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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelementes, insbesondere für ein optisches Bauelement für den Einsatz im Infrarotbereich (IR), gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1, einem optischen Bauelement gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 7 und einem optischen Modul gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 8.
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Optische IR-Bauelemente in Systemen, die für eine Nutzung von Infrarotstrahlung ausgelegt sind, müssen insbesondere dann langzeitstabil Bilder und Signale hoher und gleichbleibender Qualität übertragen können, wenn diese in Mess-, Prüf- oder Überwachungsanlagen eingesetzt werden. Unter optischen IR-Bauelementen sind nachfolgend alle Elemente zu verstehen, die für Anwendungen in Wellenlängenbereichen der Infrarotstrahlung vorgesehen sind. Optische IR-Bauelemente können beispielsweise optische Linsen, Spiegel, Filter, Strahlteiler oder sonstige Trägersubstrate mit Beschichtungen sein.
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Eine wesentliche Herausforderung bei der Herstellung von Beschichtungen für IR-Bauelemente liegt in der Entwicklung von kostengünstigen und effizienten Verfahren. Bedingt durch die hohen Wellenlängen müssen für Beschichtungen für IR-Bauelemente, bei den bisher dem Stand der Technik entsprechenden PVD (Physical Vapor Deposition) Verfahren, sehr dicke Schichtsysteme abgeschieden werden. So werden zum Beispiel für Filterbeschichtungen für den Spektralbereich 8–14 μm ca. 50 μm dicke Schichten benötigt. Im Vergleich dazu sind für den VIS-Bereich die Dicken in der Regel um den Faktor 15 geringer.
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Dabei können sowohl widrige Umwelteinflüsse als auch betriebsbedingte Einflüsse auf die optischen IR-Bauelemente einwirken. Die Anforderungen an Beschichtungen für IR-Bauelemente, insbesondere für Filterbeschichtungen, für den Einsatz in optischen Modulen z. B. in bildgebenden Sicherheitssystemen, wie für Wärmebildgeräte, Fahrerassistenzsysteme in Automobilen, Thermografen usw., erfordern bzw. erwünschen zunehmend dünnere Schichtdicken, um insbesondere Oberflächendefekte in PVD-Beschichtungen zu reduzieren. Um den wachsenden Anforderungen nach miniaturisierten, hochauflösenden Sensorsystemen gerecht zu werden, müssen diese Oberflächendefekte hinsichtlich der Anzahl und Größe minimiert werden.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik auch so genanntes „Black Silicon” (schwarzes Silizium) als eine spezielle Oberflächenmodifikation des kristallinen Siliziums bekannt. Ursprünglich wurde diese Veränderung Mitte der 1980er Jahre beobachtet. Damals war sie ein negativer Nebeneffekt beim reaktiven Ionentiefenätzen.
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Durch hochenergetischen Beschuss mit Ionen oder ultrakurzen Laserpulsen entstehen nadelförmige Strukturen auf der Oberfläche, die die Reflexion des Substrates stark verringern. Im Gegensatz zu diesem Black Silicon mit statistisch ausgebildeten Oberflächenstrukturen (S-BS) werden heute auch bereits Substrate mit definierten, deterministischen Oberflächenstrukturen gefertigt (D-BS), deren Strukturierung auf die angestrebten Eigenschaften hin entworfen wurde. Ähnlich wie beim Mottenaugen-Effekt wird durch die Strukturen der hohe Reflexionsgrad des Siliziums deutlich gesenkt (von ca. 20–30% auf ca. 5%). Ursache dafür ist die Ausbildung eines sogenannten effektiven Mediums durch die mikrostrukturierte Oberfläche mit Strukturgrößen unterhalb der Wellenlänge. Diese Oberfläche bewirkt einen stetigen Übergang der Brechzahl des effektiven Mediums, so dass keine scharfe optische Grenzfläche existiert, an der das Licht reflektiert werden kann. Stattdessen wird das Licht „sanft” in das Material geleitet und kaum reflektiert, was das Objekt schwarz erscheinen lässt.
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Dieser Effekt macht Black Silicon als Material für viele Anwendungen interessant. Seit einigen Jahren gibt es weltweit umfangreiche Entwicklungen zu möglichen Herstellungsverfahren und Applikationen. Von besonderem Interesse sind Verfahren zur Effizienzsteigerung in der Photovoltaik und Sensorik. Verwendung finden dabei die elektrischen Eigenschaften des Black Silicon im Spektralbereich unterhalb von 1.5 μm.
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Eine andere Zielrichtung ist die Entwicklung von nanostrukturiertem Silizium mit der Zielstellung der Verwendung als effizienten Wärmetauscher oder Katalysator-Träger mit extrem großer Oberfläche.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Beschichtung beziehungsweise Modifikation für ein optisches Bauelement vorzuschlagen, die den oben genannten Anforderungen nach Miniaturisierung entspricht, flexibel und zugleich kostengünstig ist und effizient hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 7 und einem optischen Modul mit einem optischen Bauelement gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche näher definiert.
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In einem Grundgedanken der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelementes die folgenden Verfahrensschritte auf:
Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche;
Modifizieren der ersten Oberfläche derart, dass eine nadelförmige Oberflächenstruktur ausgebildet wird;
Modifizieren der zweiten Oberfläche derart, dass eine nadelförmige Oberflächenstruktur ausgebildet wird, die Strahlung mit einer Wellenlänge von größer 2 μm transmittiert oder Beschichten der zweiten Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht, die ausgebildet ist, Strahlung zumindest teilweise zu reflektieren.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die nadelförmige Oberflächenstruktur, also Black Silicon, insbesondere im Spektralbereich größer 2 μm, das heißt vorrangig für Wellenlängen zwischen 2 μm und 20 μm angewendet. Diese neuartigen Anwendungen und Kombinationen unter Nutzung der Eigenschaften des Black Silicons ermöglichen die Entwicklung neuer Beschichtungen für den Einsatz in IR-Optiken und infraroten optischen Systemen. Die erfindungsgemäße Kombination von Black Silicon und herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von optischen IR Beschichtungen eröffnet völlig neue Möglichkeiten, um Produkte mit erweiterten Eigenschaften für den IR-Massenmarkt zu entwickeln und herzustellen. So sind einerseits durch die Herstellungsverfahren von S-BS, also statistisch ausgeprägten Oberflächenstrukturen, kostengünstige Breitband-Entspiegelungen möglich, die somit für Systeme neue Perspektiven des Markteintritts in hochvolumige, kostensensitive Anwendungen bieten (z. B. Automotive). Durch die Anwendung von D-BS, also deterministisch ausgeprägte Oberflächenstrukturen, können dabei sogar diverse signifikante optische Eigenschaften wie Filter- und Bandpassfunktionen zusätzlich emuliert werden.
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Durch die Kombination von Black Silicon mit herkömmlichen IR Beschichtungsverfahren lassen sich dabei in überraschender Weise wesentliche Nachteile eines homogenen PVD Schichtstapels deutlich reduzieren. Der Aufwand für die Realisierung der Blockung von IR Filtern für Detektorfenster im Spektralbereich von beispielsweise 7.5–14 μm kann durch Ausnutzung der Absorption der nanostrukturierten Oberflächen („Black Silicon”) deutlich verringert werden. Üblicherweise werden aufwendige Schichtsysteme aus dielektrischen oder Halbleitermaterialien hergestellt, um die Transmission in unerwünschten kurzwelligeren Spektralbereichen zu unterdrücken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Beschichtens der zweiten Oberfläche mittels eines PVD-Prozesses (Physical Vapor Deposition). Ein derartiges Beschichtungsverfahren ist besonders gut beherrschbar und Materialien können durch diesen Prozess in besonders reiner Form abgeschieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Modifizierens der ersten und/oder zweiten Oberfläche mittels Ionenbeschuss oder ultrakurzen Laserpulsen. Derartige Verfahren eignen sich besonders gut, um nadelförmige Oberflächenstrukturen herstellen zu können. Beispielsweise kann es sich bei den nadelförmigen Oberflächenstrukturen um Nadeln mit einer Länge von > 10 μm bei einer Breite von < 1 μm handeln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die nadelförmige Oberflächenstruktur der ersten und/oder zweiten Oberfläche mittels einer Stabilisierungsschicht vergütet. Diese Stabilisierungsschicht kann beispielsweise als so genannte DLC-Schicht (Diamond-like carbon) ausgebildet sein. Ein wesentlicher Nachteil von der nadelförmigen Oberflächenstruktur, also dem „Black Silicon” liegt in der extrem geringen mechanischen Belastbarkeit. Schon ein leichtes Überstreichen führt zu irreversiblen Zerstörungen und damit Änderungen der eingestellten Charakteristik. Dies gilt sowohl für D-BS als auch für S-BS Strukturen. Durch eine Vergütung mit einer DLC-Schicht kann dieses Problem gelöst werden, ohne die optischen Eigenschaften des „Black Silicon” essentiell zu verändern.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt des Modifizierens der ersten und/oder zweiten Oberfläche derart ausgeführt, dass ein erster Bereich ausgebildet wird, der Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches transmittiert und ein zweiter Bereich, der Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches transmittiert. Somit kann ein optisches Bauelement zum Erfassen verschiedener Wellenlängen zur Verfügung gestellt werden.
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Die Erfindung beansprucht auch ein optisches Bauelement, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Trägersubstrat zumindest ein Material aus der folgenden Gruppe umfasst: Silizium, Germanium, CaF2, ZnSe, ZnS oder ein Chalkogenid.
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Ferner beansprucht die Erfindung auch ein optisches Modul mit einem Gehäuse und einem erfindungsgemäßen optischen Bauelement, wobei das optische Bauelement derart in das Gehäuse eingesetzt ist, dass die erste Oberfläche des Trägersubstrats in Richtung eines Innenbereiches des Gehäuses angeordnet ist und die zweite Oberfläche des Trägersubstrats in Richtung eines Außenbereiches des Gehäuses angeordnet ist und in dem Innenbereich des Gehäuses ein Sensorelement zum Erfassen der Strahlung angeordnet ist. Das Sensorelement kann beispielsweise als Bolometerelement ausgeführt sein.
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Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können. Umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass die Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 Transmissionsspektrum eines IR Filters 8–14 μm, wobei ein Trägersubstrat beidseitig mittels PVD beschichtet wurde;
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2 Transmissionsspektrum eines IR Filters 3–14 μm, wobei ein Trägersubstrat beidseitig modifiziert wurde, so dass eine nadelförmige Oberflächenstruktur („Black Silicon”) entsteht;
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3 Transmissionsspektrum eines IR Filters 3–14 μm, wobei ein Trägersubstrat auf einer ersten Oberfläche modifiziert wurde, so dass eine nadelförmige Oberflächenstruktur („Black Silicon”) entsteht und mit einer weiteren Schicht mechanisch geschützt wird und auf einer zweiten Oberfläche mit einer PVD Schicht beschichtet wurde;
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bauelementes;
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bauelementes;
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6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bauelementes.
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1 zeigt ein Transmissionsspektrum eines IR Filters (8–14 μm), also eines optischen Bauelementes, gemäß dem Stand der Technik, wobei ein Trägersubstrat beidseitig mittels PVD (Physical Vapor Deposition) beschichtet wurde. Bei dem Trägersubstrat kann es sich beispielsweise um ein Substrat aus Silizium handeln. Für die Herstellung eines solchen Filters müssen auf beiden Oberflächen eines Trägersubstrats Schichtsysteme aufgebracht werden, die sich aus typischerweise je 20 bis 90 Einzelschichten zusammensetzen.
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Erfindungsgemäß wird „Black Silicon” durch Modifikation einer Oberfläche als Filter bzw. Antireflex(AR)-Beschichtung/Coating im langwelligen Spektralbereich verwendet. In 2 ist dargestellt, welche Transmission man mittels „Black Silicon” erreichen kann. In dem Beispiel wurden beide Seiten eines Trägersubstrats mittels ionengestützter Ätzung mit gleichartigem „Black Silicon” Strukturen (S-BS) versehen.
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Die gemessene mittlere Transmission von ca. 80% ist durchaus vergleichbar mit Werten, die herkömmliche Filter auf Basis von Silizium Substraten erreichen können (siehe 1).
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Die Filtercharakteristik, zum Beispiel der Blockungsbereich oder Kantenlagen, lässt sich durch gezielte Beeinflussung der Nanostrukturen beeinflussen (D-BS).
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Ein Nachteil von „Black Silicon” kann in der geringen mechanischen Belastbarkeit der Nanostrukturen liegen. Schon ein leichtes Überstreichen kann zu irreversiblen Zerstörungen und damit Änderungen der eingestellten optischen Charakteristik führen. Dies gilt sowohl für D-BS als auch für S-BS. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass unter Beibehaltung der optischen Eigenschaften die mechanischen Eigenschaften verbessert und ggf. auch noch die optischen Eigenschaften erweitert werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man herkömmliche PVD-Verfahren und Verfahren zur Erzeugung von „Black Silicon” verbindet. Dabei wird die in einem Innenbereich eines Gehäuses liegende Oberfläche eines Trägersubstrates (auch als erste Oberfläche 3 bezeichnet, siehe 4) mit Black Silicon vergütet. Die in einem Außenbereich liegende Fläche (auch als zweite Oberfläche 4 bezeichnet, siehe 4) steht zur Verfügung, um entsprechend der Anwendung geeignete Beschichtungen, z. B. Kantenfilter, Bandpassfilter, Anti-Reflex-Beschichtungen (AR/Coatings), DLC Beschichtungen oder andere geeignete Schichten aufzubringen.
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Damit erhält man einerseits Lösungen, die den Anforderungen eines Einsatzes unter typischen Umweltbedingungen (z. B. MIL – C-48497) erfüllen. Andererseits besteht die Möglichkeit mit modernen Verfahren kosteneffektive IR Komponenten und damit Systeme herzustellen.
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Um eine bessere Handhabung der mechanisch instabilen „Black Silicon” Oberfläche zu erreichen, wurde zusätzlich festgestellt, wie eine Härtung der Struktur erreicht werden kann, ohne dadurch eine unzulässige Verschlechterung der optischen Eigenschaften (Reduzierung der Reflexion) zu bewirken. Es muss dazu ein Material verwendet werden, dass über geeignete Eigenschaften (Brechzahl, Transparenz) im IR Spektralbereich verfügt.
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In dieser besonderen Ausführung wurde gefunden, dass die Black Silicon Oberflächen in einem zusätzlichen Verfahren mit einer DLC („Diamond – Like – Carbon”) Beschichtung vergütet werden. DLC Beschichtungen sind bekannt für ihre sehr große Härte und chemische Beständigkeit. Sie werden heute im IR Spektralbereich unter anderem für die Herstellung extrem belastbarer Linsen in Wärmebildkameras eingesetzt.
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Dazu sind Bedingungen einzustellen, die eine homogene Abscheidung der DLC Beschichtung ermöglichen. Die notwendigen Schichtdicken und technologischen Parameter sind dabei so zu wählen, dass einerseits eine ausreichende mechanische Härtung erreicht werden kann und andererseits die Auswirkungen auf die angestrebten optischen Eigenschaften gering gehalten werden können bzw. bewusst modifiziert werden.
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Es wurde nachgewiesen, dass sich auf diese Weise gehärtete „Black Silicon” Flächen ohne negative Veränderung der optischen Eigenschaften insbesondere ohne Zerstörungen mit üblichen in der Optik verwendeten Mitteln (z. B. mit optischen Tuch und Aceton) wischen bzw. reinigen lassen.
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In einem weiteren Beispiel wurde auf einem zu beschichtenden Trägersubstrat, im vorliegenden Fall Silizium, in einem ersten Schritt eine Black Silicon Strukturierung vorgenommen. In einem zweiten Schritt wurden diese Nanostrukturen durch das Aufbringen einer DLC Beschichtung mit einer geeigneten Schichtdicke (im vorliegenden Beispiel 400 nm) gehärtet. Auf die zweite Fläche des Substrates wurde eine Antireflex-Beschichtung (AR-Coating), z. B. aus Silizium (Si), Metalloxiden und -Fluoriden) mit PVD aufgebracht.
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In 3 wird die Gesamttransmission eines derart beschichteten Trägersubstrats aufgezeigt. In 6 ist eine schematische Skizze eines derartigen optischen Bauelements 1 dargestellt. Das optische Bauelement umfasst ein Trägersubstrat 2 aus Silizium mit einer ersten Oberfläche 3 und einer zweiten Oberfläche 4. Die erste Oberfläche 3 ist in Richtung eines Innenbereiches I eines nicht dargestellten Gehäuses ausgerichtet. Die zweite Oberfläche 4 ist in Richtung eines Außenbereiches A eines nicht dargestellten Gehäuses ausgerichtet. Die erste Oberfläche 3 wurde derart modifiziert, dass eine nadelförmige Oberflächenstruktur 5 ausgebildet wird. Die zweite Oberfläche 4 ist mit einer dielektrischen Beschichtung 6 z. B. einem Filter oder einer Entspiegelungsschicht versehen, die mittels eines PVD-Prozesses abgeschieden wurde.
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Über die Verwendung von Black Silicon hinaus ist die Modifizierung im Sinne von D-Material und S-Material auch für andere IR Materialien anwendbar. So sind äquivalente Oberflächen auf Materialen wie z. B. Ge, CaF2, ZnSe, ZnS, Chalkogenide (IG4, IG5, AMTIRe, ...), neue Materialien (Spinelle) oder andere genauso prinzipiell mit gleichen Ansprüchen und gleichen Eigenschaften realisierbar. Insbesondere wird auch eine Veredelungsform von gemischten Beschichtungen auf den strukturierten Oberflächen als Ausführungen im Sinne der Erfindung eingeschlossen.
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Eine Anwendung, die aufgrund der S-BS Struktur zusätzlich auffällt ist die Verwendung einer modifizierten beziehungsweise strukturierten Oberfläche als Messsensor für feuchte und andere Partialstoffe. Die zu erwartende erhebliche Adsorptionsfähigkeit der Oberfläche kann entweder alleine (für Wasserdampfmessungen) oder zusammen mit einer auf das nachzuweisende Reagenz sensiblen Beschichtungssubstanz Verwendung finden. Dabei kann die Änderung der optischen Eigenschaft der Oberfläche je nach Konzentration der angelagerten Substanz (z. B. die Lage einer optischen Kante) nachgewiesen (de facto Transmissionsänderung für Bestrahlung mit einer differentiellen (= zweibandigen) Lichtquelle) werden.
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Aus den 4 bis 6 sind Ausführungsbeispiele für Schichtenfolgen und Trägersubstrate 2 sowie IR-Beschichtungen für ein optisches Bauelement 1 dargestellt. In weiteren möglichen Ausführungsformen können die Anzahl der Teilschichten und die jeweilige Schichtdicke der Absorberschicht 6 variieren und an die jeweils notwendigen Transmissionswerte angepasst werden (siehe 4 und 5). Als Trägersubstratmaterialien sind alle bekannten Materialien, wie z. B. Germanium (Ge), Silizium (Si), Zinksulfid, Zinkselenid, Chalkonides (IG4, IG5 ...), Glas, Saphir zu verstehen. Es können auch andere als die in den Beispielen und der Beschreibung genannten Materialien gewählt werden, die sich für Anwendungen im IR-Bereich eignen.
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Durch Black Silicon (BS) mit zonal abgestimmten Nanostrukturierungen können unterschiedliche optische Eigenschaften erreicht werden, so dass multispektrale Bauelemente möglich sind. Ein Beispiel für mindestens zwei unterschiedliche Bereiche 7, 8 sind 7 zu entnehmen. Auch die Gestaltung mit unterschiedlichen Bereichen in entsprechend anpassbaren Maßen, Reihenfolgen und Anzahlen sind durch die Erfindung inbegriffen. Black Silicon wird mit zonal abgestimmten Nanostrukturierungen für verschiedene Wellenlängen angewendet (z. B. erster innerer Bereich 8 flachere Strukturen für 2–5 μm, zweiter äußerer Bereich 9 tiefere Strukturen für 8–14 μm).
