DE20122625U1

DE20122625U1 - Transparentes optisches Bauteil aus Polymeren

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Publication number: DE20122625U1
Application number: DE20122625U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2011-12-22

Abstract

Transparentes optisches Bauteil aus Polymeren, das auf mindestens einer Seite mit einer Antireflex-Interferenz-Beschichtung aus mindestens einer dielektrischen Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflex-Interferenz-Beschichtung direkt mittels eines plasmagestützten CVD-Verfahrens (PECVD-Verfahren) auf dem Bauteil aufgebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein transparentes optisches Bauteil aus Polymeren gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Beschichtete optische Komponenten aus organischen Polymeren ersetzen für verschiedene Anwendungen in zunehmendem Maße Komponenten aus Glas, da sie eine Reihe von Vorteilen bieten. Polymere können in einem Arbeitsgang, daher ohne aufwändige Nachbearbeitung mit hoher Oberflächenqualität, gefertigt werden. Die Massenherstellung ist daher vergleichsweise kostengünstig. Zudem bieten Polymere bessere Möglichkeiten der Formgebung, der Miniaturisierung und auch der Mikrostrukturierung von Oberflächen. Für bestimmte Anwendungsfälle ist das geringere Gewicht von Polymeren vorteilhaft.
Polymere Bauteile mit einer Antireflex-Interferenz-Beschichtung für optische Anwendungen werden gegenwärtig durch ionengestütztes Bedampfen beschichtet. Dabei können die Polymere beispielsweise mit einem Antireflex-Schichtsystem beschichtet werden.
Bei der Beschichtung von Polymeren sind einige Besonderheiten im Vergleich zu den etablierten Beschichtungsprozessen für Glassubstrate zu beachten. Da sich thermische und mechanische Eigenschaften der Polymere erheblich von den Eigenschaften sowohl von Glas als Substratmaterial als auch der gängigen dielektrischen Schichtmaterialien, wie TiO₂ und SiO₂ unterscheiden, werden hohe anwendungsspezifische Anforderungen an die Substrat-Schicht-Haftung und die Langzeitstabilität des Schichtsystems gestellt. Der gesamte Prozeß von der Materialauswahl über die Herstellung der Substrate bis zum eigentlichen Beschichtungsverfahren muss im Hinblick auf diese Anforderungen ausgelegt werden. Hohe thermische Wechselbelastungen, wie sie zum Beispiel in optischen Systemen mit sehr hoher Lichtleistung oder Energiedichte auftreten, überschreiten häufig noch die Belastungsgrenzen für die Schichthaftung und die Lebensdauer der beschichteten optischen Polymere. Zudem sind Polymere temperaturempfindlich und können daher bei der Beschichtung nur einer geringen Wärmebelastung ausgesetzt werden.
Die WO 99/055 46 zeigt ein polymeres Substrat mit einer Antireflex-Beschichtung, bei dem zuerst eine hard coat-Schicht und anschließend eine Carbon-Schicht auf das organische Substrat aufgebracht werden müssen, bevor die oxidischen Schichten des Antireflex-Beschichtungssystems aufgebracht werden. Die hard coat-Schicht stabilisiert dabei das flexible organische Substrat in mechanischer Hinsicht und schützt auch das temperaturempfindliche organische Polymersubstrat vor dem nachfolgenden Aufbringen des Antireflex-Beschichtungssystems, welches bevorzugt mit einem Sputterverfahren abgeschieden wird.
Die bevorzugte Weise zum Aufbringen der hard coat-Schicht selbst ist dabei wiederum nicht ein Sputterverfahren, sondern ein nasschemisches Verfahren zum Aufbringen von UV-aushärtbaren organischen Materialien.
Die sehr dünne Carbon-Schicht hat die Wirkung einer Haftvermittlungsschicht und wird bevorzugt mit Hilfe eines Sputterverfahrens aufgebracht.
Bei der Herstellung des bekannten Schichtkörpers werden daher zwei zusätzliche Beschichtungsschritte mit, zumindest einem weiteren unterschiedlichen Beschichtungsverfahren in unterschiedlichen Anlagen benötigt, bevor mit dem Aufbringen des eigentlich gewünschten Antireflex-Beschichtungssystems begonnen werden kann. Diese bekannte Ausführungsform benötigt daher mit großem Nachteil zusätzlichen Aufwand vor dem Beginn des Aufbringens des eigentlich beabsichtigten Antireflex-Beschichtungssystems.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf einfache Weise ein transparentes optisches Bauteil auf Polymeren, das auf mindestens einer Seite mit einer Antireflex-Interferenz-Beschichtung aus mindestens einer dielektrischen Schicht versehen ist, zu schaffen, das neben der optischen Funktion den hohen Anforderungen an die Stabilität des Systems und der Schichthaftung genügt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein transparentes optisches Bauteil auf Polymeren, das auf mindestens einer Seite mit einer Antireflex-Interferenz-Beschichtung aus mindestens einer dielektrischen Schicht versehen ist, und bei dem die Antireflex-Interferenz-Beschichtung direkt mittels eines plasmagestützten CVD-Verfahrens (PECVD-Verfahren) auf dem Bauteil aufgebracht ist.
Die Beschichtung des polymeren Substrats ist bevorzugt mittels eines gepulsten, plasmagestützten CVD-Verfahrens (PICVD) aufgebracht. Das Plasma wird dabei durch die Einstrahlung von Mikrowellen erzeugt. Das Verfahren bietet die folgenden Vorteile:

(i) Durch geeignete Wahl der Pulszyklen und der in das Plasma eingebrachten Pulsleistung kann die Wärmebelastung der Polymersubstrate bei der Beschichtung bei gleichzeitig hoher Qualität und Haftung der abgeschiedenen Schichten sehr gering gehalten werden.
(ii) Neben den Parametern der Plasmapulsung bietet das Verfahren eine Reihe weiterer Prozeßfreiheitsgrade, mit denen sich die Eigenschaften der sukzessiv aufgebrachten Schichten gezielt beeinflussen und im Hinblick auf die Anforderungen an die Stabilität optimieren lassen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein transparentes beschichtetes optisches Bauteil, wobei das organische polymere Substrat mindestens eines der Polymere wie Polycarbonat, Polyetherimid, Polymethylmethacrylat, zyklische Olefine oder Olefincopolymere oder Gemische und Blends davon oder mindestens ein thermoplastisches amorphes Harz enthält.
Dabei können die folgenden kommerziell erhältlichen Polymere Polycarbonat (Makrolon^®), Cycloolefincopolymere (Topas^® oder Zeonex^®), Polyetherimid (Ultem^®) oder Polyethersulfon (Ultrason^®) verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein transparentes beschichtetes optisches Bauteil, wobei mittels CVD mindestens eine Schicht mindestens eines Metalloxids auf das Substrat aufgebracht ist. Die Metalloxide sind bevorzugt Oxide der Metalle Si, Ti oder Nb. Die Metalloxide sind besonders bevorzugt SiO₂, TiO₂, Ta₂O5 oder Nb₂O₅. Mit diesen Metalloxiden werden sehr gute Ergebnisse bei der Schichthaftung erzielt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein transparentes beschichtetes optisches Bauteil, wobei die Schicht auf dem Substrat optional eine Zwischenschicht und darauf eine Antireflexschicht und darauf optional eine Deckschicht enthält und die Zwischenschicht, Antireflexschicht und Deckschicht jeweils mindestens eine Schicht enthalten. Alle diese Schichten werden vorteilhaft in einem Verfahren aufgebracht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein transparentes beschichtetes optisches Bauteil, wobei die Dicke der Zwischenschicht von 0 bis 10 μm, der Antireflexschicht von 50 μm bis 1 μm und der Deckschicht von 0 bis 1 μm beträgt. Bei diesen Schichtdicken werden sehr gute Ergebnisse bei der Schichthaftung erzielt.
Das erfindungsgemäße transparente beschichtete optische Bauteil weist vorzugsweise eine planare, plankonvexe, bikonvexe, plankonkave, bikonkave, konkav-konvexe oder beliebige asphärische Formen auf.
Vorzugsweise ist die Verwendung des transparenten beschichteten optischen Bauteils als optische Linse vorgesehen. Ferner ist weiter die Verwendung des transparenten beschichteten optischen Bauteiles als Bestandteil in beleuchtenden oder abbildenden optischen Systemen vorgesehen. Diese optischen Systeme weisen sehr gute optische Eigenschaften auf und die eingesetzten erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Bauteile genügen den Anforderungen an die Stabilität und die Schichthaftung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert.
Beispiel
Es wurde eine Linse aus dem Material Topas 6015^® in einen Beschichtungsreaktor mit spezieller Probenhalterung eingebracht. Nach Evakuierung auf einen Druck in der Größenordnung von 1 mbar folgte eine kurze Plasma-Vorbehandlung zur Aktivierung der Substratoberfläche. Anschließend wurde eine Zwischenschicht und darauf ein Antireflex-Schichtpaket, bestehend aus 4 Schichten mit SiO₂ als niedrigbrechendem und TiO₂ als hochbrechendem Schichtmaterial auf der Linse abgeschieden. Dabei betrug das Tastverhältnis der Plasmapulsung etwa 5 %. Die Substrattemperatur während der Beschichtung betrug 30° C. Die beschichteten Linsen wurden neben der Messung ihrer spektralen Transmission folgenden Tests unterzogen:

(i) Tape Test (Klebebandtest),
(ii) Langsamer Temperaturwechsel zwischen 20° C und 85° C, bei einer Verweilzeit jeweils 2,5 h (5 Zyklen),
(iii) Konstantklima, 16 h bei 55° C und 100 % relativer Feuchte.

Nach dem Tape Test traten keine Delaminationen des Schichtpaketes auf. Ebenso zeigten sich nach dem Temperaturwechsel- und Konstantklimatest keine Delaminationen. Die beschichtete Linse wies eine gleich bleibende Brillianz auf, Fehlermerkmale der Beschichtung wie zum Beispiel Risse oder Trübungen wurden nicht beobachtet. Dementsprechend ergaben Messungen der optischen spektralen Eigenschaften keine Veränderung nach Temperaturwechsel- und Konstantklimatest.

Claims

Transparentes optisches Bauteil aus Polymeren, das auf mindestens einer Seite mit einer Antireflex-Interferenz-Beschichtung aus mindestens einer dielektrischen Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflex-Interferenz-Beschichtung direkt mittels eines plasmagestützten CVD-Verfahrens (PECVD-Verfahren) auf dem Bauteil aufgebracht ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflex-Interferenz-Beschichtung mittels eines plasmagestützten gepulsten CVD-Verfahrens (PICVD-Verfahren) aufgebracht ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eines der Polymere, wie Polycarbonat, Polyetherimid, Polymethylmethacrylat, zyklische Olefine oder Olefincopolymere oder Gemische und Blends davon oder mindestens ein thermoplastisches amorphes Harz enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht mindestens ein Metalloxid enthält.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide Oxide der Metalle Si, Ti, Ta oder Nb sind.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide durch SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅ oder Nb₂O5 gebildet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche des optischen Bauteiles und der dielektrischen Antireflex-Schicht optional eine Zwischenschicht und auf der dielektrischen Antireflexschicht optional eine äußere Deckschicht aufgebracht ist.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht 0 bis 10 μm, die der Antireflexschicht 50 nm bis 1 μm und die der Deckschicht 0 bis 1 μm beträgt, und die Schichten jeweils aus mindestens einer Einzelschicht bestehen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Ausbildung als optische Linse.
Bauteil nach Anspruch 9 mit einer planaren, plankonvexen, bikonvexen, plankonkaven, bikonkaven, konkav-konvexen oder beliebigen asphärischen Konfiguration der optischen Linse.