A1 - Fenster für hohe infrarot-übertragung mit selbstreinigender hydrophiler oberfläche

Info

Publication number: DE102013204502A1
Application number: DE102013204502A
Authority: DE
Inventors: Patrick Yasuo Maeda
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-09-26
Also published as: JP2013196003A; US20130250403A1; GB2501978A; GB2501978B; TW201348166A; CN103323892A; GB201305181D0

Abstract

Ein optisches Übertragungsfenster enthält ein dielektrisches Substrat, das bei einer Infrarot-Wellenlänge transparent ist. Eine Titandioxidbeschichtung ist auf einer Außenfläche des dielektrischen Substrats vorgesehen. Die Titandioxidbeschichtung hat eine optische Dicke von m plus eine Hälfte der Infrarot-Wellenlänge, wobei m eine ganze Zahl größer gleich Null ist.

Description

Verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen richten sich im Allgemeinen auf Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, die eine hohe Infrarot-Übertragung durch ein Fenster mit einer hydrophilen Oberfläche erleichtern. Bei einer Ausführungsform enthält ein optisches Übertragungsfenster ein dielektrisches Substrat, das bei einer Infrarot-Wellenlänge transparent ist. Eine Titandioxidbeschichtung ist auf einer Außenfläche des dielektrischen Substrats vorgesehen. Die Titandioxidbeschichtung hat eine optische Dicke von m plus eine Hälfte der Infrarot-Wellenlänge, wobei m eine ganze Zahl größer gleich Null umfasst.
Diese und andere Merkmale und Aspekte verschiedener Ausführungsformen gehen aus der folgenden ausführliche Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der nachstehenden Erörterung wird auf die folgenden Figuren Bezug genommen, wobei das gleiche Bezugszeichen verwendet werden kann, um die gleiche/eine ähnliche Komponente in mehreren Figuren zu identifizieren.
Die 1A bis 1C sind Blockschaltbilder von Fensterstrukturen gemäß beispielhafter Ausführungsformen;
Die 2A bis 2B sind Graphen, die analytische Ergebnisse von Reflektivität versus Wellenlänge für Fensterstrukturen gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigen; und
3 ist ein Ablaufplan, der einen Prozess gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Fenster, das für optische Vorrichtungen verwendbar ist, die in einem vorab definierten Wellenlängenbereich arbeiten. Das Fenster bietet nicht nur eine Isolierung gegenüber der physischen Umgebung, sondern ist auch selbstreinigend, beschlägt nicht und lässt keine Fleckenbildung zu. Ein solches Fenster kann beispielsweise verwendet werden, um eine optische Vorrichtung, z. B. eine Infrarot-(IR-)Kamera, zu umschließen, die in einem relativ kleinen Wellenlängenbereich arbeitet. In einen solchen Fall kann das Fenster aus Materialien und mit Abmessungen gebildet sein, die die selbstreinigenden Eigenschaften optimieren, sogar wenn dies zu einer optischen Leistung führt, die für Anwendungen von Optiken mit einem breiteren Band (z. B. eine Kamera für sichtbares Licht) suboptimal sein könnten.
Es gibt zumindest zwei unterschiedliche technische Ansätze für selbstreinigende Beschichtungen: hydrophil und hydrophob. Beide Beschichtungstypen reinigen sich selbst durch die Wirkung von Wasser. Bei der hydrophoben Oberfläche nehmen darüber laufende Tröpfchen Schmutz und Staub mit. Bei der hydrophilen Oberfläche trägt gießendes Wasser Schmutz ab. Bei vorliegenden Ausführungsformen wird eine Titanoxidbeschichtung (z. B. aus Titandioxid, TiO₂) dahingehend beschrieben, dass sie als hydrophile selbstreinigende Oberfläche verwendet wird. Auch wenn alternative Metalloxide verwendet werden können, ist in den hier gezeigten Beispielen TiO₂ beschrieben, da es eine äußerst effiziente Photoaktivität aufweist, relativ stabil und kostengünstig ist.
Ein TiO₂-Beschichtungsmaterial hat photokatalytische und photoinduzierte hydrophile Eigenschaften, wenn mit ultraviolettem Licht (UV-Licht) kombiniert. Das UV-Licht kann aus Umgebungssonnenlicht oder anderen UV-Lichtquellen stammen. Die hydrophile Eigenschaft einer TiO₂-Beschichtung verhindert das Beschlagen sowie die Fleckenbildung durch Wasser und fördert einen Regenwasser-Reinigungsstrom statt Abperlen ("Beading"). Die photokatalytischen Eigenschaften einer TiO₂-Beschichtung verhindern das Ansammeln von Schmutz, Staub und diversen organischen Materialien. Eine photochemische Reaktion entsteht auf einer TiO₂-Oberfläche, wenn diese mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird. Dies bewirkt eine Lichtadsorption, die zu einem Abbau von organischen Substanzen führt. Der Abbau ist wirksam, wenn die Anzahl der einfallenden Photonen viel größer als die Anzahl von verfilmenden Molekülen ist, die an der Oberfläche auftreffen, pro Zeiteinheit.
Eine TiO₂-Schicht kann mit einigen Einschränkungen als langlebiges dielektrisches Dünnschichtmaterial für optische Beschichtungen verwendet werden. Eine TiO₂-Beschichtung hat einen relativ hohen Brechungsindex (ungefähr 2,6), der eine einflächige Fresnel-Reflexion von ungefähr 20 % an einer Luftschnittstelle produziert. Somit kann das willkürliche Auftragen des Materials über ein Fenster oder eine Linse die optische Übertragung des Fensters oder der Linse signifikant verringern. Folglich kann eine TiO₂-Beschichtung für universelle Glasfenster und Linsen aufgrund des hohen Brechungsindex, der eine signifikante Reflexion bewirkt, ungeeignet sein Darüber hinaus können dicken TiO₂-Beschichtungen, obwohl sie die selbstreinigenden Eigenschaften maximieren, eine inakzeptable Dämpfung bei einigen Wellenlängen bewirken.
Die vorgeschlagenen Ausführungsformen nutzen eine Beschichtung mit einer äußeren TiO₂-/Luftschnittstelle, die eine hohe optische Übertragung über einen bestimmten Wellenlängenbereich erzielt und gleichzeitig die oben beschriebenen selbstreinigenden Merkmale bereitstellt. Der Wellenlängenbereich kann Teile des IR-Spektrums beinhalten, z.B. Spektralbänder im nahen Infrarot (NIR). Eine TiO₂-Beschichtung mit solchen Eigenschaften kann beispielsweise bei Anwendungen wie NIR-Überwachungskameras nützlich sein.
Dieser Kameratyp kann NIR-LED-Scheinwerfer mit zentralen Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 1000 nm verwenden. Ein NIR-Überwachungssystem kann optische Lichtsammelsysteme erfordern, die über einen relativen kleinen Wellenlängenbereich optisch effizient sind und der Exposition gegenüber den Elementen für längere Zeiträume ohne Wartung (z. B. manuelle Reinigung von Sichtfenstern) standhalten können.
Unter Bezugnahme auf 1A ist ein Blockschaltbild dargestellt, das ein Fenster 100 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Das Fenster 100 ist aus einem Bogen 102 aus dielektrischem Material (z. B. Glas) gebildet, das zumindest bei einer Lichtwellenlänge von Interesse (z. B. NIR) transparent ist und auch über andere Wellenlängen transparent sein kann. Das Glas wird als Substrat für die Bildung einer nach außen gerichteten Beschichtung 104 (nicht maßstabsgetreu gezeigt) aus einem Titanoxid, z. B. Titandioxid (TiO₂), verwendet. Die Oberflächen des Glases 102 können unbeschichtet sein oder vor Auftragen der TiO₂-Beschichtung 104 mit einer Anti-Reflexions-(AR-)Beschichtung versehen werden.
Es wurde festgestellt, dass, wenn nur ein kleines vorab definiertes Wellenlängenband ohne signifikante Dämpfung durch das Fenster 100 übertragen werden soll, eine dickere Beschichtung 104 aus TiO₂, die auf diese Wellenlängen eingestellt ist, aufgetragen werden kann, wodurch die gewünschten physikalischen Charakteristika (z. B. selbstreinigend) erzielt werden und gleichzeitig eine beliebige gewünschte Behandlung des restlichen Teils der optischen Anordnung möglich wird. Bei einigen Anwendungen von TiO₂-Beschichtungen kann es zulässig oder sogar wünschenswert sein, einen sichtbaren Effekt (z. B. eine geringere Reflexion, eine größere Übertragbarkeit) auf das übertragene Licht zu erzielen. Dies kann jedoch eine dünnere Beschichtung
erfordern, die weniger robust und schwieriger aufzutragen ist.
Die Beschichtung 104 hat photokatalytische und photoinduzierte hydrophile Eigenschaften, wie oben beschrieben, wenn sie mit UV-Licht kombiniert wird. Die TiO₂-Beschichtung 104 kann eine optische Dicke von ungefähr einer halben Wellenlänge von Licht in einer Wellenlänge von Interesse aufweisen, die erweitert werden kann, um m plus die halbe Wellenlänge zu beinhalten, wobei m = 0, 1, 2, 3... Dadurch wird die Übertragbarkeit der Beschichtung 104 um diese Wellenlänge herum maximiert und das Fenster 100 wird in den Wellenlängen von Interesse im Wesentlichen transparent. Bei NIR-Anwendungen kann die optische Dicke im Bereich von 390 nm bis 500 nm liegen.
Die optische Dicke der Beschichtung 104 ist proportional zu einer physikalischen Dicke 106 der Beschichtung 104 auf Basis des Brechungsindex der Beschichtung 104 in der Wellenlänge von Interesse. Die optische Dicke entspricht der physikalischen Dicke 106 multipliziert mit dem Brechungsindex des Schichtmaterials. Somit beträgt die optische Dicke der TiO₂-Schicht 104 für 850-nm-Licht 850 nm/2 = 425 nm, was einer physikalischen Dicke 106 von 425 nm/2,6 = 163 nm entspricht, wobei 2,6 der Brechungsindex von TiO₂ bei einer Wellenlänge von 850 nm ist. Der oben erwähnte optische NIR-Dickenbereich von 390 bis 500 nm entspricht einer physikalischen Dicke 106 von 150 bis 192 nm.
Wie in 1A gezeigt, kann das Fenster 100 mit einer Umschließung 108 verwendet werden, um eine optische Vorrichtung 110 zu schützen. Die optische Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie ein schmalbandiges Spektrum von Infrarot-Licht abgibt und/oder empfängt, das in einer Zielwellenlänge, z. B. 850 nm, zentriert ist, was im NIR-Teil des Spektrums ist. Die optische Vorrichtung 110 kann ein Infrarot-Detektor, eine Kamera, ein Scheinwerfer usw. sein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Das Fenster 100 ist optimiert, um eine minimale Dämpfung für Licht zu produzieren, das von der optischen Vorrichtung 110 gesendet und/oder empfangen wird. Das Fenster 100 bietet gemeinsam mit der Umschließung 108 eine versiegelte Umgebung, die ermöglicht, dass die Vorrichtung 110 unter rauen Bedingungen verwendet wird. Aufgrund der selbstreinigenden Eigenschaften der Beschichtung 104 bietet die Vorrichtung 110 eine gute Sichtbarkeit durch das Fenster 100, und diese Sichtbarkeit kann sogar unter rauen Umgebungsbedingungen mit minimaler Intervention aufrecht erhalten werden.
Wie oben erwähnt, kann ein Fenster gemäß beispielhaften Ausführungsformen eine AR-Beschichtung beinhalten. Ein Typ einer AR-Beschichtung wird aus einer Substanz mit einem Brechungsindex gebildet, der auf den Brechungsindex des Glases 102 abgestimmt ist, um Reflexionen vom Fenster 100 zu verringern, wodurch die Lichtübertragungseffizienz verbessert wird. Beispielsweise kann eine einschichtige AR-Beschichtung ausgewählt werden, so dass ein Brechungsindex der Beschichtung die Quadratwurzel des Brechungsindex des Glases 102 ist. Magnesiumfluorid (MgF₂) hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,38 und wird aus diesem Grund häufig als AR-Beschichtung für optisches Glas mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,52 verwendet. Andere AR-Beschichtungen können absorptionsfähig sein oder Nanostrukturen beinhalten, die Reflexionen verringern. Es können auch komplexere mehrschichtige AR-Beschichtungen mit einer höheren Leistung verwendet werden.
Beispielhafte Konfigurationen von Fenstern 120, 130 mit einer AR-Beschichtung sind in den 1B und 1C gezeigt. Der Einfachheit halber werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um auf ähnliche, in 1A beschriebene Element Bezug zu nehmen, obwohl verstanden sei, dass die Dicken, die Zusammensetzung usw. dieser Komponenten zwischen unterschiedlichen Ausführungsformen je nach den gewünschten Charakteristika und Interaktionen mit den AR-Schichten und Beschichtungen variieren können. In 1B enthält ein Fenster 120 eine AR-Beschichtung 122 auf einer Oberfläche des Glases 102 gegenüber der TiO₂-Beschichtung 104. In 1C enthält ein Fenster 130 eine AR-Schicht 132 zwischen der TiO₂-Beschichtung 104 und einem Glas 102. Dieses Fenster 130 enthält auch eine AR-Innenbeschichtung 122, auch wenn diese Beschichtungsschicht 122 optional sein kann.
In den 2A und 2B zeigen Graphen 200, 210 Ergebnisse von Analysen, die an Fenstern gemäß beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen wurden. In 2A stellt eine Kurve 202 die Intensität der Reflexion versus Wellenlänge für eine Fensteranordnung 102 dar, wie in 1 gezeigt, wobei eine TiO₂-Beschichtung 104 direkt am Substrat aus Glas 102 vorhanden ist. In diesem Beispiel beträgt die optische Dicke der TiO₂-Beschichtung 425 nm (was dem Brechungsindex von TiO₂ bei 850 nm multipliziert mit der physikalischen Dicke 106 der Beschichtung entspricht), was einer halben Wellenlänge von 850-nm-NIR-Licht entspricht. Ähnliche Eigenschaften sollen für eine optische Dicke gleich m + die halbe Infrarot-Wellenlänge für m = 0, 1, 2, 3... gelten. Die Kurve 204 repräsentiert die gleiche Analyse für unbeschichtetes Glas. Wie der Graph 200 zeigt, ist die Reflexion der mit TiO₂ beschichteten Oberfläche (durch Kurve 202 repräsentiert) bei Wellenlängen nahe 850 nm beinahe so niedrig wie bei unbeschichtetem Glas (durch Kurve 204 repräsentiert). Die optisch dichte TiO₂-Schicht halber Wellenlänge ist keine AR-Beschichtung, sondern verhält sich in der zentralen Wellenlänge des NIR oder nahe dieser wie eine Null-Beschichtung (Null Coating).
In 2B zeigt der Graph 210 eine ähnliche Analyse, wobei in diesem Fall die Kurve 312 die Ergebnisse für eine TiO₂-Beschichtung 104 mit einer optischen Dicke von 425 nm repräsentiert, die auf einer AR-Schicht 132 gebildet ist, wie in 1C gezeigt (ohne die gegenüberliegende AR-Schicht 122). Für diese Analyse ist die AR-Schicht 132 aus MgF₂ mit einer optischen Dicke von 212,5 nm gebildet (die gleich die physikalische Dicke der Schicht multipliziert mit dem Brechungsindex 1,38 von MgF₂ bei 850 nm ist). Eine Kurve 214 repräsentiert die gleiche Analyse für AR-beschichtetes Glas ohne TiO₂-Schicht. Wiederum ist die Reflexion der mit TiO₂ beschichteten Oberfläche (durch Kurve 214 repräsentiert) bei Wellenlängen nahe 850 nm beinahe so niedrig wie bei der nur AR-beschichteten Oberfläche (durch Kurve 212 repräsentiert). Es sei darüber hinaus angemerkt, dass der Mindestreflexionsgrad der Kurve 212 geringer als jener der Kurve 202 von 2A ist. Dies zeigt, dass die AR-Beschichtung bei der Wellenlänge von Interesse effektiv ist, sogar wenn die TiO₂-Außenbeschichtung vorgesehen ist.
Wie diese Ergebnisse zeigen, kann eine Beschichtung mit einem hohen Brechungsindex (in Bezug auf Glas) an einer Luftschnittstelle eine hohe Übertragungsleistung in einem Spektralband oder schmalen Spektralband eines dielektrischen Fensters oder eine dielektrischen Linse (z. B. aus Glas, Kunststoff usw.) erzielen. Designs für optische Beschichtungen, bei denen eine optisch dichte Halbwellen-TiO₂-Schicht verwendet wird, können eine hohe Übertragung bei einem dielektrischen Fenster oder einer dielektrischen Linse (z. B. aus Glas, Kunststoff usw.) innerhalb eines LED-Emission-Spektralbandes oder schmalen Spektralbandes erzielen. Mit diesem Verfahren kann ein selbstreinigendes Fenster oder eine selbstreinigende Linse mit hoher Übertragung innerhalb eines LED-Emissions-Spektralbandes oder schmalen Spektralbandes erzielt werden.
Unter Bezugnahme auf 3 zeigt ein Ablaufplan einen Prozess gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Ein dielektrisches Substrat (z. B. Glas, Kunststoff) wird bereitgestellt, 302, wobei das Substrat bei einer Infrarot-Wellenlänge transparent ist. Eine Titandioxidbeschichtung wird auf einer Außenfläche des dielektrischen Substrats gebildet, 304. Die Titandioxidbeschichtung hat eine optische Dicke m plus eine Hälfte der Infrarot-Wellenlänge, wobei m eine ganze Zahl größer gleich Null ist. Optional wird eine Anti-Reflexions-Beschichtung auf dem dielektrischen Substrat gebildet, 306.
Die vorstehende Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf genau die offenbarte Form einschränken. Viele Änderungen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich. Alle Merkmale der offenbarten Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination angewandt werden und sollen nicht einschränkend, sondern lediglich veranschaulichend sein. Der Umfang der Erfindung soll nicht durch diese ausführliche Beschreibung eingeschränkt sein, sondern wird durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein optisches Übertragungsfenster, das umfasst: ein dielektrisches Substrat, das bei einer Infrarot-Wellenlänge transparent ist; und eine Titandioxidbeschichtung, die auf eine Außenfläche des dielektrischen Substrats aufgetragen ist, wobei die Titandioxidbeschichtung eine optische Dicke von m plus eine Hälfte der Infrarot-Wellenlänge aufweist, wobei m eine ganze Zahl größer gleich Null umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Anti-Reflexions-Beschichtung, die auf dem dielektrischen Substrat vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Anti-Reflexions-Beschichtung auf der Außenfläche zwischen dem dielektrischen Substrat und der Titandioxidbeschichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend eine zweite Anti-Reflexions-Beschichtung, die auf einer Innenfläche gegenüber der Außenfläche vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anti-Reflexions-Beschichtung auf einer Innenfläche gegenüber der Außenfläche vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Substrat Glas umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Titandioxidbeschichtung eine selbstreinigende hydrophile Beschichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: eine optische Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein schmalbandiges Spektrum von Infrarot-Licht, das in einer Zielwellenlänge zentriert ist, ausgibt oder empfängt; und eine Umschließung, die die optische Vorrichtung umgibt, wobei die Umschließung das optische Übertragungsfenster enthält.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines dielektrischen Substrats, das bei einer Infrarot-Wellenlänge transparent ist; und Bilden einer Titandioxidbeschichtung auf einer Außenfläche des dielektrischen Substrats, wobei die Titandioxidbeschichtung eine optische Dicke von m plus eine Hälfte der Infrarot-Wellenlänge aufweist, wobei m eine ganze Zahl größer gleich Null umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend das Bilden einer Anti-Reflexions-Beschichtung auf dem dielektrischen Substrat, und wobei die Titandioxidbeschichtung eine selbstreinigende hydrophile Beschichtung umfasst.